УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Устройство для считывания картографической информации
Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, в частности, к устройствам для считывания графической информации с кодированных карт и может быть использовано для автоматического считывания информации о рельефе с целью последующего создания карт разведдоступности районов стихийных бедствий.
Известны устройства для считывания графической информации с кодированных карт (а.с. СССР №323940 от 1.03.91 г., а.с. СССР №330932 от 1.10.91 г., а.с. СССР №286365 от 1987 г., а.с. СССР №331391 от 1.10. 91 г.).
Наиболее близким к описываемому техническому решению является устройство (а.с. СССР №286365, М. кл. G 06 К 11/10, 1987 г. - прототип), содержащее первый и второй амплитудные селекторы сигналов, первый и второй блоки памяти, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго амплитудных селекторов, синхронизатор, второй выход которого соединен со вторыми входами первого и второго блоков памяти, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой регистры сдвига, первые входы которых соединены с третьим выходом синхронизатора, второй вход первого регистра сдвига соединен с выходом первого блока памяти, второй вход четвертого регистра сдвига соединен с выходом второго блока памяти, первый выход первого регистра сдвига соединен со вторым входом второго регистра сдвига, а его первый выход - со вторым входом третьего регистра сдвига, первый выход четвертого регистра сдвига соединен со вторым входом пятого регистра сдвига, а его первый выход - со вторым входом шестого регистра сдвига, первый триггер, первый вход которого соединен со вторым выходом первого регистра сдвига, а второй вход - со вторым выходом четвертого регистра сдвига, второй триггер, первый вход которого соединен с первым выходом третьего регистра сдвига, а второй вход - с первым выходом шестого регистра сдвига, третий триггер, первый выход которого соединен со
вторым выходом второго регистра сдвига, а второй вход - со вторым выходом пятого регистра сдвига, первый элемент И, первый вход которого соединен со вторым выходом второго регистра сдвига, а второй вход - с четвертым выходом синхронизатора, второй элемент И, первый вход которого соединен со вторым выходом пятого регистра сдвига, а второй вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый дешифратор, первый вход которого соединен с первым выходом первого триггера, второй вход - с первым выходом третьего триггера, а третий вход - с первым выходом второго триггера, второй дешифратор, первый вход которого соединен со вторым выходом первого триггера, второй вход - со вторым выходом третьего триггера и третий вход - со вторым выходом второго триггера, третий блок памяти, первый и второй входа которого соединены соответственно с выходами первого и второго дешифраторов, третий и четвертый входы - соответственно с выходами первого и второго элементов И.
Недостатком данного устройства является невозможность, решения специфических задач, в частности, оценки условий видимости.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства для считывания картографической информации.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок восстановления высот, в состав которого входят первый и второй амплитудные селекторы сигналов, первый и второй блоки памяти, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго амплитудных селекторов, синхронизатор, второй выход которого соединен со вторыми входами первого и второго блоков памяти, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой регистры сдвига, первый входы которых соединены с третьим выходом синхронизатора, второй вход первого регистра сдвига соединен с выходом первого блока памяти, второй вход четвертого регистра сдвига соединен с выходом второго блока памяти, первый выход первого регистра сдвига соединен со вторым входом второго регистра сдвига, а его первый выход - со вторым входом третьего регистра сдвига, первый выход четвертого регистра сдвига соединен со вторым входом пятого регистра сдвига, а его первый выход - со вторым входом шестого регистра сдвига, первый триггер, первый вход которого соединен со вторым выходом первого регистра сдвига, а второй вход - со вторым выходом четвертого регистра сдвига, второй триггер, первый вход которого соединен с первым выходом третьего регистра сдвига, а второй вход - с первым выходом шестого регистра сдвига, третий триггер, первый вход которого соединен со вторым выходом второго регистра сдвига, а второй вход - со вторым выходом пятого регистра сдвига, первый элемент И, первый вход которого соединен со вторы выходом второго регистра сдвига, а второй вход - с четвертым выходом синхронизатора, второй элемент И, первый вход которого соединен со вторым выходом пятого регистра сдвига, а второй вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый дешифратор, первый вход которого соединен с первым выходом первого триггера, а третий вход - с первым выходом второго триггера, второй дешифратор, первый вход которого соединен со вторым выходом первого триггера, второй вход - со вторым
