автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение обработки геоинформации в задачах геологии и экологии

РГБ ОН

На правах рукописи

ДЕМЕНТЬЕВ Вячеслав Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОШ'АШО'РСИ ГЕОИНФОРМАЦИИ В ЗАДАЧАХ ГЕОЛОГИИ II ЭКОЛОГИИ.

Специальность 05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1997

Работа выполнена в Вычислительном центре Сибирского отделения Российской академии наук и в Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Пяткин В.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Киричук B.C.

кандидат физико-математических наук, с.н.с Дебелов В.А.

Ведущая организация: Новосибирский государственный университет

Защита состоится «_20_» мая 1997 года в _14.30_ часов на заседании диссертационного совета Д 002.10.02 в Вычислительном центре СО РАН по адресу:

630090, Новосибирск - 90, проспект академика Лаврентьева, 6.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ВЦ СО РАН.

Диссертация в виде научного доклада разослана « J-^/ » апреля 1997 года. Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.

Забиняко Г.И.

л

Введение

В современном мире геоинформационные системы (ГИС) становятся важнейшим компонентом информационной индустрии, а геоинформация рассматривается как значимая часть национальных информационных ресурсов. Все более очевидным становится понимание того, что исследование и использование природных ресурсов, рациональное ведение народного хозяйства, охрана природы и мониторинг, принятие важных практических решений, связанных с окружающей средой, невозможны без прочного и разнопланового информационного обеспечения. С другой стороны, постоянное повышение производительности компьютеров и снижение их относительной стоимости, ведет к тому, что весьма значительные возможности при обработке разнообразных географических данных становятся доступными широкому кругу специалистов, заинтересованных в использовании этой информации.

Одной из характерных особенностей ГИС является возможность совместной обработки разнообразной пространственной и семантической геоинформацни, что вса.ма существенно для исследований, связанных с такими науками о Земле, как геология и экология, где интеграция разнородных элементов данных совершенно необходима для понимания и анализа сложной природы проблем. Важным источником информации, используемой при решении задач геологической и экологической направленности, являются данные дистанционного зондирования, которые обеспечивают оперативность и регулярность получения информации, а также необходимую обзорность. Накопленные к настоящему времени архивы аэрокосмических изображений позволяют проводить исследования в области моделирования динамики происходящих в окружающей среде процессов изменения, что особенно важно с точки зрения проблем ее устойчивого развития. Однако данные дистанционных исследований обладают рядом существенных особенностей. Во-первых, это весьма значительный объем данных, поскольку только один космический снимок, в зависимости от разрешения, может иметь объем от нескольких десятков до нескольких тысяч Мбайт, что создает серьезные проблемы при хранении и оперативном использовании таких данных. Кроме того, каждое аэрокосмическое изображение обладает информационной избыточностью и фактически представляет из себя совокупность данных самой различной тематики, что создаст пожалуй основную проблему при использовании данных дистанционных исследований в рамках ГИС-технологий - необходимость выделения и соответствующего представления

нужной тематической информации. Другим не менее важным источником информации при создании ГИС-проектов геологической и экологической направленности являются самые разнообразные базы семантических или атрибутивных данных. При реализации региональных экологических ГИС-атласов типичной является задача интеграции баз семантических данных, которая связана с необходимостью использования информации подготовленной в разное время организациями, относящимися к различным министерствам и ведомствам. Для ГИС геологической направленности типичной является задача построения, по описанию в семантических базах данных, комплексных объектов, которым присущи повышенная содержательная «нагрузка» и сложная пространственная структура.

Таким образом создание ГИС, способных точно, надежно и быстро обрабатывать значительные объемы данных с такой степенью оперативности, которая обеспечивает эффективное использование информации - одна из актуальных проблем, решением которой занимаются многие научные и производственные организации.

Основной объект исследований и научно-техническая проблема, решаемая в диссертационной работе - это разработка математического и программного обеспечения интегрированной- обработки разнородной геоинформацин для использования этих средств при создан ни ГИС-проектов геологической и экологической направленности.

Исследования автора в области автоматизации обработки пространнственной, а затем и семантической геоинформацин были начаты в 1977 году и проводились в соответствии с планами фундаментальных и прикладных научных исследований Вычислительного центра СО РАН (1977-1995 гг.) и Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН (1995-1997 гг).

Непосредственными предпосылками работ были:

• расширение области применения аэрокосмических изображений при решении целого ряда прикладных задач геологии и экологии, отраженное в работах российских и зарубежных ученых;

• необходимость геоинформационного моделирования сложных геологических объектов по их семантическому описанию;

• отсутствии доступных программных средств для интегрированного представления и обработки семантической информации при создании ГИС-проектов геологической и экологической направленности.

