Пояснительная записка к курсовой работе на тему «Исследование математических методов построения изолиний» по дисциплине
| Вид материала | Пояснительная записка |
- Пояснительная записка к курсовой работе на тему: «Активный полосовой фильтр» по дисциплине, 342.06kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине: «Электроника и микросхемотехника», 171.54kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Обработка изображения, распознавание, 186.43kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине: «Теория чисел», 275.76kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по предмету «Языки и технологии программирования», 353.31kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по курсу: "Техническая механика" на тему: "Анализ, 279.44kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине "Системное программное обеспечение", 277.1kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по газогидродинамике на тему: Студенты:, 268.12kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине "Гидромашины и компрессоры", 200.01kb.
- Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине "Информатика" кр 030500. 12., 163.99kb.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»
Факультет информационных систем и технологий
Кафедра прикладной математики и вычислительной техники
Пояснительная записка
к КУРСОВОЙ РАБОТЕ на тему
«Исследование математических методов построения изолиний»
по дисциплине
МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
СТУДЕНТА ГИП-104 Жусовой А. В.
| | | | Подпись, дата | Расшифровка подписи |
| | | ВЫПОЛНИЛ: | | Жусова А. В |
| | | студент | | |
| | | ПРОВЕРИЛ: | | Пиявский С. А. |
| | | ОЦЕНКА | | / / |
Самара 2008г.
Введение.
В настоящее время в регионах Российской Федерации много усилий прилагается к созданию специальных информационных систем, которые призваны обеспечить поддержку управления территориями. Учитывая значительную роль в таких задачах так называемых пространственных факторов, ставка делается на использование геоинформационных систем (ГИС).
В подавляющем большинстве регионов основным методом получение информации о рельефе является оцифровка существующих картографических материалов. Рельеф на картах представлен набором высотных отметок и структурных линий. Высотные отметки обычно определяют характерные точки рельефа, например, локальные экстремумы. Структурные линии задают дополнительные ограничения на форму рельефа. Это могут быть, прежде всего, горизонтали (изолинии, изогипсы) и области резкого изменения наклона поверхности (границы оврагов, береговые линии, линии насыпей, обрывов и т.п.).
Процесс оцифровки достаточно трудоемкий и монотонный, выполняется многими операторами, поэтому неизбежно возникает много ошибок, как атрибутных, так и графических. В подавляющем большинстве это различные пики, петли на линиях, осцилляции или излишняя сглаженность, приводящая к неоправданному росту объемов данных. Применение известных методов аппроксимации для устранения данных ошибок может привести к недопустимым пересечениям изолиний разных уровней и другим топологическим нарушениям.
Глава 1
Обзор тематики, сопоставление источников, постановка задачи.
Вдедение в ГИС.
Развитие информационных технологий на базе вычислительной техники, создание автоматизированных, высокопроизводительных рабочих станций, банков данных и баз знаний, а также вычислительных сетей привело к появлению нового направления в информатике - геоинформатики, в основе которой лежат геинфрмационные системы (ГИС) и геоинформационные технологии. В настоящее время существуют (функционируют) сотни ГИС различного уровня. Как показал анализ возможностей ГИС-технологий и основных приоритетных направлений природно-ресурсной тематики, геоинформационную систему общегосударственного и регионального уровней целесообразно ориентировать на решение задач в следующих основных проблемных областях [1]:
- Оценка состояния природных ресурсов региона и планирование процессов их рационального использования.
- Оценка и прогнозирование экологического состояния региона.
- Оценка эффективности и прогноз хозяйственного использования территории региона.
- Выработка рекомендаций по обеспечению функций управления регионом.
Следует отметить, что эти проблемные области являются также доминирующими для региональных прикладных дистанционных исследований Земли из космоса. Отсюда важность ГИС и ГИС-технологий для перспективных информационных технологий в прикладных дистанционных исследованиях Земли из космоса.
Общее понятие о ГИС.
Что же это такое геоинформационные системы (ГИС)?
Начнем с определения автоматизированной информационной системы обработки данных (системы электронной обработки данных). Автоматизированная информационная система обработки данных - это система, выполняющая процедуры обработки данных для получения информации, полезной для принятия решений. Информационная система в элементарной форме это система вопросов-ответов для множества данных, которая включает в себя последовательность операций: получение данных, их анализ и использование для принятия решений Следовательно, систему электронной обработки данных можно представить как четырехкомпонентную модель (см. рис.1), включающую пользовательский интерфейс и подсистемы ввода, вывода и анализа данных [2].
