Способ динамической визуализации географической и разнородной информации в геоинформационной системе и машиночитаемый носитель
Владельцы патента RU 2679173:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации" (Академия ФСО России) (RU)
Изобретение относится к области обработки данных изображений. Технический результат заключается в повышении скорости конфигурирования и визуализации геообъектов из различных источников за счет автоматического масштабирования и центрирования электронного атласа на основе критерия наглядности. Способ динамической визуализации географической информации и разнородной информации в геоинформационной системе содержит этапы: генерация картографическим сервисом многослойной карты, содержащей геообъекты из различных источников, причем геообъекты формируют в структуры данных на основе связей по ключам и связывают между собой через общую сущность, выбор шаблона визуализации геообъектов с объектами сопроводительной информации, расчёт площади геообъектов и объектов сопроводительной информации с учетом их пространственных размеров, подбор масштаба электронного атласа для вывода на экран, за счет суммирования площади геообъектов и сопроводительной информации, и проверки по критерию наглядности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к способам формирования графических данных и машиночитаемому носителю, хранящему программу, предназначенную для осуществления способа.
В современном мире человек ежедневно генерирует значительное количество разнородной информации, включая геоинформацию. Источниками геоинформации являются системы навигации, управления транспортом, государственные органы власти, осуществляющие регистрацию и учет недвижимого имущества, земель различного назначения, коммерческие и некоммерческие организации, предоставляющие картографическую информацию в растровом и векторном виде. Но получив доступ к этим геоданным возникает другая задача - представление результатов конечному пользователю, не являющимся специалистом в области картографии или геоинформационных систем. Создание в любой известной геоинформационной системе (ГИС) несложного представления требует понимания принципов работы картографических сервисов, ручного подключения требуемых источников данных, навыков работы со средствами баз данных, с помощью. которых осуществляется соединение соответствующих сущностей и вывод нужной атрибутивной информации. Данный подход не предполагает автоматизацию процесса подготовки разнородных данных к визуализации, что снижает эффективность использования накопленных геоданных человечеством.
Известны способы визуализации географических данных на основе цветовых палитр, например, шкала высот или тепловая карта; облако точек позволяет визуализировать зоны с высокой плотностью населения, отобразить интенсивность интернет-трафика; кластеризация позволяет повысить наглядность данных в зависимости от масштаба карты и не допустить пересечения большого числа близко расположенных элементов, а при совместном использовании с цветовой шкалой - визуализировать на ее основе еще какой-либо параметр; картограммы позволяют привязать геопространственный параметр (например, площадь страны) к анализируемой величине (численность населения) и отобразить несколько искаженную карту, но при условии, если географические данные неважны для этого случая или ими можно пренебречь.
Для повышения производительности используют разбиение растровых и векторных изображений на большое количество маленьких изображений (то есть построение пирамиды масштабов), что лежит в основе всех картографических сервисов.
Реализации подобных технических решений описаны в патенте US 20050091223 А1 (МПК G06F 7/00, Kevin В. Shaw, Miyi J. Chung, Maria A. Cobb, 28.04.2005). В нем предложена объектно-ориентированная система/для создания и хранения пространственной структуры данных для использования в многозвенных приложениях. Данные организованы в базу данных, которая содержит координаты геопространственных объектов, атрибуты и метаданные в иерархической реляционной структуре. Система предусматривает создание объектов и уровней, составляющих базу данных, и пространственную индексацию данных между объектами по уровням иерархии. Данные могут обновляться и экспортироваться в векторные форматы реляционных баз данных.
В патенте US 20110316854 А1 (МПК G06T 17/00, Bryan Vandrovec, 29.12.2011), описан процесс оптимизации детализации слоя на разных масштабах, заключающийся в понижении степени дискретизации сетки высот до минимально допустимой различимой величины. В соответствии с параметром уровня детализации строится новая пирамида масштабов слоя. Такой подход позволяет повысить производительность геоинформационной системы, снизить минимальный уровень оперативной памяти на клиентской ПЭВМ.