Теоретические исследования и разработки, а также прикладные исследования выполненные автором в области автоматизации обработки геоинформации, связаны с проектами: «Разработка макета регионального центра обработки аэрокосмическм.ч изображений», гос.рег. № 79044183 (1977-1981 гг.) и «Центр обработки геоинформации. Создание системного и функционального программного обеспечения обработки данных дистанционных измерений», гос.рег. № 81032966 (1981-1984гг.) (ВЦ СО РАН, научный руководитель академик А.С.Алексеев); с программами 0.Ц.027 (задание 06.08) и О.ЦОЗ8 (задания 03.01.09 и 03.01.10); с планам Координационного совета по проблеме «Аэрокосмические методы исследования природных ресурсов» при Президиуме СО АН СССР (программа «Сибирь»); с КП НТП СЭВ (проблема 2.2.2) (контракт № 38-80/8252161 с Научно-исследовательским инсппутом и инновацнонным центром по вычислительной технике (ВНР, г. Будапешт)); с ГНТП Информатизация России" (НИП 32.37., 1992-1994гг.); с проектами РФФИ: 94-07-17940 и 96-05-64837.

1. Общая характеристика исследований

Диссертационная работа обобщает результаты теоретических и прикладных исследований и разработок, выполненных автором в области автоматизации обработки пространственной и семантической геоинформации.

Актуальность Актуальность теоретических к прикладных исследований и разработок в области автоматизации обработки пространственной и семантической геоинформации определяется:

• необходимостью использования аэрокосмических изображений при решении широкого круга геологических и экологических задач;

• существованием нерешенных проблем в области геоинформационного моделирования комплексных геологических объектов;

• необходимостью интегрированного использования пространственной и семантической геоинформации в типовых задачах геологической и экологической направленности.

Цель и задачи исследований. Основная цель исследований - разработка математического и программного обеспечения для решения типовых задач геологии и экологии на основе методов геоннформационной обработки данных (ГИС-технологий).

Основные задачи исследований включали:

• разработку архитектуры и состава пакета прикладных программ обработки аэрокосмических изображений для обеспечения его транспортабельности и пополняемости;

• разработку структуры комплекса программ для автоматизированного выделения линейных элементов цифровых изображении и их типового, для задач геологии и экологии, анализа и его программная реализация;

• разработку принципов организации программного обеспечения для автоматизации обработки геологических колонок и разрезов по их семантическому описанию в базах данных и его реализация;

• разработку комплекса программ для организации интегрированного доступа к семантическим базам данных с возможностью оперативной визуализации и редактирования данных в графическом режиме и его реализация;

• апробацию разработанного программного обеспечения и методов интегрированной обработки разнородных данных при решении практических задач геологии и экологии.

Научная новнзна. Проведенные исследования позволили получить ряд новых

результатов:

• предложена и обоснована архитектура пакета прикладных программ обработки аэрокосмических изображений, обеспечивающий его транспортабельность и пополняемость;

• разработан и исследован ряд новых алгоритмов предварительной обработки изображений;

• реализован статистический подход к задаче выделения и анализа линейных элементов цифровых изображений;

• предложены и обоснованы принципы организации и состав комплекса программ для автоматизации обработки геологических колонок и разрезов;

• реализована возможность интегрированного использования семантических баз данных при создании ГИС-проектов геологической и экологической направленности.

Практическая значимость и реализация.

Основные научные результаты диссертационной работы были использованы при

создании следующих программных средств:

• пакеты прикладных программ для обработки аэрокосмнческнх изображений на ЭМВ БЭСМ-6 (П007373) и ЕС ЭВМ (П007372) в 1983 году были приняты Межведомственной комиссией; в течение ряда лет эти пакеты использовались в ЦОГИ ВЦ СО РАН для обработки аэрокосмнческнх снимков, получаемых с различных съемочных платформ, а также другой видеоинформации при решении широкого круга практических задач из самых разнообразных областей народного хозяйства (от геологии и металловедения до экологии и медицины);

• комплекс программ предварительной обработки изображений для ПЭВМ используется для обучения студентов на кафедре фотограмметрии и дистанционного зондирования Сибирской государственной геодезической академии, в ЗападноСибирском региональном центре приема и обработки спутниковых данных Федеральной службы по гидрометеорологии и ряде других организаций;

• программный комплекс для выделения и анализа линейных элементов цифровых изображений, использовался при обработке разномасштабных аэрокосмнческнх снимков Якутской кимберлитоносной провинции, Широтного Приобья, комплексном исследовании района Спитакского землетрясения и других практических задачах, что подтверждается соответствующими публикациями;

• программное обеспечение для автоматизации обработки геологических колонок и разрезов по их семантическому описанию используется в ряде лабораторий ОИГГМ СО РАН;

• комплекс программных средств интегрированного доступа к семантическим базам данных использовался при создании электронного экологического' атласа Кемеровской области, ГИС-атласа «Условия существования древнего человека в позднем плейстоцене (40-10 тысяч лет назад) Сибири» и целом ряде аналогичных задач.

