Исследование технологии визуального моделирования в геоинформатике

Краткое описание

Введение 4

1. Визуальное моделирование 6

1.1. Предпосылки возникновения визуального моделирования 6

1.2. Основы визуального моделирования 11

1.3. Визуальное моделирование в геоинформатике 17 1.3.1 Визуальное геоинформационное моделирование 18

1.3.2. Технологии геоинформационного моделирования 20

1.3.3. Концептуальные основы моделирования в ГИС 30

1.3.4. Характеристики и основные виды моделей

пространственных объектов 33

1.3.5. Методы моделирования пространственных объектов 39

1.4. Основы представления графических данных 43

1.4.1. Растровая графика 44

1.4.2. Векторная графика 45

1.4.3. Фрактальная графика 45 1.5.3D Моделирование 46

1.5.1. Системы моделирования 47

1.5.2. Общие принципы создания 3D объектов 52 1.6. Анимация 53

2. Визуальное программирование и объектно-ориентированный подход 56

2.1. Объектно-ориентированное программирование как

основа визуального программирования 56

2.1.1. Основные понятия объектно-ориентированного программирования 56

2.1.2. Преимущества объектно-ориентированных систем 66

2.2. Методы и языки визуального программирования 68

3. Построение и визуализация цифровых моделей 75

3.1. ГИС как система цифрового моделирования 75

3.1.1. Развитие и определение ГИС как автоматизированной информационной системы 75

3.1.2. Основные характеристики ГИС 78

3.1.3. Многофункциональность ГИС 78

3.2. Интеграция ГИС с другими автоматизированными системами 82 3.2.1. ГИС и автоматизированные системы научных исследований 83

v 3.2.2. ГИС и системы автоматизированного проектирования 84

3.2.3. ГИС и автоматизированные справочно-информационные системы 88

* 3.2А. ГИС и экспертные системы 90

3.3. Цифровое моделирование 97

3.3.1. Понятия цифровой карты и цифровой модели 97

3.3.2. Цифровые модели местности 99

3.3.3. Характеристики и свойства цифровых моделей 106

3.3.4. Особенности построения ЦМР 111

3.4. Визуальная обработка информации и визуализация цифровых моделей в ГИС 114 4. Применение геоинформационного визуального моделирования для решения практических задач 116 4.1. Анализ визуального моделирования в геоинформатике 116 4.2 Применение ГИС на железнодорожном транспорте 118

^ 4.3 Логистический подход к постановке задачи. 120

4.4 Анализ и решение поставленной задачи 124

4.4.1 Построение математической модели графика движения железнодорожных поездов 125

4.4.2 Оптимизация графика движения железнодорожных поездов при возникновении внештатной ситуации. 136 Заключение 143 Список литературы 145

* Приложение 1. График движения поездов по расписанию на заданном

К участке в указанном промежутке времени 154 Приложение 2. График движения поездов на заданном участке в текущий

момент времени 155 Приложение 3. Оптимизационный график движения поездов на заданном

участке в текущий момент времени 156 1 Приложение 4. Таблица оптимального времени простоя поезда на

раздельных пунктах 157
Введение

Введение

Применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил различные вычисления, а основная работа лежала всё равно на человеке. Перед человечеством же стояли задачи * масштабных строительств, проектов на будущее, испытаний, которых

компьютер решить не мог. С появлением мощных графических станций, а так же компьютеров, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности.

Достаточно долгое время немаловажную роль в информационных технологиях и системах играла дискретная алфавитно-цифровая информация. Основной причиной тому была малая мощность вычислительных систем с одной стороны. С другой стороны алфавитно-цифровая информация требовала меньшей памяти для хранения. Кроме того, долгое время при обработке информации использовались файлы небольшого объема. Поэтому обработка файлов, содержащих малые информационные объемы, была на „ порядки оперативней. В процессе эволюции вычислительных систем

появилась возможность обрабатывать файлы большего объема, которые могли содержать изображения, а также объединять алфавитно-цифровую информацию и графические объекты в статистическом и динамическом режимах.

Информатизация общества привела к возрастанию информационной нагрузки и необходимости находить новые научные и технологические решения для обработки и анализа информации. Одним из решений этой проблемы является визуальное моделирование.