В патенте US 20130321456 А1 (МПК G09G 5/00, G06F 3/041, Jeffrey Р. Hultquist, James A. Howard, Aroon Pahwa, Christopher Blumenberg, 5.12.2013), который выбран в качестве прототипа, описаны способы, системы и устройство для отображения многослойной карты. Карта, состоящая из географических данных растрового и векторного форматов, может быть сгенерирована картографическим сервисом и отправлена на клиентское устройство. Клиентское устройство может принимать входные данные, изменяя уровень масштабирования отображаемой карты. Некоторые варианты реализации позволяют получать от клиента обновленные данные в растровом формате.
Недостатком указанных аналогов и прототипа является низкая скорость конфигурирования и оперативной результативности промежуточной (итоговой) конфигурации представления (визуализации) разнородных данных из различных источников, что снижает способность пользователя принимать решения.
Предлагается способ динамической визуализации географической и разнородной информации в геоинформационной системе и машиночитаемый носитель, при осуществлении которого обеспечивается решение технической проблемы, заключающейся в динамической визуализации географической и разнородной информации с автоматическим масштабированием и центрированием электронного атласа в зависимости от суммарной площади разнородных данных из различных источников.
Техническим результатом является повышение скорости конфигурирования и оперативной результативности промежуточной (итоговой) конфигурации представления (визуализации) разнородных данных из различных источников за счет автоматического масштабирования и центрирования электронного атласа на основе критерия наглядности.
Техническая проблема решается тем, что способ динамической визуализации географической и разнородной информации в геоинформационной системе и машиночитаемый носитель, заключающийся в том, что генерируют картографическим сервисом многослойную карту, содержащую географические данные растрового и векторного форматов, отличающийся тем, что разнородные геоданные из различных источников формируют в структуру данных на основе связей по ключам и связывают между собой через общую сущность. Затем выбирают шаблон визуализации разнородных данных с сопроводительной информацией. После чего рассчитывают площадь геообъектов, выводимых в электронном атласе с учетом их пространственных размеров, и рассчитывают площадь объектов сопроводительной информации, также выводимых в электронном атласе с учетом пространственных размеров. Далее осуществляют подбор масштаба и центрирование для вывода па экран, для чего суммируют площади геообъектов и объектов сопроводительной информации и проверяют по критерию наглядности. В случае выхода площадей объектов для визуализации за предельные значения изменяют масштаб атласа до подходящей величины. Затем осуществляют визуализацию элементов географических и разнородных данных на экране.
Реализуют способ на компьютере с помощью машиночитаемого носителя, содержащего программу для осуществления способа, которая входит в состав пакета прикладных программ.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
"Промышленная применимость" способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены действия, реализующие данный способ с достижением указанного в изобретении назначения.
Заявляемый способ поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг. 1 - Формирование структур данных из простых в сложные с использованием набора правил преобразования для последующей визуализации информации;
Фиг. 2 - Алгоритм динамической визуализации географической и разнородной информации в геоинформационной системе.
Способ осуществляют следующим образом. На первом этапе новые разнородные геоданные из различных источников формируют в структуру данных па основе связей по ключам и связывают между собой через общую сущность. Связывание выполняют в базе данных с помощью известных типов отношений и с применением совместимых с геоинформационной системой типов пространственных данных и задают слой для вывода геоданных (блок 1, фиг. 2).
На втором этапе выбирают шаблон визуализации разнородных данных с сопроводительной информацией (блок 2, фиг. 2).
На третьем этапе рассчитывают площадь на экране геообъектов, выводимых в электронном атласе с учетом их пространственных размеров и осуществляют подбор масштаба для вывода на экран (блок 3, фиг. 2).
На четвертом этапе рассчитывают площадь на экране объектов сопроводительной информации, выводимых в электронном атласе с учетом пространственных размеров и осуществляют подбор масштаба для вывода на экран (блок 4, фиг. 2).
На пятом этапе площади геообъектов и объектов сопроводительной информации суммируют и проверяют по критерию наглядности на основе правила и свойств "золотого сечения". Если на пятом этапе площади объектов для визуализации выходят за предельные значения, то уменьшают или увеличивают масштаб атласа до подходящего значения (блоки 5-10, фиг. 2) и центрируют отображаемую область.
На шестом этапе осуществляют визуализацию элементов географических и разнородных данных на экране (блок 11, фиг. 2).
Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.
Ключевым элементом геоинформационной системы являются геоданные. Целесообразно хранящуюся в базах данных «умной» ГИС разнородную информацию связывать с геоданными, формируя из простых описаний сложные наборы разнородной информации, соотнесенной с геоданными (фиг. 1).
Геоданные - это информация о географическом местоположении, хранящаяся в формате, который может быть использован в ГИС. Основными типами геопространственных данных являются точка, линия, полилиния, полигон. В основе всех типов лежит точка, характеризуемая обычно тремя величинами: долготой, широтой и высотой. Значения долготы всегда находятся в интервале (-180, 180]. Значения широты всегда находятся в интервале [-90, 90]. Обе величины выражаются в градусах. Высота над уровнем моря выражается в метрах и может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Разнородная (сопроводительная, описательная) информация - это данные других типов (численные, текстовые, двоичные), хранящиеся в источнике данных и не являющиеся геопространственными типами.
Предлагается осуществлять формирование структур данных из простых в сложные с использованием набора правил связывания для последующей визуализации информации.
В основе формирования структур данных из простых в сложные лежат следующие действия:
- информация, хранящаяся в ГИС, разбивается на группы с однотипным содержанием (например, геоданные; разнородные описания геообъектов);
- группа с геоданными является исходной (рядообразующей), остальные (разнородная информация) - вспомогательные (фиг. 1);
- каждая группа геоданных формирует свой слой в ГИС;
- каждая группа геоданных выводится для визуализации посредством связи по ключу, формируя простейшую (одна группа геоданных) или сложную (несколько групп) визуализацию;
- к каждой группе геоданных соотносятся группы сопроводительной, разнородной информации;
- формирование ряда осуществляется на основе связей по ключам групп разнородной информации с группой геоданных. Выбор групп разнородной информации осуществляется в зависимости от решаемой задачи.
Условия использования групп:
- в разных рядах может использоваться одна и та же группа разнородной информации;
- при формировании ряда может использоваться одна и та же группа разнородной информации несколько раз с различными ролями.
В результате формирования структур данных на основе хранящихся в базе ГИС геоданных и разнородной информации формируется определенный набор геоданных с сопроводительной информацией, который и будет визуализирован на экран оператору на основе шаблона, в котором описаны стили границ и заливки геообъектов, параметры шрифтов, фона.
Предложена визуализация информации динамическим конфигурированием электронного атласа по критерию наглядности с использованием правила и свойств "золотого сечения".
Наглядность - свойство психических образов объектов познания, выражающее степень доступности и понятности этих образов для познающего субъекта, т.е. способность быть легко воспринимаемым зрительно или логически иметь убедительную ясность.
Наглядность предполагает восприятие геопространственных объектов, фона и сопроводительной информации в виде, удобном для понимания и обозрения, с наложением (сокрытием) элементов геообъектов и информации по соотношению их площадей, не превышающим правило "золотого сечения".
Известные решения предполагают использование кластеризации объектов, прозрачных или "всплывающих" форм на электронной карте. Однако это не позволяет воспринимать отображаемую ситуацию в целом или четко наглядной.
Гармоничному восприятию образов человечество уделяло большое и пристальное внимание. Так, поиск идеальных пропорций в живописи, архитектуре, искусстве посредством математики привел к понятию "золотого сечения" - математического языка красоты.
"Золотое сечение" с математической точки зрения - иррациональное бесконечное число Ф≈1,618033988749894, которое определяется из отношения 1/х=х/(1-х), где х - длина большего отрезка в геометрической трактовке "золотого сечения". Для двумерного случая "золотое сечение" должно определять соотношение для площадей карты и объектов. Следовательно, 1/s=s/(1-s), где s - площадь динамически отображаемых геоданных.
Таким образом, предлагается использовать для улучшения визуализации геоданных и разнородной информации правила и свойства двумерного представления "золотого сечения" как решение оптимизационной задачи визуализации площадной геоинформации по критерию наглядности.
Сущность визуализации информации динамическим конфигурированием электронного атласа определяется следующими действиями.
1. На основе результатов формирования структур данных определяется слой (слои) выводимого набора геоданных.