Апробация работы. Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок обсуждались на научных семинарах ВЦ СО РАН (1978-1995гг.) и ОИГГМ СО РАН (1995-199бгг.), на III Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Исследование природных ресурсов космическими средствами" (г.Баку, 1981г.), на Всесоюзной конференции "Автоматизированные системы обработки изображений" (г.Москва, 1981г.), на научных сессиях Совета по аэрокосмическим исследованиям природных ресурсов Сибири и

Дальнего Востока (г.Новоснбпрск, 1979г., 1983г.), на советско-итальянском симпозиуме "Изучение природных ресурсов из космоса" (г.Рнм, Италия, 1982г.), на Всесоюзных конференциях "Обработка изображений и дистанционные исследования" (г.Новосибирск, 1984г., 1987г.), на 2-ом Всесоюзном совещании по космической антропоэкологии (г.Ленинград, 1984г.), на XIX Всесоюзной школе "Автоматизация научных исследований" (г.Новоснбпрск, 1985г.), на Всесоюзном совещании "Использование аэрокосмической информации в геологии и смежных областях" (г.Звенигород, 1987г.), на III Всесоюзном совещании "Теория, методика и практика геоиндикационных исследований ("Космоаэрогеоиндикация-89")" (г.Киев, 1989г.), на конференции "Российский фонд фундаментальных исследований в Сибирском регионе (земная кора и мантия)" (г.Иркутск, 1995г.), на Научно-праетической конференции "О создании единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири" (г.Новоснбпрск, 1996г.), на совещаниях ученых и специалистов СО РАН по проблемам обработки спутниковых данных и компьютерного картографирования (19941996гг.), на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 3 (г.Новоснбирск, 1997г.).

Результаты исследований обсуждались на научных семинарах ЦЛКИ (София, Болгария, 1984,1987гг.), СКИ (Будапешт, Венгрия, 1986,1987гг.), ИТИИА ЧСАН (Прага, Чехословакия, 1989г.), на рабочих совещаниях и научных семинарах в целом ряде организаций нашей страны.

Пакеты прикладных программ обработки аэрокосмических изображений для ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ в 1986 году были представлены на ВДНХ СССР. За личный вклад.в создание этих пакетов автор награжден серебряной медалью ВДНХ. Личный вклад автора состоит в следующем:

• разработка архитектуры пакета прикладных программ обработки аэрокосмических изображений, реализация модулей нижнего уровня и алгоритмов предварительной обработки на ЭВМ БЭСМ-6, ЕС ЭВМ и ПЭВМ;

• разработка и реализация комплекса программ для выделения и анализа линейных элементов цифровых изображений на ЭВМ БЭСМ-6 и ПЭВМ;

• разработка и реализация программного комплекса для автоматизации обработки геологических колонок и разрезов по их семантическому описанию;

• создание программных средств для организации интегрированого доступа к семантическим базам данных.

2. Автоматизация обработки аэрокосмических изображений

Важным источником информации, используемой при решении задач геологической и экологической направленности являются данные дистанционного зондирования. Исследования в области автоматизации обработки аэрокосмических изображений проводились автором с 1977 по 1993 гг. [1 - 31] и включали:

• разработку архитектуры пакета прикладных программ цифровой обработки аэрокосмических изображений и алгоритмов предварительной обработки;

• создания комплекса программ для автоматизации выделения и анализа линейных элементов аэрокосмических изображений.

2.1. Пакет прикладных программ предварительной обработки

Исследования по архитектуре и составу рассматриваемого пакета прикладных программ выполнялись при его реализации на ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ в рамках задания 06.08 целевой программы 0.Ц.027 ГКНТ.

Программное обеспечение рассматриваемого комплекса имеет трехуровневую иерархическую структуру. Модули нижнего уровня пакета предназначены для организации доступа к видеоданным (чтение-запись) или выполнения простейших операций обработки (преобразование по таблице перекодировки) и фрагментирования. Программные модули среднего уровня реализуют операции предварительной обработки изображений через обращение к модулям нижнего уровня пакета. Каждая программа нижнего и среднего уровней реализует только одну функционально завершенную операцию, что обеспечивает модульную структуру рассматриваемого комплекса. Верхний уровень пакета составляют программы тематической обработки изображений.

Основное назначение операций предварительной обработки изображений это улучшение визуальных характеристик снимков с целью повышения их информативности. По характеру организации обработки пикселов исходного изображения операции предварительной обработки можно разделить на две группы: процедуры поэлементной обработки или гистограммные преобразования и операции локальной обработки. Для эффективной организации операций поэлементной обработки изображений, работа реализующих их программ разбита на два этапа. Па первом этапе формируется табличное

К)

представление преобразующей функции. Эта таблица обычно называется таблицей перекодировки или таблицей переквантования значений изображения. Второй этап одинаков для всех преобазований этого типа и может быть представлен следующим выражением:

3 тп(пи +1),

где 1 = 1.....т; ] = 1,...,п (т - число пикселов в строке изображения, а п - число строк

изображения); В у - значение яркости обрабатываемого пиксела исходного изображения; В'у- значение яркости соответствующего пиксела выходного изображения, а ТП - вектор-таблица перекодировки. Этот этап преобразования выполняется с помощью соответствующей программы нижнего уровня пакета. При создании пакета был реализован целый ряд известных по литературе операций яркостных преобразований, кроме того, реализованы несколько алгоритмов предпоженых автором. Среди них алгоритм нелинейного преобразования, который предназначен для улучшения яркостных характеристик изображения в средней части диапазона значений яркости. Передаточная функция этого преобразования имеет следующий вид:

