Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Іваник юлія юріївна моделі, методи І засоби формування динамічних сценаріїв у навігаційних геоінформаційних системах реального часу

Іваник юлія юріївна моделі, методи І засоби формування динамічних сценаріїв у навігаційних геоінформаційних системах реального часу




Сторінка1/10
Дата конвертації31.03.2017
Розмір1.52 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова
На правах рукопису
ІВАНИК ЮЛІЯ ЮРІЇВНА
УДК 004.94: 528.8:656.052.1:631
МОДЕЛІ, МЕТОДИ І ЗАСОБИ ФОРМУВАННЯ ДИНАМІЧНИХ СЦЕНАРІЇВ У НАВІГАЦІЙНИХ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМАХ РЕАЛЬНОГО ЧАСУ
Спеціальність: 05.13.

Система реального часу (СРЧ) - це система, яка повинна реагувати на події у зовнішньому по відношенню до системи середовищі або впливати на середовище в межах необхідних тимчасових обмежень. Оксфордський словник англійської мови свідчить про СРЧ, як про систему, для якої важливий час отримання результату.

06 – інформаційні технології
Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Науковий керівник:

д.т.н., проф.

Васюхін Михайло Іванович

Київ 2015



ЗМІСТ


ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ ……………………………………………….

5

ВСТУП……………………………………………………………………………...

7

РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ І УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ МОДЕЛЕЙ, МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ФОРМУВАННЯ ДИНАМІЧНИХ СЦЕНАРІЇВ В НАВІГАЦІЙНИХ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМАХ........

14


1.1. Особливості навігаційної геоінформаційної системи точного землеробства………………………………………………………………...…..

14


1.2. Методи навігації рухомих об'єктів в рамках технології точного землеробства………………………………………………………………….....

20


1.2.1. Система супутникового моніторингу і навігації …………….…...

24

1.2.2. Особливості технології паралельного водіння……………….......

26

1.3. Методи збору картографічних даних та cтворення електронних карт…

29

1.4. Поняття онтології та її застосування для формального опису предметної області……………………………………………………………...

39


1.4.1 Типи класифікацій онтологій..………………..…….........................

41

1.4.2. Онтології і бази знань.……………...………………………………

47

1.5. Методи побудови динамічних сценаріїв у геоінформаційних системах.

51

1.6. Узагальнення результатів аналізу та формулювання задач дослідження..........................................................................................................

57


Висновки до 1 розділу………………………………………..………….………...

59

РОЗДІЛ 2 МОДЕЛІ ПОБУДОВИ СТАТИЧНОЇ ТА ДИНАМІЧНОЇ СКЛАДОВИХ НАВІГАЦІЙНИХ ГІС РЕАЛЬНОГО ЧАСУ…

60


2.1. Формалізована онтологічна модель навігаційної геоінформаційної системи точного землеробства………………………..………………………….

61


2.2. Онтологія створення моделі бази картографічних даних навігаційної ГІС РЧ…………………………………………………………………………...

71


2.2.1. Множина тематичних зв’язків концептів онтологічної моделі бази картографічних даних……………………………..………………...

77


2.2.2. Множина графічних зв’язків концептів онтологічної моделі бази картографічних даних. ……………...…………………...………….

80-


2.2.3. Множина просторових зв’язків концептів онтологічної моделі бази картографічних даних. ………………..…………………………….

80


2.3. Онтологічна модель формування динамічних сценаріїв в навігаційній ГІС РЧ …………………………………………………………..……...……….

83


2.3.1. Онтологічна модель складових динамічного сценарію для прикладу повітряного базування………………………………………...

84


2.3.2. Математична модель динамічного сценарію навігаційної геоінформаційної системи реального часу………………………………….

85


Висновки до 2 розділу………………………………...…………………………..

91

РОЗДІЛ 3 ТЕХНОЛОГІЯ CТВОРЕННЯ КРУПНОМАСШТАБНИХ КАРТ МІСЦЕВОСТІ ДЛЯ НАВІГАЦІЙНИХ ГІС РЕАЛЬНОГО ЧАСУ……..……….

