Разработка средств автоматизации построения цифровой модели местности

П.А. Петухов,
студ., petuxowpawel@yandex.ru,
МГТУ «СТАНКИН», г. Москва

В данной работе исследуются различные методы и средства, применяемые в существующих программных комплексах для создания цифровых моделей местности (ЦММ) и карт. На основе данных методов и средств создается новый программный комплекс, который включает в себя набор основных функций, которые необходимы определенному кругу пользователей для работы в географических информационных систем в режиме краудсорсинга. В разработанном программном комплексе каждым классом пользователей создается цифровая модель местности, состоящая из набора тематических слоев и объектов, отображаемых на карте.

The study investigated various methods and tools that are used in the existing software complexes for the creation of digital terrain models (DTM) and maps. A new software complex was created with using the methods and tools, which includes a set of basic functions that are required for a specific range of users to work in geographic information systems in crowdsourcing mode. Each class of users creates a digital terrain model, which consists of a set of thematic layers and objects displayed on the map in the developed software.

На сегодняшний день возникают различные задачи, под которые не успевают совершенствоваться современные геоинформационные программные комплексы. В большинстве случаев они содержат лишние функций, которые попросту усложняют работу, что понижает эффективность работы самой системы. С этой проблемой сталкиваются множество людей, которые занимаются редактированием цифровых карт. Одно из направлений работы, где человек может помочь в построении цифровых карт называется краудсорсинг. Краудсорсинг - это такое вид деятельности, в котором часть функций, передается неопределенному кругу лиц. А применительно к картографии, в этот круг входят так называемые «народные» картографы, выполняющие свою работу на добровольной основе. Квалифицированных картографов на сегодняшний день не так много, и их разъезды долги и дороги. Поэтому «народным» картографом может быть любой местный житель. Однако, для того, чтобы работа картографа была удобна и без перенапряжений, нужно дать ему удобный программный модуль без лишних функций. Так же помимо «народных» картографов существуют модераторы, которые осуществляют контроль над их работой, а так же выполняют ту же деятельность, что и картографы. Но, более расширенный функционал имеет программный модуль специалиста по сравнению с другими классами пользователей.

В настоящее время используют много определений ЦММ. Различие между ними обусловлено наличием разных моделей и задач, для которых эти ЦММ создаются. Тем не менее, можно выделить общие признаки ЦММ с помощью методов абстракции (обобщения) для построения структур моделей [1]. Структура данного метода представлена на следующем рисунке:

рис.1 Структура цифровой модели местности, построенная на основе обобщения

Как видно, данный метод описывает ЦММ, в котором структура делится на свойства объектов предметной области, общие свойства моделей и модели организации данных для хранения и компьютерной обработки. Таким образом, структура ЦММ быть информативно переопределена по отношению к одиночной модели объекта, то есть должна по возможности содержать свойства подкласса объектов, а не одного объекта. Это свойство необходимо учитывать при организации технологии систем, использующих цифровое моделирование. Оно может быть реализовано путем организации баз данных для хранения ЦММ.

Другой метод, который используется для построения ЦММ, является метод агрегации. Метод построения моделей данных на основе агрегации дополняет метод обобщения. Схема агрегативного построения ЦММ (рис. 2), как и описание ЦММ (см. рис. 1) выполнена в виде иерархической модели.

Агрегативная модель дает наглядное представление о том, что ЦММ входит в класс общих цифровых моделей геоинформационных объектов. Метод пошаговой детализации позволяет выделять части и элементы ЦММ [2]. В автоматизированных системах пространственной обработки данных имеется несколько основных типов цифровых моделей: цифровая модель местности, цифровая модель объекта (ЦМО), цифровая модель карты (ЦМК).

рис.2 Схема построения агрегативной ЦММ

В агрегативной модели ЦМК и ЦМО являются «порожденными» или «ветвями». Объекты более низких уровней, например «цифровая модель рельефа», «планы», получают путем пошаговой детализации, ЦМО выделена в отдельный тип, так как при решении ряда задач в ГИС и САПР она используется независимо. Между ЦММ и ЦМК существует разница: ЦММ определяет модель базы данных, ЦМК – модель представления данных, то есть представление ЦММ.

