КИЇВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
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 = vm2вих + 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
Масштаб | Площа трапеції (кв.км) | Середні помилки об’єктів карти | Об’єм у розгорнутому вигляді (Mb) |
в плані (м) | в висоті (м) | рівнинні райони | гірські райони | 1:10000 | 25,00 | 6,0 | 1,25 | 2,5 | 0,5 – 1,0 | 1:25000 | 75,00 | 15,0 | 1,60 | 2,5 | 0,5 – 2,5 | 1:50000 | 300,00 | 30,0 | 3,00 | 5,0 | 0,5 – 1,0 | 1:100000 | 1200,00 | 60,0 | 7,00 | 10,0 | 0,8 – 1,8 | 1:200000 | 5000,00 | 120,0 | 15,00 | 50,0 | 1,2 – 3,0 | 1:500000 | 44000,00 | 300,0 | 25,00 | 100,0 | 2,0 – 4,0 | 1:1000000 | 175000,00 | 600,0 | 50,00 | 200,0 | 2,4 – 5,2 |
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.
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.
У другому розділі розглянуто теоретичні дослідження складових будови автоматизованої картографічної системи для створеформування центрального банку топографічних даних та формуварозгортання структури виробництва і його функціонально-виробничого управління. Це перш за все обґрунтування підходів до розробки моделі та системи управління.
В 2.1. проведено обґрунтування математичної моделі на підставі функціональної схеми модуля створення цифрових карт який взято як розвинута самостійна система, що складається з підсистем A, B, C, D, E і інформації яка ними формується a, b, c, d і e. Це дозволило отримати формулу загального вигляду математичної моделі системи:
e = G(a, y), де y – стан системи в момент часу t і tI (89)
що дозволило визначити на підставі якої з врахуванням отриманої формули визначення об’єму інформації
V = gk, цифрових знаків (910)
та інформаційнуої ємності модуля з визначеноням показника ефективності кодування у вигляді формули
Кеф = , при цьому Кеф = 1 (110)
Отримані формули надали можливість визначати найбільшу швидкість передачі сформованої інформації в модулі, підсистемі, системі за умови дотримання середньої довжини кодової комбінації вихідноїих геопросторовоїих інформаціїданих.
На підставі системного підходу в 2.2. відпрацьована концепція побудови автоматизованої картографічної системи базова модель якої представлена на рисунку 2. Її робота розглядалась як функціонування складної системи “Створення – Оновлення – Зберігання – Видача” (система СОЗВ), а аналіз виконано за допомогою теорії Марковських процесів при умові її нормальної роботи за станом будь-яких параметрів (групі параметрів) у межах встановлених допусків. Враховуючи, що на рисунку 2 наведено граф базової моделі системи з трьома станами SС, SО і SЗ у
створ. онов. зберіг.
якої бij = - інтенсивність переходу системи із стану i у стан j, величина якої зворотна відповідному часу (створення, оновлення та зберігання топографічних цифрових карт).
Рис.2 Базова модель системи і структура взаємодії її елементів.
Її робота розглядалась як функціонування складної системи “Створення – Оновлення – Зберігання – Видача” (система СОЗВ), а аналіз виконано за допомогою теорії Марковських процесів при умові її нормальної роботи за станом будь-яких параметрів (групи параметрів) у межах встановлених допусків. На рисунку 2 наведено граф базової моделі системи з трьома станами SС створення; SО оновлення; SЗ зберігання, де бij = 1/tif - інтенсивність переходу системи із стану i у стан j, величина якої зворотна відповідному часу (створення, оновлення та зберігання топографічних цифрових карт), а ?ij – інтенсивність відповідного потоку. Це і дозволило за приведеним графом отримати диференційні рівняння Колмогорова-Чепмена:
де ?ij – інтенсивність відповідного потоку.
Що і дозволило за розміщеним графом отримати диференційні рівняння Колмогорова-Чепмена:
=--++=-(+)++
=--++=-(+)++(112)
=--++=-(+)++,
де: РС, РО, РЗ – ймовірності знаходження системи у відповідних станах (створення, оновлення, зберігання) при умові:
РС + РО + РЗ = 1. (132)
За опрацьованим вихідним матеріалом рівняння набули наступного вигляду:
РС =+ е –()t
РО =+ е –()t (143)
РЗ = + е –()t.
