|
КИЇВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙНАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
На правах рукопису
Липський Валентин Тофільович
УДК 528.25:332.33
МЕТОДИЧНІКИ ОСНОВИТЕХНОЛОГІЙ ТА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ФОРМУВАННЯ БАНКОМУ ГЕОПРОСТОРОВИХ ДАНИХ ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМТОПОГРАФІЧНИХ ЦИФРОВИХ КАРТ
05.24.01. – ГЕОДЕЗІЯеодезія
АвторефератВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Київському державному технічномунаціональному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Гладілін Валерій Миколайович, Київський національний університет будівництва і архітектури.
Гладілін Валерій Миколайович
Офіційні опоненти:
1.заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, доцентпрофесор
ПоповЛихогруд Михайлокола ОлексіГригорйович, Центр аерокосмічного дослідження Землі, заступник директора;
2.кандидат технічних наук, старший науковий співробітникдоцент
Марков Куріляк Ігор Стергій пановЮрійович, Київський національний університет будівництва і архітектури.
Провідна організаціяустанова:
Донецькийа національний державна академія будівництва і архітектуритехнічний університет, кафедра геоінформатики і геодезії, Міністерство освіти і науки України, м. Донецьк.
Захист відбудеться „02 .” ____________липня 2003 р. о 1400 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.09 при Київському національномудержавному технічному університеті будівництва і архітектури, за адресою 25203037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд.466.
Автореферат розісланий „ 02 .” ______________червня 2003 р.
Вчений секретар спеціалізованої
спеціалізованої вВченої раради О.П.Ісаєв
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботитеми.
Одночасно з розробкою перших геоінформаційних систем та їх впровадженням в різні сфери науки і виробництва вже на початковому етапі виникла проблема забезпечення картографічної бази систем якісною просторово-орієнтованою топографічною інформацією. Сьогодні основою формування просторово-орієнтованої топографічної інформації, що здатна забезпечити розв’язання розрахункових геодезичних, навігаційних, картографічних та кадастрових задач є створені за різними технологіями топографічні цифрові карти. Але склалось так, що на протязі часу проблема забезпечення топографічними цифровими картами, які б відповідали вимогам геоінформаційних систем за параметрами точності, достовірності інформації та її сучасності, тільки загострилась. Такому стану справ свідчать багато чисельні публікації, кількість яких в останні роки, як за кордоном так і в Україні збільшилась. Але в них автори в основному констатують стан справ, що склався, дають аналіз різноманітних технологій та технічних засобів, які використовуються при створенні цифрових карт. Розглядаються окремо питання, які формують якість створених цифрових карт. Подаються матеріали з оцінки точності цифрових карт та аналізуються формати подання просторових даних. За останній час розгорнулась широкомасштабна дискусія з питань форм власності на створені цифрові карти та питань інформаційної безпеки.
Разом із тим, незважаючи на велику кількість публікацій, залишилась достатня кількість невивчених питань з оптимізації методикметодичних основ і оптимізації технологій та організації виробництва і його системи управління по створенню, зберіганню, оновленню та видачі користувачам топографічних цифрових карт, що свідчить про актуальність піднятої теми і проведеної дисертаційної роботи. До того ж майже ніде не підняті або носять узагальнений характер питання методик з планування, організації й виконання технологічних операцій, а також системи їх нормування.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень, що висвітлені в роботі, взяті до використання в дослідно-конструкторській роботі “Базальт-ВД” (реєстраційний № 0198 И 003433 від 25.05.98 р.), розділ “Картографічне забезпечення виробу”, що розробляється Науково-виробничим підприємством “АВІАРМ” на замовлення МО України, в підготовці технічного завдання для розробки дослідно-конструкторської роботи “Атлас – 1” (реєстраційний № 117551 від 18.12.97 р.) під керівництвом Міжнародного науково-навчального центру технологій та систем НАН і Міністерства освіти України на замовлення ТС МО України, в розробці штату Картографічного центру ТС МО України, в Державній програмі картографування території України та прилеглих держав, в окремих розділах підготовки Програми створення і впровадження ГІС ЗС України, в підготовці розділів 1.2.19 – 1.2.23 Настанови з топогеодезичного забезпечення ЗС України на замовлення ТС ЗС України.