92


3.1. Обгрунтування вибору програмних засобів для створення тематичних крупномасштабних електронних карт………..……………………………….

92


3.2. Методи та засоби створення карт місцевості для навігаційних ГІС реального часу………………………….…………...…………………………..

95


3.2.1. Технологія інтеграції прикладних програм обробки даних аерофотознімання для створення електронних карт …………………...

96


3.3. Методи обробки матеріалів дистанційного зондування та алгоритми побудови карт для навігаційної ГІС РЧ……...…………………………….….

103


Висновки до 3 розділу……………………………………………………………..

109

РОЗДІЛ 4. АЛГОРИТМІЧНІ І ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ ФОРМУВАННЯ ДИНАМІЧНИХ СЦЕНАРІЇВ У НАВІГАЦІЙНИХ ГІС РЕАЛЬНОГО ЧАСУ

110


4.1. Методи та алгоритм перерахунку координат рухомих об’єктів та їх відображення на екрані оператора………….…………………………………

110


4.2. Методика побудови бази символьних даних згідно сфер поділу




навколоземного простору ……………………..………..……………………..

113

4.3. Програмні засоби формування динамічних сценаріїв у навігаційних ГІС реального часу…………………..…………………………………………

117


4.3.1. Алгоритмічні та програмні методи відображення лінійного та обертального руху складного символу рухомого об’єкту на картографічному фоні…………………………………………………….

117


4.3.2. Програма формування динамічного сценарію на прикладі і в умовах ділянки поля с. Пшеничне, Васильківського р-ну, Київської області………………………………………………………………………

122


4.3.3. Алгоритмічні та програмні засоби формування динамічних сценаріїв із використанням Веб-додатків…….….……………………...

124


4.4. Структурна схема запропонованої інформаційної технології формування динамічних сценаріїв та її оцінка у порівнянні з прототипами.

135


Висновки по розділу 4………………..……………………………………………

140

ВИСНОВКИ…………..……………………………………………………………

142

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ….….……..............

144

ДОДАТКИ………………………………………………………………………...

157

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ


АСУ – автоматизована система управління

БГД – база геоданих

БД – база даних

БДС – база даних символів

БЗ – база знань

БКД – база картографічних даних

БПС – бічні приймаючі станції

ГІС – геоінформаційна система

ГЛОНАСС – Глобальна Навігаційна Супутникова Система

ГНС – геоінформаційна навігаційна система

ДГМ – державна геодезична мережа

ДПІ – датчик первинної інформації

ДСц – динамічний сценарій

ЗПС – злітно-посадкова смуга

ІЧ –  інфрачервоне випромінювання

КУЗ – картографічний умовний знак

МТА – машинно-тракторний агрегат

НГІС – навігаційна геоінформаційна система

НІ – навігаційна інформація

ПрО – предметна область

ПрП – проблемний простір

ПС – повітряні судна

РДМ – різницево-дальномірний метод

РЛС – радіолокаційна станція

РО – рухомий об’єкт

РЧ – режим реального часу

СК – система координат

СУБД – система управління базами даних

ТЗ – точне (точкове) землеробство

ЦММ – цифрова модель місцевості

ЦМР – цифрова модель рельєфу

CALS –  Continuous Acquisition and Lifecycle Support (безперервна інформаційна підтримка життєвого циклу продукту)

CycL – мова опису онтології Cyc

DGPS – Differential global positioning system (диференціальна глобальна система позиціонування)

ЕС – Electrical conduction (електрична провідність)

F-Logic – Frame logic (фреймова логіка)

GPS – Global Positioning System (система глобального позиціонування)

GPRS – General Packet Radio Service (пакетний радіозв’язок загального користування)

GSM – Global System for Mobile Communications (глобальна система мобільного зв’язку)

KIF – Knowledge Interchange Format (формат обміну знаннями)

МСВЗ (IERS) – Міжнародна служба обертання Землі (International Earth Rotation Service)

OCML – Operational Conceptual Modeling Language (операційна концептуальна мова моделювання)

OIL – Ontology Interface Layer (прошарок онтологічного інтерфейсу)

