автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему: Информационно-графическая система поддержки объектов моделирования

Автореферат диссертации по теме "Информационно-графическая система поддержки объектов моделирования"

V \ ^ л На правах рукописи

Цыганок Дмитрий Алексеевич

ИНФОРМАЦИОННО-ГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ОБЪЕКТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (в экологии)

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Красноярском государственном университете

Научный руководитель: кандидат философских наук

Официальные оппоненты: доктор технических паук, профессор

Ведущая организация: Институт леса имени В.Н. Сукачева

Защита диссертации состоится 17 февраля 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 064.54.01 в Красноярском государственном техническом университете по адресу 660074, г.Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. Г 4-17

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан 30 января 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических нау

кандидат физико-математических наук С.С. Замай

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Географические информационные системы (ГИС) в настоящее время активно используются для решения разнообразных проблем во многих странах мира. Они решают проблемы, связанные с управлением территориями, контролем за экологической ситуацией, распоряжением землей, недрами, недвижимостью. Однако на данный момент становится ясно, что этого уже явно недостаточно. "ГИС—технологии, с одной стороны, должны развиваться, становясь технологиями пространственного представления мира, а с другой — соединяться с математическим моделированием"( Информационный бюллетень ГИС -ассоциации № 2, 1995).

Понимая всю важность введения методов математического моделирования, многие авторы ссылаются на сложность этой проблемы (Кпшкарев Л.В., 1993; William Е., 1991). Действительно, большинство систем впрямую не предназначено для этого. Те же из систем, которые допускают моделирование, требуют использования или внутреннего языка систем (Лгс/Info (AML), Mapinfo (MapBasic) и т.д.), или одного из основных языков программирования (GeoGraph/GeoDraw (Visual Basic)). При этом процесс построения систем, в рамках которых возможно решение различных модельных задач с использованием подобных инструментальных средств, во многих случаях является достаточно длительным и дорогим. Поэтому их создание экономически оправдано только в том случае, если они предполагают достаточно длительную эксплуатацию.

В то же время затрачено немало времени и средств на разработку программного обеспечения (ПО) моделирующего плана. Алгоритмы материализованы, отлажены и представлены в старом ПО - написанном без учета новых возможностей.

Существует множество предметных областей, в которых использование ГИС носит, по крайней мере на первых порах, скорее экспериментальный характер в силу недостаточной четкости:

• в очерчивании предметной области;

• в постановке задачи;

• в использовании математических и иных методов для моделирования динамики объекта;

• в представлении результирующей информации, направленной на принятие решений.

обладать развитыми средствами импорта-экспорта для взаимосвязи с другими ГИС. Создание моделей объектов с использованием ГИС связано с обеспечением информационной и графической поддержки этих объектов. Поэтому системы, обладающие указанными свойствами, названы в работе /7/ мобильными информационно-графическими системами поддержки объектов моделирования (М-ИГС).

Целью работы является разработка инструментальной среды для создания традиционных и мобильных информационно-графических систем поддержки объектов моделирования и построение на ее основе системы для решения задач экологического мониторинга.

Основные задачи работы:

1. Разработка и развитие методов проектирования информационно-графических систем.

2. Формализация описания ИГС.

3. Разработка алгоритмов, обеспечивающих эффективное функционирование ИГС.

4. Разработка комплекса инструментальных средств для создания инструментальных информационно-графических систем.

5. Создание инструментальной информационно-графической среды поддержки объектов моделирования.

6. Построение на основе разработанной инструментальной среды конкретной информационно-графической системы и исследование ее применения для решения задач экологического мониторинга водоемов.

Методы исследования, используемые в работе, базируются на:

• методах системного программирования;

• методах параллельного программирования;

• теории структур и баз данных;

• методах объектно-ориентированного анализа и проектирования;

• методах компьютерной обработки и представления изображений (компьютерной графики);

• методах представления и обработки пространственной и координатно - привязанной информации в гсоинформационных системах и системах автоматического проектирования.

1. Введено понятие многосортных систем (МСС). Для МСС рассмотрен подкласс информационно- графических систем (ИГС). Класс геоинформационных систем (ГИС) рассмотрен как подкласс информационно-графических систем. Формальный аппарат использован для представления с единых позиций отдельных разнородных составляющих и системы в целом, что стало базой для целостного и непротиворечивого проектирования системы.

2. Предложена концепция мобильной информационно-графической системы, являющаяся эффективным средством быстрого проведения объектного моделирования, динамического отображения результатов для принятия решений.

