ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

САМАРЕЦЬ Юрій Вікторович

УДК 681.518:519.682.9:519.254

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ

ТЕХНОЛОГІЙ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.13.06 – автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Байбуз Олег Григорович, Дніпропетровський національний уні-верситет, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Азарян Альберт Арамаісович, Криворізький технічний університет, професор, академік Академії гірничих наук України.

доктор технічних наук, професор Зберовський Олександр Владиславович, Національний гірничий університет, керівник навчально-наукового центру гірничих інформаційних технологій.

Провідна установа

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського "Харків-ський авіаційний інститут", м. Харків

Захист відбудеться “ 19 травня 2006 року о “ 14 ” годині на засі-данні спеціалізованої вченої ради К08.051.01 при Дніпропетровському націона-льному університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 35, корп. 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського на-ціонального університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Коза-кова, 8.

Автореферат розіслано “ 12 квітня 2006 року

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Земляна С.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку зі зростаючим антропогенним впливом на навколишнє середовище виникає завдання створення систем екологічного моніторингу, призначених для розв'язання задач оперативного аналізу й прогнозу визначальних параметрів навколишнього середовища, виконання якого вимагає створення автоматизованої системи обробки даних. Особливо складна екологічна ситуація склалася в районах розробки корисних копалин. Наявність відвалів гірської породи, відкачка шахтних вод привела до необхідності ведення моніторингу таких районів, що обумовило розробку автоматизованих систем ведення оперативного аналізу й прогнозування стану природного середовища. Одним із завдань систем моніторингу є територіальне картографування за гідрохімічними та геохімічними показниками. Отримані карти становлять основу територіального атласу, що є базою оперативного аналізу й прийняття рішень на вибір заходів зі зменшення впливу техногенних навантажень (ТН). Виконання завдання моніторингу розбивається на знаходження функціональних залежностей за вибірковими точками на поверхні та здійснення картографічного відображення відновлених поверхонь і їх прив'язка до схеми місцевості. Отримані в результаті моделі – залежності між певними показниками – реалізуються в задачах оперативного аналізу й прийняття рішень. Аналіз існуючих геоінформаційних систем (ГІС) показав, що на сьогодні недостатньо уваги приділяється обробці невеликих (?100 км2) регіонів. Методи відтворення та візуалізації поверхонь та гіперповерхонь, що застосовуються в сучасних ГІС, не оптимізовані для проведення локальних моніторингів. Візуалізація даних в автоматизованих інформаційних системах (АІС), пов’язаних з просторовим моделюванням, вимагає суттєвих апаратних витрат та високої швидкодії обчислювальних схем математичного забезпечення обробки даних. Швидкодія обчислювальних схем прямо залежить від кількості простих арифметичних операцій, що практично унеможливлює застосування методів обробки багатовимірних масивів спостережень, які були б адекватними і швидкодіючими одночасно. Застосування математичного забезпечення, ґрунтованого на використанні багатовимірних поліноміальних сплайнів (БПС) на основі В-сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, дозволяє суттєво збільшити швидкість обробки масивів даних, отримуючи при цьому адекватні результати.

У створення поліноміальних методів наближення вагомий внесок зробили К. Вейерштрасс, П.Л. Чебишев та багато інших математиків. У середині сорокових років минулого сторіччя Ісаак Шоенберг запропонував конструкцію, яка, успадкувавши позитивні якості поліномів, виявилась вільною від їх недоліків – сплайни. Сплайни або, іншими словами, кусково-поліноміальні функції, стали поштовхом до появи нового ме-тоду наближення зі зручними обчислювальними властивостями. Важливим етапом розвитку теорії сплайнів став опис Карлом де Бором базисних сплайнів, що дозволило не тільки спростити конструкцію сплайнів, але й зробило можливим появу майже інтерполяційних і майже інтерполяційних у середньому сплайнів. Дослідження майже інтерполяційних сплайнів з'явились у роботах таких математиків як К. де Бор, А.О. Лигун, М.П. Корнійчук, О.І. Гребенніков. Майже інтерполяційні в середньому сплайни вперше розглядались у дослідженнях І. Шоенберга, А.О. Лигуна. У роботах П.О.Приставки наводяться отримані та досліджені ним майже інтерполяційні у середньому сплайни двох, трьох та багатьох змінних. Поява цього апарату наближення дозволила суттєво спрос-тити обчислювальні аспекти використання сплайнів при обробці багатовимірних масивів спостережень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Одержані результати дисертаційної роботи (ДР) реалізовані в межах: госпдоговірної теми №6/2270, 10/293 „Дослідження розподілу важких металів та радіонуклідів у районі накопичувачів радіоактивних відходів та розробка рекомендацій по рекультивації забруднених ґрунтів” 2002-2003 рр.; держбюджетної теми 5-076-04 „Теоретичні основи розробки геоінформаційної технології обробки та аналізу екологічної інформації на основі сплайн-перетворення”, № Д/Р 0101V002954.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є створення алгоритмів, інформаційного та програмного забезпечення (ПЗ) розв’язання задач візуалізації та аналізу багатовимірних даних (БвД) у ГІС картографічного моніторингу (КМ) із застосуванням сплайн-операторів.

