автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Разработка инструментального ядра ГИС с трехмерной визуализацией по результатам фотограмметрической обработки снимков

Московским государственный университет геодезии и картографии

На правах рукописи

КУЖЕЛЕВ П.Д.

о_ I

РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ЯДРА ГНС С ТРЕХМЕРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИЕЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СНИМКОВ

05.24.02 АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА , ФОТОГРАММЕТРИЯ , ФОТОТОПОГРАФИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники и автоматизированной обработки аэрокосмической информации

Научный руководитель - профессор , д.т.н. И.Г. Журкин Официальные оппоненты - д.т.н. Г.И. Василенко

к.т.н. A.M. Портнов

Ведущая организация : Федеральная Служба геодезии и картографии России.

$/4

Защита состоится " 1997

, ес

года на

заседании диссертационного Совета К.063.01.02 по адресу: 103064 Москва Гороховский пер., 4 (ауд. 321)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК. Автореферат разослан " ¿¿.3 " 1997 года.

Ученый секретарь i i

диссертационного совета / /

к.т.н. , профессор Б.В. Краснопевцев

7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Прогресс по всех сферах человеческой деятельности находит снос отражение и и разни пш 1 сопнформацнопных технологий. Выделение геоинформацпонных систем (П1С) в отдельную группу информационных систем ведет к проектированию новых технологий обработки данных . построению новых информационных структур , а также к созданию удобных средств автоматизации работ в области фотограмметрии , при ведении земельного кадастра и исследовании природных ресурсов Земли. В связи с этим в настоящее время чрезвычайный интерес вызывают разработки новых способов представления , интеграции и обработки разнородных данных в ГИС. Наиболее современным и эффективным способом представления к обработки данных в ГИС является объектно-ориентированный подход , использование которого существенно расширяет круг решаемых прикладных задач.

Осуществление такого подхода связанно с решением целого ряда проблем , одной из которых является реализация совместной обработки растрового и векторного формата данных с цифровой моделью рельефа (ЦМР).

Суть этой проблемы заключается в создании программных средств, обеспечивающих решение ряда задач возникающих на различных этапах создания проекта:

• совместном управлении покрытиями;

• формирование векторной карты по аэрофотоснимку;

• ввод семантической информации в базу данных семантики (БДС);

• трехмерной визуализации ЦМР и объектов векторной карты и растрового изображения;

• интеллектуализация интерфейса;

Наибольшую сложность при геометрическом моделировании представляют трехмерные объекты , поэтому разработка и обоснование алгоритмов их моделирования и создание программных средств для решения трехмерных графических задач является важной и актуальной задачей.

Необходимость решения этих вопросов обусловила выбор темы диссертационной работы , предопределила ее цель и основные задачи.

Цель работы состоит в разработке информационной структуры , программного обеспечения и алгоритмов совместного использования аэрофотоснимка , векторной карты и ЦМР , построения их трехмерной модели. Основные задачи исследований:

1) разработать комплекс программ по совместному использованию и интерпретации аэрофотоснимка , векторной карты и ЦМР , построения их трехмерной модели.

2) разработать систему хранения формируемых моделей в архиве и использования их при построении новых моделей .

3)разработать технологию оперативного создания векторной карты по материалам аэрофотосъемки и данных ЦМР.

Методы исследований и фактический митериал

Диссертация основана на теоретических , методических и эксперементальпых исследованиях , выполненых на кафедре вычислительной техники и автоматизированной обработки аэрокосмической информации МИИГАиК. При решении поставленных в работе задач использовались методы как общенаучных дисциплин, так и специальные , в том числе разработанные автором.

Созданный в процессе исследований пакет программ ЛРГИС был разработан при помощи системы программирования DELPHI фирмы BORLAND и предлагающегося той же фирмой интерфейса баз данных ODBC. Научная повита.

Разработана технология работы с разнородными покрытиями в едином пространстве данных .

Определено понятие "логических слоев" , основанное на разделении графической информации по целевому назначению.

Разработана технология использования трехмерных условных знаков. Практическая ценность.

Разработан пакет программ ЛРГИС предоставляющий программные средства для решения следующих задач:

• создание фотоплана с использованием: оцифрованного аэрофотоснимка и данных ЦМР;

• создание и ведение баз данных по работе с семантической информацией электронного фотоплана связанной с графическими объектами;

• анализ графической и семантической модели;

• построение трехмерной интерпретации графической модели;

• поддержка управления создаваемыми проектами.

