Система автоматизированного проектирования и моделирования 3D ГИС

tions), Infokommunikacionnye tehnologii, 2013, T. 11, No. 2, pp. 22-28.

18. Gladkikh A. A., Chilikhin N. Y. Formiro-vanie mjagkih reshenij v sisteme shirokopolosnogo kanala svjazi s QPSK-QAM (The formation of soft solutions in broadband communication channel with QPSK-QAM), Avtomatizacija processov upravlenija, 2013, No. 3 (33), pp. 75-79.

19. Klimov R. V., Solodovnikova D. N. Metody formirovanija indeksov mjagkih reshenij simvolov na osnove modifikacii parametrov kanala so stiranijami (Methods of formation of indexes of soft decision symbols based on a modification of the parameters of the channel with erasures), Radiotehnika, 2014, No. 11, pp. 90-93.

20. Gladkikh A. A., Baskakova E. S., Maslov A. A., Tamrazjan G. M. Jeffektivnoe dekodi-

rovanie nedvoichnyh kodov s provokaciej stertogo jel-ementa (Efficient decoding of nonbinary codes, with the provocation of the erased element), Avtomatizacija processov upravlenija, 2013, No. 2 (32), pp.87-93.

21. Chilikhin N. Y. Strukturnye osobennosti kodovyh kombinacij poljarnyh kodov i kodov Rida-Mallera (Structural features of codewords of polar codes and reed-Muller codes), Sovremennye problemy proektirovanija, proizvodstva i jekspluatacii radio-tehnicheskih sistem, 2015, No. 1-2 (9), pp.139-141.

Дата поступления статьи в редакцию 6.04.2017, принята к публикации 10.05.2017.

_05.13.00 ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ_

05.13.12 УДК 004.4.22

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ 3D ГИС

© 2017

Булаев Алексей Александрович, аспирант, инженер кафедры «Телекоммуникационные технологии и сети» Липатова Светлана Валерьевна, кандидат технических наук, доцент, преподаватель кафедры «Телекоммуникационные технологии и сети» Смагин Алексей Аркадьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Телекоммуникационные технологии и сети» Ульяновский государственный университет, Ульяновск

Аннотация

Введение. Статья посвящена актуальной теме проектирования трёхмерных геоинформационных систем (3D ГИС). Проектирование 3D ГИС вызывает определенные сложности в силу необходимости работы с пространственными данными, 3D моделями и отображением изменений ситуационной обстановки. Всё это требует высокой квалификации проектировщика, который знаком с проектированием информационных систем и одновременно с технологиями геоинформатики. Использование 3D ГИС отображения обстановки позволяет улучшить качество принимаемых решений за счёт её визуализации в трёхмерном виде и возможностей её моделирования.

Материалы и методы. Предложен подход к автоматизации проектирования 3D ГИС на основе специализированного CASE-средства. Представлена его подробная структурная модель, режимы его функционирования. Для автоматизации работы с CASE-средством разработан мастер генерации проектных решений и представлено дерево шагов выбора процедур. С помощью CASE-средства производится генерация проектных решений. Приведены примеры проектных решений. Рассматриваются вопросы использования свободно-распространяемых ресурсов, их адаптация к проектным решениям.

Результаты. Предложена система 3D моделирования для оценки качества проектных решений, позволяющая визуализировать ситуационную обстановку в заданной местности. Указаны режимы функционирования 3D ГИС и способы ввода геоинформации. Представлена алгоритмическая база как для проектирования, так и для реализации 3D ГИС.

Обсуждение. Разработанные модели, диаграммы и алгоритмы проектирования 3D ГИС формируют базу для создания ориентированного CASE-средства проектирования 3D ГИС отображения ситуационной обстановки и позволяют генерировать проектные решения и исходные коды файлов заголовков для последующей разработки на их основе 3D ГИС.

Заключение. Разработанное CASE-средство проектирования 3D ГИС обеспечивает повышение качества и уменьшение сложности проектирования современных трехмерных геоинформационных систем, а система 3D моделирования проектных решений позволяет проводить визуальную оценку проектных решений для последующей их программной реализации.

Ключевые слова: брокерная модель, вектор, геоданные, обстановка, проектирование, проектное решение, растр, режим обстановки, свободно распространяемые библиотеки, система моделирования, ситуация, структурная модель, файл заголовков, функциональная модель, ядро, SD-ГИС, CASE-средство, ERD диаграмма.

Для цитирования: Булаев А. А.., Липатова С. В., Смагин А. А. Система автоматизированного проектирования и моделирования 3D ГИС // Вестник НГИЭИ. 2017. № 6 (73). С. 18-31.

SYSTEM OF AUTOMATED DESIGN AND MODELING OF 3D GIS

© 2017

Bulaev Alexey Alexandrovhich, the postgraduate student, the engineer of the chair «Telecommunications Technologies and Networks» Lipatova Svetlana Valerevna, the candidate of technical sciences, the associate professor and the lecturer of the chair «Telecommunications Technologies and Networks» Smagin Aleksei Arkadievich, the doctor of technical sciences, the head of the chair «Telecommunication Technologies and Networks» Ulyanovsk State University, Ulyanovsk

Annotation

Introduction. The article is devoted to the actual topic of designing 3D geoinformation systems (3D GIS). Designing 3D GIS causes certain difficulties due to the need to work with spatial data, 3D models and display of changes in situational situation. All this requires a high qualification of the designer who is familiar with the design of information systems and simultaneously with the technologies of geoinformatics. The use of 3D GIS display of the situation allows to improve the quality of the decisions made due to its visualization in three-dimensional form and the possibilities of its modeling.