У відповідності до розглянутого прикладу отримано рівняння відносно часу відповідно на створення, оновлення і зберігання топографічних цифрових карт:
tC =
tO = (154)
tЗ =.
Функціональне вивчення системи проведено за схемою взаємодії комплексу СОЗВ, що представлена на рисунку 3.
Рис.3 Схема взаємодії комплексу СОЗВ.
Для цього за схемою проведено математичний опис системи який виконано за допомогою теорії лінійного програмування та отримано для оптимізації цільові функції за умови мінімізації:
- створення топографічних цифрових карт
С = = max, (15)
з врахуванням балансових умов
= bs, (16)
та граничних
xi = 0, (17)
За схемою проведено математичний опис системи який виконано за допомогою теорії лінійного програмування та отримано для оптимізації цільові функції за умови мінімізації:
- створення топографічних цифрових карт
С = = max (16)
з врахуванням балансових умов
= bs (17)
та граничних
xi = 0 (18)
де pi – вага; xi – параметри системи; bs – балансовий ліміт затрат часу при створенні цифрових топографічних карт; asi – коефіцієнт, який визначає кількість вкладу s-го рішення, необхідного для збільшення i-го параметру на одиницю.
Визначення коефіцієнту asi проведено за матрицею
a11 a12 … a1i
a21 a22 … a2i
… … … … (189)
as1 as2 … asi ,
- затрат на функціонування системи
Q = = min, (1920)
з врахуванням вагових умов
= pi, ` (201)
та граничних
= 0, (212)
В 2.3. проведено обґрунтування розробки організаційної структури управління виробництвом на підставі двох протилежних тенденцій: регламентації та відповідальності. В загальній організаційній структурі управління застосовано блочний підхід який дозволив розподілити функції управління в загальній системі та відпрацювати як схеми управління блоків так і схему узагальненої організаційної структури управління виробництвом. На підставі обґрунтованої математичної моделі, розробленої базової моделі автоматизованої картографічної системи та визначеної організаційної структури управління виробництвом в 2.4. проведено відпрацювання алгоритмів підсистем та системи в цілому для роботи в межах визначеної структури локальної обчислювальної мережі. Варіант структури автоматизованої картографічної системи представлено на рисунку 5.
Рис.64 Варіант структури автоматизованої картографічної системи виробництва.
В 2.3. проведено обґрунтування розробки організаційної структури управління виробництвом на підставі двох протилежних тенденцій: регламентації та відповідальності. В загальній організаційній структурі управління застосовано блочний підхід який дозволив розподілити функції управління в загальній системі та відпрацювати як схеми управління блоків так і схему узагальненої організаційної структури управління виробництвом. На підставі обґрунтованої математичної моделі і розробленої базової моделі автоматизованої картографічної системи та визначеної організаційної структури управління виробництвом в 2.4. проведено відпрацювання алгоритмів підсистем та системи в цілому для роботи в межах визначеної структури локальної обчислювальної мережі. Варіант структури автоматизованої картографічної системи представлено на рисунку 4. В 2.5. підведені підсумки роботи і встановлено, що вперше обґрунтовано і розроблено математичну модель автоматизованої картографічної системи та структуру виробництва на підставі теоретико-ймовірного і статистичного підходів. Отримано формули визначення часу знаходження системи в кожному із станів (створення, зберігання, оновлення).
В 2.5. підведені підсумки роботи, що проведена в другому розділі з констатацією про вперше обґрунтовану і розроблену математичну модель автоматизованої картографічної системи та структуру виробництва на підставі теоретико-ймовірного і статистичного підходів. Отримано формули визначення часу знаходження системи в кожному із станів (створення, зберігання, оновлення).
У третьому розділі, що складається з шести підрозділів, представлені результати виконаних експериментальних досліджень складових будови автоматизованої картографічної системи для створення центрального банку топографічних даних та формування структури виробництва і його функціонально-виробничого управління.