Мета і завдання роботи. Основною метою дисертаційної роботи є теоретичні дослідження, пов’язані з оптимізацією технологій та системи управління і питань якості інформації на організацію виробництва по створенню, зберіганню, оновленню та видачі користувачам просторово-орієнтованих даних і топографічних цифрових карт: принципи перетворення топографічної інформації у цифрову форму, оптимізація технологій та розробка моделі автоматизованої картографічної системи з врахуванням впровадження мереженої структури обміну інформації спеціального і управлінського характеру, а також відпрацювання алгоритмів і методик з питань планування робіт технологічних маршрутів на підставі нормування окремих операцій за умов встановлених вимог якості.Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розробка ефективних методів будови автоматизованої картографічної системи та відпрацювання виробничої структури для створення топографічних цифрових карт М 1:10000 – 1:1000000 і зберігання та видачі просторово-орієнтованих даних.
Для досягнення цієї мети визначені наступні завдання досліджень:
- аналіз основних принципів перетворення топографічної інформації у цифрову форму;
- аналіз сучасних технологій створення топографічних цифрових карт та обґрунтування технологічних напрямків для формування автоматизованої картографічної системи в рамках Картографічного центру ТС МО України;
- розробка оптимальної моделі системи створення, зберігання та видачі топографічних цифрових карт;
- розробка алгоритму планування роботи технологічних маршрутів на підставі нормування окремих операцій при створенні просторово-орієнтованих даних і топографічних цифрових карт.
Об’єкт дослідження – топографічна база геоінформаційних систем.
Предметом дослідження є принципи і методи формування банку геопросторових даних топографічних цифрових карт М 1:10000 – 1:1000000.
Методи дослідження. Робота базується на системному підході, який забезпечує розгляд технологічних маршрутів створення топографічних цифрових карт як окремо так і у сукупності. У роботі використані методи: математичного моделювання, лінійне програмування, теоретико-ймовірних процесів.
Дослідження спираються на досвід теоретичних і практичних розробок в області створення, оновлення, зберігання і видачі топографічних, тематичних і спеціальних цифрових карт, що виконувались за останні роки провідними науково-дослідними інститутами.
Інформаційною базою дисертації є матеріали звітності роботи Картографічного центру Топографічної служби ЗС України, матеріали проведених експериментів та теоретичних розробок.
Основні задачі досліджень – теоретичне обґрунтування й розробка методів врахування технологічних та організаційних чинників при побудові автоматизованої картографічної системи і відпрацювання виробничої структури для створення, зберігання та видачі просторово-орієнтованих даних та топографічних цифрових карт М 1:10000 – 1: 1000000, а також доведення наукових теоретичних розробок до їх практичної реалізації.
Наукова новизна. В дисертації виконані теоретичні та експериментальні дослідження, наукове значення яких полягає в наступному:
1.Вперше отримано теоретичні обґрунтування оптимізації напрямків, технологій і технологічних маршрутів формування банку просторово-орієнтованих даних необхідної точності для забезпечення геоінформаційних систем, що створює передумови їх широкого впровадження при розв’язанні геодезичних, навігаційних, картографічних та кадастрових задач.
2.Вдосконалено з урахуванням спеціалізації систему управління виробництвом на принципах автоматизованого аналізу і прийняття рішень керівним складом.
3.На підставі отриманих кількісних залежностей потоків інформації, що передбачається до обробки та редагування встановлено, з врахуванням нормативів затрати часу та технологічних маршрутів, структуру спеціалізованих підрозділів виробництва.
4.Вперше за кількісними показниками взаємозв’язків технологічних маршрутів обґрунтовані та впроваджені нормативи часу на окремі види робіт за параметрами точності і масштабу створення топографічної цифрової карти.
5.Отримано подальший розвиток теоретичних обґрунтувань для вдосконалення математичної моделі та системи управління виробництвом.
