Перспективы развития индустрии производства программного обеспечения в России

     Одним из главных достоинств ЦФС «Талка»  является возможность работы с так  называемой «свободной» фотограмметрической  моделью, то есть моделью, не привязанной  к рельефу местности. В настоящее  время такую возможность не предоставляет  ни одна фотограмметрическая станция. Работа со «свободной» фотограмметрической  моделью позволяет начинать фотограмметрическую  обработку материалов аэрокосмосъемки  без материалов полевой планово - высотной подготовки, что актуально  при работе в регионах, где полевой  сезон длится очень короткое время. В итоге до 95% общего объема работ  может быть выполнено до полевых  работ.

     Если  во время аэросъемки на борту самолета устанавливается высокоточный GPS – приемник, для получения координат центров фотографирования, ЦФС «Талка» позволяет получить цифровую модель рельефа без полевых работ.

     Основной  проблемой получения координат  центров фотографирования является низкая точность полученных координат, в случае если базовая станция  находилась далеко, не работала, или  данные с базовой станции не могут  быть обработаны. В таких случаях  считается, что данные не подлежат обработке, однако ЦФС «Талка» позволяет  обрабатывать такие данные. В основе обработки лежит то, что хотя абсолютное положение координат центров  фотографирования является не верным, зато их положение относительно друг друга является точным. Конечно, обработать такие материалы аэросъемки без  полевых работ нельзя, однако можно  значительно уменьшить объем  полевых работ.

     ЦФС «Талка» позволяет «полетать» над  цифровой моделью рельефа(ЦМР), при  этом, если были получены ортофотопланы, они в виде текстуры могут быть «натянуты» на ЦМР. Пользователь, «летая»  над моделью рельефа с ортофотопланом, в удобном для восприятия виде получает информацию не только о рельефе  местности, но и о ситуации. Трехмерная информации о модели рельефа может  применяться при планировании ликвидаций аварий, катастроф, строителями при  проектировании крупных объектов и  различными службами, для которых  необходима цифровая модель рельефа.

     Для реализации «полета» над моделью  рельефа пришлось решить серьезную  задачу, связанную с подготовкой  данных ЦМР для быстрой визуализации. По структуре ЦМР является многоуровневой и каждый последующий нижний уровень  более подробно описывает рельеф. Предварительная подготовка данных ЦМР для быстрой визуализации включает согласованное заполнение верхних уровней и расчет межуровневых отклонений.

     Согласованное заполнение верхних уровней ЦМР  служит для того, чтобы всегда над  каждым непустым квадратом соседних узлов нижнего уровня находится  непустой квадрат соседних узлов  верхнего уровня. В частности, при  выполнении этого требования над  каждым треугольником нижнего уровня будет находиться непустой треугольник  верхнего уровня. Смысл этого условия  состоит в том, чтобы «заполненные»  квадраты соседних узлов всех уровней  ЦМР образовывали дерево по отношению  вложенности.

     В случае, когда коэффициент укрупнения масштаба между нижним подробным  уровнем и верхним менее подробным  уровнем равен 4, тогда узлу с номером (4i, 4j)  на нижнем уровне соответствует узел (i, j)  на верхнем уровне. Первый шаг заполнения верхнего уровня состоит в том, что для всех заполненных узлов (4i, 4j)  на нижнем уровне соответствующий узел (i, j) верхнего уровня заполняется тем же самым значением высоты. Если запись данных ЦМР проводилась одновременно по всем уровням, то первый шаг можно пропустить. Далее, рассматриваются узлы нижнего уровня, принадлежащие некоторому квадрату узлов {(i, j) | 4i₁ ≤ i  ≤ 4i₁ + 3, 4j₁ ≤ j  ≤ 4j₁ + 3}. Если среди таких узлов имеется хотя бы один непустой узел, то проверяется, заполнены ли все вершины соответствующего квадрата узлов на верхнем уровне, а именно, узлы (i₁, j₁), (i₁, j₁+1), (i₁+1, j₁), (i₁+1, j₁+1). Тем узлам из этих четырех, которые не заполнены, присваивается значение высоты. В качестве такого значения либо просто берется (ZMAX + ZMIN) / 2, где ZMAX и ZMIN – наибольшее и наименьшее значения высот ЦМР, либо значение высоты вычисляется по самому нижнему уровню ЦМР с помощью радиальной экстраполяции. Второй способ «более аккуратный» (на краях ЦМР при показе не получается ступенек), но более медленный.

     Таким образом заполняется сначала  уровень ЦМР, следующий за самым  нижним, далее следующий за ним  верхний, и так далее до самого верхнего (наименее подробного) уровня ЦМР.

