Лаборатория № 22 «Информационного обеспечения управления движущимися объектами»

  Лаборатория создана д.ф.-м.н., профессором Д. В. Тюкавкиным в январе 1998 г.

 С 1 марта 2004 г. лабораторию возглавил доктор технических наук, профессор,  Алчинов А.И. 

 

Основные научные и практические результаты лаборатории.     

Разработана система оперативного расчета и визуализации в реальном времени модели местности по материалам аэрокосмической съемки. Визуализация производится на основе модели местности, состоящей из подробной ЦМР с наложенным на нее ортофотопланом, причем детализация и качество получающегося изображения соответствуют качеству исходных данных съемки, а расчет модели производится в автоматическом режиме. Полученная модель местности может применяться для задач навигации и наведения движущегося аппарата, в том числе, в автоматическом режиме:

а) воспроизведения на компьютере пройденного в реальности маршрута;

б) выбора маршрута и наведения при визуализации модели местности с использованием модели движущегося аппарата и дальнейшего применения полученных данных в реальности для движущегося аппарата;

в) навигации и наведения с помощью сравнения рассчитанной на борту во время движения аппарата модели местности с определенной заранее. 

Разработаны алгоритмы интерполирования двумерной функции по набору значений в известных точках на основе двумерного варианта фильтрации Калмана. Алгоритмы могут быть использованы для расчета достаточно гладкой, но без потери особенностей поверхности рельефа и обеспечивают улучшенное построение горизонтальных сечений по сравнению с известными ранее методами (кригинг, триангуляция Делоне и др.). 

Разработаны алгоритмы аппроксимации последовательности точек ломаной типа Имаи и Ири для триангулированной линии и линиями из дуг окружностей методом наименьших квадратов.

Разработаны алгоритмы решения систем нелинейных уравнений блочной фототриангуляции  с минимизацией четвертых и шестых степеней невязок, что повышает робастность по сравнению с традиционными алгоритмами.

Разработаны алгоритмы построения триангуляции Делоне и диаграммы Вороного для набора точек и отрезков за квазилинейное по числу вершин время.

Созданы алгоритмы автоматического построения рельефа по взаимно ориентированным изображениям. Разработан принципиально новый метод идентификации соответствующих точек двух изображений, использующий оконтуривание по Марру и преобразования типа «растяжения резины». Создан алгоритм повышенной надежности, позволяющий распознавать и не использовать для основы рельефа малоинформативные участки, такие как покрытые водой, снегом, ровным песком, на которых отношение сигнал/шум мало и возникающие помехи могут привести к появлению «выбросов» или ложных идентификаций поверхности.

Разработан алгоритм автоматического построения областей допустимых деформаций горизонталей для контроля получающихся в процессе редактирования карты горизонталей. Разработан способ полуавтоматической и высоконадежной автоматической расстановки бергштрихов на оригинале рельефа, соответствующей картографическим стандартам.

Разработаны способы автоматического нанесения надписей горизонталей на оригинале рельефа и  назначения положений маркировочных знаков протяженных линейных объектов.            

Разработан способ расстановки точечных объектов с заданными верхней и нижней границами плотности. Принципиальным моментом всех указанных алгоритмов является то, что они могут работать без использования информации цифровой модели рельефа. Эти алгоритмы используются для автоматического получения карт для систем навигации и управления движущимися объектами.

Разработан алгоритм распознавания форм рельефа местности, использующий только горизонтали и не использующий точечные объекты уровня земли, имеющий квазилинейную сложность по числу вершин и используемый для автоматизации редактирования и проверки картографической информации о рельефе. Распознаются, например, вершины и впадины, седловины, орографические линии, несоответствия в системе горизонталей и отметок высот и др.

