Лаборатория № 22 «Информационного обеспечения управления движущимися объектами»

Лаборатория создана д.ф-м.н., профессором Д.В.Тюкавкиным в январе 1998 года. Д.В.Тюкавкин был известным математиком в области регулярных колец, который внес большой вклад в становление и развитие лаборатории.

С 1 марта 2004 г. лабораторию возглавил доктор технических наук, профессор, заслуженный работник геодезии и картографии РФ, почетный геодезист 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, 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.).

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.

Сотрудниками лаборатории разработаны:

способ автоматического построения областей допустимых деформаций горизонталей в процессе редактирования карты;

способ автоматической и высоконадежной автоматической расстановки бергштрихов на оригинале рельефа, соответствующей картографическим стандартам;

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

способ расстановки точечных объектов с заданными верхней и нижней границами плотности.

Принципиальным моментом всех указанных способов и 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.

Созданный в лаборатории алгоритм распознавания форм рельефа местности, использует только горизонтали и не использует точечные объекты уровня земли, имет квазилинейную сложность по числу вершин 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 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, то есть 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.
По результатам анализа опыта патентования способов автоматизации решения задач обработки пространственных данных опубликована монография "Патентование изобретений в России: анализ законодательства и советы изобретателям". 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 (до 264 точек). 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. 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. 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. Во многих угледобывающих компаниях на данный момент выполняются работы (с участием ИПУ РАН) по созданию цифровой картографической основы на территорию деятельности своих предприятий. В рамках этих работ в последние годы лабораторией 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 администрациях муниципальных образований при решении управленческих задач в градостроительной деятельности и землеустройстве поселений.
Разработаны теоретические основы, алгоритмы и программа построения трехмерных моделей земельно-имущественного комплекса Сибирской угольной компании.
3D модель земельно-имущественного комплекса (ЗИК) угледобывающего предприятия предназначена для создания единого трехмерного геоинформационного пространства разработки месторождений на территории предприятий Сибирской угольной компании, необходимой для полноценного функционирования системы ЗИК.
Созданная трехмерная (3D) модель базы данных картографического представления ЗИК предназначена для решения задач управления, связанных с планированием и контролем выполнения планов горных работ, проектированием строительства объектов инфраструктуры, размещением объектов инфраструктуры, использованием лицензионных земельных участков, горных отводов и объектов недвижимости.
Разработаны методики создания 3D модели лицензионных участков, 3D модели горных отводов, 3D модели планов горных работ, 3D модели месторождений на территорию Сибирской угольной компании по открытым горным работам, 3D объектов недвижимости. Все вышеперечисленные 3D модели создаются, хранятся и редактируются в разработанной программе SUEK3D в специальном формате *.bsg. Разработаны: система визуализации трехмерной поверхности, основанной на специальном алгоритме сглаживания, создана система взаимодействия с основными мировыми провайдерами карт и снимков, разработан алгоритм отображения рельефа, площадных и линейных объектов, растительности, а также техники с высокой детализацией трехмерного изображения.
Созданы библиотеки трехмерных моделей объектов недвижимости, связанных с недропользованием, трехмерных изображений геологической модели горного отвода и лицензионного участка, трехмерных изображений земной поверхности, горнодобывающей техники.
Созданное программное обеспечение SUEK3D установлено в предприятиях Сибирской угольной компании. В 2016-2017 годах получено 10 актов о внедрении программного обеспечения.
ИПУ РАН совместно с головным офисом АОА «СУЭК» и с представителями предприятий Сибирской угольной компании в г. Минске (апрель 2016 г.), проведен семинар, на котором проведена презентация программного обеспечения SUEK3D и обучение работе с этой программой. Индивидуальное обучение специалистов предприятий в настоящее время осуществляется по вебинару.
Вышеизложенная технология позволяет строить 3D модели местности, которые могут использоваться для решения задач моделирования низковысотных полетов БПЛА над местностью с расположенными на ней зданиями, крупногабаритной техникой и растительностью. Технология была отработана на примере нескольких угольных разрезов для получения качественных материалов аэрофотосъемки.
Решена задача разработки многооконного стереоскопического интерфейса, в котором качество стереоскопической визуализации зависит от текущей конфигурации окон и от направления взгляда пользователя, что обеспечивало бы экономию вычислительных ресурсов.
Решены основные проблемы:
подготовки и отображения стереоскопического контента с учетом пространственного положения наблюдателя и с учетом конфигурации окон для отображения;
определения трехмерных координат глаз наблюдателя;
отображения стереоскопической информации в реальном времени для улучшения восприятия с учетом конфигурации окон;
построения стереоскопического графического пользовательского интерфейса.
В сочетании с технологией 3D моделирования использование многооконного стереоскопического интерфейса позволяет производить посадку самолета в условиях плохой видимости.
Разработаны методы и алгоритмы прогнозирования развития ситуации при управлении движущимся объектом в конфликтной среде для систем информационно-аналитической поддержки экипажа. Методы модификации стратегических и оперативных воздействий по управлению подвижными объектами в конфликтной среде. Методы и алгоритмы формирования конфликтной среды, направленной на максимальную дезинформацию с целью противодействия действиям экипажа.
Проведены исследования использования различных систем координат (WGS-84 и местные системы координат) для задания границ рыбоводных и рыбопромысловых участков, границ участков недр местного значения, границ особо охраняемых природных территорий и границ территорий объектов культурного наследия. Вскрыты многочисленные случаи одновременного указания координат точек как WGS-84, так и в местных системах координат. Это позволяет вычислить ключи перехода как от WGS-84 к местным системам координат, так и обратно. Данные исследования продолжены в части соблюдения нормативо-технической и правовой документации при выполнении картографических, геодезических, землеустроительных, лесоустроительных работ, результаты которых используются при управлении соответствующими отраслями народного хозяйства.
Проведены несколько судебных экспертиз, связанных с вопросами землеустройства и лесоустройства, с использованием геоинформационных технологий, разработанных в лаборатории.
Сотрудники лаборатории являются постоянными участниками международных и российских конгрессов, форумов, конференций и семинаров.
Результаты исследований лаборатории опубликованы в монографиях, статьях, многие технические решения, реализованные в геоинформационных системах, запатентованы.