OWL – Web Ontology Language (веб-мова онтології)

RDF – Resource Description Framework (спосіб опису ресурсу)

RDFS – Resource Description Framework Schema (схема способу опису ресурсу)

SDSS – Spatial Decision Support System (просторова система підтримки прийняття рішень)

SРІRЕ – Sрасе Іnеrtіаl Rеfеrеnсе Еquірmеnt (обладнання просторово-інерційного посилання)

TIN – Triangulated Irregular Network (постійна тріангуляційна мережа)

UTM – Universal Transverse Mercato (універсальна проекція Меркатора)



ВСТУП

Актуальність дослідження. Сьогодні у нашій країні особливої актуальності набуває проблема ефективності управління в агропромисловому комплексі, що є ключем для підвищення рівня продовольчої безпеки держави.

Продово́льча безпе́ка - захищеність життєвих інтересів людини, яка виражається у гарантуванні державою безперешкодного економічного доступу людини до продуктів харчування з метою підтримання її звичайної життєвої діяльності.

Рівнокутна циліндрична проекція Меркатора - одна з основних картографічних проекцій. Розроблена Герардом Меркатором для застосування в його «Атласі».

Агропромисло́вий ко́мплекс - складова частина економіки, що поєднує в собі виробництво сільськогосподарської продукції, її сільськогосподарську переробку, матеріально-технічне обслуговування села.

У таких країнах як Сполучені Штати Америки, Канада, Німеччина, Франція та Велика Британія ця проблема успішно вирішується за допомогою технології точного або точніше точкового (point agriculture) землеробства (ТЗ), інтелектуальним ядром якої є навігаційна геоінформаційна система (ГІС).

Основними задачами ГІС точного землеробства є введення, обробка, зберігання і виведення відповідно до запитів вимог системи управління різноманітних картографічних даних про стан земельних ділянок і даних про динамічні рухомі об’єкти, що здійснюють поточну господарську діяльність у реальному часі (РЧ).

Система керування, також Система управління (англ. control system) - систематизований набір засобів впливу на підконтрольний об'єкт для досягнення цим об'єктом певної мети. Об'єктом системи керування можуть бути як технічні об'єкти так і люди.

Земе́льна діля́нка - це частина земної поверхні з установленими межами, певним місцем розташування, з визначеними щодо неї правами (Земельний кодекс України. Стаття 79).

То́чне землеро́бство - впровадження технологій у рільництво на основі ґрунтових картографічних одиниць.

Госпо́дарська дія́льність - будь-яка діяльність, в тому числі підприємницька, пов'язана з виробництвом та обміном матеріальних і нематеріальних благ, що виступають у формі товару.

Інтелектуальним ядром такої системи є навігаційні ГІС реального часу, які дозволяють без затримок відображати інформацію про поточну обстановку на екрані оператора.

Для вирішення таких задач важливе значення мали роботи: В. М. Глушкова, В. П. Деркача, О. В. Палагіна, М. І. Васюхіна, Л. В. Аніскевича, В. І. Кравчука, В. В. Цісаржа, Р. І. Марусика, В. Г. Смолія, С. Л. Кривого, В.Є. Ходаковa, В. Г. Шерстюка, Л. Ф. Коженевскі, М.Д. Скубіліна та інших.

Аналіз доступних публікацій дає підстави стверджувати, що в даний час немає відкритих для вітчизняних розробників моделей, методів і засобів побудови динамічних сценаріїв, які створюються за допомогою навігаційних ГІС РЧ, які б дозволяли вести оперативний контроль за станом посівів та управляти агротехнічними операціями у режимі реального часу.

Реальний час - режим роботи автоматизованої системи обробки інформації і керування, при якому враховуються обмеження на часові характеристики функціювання.

Така інформація є у закордонних розробників, що ретельно приховується з огляду на комерційні інтереси фірм-монополістів і недоступна для вітчизняних інженерів та науковців.