3. Разработаны алгоритмы, повышающие эффективность работы с графической информацией.

4. Созданы новые программные компоненты, реализующие основные функции информационно-графических систем и обеспечивающие построение инструментальных систем.

5. Создана мобильная инструментальная информационно-графическая система поддержки объектов моделирования, обладающая богатыми возможностями импорта алгоритмов из других программных продуктов.

6. Разработанная инструментальная среда использовалась для создания системы экологического мониторинга Красноярского водохранилища, на основе которой были решены задачи экологического мониторинга, включая решение прогнозных задач на основе моделирования поведения биоты в зависимости от внешних условий. Результаты моделирования могут отображаться как статически (в виде графиков, числовых рядов), так и динамически (в виде анимационного сюжета).

Практическая значимость и реализация

Результаты диссертационной работы использованы в Красноярском государственном университете для создания информационно-графической системы мониторинга Красноярского водохранилища и для ведения учебного процесса по ГИС.

Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок докладывались на научных семинарах Медиа-Центра Красноярского госуниверситета (1993-1998), на международном симпозиуме "Аспекты использования углеводородных и минеральных ресурсов, их влияния на окружающую среду» (НИФТИ КГУ, Красноярск 1995г.), па Международной конференции "Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды" (Иркутск 1996 г.), на межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона" ( Красноярск, 1995, 1996, 1998 г.г.).

Публикации и личный вклад в решение проблемы.

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором и сотрудниками в Медиа Центре Красноярского госуниверситета.

По результатам выполненных исследовании опубликовано 12 работ.

Теоретические и практические результаты, изложенные в работе, в основном получены автором.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используемых источников (47 наименований), приложения, содержит 143 страницы машинописного текста, 31 рисунок, 2 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.ф.н. Олейникову Б.В, искренне благодарит к.б.н. 3. Г. Гольд, д.б.н. В. М. Гольд, к.ф-м.н. В.Е. Распопова за предоставленные для модели данные и консультации, к.ф-м.н. Голованова М.И., к.ф-м.н. Безгачеву Ю.В. за внимание и критические замечания, а также всех сотрудников Медиа Центра за поддержку.

Содержание работы В первом разделе диссертации проведен анализ исторических корней распространения технологии Multimedia и влияния этой технологии на способы ввода/вывода информации при моделировании. Развитие аппаратных возможностей и появление новых операционных систем, поддерживающих их, привело к развитию технологии Multimedia. В рамках этих возможностей представляет интерес новый подход в области проблемного моделирования, который позволил бы быстро и просто создавать и проигрывать различные сценарии развития моделируемых процессов. Реализация такого подхода в виде системы поддержки объектов моделирования привела бы к широкому использованию моделирования в различных областях.

Широкое распространение систем такого типа возможно при - выполнении следующих условий:

1. Мобильность в установке. Система должна быть по возможности небольшой и быстро инсталлироваться.

2. Наличие средств визуализации. Система должна иметь средства по отображению информации в виде графических образов и их анимации.

3. Наличие средств доступа к данным. Система должна иметь интерфейс с БД, причем не только с локальными, но и с удаленными.

4. Преемственность. Система должна иметь возможность использования алгоритмов из уже созданного ПО.

5. Открытость. Система должна иметь средства импорта/экспорта данных из наиболее популярных форматов.

6. Внутренняя простота и доступность. Система должна иметь простой, удобный и понятный интерфейс с контекстной помощью, не должна шокировать пользователя сложным внутренним языком или сложностью получения требуемого результата.

7. Система должна быть написана для платформ ПК в наиболее распространенной для ПК среде Windows (Windows NT).

На основе указанных требований был проведен анализ существующих программных средств и сделан вывод о невозможности создания системы, удовлетворяющей перечисленным выше требованиям в рамках существующих систем. В частности, был рассмотрен следующий ряд программных средств и определены их основные недостатки:

1. Языки программирования низкого уровня. Значительные временные затраты на реализацию.

2. Языки иммитационного моделирования. Большинство этих языков (CJIAM,GASP,QGERT,SIMSCRIPT и т.д.) были реализованы только для больших платформ, графические возможности большинства даже этих языков ограничиваются построением простых графиков и схем.

3. Языки визуального программирования. Их библиотеки не содержат средств связи с разработанным ПО и средств отображения сложной графической информации.