2. Формируется сопроводительная (описательная) информация, соотнесенная к каждому геообъекту.
3. Рассчитывается площадь на экране геообъектов, выводимых с учетом их пространственных размеров и масштаба, используемого в электронном атласе
где М - масштаб электронного атласа (например, 1:10000);
I - число геообъектов;
- длина i-ого геообъекта в реальности;
qi - ширина i-ого геообъекта в реальности.
Размеры геообъекта в электронном атласе должны быть не менее минимальной размерности, которую различает глаз оператора, но и не более 0,62 от площади электронного атласа, или площади отображаемой части электронного атласа для конкретного случая
где Smin - площадь минимальной размерности, которую различает глаз оператора;
Ssi - площадь всех геообъектов, расположенных в электронном атласе.
4. Рассчитывается площадь на экране сопроводительной (разнородной) информации, определенной согласно принципа формирования структур из простых в сложные
где J - число текстовых блоков;
uj - длина j-ого текстового блока разнородной информации;
Oj - высота j-ого текстового блока разнородной информации.
При этом существует визуализация текстов как генерация изображений по входному тексту, так и изображение элементов текста, структур, извлеченных из текста, для аналитических целей. Во втором случае используют следующие подходы:
- множество данных или ключевых описании, извлеченных из хранилища, изображается на плоскости экрана, форма отображения - произвольная, целесообразно в качестве фона использовать цветовую палитру;
- текст (тексты) представляют графом, соотнесенным к геоданным.
5. Рассчитанные в (1) и (3) площади суммируют, и проверяют по критерию наглядности
где k - коэффициент покрытия географической и разнородной информацией полезной площади экрана, отображающего электронную карту (k=0,62; целесообразно k=0,38);
Sэ - площадь экрана, определяемая как
где L, Н - линейные размеры экрана.
6. Если условие (4) не выполняется, то необходимо динамически сконфигурировать визуализируемую информацию, для чего изменить масштаб представления и, применяя действия (1)-(5), проверить условие (4).
Используя полученные результаты, информация визуализируется.
Таким образом, визуализация сопроводительной информации ввиду большого объема и разнородности возможна только после предварительной подготовки. Предварительная подготовка не меняет геоданные, но позволяет сформировать набор разнородной информации в зависимости от решаемой задачи. Выводимая информация или объект не должны закрывать другие геопространственные объекты. Наличие сокрытых объектов не позволит осуществить быстрое принятие верного решения.
Преимущество данного подхода при визуализации информации динамическим конфигурированием электронного атласа подтверждается экспериментальным путем и свидетельствует, что способ избавляет оператора от ручной подгонки масштаба и отображаемой области, что экономит до 3 секунд на каждое обращение к карте.
Таким образом, предложенный способ дает технический результат, а именно повышает скорость конфигурирования и оперативную результативность промежуточной (итоговой) конфигурации представления (визуализации) разнородных данных из различных источников за счет автоматического масштабирования и центрирования электронного атласа на основе критерия наглядности, что позволяет увидеть новые неочевидные изменения и характеристики геоданных.
1. Способ динамической визуализации географической и разнородной информации в геоинформационной системе, заключающийся в том, что генерируют картографическим сервисом многослойную карту, содержащую геообъекты растрового и векторного форматов, отличающийся тем, что геообъекты из различных источников формируют в структуру данных на основе связей по ключам, связывают между собой через общую сущность, выбирают шаблон визуализации геообъектов с объектами сопроводительной информации, рассчитывают площадь геообъектов, выводимых в электронном атласе с учетом их пространственных размеров, рассчитывают площадь объектов сопроводительной информации, выводимых в электронном атласе с учетом их пространственных размеров, осуществляют подбор масштаба электронного атласа для вывода на экран, для чего суммируют площади геообъектов и объектов сопроводительной информации, проверяют по критерию наглядности, и в случае выхода границ объектов для визуализации за предельные значения изменяют масштаб электронного атласа до подходящей величины, затем осуществляют визуализацию геообъектов и объектов сопроводительной информации на экране.
2. Машиночитаемый носитель, предназначенный для непосредственного участия в работе компьютера для осуществления способа по п. 1.