5

Визуальные модели широко используются в существующих

• технологиях управления проектированием систем, сложность, масштабы и

функциональность которых постоянно возрастают. Визуальные модели позволяют наладить плодотворное взаимодействие между заказчиками, пользователями и командой разработчиков. Они обеспечивают ясность представления выбранных архитектурных решений и позволяют понять разрабатываемую систему во всей ее полноте. Сложность разрабатываемых систем продолжает увеличиваться, и поэтому возрастает актуальность!!] использования визуальных методов моделирования.

Несмотря на то, что визуальные модели широко используются в разных сферах и особенно в геоинформатике, они используются в основном на уровне технологий.

В настоящее время не выполнено научное обобщение этих методов, не ¦ дана классификация подходов, не дано научное обоснование применения

визуального моделирования. Это обуславливает актуальность

диссертационных исследований.

В диссертации исследованы и обобщены методы визуального моделирования в геоинформатике, а также проведена их классификация. Разработана технологическая модель визуального моделирования в геоинформатике. Разработана математическая модель оптимизации скорости 1 движения железнодорожных транспортных средств, которая служит основой

дальнейшего визуального моделирования.

На основе проведенных исследований решена задача оптимизации графиков движения железнодорожного транспорта. Кроме того, эта методика исследована на реальном примере участка «Белогорск - Благовещенск» ч Забайкальской железной дороги.

Методы, предложенные в данной работе, могут быть использованы в качестве оперативного и эффективного способа анализа большого объема информации.

6

1. Визуальное моделирование

1.1. Предпосылки возникновения визуального моделирования

Информатизацию общества [71, ПО] можно рассматривать как организованный социальный, экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и развития общества в целом. Она, в частности, обеспечивает и способствует реализации прав граждан, органов государственной власти,

органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений г/

на основе формирования и использования информационных ресурсов.

Технико-технологической основой информатизации являются информационные технологии и системы, а в геоинформатике геоинформационные системы и технологии.

V Длительное время средством обработки в информационных

технологиях и системах являлась дискретная алфавитно-цифровая информация.

Одной из причин была неразвитость информационных технологий.

Длительное время обработка информации строилась на использовании

файлов небольшого объема (до 1 Мбайта). Другой причиной была малая

мощность первых вычислительных систем и небольшая емкость баз данных.

* Алфавитно-цифровая информация требовала на порядки меньшей емкости

* для хранения по сравнению с видеоинформацией.

Поэтому при малых информационных объемах обработка файлов, содержащих алфавитно-цифровую информацию, была на порядки оперативней. По этой же причине информационные модели и методы моделирования, строились на основе обработки не видеоинформации, а алфавитно-цифровой данных. Примерами могут служить таблицы * реляционных баз данных и цифровые модели местности, представляющие

собой закодированную дискретную информацию об отдельных точках

7

земной поверхности, предназначенную для аналитических преобразований и визуального отображения с помощью различных методов и программ.

По этой причине некоторые информационные потоки, например данные дистанционного зондирования в силу своих больших объемов архивировались и обрабатывались медленно и неэффективно.

Наряду с информатизацией шло постоянное накопление информации и объемов знаний. С начала нашей эры для удвоения знаний потребовалось 1750 лет, второе удвоение произошло в 1900 году, а третье - к 1950 году, т.е. уже за 50 лет, при росте объема информации за эти полвека в 8-10 раз [29]. Причем эта тенденция все более усиливается, так как объем знаний в мире к концу XX века увеличился вдвое, а объем информации увеличится более, чем в 30 раз. Это явление, получившее название "информационный взрыв", указывается среди симптомов, свидетельствующих о начале века информации и включающих:

- быстрое сокращение времени удвоения объема накопленных научных знаний;

- превышение материальными затратами на хранение, передачу и переработку информации аналогичных расходов на энергетику.

Развитие компьютеров и компьютерных сетей приводит к тому, что все большая часть информации, научно-технической, образовательной, экономической и социально-политической, перемещается в автоматизированные информационные системы.

В результате развития любой страны, наступает момент, когда резервы традиционных (существующих) методов управления экономикой и социально-экономические механизмы оказываются исчерпанными. Процесс роста и накопления перерабатываемой информации приводит к появлению информационных барьеров [27].

Первый информационный барьер возникает тогда, когда сложность управления социально-экономической, информационной или

8

образовательной системой превосходит возможности одного человека.