Materials and Methods. An approach to the automation of 3D GIS design based on the specialized CASE-tool is proposed. Its detailed structural model, modes of its functioning are presented. To automate the work with the CASE-tool, a wizard for generating design solutions has been developed and a tree of steps for selecting procedures is presented. With the help of the CASE-tool, the generation of design solutions is carried out. Examples of design solutions are given. The issues of using freely distributed resources, their adaptation to project solutions are considered.

Results. A 3D modeling system is proposed to evaluate the quality of design solutions, allowing to visualize the situational situation in a given locality. The modes of operation of 3D GIS and methods of inputting geoinformation are indicated. The algorithmic base for both design and implementation of 3D GIS is presented.

Discussion. The developed models, diagrams and algorithms for designing 3D GIS form the basis for creating an oriented CASE-tool for designing 3D GIS mapping of situational situation and allow generating design solutions and source code header files for subsequent development of 3D GIS based on them.

Conclusions. The CASE-developed 3D GIS design tool improves the quality and complexity of designing modern 3D geoinformation systems, and the 3D modeling of design solutions allows for a visual assessment of design solutions for their subsequent software implementation.

Keywords: 3D GIS, broker model, CASE, core, engineering, ERD diagram, function model, geodata, header file, modeling system, open source libraries, project decision, raster, situation, situation mode, structure model, vector.

Введение

Проектирование 3D ГИС вызывает определенные сложности в силу необходимости работы с пространственными данными, 3D моделями и отображением изменений ситуационной обстановки. Всё это требует высокой квалификации проектировщика, который знаком с проектированием информационных систем и одновременно с технологиями геоинформатики. Чем сложнее ситуационная обстановка в реальном мире, тем сложнее и труднее её отображение в компьютерной среде. Использование 3D ГИС отображения обстановки позволяет улучшить качество принимаемых решений за счёт её визуализации в трёхмерном виде и возможностей её моделирования. В силу того, что 3D ГИС вошли в нашу жизнь, к ним возрос интерес

со стороны тех организаций, которым необходимо их практическое применение. Само проектирование 3D ГИС представляет собой некоторый барьер для большинства пользователей, которым необходимо спроектировать качественную 3D ГИС.

Одним из эффективных средств автоматизации проектирования информационных систем (ИС) является CASE-средство, которое позволяет уменьшить временные затраты и ресурсы на создание ИС, сохраняя при этом необходимые качества. Такие CASE-средства носят специализированный характер и ориентируются на свою область применения. В настоящей работе предлагается CASE-средство генерации проектных решений для создания и практического использования 3D ГИС в разнообразных областях применения, позволяющее

устранять трудности проектирования и сделать 3D ГИС более доступными [1].

Материалы и методы

Предметная область 3D ГИС включает в себя четыре основных объекта: ситуацию, событие, обстановку, состояние. Каждый объект предметной области может быть как элемент внешнего мира или отображающий его элемент 3D ГИС [2; 3].

Внешний мир представляет собой множество состояний объектов окружающего мира:

- состояние - множество параметров, которые характеризуют объект в конкретный момент времени со статической и динамической точки зрения.

- обстановка - множество объектов, возможных связей между ними, их состояний.

- событие - изменение состояния обстановки

- ситуация - одно из состояний внешнего мира, характеризующегося условиями и обстоятельствами обстановки.

При проектировании 3D ГИС производится отображение вышеперечисленных понятий внешнего мира в среду 3D ГИС, при этом:

- состояние - режим работы 3D ГИС (суша, море, воздух).

- событие - получение информации об изменении обстановки от внешних систем по трем доступным каналам.

- ситуация - отображение обстановки внешнего мира в текущий момент времени. Задание текущего состояния 3D ГИС.

- обстановка - совокупность моделей объектов 3D ГИС, возможных связей между ними и их состояний, местности на экране.

Структура CASE-средства 3D ГИС представлена на рисунке 1.

CASE-средство является трехуровневой структурой. Первый уровень - уровень хранения данных - содержит базу данных описания обстановки и базу данных инструментов реализации. Эти базы строятся на основе двух реляционных моделей представления данных: модели обстановки и модели описания инструментов. Указанные модели используются для описания функций и объектов проектируемой 3D ГИС, а именно на уровне представления информации находится интерфейс разработчика, который позволяет использовать модели и предоставить проектировщику средства для формализации функциональных требований. Также через интерфейс проектировщик и программист могут получать доступ к результатам проектирования, а именно: просматривать проектные решения в виде диаграмм и получать файлы заголовков на выбранном языке программирования.

Проектировщик

Файл заголовков

Рисунок 1 - Структура CASE-средства проектирования 3D ГИС

Задание функций

3D ГИС

Задание объектов Задание требований к реализации

обстановки

Рисунок 2 - Модель бизнес-процесса функционирования CASE-средства проектирования 3D ГИС

На втором уровне - уровне бизнес-логики -находятся функциональные модули, позволяющие на основе пересечения множеств функций обобщенной функциональной модели 3D ГИС и функций, описанных проектировщиком, определять доступные для данного проекта библиотеки и на основе описания библиотек на уровне хранения в модуле проектирования формировать проектные решения. К проектным решениям относятся: структурная модель, в которой библиотеки объединяются в функциональные подсистемы и обозначаются модули, требуемые для собственной разработки, и, с учётом выбранных библиотек, определяется архитектура (клиент-серверная, web-сервис -ориентированная и т. д.) 3D ГИС; функциональная модель проектируемой 3D ГИС на основе требований проектировщика может быть представлена в виде дерева функций или в виде диаграммы UML прецедентов использования; диаграмма интерфейсов, которая описывает схему API между свободно распространяемыми библиотеками и собственными разработками в виде диаграмм классов UML.