Завдання, що визначаються поставленою метою:

- алгоритмізація процесу побудови поверхонь та гіперповерхонь за даними гідрохімічного та геохімічного моніторингу, що базуються на використанні БПС на основі В-сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому;

- розробка, із застосуванням сучасних інформаційних технологій, компоненти автоматизації відтворення поверхонь та гіперповерхонь за результатами спостереження на місцевості;

- реалізація розроблених алгоритмів та ПЗ у системах моніторингу ТН у зонах дії гірничо-збагачувальних комбінатів та хвостосховищ.

Об’єктом дослідження є локальний картографічний моніторинг екологічних і геохімічних систем.

Предметом дослідження є розробка й застосування алгоритмів відтворення моделей поверхонь і гіперповерхонь та їх візуалізації.

Методи дослідження. При виконанні поставлених завдань застосовано методи прикладного статистичного аналізу, теорії алгоритмів та об’єктно-орієнтоване програмування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

1. Вперше створено алгоритм та ПЗ автоматизації обчислення коефіцієнтів багатовимірних поліноміальних сплайнів (КБПС) на основі В-сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, та отримання явних виглядів лінійних операторів зазначених сплайнів.

2. Розроблено алгоритми відтворення гіперповерхонь, що базуються на використанні БПС на основі В-сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому.

3. Створені алгоритми вперше застосовано при відтворенні гіперповерхонь у ГІС.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці компоненти візуалізації БвД та впровадженні її в ГІС, призначених для обробки результатів геохімічного або гідрохімічного моніторингу, та розробці ПЗ автоматизації обчислення КБПС на основі В-сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому.

Результати ДР впроваджені в таких організаціях: в науково-дослідни-цькому інституті (НДІ) геології Дніпропетровського національного університету (ДНУ) використовуються системи „Ландшафт” та „ThreeD”, у дочірньому підприємстві (ДП) Вільногірський гірничо-металургійний комбінат та в Інгулецькому гірничо-збагачувальному комбінаті – система „GISThreeD”.

Особистий внесок здобувача. Основні положення й результати ДР отримані автором самостійно. У роботах, виконаних у співавторстві, автору належить: [1] – опис функціональних можливостей компоненти Graphic3D у складі розробленої системи картографічного моніторингу „Ландшафт”; [2, 3] – опис інтерфейсу користувача розробленої АІС „ThreeD”, призначеної для проведення КМ ґрунтових вод (ҐВ) у зонах техногенного забруднення, та результати обробки системою даних моніторингу в районі хвостосховища радіоактивних відходів (ХРВ) поблизу м. Дніпродзержинська; [5] – опис інтерфейсу розробленої системи „GISThreeD”, призначеної для проведення візуального аналізу геохімічного моніторингу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення ДР і результати наукових досліджень представлялися та обговорювалися на: IV Міжнародній науково-технічній конференції „АВІА-2003” (м. Київ, 2003), Міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми комплексного освоювання гірничовидобувних регіонів” (Дніпропетровськ, 2003), Міжнародній конференції з автоматичного управління „Автоматика-2004” (м. Київ, 2004), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем” (м. Дніпропетровськ, 2005), конференціях за підсумками науково-дослідної роботи ДНУ (м. Дніпропетровськ, 2002-2006).

