"Разработка программного обеспечения для формирования и управления базой данных в геоинформационных системах (На примере Вьетнама)" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ' ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

ОД - , ■

. .1

На правах рукописи

---:---ч^мл^кЛ——

ФАМ ХИ ЧИ _____————----

" РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ БАЗОЙ ДАННЫХ В ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ( НА ПРИМЕРЕ ВЬЕТНАМА ),"

01.04. 01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических-исследований

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994 г.

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководители - академик РАЕН, доктор физико' математических наук Крапивин В.Ф.

- чл.-корр. РАЕН , доктор физико-математических наук Мкртчян Ф.А.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

АмОросимов А.К.

- кандидат технических наук Тищанко Ю.Г.

Ведущая организация: Институт проблем передачи информации РАН

Защита состоится * ¡и<1> 199У~г. в /£ часов на

заседании специализированного совета Д 002.74.03 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, г.Москва, ГСП -3, Моховая ул. 11. •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан "¿2" ноября 1994 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, к.ф.-м.н. Л1Щ,' М.И.Перцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. В связи с активизацией воздействия промышленной (антропогенной) деятельности человека на биосферу важную роль, на современном этапе, стали играть теоретико-экспериментальные метода исследования окружающей среда. Первостепенное значение при осуществлении таких исследований приобретают организация массового сбора информации об изучаемой системе, оперативность ее обработки и достоверная интерпретация данных наблюдений на основе аналитических и численных математических моделей.

Характерной особенностью современной информационной базы данных о природной среде является наличие измерений, получаемых в пунктах наземного базирования и с помощью средств дистанционного зондирования. Наземные данные отличаются дискретностью по пространству и с их помощью возможна оценка состояния лишь локальных природных процессов. Данные дистанционного зондирования динамичны во времени и достаточно полно описывают пространственные характеристики природных систем, однако они не позволяют сформировать статистически однородные выборки данных и тем самым ограничивается применимость классических методов статистического анализа.

Очевидно, что комплексное исследование данных наземных и дистанционных измерений может повысить достоверность оценок параметров природных систем и решить задачу планирования этих измерений.

В результате соединения системы сбора информации об окружающей среде, модели функционирования региональной экосистемы, системы компьютерного картографирования и средств искусственного интеллекта возможно создание геоинформационной мониторинговой системы (ГИМС).

Развитие систем геоинформационного мониторинга требует решения ряда задач организации потоков данных измерений. Среди этих задач одной из важных является задача синтеза и управления фрагментов базы данных, отвечающих за достоверность прогноза состояния изучаемого природного объекта. Такая задача сформулирована среди приоритетных направлений ряда национальных и международных программ по изучению окружающей среда.

Сбор и накопление данных в режиме мониторинга связан с их регулярной обработкой для использования ГИС- и ГИМС- технологий.. В первом случае необходимо на основе зашумленной и отрывочной во

времени .и пространстве информации формировать пространственные образы природных объектов. Во втором случае дополнительно к этим операциям требуется оценивать параметры моделей и на основе оценки рассогласований между измеренными и прогнозными состояниями осуществлять коррекцию моделей или изменять режим мониторинга.

В связи с этим тема диссертации безусловно актуальна.

Цель работы. Целью данной работы является разработка алгоритмического и программного обеспечения для решения следующих, задач:

- формирование фрагментов базы данных по результатамизме-рений параметров окружающей среды с использованием разнотипных средств на территории Вьетнама; •

- выбор эффективных алгоритмов пространственно-временной интерполяции и подготовка необходимого программного продукта;

- разработка технологии совмещения фрагментов базы даншх с моделями природных процессов й объектов; .

- создание программного продукта для автоматизации обработки данных в режиме геоинформационного' мониторинга "в климатических условиях Южного Вьетнама. „ .

Научная новизна.

1. Впервые разработана обобщенная схема автоматизированного геоинформационного мониторинга для Вьетнама, ядром которой являетг ся'автоматизированный банк дистанционных данных.

