Растровые модели и алгоритм визуализации пространственных данных в системах мониторинга природных и техногенных катастроф

Актуальность работы. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития научно-технического комплекса России является разработка методов и алгоритмов систем поддержки принятия решений в научно-технической сфере на основе визуального анализа многомерных слабоструктурированных данных и показателей. Особенно сложным становится такой анализ, когда многомерные слабоструктурированные данные и показатели характеризуют состояние пространственно-распределенного сложного объекта произвольной формы и структуры со слабоформализуемым описанием. Такие данные в геоинформационных системах определяются через понятие пространственных данных. Примером их использования являются системы мониторинга природных и техногенных катастроф на основе геоинформационных технологий, в которых для представления пространственных данных применяют растровую модель.

При увеличении размерности и точности представления пространственных данных система мониторинга приходит в состояние, когда требуемый объем памяти для их представления не соответствует возможностям технических средств системы или время для анализа изменения состояния объекта на их основе не соответствует требованиям оперативности. Особенно критично это противоречие при быстро меняющейся оперативной обстановке в условиях природных и техногенных катастроф с применением мобильных и бортовых технических средств для мониторинга и анализа состояния удаленных объектов в труднодоступных и опасных для человека местах.

Одной из частей системы мониторинга, оказывающей существенное влияние на показатели оперативности и ресурсоемкости, является система представления пространственных данных на основе растровых моделей, которые, в свою очередь, являются сложными системами со слабоформализуемым неоднородным математическим описанием.

Таким образом, имеется актуальная научно-техническая задача разработки новых растровых моделей пространственных данных для повышения эффективности функционирования систем мониторинга природных и техногенных катастроф, для решения которой требуются методы системного анализа.

Повышение оперативности функционирования системы мониторинга повышает оперативность функционирования системы управления рисками природным и техногенных катастроф, в состав которой входит система мониторинга.

Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф» по теме НИР «Методы и модели создания информационно-аналитических систем мониторинга и прогнозирования рисков возникновения природных и техногенных катастроф на основе геоинформационных технологий», номер гос. регистрации 1.61.10 ГК № П 519 от 14.05.2010 Минобрнауки России.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования систем мониторинга природных и техногенных катастроф по показателям оперативности и ресурсоемкости на основании разработки новых растровых моделей пространственных данных, являющихся основой создания специального математического и алгоритмического обеспечения.

Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели:

— анализ структурно-функциональной организации систем мониторинга природных и техногенных катастроф, построенных на основе геоинформационных технологий, использующих для представления пространственных данных растровые модели;

— разработка на основе линейных квадродеревьев растровых моделей, являющихся базой для сравнения вариантов эффективной реализации систем мониторинга природных и техногенных катастроф по показателям затрат памяти и оперативности, для хранения, обработки, передачи и визуализации пространственных данных;

— разработка алгоритма визуализации пространственных данных в системах мониторинга природных и техногенных катастроф и оценка вариантов его реализации на основании различных растровых моделей по показателю оперативности его выполнения;

— аналитическое и экспериментальное исследование предложенных растровых моделей и алгоритма визуализации для подтверждения достоверности, полученных на их основе значений показателей эффективности функционирования систем мониторинга природных и техногенных катастроф.

Объект исследования. Подсистема хранения, передачи и обработки пространственных данных в системах мониторинга природных и техногенных катастроф, построенных на основе геоинформационных технологий.

Предмет исследования. Растровые модели представления пространственных данных, использующие линейные квадродеревья, и алгоритмы обработки пространственных данных на основе этих моделей.

Соответствие паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует п. 5 «Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации» и п. 12 «Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации» паспорта специальности 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации.

Методы исследований. В работе использовались методы: системного анализа, дискретной математики, алгебры реляционных отношений и систем функциональных зависимостей в реляционных базах данных.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:

— растровые модели для хранения и обработки пространственных данных в виде системы отношений, полученных на основании кривых, заполняющих пространство, отличающиеся тем, что для хранения адресных и атрибутивных данных используются отдельные отношения, полученные в результате декомпозиции и метода группового кодирования, позволяющие снизить затраты памяти в системах мониторинга для представления состояния объекта за счет уменьшения количества кортежей в отношениях.

— растровые модели для передачи пространственных данных о состоянии объекта мониторинга в виде последовательности бит, содержащие структуру квадродерева и его атрибуты, отличающиеся тем, что адресная часть в виде структуры дерева и атрибутивная часть хранятся в отдельных последовательностях, позволяющие снизить объем передаваемых данных в системах мониторинга за счет уменьшения, в зависимости от типа модели, количества вершин дерева или количества бит на кодировку вершин дерева.

— алгоритм визуализации пространственных данных в системах мониторинга техногенных и природных катастроф, отличающийся использованием предложенных растровых моделей в виде системы отношений с применением к ним операций реляционной алгебры для реализации процедур алгоритма, позволяющий повысить оперативность визуализации пространственных данных состояния объекта мониторинга и результатов их анализа.