В результате возникновения первого информационного барьера человек создает коллективы для управления такими системами и создает технические средства и технологии, чтобы облегчить свой труд.

Одним из таких средств облегчения интеллектуального труда являются компьютеризация и информационные технологии. Суть компьютерной

технологии состоит в том, что большая часть информационных потоков

а

замыкается вне человека. Однако подчеркнем, что преодоление первого ¦р

информационного барьера в информационных технологиях слабо опиралось

на визуальное моделирование и обработку информации.

Таким образом, коллективный труд и информатизация персональных

рабочих мест позволяют преодолевать первый информационный барьер.

^ Появление системы Windows, явилось прорывом на пути использования

визуальной информации для автоматизации обработки и персональных

рабочих мест.

В процессе дальнейшего развития общества продолжается усложнение

задача управления экономикой, отраслями и организациями. Наступает

момент, когда совокупность людей на основе существующих технологий,

успешно преодолевающих первый информационный барьер, все-таки, не

* может эффективно управлять социально-экономической системой (учебное

' заведение, организация, отрасль, страна). Это соответствует второму

информационному барьеру.

Для его преодоления необходим более высокий уровень информатизации. В частности, переход от автоматизированных персональных рабочих мест к локальным и корпоративным автоматизированным системам и сетям. Следовательно, сетевые технологии -* это способ преодоления информационного барьера и необходимый этап в

управлении и организации многих видов деятельности, оперирующих с информацией, включая сферу образования. Примером таких систем в

9

образовании могут служить компьютерные классы, объединенные единой локальной сетью. Этот барьер успешно преодолевался с поддержкой визуальных информационных систем и появлением визуальных языков программирования.

Следующим этапом развития, который не учел В.М Глушков при выявлении информационных барьеров, оказался процесс глобализации общества.

Глобализация или глобализм, как особая фаза международных отношений, зародилась несколько десятилетий назад, но ее формирование не завершилось и к началу третьего тысячелетия. Однако по ряду причин общественное внимание она привлекла лишь в начале 90-х годов XX в.

МБРР описывает глобализацию как «увеличивающуюся экономическую взаимозависимость стран мира как следствие возрастающего объема и возрастающего многообразия международных перемещений товаров, услуг и интернациональных потоков капитала, а также все более быстрого и широкого распространения технологии» (World Economic Outlook, 1997, p. 45)

Глобализацию можно определить как возрастание роли внешних факторов (информационных, экономических, социальных и культурных) в производстве и информационном обмене для всех стран участниц этого процесса; формирование единого экономического и информационного пространства (в частном случае рынков) без национальных барьеров; формирование единых условий деятельности для этих стран.

Таким образом, третьим информационным барьером является ситуация, когда корпоративные или локальные сетевые системы управления, и производства (не надо путать только с информационными) не обеспечивают эффективность роста производства для корпорации или экономики в рамках отрасли или страны.

Следует подчеркнуть, что два первых барьера возникают на уровнях отдельной организации, корпорации, региона, отрасли в рамках одной

10

страны. Третий информационный барьер возникает на уровнях предприятия, корпорации или отрасли, для которых рамок одной страны становиться недостаточно.

Для преодоления третьего информационного барьера необходимо создание единых информационных пространств и информационных сред в соответствии с международными стандартами. Таким образом, создание единых информационных пространств или информационных сред является не добровольной, а вынужденной мерой для того, чтобы преодолеть третий информационный барьер и не отстать от тенденций информатизации общества в развитых странах.

Примером результатов глобализации служит появление глобальных информационных сетей типа Интернет. В образовании это привело к появлению технологий обучения для удаленного пользователя и дистанционному обучению.

В рамках данной темы следует отметить большое количество визуальной информации, которое появилось в сети Интернет как средство повышения коммуникабельности.

Дальнейшее развитие вычислительных систем создало возможности для обработки файлов большого объема (10 и более Гбайт) и файлов, содержащих изображения в том числе. Разработка механизмов и методов ассоциирования данных позволило объединять алфавитно-цифровую информацию и графические объекты в статическом и динамическом режимах.

Повышение уровня информатизации неизбежно приводило к необходимости обработки все более информативных сообщений и поставило проблему не только обработки файлов большого объема, но и разработки методов человеко-машинного анализа многомерной, большой по объему информации.