255-

Преобразование изображений с использованием операций локальной свертки в общем виде можно представить следующим выражением:

I Д.,"(/-/ + 2*,7-£ + 2А:)

где Н - ядро свертки (двумерный массив весовых коэффициентов), причем размер этого квадратного массива - (2к+1) всегда нечетный. Операции локальной свертки используются для устранения не обладающих пространственной корреляцией шумов изображений, для выделения и подчеркивания перепадов значений яркости на границах объектов. Границы объектов или контуры являются простейшими тематическими признаками, которые служат опорной информацией при последующей обработке или интерпретации изображений. При создании пакета был реализован целый ряд известных из литературы операций локальной обработки изображений, кроме того, реализованы несколько алгоритмов предложеных автором. Среди них алгоритм выделения и подчеркивания перепадов значенй яркости изображения (контуров) с использованием локальной бинаризации, которую можно представить следующим выражением:

[1, если< , V В' ={ '■' •■> [0,если!3ср гПы

где Вср - среднее значение яркости обрабатываемого фрагмента-маски, результат применения сглаживающего оператора локальной свертки. Другой алгоритм этой группы позволяет получать псевдостереоскопическую имитацию исходного изображения:

= 255

Исследования по алгоритмам предварительной обработки аэрокосмических изображений опубликованы в монографии [1]. Результаты использования разработанного пакета прикладных программ при решении практических задач представлены в целом ряде публикаций [4,13,14,20,21,30].

2.2. Выделение и анализ линейных элементов

Линейные элементы (линеаменты) представляют собой элементы структуры земной поверхности и литосферы в целом и являются важнейшими геоиндикаторамп, которые широко используются при решении поисковых и прогнозных задач, при геологическом картировании, инженерно-геологических, геодинамических, сейсмических и других исследованиях, имеющих важное практическое значение. В настоящее время задача автоматизации выделения линейных элементов (ЛЭ) на аэрокосмических снимках различного масштаба представляется весьма важной и вызывает большой практический интерес. Этот интерес вызван, с одной стороны, тем, что уже накоплен большой опыт визуального дешифрирования и разработаны методики анализа сетей линеаментов, с другой - тем, что при ручном исполнении эти работы настолько трудоемки и подвержены влиянию субъективных факторов, обусловленных индивидуальностью дешифровщика, что не дают стабильных повторяемых результатов [2]. Предлагаемые в литературе алгоритмы, по разным причинам, не позволяют получать результаты, пригодные для непосредственного практического использования поскольку, как правило, не учитывают и не используют такие важнейшие специфические характеристики ЛЭ как их линейность и протяженность [24,28,2]. В ВЦ СО РАН был предложен новый подход к выделению ЛЭ цифровых изображений основанный на использовании непараметрических статистических критериев [24]. Линеамент рассматривается как линейная протяженная

граница двух совокупностей пикселов обрабатываемого фрагмента изображения отличающихся случайным сдвигом значений яркости. Заключение о наличии (отсутствии) такого ЛЭ делается на основании результата проверки статистической гипотезы. Величины яркости вдоль границы с одной ее стороны Х|,..., Х„ и параллельно ей с другой стороны У|,...,У„ могут быть случайными, но обычно такими, что в направлении перпендикулярно границе есть случайный сдвиг Д* = - Х| значений яркости. Для обнаружения такой границы-линеамента достаточно проверить гипотезу Н:

Р(Д, < 0) = Р(Д; > 0),

т.е. все значения Д; можно считать обычными флуктуациями яркости на обрабатываемом участке изображения. При несостоятельности гипотезы Н полагаем, что ЛЭ - линейная протяженная граница между неоднородными областями существует. Для проверки гипотезы Н можно использовать известный критерий знаков, который характерен минимальными вычислениями и применим для широкого класса возможных распределении случайных величин Д| [28]. Этот критерий требует определения только знаков величин Д„ I = 1,...,п. Обозначим число положительных и отрицательных знаков Ы* и Н" соответственно. Пусть N = + (Ы 2 п), а - заданная вероятность и М -наименьшее число для которого:

2 ±С>{М2)Ы ¿а

1-М + 1

Гипотеза Н отклоняется, когда:

шах (Ы',ЬГ) > М,

и пары (Х;,У*) статистически независимы. При однократной проверке гипотезы Н вероятность ложного выделения ЛЭ будет не более а. На каждом обрабатываемом участке изображения гипотеза Н проверяется для 1б-ти возможных положений линеамента. На базе этого алгоритма реализован комплекс программ, который позволяет выделять и анализировать линеаменты по направлениям, суммарной плотности и степени раздробленности (анизотропии). Первая версия данного комплекса была реализована на . ЭВМ БЭСМ-6 в виде пакета прикладных программ и использовался при решении двух крупных прикладных задач. Была выполнена обработка разномасштабных аэрокосмических снимков Якутской кимберлитоносной провинции с целью ее районирования по степени тектонической раздробленности. Полученные результаты подтверждаются данными внзуальио-ручного геологического дешифрирования [28]. Этот