На основе указанных требований может быть сформировано несколько вариантов проектных решений, которые автоматически оцениваются в модуле оценки решений по следующим критериям: количество строк кода в библиотеке, количество связей между библиотеками, однородность технологий разработки (языка описания, протоколов взаимодействия, архитектуры).

На третьем уровне - уровне представления -находятся интерфейс разработчика и модуль визу-

ализации. На базе полученных оценок пользователь может выбрать лучшее для него проектное решение и просмотреть его в виде диаграмм в модуле визуализации, а также на базе диаграммы классов получить заголовочные файлы с помощью модуля генерации кода [1].

Предлагаемое CASE-средство может осуществлять информационную поддержку проектировщику и разработчику на этапах анализа и проектирования 3D ГИС, а файлы заголовков являются результатом проектирования, используемым на этапе реализации 3D ГИС [4; 5].

Процесс функционирования CASE-средства, т. е. преобразования входных данных в выходные, представлен в виде модели BPMN (рисунок 2). Пользователь поэтапно должен выполнить 4 шага: выбрать тип 3D ГИС, ее функции, отображаемые объекты и требования к реализации. После этого CASE-средство перейдет к построению и оценке проектных решений. На диаграмме отображена зависимость процесса построения моделей и диаграмм 3D ГИС от действий пользователя.

Набор моделей и диаграмм является достаточным для запуска процедуры генерации файлов заголовков. Файл заголовков представляет собой указания классов используемых библиотек или алгоритмов функционирования 3D ГИС, которые реализованы в данной работе и могут быть реально применены на практике при реализации 3D ГИС. К ним относятся:

- алгоритм идентификации ситуации;

- алгоритм распознавания объекта;

- алгоритм привязки растрового изображения по координатам;

- алгоритм рисования фигуры на карте;

- алгоритм полёта камеры;

- алгоритм обмена информацией с внешними системами;

- алгоритм фильтрации слоёв информации;

- алгоритм построения модели обстановки. Кроме алгоритмов функционирования 3D ГИС для программной реализации проектного решения используются указанные в проектном решении модели и диаграммы компонентов проектируемой 3D ГИС, форматы карт, предложенных заказчиком [6; 7; 8].

Задание на проектирование

Рисунок 3 - Структура задания на проектирование 3D ГИС

Входными данными CASE-средства являются задания на проектирование информационной системы (рисунок 3). Задания выдаются заказчиком информационной системы и преобразуются проектировщиком в поддерживаемый CASE-средством формат. Также необходимыми атрибутами функционирования CASE-средства являются требования на поставленные задания и условия, при которых функционирует система.

Для обеспечения генерации проектных решений в соответствии с заданием разработана система управления CASE-средством в виде панели управления (рисунок 4), на которой отдельными блоками выделены следующие команды: выбор

типа 3D ГИС, выбор режимов обстановки, выбор функций, выбор объектов обстановки, выбор языков программирования, выбор платформы, выбор генерируемых моделей 3D ГИС и выбор форматов карт [9; 10].

CASE-средство функционирует в двух режимах:

- ручное управление;

- автоматизированное управление.

В основу проектирования 3D ГИС положено ядро, состав которого является необходимым атрибутом всякой аналогичной системы и отражает такие функции, как визуализация обстановки, имитация движения трехмерных объектов, работа с со-

бытиями внешнего мира, интерфейсная часть. Ядро 3D ГИС представляет собой самостоятельный программный компонент, который может взаимодействовать с дополнительными модулями, такими

как: модуль определения пересечений объектов, модуль определения взаимного расположения двух объектов, модуль печати обстановки и 3D объектов на местности [11].

Выбор типа ЭР ГИС

CASE-средство проектирования ЭР ГИС

Выбор режимов обстановки

Выбор функций ЭР ГИС

Выбор объектов обстановки

Выбор платформ

Выбор языков программирования

Выбор генерируемых моделей

Выбор форматов карт

Генерация проектных решений

Рисунок 4 - Панель управления CASE-средства проектирования 3D ГИС

Ручное управление CASE-средством производится на панели управления CASE-средства и позволяет пользователю задавать функции 3D ГИС, объекты обстановки, ситуации и требования к реализации 3D ГИС. После того, как все требования к проектируемой 3D ГИС заданы, пользователь вручную запускает генерацию проектных решений активацией соответствующего элемента на панели управления CASE-средства. Дополнительной возможностью является выбор типа ядра 3D ГИС и режимов обстановки. В зависимости от выбранного типа 3D ГИС CASE-средство автоматически задаёт обязательные функции и объекты обстановки и по умолчанию формирует 3D ГИС на базовом ядре, включающем минимальный набор обязательных функций. Дополнительно существует возможность сохранения выбранных настроек в файл и последующая их загрузка.

В CASE-средстве для пользователя доступны режимы морской, воздушной и наземной обстановки. Каждый режим задаёт свой набор объектов об-

становки, местности и ситуаций. Возможен выбор нескольких режимов для отображения смешанной обстановки.

В CASE-средство встроен мастер генерации проектных решений - инструмент, помогающий пользователю CASE-средства быстро и наглядно осуществлять выбор всех необходимых требований 3D ГИС и формировать проектные решения. Мастер генерации проектных решений отображается на экране как последовательно сменяющие друг друга диалоговые окна.

