Разработка технологии динамической когнитивной геовизуализации

УДК 004.45, 004.5

А.В. Вицентий

Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского НЦ РАН

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ КОГНИТИВНОЙ ГЕОВИЗУАЛИЗАЦИИ

Аннотация

В работе рассматривается проблема динамической когнитивной геовизуализации пространственно-организованных биосоциоэкономических систем. Показаны некоторые направления работ по данной тематике. Кратко описаны основы создания и основные элементы технологии динамической когнитивной гевизуализации.

Ключевые слова:

геовизуализация, информационная поддержка принятия решений, дистанционное зондирование Земли.

A.V. Vicentiy

THE DYNAMIC COGNITIVE GEOVISUALIZATION TECHNOLOGY DEVELOPMENT

Abstract

The paper considers the problem of dynamic cognitive geovisualization of spatially organized bio-socio-economic systems. Some lines of work in this subject are showed. Briefly describe the basics of the technology and the basic elements of dynamic cognitive geovisualization.

Keywords:

geovisualization, information decision support, Earth remote sensing.

Введение

В связи с бурным развитием вычислительной техники и соответствующего программно-алгоритмического обеспечения, произошло накопление огромных объемов разнородных данных. Это привело к тому, что в последние десятилетия особенно актуальной стала проблема оперативного анализа больших объемов разнородной информации. Эта проблема относится и к пространственной информации, рост объемов которой обусловлен взрывным развитием как в области их получения (новые методы картирования, аэрофотосъемка, дистанционное зондирование Земли из космоса и т.д.), так и в области обработки (развитие проблемно-ориентированных географических информационных систем (ГИС) и ГИС общего назначения, специализированное программное обеспечение (ПО) обработки аэро- и космоснимков, специализированное ПО для научных и инженерных задач и т.п.) в последние десять лет.

Организация обработки пространственной информации особенно важна при решении задач управления территориально-распределенными объектами и системами. В этой области часто даже самые современные информационные технологии не способны соперничать с человеческим мозгом. Для анализа информации о пространственных объектах управления и принятия решений привлекаются специалисты и эксперты из различных предметных областей. Эти

87

специалисты чаще всего имеют существенно разные когнитивные и ментальные стереотипы, определяющие способы восприятия и оперирования пространственной информацией. Осознание этого факта приводит к постановке проблемы эффективного представления данных, накопленных в информационной системе человеку. Передача данных осуществляется посредством компьютерных интерфейсов, разработка которых представляет собой отдельную сложную мультидисциплинарную задачу. По этому вопросу можно отметить, что проблема разработки эффективных интерфейсов человек-компьютер возникла с появлением первых вычислительных машин и не потеряла своей актуальности на сегодняшний день. Можно предполагать, что окончательно эта проблема не будет решена до тех пор, пока развитие компьютерной техники не остановится и принципы восприятия информации человеком не будут досконально изучены, да и тогда нахождение одновременно универсального и эффективного решения данной проблемы маловероятно.

О некоторых направлениях геовизуализации

Для решения проблемы эффективного представления данных необходимы специализированные технологии, обеспечивающие автоматизированную визуализацию данных, адаптированную к особенностям восприятия человека и способствующую, тем самым, более быстрому и адекватному принятию решений. Количество исследований в этом направлении начало расти с начала двухтысячных годов. Можно отдельно выделить работу «Research Challenges in Geovisualization» в которой Alan M. MacEachren и Menno-Jan Kraak, наряду с другими, обозначили проблему повышения когнитивности геоинформации как одну из важнейших. Под влиянием этой и подобных работ сформировались два основных направления:

1) исследование и создание новых методов отображения пространственной информации;

2) исследование особенностей восприятия пространственной информации конечным пользователем.

На данный момент исследования особенностей восприятия информации существенно продвинулись. За рубежом даже сформировалась отдельная междисциплинарная наука - когнитивная география. Один из наиболее авторитетных авторов в этой области - Daniel R. Montello - определяет когнитивную географию как науку, которая изучает восприятие человеком пространства, местоположения и окружения. В своей статье «A Conceptual Model of the Cognitive Processing of Environmental Distance Information» он делает попытку описать модель процесса восприятия пространства человеком при различных обстоятельствах. Таким образом, можно сказать, что на сегодняшний день накоплен значительный теоретический материал об особенностях восприятия человеком геоинформации. Этот материал может послужить основой для создания методического обеспечения технологии автоматизированной когнитивной геовизуализации.