2. Разработаны новые принципы построения и структура комплекса алгоритмических и программных средств,.обеспечивающих согласо- . вание режимов сбора даншх и их использования в моделях динамики объектов окружающей среды. -

3. Даны рекомендации по составу базы'данных с учетом уровней их готовности для использования на различных этапах геоинформационного мониторинга, что впервые позволило объединить средства

; сбора данных и моделирование.

4. Впервые на территории Вьетнама получены результаты экспедиционных исследований и осуществлена их обработка с применением развитой технологии формирования и управления базой данных.

.' Практическая ценность. Научно-практическая ценность работы состоит в использовании-предложенной технологии включения в базу данных сведений, необходимых, для моделирования изучаемого природ-

ного процесса. Построенная система компьютерных алгоритмов и программ использована для обработки данных экспедиционных исследований на территории Вьетнама при изучении качества окружающей среды, чем показана возможность практической реализации ГШС-технологии в условиях CFB.

Диссертация выполнялась в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между ИРЭ РАН и Центром космической физики и технологии дистанционного зондирования НЦНИ СРВ (г.ХоШиМин), а также в соответствии с программами научного сотрудничества с университетами Дилларда и Аляски США, по планам ряда НИР ИРЭ РАН ( НИР "ИНСОС", "Процесс", "Погода"), по НИР "Разработка рациональной системы экологического мониторинга при разработке Штокмановс-кого ГКМ в Баренцевом море" ( по заказу ВНИПМморнефтегаз, г.Москва), по НИР "Разработка динамических моделей биогеохимических циклов в экосистемах и природных объектах" (Программа "Экологическая безопасность России", проект 5.4.8.3).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Предложенная обобщенная схема автоматизированного геоинформационного мониторинга позволяет определить оптимальные функциональные параметры компьютерной системы для реализации ГИМС- технологии в реальном масштабе времени.

2. Принципы построения и структура комплекса алгоритмических и программных средств, обеспечивающих согласование режимов сбора данных и их использования в моделях динамики объектов окружающей среды.

3. Рекомендации по составу базы данных с учетом уровней их готовности для использования на различных этапах геоинформационного мониторинга.

4. Результаты экспедиционных исследований и применения развитой технологии формирования и управления базой данных на территории Вьетнама.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации обсуждались на российско-вьетнамских научных семинарах в г.Хошимине в ноябре 1992 г., в апреле и ноябре 1994 г., докладывались на XLIX научной сессии, посвященной Дню радио (Москва 1994 г.), на 2-ом международном симпозиуме "Проблемы экоинформатики"(Москва,1994 г.), а также на научных семинарах секции кибернетики РНТОРЭС им. А.С.По-

пова в июне 1994 г. и отдела информатики ИРЭ РАН в октябре 1994 г.. По материалам диссертации опубликовано б работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, фор-муруются цели и задачи работы, излагаются основные защищаемые положения, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов и приводится краткое содержание работы.

В первой главе определяется роль дистанционных методов исследования в геоинформационных мониторинговых системах ( ГММС ) и раскрывается специфика геоинформационного мониторинга как объекта автоматизации. Выделены основные функции геоинформационного мониторинга:

- сбор достоверной информации об изучаемом объекте;

- первичная обработка данных, включая раскодировку и предварительный контроль данных наблюдений с приведением этих данных к некоторым стандартным формам;

- тематическая (вторичная) обработка данных, включающая различные математические и статистические методы и предназначенья для решения задач распознавания, классификации и определения типовых характеристик исследуемого объекта;

- прогноз состояния изучаемого объекта на основе интерпретации полученной информации с использованием развитых математических методов.

Исходя из такого функционального разбиения геоинформационного мониторинга сформирована обобщенная схема автоматизированной системы сбора, хранения и интерпретации дистанционной информации, ядром которой является автоматизированный банк дистанционных данных. Сформулированы принципы проектирования автоматизированной системы сбора и хранения информации в ГИМС:

- системный подход;•

- централизованное хранение информации;

- модульность;

- интерактивный режим функционирования;

- типовость.