Мастер генерации проектных решений помогает осуществлять следующие процедуры:

- выбор типа 3Р ГИС;

- выбор режимов отображения;

- выбор функций 3Р ГИС;

- выбор объектов обстановки;

- выбор языка программирования;

- выбор платформ;

- выбор генерируемых моделей 3Р ГИС;

- генерация проектных решений.

Формально эти процедуры представлены в нерации проектных решений 3D ГИС, на рисун-

виде шагов на дереве, выполняемых мастером ге- ке 5.

Начало

Выбор типа 3Б ГИС

Рисунок 5 - Дерево шагов выбора процедур мастера генерации проектных решений 3D ГИС

Мастер генерации проектных решений позволяет пользователям CASE-средства максимально быстро и качественно задать все функциональные

требования проектируемой 3D ГИС, и на их основе CASE-средство генерирует проектные решения для последующей их реализации [12; 13].

Проектное решение представляет собой набор моделей и диаграмм 3D ГИС, а также библиотек для разработки 3D ГИС, подобранных по заданным проектировщиком функциям и объектам обстановки. Множество проектных решений, генерируемых CASE-средством, образуют логическую цепь моделей и диаграмм 3D ГИС, на базе которых формируются исходные коды файлов заголовков на выбранном языке программирования [14].

Модель описания обстановки 3D ГИС включает в себя тип местности (суша, море, воздух), модели текстур и рельефа, динамические и статические объекты, которые взаимодействуют между собой, и ситуации [15; 16].

Функциональная модель 3D ГИС обеспечивает такие работы, как: работа с графикой, работа с Интернет, работа с базами данных, работа с геоданными. Отдельно выделяется работа с файловой системой, без которой невозможно обеспечить функции, решаемые перечисленными выше задачами.

ERD модель библиотек отображает подобранные CASE-средством свободно распространяемые библиотеки, которые используются при разработке 3D ГИС, а также интерфейсы их взаимодействия между собой.

Структурная модель 3D ГИС описывает компоненты системы и их взаимосвязи. Каждый компонент может быть разбит на меньшие составляющие - модули.

Брокерная модель отображает способы взаимодействия ядра 3D ГИС с библиотеками и собственными разработками. В случае несоответствия интерфейсов библиотеки интерфейсу ядра модель указывает на необходимость разработки брокера -специального компонента, который обеспечивает преобразование данных из формата, поддерживаемого библиотекой в формат ядра 3D ГИС и наоборот.

Диаграмма классов описывает модель предметной области, в которой присутствуют только классы прикладных объектов. Каждый объект в диаграмме классов имеет уникальный идентификатор, название, атрибуты и методы. На основе диаграммы классов CASE-средство генерирует файлы заголовков, которые в дальнейшем могут использоваться при программной реализации 3D ГИС.

Результаты

При разработке CASE-средства был выбран язык программирования Python с использованием графического интерфейса Qt. Преимуществами Python являются: простота в изучении, удобочитаемый синтаксис, возможность объектно-

ориентированного программирования, большое количество дополнительных библиотек. Программы, разработанные на языке Python, функционируют на большинстве современных операционных систем, в том числе Windows, Mac OS, Linux, Android.

После выбора проектировщиком функций 3D ГИС, объектов обстановки, поддерживаемых языков программирования, форматов карт и платформ становится доступной возможность генерации проектных решений. Пример формы «Проектные решения 3D ГИС» CASE-средства представлена на рисунке 7. В левой части формы отображаются все полученные проектные решения. Для каждого проектного решения CASE-средство рассчитывает приблизительную сложность. Оценка сложности производится по формуле:

S = a П+ Ь  Щпе + C ' Пгш + d ' П nnput + e ' % + f ' "brlor

где ncustom - количество собственных разработок; Пцпе - общее количество строк кода всех библиотек; ntime - общее время выполнения функций библиотек; ninput - среднее количество входных данных API библиотек; пиъ - количество библиотек; nbroker -количество брокеров; а, Ъ, c, d, е, f - веса соответствующих характеристик.

Все веса оцениваются и задаются экспертами в зависимости от практического использования CASE-средства и опыта проектирования 3D ГИС.

При выборе проектного решения из списка проектных решений в правой части формы «Проектные решения 3D ГИС» отображается информация по данному решению: набор библиотек, выбранных CASE-средством, процент собственных разработок, количество необходимых брокеров и оценка сложности в реализации данного проектного решения [17].

Для каждого проектного решения есть возможность просмотра моделей 3D ГИС с помощью панели управления. Для оценки корректности проектных решений, выданных CASE-средством, необходимо иметь систему их моделирования, которая включает в себя визуальный контроль, тестирование и методику испытаний. Для создания системы 3D моделирования предложено использовать CASE-средство выработки проектных решений, каждое из которых прошло полную проверку на соответствие качеству.

На базе таких проектных решений была создана система 3D ГИС моделирования ситуационной обстановки, которая наиболее полно охватывает большинство режимов обстановки, встречаемых

в реальном мире. На рисунке 8 изображена функциональная модель системы 3D моделирования, включающая в себя выполнение таких работ, как: работа с графикой, работа с Интернет, работа с базами данных, работа с геоданными. Отдельно выделяется работа с файловой системой, без которой невозможно обеспечить функции, решаемые перечисленными задачами [3; 7].

Функции, обеспечивающие работу с графикой, визуализируют 3D-глобус, обстановку на карте, 3D-объекты, текстуры и рельеф. Первоначальная векторная пространственная модель описывает при помощи уравнений положение объектов на 3D-сцене. Далее эта модель преобразовывается в растровое изображение и при помощи пикселей отображается на экране.

