УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ДНА

Полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно, к устройствам для моделирования параметров физических полей и может быть использована, преимущественно, для формирования цифровой модели рельефа дна в гидрографических тренажерах.
При проведении учебной съемки рельефа дна в гидрографических тренажерах требуется формирование в реальном масштабе времени значений глубин морского дна.
Известно устройство формирования цифровой модели рельефа, позволяющее обеспечить потребителя информацией о текущих значениях параметров рельефа, например, рельефа дна, содержащее блок управления, блок памяти данных съемки рельефа и блок преобразования параметров рельефа (Ширяев Е.Е. Картографическое отображение, преобразование и анализ геоинформации. М.: Недра, 1984. С.230-233). В блок памяти предварительно заносятся результаты обработки данных ранее проведенной съемки рельефа в виде файлов, представляющих собой пространственный четырехугольник, каждая из вершин которого есть критическая точка функции поля: один максимум, две точки перегиба и один минимум. При поступлении запроса о выдаче значения параметра рельефа в точке с координатами (X,Y), блок вычисления параметра рельефа отыскивает четырехугольник, в пределах которого расположена данная точка, и с использованием локального бикубического сплайна вычисляет значение параметра Z=f(X,Y).
Однако, данное устройство требует использования больших объемов памяти и временных затрат для хранения и поиска необходимой информации, а также не позволяет видоизменять тип и сложность исходной модели, поскольку базируется на данных реальной съемки. Кроме того, принцип формирования исходной модели в виде сети четырехугольников со значениями параметров рельефа в вершинах и применение процедуры интерполирования предполагают
частичную утрату деталей рельефа и, в связи с этим, понижение точности восстановленных значений параметра рельефа.
i
i
i
z
i
i
i
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к заявляемой полезной модели является устройство для формирования цифровой модели рельефа дна, содержащее блок управления, блок памяти данных съемки рельефа дна и блок преобразования параметров рельефа дна (Коломейчук Н.Д. Гидрография. Л: ГУН и О МО, 1988, С.309-312). Цифровая модель рельефа дна в данном устройстве представляет собой совокупность точек (Z, X, Y,), относящихся к узлам интерполяции, и совокупность ребер, соединяющих эти узлы. При этом узлы интерполяции и длина ребер определены таким образом, что погрешность интерполяции при восстановлении значения параметра в любой точке поля не превышает величины ±ε, заданной при формировании модели. Для получения значения глубины рельефа дна Z, в точке с заданными координатами (X, Y), не совпадающими с координатами какого-либо из узлов интерполяции, в вычислительном блоке устройства применяется математический аппарат сплайн - функций. Однако, и данное устройство должно обладать большим объемом памяти для хранения данных съемки рельефа дна и затрачивать значительное время для поиска требуемых узлов интерполяции и вычисления значения параметра глубины в заданных точках.
Цифровая модель рельефа дна, формируемая в результате обработки данных реальной съемки, также не может быть подвергнута каким-либо видоизменениям.
Задачей полезной модели является создание устройства для формирования абстрактной модели рельефа дна и генерирования в реальном масштабе времени на ее основе значений глубин для гидрографических тренажеров в процессе проведения учебной съемки морского дна.
Технический результат полезной модели заключается в генерировании значений глубин в реальном масштабе времени для рельефа морского дна любой структуры и сложности при одновременном уменьшении вычислительных ресурсов.
Решение задачи достигается тем, что в устройство для моделирования рельефа дна, содержащее последовательно соединенные датчик навигационных координат и блок управления, выход которого соединен двухсторонней связью с входом блока памяти, введены последовательно соединенные двухсторонними связями блок формирования нормальной составляющей рельефа дна, блок формирования положительных региональных аномалий, блок формирования отрицательных региональных аномалий, блок формирования положительных локальных аномалий и блок формирования отрицательных локальных аномалий, при этом блок формирования нормальной составляющей рельефа дна соединен двухсторонней связью с выходом блока памяти, а выход блока формирования отрицательных локальных аномалий является выходом устройства.
Возможность моделирования рельефа дна любой структуры и сложности обусловлена использованием абстрактной (математической) модели рельефа дна, реализуемой путем наложения нормальной составляющей рельефа и аномалий с различными морфологическими и морфометрическими характеристиками. Уменьшение вычислительных ресурсов обусловлено тем, что в блоке памяти заявляемого устройства хранятся только параметры цифровой модели, необходимые для генерирования значений глубин дна.
Структурная схема устройства для моделирования рельефа дна представлена на чертеже.
Устройство содержит последовательно соединенные двухсторонними связями блок 2 управления, к входу которого подключен датчик 1 навигационных координат, блок 3 памяти, блок 4 формирования нормальной составляющей рельефа дна (БФНС), блок 5 формирования положительных региональных аномалий (БФПРА), блок 6 формирования отрицательных региональных аномалий (БФОРА), блок 7 формирования положительных локальных аномалий (БФПЛА) и блок 8 формирования отрицательных локальных аномалий (БФОЛА), выход которого является выходом устройства.
Устройство может быть реализовано на микропроцессорных наборах БИС или на ПЭВМ IBM.
i
i
i
Для создания модели рельефа дна и генерирования значений глубин Z в каждой точке с координатами (X, Y) в ходе учебной съемки, в блок 3 памяти вводят следующие исходные данные:
s
s
Х, Y - координаты юго-западного угла района, запланированного для проведения учебной съемки;
N
ost
Х. Y - координаты северо-западного угла района учебной съемки;
γ - угол генерального уклона нормальной составляющей рельефа дна, град.;
Θ - направление генерального уклона нормальной составляющей, град.;
- среднее значение нормальной составляющей глубины дна;
ΔН - амплитуда глобальной «волны», характеризующая низкочастотную систематическую составляющую изменчивости моделируемого рельефа дна;
Д - расстояние между гребнями глобальной «волны»;
Δh - амплитуда «волны», характеризующей высокочастотную составляющую изменчивости моделируемого рельефа (микрорельеф);
d - расстояние между гребнями «волны» микрорельефа;
ф,i
ф,i
Х, Y, - координаты центра j-ой аномалии рельефа;
i
L - длина аномалии;
i
В - ширина аномалии;
i
α - направление распространения j-ой аномалии;
Η
σ - среднеквадратическое отклонение значений параметра нормальной составляющей рельефа дна;
i
σ - среднеквадратическое отклонение значений параметра j-ой аномальной формы рельефа;
к - число, выбранное из ряда случайных чисел в диапазоне от -1 до +1;
pomaxj
Z - максимальное значение параметра j-ой отрицательной региональной аномалии;
pпminj
Z - минимальное значение параметра j-ой положительной региональной аномалии;
лomaxj
Z - максимальное значение параметра j-ой отрицательной локальной аномалии;
лпminj
Z - минимальное значение параметра j-ой положительной локальной аномалии;
Блоки, образующие предлагаемое устройство для моделирования рельефа дна, реализуют вычислительный процесс моделирования по следующим формулам:
где:
где:
Теоретической основой абстрактного моделирования, реализуемого устройством, является положение, определяющее любое квазистационарное поле (магнитное и гравитационное, грунт и рельеф дна и т.д.) как совокупность его нормальной и аномальной составляющих (Сорокин А.И. Теоретические основы гидрографических исследований Л.: ГУН и О МО, 1972. С.24-30). При этом в качестве нормальной составляющей (или нормального поля) принимается некоторое условное число первых членов разложения в ряд по сферическим функциям. Нормальное поле, выделяемое таким образом, является главной частью поля, имеет сравнительно спокойный характер и закономерно изменяется вдоль земной поверхности.
Аномальная часть поля накладывается на нормальное поле и характеризуется, обычно, большой сложностью и отсутствием какой-либо видимой закономерности в распределении.
Аномалии, охватывающие достаточно обширные районы океана, принято называть региональными, а аномалии, ограниченные небольшими площадями, - локальными. Основанием локальных аномалий может служить как поверхность нормального поля, так поверхность региональной аномалии.
Аномалии могут быть представлены, например, в виде геометрических форм, описываемых уравнениями второй степени (конусы, полусферы, эллипсоиды и т.п.).
Устройство работает следующим образом.
i
i
i
Во время проведения учебной съемки из датчика 1 навигационных координат навигационного модуля гидрографического тренажера в блок 2 управления поступает запрос о выдаче значения глубины рельефа дна Z,: в точке с текущими координатами (X, Y).По команде из блока 2 управления исходные данные, определяющие структуру нормального поля и аномалий рельефа дна, поступают из блока 3 памяти в блок 4 БФНС.
i
i
нi
i
i
pпi
i
i
В блоке 4 БФНС для узла сетки с координатами (X, Y) рассчитывается значение параметра нормальной составляющей рельефа дна Z по формулам (1.1 и 1.2). Далее проверяется принадлежность точки с координатами (X, Y) к какой-либо из положительных региональных аномалий и, если эта принадлежность подтверждается, то в блоке 5 БФПРА вычисляется значение параметра Z в точке с координатами узла сетки (X, Y) по формуле (1.3).
Аналогично этим операциям в блоке 6 БФОРА, блоке 7 БФПЛА и блоке 8 БФОЛА поочередно проверяется принадлежность точки к аномалиям того или иного типа и, в случае положительного результата проверки, вычисляется соответствующее значение параметра поля в точке с указанными координатами.
poi
В блоке 6 БФОРА расчет параметра Z; производится по формуле 1.4.
лпi
pi
i
i
В блоке 7 БФПЛА расчет параметра Z производится по формуле 1.5 в случае, когда положительная локальная аномалия расположена в границах какой-либо из региональных аномалий (Z- значение параметра поля, вычисленное в блоке 5 и/или в блоке 6 для точки с координатами (X, Y).
лпi
В случае, когда положительная локальная аномалия находится вне границ региональных аномалий, параметр Z вычисляется по формуле 1.6.
лпi
В блоке 8 БФОЛА в зависимости от расположения отрицательной локальной аномалии относительно региональных аномалий расчет параметра Z производится по формулам 1.7 и/или 1.8. В зависимости от наличия аномалий того или иного вида на выход устройства поступает значение глубины, сформированное в соответствующих блоках 3-8.
i
i
i
Вычисленное значение глубины рельефа дна Z; в точке с координатами (X,Y,) выдается на имитатор измерителя глубины гидрографического тренажера в реальном масштабе времени.
Таким образом, при осуществлении заявляемой полезной модели значение глубины морского дна формируется в процессе учебной съемки в реальном масштабе времени для рельефа любой структуры и сложности, заданного в исходных данных модели рельефа дна.