же пакет программм использовался для обработки космических снимков с ИСЗ "Лэндсат" и "СПОТ" территории Северной Армении. Работа выполнялась в рамках Государственной программы комплексного исследования района катастрофического Спитакского землетрясения 1988 г. совместно специалистами НПО "Планета", ИФЗ РАН, ВЦ СО РАН и Института геофизики и инженерной сейсмологии Армении. При • геолого-геофнзической интерпретации материалов автоматизированной обработки космических снимков были получены качественно новые результаты уточняющие и дополняющие имевшиеся данные об особенностях тектонического строения района Спитакского землетрясения. Полученные результаты подтверждаются имеющимися данными по расположению эпицентров крупнейших землетрясений Северной Армении за последнюю тысячу лет. В ходе выполнения данной работы разработана методика цифровой обработки и анализа космических снимков позволяющая изучать ту или иную территорию дистанционными методами с точки зрения оценки ее сейсмической опасности. Разработанная методика отрабатывалась на снимках ряда других сейсмоопасных районов, в частности Калифорнии. Материалы данных комплексных исследований опубликованы в монографии [2].

В дальнейшем, рассматриваемый комплекс программ был реализован на ПЭВМ и для организации его работы в интерактивном режиме оснащен соответствующим пользовательским интерфейсом. Опыт использования данного комплекса программ для обработки аэрокосмических изображений разного масштаба показал, что с увеличением разрешения снимка растет количество выделяемых ЛЭ явно не геологического происхождения, причем особенно сказывается влияние антропогенных объектов: дорог, нефтепроводов, ЛЭП, границ с/х полей. Для редактирования выделенной сети ЛЭ была разработа технология, которая использует стандартные средства современных растровых ГИС. Процедура автоматической векторизации позволяет преобразовать все выделенные ЛЭ в формат векторных данных. Любая ГИС имеет развитый набор операций для редактирования векторных данных. Затем отредактированные таким образом лннеаменты можно наложить на исходное изображение или совместить с картой. Для отработки предлагаемой интегрированной технологии использовалась простейшая растровая ГИС ГОЯШ. Была выполнена обработка космического снимка Кечимовской площади (район устья реки Аган). Полученные результаты подтверждаются имеющимися геологическими данными.

3. Автоматизации обработки геологических колонок и разрезов

В практике геологических исследований стратифицированных толщ отложений и горных пород наиболее часто используются несколько типов визуализационных моделей: геологические колонки, геологические корреляционные разрезы и геологические карты. Традиционной формой представления знаний о стратифицированной толще для территорий платформенного и плитного типа являются геологические отчеты, которые создаются в виде серии карт, корреляционных геологических разрезов, сводных геологических колонок и объяснительной записки, включающей в себя большие объемы описательных (семантических) данных, характеризующих эти геологические тела. При ручном исполнении, создание такого отчета весьма трудоемкий процесс, требующий к тому же участия чертежника высокой квалификации. Современные ГИС-технологии позволяют автоматизировать наиболее трудоемкую графическую часть этой работы и создать более динамичную форму представления геологической информации - ГИС-отчет. Геоннформационная модель стратифицированной толщи территории сочетает привычное для восприятия геолога типы визуализации геологических данных с современными компьютерными способами обработки весьма больших массивов информации. Основой модели служат семантические данные о строении колонок, которые получаются при геологическом описании скважин, естественных обнажений и искусственных выработок. В информационном плане, геологические колонки - сложные, комплексные объекты, для описания которых используется иерархическая система классификации [36]. Нижний иерархический уровень включает описание элементарных компонентов (примитивов) комплексного объекта. Такими компонентами для геологических колонок являются интервалы, каждый из которых представляет соответствующий слой стратифицированной толщи. Вертикальный размер интервала соответствует его мощности, а вид заливки (площадные условные знаки - крапы и цвет фона) отражают его свойства. Средний иерархический уровень включает описание свойств собственно объектов: состав, строение, размер, положение в пространстве. Каждая геологическая колонка имеет строго определенные пространственные характеристики: географические координаты, абсолютную отметку, длину и представляет из себя упорядоченный набор интервалов. Связи между соседними интервалами колонки выражаются через тип границы (линейные условные знаки) Верхний иерархический уровень включает описание свойств, которые характеризуют взаимоотношения объекта с

его окружением и в частности с другими объектами. В рамках рассматриваемой модели это корреляционные связи, которые отражают взаимоотношения групп интервалов колонок составляющих корреляционные толщи геологических разрезов. Данные корреляционные связи представляются соответствующим типом корреляцинных линий (линейные условные знаки) и видом заливки (крапы и цвет фона) между этими линиями.

Рассмотренная организация иерархической структуры семантического обеспечения геоинформацнонного моделирования сложных, комплексных объектов использовалась при разработке комплекса программных средств предназначенного для автоматизации обработки геологических колонок. Функциональная схема этого комплекса представлена на рис. 1.