Практическая значимость и результаты внедрения. Практическое значение работы определяется применением результатов исследования для визуализации, трансформации, хранения, передачи и анализа пространственных данных в информационно-аналитических системах мониторинга и прогнозирования рисков возникновения природных и техногенных катастроф на основе компьютерных методов обработки информации с целыо повышения эффективности их функционирования.

Результаты работы использованы: в учебном процессе Юго-Западного государственного университета на кафедре программного обеспечения вычислительной техники при обучении студентов по направлению магистерской подготовки 231 000.68 «Программная инженерия» в дисциплине «Пространственные базы данных» и в научно-исследовательской работе кафедры по теме «Методы и модели создания информационно-аналитических систем мониторинга и прогнозирования рисков возникновения природных и техногенных катастроф на основе геоинформационных технологий», в ООО «Научно-финансовый центр «ЦЕНТР КАПИТАЛ», ООО «МеталлЭксперт», что подтверждено соответствующими актами (приложение 3).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: IX, X Международных конференциях «Распознавание» (Курск, 2010, 2012 гг.) — Международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и техникеКЛИН — 2006» (Ульяновск, 2006 г.) — IV Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2006 г.) — Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, 2010, 2011 гг.) и научно-технических семинарах кафедры программного обеспечения вычислительной техники Юго-Западного государственного университета (20 102 012 гг.).

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых научных журналах и два свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все научные результаты диссертационного исследования получены автором лично. В основных научных работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, личный вклад соискателя состоит в следующем: в [8] предложена модель представления пространственных данных, основанная на декомпозиции квад-родеревьев на адресную и содержательную частив [9] предложена модель представления пространственных данных, основанная на агрегации содержательных частей данных отдельных объектов в единую содержательную частьв [11] разработаны запросы на языке SQL для реализации основных процедур визуализации пространственных данныхв [49] написана процедура получения линейного квадродерева по фрагменту цветного изображенияв [7] разработана процедура определения пересечения двух фрагментов, представленных в виде квадродеревьевв [10] разработана модифицированная структура записи для линейных квадродеревьев в модели представления пространственных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка, включающего 59 отечественных и 42 зарубежных наименований, и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и 5 таблиц.

4.9 Выводы.

Результатом раздела является вывод о возможности выполнения алгоритмов визуализации фрагментов растровых данных произвольной области с использованием современных компьютерных методов обработки, которыми являются реляционные СУБД. Использование средств СУБД повышает надежность разработанного программного обеспечения за счет использования неоднократно проверенного программного обеспечения, входящего в состав СУБД.

Использование моделей данных ere и сг в алгоритме визуализации позволило повысить оперативность обработки данных при изменении состояния объектов мониторинга от 1,3 до 1,6 раз в зависимости от сравниваемой модели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований предложены новые научно обоснованные решения, предназначенные для визуализации, трансформации, хранения, передачи и анализа пространственных данных в системах мониторинга природных и техногенных катастроф на основе геоинформационных технологий.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ структурно-функциональной организации систем мониторинга природных и техногенных катастроф, построенных на основе геоинформационных технологий, использующих для представления пространственных данных растровые модели, выявивший недостатки их функционирования в реальном масштабе времени по показателям эффективности и затрат памяти из-за вида используемых в них растровых моделей.

2. Разработаны растровые модели для хранения и обработки пространственных данных в виде системы отношений, полученных на основании кривых, заполняющих пространство, отличающиеся тем, что для хранения координатных и атрибутивных данных используются отдельные отношения, полученные в результате декомпозиции и метода группового кодирования, позволяющие снизить затраты памяти для своего представления и, тем самым, повысить эффективность системы мониторинга природных и техногенных катастроф по показателю затрат памяти в диапазоне от 1,3 до 1,7 раза по сравнению с существующими аналогами.

3. Разработаны растровые модели для передачи пространственных данных о состоянии объекта мониторинга в виде последовательности бит, содержащие структуру квадродерева и его атрибуты, отличающиеся тем, что координатная часть в виде структуры дерева и атрибутивная часть хранятся в отдельных последовательностях, позволяющие снизить объем передаваемых данных в системах мониторинга природных и техногенных катастроф от 1,2 до 1,6 раза по сравнению с существующим аналогом.

4. Разработан алгоритм визуализации пространственных данных в системах мониторинга природных и техногенных катастроф, отличающийся использованием предложенных растровых моделей в виде системы отношений с применением к ним операций реляционной алгебры для реализации процедур алгоритма, позволяющий повысить оперативность визуализации пространственных данных состояния объекта мониторинга и результатов их анализа от 1,3 до 1,6 раз по сравнению с существующими аналогами.

5. Проведено аналитическое и экспериментальное исследование предложенных растровых моделей и алгоритма визуализации, подтверждающее достоверность, полученных на их основе значений показателей эффективности функционирования систем мониторинга природных и техногенных катастроф.