В результаті аналізу та узагальнення досліджень моделей, методів та засобів формування динамічних сценаріїв в навігаційних геоінформаційних системах знайдено аналоги та обрано прототипи таких систем, виявлено їх суттєві недоліки, серед яких основними є такі:

− використання як фону динамічного сценарію картограм, які не мають властивостей електронних карт, тобто подають зображення місцевості схематично і з великим ступенем спотворення;

− відсутність прив’язки рухомих об’єктів космічного, повітряного і наземного базування до світових систем координат та їх відображення на картографічному фоні в реальному часі;

− відсутні ефективні моделі і методи формування динамічних сценаріїв, які включають динамічні об’єкти космічного, повітряного та наземного базування;

− потребують вдосконалення пакети прикладних програм формування динамічних сценаріїв реального часу для навігаційних ГІС РЧ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з планами науково-дослідних робіт Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова і Національного університету біоресурсів і природокористування України:

− НДР «Моделі, методи та засоби побудови програмно-технічних систем забезпечення захисту інформаційних ресурсів від несанкціонованого доступу», шифр М/232-2010 (№ держреєстрації 0107U007588, 2010 рік) за етапом 3;

− ВФК 205.28 «Розробити теоретичні засади, методи та інформаційні технології побудови комп’ютерних засобів та систем на основі інтегрованого використання методів обробки знань, редукційного паралелізму та реконфігурування» (№ держреєстрації 0112U002255, 2013 рік), за етапом 3 «Онтологізація наукових досліджень предметної області»;

Інформаці́йні ресу́рси (Information resources) - документи і масиви документів в інформаційних системах (бібліотеках, архівах, фондах, банках даних, депозитаріях, музейних сховищах і т.і.). Розрізняють інформаційні ресурси державні та недержавні.

Інформаці́йні техноло́гії, ІТ (використовується також загальніший / вищий за ієрархією термін інформаційно-комунікаційні технології (Information and Communication Technologies, ICT) - сукупність методів, виробничих процесів і програмно-технічних засобів, інтегрованих з метою збирання, опрацювання, зберігання, розповсюдження, показу і використання інформації в інтересах її користувачів.

Наукове дослідження - процес дослідження певного об'єкта (предмета або явища) за допомогою наукових методів, яке має на меті встановлення закономірностей його виникнення, розвитку і перетворення в інтересах раціонального використання у практичній діяльності людей.

− ВФ.205.31 «Розробити теоретичні основи, методи та засоби інформаційних технологій підтримки трансдисциплінарних досліджень»

(№ держреєстрації 0114U001056, 2014 рік) за етапом 1 «Розробка теоретичних засад онтологічного опису предметної області стосовно Semantic Web»;

− НДР «Теоретичні основи і технологія побудови геоінформаційної системи точного землеробства» (№ держреєстрації 0113U003858, 2015рік).



Роль автора в науково-дослідних роботах та проектах полягає в розробці моделей, методів та засобів формування динамічних сценаріїв у навігаційних геоінформаційних системах реального часу, які забезпечують підвищення адекватності відображення і сприйняття оточуючої обстановки в районах руху об’єктів космічного, повітряного та наземного базування.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка моделей, методів і засобів формування динамічних сценаріїв для навігаційних геоінформаційних систем pеального часу для підвищення адекватності представлення і сприйняття оточуючої обстановки, яка включає рухомі об’єкти космічного, повітряного та наземного базування.

Для досягнення вказаної мети необхідно розв'язати наступні взаємопов'язані задачі:



  • розробити моделі та методи побудови статичної та динамічної складових навігаційних ГІС реального часу;

  • створити технологію інтеграції прикладних програм обробки даних аерофотознімання для створення електронних карт заданого масштабу;

    Обро́бка да́них - систематична цілеспрямована послідовність дій над даними. Обробка даних містить в собі множину різних операцій.



  • запропонувати методи та засоби формування динамічних сценаріїв для навігаційних ГІС реального часу;

  • на основі запропонованих моделей, методів та алгоритмів створити програмні засоби формування динамічних сценаріїв навігаційних ГІС РЧ.

Об’єкт дослідження – процеси формування та відображення переміщень космічних, повітряних та наземних рухомих об’єктів на тематичному картографічному фоні в навігаційних геоінформаційних системах реального часу.