Публікації. Основні положення й результати ДР опубліковано у 8 друкованих роботах (у тому числі 4 без співавторів), з них 6 у фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. ДР складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, містить 72 рисунка, 33 таблиці, сім додатків. Загальний обсяг дисертації, без урахування додатків, становить 127 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено мету роботи та задачі, що розв'язуються, зазначено її наукову новизну і практичне значення.

У першому розділі розглянуто сучасні діючі ГІС, що можуть бути застосовані при обробці даних геохімічного та гідрохімічного моніторингів.

Відзначено, що розглядаючи можливості кожної з наведених систем, можна виділити їх переваги та недоліки. В одних системах розвинена візуалізація, але майже відсутня аналітична обробка даних, в інших, навпаки, безліч методів математичного та статистичного аналізу, але не досить зручне візуальне подання інформації. У більшості випадків для відтворення поверхонь у системах застосовуються різновиди тріангуляції Делоне або, у випадку регулярних початкових даних, методи лінійної інтерполяції, що, при проведенні моніторингу невеликих регіонів, дає не досить якісні результати.

Розглянуто методи, які застосовуються для обробки даних у системах геохімічного та гідрохімічного моніторингу: GRID-модель (методи, що базуються на використанні сплайн-операторів: В-сплайни, NURBS), TIN-модель (полігональне зображення поверхні: тріангуляція Делоне). У результаті аналізу представлених методів побудови поверхонь було зроблено висновок, що методи, побудовані на використанні В-сплайнів, є менш ресурсомісткими, більш простими в програмній реалізації та водночас не менш точними, ніж інші методи.

Проведено аналіз Середовищем розробки ПЗ було обрано Borland Delphi версії 7.0. Для візуалізації даних обрано технологію OpenGL від компанії Silicon Graphics. Разом ці продукти дозволяють за відносно короткий час реалізувати крос-платформенне ПЗ зі швидким виведенням тривимірної графічної інформації.

З урахуванням проведеного аналізу наявних результатів у даному напрямку науки поставлене завдання розробки алгоритмів, інформаційного та ПЗ розв’язання задач візуалізації БвД у ГІС із застосуванням сплайн-операторів для збільшення достовірності оперативного аналізу статистичної інформації.

У другому розділі наведено питання побудови інформаційної компоненти візуалізації дво-, три- та чотиривимірних даних. Як математичний апарат відтворення поверхонь та гіперповерхонь компоненти було обрано багатовимірні локальні поліноміальні сплайни на основі В-сплайнів, близькі до інтерполяційних у середньому.

Нехай задано n розбиттів осей точками , , , …, , , , відповідно до яких задається розбиття дійсного простору , визначеного сіткою вузлів , …, , , . Також у вузлах розбиття задано значення деякої гладкої функції від n змінних. Тоді сплайн , близький до інтерполяційних в середньому, можна подати в загальному вигляді:

, (1)

де – В-сплайн r-того порядку. Наприклад, В-сплайн 2-го порядку визначається так:

;

;

, i,…,jZ – деяка похибка; r – порядок сплайна.

У випадку n змінних при u=0,1,2 загальний вигляд сплайнів на основі В-сплайнів можна подати у вигляді полінома:

; (2)

де ; u – ступінь уточнення сплайна, u=1,2,3;

– матриці коефіцієнтів сплайна (наприклад, ).

Програмна реалізація сплайнів у вигляді полінома (2) потребує значних затрат ресурсів ЕОМ та часу. Тому виникає задача зведення формули (2) до лінійного вигляду з використанням елементарних операцій „+”, „–” і якомога меншої кількості операцій множення та ділення. Для розв’язання цієї задачі було розроблено алгоритм (рис. 1) обчислення коефіцієнтів та генерування формул обчислення значень багатовимірних локальних поліноміальних сплайнів на основі В-сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому.

Створений алгоритм обчислення КБПС було реалізовано у вигляді системи автоматизованого обчислення КБПС „SplineMaker”.

Окрім обчислення коефіцієнтів система за створеним алгоритмом генерує формулу обчислення значення сплайна з можливістю її застосування при створенні компоненти візуалізації багатовимірних даних для відтворення поверхонь та гіперповерхонь.

