Алгоритмы оперативного отображения большеформатных цифровых карт

• Автор: Матвеев, Захар Александрович
• Шифр специальности: 05.01.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 151 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ГИС И ЗАДАЧА ВИЗУАЛИЗАЦИИ (ОБЗОР)
1Л Традиционные и цифровые карты
1.2 Обзор отечественных и зарубежных ГИС./
1.3 Форматы представления географических данных
1.4 Визуализация картографических данных
1.4.1 Оптимизационные задачи дискретной геометрии
Выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ОПЕРАТИВНОСТИ
СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ВЕКТОРНЫХ КАРТ
2.1 Предварительная обработка исходных данных
2.1.1 Сокращение объема исходного графического файла
2Л .2 Классификация графических примитивов и их подмножеств
2.1.3 Внедрение семантики в графику
2.2 Внутренний формат- как математическая модель пространственных данных
2.3 Индексация отображаемых объектов
2.3.1 Статическая и динамическая индексация
2.3.2 Метод окаймляющих прямоугольников
2.3.3 Иерархическая индексация
2.3.4 Повторная индексация
2.4 Оптимизация алгоритма массового отсечения отрезков
2.5 Генерализация отображаемых объектов
2.6 Совместное использование различных приёмов индексации
2.7 Алгоритмы преобразования координат векторного документа
2.8 Оптимизация алгоритма локальной навигации
2.9 Использование многоядерных процессоров
Выводы
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ВИЗУАЛИЗАТОРА
ВЕКТОРНЫХ КАРТ
3.1 Основные компоненты системы визуализации
3.2 Применение шаблонов проектирования
3.3 Применение пользовательского распределителя динамической памяти
Выводы
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
РАЗРАБОТАННОГО ВИЗУАЛИЗАТОРА
4.1 Методика оценки производительности
4.2 Анализ экспериментальных данных
Выводы
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение

Введение
Актуальность работы. Современная экономическая, управленческая и исследовательская деятельность человека тесно связана с анализом пространственного положения объектов земной поверхности. Такого рода сведения необходимы при решении широкого спектра задач. Это - управление наземным, воздушным и водным транспортом, проектирование, разработка и эксплуатация различных коммуникаций, гражданское строительство и управление коммунальным хозяйством, землеустройство и экология, разведка полезных ископаемых, оборонная деятельность и многое другое.
На протяжении веков пространственные географические данные описывались с помощью разнообразных бумажных документов, сначала рукописных, а затем и типографских. В 50-х годах прошлого столетия были начаты исследования возможности хранения и обработки пространственной информации с помощью ЭВМ. Появляются первые географические информационные системы (ГИС), формируется геоинформатика - наука о принципах и методах цифрового моделирования объектов реальности в форме пространственных данных, а также производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию геоинформационных систем.
В настоящее время существует множество автоматических и автоматизированных картографических систем (АКС), использующих различного рода программные и аппаратные средства, ориентированные на работу с геоинформационными данными. Такие комплексы обеспечивают сбор, редактирование, хранение, оперативную визуализацию и распространение пространственной информации в виде электронных карт или их твердых копий. Описание цифровой карты на ту или иную территорию земной поверхности, хранящееся в специализированной базе картографических данных (СБКД), представляет собой совокупность сведений о пространственных объектах двух видов: геометрических (позиционных) и атрибутивных (семантических). Геометрическая часть отражает геометрию объекта (указание положения объекта, элементы графического оформления), а атрибутивная содержит характеристики объектов (их качественные или количественные параметры) и пространственно-логические связи между ними.
Одним из наиболее трудоемких этапов проектирования и эксплуатации любой ГИС является наполнение СБКД, анализ полноты представленной информации и ее достоверности. Здесь применяется автоматическое и автоматизированное сканирование существующих оригиналов картографических документов и аэрофотоснимков земной поверхности, корректируются искажения, возникающие в результате деформации или плохого качества исходных документов, учитываются данные геодезических изме-