В 3.1. розглянута методика проведення експериментальних досліджень на підставі яких передбачалось отримати дані про взаємозв’язок при оптимізації технологій, апаратно-програмних комплексів, форматів обробки, зберігання та експорту цифрової топографічної інформації, системи контролю і термінів оновлення інформації при створенні топографічних цифрових карт. Організація і програма експериментальних досліджень відпрацьовані з врахуванням типових виробничих факторів, що впливають на технологічний процес основними з яких є: підготовка фахівців, вид та якість вихідних матеріалів, рівень програмного забезпечення та технічних засобів, рівень розвитку управління технологічними маршрутами і іншими складовими. Експериментальні дослідження проводились в типових умовах стаціонарного виробництва створення номенклатурних аркушів (н.а.) топографічних цифрових карт на підставі статистичних спостережень за параметрами технологічних маршрутів. Необхідна кількість експериментальних визначень чинників проведена на підставі поняття про інтервал довіри, а перевірка на нормальний закон розподілу параметрів, що спостерігались, виконана за критерієм Персона. Визначення проводились за формулами:
- для визначення необхідної кількості визначень
n = /, (223)
- для нормального розподілу дослідних значень
= R/3t = R/6, (234)
де n – необхідна кількість визначень; t = 2 – функція довіри імовірності, при довірі імовірності 0,95; - точність визначень; - середньоквадратичне відхилення окремих визначень дослідних величин від середньоквадратичного значення; R = b – a – розмах значень показників (різниця між максимальним b і мінімальним a значенням показників, що спостерігаються в загальному випадку b ? a).
Обробка даних експериментальних досліджень проведена з використанням кореляційного аналізу, а адекватність окремих залежностей перевірена за критерієм Фішера:
F = /, де: - залишкове середньоквадратичне відхилення. (245)
Отримані залежності показали хорошудобру адекватність емпіричним даним, що підтвердило правильність визначених напрямків побудови автоматизованої картографічної системи та обґрунтування структури виробництва і його функціонально-технологічного управління. В підрозділі 3.2. детально описано роботу по аналізу та дослідженням напрямків і технологій створення топографічних цифрових карт. заЗавдяки проведенійою роботіою з аналізу було визначено на підставі використання вихідного матеріалу створення, оновлення топографічних цифрових карт визначено три основних напрямки формування технологій: наявний картографічний матеріал, матеріали аерокосмічного знімання, матеріали польових топографічних робіт. Визначення технологій проведено за класифікацією пристроїв вводу топографічної інформації, що дозволило провести розподіл та згрупування технічних засобів на чотири види: дигітайзери різних моделей; сканери різних моделей; аналітичні фотограмметричні прилади; електронне топографо-геодезичне обладнання в тому числі приймачі навігаційних систем. Таким чином було встановлено п’ять основних технологій: обробка інформації дигіталізованого картографічного матеріалу (ОІДКМ); обробка інформації сканованого картографічного матеріалу (ОІСКМ); обробка інформації аналітичних фотограмметричних вимірювань знімків (ОІАФВЗ); обробка інформації фотограмметричних вимірювань сканованих знімків (ОІФВСЗ); обробка інформації польових топографічних вимірювань місцевості (ОІПТВМ). Це дозволило оперативно формувати, від впливу певних чинників, виробничі технологічні маршрути.
Для оптимізації програмних продуктів в роботі створення автоматизованої картографічної системи та формування виробничого підрозділу визначались технологічні маршрути з окремими операціями, системою управління і обґрунтуванням кількості фахівців на повно функціональне завершення операцій. Це дозволило визначити наступні окремі характерні блоки при дігіталіації вихідних матеріалів:
- підготовка оригіналів службової інформації;
- підготовка відомостей кодування семантичної інформації;
- введення семантики;
- оцифровка (розпізнавання) графічних елементів;
- контроль метричного і семантичного опису об’єктів;
- виконання функцій карт перетворення (врахування деформації, перерахування координат та інше);
- контроль графічних елементів (графічна копія, технологічна візуалізація, контрольні програми);
- редагування цифрової моделі.