Рис. 1

Входные данные для рассматриваемого комплекса должны быть представлены в виде трех файлов-таблиц фиксированной структуры созданых в форматах СУБД: Paradox 3.0, Paradox 4.0, Paradox for Windows, FoxPro, Clipper, dBase IV. Таблицы входных данных могут являться либо самостоятельными единицами хранения информации в БД, либо формироваться как рабочие таблицы средствами используемых СУБД из уже имеющихся более обширных таблиц. Для визуального представления типов геологических колонок, типов их интервалов, а также связей всех уровней используются библиотеки точечных, линейных и площадных (крапы) условных знаков, которые созданы на основе

общепринятых стандартов геологических легенд. Разработанный комплекс программ обеспечивает возможность оперативного построения на экране монитора визуальных моделей корреляционных разрезов по любой выбранной на карте последовательности отметок геологических колонок. Таким образом имеется возможность анализировать строение стратифицированной геологической толщи по сечениям, которые выбирает пользователь-геолог. Он же определяет то подмножество информационных данных, которое будет одновременно представлено на экране монитора. После визуализации выбранного варианта модели серии геологических колонок, пользователю предоставляется возможность ее интерактивного редактирования. Причем, в этом режиме предусматривается получение более детальной информации о редактируемом атрибуте, включая возможность выбора из всего допустимого множества типов данного атрибута. Следует отмстить, что вся редактируемая информация в рассматриваемой модели привязана к интервалам колонок. Отредактированные атрибуты модели записываются в соответствующие таблицы баз данных. В рассматриваемом комплексе программных средств предусмотрен режим создания специального обменного метафайла для качественного вывода на печать, построенных визуальных моделей геологических колонок и разрезов.

Разработанный программный комплекс используется для автоматизации обработки геологических колонок и разрезов в нескольких лабораториях ОИГГМ СО РАН.

4. Организация интегрированного доступа к семантическим базам данных

Проблема интегрированного доступа к базам семантических данных и манипулирования этими данными, при использовании монитора в графическом режиме, возникает при реализации практически любого ГИС-проекта, предназначенного для работы на ПЭВМ под управлением ДОС. Кроме того, в этом случае существуют жесткие ограничения на использование оперативной памяти различными функциональными блоками ГИС. Единственным выходом в этой ситуации представляется создание набора отдельных исполняемых программных модулей, каждый из которых реализует ограниченный круг операций манипулирования семантическими данными, и управляющей программы для организации их взаимодействия. Анализ реальной работы с семантической информацией в ГИС-проектах экологической направленности показывает,

что практически используется лишь ограниченный набор операций манипулирования данными, который существенно зависит от уровня конечного пользователя.

Первая версия рассматриваемого комплекса программных средств была реализована в рамках создания информационной системы «Дежурный генеральный план Академгородка». Было предусмотрено два режима вызова модуля доступа к семантическим данным. Первый режим, условно называемый «Справка», подразумевает предварительный выбор нужных объектов по графической информации (карте или схеме), представленной на экране монитора. В этом случае визуализируются семантические данные относящаяся только к выбранным объектам. Другой режим -«Поиск», предполагает поиск нужного объекта или группы объектов по их семантическому описанию в базе данных с последующей демонстрацией найденных объектов на соответствующей графической карте или схеме. Функциональная схема данного комплекса программных средств представлена на рис. 2.

Рис. 2

Рассматриваемый комплекс позволяет работать с семантической информацией представленной в форматах СУБД: Paradox 3.0, Paradox 4.0, Paradox for Windows, FoxPro, Clipper и dBase IV.

Разработанный комплекс программных средств использовался при выполнении работ по проектам РФФИ 94-07-17940 [33] и 96-05-64837 [34] , а также при создании электронного экологического атласа Кемеровской области, комплекса программ автоматизации обработки геологических колонок и разрезов [36] и ряде других задач [35,37].

Основные результаты диссертационной работы

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана архитектура и состав пакета прикладных программ обработки аэрокосмическнх изображений, обеспечивающий его переносимость и пополняемость.

2. Разработан и реализован ряд алгоритмов предварительной обработки изображений, которые составили ядро пакета прикладных программ.

3. Реализован новый подход к задаче быстрого обнаружения линейных элементов цифровых изображений, на базе которого создан комплекс программ для автоматизации выделения и анализа линеаментов при решении геологических и экологических задач.

4. Разработан комплекс программ для автоматизации обработки геологических колонок и разрезов по их семантическому описанию в базах данных.

5. Создан комплекс программных средств для организации интегрированного доступа к семантической геоинформации и манипулирование ею в графическом режиме.

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 2 монографии и 35 печатных работ.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах: Монографии:

1. Распознавание изображений в дистанционном зондировании. //Автоматизированная обработка изображений природных комплексов Сибири.- Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. - 1988. - С. 11-47. / Совместно с Горбуновым Б.А., Пяткиным В.П.

2. Геодинамические структуры и сейсмический риск Северной Армении. Санкт-Петербург: Гидрометеоизд. - 1992. - 122 С. / Совместно с Асмусом В.В., Рыбаковым Л.Н., Юнгой С.Л.

Печатные работы:

3. Программное обеспечение комплекса обработки аэрокосмнческих изображений. // Развитие и использование аэрокосмнческих методов изучения природных явлений и ресурсов. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР.- 1979.- С. 30-39. / Совместно с Забелиным В.А., Пяткиным В.П.