Наукова новизна одержаних результатів. В дисертації виконані теоретичні та експериментальні дослідження, наукове значення яких полягає в наступному:
1.Вперше отримано теоретичні обґрунтування оптимізації напрямків і технологій, що забезпечило формування технологічних маршрутів по створенню топографічних цифрових карт для організації банку просторово-орієнтованих даних необхідної точності за інформацією якого передбачено забезпечення топографічних баз геоінформаційних систем при розв’язанні геодезичних, навігаційних, картографічних та кадастрових задач.
2.Вдосконалено, з урахуванням спеціалізації, систему управління виробництвом на принципах автоматизованого прийняття рішень керівним складом.
3.Вперше одержані вирази на основі теоретико-ймовірних підстав визначення ймовірностей з якими система „Створення-Оновлення-Зберігання-Видача” (СОЗВ) знаходиться у будь якому із станів, а також часу на створення, оновлення та зберігання топографічних цифрових карт, які підтверджені експериментально.
4.Отримано подальший розвиток теоретичних обґрунтувань для вдосконалення математичної моделі та системи управління виробництвом.
Практичне значення одержаних результатівроботи полягає в наступному:
- врахування при розробці автоматизованої картографічної системи впливу принципів перетворення топографічної інформації у цифрову форму, технологічних напрямків та технологічних маршрутів, обумовлених системою класифікації, принципів кодування та правил цифрового опису топографічної інформації і вимог точності до її параметрів. Досліджені і встановлені залежності впливу, при створенні топографічних цифрових карт, які дозволили провести оптимізацію технологічних маршрутів та відпрацювати методики.
- доказана необхідність застосування при розгортанні автоматизованої картографічної системи локальної обчислювальної мережі, що забезпечує передачу інформації в реальному часі за розчленованим правом доступу та обробки.
- результати впливу чинників на розробку автоматизованої картографічної системи принципово впливають на систему управління виробництвом та застосування програмно-технічних комплексів, що дозволило відпрацювати методики та систему управління банком просторових даних для забезпечення геоінформаційних систем.
Основні результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при формуванні Картографічного центру Топографічної служби Збройних Сил України для створення топографічних цифрових карт і організації Центрального банку просторових даних топографічної інформації та використані в розробці 11 відомчих та одному міжвідомчому нормативно-технічних і керівних документів із створення, зберігання та використання топографічних цифрових карт.
Апробація роботи. Основні теоретичні й експериментальні результати приведених у дисертації обґрунтувань та досліджень доповідались автором і обговорювались на міжнародних та регіональних науково-технічних конференціях і семінарах “Теорія і практика БІНС” (Київ, 1994 р.), “Технології й апаратне забезпечення проведення стереотопографічних робіт” (Київ, 1995 р.), “VII з’їзд Українського географічного товариства” (Київ, 1995 р.), “VIII сесія Міждержавної ради по геодезії, картографії, кадастру та дистанційному зондуванні Землі держав в СНГ” (Форос, 1996 р.), “Основні напрямки розвитку фотограмметрії та дистанційного зондування в Україні” (Київ, 1996 р.), “ГІС – Форум – 99” (Київ, 1999 р.), “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва” (Яворів, 2000 р.).
Особистий внесок автора в роботу.здобувача. Автором самостійно виконано аналіз та теоретичні дослідження з обґрунтування створення методик і системи, що об’єднує економічно доцільні технології та відпрацьовано алгоритм потоків інформації між технологічними маршрутами створення, оновлення, зберігання та видачі топографічних цифрових карт. В дисертації використані авторські розробки та ідеї, які знайшли відображення в наукових працях, публікаціях та в виробничому застосуванні, де автор був науковим керівником або приймав безпосередню участь в їх розробці. Для підготовки дисертації використані роботи співавторів, де автором зроблено постановку задач, визначено основні етапи їх виконання та сформульовано висновки.