Предмет дослідження – моделі, методи та засоби формування динамічних сценаріїв у навігаційних геоінформаційних системах реального часу.

Методи досліджень. Для розв’язання поставлених задач був використаний комплекс методів: для розробки моделей статичної та динамічної складової навігаційної ГІС РЧ – системний аналіз В.М. Глушкова, теорія множин, теорія графів;

Теорія графів - розділ математики, що вивчає властивості графів. Наочно граф можна уявити як геометричну конфігурацію, яка складається з точок (вершини) сполучених лініями (ребрами). У строгому визначенні графом називається така пара множин G = (V, E), де V є підмножина будь-якої зліченної множини, а E - підмножина V × V.

Тео́рія множи́н - розділ математики, в якому вивчаються загальні властивості множин (переважно нескінченних). Виділення теорії множин в самостійний розділ математики відбулося на рубежі XIX і XX століть.

для формалізації представлення знань предметної області – методи дискретної математики та математичного моделювання;

Математи́чне моделюва́ння (рос. моделирование математическое; англ. mathematical simulation, нім. mathematische Modellierung f) - метод дослідження процесів або явищ шляхом створення їхніх математичних моделей і дослідження цих моделей.

Дискре́тна матема́тика - галузь математики, що вивчає властивості будь-яких дискретних структур. Як синонім іноді вживається термін дискре́тний ана́ліз, що вивчає властивості структур скінченного характеру.

для створення бази картографічних даних – методи фотограмметрії та комп’ютерної графіки; для програмної реалізації моделей та алгоритмів формування динамічного сценарію – методи структурного, модульного та об’єктно-орієнтованого програмування.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні результати роботи, які визначають наукову новизну і виносяться на захист, полягають в наступному:

  1. Вперше запропоновано модель взаємодії прикладних програм обробки даних аерофотознімання та технологію їх інтеграції, які включають блок обробки навігаційних даних та блок корекції сканованого зображення місцевості, що працюють паралельно та дозволяють створити ортофотоплан заданої ділянки місцевості без втрати якості та зі значною економією часу, що, у цілому, дозволяє будувати крупномасштабні карти будь-якого тематичного змісту.

    Обробка інформації́ - вся сукупність операцій (збирання, введення, записування, перетворення, зчитування, зберігання, знищення, реєстрація), що здійснюються за допомогою технічних і програмних засобів, включаючи обмін по каналах передачі даних [6.



  2. Вперше представлено модель бази картографічних даних, сутність якої є диференціація зв’язків картографічних об’єктів (концептів) з виділенням тематичної, графічної і просторової множин на основі єдності їх концептуалізації та інтерпретації в електронну карту у вигляді одного файлу (в прототипах 5 і більше).

  3. Удосконалено технологію відображення символів рухомих об’єктів за рахунок створення бази символьних даних зі складною атрибутикою для наземних агрегатів, космічних і повітряних об’єктів у залежності від їх типу, структури та функціонального призначення, набув подальшого розвитку метод відображення переміщень символів рухомих об’єктів на картографічному фоні з частотою відновлення динамічної сцени 50 разів у секунду, що забезпечує плавність відображення та, в свою чергу, більш адекватне сприйняття динамічної ситуації людиною-оператором.

  4. Удосконалено модель функціонування динамічних сценаріїв у навігаційній ГІС РЧ. Сутність удосконалення полягає у новій формалізації опису складових об’єктів, які рухаються у космічному, повітряному та наземному просторах, та використанні методу трансформації символів таких рухомих об’єктів синхронно з масштабом картографічного фону, що дозволяє максимально адаптувати динамічну сцену відповідно до запитів оператора.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



  • МОДЕЛІ, МЕТОДИ І ЗАСОБИ ФОРМУВАННЯ ДИНАМІЧНИХ СЦЕНАРІЇВ У НАВІГАЦІЙНИХ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМАХ РЕАЛЬНОГО ЧАСУ
  • General Packet Radio Service
  • Resource Description Framework
  • Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
  • Мета і задачі дослідження.
  • Наукова новизна одержаних результатів.