4. Геоинформационные системы (ГИС) (PC Лгс/Info, PC ArcCAD, Mapinfo) имеют сложный внутренний язык, ограничения на использование существующих ПО и достаточно высокую стоимость.

5. Гипертекстовые распределенные системы (язык Java). Не проработана проблема защиты информации, область еще недостаточно развита.

Таким образом, с целью удовлетворения предъявленных требований была предложена концепция информационно-графических систем и их подкласса - мобильных информационно-графических систем поддержки объектов моделирования.

Во втором разделе диссертации продолжено изучение новых методов отображения информации и рассмотрен аспект представления объекта в виде совокупности моделей, отражающих его поведение в каждом из спектров. Проведена формализация описания системы и введен ряд новых понятий.

Рассмотрение сложных объектов и их формализация проводились неоднократно ранее (Бусленко ПЛ., 1976; Глушков В.М., 1989; Калашников В.В., 1993). Формальный подход позволяет абстрагироваться от деталей и прояснить сущность основных принципов функционирования формализуемых объектов. Это особенно актуально при проектировании сложных (интегрированных, агрегированных) систем, какими и являются геоинформационные системы (ГИС). Формализация, рассмотренная в работе, позволяет подойти к проблеме конструирования системы как с классическими возможностями по обработке разнородной информации, так и с возможностью использования алгоритмов из другого программного обеспечения.

Основная идея этой формализации - это представление системы в виде сети автоматов, входные множества которых связаны функциональными соединениями, с последующем выделением базовых (не выражающихся через другие) параметров. Понятие базисных параметров близко по смыслу к понятию ключа в базах данных. Набор параметров представлен словом

конечной длины. Операция объединения параметров, результатом которой является выделение базисного множества, названа Р-объединением. В свою очередь это понятие базируется на введенном отношении частичного порядка (Р-вюночении), и выборе минимального элемента, удовлетворяющего определенным условиям.

Представленная формализация базируется на следующих определениях и утверждениях, вводимых и доказываемых в работе.

Определение 1. Пусть 0(и) - множество всех слов конечной длины в алфавите и = (предполагается, что множество 0(и) содержит также пустое слово е), при этом длиной слова % будем называть число составляющих его элементов и обозначать |х|-

Определение 2. Конкатенацией или умножением слов е 0(11) называется (Глушков В.М., 1989) бинарная операция, которая каждой паре слов ставит в соответствие новое слово /5, полученную в результате приписывания справа к слову % слова 5. Причем пустое слово е удовлетворяет соотношению е% = %е для любого % 6 0(1-0 .

Определение 3. Пусть О (и) - множество всех слов конечной длины в некотором алфавите и. Оператором выделения подстроки длины не более б начиная с позиции г+1 назовем оператор

Определение 4. Пусть 0(и) - множество всех слов конечной длины в некотором алфавите и, Р - множество операторов над этими словами, которое включает все операторы Р5иЬ[ г, *) (г^О, б>0) и операцию конкатенации, а, Ь е 0(и) - некоторые слова конечной длины, будем говорить, что а V-включено в Ь и обозначать а с Р Ь или ¿рЭ", если

а = ЪХг..Х* . Ь = Х\ Ча)Ъ Ы.а). Г„-|(я)Хп , где х\

слова> £(х) -получены с помощью операций суперпозиции операторов из Р.

Определение 5. Пусть 0(11) - множество всех слов конечной длины в некотором алфавите и, а, Ь е 0(11) - некоторые слова конечной длины. Будем говорить что а строго ¥-вюночено в Ь и обозначать асг Ь или Ь г з а, если асрЬна .

Утверждение 1. Отношение Р - включения является отношением частичного порядка на 0.

Доказано в тексте работы.

Определение 6. Будем называть слово с1 Р-базисным для Ь и обозначать с1 = ВаБ^ (¿>), если с? минимальное в лексикографическом порядке среди слов наименьшей длины из МшР (¿>) = < х | х с Р Ь и не существует У & Ь, таких что у с Р х>.

Определение 7. Пусть а - множество объектов определенного типа, а Т - множество операторов (частично определенных) над а,

I с а - входное множество,

Оса -выходное множество, 5 с а - множество состояний, оператор Р: / х 5 -» Б х О.

Будем говорить, что автомат V =<1,0,Б,Р> порожден алгеброй А=<а,Т>, если оператор Р(/,я) = (Р!(/. ), Р2(/,я)) для любых / е / , 5 е X, а операторы Р1: / х 5 —> 5, Р2: I х Б О построены с помощью суперпозиции операций из Т. При этом А назовем порождающей алгеброй для автомата V.