рений и др. Ряд проверок полноты и качества пространственной информации осуществляется в автоматическом режиме, но окончательное заключение о точности и качестве электронной карты принимается специалистом-редактором по результатам тщательного визуального контроля содержимого СБКД.
Электронные карты обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными бумажными документами. Они не подвержены механическим и климатическим воздействиям, их можно легко копировать без потери точности, подвергать различным масштабным преобразованиям (в т.ч. и изменению системы координат); из них можно напрямую извлекать информацию, используемую различными компьютерными приложениями. Однако в связи со стихийными бедствиями, в связи с воздействием человека на окружающую обстановку, - и те, и другие карты со временем перестают соответствовать тому участку земной поверхности или водной акватории, которую они описывают. Поэтому архивы цифровых карт, требующие для своего создания огромных затрат времени, средств и людских ресурсов, нуждаются в постоянном обновлении. Основным источником информации на этом этапе служат данные аэро- и космической съемки.
Правильность интерпретации, генерализации и согласования отображаемых объектов лежит на квалифицированных редакторах. Поэтому к подсистеме визуализации любой ГИС предъявляются повышенные требования как по скорости и точности отображения, так и по возможности оперативного масштабирования исследуемого фрагмента, по выводу отдельных слоев листа карты, по воспроизведению заданных объектов и их характеристик.
Объектом исследования является технология визуализации векторных графических описаний большеформатных листов электронных карт.
Предметом исследования являются алгоритмы и средства повышения производительности систем отображения графических файлов формата НР-СЬ.
Цель.работы - создание импортозамещающего аналога лучших зарубежных визуализаторов графических изображений, подготовленных для издания малой серией полноцветных цифровых карт, а также разработка алгоритмов повышения скорости отображения таких изображений.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих основных научных и практических задач:
Проведение анализа существующих систем отображения картографической информации и оптимальных классических алгоритмов решения типовых задач отображения графических примитивов.

няет автоматическое установление связей между картографическими объектами и приписанными к ним подписям. Дополнительно приходится учитывать, что на топографических картах используется 27 разных по начертанию шрифтов, каждый из которых вместе с высотой символов несет смысловую нагрузку. Многие надписи, особенно на морских картах, располагаются вдоль плавных кривых с различным шагом между буквами. А при выходе на границу рамки листа часть надписи может быть развернута в совершенно неожиданном направлении.
Поиск, анализ этих и других ошибок, а также заключение о точности и качестве электронной карты принимается специалистом-редактором по результатам тщательного контроля графического образа созданной электронной карты с использованием системы визуализации.
В связи с этим, разработка программного обеспечения, обеспечивающего построение графического образа цифровой электронной карты на экране дисплея, является весьма актуальным для любой АКС. При разработке визуализатора большеформатных картографических документов особое внимание следует уделять вопросам точности и оперативности воспроизведения цифровой карты.
Когда мы говорим о "большеформатных" картах, надо учитывать, что для листов цифровых топографических карт со средней нагрузкой объем соответствующего графического файла колеблется в диапазоне от 10 до 100 Мбайт и может содержать порядка 10б - 107 графических команд. '
Большой размер рассматриваемых графических файлов, обусловлен, во-первых, спецификой предметной области. Так, например, на одном листе топографической карты масштаба 1:25000 содержится, в среднем, 109 двоичных единиц (бит) информации различного рода — картографические объекты с их многочисленными характеристиками, элементы оформления (рамка, зарамочные подписи, легенда, сетка квадратов, километровая сетка), цветовые выделения (заливка или штриховка площадных объектов) и т.п. Следующими обстоятельствами, влияющими на размер файлов с графическим образом цифровой карты, являются размеры оригинального документа и требования по точности к его отображению на твердых носителях. Размер листов морских навигационных карт по одной из координат зачастую превосходит 1 метр. При этом ошибка в воспроизведении рамки листа, замеряемая по отклонению длин главных диагоналей от их теоретических размеров, не должна превышать 0.2-0.3 мм. По отношению к почти полутораметровой диагонали допустимая погрешность не превосходит 0.02%.
По этой же причине на экране дисплея необходимо отображать фрагменты электронных карт с увеличением 4-8 раз и более. На полном листе карты таких фрагментов от 100 до 1000, и к некоторым из них при-