В целом, тема когнитивной визуализации пространственных данных является относительно новой и динамично развивающейся. Исследования носят междисциплинарный характер, а основные результаты лежат в областях разработки интеллектуальных систем визуализации для ГИС, геоинфоматики,

88

визуальном анализе данных и др. При этом, довольно трудно найти работы по динамической когнитивной геовизуализации, где бы такой способ построения геоизображений (картографирования) рассматривался с системной точки зрения.

Само понятие когнитивной геовизуализации также относительно молодо. Более или менее близким аналогом к нему является понятие когнитивного картографирования, которое давно вошло в обиход и с успехом используется при решении различных научных и производственных задач. Работами по когнитивному картографированию занимаются такие ученые и специалисты, как Т.Н. Тимофеева, А.И. Каяшев, S.P. Vajjhala, W.M. Walker, Z.Q. Liu и др. Однако, эти работы в большинстве своем связаны с разработкой приложений теории когнитивного картографирования для решения конкретных задач.

Основы создания технологии динамической когнитивной геовизуализации

Целью нашей работы является развитие методов когнитивной визуализации пространственных данных. Для этого предлагается разработать набор специализированных моделей, методик и алгоритмов предварительной обработки пространственных данных для их визуализации. Результатом такой визуализации будет являться синтезированное геоизображение, построенное с учетом когнитивных особенностей восприятия визуальной информации конкретного пользователя. Синтез осуществляется в результате совместного анализа формальных моделей запроса пользователя, визуальных картографических стереотипов и когнитивных «настроек и предпочтений» пользователя.

В качестве формы реализации моделей предполагается использовать онтологии. Также для уменьшения когнитивной нагрузки на пользователя предлагается проводить семантическое редуцирование результатов геовизуализации на основе специализированных алгоритмов обработки геоданных. Построенное таким образом геоизображение должно более адекватно отражать изучаемые объекты реального мира и лучше соответствовать задачам исследования данных и принятия решений.

Особенностью предлагаемой технологии динамической когнитивной геовизуализации является возможность оперативно перестраивать синтезированное геоизображение и формировать альтернативные представления пространственных данных. Критерием выбора для перестроения может быть, например, класс решаемых задач или тип пользователя.

Таким образом, работа направлена на создание общих методических основ создания высокоэффективных систем когнитивной визуализации геоданных, основанных на знаниях. Основной идеей является совместная формализация и использование на общей понятийной и методической базе знаний предметной области, когнитивных моделей пользователей и модели визуализации пространственных данных. Подобное комплексное рассмотрение проблем организации эффективной визуализации данных, опирающегося на достижения современной когнитивной и компьютерной наук, с нашей точки зрения, является новым, перспективным и в целом соответствует мировому уровню разработок в данной области.

89

Описание основных элементов технологии динамической когнитивной геовизуализации

Отображение пространственных данных в первых географических инфор-мационных системах, строилось по хорошо известным правилам, основанным на опыте отображения информации на бумажных картах. Однако в настоящее время все больше и больше пространственной информации представлено в цифровой форме и нам приходится сталкиваться с новыми проблемами, обусловленными поисками лучших решений для построения геовизуализаций. Визуализация геопространственной информации становится ключевым вопросом, объеди-няющим, с одной стороны, богатейшие архивы накопленной высокоуровневой пространственной информации, а с другой, пользователей этой информации, нуждающихся в ней для организации поддержки принятия решений, управления и иной деятельности.

Операторы, обычные пользователи и лица, принимающие решения, используя ГИС в своей работе, манипулируют большими объемами сложноорганизованной пространственной информации. И те способы, которыми визуализируется геопространственная информация, оказывают значительное влияние на ее восприятие.

В последние годы появляются новые технологические разработки, методы и платформы, которые позволяют реализовать инновационную визуализацию геопространственной информации. Знания, накопленные в таких областях, как визуализация информации, научная визуализация, взаимодействие человека с компьютером, картография и других, интегрируются для того, чтобы выработать новые стратегии геовизуализации.

Многие аспекты визуального отображения больших объемов данных, например, в ГИС, системах виртуальной реальности, системах инженерной и научной визуализации, могут быть значительно улучшены при условии большего внимания к результатам исследований в когнитивной науке (когнитивистика, семиотика, психология восприятия и др.) В связи с этим необходимо разрабатывать адаптивные методы когнитивной геовизуализации больших объемов сложноорганизованных пространственных данных. Для этого нужно предложить новые модели описаний картографических стереотипов и интерпретации запросов пользователей в системе геовизуализации, разработать методики и алгоритмическое обеспечение процессов семантического редуцирования результатов геовизуализации, а также синтезировать методики и технологии адаптации, полученных геоизображений для эффективного визуального восприятия на основе формально представленных знаний о когнитивных особенностях восприятия пользователей. Учитывая высокую актуальность и малую степень разработанности вопросов визуализации пространственных данных с учетом когнитивных аспектов восприятия в области взаимодействия человека и компьютера, результаты работ в этом направлении могут внести значительный вклад в развитие систем визуализации и геоинформационных систем, и могут способствовать решению задач, связанных с компьютерной поддержкой научных исследований и геоинформатикой, в той их части, где методы визуализации окажутся наиболее востребованы.