Рис.1. - Четырехуровневая модель ГИС.
Все эти компоненты представляют аппаратное и программное обеспечение обработки данных. Классическими примерами автоматизированных информационных систем обработки данных являются: информационные системы управления фирмой или предприятием; банковские информационные системы; библиотечные информационные системы; автоматизированные системы управления полетами в авиации; автоматизированные системы обработки аэрокосмических изображений и другие информационные системы, обслуживающие государственные учреждения и частные фирмы. Дадим следующие определения системы.
ГИС - это автоматизированная информационная система, предназначенная для картографирования и анализа объектов (естественных и искусственных), которые существуют, и событий (явлений), которые происходят на Земле [2].
Отсюда приставка "гео" ( в переводе с греческого - "земля") в названии системы. Итак, основное отличие ГИС от других информационных систем состоит в том, что ГИС имеет дело с пространственно-временными, географически координированными данными. Географически координированные данные - это данные, привязанные к картографической основе, к карте местности, то есть данные, имеющие либо географические координаты (широту и долготу), либо прямоугольные координаты (X,Y,Z), либо почтовые адреса (почтовые индексы, коды), идентифицирующие местоположение на карте [5]. Таким образом, связующим звеном информации в ГИС является география, вот почему широко распространено другое название геинформационных систем - географические информационные системы. Хотя и можно себе представить проектирование специализированных ГИС, ориентированных на решение узких географических задач, и назвать их географическими информационными системами, для авторов данной книги оба названия системы - синонимы.
Основные компоненты ГИС.
Для представления ГИС можно использовать различные модели, определяющие ее составные части. Разумеется, для этого можно использовать четырехкомпонентную модель автоматизированной информационной системы обработки данных (см. рис.1).
Кажется, что здесь можно было бы ограничиться декларативным утверждением, что весь арсенал современных достижений в области аппаратно-программного обеспечения автоматизированных информационных систем обработки данных практически используется и в ГИС. Нам представляется, что нет необходимости подробно останавливаться на аппаратном обеспечении ГИС или на подсистеме вывода ГИС. Для последней, кстати, важным элементом является представление картографических данных в качестве выходного или промежуточного продукта ГИС, и поэтому имеет смысл подробнее остановиться на этой функциональной компоненте ГИС, а не погружаться в тонкости аппаратно-программного обеспечения подсистемы вывода ГИС. Отсюда, вероятно, предпочтительнее модель ГИС, в основу которой пожен функциональный принцип, когда выделяются компоненты ГИС, играющие ключевую роль в функционировании ГИС. В этом смысле ГИС любого уровня в системе представляет собой набор следующих функциональных компонент [2]: подсистема сбора данных; подсистема базы данных (БД), включающая систему управления базой данных (СУБД); подсистема представления, генерации и обработки картографических данных; пользовательский интерфейс и подсистема анализа данных (рис.2).
Рис.2. - Структура ГИС.
Дадим краткую характеристику каждой из основных компонент
ГИС. Начнем с подсистемы сбора данных [3]. По оценкам специалистов в области геинформационных технологий затраты на сбор и ввод данных при реализации ГИС-проектов в 5-10 раз превышают затраты на аппаратно-программное обеспечение ГИС. Это объясняется тем, что существующие в настоящее время технологии автоматизированного ввода графических и текстовых данных обеспечивают ввод порядка 20% общего объема данных. Поэтому особое значение приобретает дальнейшее развитие автоматизированных методов сбора и ввода всех типов данных
в рамках ГИС. Основная функциональная задача этой подсистемы - создание целостного информационного цифрового образа исследуемого объекта или явления в пространственных границах. Большие потенциальные возможности для сбора данных в ГИС открывает GPS (Global Positioning System) - технология, созданная на основе космических систем глобальной навигации ГЛОНАСС (РОССИЯ) и NAVSTAR (USA) [7]. Эта технология предназначена для сбора высокоточной цифровой информации о местности, фактически топографических данных: географических координат и отметки высоты рельефа в данной точке местности, при этом точность измерений достигает нескольких сантиметров. Для обеспечения возможности импорта цифровых данных от различных источников подсистема сбора и ввода данных ГИС должна иметь программные средства разработки интерфейсов для ввода данных различных форматов. Вообще создание норм по стандартизации и унификации форматов данных, цифровых моделей местности, картографических документов, интерфейсов имеет решающее значение для успешной реализации подсистемы сбора данных ГИС.