В процесі роботи було встановлено, що перші три блоки за технологічними діями принципово не мали різниці та однаково впливали на характеристики якості створення цифрової карти і в подальших експериментальних дослідженнях до уваги не приймались. В роботу були взяті наступні п’ять блоків, що дозволило на зовнішньому рівні фази збору цифрової топографічної інформації розглянути її у вигляді агрегату (), автономно для вводу (об’єктів місцевості S = {s}) та вводу (семантичної інформації D = {d}), що відображають один стан W (W = {wi/ i=1}), без оператора переходу (= ) і отримати формулу:
= ({sw, {d{, (256)
де: {} – оператор виводу ({= ). Такий підхідЦе забезпечивло визначення операторів виводу виходячи з застосованого в програмному забезпеченні алгоритму перетворення. Узагальнена оцінка роботи чотирьох програмних продуктів за визначеними дигіталізованими об’єктами наведена в таблиці 2.
При узагальнені технології обробки інформації сканованого картографічного матеріалу для створення топографічних цифрових карт виділено чотири основні модулі:
сканування картографічного матеріалу;
векторізація растрового зображення;
автоматичне і інтерактивне розпізнавання топографічних об’єктів та їх опис;
контроль інформації та редагування цифрової карти.
Таблиця 2
Узагальнена оцінка роботи програм по окремих об’єктах.
Програмне забезпечення |
Якість зняття координат |
Якість відстеження лінії |
Якість топологічної коректності | Середня оцінка | пункт мережі | об’єкт баштового типу | уріз води | лінія дороги | лінія контуру лісу | лінія польової дороги | контур міста (селища) | лінія трубопроводу | апроксимація кривої | точка перетину лінії | примикання лінії-точки | примикання лінія-лінія | замикання полігонів
Arca RV | 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 3 | 2,9
EDMAP | 5 | 5 | 5 | 4 | 5 | 4 | 3 | 5 | 5 | 5 | 5 | 3 | 5 | 4,5
VinGIS | 5 | 5 | 5 | 4 | 5 | 5 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 4 | 5 | 4,8
ДИГИКАРТ | 5 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 4 | 5 | 5 | 3 | 4 | 4,2
При узагальнені технології обробки інформації сканованого картографічного матеріалу для створення топографічних цифрових карт виділено чотири основні модулі: сканування картографічного матеріалу; векторізація растрового зображення; автоматичне і інтерактивне розпізнавання топографічних об’єктів та їх опис; контроль інформації та редагування цифрової карти.
Взявши до уваги, що процес цифрування в загальному вигляді описується як послідовність перетворення графічних елементів від одного рівня подання до наступного з більш високим рівнем узагальнення інформації вихідного зображення обробку інформації сканованого картографічного матеріалу в формат цифрової карти описано у вигляді наступної послідовності:
EGR ERV EVO EOS ESD
G R V O S D (267)
GGiRRiVViOOiSSiDDii=1,q, q=7 ,
де q – описує кількість кольороподілених оригіналів діапозитивів постійного зберігання, а (G, R, V, O, S, D) – операції для кожного i-го оригіналу із ряду формування моделей (G – графічної, R – растрової та чотирьох векторних V – r-примітивів, O – картографічного об’єкту, S – об’єктів місцевості, D – об’єднаної цифрової карти) та операції EGR – операція сканування q розчленованих видавничих оригіналів {Gi} з формування набору {Ri} растрових моделей поділених за сегментами кольору; ERV – операція растр-векторного перетворення з формуванням набору {Vi} векторних моделей графічних примітивів сегменту; EVO – операція загального розпізнавання та збору об’єктів з формуванням набору {Oi} топографічних моделей сегменту; EOS – операція детального розпізнавання з формуванням набору {Si} топографічних моделей об’єктів місцевості; ESD – операція контролю, редагування і формування комплексної об’єктно-орієнтованої цифрової карти {Di} в форматі подання.