Определение 8. Пусть С? = , где Е-,, ¡=1. г, множества значении одного из базовых

типов данных некоторого языка программирования Ь.

Назовем элементарной модель некоторого объекта, представленную в виде автомата: У=</,0,5,Р> , если

/ с С? - входное множество, О с С) - выходное множество, 51 с - множество состояний, оператор Р: / х Б —> Б х О.

Как правило, Е\ в определении элементарной модели это алфавиты: Р - представление в вычислительной системе целых чисел, имеющих ограничение по минимуму и максимуму;

X - представление в вычислительной системе действительных чисел, имеющих ограничение на количество цифр (точность) представления числа;

V - представление свободнопорожденных некоторым алфавитом строк, имеющее ограничения на число элементов в алфавите и длину строки.

Остальные типы данных являются либо подмножествами основных, либо их комбинацией.

Определение 9. Назовем компонентой алгебру А, если она является порождающей для элементарной модели.

Определение 10. V—соединением множеств слов А и В будем называть операцию, результатом которой является множество А В=, Ои = < и? >, где - имя

станции, и ,• - занесенные в БД значения параметров, измеренные в моменты

Требуется отобразить изменение значения одного из выходных параметров модели М в виде соответствующего изменения цветов закраски области. Для этого представим в виде элементарной модели графическую область:

С=<10,Оа,80, Н0 >, Ia=GZGifcf>, Оа = , где7с-им* станции, С ^ — цвет заливки области в момент времени tf, 3е - номер

связанного с цветом параметра, - последовательность графических образов, отображаемых на экране.

Далее проведем Р-соединение входных параметров, т.е. найдем и р ^ и г ' этого нам потребуется найти минимальный элемент

в отношении Р-включения сравнимый со словом, полученным конкатенациег входных параметров.

Конкатенация входных параметров представляют собой слова вида:

* С I ( С ( /. I 10 1 и о .

Производя замены подслов в этом слове на значения операторов полученных суперпозицией операторов из Р, находим минимальный элемент:

так как л = л , то

■ СэС.СрС .,0 .О .и г-М т1М |С . С гу О . О . и гг М ТТМ

JZt|. С,^ I; 10 I Ц/орЭЛ 1,0,. л 1(101 и о

.о . м так как ^ =10 ,то

,а/ tgtg,-,g vd . m ^ m г тм

J t(. С; Z t/ t0 1 (7o f э J t; C; Z t„ 1 и о ;

так как cf=ColRange(M.O(t^TM Uo ).U- ), то

m tjm ,g .g ^ d .m tjm

J t; L, Z t0I С/ о f 2 J t;z t0l c/o; так как £/ о = D.O(ZD t q ) , то

t g . g 7 d , л/ т л/ tj m i g , g ry d . m

Jt; Z t0T L/o fSJ I,- Z t0T ;

так как t ? = Timer (t ,T w ), то в итоге получаем, что

J g.g л/™ л/ jgryd.mr^m in t

t, Z t0T f 2 •> z t0T, где CoIRange - функция системы, преобразующая изменения входного параметра в соответствующее изменение цвета; M.O(t^,TA/, U o^.u/ - результат выполнения модели М

при поступлении входного слова вида t0 Т и о и выделение в выходном множестве элемента и ]*; D.O(Z° tj') — результат запроса к БД по выбору параметров U, , замеренных для станции ZD; Timer (t^, Tw) -инициирование событии от таймера в интервале от t0 до Т .

т л u т g ry d , к1 т-. л/

Таким образом, мы нашли минимальный элемент J Z t0 Т

Исходя из этого, обобщенная модель будет иметь вид: W = <IW> Ow, Sw >, где

Ow= Эта модель использует в качестве входных параметров: J G - индекс отображаемого параметра,

10 - время начала моделирования, Т - время конца моделирования.

В качестве выходных параметров используется Qj последовательность графических образов, отображаемых на экране.

Созданная при помощи инструментальной среды система позволяет моделировать поведение биомассы различных биот и визуально отображать изменения в динамике на карте (см. рис. 2).

Рисунок 2. Динамическое отображение результатов.

Кроме этого, возможно проведение стандартных видов анализа и отображения. Существует возможность выполнения запросов к базе данных, посредством языка SQL или внутреннего языка системы. Также cctl возможность быстро производить простые виды фильтрации данных на основс простых логических условий, накладываемых на поля кортежа БД. Данные i результаты запроса могут быть отображены как с помощью табличных форм так и стандартных графиков (см. рис. 3).