Показано, что при проектировании автоматизированной системы сбора и хранения информации в ГИМС целесообразно применять концепцию баз данных. Разработку программного обеспечения вышеуказанной автоматизированной системы следует осуществлять с использованием стандартной системы управления базой данных (СУБД). Даны характеристики наиболее распространенных в настоящее время СУБД. Исходя из сравнительных характеристик СУБД, в работе показано, что наиболее подходящими для предлагаемой автоматизированной системы являются СУБД фирмы Fox Software.(Pox Pro, Pox Ваве).

Далее в первой главе дан краткий анализ прикладных задач, решаемых системой баз данных в условиях геоинформационного мониторинга.

В конце первой главы определены иерархические уровни готовности данных и рассмотрены иерархии решаемых задач.

Выделены следующие уровни данных:

- данные непосредственных измерений;

- обработанные данные с внесением в них поправок на исключение возможных искажений в процессе измерения;

- оценки параметров модели изучаемого процесса, полученные с использованием откорректированных данных;

- картографическое представление данных с привязкой к конкретному пространственному масштабу.

Вторая глава посвящена вопросам автоматизированной обработки, сортировки и восстановления данных дистанционных измерений. Наряду с трудностями при интерпретации данных геоинформационного мониторинга, связанные с решением обратных задач, имеются переменные задачи по картированию этих данных с учетом неполноты их правомерности измерений во времени.

Предложен алгоритм восстановления дистанционной информации, при условии наличия и отсутствия пересечения траекторий летательных аппаратов над обследуемой областью.

При создании однородного в статистическом плане ансамбля данных используются методы оптимальной, полиномиальной, сплайн-интерполяции, а также метод дифференциальной аппроксимации Беллмана-Роуса. Приведены краткие описания этих методов.

Далее в гл.2 рассматриваются алгоритмы визуализации, поиска и размещения фрагментов баз данных.

В третьей главе рассматриваются вопросы готовности, раскоди-

ровки, калибровки, сжатия, привязки и анализа данных.

Раскодировка данных представляет собой процесс приведения экспериментальной информации к виду, приемлемому для ввода в ЭВМ.

Калибровка представлякт собой процесс установления взаимооднозначного соответствия между действительным значением параметров окружающей среды и выходными показаниями измерительной системы.

Временная и географическая привязка данных представляет собой процесс, в результате которого на носителе формируется файл данных. Структура файла такова, что он состоит из записей, где каждому значению измерений по одному или нескольким каналам соответствует определенный момент времени или координата на местности.

Далее рассматриваются вопросы обработки данных с кооректировкой искажений.

Далее в гл.З рассматриваются вопросы оценки параметров моделей природных систем. Отмечается, что для конкретного объекта мониторинга создается модель, описывающая взаимодействие этого объекта через биосферные, климтические и социально-экономические связи с глобальной системой биосфера-климат-общество, а также описывающая функционирование различных уровней пространственно-временной иерархии всей совокупности процессов в окружающей среде, влияющих на состояние объекта. Модель охватывает характерные для данной территории процессы природного и антропогенного характера и в начале своей разработки опирается на существующую информационную'базу. Структура модели ориентируется на адаптивный режим ее использования.

В результате соединения системы сбора информации об окружающей среде, модели функционирования геоэкосистемы данной территории, системы компьютерного картографирования и средств искусственного инте-лекта синтезируется единая ГИМС территории, обеспечивающая прогнозные оценки последствий реализации техногенных проектов и другие оценки функционирования геоэкосистем.

В четвертой главе конкретизируется обобщенная схема системы экологического мониторинга (СЭКОМ) для Вьетнама с учетом специфики тропических широт.

Построение системы экологического мониторинга национального масштаба связано со спецификацией ГИМС в плане выделения компонентов природной, климатической и социальной сред, характерных для данного уровня пространственной иерархии: страны, регионов, территории и объектов.

