Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics

Тезисы докладов

Математические проблемы в геотехнологиях

Работа выполнена частично при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-07-90239, № 03-07-96837).

Специфической задачей, сопровождающей дистанционное зондирование Земли из космоса с целью решения прикладных задач регионального мониторинга является географическая привязка получаемого изображения к картографическому материалу. Качественная сложность проблемы распознавания, совмещения и контроля в реальном времени геометрических и физических свойств наблюдаемых динамически изменяющихся объектов требует значительных ресурсов доступных аппаратно-программных средств суперкомпьютерного центра, используемых Лабораторией обработки изображений ИВМиМГ СО РАН в рамках проектов РФФИ № 03-07-90239 . № 03-07-96837.

АДАПТИВНОСТЬ, в рассматриваемом в настоящей работе ракурсе, присутствует здесь в нескольких аспектах: 1)адаптивность собственно видеоинформационной компоненты ГИС-данных, 2) адаптивность механизмов обработки данных дистанционного зондирования, и 3) адаптивность междисциплинарного коллектива разработчиков, обеспечивающего направленное продвижение разработки к планируемым целям.

1. Адаптивные особенности ГИС-данных, определяются рядом причин по которым требуется уточнение или изменение данных. Для плоских цифровых изображений земных объектов, наносимых на картографическую подложку, характерно изменение как форм, так и их взаимного расположения на поверхности Земли в процессе наблюдения. Эти наблюдаемые через определенные интервалы времени изменения связаны как с естественными процессами динамики их развития, так и с динамическими погрешностями картографической привязки отображения объектов. При подготовке ГИС-данных, геометрическим объектам, поставленным в соответствие отображаемым объектам, назначаются помимо координатной также и видеографическая информация в виде цвета, штриховой фактуры, текстовых обозначений и условных знаков. При видоизменениях объектов (форма, перемещение, масштаб и т.п.) желательно сохранить цельность картографического образа отображаемого объекта. В этом смысле каждая компонента образа должна "найти свое место" - адаптироваться к происшедшей перемене. Т.е. в данном случае мы понимаем под адаптацией ГИС-данных - способность автоматического изменения ориентации, масштаба и местоположения, сохраняющие топологическую цельность воспринимаемого картографического образа.

Принципиальным препятствием в обеспечении требуемой точности линейных и площадных измерений на местности является существенная по отношения к двум другим координатам загрубленность информации о высотных координатах расположения объектов. Например, чисто геометрическая трактовка с достаточно хорошей точностью подготовленной ГИС-схемы автомобильных дорог может существенно (на 25% и более) различаться от истинных расстояний. В этом случае, требуется более точная привязка, которая обеспечивается спецуказателями - километровыми столбами, расстановка которых должна проводиться наземными службами с помощью геодезических измерительных приборов.

2. В специфику дистанционного зондирования входят как многозональность, обеспечивающая совмещение разнородной информации, получаемой по разным каналам и диапазонам сканирующих лучей, тем самым уменьшая неполноту информации, так и удаленность от объекта исследований, затрудняющая, тем самым, установление стационарных точек привязки для задания координатной системы картографического образа зондируемой местности. Очертания водоемов являются одним из наиболее заметных идентификационных параметров аэро-космоизображения Земли, а сезонная изменчивость их форм (в случае пересыхания) создает серьезные препятствия для автоматической привязки изображения к картографической основе. Схожие проблемы имеют место и при анализе цифровых изображений одной и той же местности выполненные с различных высот и при различных наклонах съемочных камер. Помимо угловых и перспективных искажений, здесь начинают играть роль также и искажения, связанные с собственно прямоугольностью решетки построения растрового изображения, приводящей при его вращении к деформационному искажению изображения как по форме, так и по смещению относительно его истинного положения. Таким образом, привязка, производимая по отношению к группам взаимосвязанных объектов, должна обеспечивать достаточно приемлемое в мощностном плане площадное совпадение большей части объектов изображения.