4. Комплексное дешифрирование космических телеснимков с целью исследования морфологии и генезиса разломных ассоциаций Сибири. //Развитие и использование аэрокосмических методов изучения природных явлений н ресурсов. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР,- 1979. - С. 143-153. / Совместно с Бондаренко П.М. и др.

5. Применение методов дистанционного исследования в сельском хозяйстве. //Математические и технические проблемы обработки изображений. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. - 1980. - С. 66-72. / Совместно с Алексеевым A.C.

6. Структура технических и программных средств регионального центра автоматизированной обработки аэрокосмнческих изображений. // Известия ВУЗ-ов. -Геодезия и аэрофотосъемка. - № 1. - М. - 1981. - С. 12-21. / Совместно с Алексеевым A.C. и др.

7. Организация системы математического обеспечения комплекса обработки изображений. //Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИЗ-81)-Тезисы докладов.- М.: Наука. - 1981. - С. 123. /Совместно с Алексеевым Л С, Пяткиным В.П.

8. Некоторые алгоритмы обработки цифровых изображений и их организация. //Цифровые методы оптимальной обработки сигналов. - Новосибирск: НЭТИ. - 1982. -С. 5-8.

9. Аппаратно-программное обеспечение регионального центра автоматизированной обработки аэрокосмических изображений. // Космические методы изучения природной среды Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние. -1983. - С. 115-125. / Совместно с Алексеевым A.C. и др.

10. Функциональное математическое обеспечение обработки изображений. //Новосибирск. - 1983. - С. 1-24. - (Препринт /АН СССР. Сибирское отделение. ВЦ. 410). / Совместно с Алексеевым A.C. и др.

11. Комплекс программ предварительной обработки изображений. //Новосибирск. - 1983. - С. 1-17. - (Препринт /АН СССР. Сибирское отделение. ВЦ. 411). /Совместно с Алексеевым A.C. и др.

12.Центр обработки геоинформации, состояние и перспективы развития. //Обработка изображений и дистационные исследования. - Ч. 1,- Тез. докл. Всесоюз. конф., 18-20 июня 1984 г. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. - 1984. - С. 9-12. /Совместно с Алексеевым А.С.и др.

13. Использование ЭВМ для оптико-электронной обработки космических снимков южной части Западно-Сибирской плиты. //Обработка изображений и дистанционные исследования. - Ч. 3,- Тез. докл. Всесоюз. конф., 18-20 июня 1984 г. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. - 1984. - С. 56-57. / Совместно с Беляевой В.А.

14.0 роли преобразованных космических снимков и выявлении слабовыраженных глубинных структур и разломов Украины. // Обработка изображений и дистанционные исследования. - Ч. 3.- Тез. докл. Всесоюзн. конф., 10-20 июня 1984 г. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. - 1984. - С. 16-17. / Совместно с Гавришем В.К. и др.

15. Структура технических и программных средств регионального центра автоматизированной обработки аэрокосмическнх изображений. // Бюллетень Института геодезии и картографии. - ЧССР, Братислава. - 1984. - № 1. - С. 21-27. / Совместно с Алексеевым А.С.и др.

16. Пакет прикладных программ для обработки аэрокосмических изображений (П007372). //Алгоритмы и программы. - Информационный бюллетень. - № 4 (61). - ГосФАП СССР, ВНТИЦентр. - М. - 1984. - С. 16. / Совместно с Пяткиным В.П. и др.

17. Пакет прикладных программ по предварительной и функциональной обработке аэрокосмических изображений (П007373). // Алгоритмы и программы. -Информационный бюллетень. - № 4 (61). - ГосФАП СССР, ВНТИЦентр. - М. - 1984. -С. 17. / Совместно с Пяткиным В.П. и др.

18. Центр обработки геоинформации. //Космическая антропология: техника и методы исследования. - Материалы Второго Всес. совет, по космической антропоэкологин, Ленинград, 1984г. - Л.: Наука, Ленинград, отд- нне. - 1988. - С. 45-53. / Совместно с Алексеевым А.С.и др.

19. Пакеты прикладных программ обработки изображений ЦОГИ (Центра обработки геоннформацин). // Космическая антропология: техника и методы исследования. -Материалы Второго Всесоюзн. совещания по космической антропоэкологин, Ленинград, 1984г. - Л.: Наука, Ленинград, отд-ние. - 1988. - С. 269-270.

20. Комплексная автоматизированная обработка изображений для решения задач космического землеведения (на примере Сибири). //Космическая антропология: техника и методы исследования. - Материалы Второго Всес. совещ. по космической антропоэкологин, Ленинград, 1984г. - Л.: Наука, Ленинград, отд-ние. - 1988. - С. 291. / Совместно с Алексеевым А.С.и др.

21. Опыт применения космической информации для прогнозирования региональных и локальных нефтегазоносных структур в пределах Днепровско-Донецкого палеорифта. // Методы комплексных аэрокосмнческих исследований Сибири. - Новосибирск: Наука, Сибирск. отд-ние. - 1985. - С. 42-47. / Совместно с Гавришем В.К. и др.