Структура СЭКОМ Вьетнама рассчитана на реализацию комплекса

функций по сбору информации о текущих значениях параметров геозко-системы, обработку этой информации в рзмках моделей, имитирующих экологические и климатические процессы развитая системы, и принятие оптимальных технологических решений. Блоки обеспечивают функционирования режима мониторинга в условиях поступления информации с МСЗ, самолетов-лабораторий и назетдных пунктов наблюдения. Одним из принципиальных моментов этого функционирования является нали^ чие типичной ситуации, когда резжм поступления данных нерегулярен, а их пространственное размещение отрывочно, т.е. пространственно-временная полнота данных оказывается недостаточной для прямой объективной оценки состояния наблюдаемого природного объекта.

Другие тудности возникают из-за зашумленности и нестационарности данных наблюдений, необходимости принятия решений в рэалнсм масштабе (или близком к нему) времени, нерешенности задач интерпретации многих измерений при предолепни экологических, госфигачесас: и климатических параметров (особенно в условиях дистанционного мониторинга ).

Преодолеть указанные трудности што за счет конструктивней особенности СЭКОМ, выражающейся в гибком планировании натурного и вычислительного экспериментов. Дорогостоящие системы сбора и;''1»р-мации используются редко, а в остальное врекл работает ксмьтор-ная модель, имитирующая функииояирэвение прнролгого объекта.

СЭКОМ Вьетнама имеет иерархию блоков.Одням из важнейших блоков СЭКОМ является блок первичной обработки данных. В кем имеются рса-лизованные в виде наборов компьютерных программ алгоритмы интерпрз-тации дашшх дистанционного зондирования скружакщей среды в рэдпо-метрических диапазонах волн. Блок первичной обработки реализует такие функции, как раскодировка, контроль, калибровка и нормирование дашшх измерений, их временная и геофизическая привязка, приведение данных измерений к стандартным характеристикам и т.д..

Блок тематической обработки данных формируется в процессе адаптации СЭКОМ к объекту. Базовым алгоритмическим и прогрммным обеспечением является комплекс компьютерных средств статистической обработки данных измерений, их графического и двумерного отображения, представление результатов измерений и обработки в форме картосхем, применения различных способов визуализации результатов мониторинга, обнаружения и классификации элементов изучаемого сбьекта.

Далее в гл.4 дается анализ дистанционных экспериментов (радиофизических и оптических) проведенных на территории СРВ в январе

1989 г. и в ноябре 1992 г.. Результаты обработки экспериментальных данных блоками СЗКОМ Вьетнама приводятся в конце 4-ой главы.

На основе СУБД Fox Pro сформирован автоматизированный банк данных вышеуказанных дистанционных экспериментов.

В частности, в него включены помимо исходных данных, статистические характеристики исходных данных: среднее; дисперсия; среднеквадратичное отклонение; коэффициент ассиметрии; размах; эксцесс по Иоханссену; коэффициент вариации; коэффициент корреляции; статистические характеристики "пятнистости" исходных данных, полученных методом трансект-анализа; тип вероятностных распределений и т.д.

Результаты обработки дашшх представлены в форме графиков, таблиц и карт. В качестве примеров приведены карты радиояркостных температур для морской поверхности (район г.Винь) и суши (район Красной роки вблизи Г.Ханоя) в 8-и градациях.

Анализируются статистические характеристики "пятнистости" радиояркостных температур, полученные для наиболее информативных порогов. Утверждается, что эти характеристики можно использовать при обнаружении аномальных явлений на земной и водной поверхности.

На рис.1 приведены оценки пространственной динамической пятнистости водной среды р.Сайгон в черте г.Хошимин, полученых по результатам измерений в ноябре 1992 г.. Такие фрагменты базы данных обеспечивают быстрое сопоставление результатов моделирования, восстановления предистории и проведения статистических оценок. Из приведенного фрагмента виден неустойчивый и нестационарный характер качества воды в р.Сайгон. Здесь рассмотрен интегральный показатель качества воды в виде оптической прозрачности.