     Межуровневые  отклонения используются при определении, попал ли данный треугольник в  область экрана при показе,  а  также при принятии решения о  разбиении треугольника на более  мелкие при заполнении страницы отображения. Межуровневые отклонения представляют собой числовые значения, которые  приписываются ко всем заполненным  узлам всех верхних уровней ЦМР (кроме самого нижнего, наиболее подробного уровня). Для хранения таких отклонений и быстрого доступа к ним используется тот же самый формат данных (ЦМР), что и для хранения высот. Создается  отдельная ЦМР, в которой хранятся межуровневые отклонения. Для расчета  межуровневых отклонений требуется, чтобы  предварительно было проведено согласованное  заполнение верхних уровней ЦМР.

     Смысл межуровневых отклонений поясняет рис. 1. Здесь показан один из треугольников  некоторого верхнего уровня ЦМР, кривая представляет поверхность ЦМР самого нижнего (наиболее подробного) уровня, проходящую внутри этого треугольника. Рассматриваются значения высоты в  некоторой точке M на плоскости XY, лежащей внутри проекции треугольника, для ЦМР нижнего уровня (z₀) и для ЦМР рассматриваемого уровня (z₁). Максимальное значение модуля разности |z₀ – z₁| равно значению межуровневого отклонения для данного треугольника на рассматриваемом уровне ЦМР.

Рис.1 

     Смысл этого алгоритма в том, что  мы пытаемся приближенно оценить, насколько  велика разница между показом  данного треугольника второго уровня и показом вместо него нескольких треугольников первого уровня. Если разница на экране невелика, то нет  резона дробить треугольник, то есть переводить его из второго уровня в первый. Если же разница существенна, то такое дробление является обоснованным. Граница между зонами второго  и третьего уровня определяется совершенно аналогично.

     Отметим еще, что для каждого треугольника можно было бы вычислить точное значение различий при показе на экран двух ситуаций: треугольника второго уровня и разбиения его же на восемь треугольников  первого уровня. Строго говоря, именно такая оценка являлась бы объективным  критерием необходимости разбиения  треугольника на более мелкие. 

     Рассмотрим  квадрат из 4 соседних непустых узлов  некоторого верхнего уровня ЦМР, имеющих  номера (i, j), (i, j +1), (i +1, j), (i +1, j +1). Этот квадрат разбивается диагональю на 2 треугольника (i, j), (i, j+1), (i +1, j +1) и (i, j), (i +1, j), (i +1, j +1). Квадрату узлов соответствует прямоугольник на плоскости XY { x₀ + i * ∆x_u ≤ x ≤ x₀ + (i + 1) * ∆x_u, y₀ + j * ∆y_u ≤ y ≤ y₀ + (j + 1) * ∆y_u}, где (∆x_u , ∆y_u) – шаг ЦМР на данном уровне и два треугольника в пространстве, получающиеся, если мы каждой вершине прямоугольника припишем значение высоты из соответствующего узла ЦМР и разобьем прямоугольник диагональю. Рассмотрим теперь все непустые узлы самого нижнего (наиболее подробного) уровня ЦМР, попавшие в данный прямоугольник или на его границу. Каждому такому узлу соответствует точка в пространстве. Рассмотрим абсолютную величину отклонения по координате Z этой точки от плоскости соответствующего треугольника верхнего уровня. Рассмотрим максимум таких значений по всем рассматриваемым непустым узлам нижнего уровня, попавшим в прямоугольник. Полученное значение будет межуровневым отклонением, приписываемым к узлу (i, j) верхнего уровня ЦМР.

     Для расчета межуровневых отклонений организуется цикл по всем уровням ЦМР, кроме самого нижнего. Для каждого такого уровня организуется цикл по узлам, рассматриваются  только такие узлы (i, j) уровня, для которых все 4 узла (i, j), (i, j+1), (i +1, j), (i +1, j +1) заполнены. Далее перебираются все узлы самого нижнего уровня, попавшие в соответствующий прямоугольник, и вычисляется межуровневое отклонение для узла (i, j) как описано выше.