Следует отметить, что алфавитно-цифровые данные как инструмент моделирования и анализа исчерпывают себя при больших порциях

11

информации. Например, анализировать таблицу 100 х 100 человеку сложно, а 1000 на 1000 практически невозможно.

В современных условиях возрастания информационной нагрузки требуются новые методы по оперативному и эффективному усвоению больших объемов информации. Одним из решений этой проблемы является визуальное моделирование.

1.2. Основы визуального моделирования

На сегодняшний день одной из важнейших процедур в информационных технологиях является отображение данных. Зрение является наиболее активным органом чувств человека. Поэтому процедуры отображения информационных данных, преследуют цель как можно лучше представить информацию для визуального наблюдения и анализа.

С помощью графического режима представления данных проще анализировать любую информацию, кроме этого, появляется возможность изменять масштаб, проекцию, цвет и т.п. изображения.

Визуальное моделирование возникло как синтез визуализации других направлений.

В области визуализации данных в дистанционном зондировании заслуживают внимание работы Савиных В.П., Бондур В.Г. и Кондратьева К.А., Журкина И.Г.

Вопросы геоинформатики и картографирования рассмотрены в работах Берлянта A.M., Тикунова B.C., Капралова Е.Г., Лютого А.А., Кошкарева А.В., Журкина И.Г, Цветкова В.Я., Коугия В.А., Кулагина В.П.

Вопросами визуализации в геоинформатике занимались: Цветков В.Я., Матвеев СИ., Левин Б.А., Ниясгулов У.Д., Масленников А.С., Берлянт A.M., Тикунов B.C., Капралова Е.Г., Лютый А.А, Кошкарев А.В., Журкин И.Г., Коугия В.А., Кулагин В.П.

12

Вопросами обработки изображений в аспекте визуального моделирования занимались: Цветков В.Я., Матвеев СИ., Якушенков Ю.Г., Бугаевский Л.М., Павлов В.П., Журкин И.Г.

Визуальное моделирование использует в своей основе изображения. Изображение обычно обладает большей информативностью (на 2-3 порядка больше чем текст) и меньшей степенью абстрактности, то есть является более гибким каналом, чем текст или цифра.

Поэтому в настоящее время возрастает роль изображения в современном коммуникативном процессе. Визуальное моделирование развивается, опираясь, прежде всего, на иконические знаки. Поэтому при создании систем визуального моделирования необходимо учитывать специфику этих процессов.

Визуальная модель как знаковая система первична по отношению к символическим знакам, в том числе и к печатному слову. Первоначально знак, обозначающий определенный предмет, представлял собой всего лишь изображение этого предмета и включал две функции: изображения и понятия (значения).

В процессе эволюции человечества и коммуникативных процессов понятие все более отделялось от изображения, что привело к письменным (символическим) знакам, которые с одной стороны абстрагировались от обозначаемых ими предметов, а затем преобразовались в специальные системы (алфавиты). В этих системах понятия объектов отображались словами, состоящими из знаков алфавита.

На этих принципах построено лингвистическое моделирование, цифровое моделирование, математическое моделирование, экономико-математическое моделирование, и другие виды, работающие с символическими знаками. Только картографическое моделирование сохранило в себе два первоначальных свойства: изображения и символа.

В современных условиях актуальна задача исследования комплексного взаимодействия различных знаковых систем в процессе визуального

13

моделирования. Наиболее часто приходится сталкиваться с одномоментным использованием иконических знаков и вербальных элементов, при помощи которых и формируется визуальная модель.

В настоящее время можно определить следующую классификацию визуального моделирования по предметным областям, (рис. 1.1)

Все виды моделирования используют так называемый графический интерфейс пользователя. Все виды моделирования, за исключением интеллектуального уже находят применение в геоинформатике.

Одними из основных информационных систем в геоинформатике являются геоинформационные системы.

Следует отметить важность визуального моделирования для ГИС.

Концепции моделирования в ГИС базируются на интеграции, которая предусматривает, с одной стороны, переход от автоматизации отдельных частных задач к комплексному решению задач, с другой — интеграцию задач, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты), включая проектирование и технологию его производства.