Реализация технологии динамической когнитивной геовизуализации включает в себя разработку методов и технологий интерактивной визуализации

90

пространственных данных с учетом когнитивных и перцептивных особенностей и стереотипов восприятия визуальной информации конечным пользователем системы. Обобщенно основные этапы технологии можно сформулировать следующим образом:

1. Разработка формальной модели запроса пользователя и описаний визуальных картографических стереотипов в системе геовизуализации для автоматизации построения адекватного задаче геоизображения;

2. Разработка алгоритмов семантического редуцирования результата геовизуализации для уменьшения объема отображаемой информации;

3. Создание методики и технологии адаптации полученного геоизображения для визуального восприятия на основе формально представленных знаний о когнитивных настройках пользователя

Для разработки моделей запроса пользователей и описаний визуальных стереотипов в системе геовизуализации используются подходы концептуального моделирования и инженерии знаний. Для обеспечения эффективного семантического редуцирования синтезированных геоизображений применяется метод оценки качества когнитивной геовизуализации. В основу данного метода положены расчет и оценка двух формальных критериев:

1) критерий информативности геоизображения;

2) критерий когнитивной загрузки геовизуализации.

Критерий информативности позволяет оценить формальные потери информации геоизображения как набора графических примитивов. Этот критерий используется на первом этапе редуцирования. Его значение показывает, какое количество графической информации может быть удалено из геоизображения без ущерба для его дальнейшего анализа. Критерий может быть применен как к изображению в целом, так и к его отдельным фрагментам, что актуально в условиях частого масштабирования геоизображений. Критерий когнитивной загрузки изображения позволяет оценить качество геовизуализации с учетом особенностей пользовательского представления. Оценка этого критерия дает представление о том, насколько удачно была произведена визуализация набора графических примитивов с точки зрения пользователя.

Для обеспечения адаптации геоизображений к когнитивным особенностям пользователей необходимо использовать методики и алгоритмы формального представления знаний об особенностях восприятия визуальной информации различными пользователями. Для этих целей можно использовать методы разработки онтологий. Важным аспектом новизны здесь являются способы выявления особенностей восприятия визуальных стереотипов и их формализации в виде концептов онтологии пользовательского представления.

Заключение

На данный момент в процессе разработки технологии динамической когнитивной геовизуализации нами были проработаны некоторые вопросы в области интеграции разнородных информационных ресурсов на основе их семантического описания [1, 2], что требуется для построения геоизображений в ГИС. Также были проведены работы в области изучения основных особенностей восприятия визуальной информации [3, 4] и сложившейся в настоящее время практики разработки интерфейсов [5-7]. Кроме того, были опробованы

91

современные технологии построения веб-геосервсисов [8-11] и отработаны основные приемы работы с данными дистанционного зондирования Земли [12-16].

В перспективе остаются вопросы разработки методологического обеспечения технологии извлечения знаний о когнитивных особенностях восприятия на основе мониторинга деятельности пользователя и алгоритмов автоматизированного синтеза когнитивного геоизображения (геовизуализации). Прикладные результаты могут быть связаны с уточнением методики оценки качества когнитивной геовизуализации, для автоматизации процесса оценки, а также разработка технологии синтеза инструментов для визуального анализа атрибутированных данных геоизображений полученных в системе динамической когнитивной геовизуализации.

Литература

1. Вицентий, А.В. Разработка подхода к интеграции разнородных информационных ресурсов на основе семантического описания /А.В. Вицентий // Север и рынок: формирование экономического порядка. - 2014. - № 1 (38).

- С.11-17.

2. Вицентий, А.В. Разработка механизмов виртуальной интеграции разнородных информационных ресурсов в системах информационно-аналитической поддержки управления территориями /А.В. Вицентий // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Вып.5. -5/2014(24). -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2013 - С.121-127.

3. Вицентий, А.В. К вопросу о когнитивном картографировании / А.В. Вицентий, М.Г. Шишаев, Т.А. Порядин // Теоретические и прикладные вопросы науки и образования: сб. науч. тр. Международной научно-практ. конф., г. Тамбов, 31 января 2015 г. - Ч.12. - С.45-46.