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні й експериментальні результати приведених у дисертації обґрунтувань та досліджень доповідались автором і обговорювались на міжнародних та регіональних науково-технічних конференціях і семінарах “Теорія і практика БІНС” (Київ, 1994 р.), “Технології й апаратне забезпечення проведення стереотопографічних робіт” (Київ, 1995 р.), “VII з’їзд Українського географічного товариства” (Київ, 1995 р.), “VIII сесія Міждержавної ради по геодезії, картографії, кадастру та дистанційному зондуванні Землі держав в СНГ” (Форос, 1996 р.), “Основні напрямки розвитку фотограмметрії та дистанційного зондування в Україні” (Київ, 1996 р.), “ГІС – Форум – 99” (Київ, 1999 р.), “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва” (Яворів, 2000 р.).
ПублікаціїРезультати досліджень опубліковані. Результати дисертації опубліковані вв одній монографії і 10 статтях загальним обсягом 17,5 др.арк. та використані в 12 нормативних документах, із яких особисто автором підготовлено 5 статей (8,6 др.арк.) та використані в 12 нормативних документах.
Обсяг і Сструктура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи 18195 сторінока – 7,16 др.арк., машинописного тексту, з них – 52 графічні таблиці (моделі, структурні схеми, діаграми, таблиці) – 32 сторінки ілюстрації складають 40 рисунків, 12 таблиць(1,24 др.арк.)., Ссписок використанихої літературиджерел включає з 13942 найменуваньня – 13 сторінок (0,5 др.арк.) і додатки.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
УУ вступі охарактеризована актуальність проблеми, що складає предмет наукового дослідження, сформульовані мета та основні завдання дисертаційної роботи, описані наукова новизна, практична цінність, реалізація та впровадження, апробація наукової розробки, структура і об’єм роботи та згаданий особистий внесок автора.
У першому розділі зроблено огляд геоінформаційних систем та концептуальних основ створення топографічних цифрових карт. Так в 1.1. за результатами проведеного вивчення та аналізу матеріалів визначені характеристики геоінформаційної системи, що в свою чергу дозволило виконати їх розподіл на три основні класи та визначити за класифікацією основні параметри для вимог створення топографічних цифрових карт.
Приймаючи визначення, що цифрова карта – це модель земної поверхні, записана в кодовій формі і за встановленою структурою на магнітному носієві інформації з урахуванням прийнятих елементів математичної основи карти й вимог картографічної генералізації щодо її картографічного забезпечення в 1.2. визначено її наступні особливості як:
- її зміст повинен орієнтуватись на відображення топографічних властивостей місцевості, тобто зберігати картографічну інформацію;
- внутрішня структура повинна мати вигляд упорядкованої множини точок, сукупність взаємопов’язаних точок і елементів;
- дискретна форма представлення інформації;
- адекватність моделі вихідному об’єкту;
- неперервність моделі;
- точність моделі;
- однозначність моделі;
- реальність моделі.
Разом з тим розглядаючи топографічну цифрову карту як систему топографічної інформації про місцевість, її з погляду теорії систем розглянуто і описано як поєднання абстрактної математичної моделі з інтерпретацією цієї моделі на безпосередню предметну область. При цьому абстрактна математична модель представляє собою кінцеву множину змінних і констант із відповідно заданими відношеннями. Це співвідношення визначено як :
K = {Is, It}, (1)
при цьому: Is – службова інформація, яка формально відображає абстрактну математичну модель визначеної місцевості; It – топографічна інформація про картографічні властивості місцевості, яка забезпечує інтеграцію моделі.
Тому на підставі опрацювання топографічної цифрової карти як моделі, що наділена всіма математичними властивостями в її розрахунках визначено вимоги до якості при відображенні земної поверхні для оцінки якої одержано формулу
m = √m2вих + m2під + m2ПЗ + m2РЗ , (2)
де mвих – якість вихідного матеріалу, який використовується при створенні цифрових карт;
mпід – оцінка підготовки фахівців;
mПЗ – якість програмного забезпечення та досконалість технологій у формуванні моделі місцевості, враховуючи особливості цифрового картографування;
mРЗ – досконалість технічних засобів в електронній можливості механічної та оптичної роздільної здатності при передачі інформації.