выходом третьего триггера, а третий вход - со вторым выходом второго триггера, третий блок памяти, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго дешифраторов, третий и четвертый входы - соответственно с выходами первого и второго элементов И, дополнительно введены
блок ввода исходных данных, блок управления, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с третьим, четвертым и вторым выходами блока ввода исходных данных,
блок анализа, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и четвертым выходами блока управления, третий и четвертый входы - с седьмым и первым выходами блока ввода исходных данных, а третий выход соединен со вторым входом блока управления,
блок сканирования, первый и второй входы которого подключены к первому и третьему выходам блока анализа,
блок поворота, первый вход которого соединен со вторым выходом блока анализа, второй вход - со вторым выходом блока сканирования, а выход - с четвертым входом блока сканирования,
блок формирования полей невидимости, первый, второй и третий входы которого соединены с соответствующими выходами блока восстановления высот, четвертый, пятый и девятый входы - с соответствующими выходами блока ввода исходных данных, шестой, седьмой и восьмой входы - соответственно с пятым, четвертым и вторым выходами блока анализа, десятый и одиннадцатый входы - со вторым и третьим выходами блока управления, двенадцатый вход - с третьим выходом блока анализа, а второй выход соединен с пятым входом блока анализа, первый выход блока сканирования соединен с входом блока восстановления высот, первый выход которого соединен с третьим входом блока сканирования и первым входом блока управления,
арифметическо-логическое устройство, первый вход которого соединен с первым выходом блока формирования полей невидимости, а на второй вход подается значение числа точек наблюдения М,
четвертый блок памяти, вход которого соединен с выходом арифметическо-логического устройства, а выход, являющийся выходом всего устройства, - с третьим входом арифметическо-логического устройства.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задачи создания карты разведдоступности районов стихийных бедствий. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг.1 показана общая блок-схема устройства, на фиг.2, 3, 4, 6, 7 - пояснения к решаемой задаче, на фиг.8 показан блок поворота с блоком сканирования, на фиг.5, 9, 10 - отдельные блоки устройства, а на фиг.11
представлен блок восстановления высот, взятый за прототип.
Устройство включает: блок ввода исходных данных (БВИД) IV, блок управления (БУ) I, блок анализа (БА) II, блок формирования полей невидимости (БФПН) III, блок восстановления высот (БВВ) V, блок сканирования VI, блок поворота VII, арифметическо-логическое устройство (АЛУ) VIII, блок памяти IX.
Устройство работает следующим образом.
В заданной системе координат XOY (фиг.2) определены координаты цифровой карты рельефа (ЦКР) с заданным шагом дискретизации δ  и координаты точек наблюдения , с которых определяются условия видимости заданного района.
Такая задача возникает, если необходимо априори оценить разведдоступность заданного участка местности, если других способов анализа не существует. Например, оценить участки местности с сильным радиационным фоном с целью решения последующих экологических задач.
При этом точки  являются проекциями высот, с которых осуществляется наблюдение. Производя с каждой точки  радиально-секторную развертку относительно ЦКР, получим бинарную матрицу условий видимости, обусловленную заданным рельефом.
В качестве исходной информации при решении этой задачи выступают данные о местности, представленные в виде ЦКР, а также данные о высоте полета средств наблюдения и их удалении от анализируемого участка местности.
Представляя возможную трассу полета средств наблюдения как дискретное конечное множество точек (1, 2,..., М), с каждой из которых осуществляется наблюдение, рассмотрим общее решение задачи оценки условий видимости.
Моделирование условий видимости с каждой i-й точки наблюдения позволяет сформировать бинарную матрицу
где TxT - размерность ЦКР.
На фиг.3 показано, как формируются невидимые участки местности.
i
Тогда участки, которые не просматриваются ни с одной точки наблюдения, можно определить как пересечение множеств A то есть
i
Объединение множеств A описывает потенциально возможные участки анализируемого района, не просматриваемые хотя бы с одной точки наблюдения:
2
1
Если исключить из множества B множество B, можно в результате сформировать множество
каждый элемент которого характеризуется определенной частотой обнаружения, которую при переходе к большому количеству точек наблюдения можно считать вероятностью обнаружения.
Введенные понятия позволяют оценить каждую (k,l)-ю элементарную площадку (ЭП) с точки зрения ее обнаружения:
kl
где Q - общее количество точек, с которых не обнаруживается (k,l)-ая ЭП;
0
kl
P  - вероятность обнаружения в пределах (k,l)-ой ЭП с учетом характеристик ее подстилающей поверхности.
Таким образом, вычисляя для каждой (k,l)-ой ЭП вероятность обнаружения, можно построить матрицу вероятностей обнаружения, охватывающую анализируемую область. Это и является конечной целью предлагаемого ниже технического устройства.
На фиг.8 представлен фрагмент кодированной карты и в направлении линии сканирования показано, как формируются поля невидимости за счет рельефа.