Разработаны технологии работы с ГНСС-устройствами, позволяющие управлять ГНСС-измерениями приемника, создавать в карте объекты, соответствующие измерениям, или привязывать измерения к уже существующим объектам (абрису) и трансформировать эти объекты по результатам измерений (как в реальном времени, так и с учетом постобработки на базе фильтров Калмана), получая по приближенному абрису точную карту.  При работе в режимах Real Time Kinematic или постобработки достигается высокая  точность результатов, позволяющая улучшить управление движущимися объектами. 

Разработана технология работы с карманным компьютером одной рукой на ходу с использованием кейса специальной конструкции.

Разработаны компьютерные способы формирования изображения частей ломаной линии, лежащих внутри или вне многоугольной области, и границ областей, полученных в результате применения логических операций к двум многоугольным областям на основе нахождения отрезков ломаной линии, лежащих в ε-окрестности границы области. Способы обеспечивают повышение надежности формирования изображений по сравнению с известными среди способов без использования вычислений с неограниченной разрядностью мантиссы.  

Разработан способ кодирования информации о суперсложных системах по изображениям, т.е. таких системах, компоненты которых классифицируются по классам, совокупность которых является сложной системой.

Разработан интерфейс автоматизации кодирования, который обладает функциональностями, соответствующими типам элементов суперсложной системы и позволяющими автоматизировать все или часть операций по кодированию информации об элементах этих типов, и гиперссылочной навигацией, отражающей логические связи общего стандарта между типами элементов системы. Способ обеспечивает повышение достоверности результатов выполнения работ по кодированию изображений и снижение требований к квалификации операторов.

Разработан специальный формат хранения регулярной структуры пространственных данных с поддержкой возможности хранения неограниченного объема данных,  с уровневым хранением данных, с поддержкой быстрого доступа к данным каждого уровня и возможностью хранения данных на область произвольной формы. Разработанный  алгоритм позволяет получать информацию в реальном времени независимо от объема и сложности системы в целом. Оригинальный алгоритм обеспечивает быструю буферную подкачку данных. Возможные области применения: разработка новых систем обработки информации для принятия оперативно-тактических решений.

Разработана технология создания многооконного стереоинтерфейса, не требующая специализированных видеоконтроллеров. Устанавливается режим клонирования для видеоконтроллера и создается программный интерфейс, использующий первичную и оверлейную поверхности, в которые подаются изображения для разных глаз. Оверлейная поверхность накрывает только стереоскопическую часть экрана, что позволяет не тратить ресурсы на обработку окон других приложений. Работа возможна в синхронном и асинхронном вариантах.

Результаты выполненных исследований нашли практическое применение при создании цифровой фотограмметрической стации «Талка», которая позволяет проводить оперативную обработку материалов аэрокосмической съемки с последующей ее визуализацией в виде трехмерных моделей местности. На  их основе  проводятся исследования по оптимизации управления полетов над сложным рельефом местности  с использованием цифровых картографических данных.

Цифровая фотограмметрическая станция «Талка» является одним из лучших программных продуктов по функциональным возможностям, оперативности обработки больших объемов информации. Некоторые возможности уникальны. Программа обеспечивает значительную степень автоматизации технологических процессов фотограмметрической обработки и составления карт. ЦФС «Талка» может быть установлена на обычных персональных компьютерах, не требует специального оборудования.  Эта цифровая фотограмметрическая станция сертифицирована на соответствие действующим стандартам, применяется и поддерживается лабораторией. 

В развитие ЦФС «Талка» разрабатывается аппаратно-программный комплекс для обработки и отображения трехмерной информации для расширения функциональных возможностей при технологической поддержке процессов управления.

Разработаны алгоритмы и методы проверки корректности созданной трёхмерной карты в соответствии с требованиями действующих инструкций по созданию карт. В лаборатории выполняются научно-исследовательские работы по включённой в план Института специальной тематике, а также договорные работы, связанные с реализацией новых технологий, разработанных в лаборатории.