Цифровую карту можно определить как цифровую модель геоинформационной системы, представленную в виде композиции из одного или нескольких слоев. На цифровой карте фиксируются пространственные объекты, связи и отношения между ними, а также пользовательские идентификаторы пространственных объектов, обеспечивающие связь с их атрибутивными данными.

Атрибутивные данные объектов хранятся в виде таблиц, каждая запись в которых соотносится с определенным пространственным объектом цифровой карты через пользовательский идентификатор, указанный и в записи, и в цифровой карте. Кроме атрибутивного описания содержательная определенность объектов фиксируется в виде конкретных тематических слоев согласно принятой схеме выделения на исходной карте. Пространственная определенность объектов на цифровой карте фиксируется в соответствующем выделении слоев цифровых карт по типу пространственных объектов (полигоны, линии и точки).

В контексте данной концепции цифровая модель карты представляет собой отображение цифровой модели местности с помощью средств компьютерной визуализации. Этот подход нарядно прослеживается в технологии работ ряда ГИС.

В данной работе осуществляется реализация программных модулей, которые бы делали работу картографов проще. В процессе решения задачи, функции программного комплекса анализируют структуру самой цифровой модели местности, а затем на основе полученных данных решает конкретную задачу. Сам программный комплекс представляет собой оконное приложение, который был написан с помощью библиотеки SharpMap.dll, на языке высокого уровня C# (.NET).

Для построения ЦММ будет использоваться метод агрегации. Он был выбран потому, что он более информативный, имеет расширенную структуру для построения ЦММ, по сравнению с методом обобщения. Так же, главным отличием является наличие базы данных и ЦМК в методе агрегации. База данных является одной из главных составляющих для построения ЦММ. И самое главное, метод агрегации является наиболее удобным методом для построения ЦММ. Данный метод позволяет достичь максимальной детализации карты, что в дальнейшем даст возможность решать различные задачи.

Библиотека SharpMap.dll интегрирована с набором других библиотек, которые используются для построения цифровой модели местности, включающие в себя набор файлов базы данных, а так же shapefile, играющий главную роль для отображения карт местности.

рис. 3 Функциональная модель процессов создания цифровой модели местности

Создание цифровой модели местности осуществляется по функциональной модели IDEF0, который описал С.В. Додонов. Данная модель представлена рисунке 3 [3].

В процессе работы создан программный комплекс GisToSharp с помощью существующих библиотек SharpMap и их составляющих. Наиболее важными библиотеками с точки зрения представления и детализации объекта являются BruTile.dll и SharpMap.UI.dll. При создании программного кода проекта была использована комбинация библиотек, что позволило реализовать многослойность для представления объектов.

Одной из основных задач данной работы является написание трех программных модулей для соответствующих лиц:

- исполнителя работ в режиме краудсорсинга;

- модератора;

- специалиста в области геоинформатики.

На текущий момент реализованы все три модуля, которые были перечислены ранее. В программном комплексе реализовано отображение векторного файла (ShapeFile) и набор стандартных функций. Пример пользовательского интерфейса представлен на следующем рисунке:

рис. 4 Программный модуль для исполнителя работ в режиме краудсорсинга

Программный модель модератора имеет все те функции, что и «народный» картограф. Дорабатывается возможность просмотра работ картографов, их редактирования, а так же удаление и назначения картографов на определенную должность. Самый хороший функционал имеет специалист в области геоинформатики. По сравнению с программным модулем «народного» картографа, данный модуль позволяет добавить большую информативность. При добавлении объекта на карту, в поле программы «информативная часть» отобразится новый объект под названием _tmp_Geometries. Пример пользовательского интерфейса и пример добавления объекта представлен на следующем рисунке:

рис. 5 Программный модуль для исполнителя работ в режиме специалиста

Таким образом, был разработан программный комплекс, который способен отображать множество слоев в разной степени детализации. Дополнительной возможностью данного приложения является рисование геометрических фигур, которые в дальнейшем будут использоваться как объекты, для отображения конкретных зданий, сооружений, коммуникаций и т.д.

Литература

1. Пигин А.П. Цифровые модели местности - основа САПР и ГИС проектов. Преимущества и проблемы // Геопрофи. – 2006. – №4. — C. 4–7.

2. Сухобок Ю.А. Методы построения цифровых математических моделей местности // Научный сборник.

3. Додонов С.В. Анализ и моделирование жизненного цикла цифровой модели местности // Наст. сб.