Функции для работы с Интернет обеспечивают взаимодействие с Интернет-источниками об-

становки, векторными (WMS, WFS) и растровыми форматами данных. В базу данных разработчиками на этапе проектирования заносится информация о текстурах, высотах и 3D-объектах, используемых в 3D-ГИС в различных СУБД.

Функции, обеспечивающие работу с геоданными, дают возможность создания, чтения и редактирования растровых и векторных данных. Все геоданные хранятся в базе данных, что позволяет обеспечить быстрый поиск и доступ к ним [3].

Для обеспечения выполнения перечисленных выше работ необходимо иметь полный набор библиотек, который мог бы решать все поставленные задачи. При этом все ресурсы в наборе должны быть совместимы с языком программирования, на котором создаётся 3D-ГИС. Однако на практике такой набор найти не всегда представляется возможным.

CASE-средств о проектирования 3D ГИС Файл

Проектные решения

Проектное Проектное Проектное Проектное Проектное Проектное Проектное Проектное Проектное Проеетное Проектное Проектное Проеетное Проектное Проектное

Проектное <

решение 1 (MySQL, Собственная разработка, osgEarth, GOAL,. О' Л решение! (Собственная разработка,. osgEarth, NoSQU GDAU ОС И решение 3 (MySQU Собственная разработка, osgEarth, GDAL, О' решение 4 (NoSQU OGRv Собственная разработка, osgEarth, My решение 5 (OpenSceneGraph,. OGR^ Собственная разработка, ose решение б (OpenSceneGraph, NoSQU О GR, Собственная разраб< решение 7 (MySQU OpenSceneGraph, osgEarth, Собственная раз решение 8 (OpenSceneGraph, NoSQU OGR,. Собственная разраб| решение 9 (OGR, Собственная разработка, osgEarth, GDAL, MySiB решение 10 (Собственная разработка, osgEarth, NoSQU GDAL, С Щ решение 11 (OGR, Собственная разработка, osgEarth, GDAL, My! Щ решение 12 (NoSQU OGR, Собственная разработка, osgEarth, М"И решение 13 (OpenSceneGraph, OGR,, Собственная разработка, о: I решение 14 (OpenSceneGraph, NoSQU OGR, Собственная разрас| решение 15 (OGRr OpenSceneGraph, osgEarth, Собственная разр решение 16 (OpenSceneGraph, NoSQL, PGR, Собственная разраС v

ERD диаграмма базы данных обстановки

Модель обстановки

Диаграмма классов

Структурная модель

Генерация файлов заголовков

Описание проектного решения 5

Библиотеки: MySQL, OpenSceneGraph, osgEarth, GDAL, OGR

Собственные разработки: 67.00%

Количество строк кода библиотек: 2613 строк

Суммарное время выполнения функций библиотек: 633 оек

Среднее количестно входных: переменных: Z.00 переменных

Количество брокерон: 11 брокеров

Общая сложность: 301,84

ERD модель библиотек

Брокерная модель

Функциональная модель

Сохранение проекта

Рисунок 7 - Проектные решения 3D ГИС

При моделировании возможно сочетание и образование смешанных режимов обстановки, таких как:

- режим «наземная обстановка» представляет собой один из вариантов возможной обстановки, в которой событие происходит на суше (например, на территории города);

- режим «воздушная обстановка» представляет вариант обстановки, в которой событие происходит в воздухе (например, полёт самолётов);

- режим «морская обстановка» представляет собой вариант обстановки, в которой событие происходит на море;

- режим «наземная и морская обстановка» представляет собой вариант обстановки, в которой событие происходит и на суше, и на море при участии объектов: кораблей, гражданских судов, моделей местности: берега, моря;

- режим «наземная и воздушная обстановка» представляет собой вариант обстановки, в которой

событие происходит и на суше, и в воздухе (воздушное пространство над сушей);

- режим «воздушная и морская обстановка» представляет собой вариант обстановки, на которой событие происходит и на море, и в воздухе (воздушное пространство над морем);

- режим «наземная, воздушная и морская обстановка» представляет собой вариант обстановки, на которой событие происходит в один и тот же интервал времени и на суше, и на море, и в воздухе (например, в районе побережья полуострова Крым).

Рисунок 8 - Функциональная модель 3D ГИС

Обсуждение

Процесс моделирования проектных решений начинается с выбора моделей ситуаций отображения обстановки. Такая обстановка может быть задана одним из трёх способов: через ручной ввод, через XML файл и по UDP порту. Для ручного ввода на панели управления системы 3D моделирования имеется «Выбор режима обстановки».

После этого необходимо задать координаты местности, на которой моделируется развиваемая ситуация. На панели управления это задание отображается в виде текстовых полей для ввода необходимых координат [18].

Следующим шагом является заполнение местности, загрузка карт, рельефа местности, объектов, принимающих участие в ситуации. В системе 3D моделирования есть возможность задания формата карт: растровых (GeoTIFF, PNG, JPG) и векторных (SHAPE, KML, S57, SXF).