Кодированная карта, используемая в прототипе, устанавливается на поворотный стол (фиг.8), координаты которого привязаны к выбранной системе координат. Таким образом, кодированная карта может быть повернута в системе координат  на любой заданный угол. Этим самым имитируется направление наблюдения с заданной точки . Вращение осуществляется через редуктор, выходной конец которого жестко соединен с вращающейся платформой, а входной вал - через муфту с шаговым двигателем (ШД). В направлении ординаты перемещается траверса с закрепленным на ней блоком сканирования.
Блок сканирования представляет собой ПЗС матрицу, ширина которой составляет три элемента матрицы, а длина равна 2R (фиг.6).
Задача оценки разбивается на два этапа:
1. Моделирование секторной развертки с заданным шагом Δф (фиг.4).
2. Моделирование полей невидимости для заданной совокупности точек наблюдения.
На первом этапе для конкретно заданных точек наблюдения  вычисляются углы начала  и конца  секторной развертки, а также текущий
i
угол  и промежуточный угол  с расстоянием S.
Вычисления производятся в блоке анализа II (фиг.11) по формулам:
T
i
i
Значение текущего угла φ  для заданной точки наблюдения подается на шаговый двигатель блока поворота. При этом кодированная карта поворачивается на данный угол параллельно центральной линии ПЗС матрицы, расположенной на траверсе, а сама траверса смещается на величину Δ.
Таким образом, ПЗС матрица будет сориентирована в направлении линии наблюдения.
На втором этапе осуществляется сканирование информации с кодированной карты с целью получения высот горизонталей, которые отображают данную карту, и дальнейшая оценка условий видимости.
Работа блока формирования полей невидимости (БФПН) III (фиг.9)
Определение не просматриваемых участков в заданном направлении наблюдения производится путем моделирования (восстановления высот горизонталей, что делается в прототипе) в реальном масштабе времени и регистрации координат не просматриваемых линейных участков относительно заданной точки наблюдения. То есть, регистрируются координаты точки начала не просматриваемого участка (вершина профиля, создающая тень (фиг.5)) и точка конца данного не просматриваемого участка (последней точки профиля, попадающей в область тени).
i
0
0
j
На фиг.6 показано i-e сечение рельефа. При заданном удалении L, шаге элементов матрицы ПЗС (l) и высоте точки наблюдения H зенитный угол ф
где j - текущий номер элемента ПЗС матрицы.
Из фиг, 7 видно, что
i
i
i
Центр ПЗС матрицы находится на пересечении направления наблюдения и отрезка Δ. Поэтому, откладывая влево и вправо от этой точки значение R, получим, что первый элемент ПЗС матрицы удален от точки наблюдения на расстояние (L-R), а последний - на (L+R).
В этом случае текущие координаты точки, лежащей на проекции линии наблюдения с учетом поэлементного построения ПЗС матрицы, можно определить из следующих выражений:
где j - текущий номер элемента ПЗС матрицы .
Введем параметр Я
который указывает при λ=1 на пересечение направления наблюдения с бинарной матрицей ТхТ (фиг.7).
Тогда текущие значения координат элементов данной матрицы могут быть определены как
где int - целая часть числа.
i
j
0
0
На фиг.9 представлен блок формирования полей невидимости (БФПН). При подаче разрешения на 2 вход БФНП триггер 4 переходит в состояние, обеспечивающее прохождение тактовых импульсов синхронизатора с первого входа через элемент И1 на вход счетчика Сч2, емкость которого равна К (числу элементов ПЗС матрицы). Подключенный к выходу Сч2 дешифратор Дш3 на своем выходе формирует номер j, который поступает на один из входов АЛУ8. АЛУ9 реализует функцию (13). Его выход (L) нагружен на один из входов АЛУ8. На другие входы поступают данные о текущей высоте h (вход 3), о высоте наблюдения H (вход 4) и параметр l (вход 5).
j
На выходе формируется текущее значение зенитного угла ф, определяемое выражением (12). Это значение поступает на вход регистра сдвига PC10, состоящего из двух ячеек. Таким образом осуществляется задержка содержимого регистра на один тактовый импульс. Выходы PC10 и АЛУ8 поступают в блок сравнения БС11, где осуществляется сравнение
j
j-1
зенитных углов ф и ф.
При этом,
j
То есть, если зенитный угол увеличивается, это говорит о том, что участок виден. Как только  образуется зона невидимости. При этом БС11 вырабатывает 1, которая с одной стороны, записывается в PC14 (емкость регистра К-элементов), а с другой - переключает триггер Тр13 в состояние, при котором происходит запрет прохождения тактовых импульсов с элемента И 12 на сдвиговый вход PC10. Этим самым сохраняется содержимое выходной ячейки PC10 до тех пор, пока на инверсный вход Тр13 не поступит ноль с выхода БС11. Задержанное значение зенитного угла сравнивается с поступающими текущими значениями ф.