Апробация работы.

Пакет программ ЛРГИС является одной из компонент программного продукта " Цифровая фотограмметрическая станция" разрабатываемого по хоздоговорной теме на кафедре ВТ и АОИ МИИГАиК.

Пакет программ АРГИС демонстрировался на 3-ей Международной выставке "Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды".

Пакет программ АРГИС используется в учебной работе по курсу ГИС . Публикации.

По результатам проведенных исследований опубликовано три научные работы. Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения , четырех глав , заключения , списка литературы и приложения. Основной текст диссертации содержит 120 страниц и 45 иллюстраций , Список литературы включает 48 наименований. В число иллюстраций включены примеры работы пакета программ АРГИС.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приводится обзор основных направлений, методов и задач, относящихся к области разработок ГИС технологий.

Отмечается . что развитие этой области исследований связано с большим вниманием , которое в настоящее время уделяется разработке и использованию геоинформационных систем (ГИС). Основой для развития является опыт, накопленный в таких областях как машинная графика и управление базами данных. Результатом исследований является создание методов, алгоритмов и программ г еоинформационных технологий.

Рассматриваются отечественные и зарубежные разработки наиболее полно освещенные в печати , и используемые в них подходы. В ряде работ указывается , что псе большее развитие получают векторно-растровые ГИС позволяющие решать задачи по совместной работе с различными видами данных .

Указывается общее определение ГИС -системы :

"динамически организованное множество данных (динамическая база данных или банк данных ) , соединенное с множеством моделей созданное для анализа и интерпретации разнородных данных"

При всем многообразии целей , методов и задач информационного ГИС моделирования логически и организационно в них можно выделить несколько конструктивных блоков:

1) сбора;

2) обработки;

3) моделирования и анализа;

4) использование в процессах принятия решений.

Этот подход и развивается в диссертационной работе применительно к заявленным задачам.

Первая глава диссертационной работы посвящена формальному построению модели ГИС и определению ее функциональных возможностей исходя из поставленной задачи.Рассматривается объектная природа покрытий и проектируется технологическая схема работы всех модулей системы.В отличие от известных из литературы подходов к формальному построению схем представления, выбранный аппарат позволил определить и обосновать достаточно простые логические схемы алгоритмов формирования и обработки представлений. При системном подходе процесс разработки ГИС можно рассматривать как оптимизация методом разбиения на подсистемы. Схема обобщенной ГИС основывается на входных и выходных информационных потоках. Исследования информационных потоков ГИС выявили , совокупность входных данных X и выходных данных У может быть представлена в виде независимых совокупностей для трех групп задач:

• сбора;

• моделирования и хранения;

• представления.^

Эти условия являются достаточными для того чтобы представить входные X и выходные У потоки обобщенной ГИС Б в виде произведений:

Х= (ТЗс х ТЗМ х ТЗп х X1),

У= (Хи х ЦММ х ЦМК).

ТЗс,ТЗм,ТЗп - технические задания на : сбор информации , моделирование , представление данных после окончательной обработки. XI- множество первичных данных , Хи- множество унифицированных данных, ЦММ - цифровая модель местности ЦМК - цифровая модель карты.Можно представить ГИС в виде стратифицированной трехуровневой структуры:

ПСО:ТЗс х XI х НТм-- > Хи, ПМХ:ТЗм х Хих Нтп-->ЦММ, ПП: ТЗп х ЦММ - > ЦМК.

НТм , НТп - нормативные требования к данным при моделировании и представлении информации.

ПСО- подсистема сбора и первичной обработки информации.

ПМХ- подсистема моделирования и хранения.ПП-подсистема представления.

Рассматриваются параметры используемых покрытий и методы их получения.Вводится понятие "логических слоев" заключающееся в том , что в отличии от общепринятого объединения в один слой объектов с единой семантикой и генезисом предлагается объединение по прикладным признакам. В таблице 1. Приводятся рассматриваемые покрытия и основные объекты с их атрибутами. Таблица 1.

Покрытие Объект Атрибуты объекта

Векторная карта полилиния цвет линии стиль линии

толщина линии идентификатор

полигон цвет линии стиль линии толщина линии цвет фона стиль фона идентификатор

точка идентификатор

условный знак код условного знака

текст текст

Растровое изображение фрагмент палитра

ЦМР ячейка равномерной сетки интервал

Рассматривается выбор систем координат покрытий.Вводится понятие глобальной и локальной систем координат.Особенностью выбранной модели координат является ориентированость каждой локальной системы координат на удобство работы с данным покрытием , возможность изменения начала координат и масштабов для каждого из покрытий (Рис.2).