Основные режимы системы 3D моделирования:

- режим отображения динамики движения объектов путём внесения координат. Для этих целей в меню объекта задаются начальные и конечные координаты;

- режим облёта камеры, который предназначен для обеспечения более качественного просмотра построенного участка местности;

- режим переключения отображаемых слоёв обстановки, который осуществляется для временного отключения ненужных в данный момент сло-ёв;

- каркасный режим - в этом режиме производится анализ рельефа местности с целью принятия решения о направлении движения динамических объектов;

- режим наложения различных типов карт, который предназначен для интеграции, отображе-

ния и сравнения объектов с разных карт на одной местности (дороги, строения, ЛЭП);

- режим полноэкранного отображения, который служит для большей наглядности и имеет максимальное рабочее пространство;

- режим добавления векторных объектов - в данном режиме пользователь имеет возможность ручного добавления линий и полигонов на местности при помощи клавиатуры и мыши;

- режим фильтрации объектов - режим, позволяющий временно скрывать некоторые, ненужные в данный момент объекты для более удобного просмотра местности;

- режим слежения за объектом - это динамический режим, который обеспечивает анализ изменения местоположения объектов, заданных трёхмерными моделями.

Система 3D моделирования проектных решений запускается из терминала операционной системы вводом специальной команды запуска (в формате: gis [-coord <координаты_местности>] [-config <путь_к_файлу_конфигурации>] [--angle <угол_наклона_камеры>]), при этом имеется возможность задания в параметрах команды географических координат, с которых начнется отображение обстановки при запуске системы, а также

угла наклона камеры к горизонту и набора слоев отображения обстановки [1; 3; 5].

При инициализации системы моделирования осуществляется построение трехмерной модели поверхности Земли в текстурированном или каркасном виде. Интерфейс системы моделирования представляет собой рабочее пространство, на котором отображается трёхмерная модель Земли с наложенными текстурами, рельефом, объектами обстановки, панель управления с перечнем основных команд системы моделирования и главное меню, в котором размещены настройки системы и некоторые дополнительные функции (рисунок 9).

Масштабирование трехмерных моделей в подсистеме 3D-визуализации производится с автоматической картографической генерализацией, путем изменения степени детализации объектов в зависимости от расстояния до камеры.

С увеличением расстояния до камеры трехмерная модель становится более неточной, за счет снижения числа отображаемых полигонов модели, оставляя тем самым лишь наиболее заметные черты, по которым её можно распознать. Например, модель Земли при достаточном отдалении сменяет округлую форму на форму выпуклого многогранника.

Рисунок 9 - Система 3D моделирования проектных решений

Навигация по трехмерной сцене в режиме реального времени по всем степеням свободы осуществляется при помощи движения курсора мыши: изменение уровня горизонта, масштабиро-

вание в точку нахождения курсора, перемещение по карте. Космические снимки высокого разрешения подгружаются в систему моделирования из базы текстур и трансформируются на всю терри-

торию с учетом рельефа благодаря информации, подгружаемой из базы высот и глубин. База текстур и база высот и глубин могут находиться как на локальной машине, так и на удаленной.

Система моделирования позволяет накладывать на поверхность и визуализировать растры GeoTIFF, векторные данные, например, shape-файлы ESRI, OGC-совместимые веб-сервисы (например, WMS), слои ГИС, опубликованные при помощи MapServer или ESRI ArcGIS Server, а также карты OpenStreetMap, ArcGIS Online или NASA OnEarth. В системе моделирования возможны поиск и выделение объекта, которые осуществляются с помощью поисковой строки, расположенной на панели управления системы моделирования. После набора пользователем поисковой строки и нажатия клавиши «Enter» происходит центрирование камеры на результаты поиска.

Фильтрация отображения слоев информации в системе моделирования осуществляется с помощью графических элементов, расположенных на панели управления. Названия элементов соответствуют слоям отображаемой информации. При соответствующей активизации выключается тот или иной слой информации, например, текстуры, а при повторной активизации система снова вводит его в основной состав отображаемых слоев.

Возможность управления всеми параметрами отображения в подсистеме 3D-визуализации реализована посредством программного взаимодействия с библиотекой osgEarth через конфигурационный XML-файл и по UDP-порту. Настройка параметров системы моделирования осуществляется не только внешними системами через конфигурационный файл или UDP-порт, но и вручную оператором с помощью графического интерфейса пользователя на панели управления.

Результаты моделирования можно архивировать для дальнейшего использования и добавления новых объектов [19; 20; 21].

Заключение

Разработанное CASE-средство проектирования 3D ГИС и генерируемые им проектные решения были апробированы на реальных объектах ситуационных обстановок, показали себя достаточно корректными и эффективными, могут быть использованы для проектирования 3D ГИС в различных предметных областях, позволяют уменьшить общие временные и финансовые затраты на проектирование и снижают требования к уровню проектировщиков 3D ГИС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булаев А. А., Липатова С. В., Мерзляков Д. А., Смагин А. А. CASE-средство проектирования 3Б-ГИС на основе свободно распространяемых библиотек // Автоматизация процессов управления. 2016. № 2 (44). С. 35-44.

2. Воронцов Д. С., Ткачук А. П. Определение скорости проходки горизонтальной скважины грунтопроходчиком // СтройМного. 2016. № 2 (Э). С. 5.

3. Булаев А. А., Кукин Е. С., Леонтьев М. Ю., Смагин А. А. Система отображения морской, наземной и воздушной обстановки на трехмерной модели Земли // Учёные записки УлГУ. № 1 (6). 2014. С. 5-11.

4. Смагин А. А., Липатова С. В., Сми-кун П. И., Мельниченко А. С. Методика построения специализированных АС на базе SOA // Автоматизация процессов управления. 2009. № 3. С.44-50.