Т.к. ГИС является интегрированной информационной системой, то главной целью ее является ввод, унификация, интеграция, хранение, обработка, анализ и представление информации. (Рис. 1.2)

В подсистеме обработки данных можно выделить не только блок картографического представления, как это было ранее, а так же блок визуального моделирования, который включает в себя: SD-моделирование, эвристическое моделирование, анимацию, визуальное моделирование процессов, визуальную оптимизацию. Кроме того, картографическое представление также является частью визуального моделирования.

Визуальные модели по аспекту реализации можно разделить на статические (электронные карты, неизменяемые изображения) и динамические (анимации, интерактивные изображения, изменяемые изображения). По аспекту размерности визуальные модели делятся на плоские (2D), квазиобъемные (2,5D) и трехмерные (3D).

14

Визуальное моделирование

Презентации Динаммические

Статические

20-моделирование

Программные реализации 2,50-моделирован

ше

Зй-моделирование

Создание виртуальных изображений

Обработка изображений Аналоговая

Цифровая

Применение систем компьютерной гоасЬики Деловая

Точная

Применение геоинформационных систем

Создание компьютерных анимаций

Использование интернет - технологий

Использование интеллектуальных моделей

Рис. 1.1. Классификация визуального моделирования

15

Ввод данных

Унификация

Интеграция

Хранение

Обработка и анализ данных

Картографическое представление

Визуальное моделирование

3D-моделирование

Эвристическое моделирование

Визуальное моделирование процессов

Анимация

Визуальная оптимизация

Поддержка и принятие решений

Рис. 1.2. Визуальное моделирование в геоинформатике

16

В аспекте цвета можно выделить: контроль пороговых значений, цветопередачу объектов и цветопередачу характеристик.

Визуальные модели в отличие от статических изображений могут выполнять три основные функции, позиционную, индикационную, знаковую.

Знаковая функция заключается в указании значения того, что за объект отображается в данной визуальной модели. Знаковая функция является отражением "Герменевтического" принципа. Применительно к анализу или обучению, данный принцип направлен на то, чтобы исследователь понимал смысл изучаемой визуальной модели («герменевтика» - это «разъясняю», «истолковываю»).

Позиционная функция заключается в указании места пространства, в котором проходит исследование или анализ

Индикационная функция заключается в указании наличия данного объекта (явления) или наличия его состояния (изменения).

Особенностью визуальных моделей является возможность повторения изображений с целью показа динамики изменения процесса или выявления различий.

При повторении визуальных моделей в сценарии получатся знаковая избыточность, которая с одной стороны повышает эффективность индикационной функции, с другой повышает достоверность информации и ее лучшую усвояемость.

Как коммуникация визуальная модель передает большее количество информации по сравнению с текстом и цифрой за короткие промежутки времени. Это определяет их преимущества в оперативном анализе.

Концепция визуального моделирования достаточно проста, но реализация трудоемка. Примерная последовательность действий такова:

1. Определение цели моделирования.

2. Выбор типов и характеристик визуальных моделей.

3. Подготовка списка статических и/или динамических визуальных моделей.

17

4. Задание палитры и системы видеопередачи.

5. Задание параметров представления ракурсов, окон, масштабов и т.п..

6. Разработка механизмов анимации.

7. Психофизическая оценка восприятия визуальных моделей потребителем по отдельным фрагментам и циклам.

8. Подготовка сценария моделирования.

9. Выбор информационной среды, в которой будет реализовано визуальное моделирование.

10. Разработка механизмов интерактивного взаимодействия пользователя с моделью.

11. Разработка механизмов информационной защиты.

Выделяют три вида программных средств, работающих с визуальными моделями:

К первому относятся методы, позволяющие СОЗДАВАТЬ исходные модели.

Во второй вид входят методы, предназначенные для ОБЪЕДИНЕНИЯ исходных графических моделей в системы, сценарии, включая, если надо текст, звук или анимацию.

В третий вид входят методы, предназначенные для показа (визуализации) готовых сценариев визуального моделирования. Они в частности, позволяют осуществлять и межплатформенный обмен.

Таким образом, визуальное моделирование является очередным шагом в индустрии информатизации и способствует развитию научных исследований во многих областях, включая геоинформатику.

1.3. Визуальное моделирование в геоинформатике

По сравнению с другими информационными системами ГИС обладает возможностью глобальной интеграции[103]. Она позволяет устанавливать взаимосвязи между "большими", "средними", "малыми" - объектами окружающего мира в любой последовательности, например в соотношении:

Список литературы