В 1.3. розглянуто інформативну місткість на підставі аксіом К.Шенона, які дозволили знайти співвідношення для обчислення кількості невизначеності (ентропії) дискретної умовно-знакової інформації. і отримати формулу:
H = H (1/Xm; 1/Xm; …; 1/Xm) (3)
де Х – стан джерела інформації; m – групи станів (етапів).
На цій підставі та виходячи з основ теорії інформації отримано формули математичного визначення кількості метричної та семантичної умовно-знакової цифрової топографічної інформації:
- для горизонталів (криволінійних контурів)
H(Li) ≈ DLi/llog2[10,175  106 р/(M + 9500)], (34)
- для точки
H(Q) = log2X + log2Y, (45)
- для семантичної інформації
H(Sk) = -  ilog2Pi, (56)
- для інформації підписів
H = -  Pilog2Pi. (67)
Тут в формулах (34) – (67) прийняті позначення:
l – довжина елементарного відрізку;
М – знаменник масштабу карти;
DLi – довжина лінії (контуру, горизонталі);
X, Y – координати;
Pi – ймовірність отримання символу;
k – число появи об’єктів на карті;
m – довжина алфавіту.
В табл.1 приведені отримані середні обсяги інформації у векторному форматі в залежності від масштабу створених топографічних цифрових карт, які в подальшому використовувались для вивчення потоків інформації.
Таблиця 1
Середні обсяги інформації у векторному форматі
Систему класифікації, принципи кодування та правила цифрового опису топографічної інформації розглянуто в 1.4, що дозволило з врахуванням мінімальних об’ємів інформації визначити наступні основні принципи класифікації топографічної інформації: поділ на класифікаційні групи усіх об’єктів та явищ, що відображаються на карті за загальними ознаками або за визначеною комбінацією ознак, які мають логічний зв’язок; розподіл об’єктів згідно класифікаційних груп, які забезпечують логічну стрункість системи; автономність класифікаційних груп на всіх рівнях класифікації; мінімальна складність встановлення смислових зв’язків між класифікаційними групами; універсальність системи класифікації; гнучкість системи з можливістю включення нових класифікаційних груп без порушення в цілому логічних структур.
Систему класифікації, принципи кодування та правила цифрового опису топографічної інформації розглянуто в 1.4, що дозволило з врахуванням мінімальних об’ємів інформації визначити наступні основні принципи класифікації топографічної інформації:
- поділ на класифікаційні групи усіх об’єктів та явищ, що відображаються на карті за загальними ознаками або за визначеною комбінацією ознак, які мають логічний зв’язок;
- розподіл об’єктів згідно класифікаційних груп, які забезпечують логічну стрункість системи;
- автономність класифікаційних груп на всіх рівнях класифікації;
- мінімальна складність встановлення смислових зв’язків між класифікаційними групами;
- універсальність системи класифікації;
- гнучкість системи з можливістю включення нових класифікаційних груп без порушення в цілому логічних структур.
За проведеним дослідженням відпрацьовано технологічну схему будови класифікатора, що наведена на рис.1.
Рис.1 Схема структури класифікатора.
В 1.5. розглянуто підходи до нормування праці та визначення основних підходів до розробки методичних основ з організації роботи і отримано формулу складу норм часу
Т = Топ + Тпз + Тоб + Тпт + Тотл (8)
де Топ – оперативний час;
Тпз – підготовчо-заключний час;
Тоб – час обслуговування робочого місця;
Тпт – час непередбачених перерв;
В 1.5. розглянуто підходи до нормування праці та визначення основних підходів до розробки методичних основ з організації роботи і отримано формулу складу норм часу
Т = Топ + Тпз + Тоб + Тпт + Тотл, (7)
де: Топ – оперативний час; Тпз – підготовчо-заключний час; Тоб – час обслуговування робочого місця; Тпт – час непередбачених перерв; Тотл – час на відпочинок і особисті потреби. Підведення висновків за виконану роботу та визначення цілей і завдань на дослідження проведено в 1.6, що надало змогу встановити перелік питань з опрацювання теоретичних основ і підготовки методик для практичного розгортання виробництва по створенню, зберіганню, оновленню і видачі користувачам топографічних цифрових карт.
| 