5. Булаев А. А., Смагин А. А. Проектирование системы 3Р-ГИС визуализации на базе свободно распространяемых ресурсов // Информационные системы и технологии 2015: матер. III Международной науч.-техн. интернет-конф. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://youconf.ru/isit2015/ members/view/401

6. Дышленко С. Г. Трехмерное моделирование в ГИС // Перспективы науки и образования. 2014. № 2 (8). С. 28-Э4.

7. Ожерельева Н. К., Черненко А. В. Проблемы развития инжиниринговых компаний // СтройМного. 2015. № 1 (1). С. 10.

8. Дышленко С. Г. Использование адаптивного механизма «ГИС Конструктор» проектирования ГИС в области навигации // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2010. № 6. С. 77-82.

9. Дышленко С. Г., Цветков В. Я. Особенности проектирования ГИС пользователя на основе базового комплекта ГИС «Карта 2011» // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2010. № 8. С. 79-84.

10. Ефимов Г. Жизненный цикл информационных систем // Сетевой журнал. 2001. № 2.

11. Кулагин В. П., Цветков В. Я. Геоинформационные и информационные технологии // Геодезия и картография. 2002. № 3. С. 41-4Э.

12. Добровольский А. Интеграция приложений: методы взаимодействия, топология, инструменты // Открытые системы. 2006. № 9. С.30-Э4.

13. Белорусцева Е. В., Шаповалов Д. А. Оценка динамики и прогноз развития негативных процессов на землях сельскохозяйственного назначения Калужской области с применением гис-технологий // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2009. № 9 (57). С. 34-4Э.

14. Шабалкин Д. Ю., Липатова С. В. Построение интегрированной поливендорной цифровой

среды, обеспечивающей поддержку жизненного цикла воздушного судна на основе сервис-ориентированного подхода // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 4-3. С. 653-661.

15. Цветков В. Я. Пространственные отношения в геоинформатике // Международный научно-технический и производственный журнал «Науки о Земле». Выпуск 01-2012. С.59-61.

16. Цветков В. Я. Модель геоданных для управления транспортом // Успехи современного естествознания. 2009. № 4. С.50-51.

17. Диденко Д. А. Разработка модели оценки качества информации в ГИС // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. № 4.

18. Писарев B. C. Справочно-картографичес-кие ГИС: назначение, сущность, технология и опыт реализации // Геодезия и картография. 2008. № 2. С. 31-35.

19. Папаскири Т. В. Технологии САПР и ГИС в землеустроительном проектировании // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2005. № 2. С. 27-30.

20. Павлыгин Э. Д., Многоагентное моделирование и визуализация окружающей обстановки морского судна // Автоматизация процессов. -2010. № 2 (20). С. 3-11.

21. Писарев B. C. Справочно-картографичес-кие ГИС: назначение, сущность, технология и опыт реализации // Геодезия и картография. 2008. № 2. С. 31-35.

REFERENCES

1. Bulaev A. A., Lipatova S. V., Merzlya-kov D. A., Smagin A. A. CASE-sredstvo proektiro-vaniya 3D-GIS na osnove svobodno rasprostranyae-myh bibliotek (CASE-tool for 3D-GIS design on the basis of freely distributed libraries), Avtomatizaciya processov upravleniya, 2016, No. 2 (44), pp. 35-44.

2. Voroncov D. S., Tkachuk A. P. Opredelenie skorosti prohodki gorizontal'noj skvazhiny gruntopro-hodchikom (Determination of speed of a driving of the horizontal well gruntoprokhodchiky), StrojMnogo. 2016, No. 2 (3), pp. 5.

3. Bulaev A. A., Kukin E. S., Leont'ev M. YU., Smagin A. A., Sistema otobrazheniya morskoj, nazem-noj i vozdushnoj obstanovki na trekhmernoj modeli Zemli (A system for mapping the marine, terrestrial and air environment on a three-dimensional model of the Earth), Uchyonye zapiski UlGU vyp. 1(6), 2014, pp. 5-11.

4. Smagin A. A., Lipatova S. V., Smikun P. I., Mel'nichenko A. S. Metodika postroeniya specializiro-vannyh AS na baze SOA (The method of building spe-

cialized SOAs based on SOA), Avtomatizaciya processov upravleniya, 2009, No. 3, pp. 44-50.

5. Bulaev A. A., Smagin A. A. Proektirovanie sistemy 3D-GIS vizualizacii na baze svobodno raspros-tranyaemyh resur-sov (Designing a system of 3D-GIS visualization on the basis of freely distributed resources), Informacionnye sistemy i tekhnologii 2015: mater. III Mezhdunarodnoj nauch.-tekhn. internet-konf.

6. Dyshlenko S. G. Trekhmernoe modelirovanie v GIS (3D modeling in GIS), Perspektivy nauki i obra-zovaniya, 2014, No. 2 (8), pp. 28-34.

7. Ozherel'eva N. K., Chernenko A. V. Problemy razvitija inzhiniringovyh kompanij (Problems of development of the engineering companies), StrojMnogo, 2015, No. 1 (1), pp. 10.

8. Dyshlenko S. G. Ispol'zovanie adaptivnogo mekhanizma «GIS Konstraktor» proektirovaniya GIS v oblasti navigacii (The use of the adaptive mechanism «GIS Designer» designing GIS in the field of navigation), Zemleustrojstvo, kadastr i monitoring zemel', 2010, No. 6, pp. 77-82.

9. Dyshlenko S. G., Cvetkov V. YA. Osoben-nosti proektirovaniya GIS pol'zovatelya na osnove ba-zovogo komplekta GIS «Karta 2011» (Features of designing the GIS of the user on the basis of the basic complex GIS «Map 2011»), Zemleustrojstvo, kadastr i monitoring zemel', 2010, No. 8, pp. 79-84.

