Способ картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме



Способ картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме
Способ картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме
Способ картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме

 


Владельцы патента RU 2415381:

Чернявец Владимир Васильевич (RU)
Ставров Константин Георгиевич (RU)
Жильцов Николай Николаевич (RU)
Леньков Валерий Павлович (RU)
Жуков Юрий Николаевич (RU)
Яценко Сергей Владимирович (RU)
Курсин Сергей Борисович (RU)
Бродский Павел Григорьевич (RU)
Добротворский Александр Николаевич (RU)
Дружевский Сергей Анатольевич (RU)

Изобретение относится к области геодезии и картографии, в частности к картографическому моделированию при структурно-тектонических, геофизических, геохимических и т.п. исследованиях. Сущность: преобразуют изображение дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму. Представляют их в форме изолиний - эксинденсит. Далее, при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами -разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака. Выполняют построение рельефа местности путем интерполяции точек высот (глубин) в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов. Причем построение рельефа местности выполняют путем построения двумерной сплайн-функции, определяемой как тензорное произведение одномерных сплайнов.

Технический результат - упрощение способа картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме. 3 ил.

 

Изобретение относится к области геодезии и картографии, в частности к картографическому моделированию при структурно-тектонических, геофизических, геохимических и т.п. исследованиях, при поисково-разведочных работах, инженерно-геологических изысканиях и т.д.

Известен оптический способ построения карт плотности распределения заданных графическим способом элементов (пятен, точек и линий) на исследуемой площади, включающий преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит (Авторское свидетельство SU №365562, 1970 [1]).

Однако данный способ не предусматривает обработку данных, заданных в цифровой форме.

Известен также способ картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме, включающий преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит, в котором с целью повышения точности при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами - разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака (Авторское свидетельство SU №64011, 1978 [2]), что обеспечивает отображение двумерных распределений, заданных в цифровой форме.

Однако в большинстве случаев картографического отображения необходимо построение трехмерной модели рельефа, заданной в аналитическом виде при отображении результатов экологического состояния регионов (см., например, Патент RU №2079891, заявка №92007530 от 23.11.1992), результатов ситуационного мониторинга объектов хозяйственной деятельности, например морских газонефтяных месторождений и терминалов, включая подводные исследования с отображением рельефа местности, что известными способами не обеспечивается.

Известен также способ построения трехмерной модели рельефа в виде кусочных сплайн-функций двух переменных. Исходной информацией служит типографская карта местности. Способ реализуется посредством геопространственной информационной системы (ГИС) (Берлянт A.M. Картография. - М.: Аспект Пресс, 2002. - 336 с. [3]).

Эффективность аналитической обработки данных в геопространственных информационных системах в значительной степени зависит от возможностей, обеспечиваемых цифровой моделью рельефа (ЦМР), определяемой как совокупности высотных отметок, взятых в узлах некоторой регулярной или нерегулярной сети точек с заданными координатами [3]. В автоматизированных системах ЦМР служит основой получения прямой и косвенной информации о рельефе местности. Например, получение информации о морфометрических данных, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов; анализ видимости/невидимости; построение трехмерных изображений; профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения; вычисление положительных и отрицательных объемов; генерацию линий сети тальвегов и водоразделов, образующих каркасную сеть рельефа, его структурных линий и иных особых точек рельефа: локальных минимумов (впадин) и локальных максимумов (вершин), седловин, бровок, линий обрывов и иных нарушений «гладкости» поверхности и т.д.

Источниками исходных данных для создания ЦМР, например, суши служат топографические карты, аэрофотоснимки, космические снимки, данные альтиметрических измерений, морские навигационные карты, данные промерных гидрографических работ. При этом принята следующая технология построения ЦМР (Суворов С.Г., Дворецкий Е.М., Коваленко С.А. Методика создания цифровых моделей рельефа повышенной точности // Информация и космос. №1, 2005 - с.52-54 [4]). Вся доступная информация оцифровывается. Полученные от разнообразных источников данные сводятся в единый набор координат точек и высот в них. Этот набор триангулируется (обычно методом Делоне). Процедура триангуляции дает систему непересекающихся треугольников, покрывающих рассматриваемую область поверхности земли (TIN-модель). В результате чего рельеф представляется многогранной (элементарная грань - треугольник) поверхностью с высотными отметками (отметками глубин) в узлах треугольной сети. Каждая грань этой поверхности описывается либо линейной функцией (полиэдральная модель), либо полиномиальной поверхностью, коэффициенты которой определяются по значениям в вершинах граней-треугольников. Эта технология в различных вариантах реализована во всех применяемых на практике ГИС.