Организованы поисковые исследования и разработка новых алгоритмов и методов оперативной обработки аэрокосмической съёмки с визуализацией трёхмерной цифровой информации о рельефе местности и текстуре объектов. Полученные алгоритмы позволяют оперативно обрабатывать и выводить большие объёмы информации и осуществлять анализ этой информации. Используемые алгоритмические решения дают возможность выполнения оперативной обработки аэрокосмических материалов с последующей визуализацией её результатов в виде трёхмерных моделей местности, которые представляют огромный интерес при решении задач управления.

В настоящее время в лаборатории ведутся работы по исследованию и разработке методов обеспечения полётов над местностью со сложным рельефом на базе использования оцифрованных картографических данных. Проводимые в лаб. № 22 исследования легли в основу разработки информационных технологий в интересах решения специальных задач.

Сотрудники лаборатории создали уникальные программные продукты, которые в полном объёме и с высоким качеством решают все технологические задачи по обработке аэрокосмических материалов. Программные продукты могут быть установлены на очень удобных для работы оператора обычных персональных компьютерах.

В настоящее время ЦФС «Талка»,   применяется на аэрогеодезических предприятиях и  в  учреждениях Роскартографии,  Роснедвижимости,  программные продукты поддерживаются лабораторией.  Получен также сертификат Системы Менеджмента Качества ISO 9001:2000.

Тематика исследований лаборатории является перспективной, продолжается интенсивное развитие программного продукта «Талка» и, в целом, цифровой фотограмметрической станции. Сотрудники лаборатории реализуют уникальные возможности, заложенные в разработанные ими программные продукты. Новые алгоритмы и технические решения отличаются высокой оперативностью и точностью обработки трёхмерных изображений. Всё это позволяет значительно сократить трудовые и временные затраты при создании карт и планов для информационного обеспечения управления движущимися объектами.

Современное развитие методов аэрокосмической съемки и получаемые при этом типы фотоматериалов обусловливают значительное расширение возможностей ЦФС «Талка». Именно поэтому особую актуальность приобретает разработка новых математических методов для обработки сканерных изображений, геометрия построения которых в формировании трёхмерных изображений недостаточно изучена. Не решенными остаются вопросы создания  и отображения трехмерных изображений в многооконных интерфейсах, которые могут повысить точность и надежность выполнения фотограмметрических процессов как при создании карт, так и при принятии управленческих решений на основе дополнительной информации о среде функционирования авиационных и морских объектов.

В Женеве (Швейцария) на Международной выставке изобретений, новых технологий и продуктов 07.-4.2009 (International Exhibition of Inventions, New Techniques and Products),технические решения, реализованные в программном продукте "ЦФС-Талка" награждены 1 золотой и 2 серебряными медалями, а также дипломами Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам за высокий уровень представленных разработок.

На 6-й Международной выставке изобретений, новой техники и товаров в г. Сучжоу (Китай, 16 —19 октября 2008 г.) представленные результаты удостоены серебряной и бронзовой медалями.

Во многих добывающих компаниях на данный момент выполняются работы (в т.ч. и с участием ИПУ РАН) по созданию цифровой картографической основы на территорию деятельности своих предприятий. В рамках этих работ в последние годы институтом выполнены научные исследования по совершенствованию методов и технологий получения геопространственных данных с помощью беспилотных летательных аппаратов. Разработана технология  обработки этих данных и реализована  при создании и обновлении  цифровых топографических карт и планов для Сибирской угольной энергетической компании.

Сотрудниками лаборатории ведутся научные исследования по совершенствованию методов и технологий получения геопространственных данных методами дистанционного зондирования земли по определению состава и полноты геопространственной информации для целей ее использования в администрацииях муниципальных образований при решении управленческих задач в градостроительной деятельности и землеустройстве поселений.

Сотрудники лаборатории являются постоянными участниками международных и российских конгрессов, форумов, конференций и семинаров. Результаты исследований лаборатории  опубликованы в 2 монографиях,  в более чем 120 статьях,  в 18 патентах РФ на изобретения в докладах на конференциях.