10. Efimov G. ZHiznennyj cikl informacionnyh sistem (The life cycle of information systems), Setevoj zhurnal, 2001, No. 2.

11. Kulagin V. P., Cvetkov V. YA. Geoinfor-macionnye i informacionnye tekhnologii (Geoinfor-mation and information technologies), Geodeziya i kartografiya, 2002, No. 3, pp. 41-43.

12. Dobrovol'skij A. Integraciya prilozhenij: metody vzaimodejstviya, topologiya, instrumenty (Integration of applications: methods of interaction, topology, tools), Otkrytye sistemy, 2006, No. 9, pp.30-34.

13. Belorusceva E. V., Shapovalov D. A. Ocenka dinamiki i prognoz razvitija negativnyh processov na zemljah sel'skohozjajstvennogo naznacheni-ja Kaluzhskoj oblasti s primeneniem gis-tehnologij (An assessment of dynamics and the forecast of development of negative processes on lands of agricultural purpose of the Kaluga region with use of gis-technologies), Zemleustrojstvo, kadastr i monitoring zemel', 2009, No. 9 (57), pp. 34-43.

14. SHabalkin D. YU., Lipatova S. V. Postroenie integrirovannoj polivendornoj cifrovoj sredy, obespechiva-yushchej podderzhku zhiznennogo cikla vozdushnogo sudna na osnove servis-orientirovannogo podhoda (Building an integrated pol-yvendor digital environment that supports life cycle of an aircraft based on a service-oriented approach), Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk, 2013, T. 15, No. 4-3, pp. 653-661.

15. Cvetkov V. YA. Prostranstvennye otnosheniya v geoinformatike (Spatial relations in geoinformatics), Mezhdunarodnyj nauchno-tekhnicheskij i pro-izvodstvennyj zhurnal «Nauki o Zemle», vypusk 01-2012, pp. 59-61.

16. Cvetkov V. YA. Model' geodannyh dlya up-ravleniya transportom (A geodatabase for transport management), Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya, 2009, No. 4, pp. 50-51.

17. Didenko D. A. Razrabotka modeli ocenki kachestva informacii v GIS (Development of a model for assessing the quality of information in GIS), Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki, 2010, No. 4.

18. Pisarev B. C. Spravochno-kartograficheskie GIS: naznachenie, sushchnost', tekhnologiya i opyt realizacii (Reference-cartographic GIS: purpose, essence, technology and implementation experience), Geodeziya i kartografiya, 2008, No. 2, pp. 31-35.

05.13.18 УДК 004.932.2

ПРОЦЕДУРА ИНСПЕКЦИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ЯРКОСТНОГО СОПОСТАВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ИХ РЕНТГЕНОГРАММ

© 2017

Гладких Анатолий Афанасьевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Климов Роман Владимирович, преподаватель кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино

Аннотация

Введение. Обоснована необходимость разработки автоматизированных алгоритмов инспекции печатных плат на основе исследования изображений их рентгенограмм. Описаны ограничения на использование традиционных методов визуальной инспекции, обусловленные особенностями рассматриваемых изображений.

Материалы и методы. Описываемый алгоритм основан на применении методов морфологического анализа изображения, на основе которого производится первичное сопоставление изображений, и яркостного сопоставления, предназначенного для достижения высокой точности совмещения.

Результаты. Впервые представлено описание алгоритма сопоставления изображений рентгенограмм печатных плат. Алгоритм базируется на применении итерационной процедуры сопоставления бинарных отображений изображений с последующей их фрагментацией. Полученные фрагменты изображений повергаются процедуре яркостного сопоставления, позволяющей достичь высокой степени точности совмещения изображений. Полученные в результате фрагменты подвергаются оцениванию на совпадение с эталоном. Для оценки совпадения возможно применение различных метрик, в частности метрики Минковского или Хи-квадрат. В случае значительного значения оценки изображение передается эксперту для дальнейшего уточнения значимости дефекта. Для достижения дополнительной гибкости работы представленного алгоритма предлагается применять мягкие методы оценивания степени схожести.

Обсуждение. Дано обоснование методов оценивания степени схожести изображений. Показана эффективность применения метрики Минковского на этапе исполнения процедуры сопоставления и метрики Хи-квадрат на этапе финального оценивания.

Заключение. Представлен алгоритм автоматизированной инспекции печатных плат, основанный на идее сопоставления изображений их рентгенограмм. Описанная процедура является гибко регулируемой, что позволяет оператору (эксперту) настраивать как уровень погрешности сопоставления, так и степень значимости дефекта.

19. Papaskiri T. V. Tehnologii SAPR i GIS v zemleustroitel'nom proektirovanii (SAPR and GIS technologies in land management design), Zemleustro-jstvo, kadastr i monitoring zemel', 2005, No. 2, pp.27-30.

20. Pavlygin EH.D., Mnogoagentnoe modeliro-vanie i vizualizaciya okruzhayushchej obstanovki mor-skogo sudna (Multi-agent modeling and visualization of the environment of a sea vessel), Avtomatizaciya processov, 2010, No. 2 (20), pp. 3-11.

21. Pisarev, B.C. Spravochno-kartograficheskie GIS: naznachenie, sushchnost', tekhnologiya i opyt realizacii (Reference and cartographic GIS: purpose, essence, technology and implementation experience Text), Geodeziya i kartografiya, 2008, No. 2, pp. 31-35.

Дата поступления статьи в редакцию 4.04.2017, принята к публикации 13.05.2017.