Проведено порівняльний аналіз складності алгоритмів побудови поверхні за опорними точками, а саме: створений алгоритм обчислення коефіцієнтів багатовимірних поліноміальних сплайнів було порівняно за складністю з алгоритмом за методом найменших квадратів (МНК) на прикладі функції . Вибір цієї функції обумовлено найменшою складністю реалізації МНК.

Експериментальне порівняння часу виконання алгоритму МНК та алгоритму обчислення КБПС (рис.2) показало перевагу другого методу, починаючи з моменту, коли кількість вхідних даних перевищує 625. При цьому час виконання алгоритму обчислення коефіцієнтів функції за МНК стає більший за час виконання алгоритму обчислення КБПС.

Головною перевагою використання процедур, заснованих на застосуванні В-сплайнів, є те, що ці процедури не залежать від кількості початкових даних та не потребують перерахувань при внесенні змін у початкові дані.

У розділі подано структуру та огляд можливостей компоненти автоматизації відтворення та візуалізації поверхонь та гіперповерхонь за статистичними масивами. Компоненту було розроблено на мові програмування Object Pascal у середовищі програмування Delphi 7.0. Компонента складається з 16 класів (рис. 3), кожен з яких відповідає за окрему функцію компоненти. Візуалізація даних компонентою здійснюється з використанням технології OpenGL. Пропонована компонента Graphic3D дозволяє проводити відтворення та візуалізацію даних у дво- та тривимірному вигляді в таких режимах: точки в просторі, тривимірна гістограма, поверхня, гіперповерхня, ізолінії та ізоконтури. Компонента дозволяє виведення декількох серій даних одночасно, накладання відтворених поверхонь одної на іншу, виведення умовних знаків. Відтворення поверхонь та гіперповерхонь здійснюється як за регулярними даними, так і за нерегулярними з попереднім зведенням їх до регулярної сітки вузлів. У компоненті реалізовано процедуру зведення нерегулярних даних до регулярної сітки вузлів. Також компонента дозволяє отримувати розрізи відтворених гіперповерхонь.

Розроблена компонента може бути використана при створенні ПЗ, в якому є потреба у відображенні дво-, три- або чотиривимірних даних, наприклад, у системах обробки даних результатів будь-яких локальних моніторингів на місцевості.

У третьому розділі наведено організацію обчислювальних процесів та структури програмних середовищ систем „Ландшафт”, „ThreeD” та „GISThreeD”, розроблених з використанням описаної в другому розділі компоненти візуалізації багатовимірних даних. Розглянуто можливості цих систем під час проведення локального моніторингу.

Система „Ландшафт” призначена для проведення локального картографічного моніторингу. Система реалізована на мові програмування високого рівня Object Pascal у середовищі Borland Delphi 7.0. Для роботи програмного продукту потрібна ЕОМ класу Pentium II або вище, який працює під керуванням операційних систем сімейства Windows 9х/2000/XP.

Програмне середовище системи „Ландшафт” можна подати у вигляді схеми (рис.4).

Більшість операцій, доступних користувачу, здійснюється за допомогою робочого вікна системи. Робоче вікно програми складається з чотирьох частин: панелі керування відображенням, панелі завантаження даних, панелі вибору даних для візуалізації та основної панелі, на якій здійснюється візуалізація завантажених даних.

Система „ThreeD” є логічним продовженням описаної вище системи „Ландшафт” та призначена для проведення локального КМ ҐВ. Окрім можливостей системи „Ландшафт”, а саме: візуалізації рельєфів місцевості, відтворення та візуалізації поверхонь концентрацій речовин, за якими ведеться спостереження на цій місцевості, накладення поверхні концентрації речовини на макет рельєфу місцевості та нанесення ізоліній; у системі „ThreeD” автоматизовано процес обробки даних шляхом поповнення математичного забезпечення методами та обчислювальними схемами оперативного статистичного аналізу.

Умовно систему „ThreeD” можна розбити на п’ять складових частин (рис.5): блок вводу вихідних даних, блок обробки та підготовки даних до візуалізації, блок візуалізації обробленої інформації, блок проведення статистичного аналізу даних та інтерфейс користувача. Порівняно зі структурною схемою системи „Ландшафт” у системі „ThreeD” з’явилася нова складова частина, а саме блок проведення статистичного аналізу даних.