Векторная карта

Растр

ЦМР

Рис. 2. Суперпозиция покрытий. Рассматриваются методы трехмерной визуализации объектов ГИС. Рассматриваются основы трехмерных проекций.

Показывается что любой объект можно представить как совокупность многоугольников. Далее предполагается , что при центральном проектировании на плоскость экрана прямые линии переходят в прямые. В этом случае можно рассчитать координаты проекций вершин многоугольника , затем соединить их отрезками так , как они соединены в пространстве , и мы получим изображение многоугольника , которое тоже будет многоугольником. При моделировании трехмерной ЦМР используется метод апроксимации треугольниками. Через каждые три точки Р1,Р2,РЗ ЦМР (регулярная сетка) возможно провести единственную плоскость. Уравнение плоскости выглядит так: [(r-rl)(r2-rl)(r3-rl)]=0 смешанное произведение векторов) , г1,г2,гЗ - радиус-векторы точек Р1,Р2,РЗ , а r=(x;y;z).

I

Рассматриваются аспекты СУБД , применительно к существующей задаче. Приводятся основные параметры существующих баз данных.Аргументируется выбор для разработки программного средства поддерживающего интерфейс ODBC.

Рассматривается возможность анализа графических объектов ГИС при помощи языка SQL и связь графических объектов с их семантической информацией.

Общая схема связи графической и семантической информации изображена на

I

Рис. 1.

Рис 1. Общая схема ГИС системы.

Многие ГИС предлагаемые на рынке программного обеспечения, являются неким симбиозом графической оболочки и программы для работы с базами данных. Предлагается универсальный подход , при котором и графическая, и семантическая информация может хранится в одной БД и все методы работы с БД могут быть применены для работы с графической информацией (так называемые BLOB поля). Этот метод позволяет существенно раздвинуть рамки анализа графической информации, и как следствие сделать ГИС более многоплановой.

Вторая глава посвящена описанию основных алгоритмов пакета программ и особенностей их реализации. Рассмотрены алгоритмы трехмерного моделирования , алгоритм построения профиля ЦМР по произвольному нормальному сечению.

Отмечаются основные свойства предложенных алгоритмов и их логическая простота и универсальность.

Во - первых, в их реализации для точного вычисления элементов может быть применена целочисленная арифметика. Во - вторых, граничные элементы обрабатываются зависимо друг от друга. ,

Описывается ряд эвристических приемов, применение которых обеспечивает корректность расчета. Основными из них являются: предварительная дискретизация координат и разбор случаев взаимного расположения граничных элементов обеспечивающий корректность получаемого результата.

Описан алгоритм построения 3d визуализации с удалением невидимых *

плоскостей . Идея алгоритма чрезвычайно проста и заключается в следующем. Если выводить многоугольники в порядке их приближения к наблюдателю , то те , которые должны быть видимыми , сами закроют те , которые должны быть невидимы.Естественно это только общая схема, поскольку возможны случаи , когда плоскости взаимно перекрываются.Приводится сравнительное быстродействие альтернативных алгоритмов.

Третья глава посвящена описанию разработанного пакета программ АРГИС. Основным языком разработки взят Delphi. Он выгодно отличается от других языков высокого уровня существующих в настоящее время на рынке. Delphi относиться к универсальным системам - амфибиям - это и язык высокого уровня Object Pascal ( очень важно при разработке сложных алгоритмов графического отображения информации так свойственного ГИС), и встроенная поддержка баз данных , что необходимо для семантической части ГИС.Возможно так же использование модулей написанных на языке С++.

Наряду с разработкой технологии , создание конкретного пакета программ ГНС технологии требует решения целого ряда вопросов , носящий системный и технологический характер. К ним относятся : общая структура пакета . организация структур данных .выбор функциональных возможностей и др.

Описаны основные принципы разработки , общая структура и программная реализация пакета программ АРГИС.Учитывая, что пакет программ АРГИС , разрабатывался как ядро системы ГИС программ и ориентировался на использование совместно с прикладными системами, были выработаны следующие принципы:

• общая структура - набор программных модулей для решения четко определенных технологических и графических задач;

• интерфейс между программными средствами обеспечивается через специальный механизм проектов;

• организация в виде библиотеки программ для повышения мобильности и расширяемости.