При этом цель построения ЦМР - получение адекватной прямой и косвенной информации о рельефе в автоматизированных системах - не достигается. Источником всех недостатков этой технологии является этап триангуляции. При этом рельеф представляется в виде непрерывной функции, но с разрывами уже в соответствующей функции первого дифференциала на ребрах триангуляции (т.е. негладкая функция). Это противоречит модели рельефа, которая принята при построении топографических или навигационных карт, где поверхность рельефа представляется гладкой функцией. Кроме того, истинное назначение триангуляции - это задать порядок (сеть) по степени близости и взаимному расположению на множестве точек в плоскости, следовательно, при этом не учитывается взаимоотношение высот (глубин) между точками, что приводит к искажению пространственного направления и смещению в местоположении структурных линий рельефа. К основным видам структурных линий рельефа относятся гребневые и килевые линии, линии выпуклого и вогнутого перегибов. Под гребневыми линиями, или водоразделами, понимают линии плановой корреляции точек с максимальными высотами. Килевые линии (тальвеги, русла) соединяют точки с минимальными высотами. Кроме того, результат триангуляции резко и непредсказуемо изменится при изменении исходного набора точек, т.е. при удалении, добавлении точки (точек) или при изменении координат в исходном массиве точек. Это свойство триангуляции не позволяет «управлять» (редактировать) построением локальной формы рельефа. Кроме того, если ЦМР при этом построена с использованием триангуляции, то результаты вычислений дифференциалов рельефа различных порядков не являются достоверными. Можно констатировать, что в этой области геоинформатики существует проблемная ситуация, выражающаяся в том, что технология построения ЦМР с использованием процедуры триангуляции не позволяет достичь требуемой цели. Этот вывод иллюстрируется на фиг.1. Из чертежа следует, что по данным построенной с помощью триангуляции ЦМР воды реки должны течь в гору.

Разрешить сложившуюся проблемную ситуацию можно путем применения таких средств построения ЦМР, которые не используют процедуру триангуляции и которые приводят к построению всюду гладкой поверхности.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей при картографическом отображении с одновременным повышением достоверности отображения картографической информации.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе картографического отображения двухмерных распределений, заданных в цифровой форме, включающим преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит, в котором при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами - разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака, построение рельефа местности, в котором построение рельефа местности выполняют путем интерполяции точек высот (глубин) в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов, путем построения двумерной сплайн-функции, определяемой как тензорное произведение одномерных сплайнов.

Сущность способа поясняется чертежами (фиг.1, 2, 3).

Фиг.1а. Участок топографической карты. График значений высот вдоль русла реки по ЦМР, построенной с использованием триангуляции [5], где позицией 1 обозначено русло реки.

Фиг.1б. График значений высот вдоль русла реки по ЦМР, построенной с использованием триангуляции (Ястребов А.И., Демиденко А.Г. Повышение качества моделей рельефа местности, создаваемых по цифровым топографическим картам // Геопрофи. №3, 2005. - С.15-18 [5]).

Фиг.2. Основное окно программного модуля «Редактора цифровой модели рельефа v.0».

Фиг.3. Общая блок-схема реализации способа.