     С использованием рассчитанных межуровневых отклонений производится предварительное  отсечение треугольников, не попавших в область экрана при показе, следующим  образом. Пусть (i, j), (i, j+1), (i +1, j), (i +1, j +1) – четверка заполненных узлов на некотором уровне ЦМР. Пусть (x_k, y_k, z_k), k = 1,…,4 – координаты вершин соответствующего четырехугольника в пространстве. Пусть dh – межуровневое отклонение, приписанное к узлу (i, j). Пусть z_min = min{z_k, k=1,…,4}, z_max = max{z_k, k=1,…,4}. Рассмотрим параллелепипед, вершинами которого являются  восемь точек (x_k, y_k, z_max + dh), (x_k, y_k, z_min – dh), k = 1,…,4. Рассмотрим также четырехгранный угол, ребрами которого являются 4 луча, выходящие из центра проекции и проходящие через 4 угла экрана (рассматриваемого как четырехугольник, лежащий в плоскости проекции). Такой четырехгранный угол является пространственной областью отсечения. Если параллелепипед лежит целиком вне четырехгранного угла, то ни один из двух треугольников, на которые разбит рассматриваемый квадрат узлов ЦМР, не попадает при проекции на плоскость экрана в область экрана. Более того, все треугольники нижнего, самого подробного уровня ЦМР, проекция которых на плоскость XY содержится внутри рассматриваемого четырехугольника {(x_k, y_k), k = 1,…,4}, также не попадают на экран. Действительно, координаты вершин этих треугольников лежат внутри параллелепипеда {(x_k, y_k, z_max + dh), (x_k, y_k, z_min – dh), k = 1,…,4}. Это следует из определения межуровневых отклонений.

     Принятие  решения о разбиении треугольника на более мелкие на основе межуровневых отклонений производится так.  Пусть, как и раньше, (i, j), (i, j+1), (i +1, j), (i +1, j +1) – четверка заполненных узлов на некотором верхнем уровне ЦМР,  (x_k, y_k, z_k), dh – те же, что и раньше. Рассмотрим отрезки A_kB_k , где A_k = (x_k, y_k, z_k), B_i = (x_k, y_k, z_k + dh).

     Если  длина проекции хотя бы одного из этих отрезков на экран превосходит некоторое  пороговое значение D, то область внутри рассматриваемого четырехугольника {( x_k, y_k), k = 1,…,4} должна быть взята с нижнего, более подробного уровня. В противном случае рассматриваемый четырехугольник целиком относится к уровневой зоне для текущего уровня ЦМР. Допуск D можно принять равным 2 пикселям экрана, то есть около 0,5 мм.

     Таким образом, в ЦФС «Талка» удалось  добиться быстрой визуализации трехмерной цифровой информации о рельефе местности  с текстурой, при движении материальной точки  на заданной высоте с учетом различного рода ограничений,  благодаря  использованию специальным образом  организованной базы данных практически  неограниченного объема. 
 

Information supply of the material point movement at the assigned heights 

    Dr. Alexander Alchinov,

    Valery Kekelidze,  

    the Institute for Management Problems of the Russian Academy of Sciences  

      At present Management Problem Institute (MPI) laboratory N 22 at the Russian Academy of Science deals with a problem of supplying the material point movement with information at the assigned heights, i.e. it is necessary to receive information on a terrain state very quickly. In order to solve the task, MPI laboratory N22 of the Russian Academy of Science has developed a digital photogrammetric workstation (DPW) "Talka". DPW "Talka" allows the processing of aerial photographs, satellite photographs of the central projection and scanner satellite photographs. At the moment, the work on the processing of ground photographs is being carried out. We have obtained good results of ground phototheodolitic photograph processing, the work on processing of the ground photographs obtained from the digital camera is now being executed.

      The mission of DPW "Talka" is processing the raster information on terrain for three-dimensional digital terrain model creating. The high level of program automation allows the processing of great volume of information within shortest period of time and very quick receiving  information about terrain.

      While creating the DPW "Talka" we paid great attention to computing capacity economy, as a result we were successful to create a program that works on usual personal computers. As special equipment DPW "Talka" requires only stereo set that costs today not more than 3000 rbl. Similar foreign photogrammetric workstations require special equipment cost of which exceeds tens thousand dollars, and cost of workstations itself reaches 800 thousand dollars.

      Algorithms of raster images compression with the minimal quality loss and the maximal compression degree have been developed. The format of storage of digital information on terrain model tdm (talka digital map) has been developed. The format tdm allows storing great volumes of terrain information, and thus speed of displaying of information on separate terrain sites remains very high, due to special structure of data storage.

      One of main advantages of DPW "Talka" is capacity to work with so-called "free" photogrammetric model, i.e. model not adhered to terrain. Now no one photogrammetric workstation offers such capacity. Work with "free" photogrammetric model allows beginning photogrammetric processing of aerial and satellite photographs without field plan points. This is actual for work in regions where the field season lasts very short time. As a result up to 95 % of total works can be executed before field works have started.