Общая функциональная структура пакета программ АРГИС состоит из следующих элементов:

• средства управления проектом;

• векторный редактор;

• средства работы с растром;

• средства работы с ЦМР;(профиль, интерполяция )

• управление ресурсами проекта в форме БД формата PARADOX ;

• модуль трехмерной визуализации;

• пополняемая БД условных знаков;

• модуль работы с DXF файлами (формат AutoCAD)

• модуль работы с трехмерными условными знаками

Описываются возможности и структуры данных , поддерживаемые проектом. Основные из них следующие:

• динамическое распределение оперативной и внешней памяти под формируемые модели;

• построение и обработка иерархических структур данных над объектами;

• идентификация объектов уникальными значениями;

• доступ к элементам объектов с автоматизацией обменов с внешней памятью. Рассматриваются форматы хранения конкретных геометрических моделей.

-"'■"................."' " ' : Г .............1 -

Ныхоп Поля

В " I • \UJ| "'-lui Аь I DXF ■■■It*

*

¿J? S LA

S'

sfliE

тъ и?

+ + + + + + + + + + + + + + +

+. + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + + + + + +

+ + + +

+ + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + +

лп

из

xw: ¿230.59 I Yw: ¡315.81 " |2чд|»

- '

Масштаб: 0.80В

0£м«п: О

PITTSCALEUP

Рис. 3 . Внешний вид блока ГИС пакета программ АРГИС

■5-

Четвертая глава посвящена методике использования системы АРГИС. Система построения и анализа геоинформационных данных АРГИС предполагает заполнить собой нишу на рынке программного обеспечения , предназначенного для создания цифровых карт и БД семантической информации с использованием ЦМР.

Система имеет следующие отличительные черты:

• проста в использовании;

• русский интерфейс;

• композиционная технология использования БД как хранилище графических объектов;

• ориентированность на использование с существующей системой "Цифровая фотограмметрическая станция";

• реализация трехмерной визуализации;

• БД условных знаков;

• возможность вывода трехмерных условных знаков.

/

Основные результаты диссертационной работы:

• разработаны алгоритмы совместной работы с покрытиями

трех типов : растрового изображения .векторной карты,ЦМР и их трехмерной интерпретации .

• введено и обосновано понятие "логических слоев".

• разработан комплекс программ АРГИС по совместному использованию и интерпретации вышеперечисленных покрытий;

• реализована возможность визуализации трехмерных знаков.

• обеспечена возможность хранения формируемых проектов в архиве и использования их при построении новых моделей.

• разработана технология создания оперативного фотоплана по материалам аэрофотосъемки и даннь!х ЦМР.

• обоснованы важные компоненты организации инструментального ядра ГИС ,

такие как методы реализации пространственных связей различных покрытий ,

методы поддержания топологических отношений между покрытиями и

объектами , способы слойной организации покрытий и объектов. /

• разработан комплекс программных средств , предназначенных для создания ГИС в объектно-ориентированной среде. Реализована структура базовых классов объектно-ориентированной БД , разработанны классы представления двухмерных и трехмерных объектов , пользовательская среда и др.

Следует отметить , что предложенный подход к созданию инструментального ядра ГИС , а так же и разработанный комплекс программных средств , изначально обладают возможностью перестраивать и заменять компоненты системы . Разработанная программная система используется для работы в составе программного комплекса "Цифровая фотограмметрическая станция " , создаваемого на кафедре ВТиАОИ МИИГАиК , а так же в учебном процессе но предмету "ГИС".

Список опубликованных работ :

1. Остапенко Е. А. , Кужслев П.Д. .Цифровые методы сжатия-восстановления полутоновых черно-белых изображений. -

Изв.вузов " Геодезия и аэрофотосъемка " , вып.3,1993 , с.48-57

2.Кужелев П.Д. , Создание ГИС для обеспечения учебного процесса. Тезисы докладов 3 Международной конференции "Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды " М.,1996

3.Кужелев П.Д Применение современных методов управления данными при создании ГИС . Депонировано в ЦНИИГАиК М624ГД97 от 12.05.1997

Подп. к печати 22.05.97 Формат 60x90 Бумага офсетная Псч. л. 1,3 Уч.-изд. л. 1,3 Тираж 80 экз. Заказ № 142 Цепа договорная

МосГУГиК 103064, Москва К-64, Гороховский пер., 4