После К импульсов счетчик Сч2 обнуляется, переводя триггер Тр4 в состояние, обеспечивающее не прохождение тактовых импульсов с выхода И1. Тем самым устройство подготовлено для анализа следующего направления наблюдения. Регистр PC14 заполнен информацией (17).
Вместе с тем, триггер Тр7 переключается в состояние, обеспечивающее прохождение тактовых импульсов через элемент И5 на вход счетчика Сч6 и сдвиговый вход регистра PC14. Емкость счетчика Сч6 равна К элементам. Выход счетчика Сч6 соединен со входом дешифратора Дш23. Выход дешифратора Дш23 поступает на один из входов АЛУ15, 16, где согласно выражениям (14) вычисляются значения . В блоке сравнения БС19 осуществляется вычисление функции (15). При λ=1 поступает команда на запись информации, содержащейся в регистре PC14, в блок памяти 22, емкость которого ТхТ элементов. Запись информации осуществляется в ячейки, адрес которых вычисляется в АЛУ17 и АЛУ18 и формируется в блоке формирования адреса зап./счит. 21. После К импульсов тактового генератора счетчик Сч6 обнуляется. Триггер 7 переключается в состояние, при котором тактовые импульсы перестают поступать с выхода элемента И5.
Таким образом, за 2К импульсов блок формирования полей невидимости обеспечивает анализ условий видимости и запись результатов вычислений в блок памяти 22.
Работа блока анализа П (фиг.11)
По входным данным координат , поступающим на 1 и 2 входы блока анализа, в блоке сравнения БС1 реализуется функция (11) и далее выбранные значения координат и координаты точки наблюдения  поступают на входы АЛУ2...5. Кроме того, на один из входов АЛУ3, 4 поступают дополнительно данные о параметре R из блока ввода исходных данных IV.
В АЛУ2...5 производятся вычисления согласно выражениям (10), (6), (7) и
H
T
T
S
i
i
i
i
i
(5) соответственно. В АЛУ6 по данным, поступающим из блока ввода исходных данных IV и с выхода АЛУ5 (φ ), вычисляется текущее значение угла φ . АЛУ6 реализует функцию (8). В блоке сравнения БС9 сравниваются углы φ  и φ  и данные сравнения поступают в виде решающей функции для реализации в АЛУ8 выражения (9), то есть вычисления параметра Δ.
T
i
В блоке сравнения БС7 сравниваются текущий угол φ  и конечный угол секторной развертки, реализуя функцию
По этому импульсу блок сканирования VI возвращается в исходное состояние.
Работа блока управления I (фиг.10)
На 3 вход данного блока поступают данные о М точках наблюдения . Они записываются параллельным переносом в регистр сдвига PC. При поступлении команды «Пуск» на 5 вход блока I триггер Тр3 перебрасывается в состояние, обеспечивающее прохождение тактового импульса с 1 входа через элемент И1. При этом содержимое регистра сдвига PC сдвинется на один элемент и на выходе 1 появятся данные координат  первой точки наблюдения. В то же время через элемент ИЛИ4 выданным сигналом переключится Тр3, закрыв доступ для прохождения следующего тактового импульса с входа 1.
Следующий тактовый импульс с 1 входа, а следовательно, и следующее значение координат точки наблюдения поступят, когда на втором входе блока управления I появится импульс τ, свидетельствующий, что закончилась секторная развертка из заданной точки наблюдения.
Счетчик Сч2, емкость которого соответствует числу точек наблюдения М, подсчитывает число анализируемых точек и когда это число совпадает с М, осуществляет через элемент ИЛИ4 сброс триггера Тр3, подготавливая все устройство для приема следующей информации о точках наблюдения.
Совокупность координат кодированной карты  поступает на 4 вход блока I и записывается в буферный блок памяти с параллельной выдачей их на 4 выход блока I и выдачей координат  соответственно на выходы 2 и 3 данного блока.
Работа АЛУ VIII и блока памяти IX
Данные сформированной бинарной матрицы  размерностью TxT (блок памяти 22 БФПН III) после каждой i-и точки наблюдения поступают на 1 вход АЛУ III, на второй вход которого подается численное
значение числа точек наблюдения М, на третий вход - данные блока памяти IX. Емкость данного блока также, как и БП22 БФПН III, составляет ТхТ элементов. В АЛУ III производится поэлементное вычисление функции
где:  - элемент матрицы, записанный в блок памяти IX (при i=1 =0);
kl
а - элемент бинарной матрицы, записанный в БП22 БФПН III.
И далее, по заданному адресу (k,l)-й элемент записывается в блок памяти IX.
Таким образом, после анализа М точек наблюдения в блоке памяти 1Ханиться значения вероятностей обнаружения рассматриваемого участка местности с заданной совокупности точек наблюдения.