Заявляемый способ включает интерполяцию точек высот (глубин) методами двумерных сплайн-функций, а конкретно в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов (NURBS) (Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. - М.: Физматлит, 2002. - 472 с. [6]), математические выражения которых не приводятся по причине отсутствия достаточного места. Преимуществом предлагаемого способа является выполнение интерполяции точек высот в виде двумерных рациональных двумерных сплайн-функций NURBS, что позволяют построить гладкую поверхность для любой формы рельефа, даже для обрывов с отрицательным углом наклона. Во-вторых, поверхность рельефа задается аналитической зависимостью, т.е. конечным набором параметров фиксированного набора функций (полиномиальных сплайнов). Аналитическая форма задания рельефа, т.е. в виде суперпозиции аналитических функций от двух переменных, позволяет использовать весь аппарат дифференциальной геометрии для описания морфометрических свойств рельефа, например вычисления значения функции (высоту, глубину) или ее дифференциала (уклон) в любой точке (точках) области задания функции. В-третьих, NURBS обеспечивают возможность локального редактирования формы поверхности. Кроме того, для одной и той же области земли объем массива данных ЦМР при использовании NUBRS будет как минимум на порядок меньше, чем при традиционном точечном представлении. Следовательно, применение NURBS повышает эффективность автоматизированных геопространственных систем за счет уменьшения времени обработки и требуемого объема памяти. Применение NURBS в вычислительной технике уже давно свершившийся факт - в графических пакетах всех операционных систем встроены алгоритмы обработки и визуализации NURBS, например в графических пакетах низкого уровня: DirectX и OpenGL для Windows. Однако при построении ЦМР возникают препятствия, связанные с эффектом возникновения в некоторых ситуациях нарушения монотонности в изменении поверхности - локальное появление ложных осцилляций. В заявляемом способе это препятствие устраняется либо путем добавления новых точек в массив для интерполяции, либо путем использования методов изогеометрической аппроксимации сплайнами (Квасов Б.И. Методы изогеометрической аппроксимации сплайнами. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006. - 416 с. [7]). В первом случае разрешение проблемы связано с повышением значимости работы эксперта в итерационной процедуре построения NURBS, во втором с существенным усложнением математических алгоритмов технологии.

В предлагаемом способе реализована технология построения ЦМР на основе NURBS в виде итерационной экспертной автоматизированной процедуры. В качестве языка программирования использован язык MatLab. Основное окно программного модуля представлено на фиг.2. В этой системе качество построения ЦМР определяется путем экспертного сравнения положения изолиний, вычисленных по NURBS, с положением соответствующих изогипс (изобат) на исходной карте.

В конкретной реализации предлагаемого способа источником информации о рельефе служат растровые карты.

В общем случае при аппроксимации профиля рельефа одномерными сплайнами следует задавать значения двух первых производных в конечных точках разреза. Однако такая информация неизвестна, и получить ее на практике нельзя. Поэтому в качестве базового сплайна для аппроксимации профиля рельефа по разрезу использован простейший кубический сплайн с нулевыми граничными производными. Ввиду того, что не существует никаких явно заданных двумерных сплайнов, так как нельзя построить бесконечную систему алгебраических уравнений для согласования двух первых производных по всем направлениям на смежных границах двух кусков сплайновой поверхности, то построение двумерной сплайн-функции производится с использованием тензорного произведения одномерных сплайнов (Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. - Л.-М.: Наука, 1980. - 350 с. [8]). Согласование первых двух дифференциалов ЦРМ для смежных прямоугольных участков карты обеспечивается перекрытием областей задания смежных NURBS.

Таким образом, технология построения ЦМР в аналитическом виде на основе NURBS позволяет исключить этап триангуляции и тем самым исключить недостатки существующих технологий. Предлагаемая реализация технологии может быть адаптирована к другим типам исходной информации, и в нее могут быть включены более сложные типы базовых сплайнов.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №365562, 1970.

2. Авторское свидетельство SU №640113, 1978.

3. Берлянт A.M. Картография. - М.: Аспект Пресс, 2002. - 336 с.

4. Суворов С.Г., Дворецкий Е.М., Коваленко С.А. Методика создания цифровых моделей рельефа повышенной точности // Информация и космос. №1, 2005. - С.52-54.

5. Ястребов А.И., Демиденко А.Г. Повышение качества моделей рельефа местности, создаваемых по цифровым топографическим картам // Геопрофи. №3, 2005. - С.15-18.

6. Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. - М.: Физматлит, 2002. - 472 с.

7. Квасов Б.И. Методы изогеометрической аппроксимации сплайнами. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006. - 416 с.

8. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. - Л.-М.: Наука, 1980. - 350 с.

Способ картографического отображения двухмерных распределений, заданных в цифровой форме, включающий преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит, в котором при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами -разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака, построение рельефа местности, отличающийся тем, что построение рельефа местности выполняют путем интерполяции точек высот и/или глубин в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов, путем построения двумерной сплайн-функции, определяемой как тензорное произведение одномерных сплайнов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области обработки фотографических изображений и может быть использовано в лесном хозяйстве для оперативной оценки таксационных характеристик насаждений на неучтенных территориях.