На рис.2 приведен еще один характерный фрагмент базы данных, представляющий сведения о типах почвенно-растительных формациях на территории СРВ.

На рис.3 схематически показано, как ГИМС технология обеспечивает с помощью множества идентификаторов динамическое управление информационными потоками, позволяя пользователю выбирать удовлетворяющие его критерии пространственные масштабы, типы моделей и другие условия мониторинга. Пользовательский интерфейс создает ситуацию, когда после каждого шага оценки ситуации компьютер запрашивает с помощью мен» изменения в режиме мониторинга. Перемещаясь по «"рархии меню пользователь изменяет фрагменты идентификаторов и тег' самым регулирует точность прогноза, точность оценки того или иного параметра.

Разыер

пятпа, и

поверхность

Й 3 £

Ъ Ъ л

з á г ¿ 5; л

S й á % á ft 3 „ ? 0 „ £ jí

§ г????': 3 S 3 3 S 3 3 ^ ^ g J 5 4

2.5^ áí 000 0 001001 01000001

й á á á ? í í % Í í S 5Í ¿ í í Í 5 á í í Í í

^ ^ с ^ ^ ^ ^ o < o o ^ 'í •> 'í ^ V V У > o ^

1 .LH f* — I ТГ^ I I I

8 10 12 14 16 18

Время суток

Размер

пятна, м

глубина 1 и.

й й й í; й

3 3000 0 3 I

00000^000002 0 I II

000000000000^0000 ? ^ ^

00000000000000000^0^ ^ 0 ^ 0

'í'í'í'ííí'í'í'í'l'í'ííí'ífí'íí'íííííí'ííír/íí

000000000000002000000?? 2 ? ? ? ? 8

1 . UJ -[-——— i'— —V— ¡ — I

8 10 12 14 16 18

Время суток

Рис. I. Фрагмент базы данных в системе Fox Pro.

1С4Е

20SI

ЮЗЕ __i_.

* 5 S t* 4 *BB* » * * * % * £

♦BGCBBFFGHHHH*** * * ** ** GffimHHHHGGGGG********* ♦FFHHGGPPBBCCBa »♦♦ШЛШНШОССШН? • • • * ■ **»NTOffliniHHHHGGG......

* *«GGGGGGGGGGG........

******»dddgdg.........

s*s*****CDKP..........

»»¡»»«♦EFBBG.........**

******BNGBN........***

Sl«!>***.ieGFBCr........

«»»»«¡«««»{JG........***

*******«&GGG- ..... . ***

♦♦♦♦«¡♦♦¡SS.S.GGP........*

я******»**^]?.......

a*»*********]?]?......

*************GG.....

»♦»♦««♦»»«¡«»«СБТ- • • • ****t**«*****c*CGG-' ***************FCGC' ♦«♦♦♦♦»♦»♦»»«»♦yFFCB ***»»*♦*♦*♦**»♦JBFGG ****************BFFP

•♦»♦»♦»«»♦»»♦♦♦»fffft1

**********#****BBBBGG *************»*BBBBBB ***********#***BFFBGG *******»*******BBBBBG

«♦»♦♦»»♦♦»»»♦»»pfppggg ************»»»fffffg

**************FGFGFGF ..*******«»*»GFFGFGGG . . **********3n?FFFFFBB ...********FFFiTFFBB-

.*****

••***FPFFFGFPPF-

■••G•FBBBFFF----

......FFFFF.....

......BFGGG.....

......GGG.......

......GG........

......G.........

—i-

104E

-1—

108E

20H

Рис. 2.

Карто-схема распределения типов

почвенно-растительных формаций

на территории СРВ. Фрагмент

базы данных Pox Pro.

Обозначения и классификация приняты по данным спутниковой системы NOOA/AVHRR .