22. Техническое и программное обеспечение центра обработки аэрокосМнческой информации. //Методы комплексных аэрокосмнческих исследований Сибири. -Новосибирск: Наука, Сибирск. отд-ние. - 1985. - С. 57-60. / Совместно с Алексеевым

A.С.н др.

23. Сруктура функционального программного обеспечения ЦОГИ. //Проблемно-ориентированные вычислительные комплексы. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. -1985. С. 55-63. / Совместно с Алексеевым А.С.и др.

24. О выделении линейных элементов на изображениях с помощью непараметрических критериев. // Автоматизация научных исследований. - Тезисы доклад. XIX Всес. школы. -Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР. - 1985. - С. 161. / Совместно с Пяткиным

B.П. и др.

25. Комплекс программ для выделения и обработки линейных элементов аэрокосмических снимков на ЭВМ БЭСМ-6. //Математические и технические проблемы обработки изображений. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. - 1986. - С. 4447.

26. Аппаратурно-программное обеспечение автоматизированной обработки аэрокосмических изображений. //Комплексная аппаратурно автоматизированная обработка аэрокосмической информации для решения геологических задач. -Методические рекомендации. - Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР. - 1986. - С. 72-79. / Совместно с Алексеевым A.C., Пяткиным В.П.

27.0 проблеме автоматизации выделения линеаментов на аэрокосмических изображениях. // Использование аэрокосмической информации в геологии и смежных областях. - Тез. докл. Всес. совещан., Звенигород, 16-18апреля 1987г.- М.: ГИН АН СССР. - 1987. - С. 3. / Совместно с Алексеевым А.С.и др.

28. Об одном статистическом подходе к задаче автоматизированного выделения линейных элементов на аэрокосмических снимках. // Доклады АН СССР. - Геофизика. - Т. 299. - № 1. - 1988. - С. 76-79. / Совместно с Пяткиным В.П. и др.

29.0 задаче автоматизированного выделения и обработки линейных элементов аэрокосмических снимков. // Автоматизированная обработка изображений природных комплексов Сибири.- Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние. - 1988.-С. 89-91.

30. Сравнительный анализ дешифрирования снимков Широтного Приобья. II Теория, методика и практика геоиндикацнонных исследований ("Космоаэрогеоиндикация-89"). - Тез. докл. III Всес. совещ Киев, 16-18 мая 1989 г. - М.: ИГиРГИ. - 1989. - С. 150-151. / Совместно с Забелиным В.А. и др.

31. Особенности строения зон глубинных разломов Северной Армении по данным автоматизированной обработки космических снимков. //Тр. НПО "Планета". - 1991. -Вып. 39.- С. 151-179. / Совместно с Пяткиным В.П. и др.

32. Геологическая информация и ее особенности при использоваии геоинформационных технологий. // Российский фонд фундаментальных исследований в Сибирском регионе (земная кора и мантия). Тезисы докладов. Том 1. Иркутск: ИЗК СО РАН. - 1995. - С. 67. / Совместно с Добрецовым H.H. и др.

33. Компьютерное картирование и геоинформационный мониторинг как инструмент решения региональных экологических проблем. // О создании единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири,-

Тез. доклад. Научно-практической конференции. Новосибирск 17-19 сентября 1996 г.Новосибирск: СО РАН.- 1996,- С. 44-45. / Совместно с Добрецовым H.H. и др.

34. Разработка таблично-картографических баз данных для оценки зависимости распределения древних поселений палеолита Западной Сибири от изменений природной среды. //Геодинамика и эволюция Земли.-Матернапы к' научной конференции РФФИ,- Новосибирск: Изд-во СО РАН. НИЦ ОИГГМ.- 1996.- С. 199200. / Совместно с Орловой Л.А. и др.

35. Геоинформационные системы открытого типа в решении геоэкологических задач. //Цифровое картографирование, городской кадастр и ГИС.-Научно-технический сборник по геодезии, аэрокосмическим съемкам и картографии.-М.: ЦНИИГАИК,-1996 - С. 16-27. / Совместно с Добрецовым H.H. и др.

36. Семантика пространственных данных в геоинформационном моделировании комплексных объектов и структур. //ГИС для устойчивого развития окружаг;ей среды.-Материалы международной конференции ИНТЕРКАРТО 3,- Новосибирск Россия,- 1997,- С. 220-230. / Совместно с Добрецовым H.H. и др.

37. Геоинформационный анализ жизнеобеспечивающих свойств урбанизирован ой геосреды. // ГИС для устойчивого развития окружащей среды -Матери .> л международной конференции ИНТЕРКАРТО 3,- Новосибирск Россия - 1997,- С. 251260. / Совместно с Дмитриевым А.Н. и др.

Подписано к печати 03.04.97. Формат 60x84/16. Бумага офсет N 1. Гарнитура тайме. Офсетная печать. Печ.л. 1,4. Тираж 100. 3аказ138.

Новосибирск, 90, Университетский просп., 3 НИЦ ОИГГМ СО РАН