Оцінку ефективності технологій обробки інформації сканованого картографічного матеріалу проведено за двома критеріями: t – середній час створення цифрової карти; s – середня вартість створення цифрової карти при забезпеченні необхідної інформаційної повноти (, , , ) за умови лімітів матеріальних m та часових затрат t.
Оцінку властивостей (, в, г, е, у) проведено за вектором вибраних показників (б, в, г, е, у), а в якості цільової функції розглянуто час та вартість створення цифрової карти. При цьому оптимізація цільових функцій передбачає забезпечення завдання управління якістю
t(A, B, C, D) opt
a- = a(A, B, C, D) = a+
в- = в(A, B, C, D) = в+
г- = г(A, B, C, D) = г+ (278)
е- = е(A, B, C, D) = е+
у- = у(A, B, C, D) = у+
s- (A, B, C, D) = s+ ,
s(A, B, C, D) opt
a- = a(A, B, C, D) = a+
в- = в(A, B, C, D) = в+
г- = г(A, B, C, D) = г+ (289)
е- = е(A, B, C, D) = е+
у- = у(A, B, C, D) = у+
t(A, B, C, D) = t+ ,
де A – вектор параметрів управління програмно-технічних засобів технології; B – вектор дестабілізаційних дій з сторони випадкових факторів середовища; C – вектор управління дій по нейтралізації дестабілізаційного впливу; D – вектор інформаційної підтримки управляючого впливу на підставі експертних знань; (б-, в-, г-, е-, у-), (б+, в+, г+, е+, у+, s+), (б+, в+, г+, е+, у+, t+) – вектори визначених величин, що встановлюють діапазон необхідних показників якості (б, в, г, е, у, s) і (б, в, г, е, у, t).
Оцінку властивостей (, в, г, е, у) проведено за вектором вибраних показників (б, в, г, е, у), а в якості цільової функції розглянуто час та вартість створення цифрової карти. При цьому оптимізація цільових функцій передбачає забезпечення завдання управління якістю
На цій підставі для визначення показників середнього часу та вартості отримано формули:
t = [(+ ) + (+ )], (2930)
s = [(+) +(+)], (301)
при цьому та - час автоматичної і інтерактивної обробки і-го оригіналу на етапі з порядковим номером k в операціях <EGR, ERV, EVO, EOS, ESD>; та - час автоматичної і інтерактивної обробки j-ї моделі і-го оригіналу з порядковим номером моделі j в операціях <G, R, V, O, S, D>; та - вартість автоматичної і інтерактивної обробки і-го оригіналу з порядковим номером k в операціях <EGR, ERV, EVO, EOS, ESD>; та - вартість автоматичної і інтерактивної обробки j-ї моделі і-го оригіналу з порядковим номером моделі j в операціях <G, R, V, O, S, D>; j та k – порядкові номера моделі, що обробляється і етапу обробки у відповідності до операції.
Отримані середні результати наведені в таблиці 3.
Таблиця 3
Узагальнений час і вартість створення н.а. ЦК
Система | Масштаб цифрової карти
1:50000 | 1:200000 | 1:500000
час (т/дн.) | Вартість ($) | час (т/дн.) | вартість ($) | час (т/дн.) | вартість ($)
Arca RV | 38,8 | 103,7 | 52,5 | 178,9 | 60,1 | 388,5
ArcInfo | 21,7 | 618,9 | 22,1 | 813,3 | 41,5 | 1238,7
Панорама | 20,5 | 306,6 | 24,5 | 523,1 | 41,8 | 758,8
EDMAP-R | 20,2 | 117,5 | 24,8 | 139,5 | 40,7 | 408,9
Для вивчення, аналізу та визначення оптимізації технологій в напрямку створення топографічних цифрових карт за аерокосмічними матеріалами з метою формування оптимальних технологічних маршрутів опрацьовано технічні та технологічні результати отримані на фотограмметричних станціях таких фірм як Leica, Carl Zeiss, Intergraph, НПЛ „ГеоСистема” АТ „СПАЕРО-плюс” і аналітичних фотограмметричних приладів „СПА”, „Аналіт”, „Ортомат” (НВП „БілОМО”), „Стереоанаграф-4”,