16М

12N

'В заключении сформулированы основные научные результаты диссертации. ■ . ,

1. Предложена обобщенная схема автоматизированного геоинформационного мониторинга для Вьетнама, ядром.которой является автоматизированный банк, дистанционных данных- (АБДЦ). Определены основные функции и выделены наименее разработанные к настоящему времени системы геоинформационного мониторинга, а именно: АБДЦ и подсистемы первичной и тематической обработки дистанционных данных. ' -

2. Разработанц новые принципы построения и структура' комплекса алгоритмических и прораммных средств, обеспечивающих согласование режимов сбора данных и их использование в*моделях дашамики объектов окружающей среда.

3. Разработан состав базы данных с- учетом уровней их готовности-для использования на различных этапах геоинформационного мониторинга, что впервые позволило объединить средства сбора' данных и моделирование.

4. Разработана АБДЦ, удовлетворяющая требованиям, предъявляемым автоматизированному геоинформационному мониторингу, и обеспечивающая возможность адаптации АБДЦ в различных приложениях мониторинга с целью автоматизации,централизованного хранения и управления информацией.

• 5. Предложена методика выбора эффективных алгоритмов пространственно-временной интерполяции дистанционных данных и разработаны соответствующие программные модули.

6. В рамках предложенной геоинформационной мониторинговой системы" разработана подсистема тематической обработки дистанционной ин- • формации, которая позволяет цроводить статистическую обработку этих данных, в том числе методом трансект-аналира, и получить статистические характеристики "пятнистости"'исследуемого региона. Эффективность работы подсистемы подтверждена результатами обработки измерений, проведенных в январе 1989 г. и ноябре ' 1994 г. на территории СРВ. . . -

7. На основе экспедиционных исследований и применения развитой технологии разработаны принципы формирования и управления базой

данных на территории СРВ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Мкртчян Ф.А., Huynh Ва, Lan, Tran Luu Cuong, Pham Huu Tri. 0 создании автоматизированного банка данных дистанционного монито-

1 ринга. В сб.: Проблемы экоинформатики , М.:Препринт ИРЭ РАН,

1994-, с. 106-109» f

2. Крапивин В.Ф., Sun Yi,. Huynh. Ва Lan, Pham Huu Tri. Автоматизированная система для обработки данных гидрофизического мониторинга на примере Арктического бассейна. В сб.: Проблемы экоинформатики, 'М. : Препринт ИРЭРАН, 1994, с.75-84. -

3. Крапивин В.Ф., Климов В.В., Pham Huu Tri, Pham Son. Алгоритм поиска устойчивых стратбгий-в бесконечных ' играх с кусочно-постоянными функциями выигрыша.В сб.: Про0лемы-экоинформатики, М.: Препринт ИРЭ РАН, 1994, с. 84-89

4. Sim Yi; Си TJiang Son, Pham Huu tfri, Tran, Luu Cuong. Автоматизированная система принятия решений в гидрофизическом эксперименте . В.сб..: Проблемы экоинформатики, М.: Препринт ИРЭ, 1994,

' е.. 88-91. .

5. Н.Ш. Хонг, Л.Б. Иен, Д.Тк Шон, ,Л.Н.' Тинь, Н.Ф. Луан, К.Т.' Шон, Ф.Х. Чи, Ч.К. Хань, Ф.Х. Ньят, В,А. Алешин, В.В. Климов,

» В.Ф. Крапивин, Ф.А. Мкртчян. Мониторинг водной.среда на базе адаптивного идентификатора на примере водоемов Южного Вьетнама'. ХЫХ Научная сессия, посвященная'дно радио. Тезисы докладов ч.1» M.:, 1994 г., с.133-134. ' , •

6. В.Ф. Крапивин, Ф.А. Мкртчян, Фам Хи Чи, Фам Шон. Формирование баз данных на основе ■ геоинформационного мониторинга природных • объектов СРВ. Материалы .II Международного симпозиума "Проблемы экоинформатики". Москва, 1994'г.. ' ,

Подписано в печать 15.II.1994 г. *"

Формат 60x84/16, Объем 0,93 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.102.