Подсистема базы данных (БД) [3], включающая систему управления базой данных (СУБД), - одна из основных компонент ГИС, в значительной степени определяющая эффективность работы ГИС. СУБД ГИС осуществляет автоматический поиск информации в БД, необходимой для обработки пользовательских запросов. Возможности СУБД, а также структура БД и объем содержащейся в ней информации фактически определяет уровень сложности пользовательских запросов, которые система может обработать. Большинство современных ГИС имеет две отдельных СУБД для графических и семантических данных. При этом в качестве СУБД семантических данных используется одна из широко распространенных СУБД реляционного типа (Oracle, Ingres, FoxBase, FoxPro, PARADOX и другие). Выбранная СУБД семантических данных должна иметь интерфейс с СУБД графических (картографических) данных, которая должна обеспечить: хранение и манипулирование такими графическими объектами, как точечные, линейные и площадные; многоуровневое (послойное) представление графических данных; произвольную выборку и отображение любых фрагментов графических изображений. Такой подход к реализации подсистемы БД ГИС имеет ряд недостатков:
- необходимость назначения топологических связей между графическими объектами и их семантическими описаниями;
- недостаточная гибкость табличной организации семантических данных;
- неспособность распознавать иерархические отношения классов объектов.
Указанные недостатки можно устранить путем применения объектно-ориентированного подхода при проектировании подсистемы БД ГИС.
В объектно-ориентированной БД каждый объект содержит некоторую структурированную описательную информацию в произвольном формате и
описание методов и правил, определяющих как эта информация может быть использована. Важно отметить, что при таком подходе возможно манипулирование различными типами данных; - реляционными таблицами, текстом, графикой и изображениями.
Характерной особенностью ГИС-технологии является обработка пространственно-временных, географически координированных данных. Отсюда важная роль картографических материалов и цифровых изображений как источников данных при создании геоинформационных фондов ГИС, а также подсистемы представления, генерации и обработки картографических данных [4]. Ядром этой подсистемы является Система цифрового картографирования (СЦК), исполняющая функции ввода, редактирования оперативного просмотра и интерактивных измерений цифровых карт и изображений. СЦК должна обеспечивать комфортную среду, как для разработчиков основных компонент ГИС, так и для пользователей. Важной здесь представляется технология совмещения растрового и векторного форматов представления данных. Назначeниe СЦК - комплeксноe создание и рeдактированиe цифровых карт, элeмeнтов их информационного обeспeчeния (системы условных знаков и классификатора информации) с целью получения и обновления картографических данных и создания модeлeй гeоинформационных процессов.
Пользовательский интерфейс [3], как подсистема ГИС, должен отвечать требованиям физического и психологического комфорта пользователя, быть эффективным, быстродействующим, обладать возможностями адаптации под конкретного пользователя, сочетать возможности интерактивного ввода, текстовых и графических меню. Пользовательский интерфейс должен обеспечить многооконное отображение графических данных с возможностью открывать неограниченное количество окон, связывать с окнами, как различные изображения, так и фрагменты одного и того же изображения, представленных в разных масштабах. Эффективность и быстродействие пользовательского интерфейса должны обеспечиваться за счет максимального использования возможностей, предоставляемых аппаратным обеспечением (пространственное и цветовое разрешение графических адаптеров, графические сопроцессоры) и системным программным обеспечением (многооконные графические среды, интегрированные оболочки программирования). Разумеется, пользовательский интерфейс должен иметь доступ к встроенной и развитой системе помощи (HELP - системе).