Изобретение относится к мониторингу природных объектов при помощи космических средств и может найти применение в экологических целях. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к дистанционному мониторингу сельскохозяйственных угодий, и может быть применен для оперативного обнаружения наркотических растений на фоне окружающей среды.

Изобретение относится к фотограмметрическим приборам и предназначено для определения высоты древостоя по стереопаре аэрофотоснимков. .

Изобретение относится к области полигонных испытаний образцов вооружений и военной техники и может быть использовано при определении параметров движения цели по данным фоторегистрирующих (оптических) средств траекторных измерений.

Изобретение относится к области фотограмметрии и исследованию природных ресурсов Земли и может быть использовано при дистанционном мониторинге и картографировании земной поверхности, экологическом контроле, геолого-съемочных и поисково-разведочных работах.

Изобретение относится к преобразованию и расшифровке картографических изображений и может быть использовано для прогнозирования месторождений нефти и газа до начала геологоразведочных работ.

Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано для расчета таксационных характеристик

Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано при оперативном выявлении насаждений, поврежденных насекомыми, и контроле экологического состояния леса

Изобретение относится к области исследования древесной растительности, в частности к способам определения сохранности лесных насаждений с использованием аэрокосмической съемки

Изобретение относится к области картографии и может быть использовано при составлении ледовых карт

Изобретение относится к дистанционным методам мониторинга природных сред и может быть использовано для систем санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов

Изобретение относится к области картографического моделирования

Изобретение относится к средствам определения гряд и поясов торосов на ледяном покрове акваторий. Техническим результатом является обеспечение мониторинга состояния ледяного покрова акваторий за счет определения толщины ледяного покрова, осредненной на локальном элементе разрешения. В способе путем выделения на оригинальном ИК-изображении опорных точек, представляющих собой значения толщины льда и их яркости; с использованием значений яркости и рассчитанной функциональной зависимости между виртуальным рельефом и рельефом поля яркостей на ИК-изображении, полученного с искусственного спутника Земли, для оригинального ИК-изображения вычисляются яркости «теплой» и «холодной точек»; анализируемое изображение представляют в виде пространственного распределения элементов матрицы, соответствующих яркостям каждого пикселя изображения, выделяют упорядоченные структуры яркостного поля, и представляют их в виде цветовой раскраски. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технологии измерений превышений с использованием методов фотограмметрии, в частности, при аэрогеофизических исследованиях. Способ определения превышений подвижного объекта над исследуемой поверхностью характеризуется тем, что на подвижном объекте устанавливают на известном расстоянии В друг от друга две предварительно откалиброванные синхронно работающие фотокамеры с возможностью получения ими двух перекрывающихся фотоснимков исследуемой поверхности. На подвижном объекте устанавливают связанную с блоком управления инерциальную систему с возможностью измерения угловых положений подвижного объекта в каждый момент времени. В процессе движения осуществляют синхронную фотосъемку исследуемой поверхности, запись времени срабатывания фотокамер и запись данных инерциальной системы. В устройстве для аэрогеофизической разведки, реализующем способ, аэрогеофизическая платформа снабжена инерциальным блоком, блоком управления, а также установленными в заданное угловое положение, синхронно работающими фотокамерами, расположенными на известном расстоянии друг друга с возможностью получения ими пары перекрывающихся фотоснимков исследуемой поверхности. Технический результат группы изобретений - получение информации о высотном положении подвижного объекта, в частности, при аэрогеофизических исследованиях. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технологии аэрогеофизических исследований и может быть использовано при мониторинге ближайших окрестностей в зоне движения аэрогеофизической платформы. В передней части аэрогеофизической платформы установлены две синхронно работающие фотокамеры, которые ориентированы вдоль направления движения. Согласно способу осуществляют синхронную фотосъемку и запись снимков пространства по направлению движения. Дополнительно записывают моменты срабатывания фотокамер и данные инерциальной системы. Получаемые данные передают бортовой блок обработки, где в реальном режиме времени для синхронно получаемых пар фотоснимков выполняют фотограмметрическую обработку с получением расстояния до ближайшего мешающего объекта, значение которого визуализируется. Технический результат - обеспечение своевременного получения информации о наличии препятствий по пути перемещения аэрогеофизической платформы, определение расстояния до него с выделением критического значения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх