СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПОГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВЫХ КАРТ МЕСТНОСТИ (ЦКМ)
METHOD OF USING SURVEY INFORMATION BASED ON DIGITAL FIELD MAPS

Изобретение относится к области навигации и топопривязки, в частности к способам представления и использованиям цифровой топогеодезической информации, и предназначено для определения навигационно-топогеодезических параметров для наземных подвижных объектов.
Известен способ определения оптимального маршрута движения транспортного средства (см. патент №2377658 С1, G08G 1/0969, G01С 21/34, опубл. 27.12.2009 г.), принятый за прототип. Изобретение относится к области управления движением транспортных средств, включающего передачу навигационных команд транспортному средству с дисплеем, отображающим карту. Согласно данному способу формируют модельную скоростную электронную карту дорожной сети населенного пункта, отражающую среднестатистический скоростной режим движения на каждой дороге, которую вводят в память компьютера центральной станции. На указанной карте дорожной сети населенного пункта создают дорожный граф, включающий сегменты линий, заключенные между узлами графа, корректируют данные дорожного графа на основе информации об измененных знаках дорожного движения. От компьютеров транспортных средств пользователей по каналу радиосвязи передают на компьютер центральной станции актуальные значения собственных средних скоростей. Рекомендуемый оптимальный маршрут определяют с учетом уточненных параметров электронной скоростной карты дорожной сети населенного пункта, принимаемой абонентом от центральной станции с возможностью визуализации на экране дисплея пользователя этих маршрутов на указанной карте и отображением положения транспортного средства.
Недостатками прототипа являются:
- низкая точность отображения и определения топогеодезической информации;
- отсутствие возможности автоматической прокладки маршрута по заданным точкам, выбираемым с учетом рельефа местности, погодных условий, времени года и суток;
- низкий уровень графического изображения цифровых карт местности (ЦКМ);
- отсутствие возможности изменения масштаба ЦКМ;
- низкий уровень автоматизации при использовании ЦКМ;
- низкие функциональные возможности при использовании ЦКМ;
- отсутствие возможности реализации сервисных задач с использованием ЦКМ.
Предлагаемым изобретением решается задача по повышению эффективности топогеодезического обеспечения сухопутных войск.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в формировании способа использования топогеодезической информации на основе цифровых карт местности (ЦКМ), определяющего алгоритм использования ЦКМ в мобильном комплексе навигации и топопривязки и позволяющего производить детальное изучение и оценку местности, прокладку маршрута движения, автоматизированные расчеты при планировании мероприятий по инженерному оборудованию местности и топографической подготовке стрельбы.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе использования топогеодезической информации на основе цифровых карт местности (ЦКМ), включающем передачу навигационных команд транспортному средству, оснащенному бортовым компьютером с дисплеем, отображающим карту, формирование ЦКМ, определение рекомендуемого оптимального маршрута движения, визуализацию на экране дисплея пользователя этого маршрута на указанной ЦКМ и отображение положения транспортного средства, новым является то, что бортовой компьютер транспортного средства функционирует с использованием геоинформационной системы «Интеграция», на основе которой осуществляется создание и редактирование ЦКМ, база данных которых имеет иерархическую структуру, на нижнем уровне которой хранится информация об отдельных объектах карты, которые далее объединены в группы, слои и листы карт, определяющие район работ, описание отдельного объекта состоит из метрических данных - координат на местности, семантических данных - свойств объекта, текстовых справочных данных, иллюстративных графических данных, методика использования ЦКМ определяется составом реализуемых программными средствами функций: загрузка и ведение базы данных, решение расчетных задач, режим отображения маршрута, протоколирование информации, а также техническими характеристиками бортового компьютера, для выполнения перечисленных операций используется комбинированный формат представления ЦКМ, при котором операции до формирования района работ включительно проводятся в векторном формате, а остальные - в растровом формате.
Функционирование программно-аппаратного комплекса транспортного средства с использованием геоинформационной системы ГИС «Интеграция», на основе которой осуществляется создание и редактирование ЦКМ, позволяет:
- обеспечить создание и использование иерархической структуры базы данных ЦКМ, имеющей уровни: район работ, листы карты, слой объектов, отдельные объекты местности;
- обеспечить редактирование содержимого базы данных ЦКМ с использованием графического интерфейса пользователя: создание нового уровня, обновление, удаление, копирование и восстановление объектов карты;
- обеспечить визуализацию содержимого базы данных в условных знаках, принятых для топографических, обзорно-географических, кадастровых и других видов карт;
- обеспечить поддержку стандартных систем классификации, кодирования объектов и их характеристик в соответствии с требованиями Роскартографии, Топографической Службы ВС РФ и других федеральных служб;
- обеспечить поддержку пользовательских условных знаков, слоев, объектов и их характеристик;
- осуществлять выполнение расчетных операций: определение площади, длины периметра, построение зон отсечения, ведение статистики по характеристикам объектов.
Иерархическая структура базы ЦКМ, на нижнем уровне которой хранится информация об отдельных объектах карты, которые далее объединены в группы, слои и листы карт, определяющие район работ, позволяет:
- обеспечить высокопроизводительный алгоритм индексации данных;
- обеспечить максимальную скорость поиска и отображения объектов карты на стандартных технических средствах;
- обеспечить отображение как единого целого нескольких листов карт в цифровом виде, имеющих одинаковые масштабы и помещенных в одну базу данных, и определить реальный район работы мобильного комплекса навигации и топопривязки.
Включение в описание отдельного объекта метрических данных (координаты на местности), семантических данных (свойств объекта), текстовых справочных данных и иллюстративных графических данных, позволяет:
- представить в цифровом виде совокупность данных, которым может соответствовать реальный объект на местности (мост, река, здание и т.д.) или группа объектов (квартал - группа домов и т.п.) или часть объекта (при сложном описании метрики объекта она может быть разделена на два объекта или объект может быть описан подробно - крыльцо здания, отдельные корпуса и т.п.);
- производить дальнейшее объединение отдельных объектов по слоям, характеру локализации и признакам, устанавливаемым пользователем.
Определение методики использования ЦКМ составом реализуемых программными средствами функций: загрузка и ведение базы данных, решение расчетных задач, режим отображения маршрута, протоколирование информации, а также техническими характеристиками бортового компьютера, позволяет:
- производить просмотр установленных ЦКМ, при необходимости изменяя масштаб карты;
- производить загрузку ЦКМ с внешнего носителя;
- осуществлять определение местоположения (координат и высоты) мобильного комплекса навигации и топопривязки по ЦКМ и выбор маршрута движения;
- осуществлять вывод сохраненных файлов маршрутов, редактирование выбранного маршрута, его запись или удаление.
Использование для выполнения перечисленных операций комбинированного формата представления ЦКМ, при котором операции до формирования района работ включительно проводятся в векторном формате, а остальные - в растровом формате, позволяет:
- использовать бортовой компьютер с более низкими системными требованиями;
- обеспечить достаточную точность представления информации в сочетании с гибкостью и разнообразием сервисных функций.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема базы данных электронных карт; на фиг.2 - меню выбора задач режима РАБОТА С ЦКМ, на фиг.3 - меню выбора установленных листов ЦКМ, на фиг.4 - окно просмотра ЦКМ, на фиг.5 - меню выбора задачи ПРОКЛАДКА МАРШРУТА, на фиг.6 - рабочее окно задачи ПРОСМОТР/РЕДАКТИРОВАНИЕ/УДАЛЕНИЕ МАРШРУТА.
ЦКМ является наиболее удобным средством представления цифровой топогеодезической информации. Применение ЦКМ позволяет в значительно более короткие сроки, по сравнению с использованием обычных карт, производить оценку местности и обстановки, проводить анализ проходимости дорог на маршруте, полнее использовать имеющуюся информацию, автоматизировать выполнение типовых задач.
ЦКМ представляет собой средство визуализации с использованием технических и программных средств в принятой системе условных знаков, предназначенных для отображения и анализа местности, а также решения задач с использованием дополнительной информации.
В зависимости от типа исходных картографических материалов, используемых для создания ЦКМ, они разделяются на три основных вида: электронные топографические карты, электронные обзорно-географические карты, электронные планы городов.
Цифровая картографическая модель создается на основе соответствующего масштаба традиционных карт на машинных носителях информации в принятых для них проекции, разграфке, системах координат и высот, условных знаках и цветах.
В зависимости от формы представления данных ЦКМ подразделяются на растровые и векторные. Под векторной (линейной) формой представления понимается способ хранения картографической информации в виде векторов произвольной длины и ориентации. Под растровой формой представления понимается способ хранения цифровой картографической информации в виде матрицы, элементами которой являются коды цветов точек картографического изображения.
ЦКМ масштабов 1:25000, 1:50000, 1:100000 предназначены для детального изучения и оценки местности, целеуказания, производства измерений и расчетов при разработке и проведении операций.
ЦКМ масштабов 1:200000, 1:500000 используются для изучения местности при планировании боевых действий войск и мероприятий по их обеспечению, оценки проходимости, защитных и маскировочных свойств местности, выполнения расчетов при организации и совершении маршей в исходном районе, для десантирования и рейдов в тылу противника.
Применение ЦКМ позволяет:
- достоверно, с точностью и полнотой, соответствующими точности и полноте топографической карты данного масштаба, отображать современное состояние местности, ее типичные черты и характерные особенности;
- установить единую систему координат и высот, проекцию и унифицированную систему условных знаков;
- наглядно и удобночитаемо представить картографическую информацию, четко выделять имеющиеся ориентиры;
- обеспечить с соответствующей масштабу точностью возможность определения прямоугольных (географических) координат, количественных и качественных характеристик объектов местности;
- реализовать нагрузку, систему условных знаков и красочное оформление, позволяющее должностным лицам наносить данные оперативной обстановки;
- оценивать обстановку, принимать решения, ставить задачи, организовывать взаимодействие, изучать военно-географические особенности местности и определять ее тактические свойства (условия наблюдения, маскировки, проходимости и т.д.).
Способ использования ЦКМ, применяемых в мобильном комплексе навигации и топопривязки, определяется составом реализуемых программными средствами функций, а также техническими характеристиками и особенностями эксплуатации бортового компьютера. Основными функциями программных средств, определяющими способ использования ЦКМ, являются: загрузка и ведение базы данных, решение расчетных задач, режим отображения маршрута, протоколирование информации.
По своему содержанию база данных, с которой оперируют программные средства, включает картографическую базу данных, в которой содержится информация о местности, соответствующая традиционной топографической карте, базу данных об оперативной обстановке, наносимой должностными лицами органов управления, и оперативную базу данных, содержащую информацию о реальном маршруте движения и взаимном расположении элементов боевого порядка, получаемой от навигационных систем, а также данные приборов метеоразведки.
Процедуры загрузки и ведения такой системы баз данных включают:
- загрузку номенклатурных листов ЦКМ с носителя, на котором они поставляются, в архивную картографическую базу данных;
- «склейку» смежных номенклатурных листов (формирование района работ) и помещение сформированных наборов данных в рабочую картографическую базу данных;
- загрузку в базу, хранящуюся на носителе, данных об оперативной обстановке.
Для выполнения перечисленных операций наиболее подходит векторный формат представления ЦКМ. Он обеспечивает максимальную точность представления в сочетании с гибкостью и разнообразием сервисных функций. Однако высокие требования к ресурсам бортового компьютера не позволяют применять его непосредственно в ходе выполнения боевой задачи. Поэтому используется комбинированный вариант, когда операции до формирования района работ включительно проводятся в векторном формате, а остальные - в растровом формате представления ЦКМ, сочетающем достаточную функциональность с минимальными системными требованиями.
Бортовой компьютер мобильного комплекса навигации и топопривязки функционирует с использованием геоинформационной системы «Интеграция». ГИС «Интеграция» предназначена для создания и редактирования ЦКМ, а также для решения типовых прикладных задач.
ГИС «Интеграция» позволяет создавать векторные, растровые и матричные карты, а также оперативно обновлять различную информацию о местности.
База данных ЦКМ карт имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне хранится информация об отдельных объектах карты. Объекты могут объединяться в группы, слои и листы карты. Совокупность листов карт одного масштаба и вида составляет район работ - отдельную базу данных ЦКМ. Описание отдельного объекта состоит из метрических данных - координат местности, семантических данных - свойств объекта, текстовых справочных данных, иллюстративных графических данных и других данных, включая уникальный номер объекта, через который осуществляется логическая связь с внешними базами данных.
Объем отдельной базы данных ЦКМ составляет несколько терабайт (Тб). Обновление базы выполняется в режиме выполнения транзакций, что обеспечивает восстановление при сбоях и откат на любое число шагов назад. Система управления поддерживает высокопроизводительный алгоритм индексации данных, что обеспечивает максимальную скорость поиска и отображения объектов карты на стандартных технических средствах.
Программное обеспечение ГИС «Интеграция» имеет модульную многозадачную структуру. Все модули вызываются из общей управляющей оболочки. В состав программного обеспечения входят: система управления ЦКМ, управляющая оболочка, сервисные модули. Управляющая оболочка отвечает за пользовательский интерфейс (работу с оператором). Система управления ЦКМ реализована в виде динамической библиотеки (DLL), которая выполняет функции специализированной системы управления базами данных ЦКМ. Сервисные модули (конверторы, редактор векторного и растрового изображения, модуль вывода на внешние устройства, модуль расчетов и статического анализа, модуль взаимодействия с внешними базами данных и другие) реализованы в виде динамических библиотек (DLL).
ГИС ЦКМ позволяет обрабатывать следующие виды цифровых картографических данных: векторные карты, растровые изображения местности (растровые карты), матричные данные о местности. Различные виды цифровых данных могут обрабатываться совместно или отдельно. Цифровые данные могут конвертироваться в разные форматы, преобразовываться из одного вида в другой, отображаться на графических дисплеях, редактироваться, трансформироваться и т.д.
Данные о цифровых векторных картах имеют следующую структуру:
- паспортные данные о листе карты (масштаб, проекция, система координат, прямоугольные и геодезические координаты углов листа и т.д.;
- метрические данные объектов (координаты объектов на местности);
- семантические данные объектов карты (различные свойства объектов).
Объектом ЦКМ карты является совокупность цифровых данных, которым может соответствовать реальный объект на местности. Отдельные объекты векторной карты могут логически объединяться по слоям, характеру локализации и признакам, устанавливаемым пользователем. При этом образуется иерархическая структура представления данных, которая применяется при решении различных прикладных задач. Сведения о расположении объекта в иерархической структуре составляют справочные данные объекта карты.
Как правило, картографический материал для различных видов и масштабов карт имеет соответствующие системы деления на номенклатурные листы. Отдельному листу соответствует определенный участок земной поверхности. Для работы с несколькими листами бумажных карт их необходимо склеить или соединить другим образом. Данный процесс эффективно реализован в ГИС «Интеграция». Если имеется несколько листов карт в цифровом виде, имеющих одинаковый масштаб, проекцию, систему координат, то они могут отображаться как единое целое. При этом они остаются физически независимыми файлами цифровых данных на носителе данных.
Совокупность отдельных листов ЦКМ, помещенных в одну базу данных, отображаемых и обрабатываемых вместе, составляет район работ. На весь район работ создается один файл-паспорт.
Сведения о системе кодировании объектов и их характеристик хранятся в файле ресурсов (цифровом классификаторе района работ). Благодаря тому, что каждый лист района работ физически отделен от остальной части района работ, он может быть самостоятельно обновлен, отображен, отредактирован и передан от одного пользователя к другому, не затрагивая всего района работ.
Структура векторных карт позволяет хранить не только цифровое описание реальных объектов местности, но и прикладные пользовательские данные, быстро меняющиеся во времени. Например, метеоданные, сведения о перемещении транспортных средств, данные об условиях радиовидимости и т.д.
Для работы с ЦКМ в бортовом компьютере мобильного комплекса навигации и топопривязки предусмотрен специальный режим «РАБОТА С ЦКМ», являющийся одним из основных. Управление режимами работы бортового компьютера осуществляется оператором с помощью клавиатуры.
При выборе режима "РАБОТА С ЦКМ" выводится меню выбора задач: ПРОСМОТР ЦКМ, ЗАГРУЗКА ЦКМ, ПРОКЛАДКА МАРШРУТА, ПРОСМОТР/УДАЛЕНИЕ/РЕДАКТИРОВАНИЕ МАРШРУТА.
Задача ПРОСМОТР ЦКМ предназначена для просмотра установленных ЦКМ, для чего выбирается нужный лист карты для просмотра и при необходимости изменяется масштаб.
Задача ЗАГРУЗКА ЦКМ предназначена для загрузки ЦКМ с внешних устройств.
Задача ПРОКЛАДКА МАРШРУТА предназначена для определения местоположения (координат и высоты) объекта по ЦКМ и выбора маршрута движения. При выборе подзадачи ВЫБОР ПО ТЕКУЩИМ КООРДИНАТАМ происходит вывод листа карты соответствующего текущим координатам. При выборе подзадачи ВЫБОР ПО ВВОДИМЫМ КООРДИНАТАМ ввод координат осуществляется оператором. При выборе подзадачи ВЫБОР ИЗ СПИСКА выводится выбранный лист ЦКМ.
При выборе задачи ПРОСМОТР/РЕДАКТИРОВАНИЕ/УДАЛЕНИЕ МАРШРУТА выводится список сохраненных файлов маршрутов. Имя маршрута представлено в формате "Маршрут N ЧЧ.ММ ДД.ММ.ГГГГ", где N - порядковый номер сохраненного маршрута; "ЧЧ", "MM" - поля отображения часов, минут записи; "ДД", "ММ", "ГГГГ" - поля отображения дня, месяца, года записи.
Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача по достижению технического результата, заключающегося в в формировании способа использования топогеодезической информации на основе цифровых карт местности (ЦКМ), определяющего алгоритм использования ЦКМ в мобильном комплексе навигации и топопривязки и позволяющего производить детальное изучение и оценку местности, прокладку маршрута движения, автоматизированные расчеты при планировании мероприятий по инженерному оборудованию местности и топографической подготовке стрельбы.