К средствам подсистемы анализа [4] ГИС (отработки запросов пользователя) относятся различные процедуры обработки данных, манипулирования пространственными и семантическими данными, выполняемые при отработке пользовательских запросов. К таким средствам относятся, например, операции наложения графических контуров, средства анализа сетевых структур, выделение объектов по заданным признакам, методы и алгоритмы статистического анализа данных, обработка аэрокосмических изображений и т.п. ГИС должна обладать большим набором средств анализа пространственных данных, возможностью их расширения и дополнения, возможностью полного или частичного их использования при решении конкретной задачи в рамках ГИС-технологии. Для решения специфических для геоинформационной технологии задач, система должна обладать также возможностью создания программных интерфейсов с другими системами и программными пакетами, например, системами автоматизированного проектирования (AutoCad), программными пакетами разработки экспертных систем (Nexpert), пакетами обработки изображений (PCI, Corel Graphics) [9] и т.п. Многие современные ГИС включают различные пакеты анализа данных. Так ГИС IDRISI включает достаточно богатые пакеты прикладных программ для
анализа географических данных и создания тематических карт, обработки изображений и статистического анализа данных.
Построение цифровой модели рельефа.
Моделирование рельефа, его анализ и изучение по построенным моделям постепенно становятся неотъемлемой частью исследований в науках о Земле (геология, тектоника, гидрология, океанология, климатология и т.д.), в экологии, земельном кадастре и инженерных проектах. Компьютерная обработка пространственных данных находит широкое применение при анализе распространения участков загрязнений, в моделировании месторождений, а также во многих проектах по устойчивому развитию территорий.
Начало исследований в этой области было положено еще в XIX веке работами Александра фон Гумбольдта (Alexander von Humboldt) и более поздними работами других немецких ученых-географов [1]. Сегодня подобное моделирование представляет собой сочетание наук о Земле, геоинформатики и геостатистики и имеет много названий. Например, на Западе оно известно как количественный анализ рельефа (quantitative terrain analysis), геоморфометрия (geomorphometry) или количественная геоморфология [1].
Компьютерная обработка массивов данных по территории и цифровые модели рельефа произвели целую революцию и в корне изменили подход к двум основным функциям моделирования – топографическому анализу и визуализации. Появившиеся вслед за этим геоинформационные системы и технологии пошли еще дальше в этом направлении, предоставив возможность сочетать результаты моделирования и нетопографические тематические данные.
Основой для представления данных для ГИС и автоматизированной картографии являются цифровые модели. Под цифровой моделью (ЦМ) географического объекта понимается определенная форма представления исходных данных и способ их структурного описания, позволяющий «вычислять» (восстанавливать) объект путем интерполяции, аппроксимации или экстраполяции. Относительно рельефа такая модель будет называться цифровой моделью рельефа (ЦМР) [12].
Существует два кардинально различающихся способа получения моделей рельефа.
Первый способ – это методы дистанционного зондирования (ДЗ) и фотограмметрия, где существует много наработок, методик и точность результатов весьма убедительна. Однако высокое разрешение получаемых таким способом моделей рельефа не находит должного применения в большинстве случаев.
В России по ряду объективных причин внедрение компьютерных технологий происходит медленнее, чем на Западе. Трудности эти связаны с недостаточным развитием национальных и региональных баз данных, с высокой ценой на программное обеспечение мирового уровня, дороговизной относительно устаревших и недоступностью новейших радарных и космоснимков и т.д. Поэтому большинство исследователей, вынуждены в качестве источника для создания ЦМР использовать топографические карты.
Второй способ – построение моделей рельефа путем интерполяции оцифрованных изолиний с топографических карт. Этот подход также не нов, имеет свои сильные и слабые стороны. Из недостатков можно назвать трудоемкость и порой недостаточно удовлетворительную точность моделирования. Но, несмотря на эти недостатки, можно утверждать, что оцифрованные топографические материалы еще несколько лет будут безальтернативными источниками данных для подобного моделирования.
Варианты моделирования могут быть разгруппированы, исходя из принципа моделирования. Прежде всего, стоит упомянуть модели, представленные в виде TIN, построенные на основе триангуляции Делоне. Такие модели используются в проектах и приложениях исследовательской группой GeoFrance3D. Кроме этого, модели TIN могут использоваться при генерации дополнительных данных при их нехватке для интерполяции [10].
Преимуществом триангуляционной модели является то, что в ней нет никаких преобразований исходных данных. С одной стороны, это не дает использовать такие модели для детального анализа, но, с другой стороны, исследователь всегда знает, что в этой модели нет никаких привнесенных ошибок, которыми грешат модели, полученные при использовании других методов интерполяции.
Модели, полученные при интерполяции такими методами, как, например, сплайн или кригинг представляют собой непрерывную матрицу данных, которая может быть подвергнута более тщательному анализу.