Математичні методи сплайн-інтерполяції, реалізовані в цій складовій, дозволяють проводити поповнення вихідних даних та перевірку однорідності даних.

На відміну від системи „Ландшафт”, система „ThreeD” має багатовіконний інтерфейс. Робоче вікно є контейнером для всіх інших форм і містить головне меню програми, що надає доступ до всіх можливостей системи.

Система „GISThreeD” призначена для проведення візуального аналізу даних геохімічного моніторингу. Система є локальною, розрахована на об-роб-ку ділянок до 100 км2 та дозволяє наступне: відтворення та візуалізацію поверхонь і гіперповерхонь за даними, визначеними на нерегулярних сітках вузлів; отримання розрізів гіперповерхонь (рис.6) уздовж будь-якої з площин , , , а також площиною, координати якої лінійно залежать від , тобто , де - деякі параметри; проведення первинного статистичного аналізу та побудову матриць кореляцій концентрацій вмісту хімічних елементів.

Структурно систему „GISThreeD” можна подати у вигляді схеми (рис. ).

Система „GISThreeD” належить до класу в'юверів, тобто систем візуального аналізу. Застосований у системі математичний апарат відтворення поверхонь і гіперповерхонь дозволяє отримувати більш точні результати, ніж за допомогою ряду інших, існуючих ГІС такого класу.

У четвертому розділі розглянуто питання практичної реалізації розроблених систем.

Наведено результати апробації системи „Ландшафт” на реальних даних моніторингу в зоні дії гірничорудних підприємств ПівнГЗК Кривбасу та в районі ХРВ поблизу м. Дніпродзержинська. При проведенні моніторингу в районі хвостосховища поблизу м. Дніпродзержинська спостерігалось нагромадження важких металів у ґрунтах. Для прикладу було взято концентрацію елемента Cu (мідь). За вхідними даними було отримано тривимірні моделі рельєфу місцевості (рис. 8) та поверхні концентрації речовини, що досліджується (рис. 9). Також було сформовано двовимірну карту хвостосховищ з нанесеними на неї ізолініями (рис. 10).

Для збільшення інформативності на просторову модель рельєфу з неперервним градуюванням кольору для висоти рівня було накладено лінії рівня концентрацій елемента Cu у ґрунті (рис. 11).

Аналогічно було розв’язано “зворотну” задачу, тобто накладено на просторову модель рівня концентрації деякої речовини з неперервним градуюванням кольору ізоліній рельєфу (рис. 12).

Заміри даних для подальшого їх використання програмою „Ландшафт” не обов’язково проводити в ґрунті на поверхні. Це можуть бути, наприклад, інформація про аналіз вмісту важких металів у рослинах, взятих у конкретних точках місцевості, проби повітря на висоті 20-50 см від ґрунту. У будь-якому разі вигляд вихідних форм дає можливість змістовної інтерпретації спостережень.

Рис. 8. Тривимірна модель рельєфу місцевості ХРВ |

Рис. 9. Поверхня, відтворена за замірами концентрації речовини Cu |

Рис. 10. ХРВ (кольором оцифровано рельєф місцевості) | Рис. 11. Спостереження нагромадження елемента Cu у ґрунтах у районі ХРВ (кольором оцифровано рельєф місцевості, ізолініями вказано концентрацію міді) |

Рис.12. Ізолінії рельєфу ХРВ, нанесені на оцифровану кольором

поверхню вмісту міді | Апробацію системи „ThreeD” було проведено на даних моніторингу підземних вод у районі ХРВ поблизу м. Дніпродзержинська (Дніпропетровська обл., Україна). Дослідження проводились протягом 1997-2002рр. на прикладі сумісних замірів речовин Na (натрій) та К (калій).

Для отримання достовірної та повної інформації про сумісні заміри речовин Na та К системою було проведено поповнення послідовностей даних.

Для візуального визначення зони найбільшого забруднення системою було побудовано поверхню концентрації суміші хімічних елементів Na та K на червень 2000р. з нанесенням лінії гранично-припустимої концентрації (ГПК) цієї речовини (рис. 13-14). Також було проведено аналіз змін концентрації хімічних елементів у часі (рис. ). Виведення ліній ГПК на різні дати дозволяє побачити динаміку зміни концентрації речовини, що досліджується, впродовж часу дослідження.