4. Вицентий, А.В. Визуализация в научных и инженерных исследованиях / А.В. Вицентий, М.Г. Шишаев // Научный альманах. - 2015. - № 4(6). - С.192-196.

5. Вицентий, А.В. Компьютерная визуализация в построении интерфейсов / А.В. Вицентий, М.Г. Шишаев // Наука и технологии в современном обществе: материалы II Международной научно-практ. конф., г.Уфа, 30 - 31 марта 2015 г. - РИО ИЦИПТ - С.89-91.

6. Вицентий, А.В. Построение интерфейсов мультипредметных информационных систем / А.В. Вицентий, Т.А. Порядин // Современное общество, образование и наука: сб. науч. тр. Международной научно-практ. конф., г. Тамбов, 31 марта 2015 г. - С.34-36.

7. Вицентий, А.В. К вопросу о разработке когнитивных интерфейсов для систем информационной поддержки управления развитием пространственнораспределенных систем / А.В. Вицентий, М.Г. Шишаев // Научный альманах.

- 2015. - № 5(7). - С.123-127.

8. Вицентий, А.В. Пользовательский интерфейс геоинформационных систем / А.В. Вицентий, М.Г. Шишаев, Т.А. Порядин // XVIII Межрегиональная научно-практ. конф.: тезисы докладов, г. Апатиты, 15 - 17 апреля 2015 г.

- Ч.1. -С.22-23.

92

9. Вицентий, А.В. Когнитивное картографирование для информационной поддержки управления развитием пространственно-организованных систем / А.В. Вицентий, М.Г. Шишаев, Т.А. Порядин // Теория и практика системной динамики: материалы докл. VI Всероссийской научной конф., г. Апатиты, 30 марта - 3 апреля 2015 г. - Апатиты: КНЦ РАН, 2015. - С.28-30.

10. Вицентий, А.В. Разработка многопользовательского web-сервиса информационной поддержки радиологического мониторинга /А.В. Вицентий //Теория и практика системного анализа: тр. III Всероссийской научн. конф. молодых ученых с международным участием, г. Рыбинск, 21 - 24 марта 2015г. - T.I. - С.118-124.

11. Вицентий, А.В. Разработка технической платформы средств динамического картографирования и визуального анализа на примере системы информационной поддержки мониторинга радиологической обстановки / А.В. Вицентий // Фундаментальные проблемы системной безопасности: материалы V Международной научн. конф., посвященной 90-летию со дня рождения выдающегося ученого, генерального конструктора ракетно-космических систем акад. В.Ф. Уткина, г. Елец, 13 - 14 мая 2014 г. - С.324-329.

12. Вицентий, А.В. Возможности радиологического мониторинга по данным дистанционного зондирования Земли из космоса / А.В. Вицентий, Т.А. Порядин // IV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященная 85-летию БГИТА, г. Брянск, 3 - 5 июня 2015 г. - С.8-10.

13. Вицентий, А.В. Разработка средств визуального анализа для специалиста радиологического мониторинга на основе данных дистанционного зондирования Земли / А.В. Вицентий, М.Г. Шишаев // Прикладные проблемы управления макросистемами: материалы докл. X Всероссийской конф., г. Апатиты, 31 марта-5 апреля 2014 г. - Апатиты: КНЦ РАН, 2015. - С.8-9.

14. Вицентий, А.В. Разработка системы информационной поддержки мониторинга радиологической обстановки с использованием данных ДЗЗ (на примере Мурманской области) / А.В. Вицентий, Т.А. Порядин, М.Г. Шишаев // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли: материалы Международной науч. конф., г. Красноярск, 23 - 26 сентября 2014 г. -С.262-266.

15. Вицентий, А.В. Использование спутниковых данных в системе информационной поддержки мониторинга радиологической обстановки / А.В. Вицентий, Т.А. Порядин, М.Г. Шишаев // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: тез. докл. Двенадцатой Всероссийской открытой конф., г. Москва, 10 - 14 ноября 2014 г. - CD-диск.

16. Вицентий, А.В. Применение дистанционного зондирования Земли и космических технологий для развития арктических и субарктических территорий Российской Федерации /А.В. Вицентий // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. -Вып.4. - 5/2013(18). -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2013 - С.40-45.

Сведения об авторе

Вицентий Александр Владимирович - к.т.н., научный сотрудник, доцент,

е-mail: alx 2003@mail.ru

Alexander V. Vicentiy - Ph.D. (Tech. Sci.), researcher, docent

93