3. На обеспечение адаптивности ГИС-данных направлен метод виртуальной адресации (ВА) ГИС-данных, поддержанный параллелизмом ВОД-процессирования, предлагаемый как инструмент для задания динамических объектов. Например, при полевой съемке местности точность инструментальной съемки может быть существенно более высокой, нежели точность определения опорной точки привязки. При перенесении результатов не картографическую основу приходится решать задачу уточнения координат объектов, линейно зависящих от задания координат опорной точки. В этом случае, желательно иметь возможность как выделения группы, так задания группового смещения (прямого или косвенного) с тем, чтобы эффективно перевычислить истинные координаты отображаемых объектов. Таким образом, под виртуальной адресацией понимаются такие механизмы описания расположения взаимосвязанных групп пространственных объектов, которые позволяют не только статический, но и динамический контроль согласованности данных. С этой целью предлагается использовать механизм задания функциональных зависимостей, замещающих стандартно задаваемые скалярные значения.

А). Частным случаем задания функциональных зависимостей является использование не абсолютных, но относительных координат. Если точка "a" задана своими абсолютными координатами, а точка "b" задана относительными по отношению к "а" координатам, если в позициях координат будут указываться абсолютные смещения точки "b" по отношению к "а". Иначе говоря, абсолютные значения координат точки "b" можно получить сложив абсолютные значения координат "а" и соответствующие смещения из "b".

Развивая идею относительной адресации, можно построить дерево топологических зависимостей координат, при этом относительно подузлов возможны две различные с точки зрения реализационных механизмов трактовки относительной адресации:

а) смещение точки "c" относительно "b" и "а", вычисляемое как сумма смещений "c" относительно "b" и "a",

б) и смещение точки "c", рассматриваемое только как одноуровневое смещение относительно динамически вычисляемой абсолютной координаты "b".

Если согласно функции, связывающей координаты F("а", "b", "c"), подвергаются изменениям входные параметры, то процесс корректировки в естественном виде проводится с минимальными изменениями узлов - начиная с листьев, потом затрагивая ветви, и в последнюю очередь касаясь координат стволов. Представляется весьма эффективным внесение изменений в обратном порядке, имея в виду сохраняемость топологических и геометрических соотношений на ветвях топологического дерева зависимостей координат объектов.

Б). При таком определении относительной адресации, у каждой точки должен быть только один корень, и единственным образом определяемое поддерево-группа зависимых точек. Оперируя в конечномерном множестве дискретного представления координат, мы с необходимостью сталкиваемся с проблемой отождествления точек. Понимание невозможности аболютного (вещественного) задания координат позволяет говорить о точности представления каждой конкретной точки. Усложнение аппарата представления топологического дерева зависимостей путем разрешения отождествления узлов, приводит к топологическому графу зависимостей, на котором определены множество значений функций, должных быть топологически непротиворечивыми. Необходимость автоматической проверки непротиворечивости вариантов представления топологического графа, позволяет говорить о корректности представления и о механизмах автоматического расчета "ближайшего" корректного представления. Отметим, что в этом случае имеет место качественно большой объем вычислений комбинаторного типа.

4. Поддержка метода виртуальной адресации (ВА) параллелизмом ВОД-роцессирования. Как упоминалось выше, одним из аргументов в пользу ВА является возможность ее эффективной реализации с использованием аппарата вертикальных вычислений. В отличие от обычной ("горизонтальной") обработки, когда данное целиком поступает в процессор, при ВОД-обработке в процессор одновременно поступают соответствующие (т.е. одного старшинства) разряды кодов двоичного представления сразу многих данных. Особенностью программной реализации арифметических операций над вертикально-организованными данными является прямая зависимость времени обработки от размера кода данных, что позволяет эффективизировать обработку "коротких" данных. Кроме того, использование аппаратных схем побитовых операций И, ИЛИ, НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и т.п., позволяет напрямую использовать параллелизм, обеспечивающий массовые операции над вертикальными данными. Особенное значение это свойство имеет для многопроцессорных SIMD-систем, в которых обработка данных, размещенных в различные процессоры производятся по единой программе. Рассматривая регистры SIMD-системы в виде компонент одного "очень длинного" регистра, мы получаем возможность проводить единовременную обработку до десятков тысяч единиц данных.

Ваши комментарии Обратная связь

[Головная страница] [Конференции]

© 1996-2000, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 1996-2000, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск
    Дата последней модификации: 06-Jul-2012 (11:52:46)