Рис. 13. ГПК суміші хімічних елементів Na та K на червень 2000р.

Рис.14. Зміна концентрації суміші

хімічних елементів Na та K протягом 1997-2001 рр. |

Порівняння [Na+K 06.1997] з [Na+K 06.2000]

Випадок залежних вибірок.

---

Перевірка збігу дисперсій:

Статистика z=1,0117

Квантиль Фішера: 5,8205

Дисперсії збігаються.

Перевірка збігу середніх:

Статистика t=-0,6073

Квантиль Стьюдента: 1,9602

Середні збігаються.

Вибірки однорідні.

Рис. 15. Результати перевірки однорідності замірів концентрації суміші елементів Na та K на червень 1997р. та червень 2000р. |

Результати досліджень, що проводились протягом 1997-2002рр., засвідчують у цілому некритичний стан забруднення ҐВ після нерегулярних скидання відходів у води хвостосховища. Показано, що за звітний період суттєвої міграції забруднення не відбулося, проте слід розглянути можливість збільшення санітарної зони. Крім того, надано рекомендацію про недоцільність проведення досліджень за рядом показників стану вод через їх суттєву кореляцію.

За допомогою системи „GISThreeD” побудовані багатовимірні моделі вмісту корисних копалин на основі даних георозвідки в районі Сергіївського родовища (Дніпропетровська область) на прикладі елемента Au (золото).

З використанням системи зроблено візуалізацію поверхонь та гіперповерхонь відтворених за даними замірів концентрації хімічного елемента Au.

Залежно від регуляризації та типу сплайна було отримано більш або менш деталізовану гіперповерхню (рис. 16).

У додатках наведено: інструкції користувача систем „Ландшафт”, „ThreeD” та „GISThreeD”; вхідні дані для практичної реалізації програмного забезпечення обробки та аналізу даних гідрохімічного та геохімічного моніторингу; таблиця коефіцієнтів локального поліноміального сплайна від трьох змінних , отримана за допомогою розробленої системи „SplineMaker”; опис методів та властивостей розробленої компоненти візуалізації багатовимірних даних Graphic3D і документи про практичні впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

Основні результати дисертаційної роботи такі:

1. Обґрунтовано необхідність розробки нових алгоритмів та інформацій-них технологій відтворення гіперповерхонь, заснованих на використанні сплайн-операторів, для збільшення швидкості та якості відтворення й візуа-лізації моделей об’єктів та явищ, що досліджуються.

2. Створено компоненту візуалізації БвД для подальшого впровадження в системи обробки даних моніторингу. Розроблена компонента дозволяє отримувати дво- та тривимірні візуальні моделі за статистичними масивами даних. Застосований у компоненті математичний апарат дає змогу відтворювати поверхні та гіперповерхні за даними, що задані як на регулярній, так і на нерегулярній сітці вузлів, з попереднім зведенням їх до регулярної сітки.

3. Розроблену компоненту було використано при створенні локальних ГІС КМ „Ландшафт”, „ThreeD”, „GISThreeD” і можна використати при розробці нових систем моніторингу. Результати роботи компоненти, у складі вказаних систем, подано у вигляді графічних форм.

4. Створені ГІС впроваджено у наступних організаціях: НДІ геології ДНУ, ДП Вільногірський гірничо-металургійний комбінат, Інгулецький гірничо-збагачувальний комбінат.

5. Вперше створено алгоритм автоматизації обчислення КБПС на базі В-сплайнів, близьких до інтерполяційних у середньому, який дозволив отримати в явному вигляді коефіцієнти при мономах зазначених сплайнів. Проведено порівняльний аналіз розробленого алгоритму з алгоритмом за МНК. Аналіз показав перевагу розробленого алгоритму за складністю та швидкодією.

6. Розроблений алгоритм автоматизації обчислення КБПС реалізований у програмному середовищі „SplineMaker”, на основі якого здійснено розрахунки та подано результати у вигляді таблиць КБПС від однієї, двох і трьох змінних.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ПРАЦЬ

1.