В русскоязычной литературе, к сожалению, вопросы, связанные со способами моделирования и оценкой точности полученных моделей, слабо освещены.
Восстановление поверхностей реализуется на основе интерполяции исходных данных. Используются TIN, GRID, TGRID модели.
Интерполяция – восстановление функции на заданном интервале по известным ее значениям конечного множества точек, принадлежащих этому интервалу [17].
В настоящее время известны десятки методов интерполяции поверхностей, наиболее распространенные: линейная интерполяция; метод обратных взвешенных расстояний, кригинг; сплайн-интерполяция; тренд-интерполяция; триангуляция Делоне; регулярная матрица высот; топогрид-интерполяция.
Основные проблемы построения ЦМР и актуальность их решения.
Рельеф является важнейшей характеристикой любой территории и поэтому данные о рельефе необходимы при решении разнообразных задач. В природопользовании такими задачами являются [1]:
- Расчет ширины водоохранных зон (ширина зоны зависит от мвойств рельефа вдоль береговой линии). В этих зонах устанавливается особый режим хозяйствования, т.е. они являются определенными ограничениями при недропользовании.
- Точное определение по картографическим материалам площадей земельных участков, предоставляемых недропользователям.
- Комплексная оценка участка с месторождением полезных ископаемых для расчета платежей за недропользование.
- Оценка воздействия на окружающую среду при разработке месторождений.
- Поиск наилучших вариантов трасс при проектировании линейных объектов (дорога, линии электропередач, трубопровод) для обустройства месторождений и разведочных площадей.
- Оценка объемов вскрышных работ при проектировании карьеров для добычи полезных ископаемых.
- Выбор промплощадок при создании горнодобывающих предприятий.
Как правило, результатом решения вышеназванных задач являются различные зоны (полигоны) или линейные объекты с соответствующими атрибутивными характеристиками. Эти новые объекты должны быть совмещены с исходными картами для дальнейшего использования и визуального анализа. При этом границы новых объектов должны хорошо коррелировать с исходной моделью рельефа, прежде всего с изолиниями, а также с теми объектами, которые на исходных материалах связаны с рельефом – линии водотоков, контуры растительного покрова, дороги и т.п. таким образом, очень важно иметь высококачественную цифровую модель местности, чтобы по ней решать различные расчетные и аналитические задачи, в том числе с использованием данных о рельефе.
В большинстве случаев исходными данными для построения ЦМР являются наборы структурных линий и высотных отметок. Высотные отметки обычно определяют характерные точки рельефа, например, локальные экстремумы. Структурные линии задают дополнительные ограничения на форму рельефа. Это могут быть, прежде всего, горизонтали (изолинии, изогипсы) и области резкого изменения наклона поверхности (границы оврагов, береговые линии, линии насыпей, обрывов и т.п.). объем информации об изолиниях обычно существенно превышает объем информации о высотных отметках и линиях резкого изменения наклона поверхности [11]. Поэтому далее, говоря о структурных линиях, будем иметь в виду, прежде всего, изолинии.
Как правило, структурные линии получаются в результате ручной или полуавтоматической оцифровки бумажных карт. Процесс оцифровки достаточно трудоемкий и монотонный, выполняется многими операторами, поэтому неизбежно возникает много ошибок.
Кроме ошибок в атрибутивных данных, велико количество графических ошибок. В подавляющем большинстве это различные пики, петли на линиях, двойные (дублирующие) изолинии. Существует и ряд технологических недостатков [10]. Как правило, оцифровка ведется «полистно», причем соседние листы могут обрабатываться разными операторами, сшивка листов производится формально, и в результате на стыке листов возникают скачки, изломы (рис 3а). При использовании автоматических режимов векторизации (что далеко не всегда возможно) изолинии часто оказываются излишне сглаженными, что приводит к неоправданному росту объемов материала (рис. 1б). при использовании ручных режимов оцифровки изолинии получаются слишком «ломаными», сильно осциллируют (рис. 1в). Хотя используемые современные средства векторизации формально позволяют избежать всех этих недостатков, реально выдержать технологический оптимум на практике оказывается не всегда возможным.
а) б)в)
Рис. 3. - Технологические недостатки оцифровки изолиний: а) нестыковка изолиний на стыке смежных листов, порождающих скачки и изломы; б) излишнее количество узловых точек; в) недостаточное количество узловых точек, приводящее к осцилляциям изолиний.