АНОТАЦІЯ

Самарець Ю.В. Розробка та дослідження обчислювальних технологій геоінформаційних систем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена розробці алгоритмів, інформаційного та програмного забезпечення розв'язання задач візуалізації й аналізу багатовимірних даних у геоінформаційних системах картографічного моніторингу із застосуванням сплайн-операторів.

Виконано алгоритмізацію відтворення поверхонь і гіперповерхонь за даними гідрохімічного й геохімічного моніторингу, які базуються на використанні багатовимірних поліноміальних сплайнів на основі В-сплайнів, близьких до інтерполяційного в середньому. Створено, із застосуванням сучасних інформаційних технологій, компоненту візуалізації багатовимірних даних. Розроблені алгоритми і програмне забезпечення реалізовано в задачах моделювання об’єктів та процесів, що відбуваються на територіях, які знаходяться під впливом техногенних навантажень.

Ключові слова: геоінформаційні системи, тривимірна графіка, моніторинг, інформаційна компонента, В-сплайни.

ANNOTATION

Samarets Y.V. Development and research of computing technologies of geoinformation systems. – Manuscript.

Dissertation submitted towards the Technical Science Candidate Degree on "Automatic Management System and Advancing Information Technologies", Speciality 05.13.06 – Dnipropetrovsk National University, Dnipropetrovsk, 2006.

The dissertation is devoted to development of algorithms, information and the software of the decision of problems of visualization and the analysis of the multivariate data in geoinformation systems of cartographical monitoring with application of splines-operators.

Algorithmization of restoration of surfaces and hypersurfaces is executed according to hydrochemical and geochemical monitoring which are based on use multivariate polynomial splines on the basis of the В-splines that, on average, are related to the interpolar. It is created, with use of modern information technologies, a component of visualization of the multivariate data. The developed algorithms and the software it is realized in tasks of modeling of objects and the processes occurring in territories which are under influence man-caused loadings.

Key words: geoinformation systems, monitoring, information component, three-dimension graphic, B-splines.

АННОТАЦИЯ

Самарец Ю.В. Разработка и исследование вычислительных технологий геоинформационных систем. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена разработке алгоритмического и информационного обеспечения визуализации двух- и трехмерных данных мониторинга, которые базируются на использовании локальных полиномиальных сплайнов на основе В-сплайнов, близких к интерполяционным в среднем.

Предложены алгоритмы автоматизации вычисления коэффициентов и получения линейных операторов вычисления значений локальных полиномиальных сплайнов на основе В-сплайнов, близких к интерполяционным в среднем, от одной, двух и трех переменных. На базе алгоритма создана система автоматизированного вычисления коэффициентов и генерирования формул вычисления значений сплайнов „SplineMaker”.

Сгенерированные системой линейные операторы были использованы при разработке информационной компоненты для автоматизации моделирования объектов и процессов, которые происходят на территориях, находящихся под влиянием техногенных нагрузок. Созданная компонента реализована при разработке автоматизированных информационных систем: гидрохимического мониторинга „Ландшафт”, картографического мониторинга грунтовых вод „ThreeD”, локального геохимического мониторинга „GISThreeD”.

Информационной системой „Ландшафт” было проведено анализ гидрохимических показателей воды на реальных данных мониторинга в зоне действия горнорудных предприятий СевГОКа (г. Кривой Рог) и в районе хвостохранилища радиоактивных отходов вблизи г. Днепродзержинска.

В информационной системе „ThreeD” была проведена оценка состояния грунтовых вод на данных мониторинга в районе хвостохранилища радиоактивных отходов вблизи г. Днепродзержинска (Днепропетровская обл., Украина).

Построены многомерные модели содержимого полезных ископаемых информационной системой „GISThreeD” на основе данных георозведки в районе Сергеевского месторождения (Днепропетровская область). При воспроизведении поверхностей и гиперповерхностей применены процедуры сплайн-преобразований, которые базируются на использовании В-сплайнов, близких к интерполяционным в среднем.

Ключевые слова: геоинформационные системы, трехмерная графика, мониторинг, информационная компонента, В-сплайны.

Підписано до друку 10.04.06. Формат 60х96/16

Папір друкарський. Друк плоский. Гарнітура Times New Roman Cyr.

Ум. друк. арк. 1. Тираж 100 пр. Зам. № 619

49050 м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 5

Друкарня ДНУ