Д Информационно-графическая система ГЕРА '-t-'nЖ.•YSSMWW.Si «»*:>iS?»*BI3l3

Дроект ИК СК Вда Мод<"»£>ов«нив Дкна Помощь

Рисунок 3. Стандартные виды отображения результатов

В заключении перечислены основные результаты, изложенные в диссертации:

1. Проведено обоснование требований к системам с расширенными функциями моделирования.

2. Построен формальный аппарат для описания элементов мобильных информационно-графических систем с единых позиций, для этого введены понятия многосортных систем (МСС), мобильных информационно-графических систем (М-ИГС), f-соеднненния, позволяющие проектировать системы, обладающие расширенными возможностями по импорту алгоритмов моделирования.

3. Разработана архитектура М-ИГС.

4. Разработан ряд алгоритмов, связанных с покадровым разбиением (заливка, кэширование, масштабирование), реализацией языка (индексированные свойства, методы, доступные во время выполнения).

5. Проведена реализация системы с возможностями М-ИГС в операционной системе Windows NT (ГИС ГЕРА).

6. Используя систему ГЕРЛ как инструмент, создано конкретное приложение для экологического мониторинга водоемов.

7. На основе данного ГИС проведено исследование Красноярского водохранилища, моделирование процессов эвтрофикации водоема с использованием моделей кинетики Mono.

Практические результаты подтверждают эффективность концепции мобильной информационно-графической системы поддержки объектов моделирования, пригодность разработанного формального аппарата, работоспособность предложенных алгоритмов и методов проектирования.

Приложение содержит документы, подтверждающие внедрение системы ГЕРА.

Основные результаты изложены в следующих работах:

1. Олейников Б.В., Распопов В.Е., Сапожников В.А., Горячев В.П., Поляков А.О., Цыганок Д.А. Создание информационно-графической системы поддержки экологического мониторинга. //Актуальные проблемы биологии. - Красноярск: КрасГУ, 1994. - С.ЗО.

2. Олейников Б.В., Распопов В.Е., Сапожников В.А., Цыганок Д.А., Клунникова М.М., Поляков А.О. Разработка и опыт использования информационно-графической системы ГЕРА для поддержки экологического мониторинга. //Экологическое состояние и природоохранные проблемы Красноярского края. Материалы подготовительной конференции ко Всероссийскому съезду по охране природы, 30 января-1 февраля 1995 г. - Красноярск: 1995. - С. 179180.

3. Олейников Б.В., Сапожников В.А., Распопов В.Е., Цыганок Д.А., Клунникова М.М. Инструментальный комплекс ГЕРА для создания информационно-графических систем в различных предметных областях. //Проблемы информатизации региона. Труды

межрегиональной конференции (Красноярск, 27-29 ноября 1995 г.). Красноярск: 1995.-С. 163. 4. Цыганок Д.Л. Опыт использования DELPHI при проектирован!! ИГС. //Проблемы информатизации региона. Труды межрегионально конференции (Красноярск, 27-29 ноября 1995 г.). - Красноярск: 199:

5. Олейников Б.В., Цыганок Д.А. и др. "Создание обще информационно-графической системы поддержки экологическог мониторинга и принятия экологических решений" //Научно технический отчет за 1995 г. N Гос. регистрации 01.9.40 009387. Красноярск: КрасГУ, 1995. - 66 с.

6. Олейников Б.В., Распопов В.Е., Сапожников В.А., Цыганок Д.А Клунникова М.М. Информационно-графическая поддержка анализ моделирования экологических процессов. //Международны симпозиум "Аспекты использования углеводородных и минеральны ресурсов, их влияния на окружающую среду" (25-29 июня 1995 г НИФТИ КГУ, Красноярск).

7. Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Мобильная информационно графическая система GERA для задач экологического мониторинга. Труды Международной конференции "Интеркарто 2: ГИС дл изучения п картографирования окружающей среды" (26-29 июн 1996 г., Иркутск). - Иркутск: ИГ СО РАН, 1996. - С.158-162.

8. Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Общая информационно-графическа система поддержки объектов моделирования и принята решений.//Математическое обеспечение и архитектура ЭВМ: С( научных работ. Вып.2/КГТУ Красноярск, 1997.-С.243-249.

9. Лукке Ю.В., Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Интеграция разнородной программного обеспечения в многосортных системах. //Проблем; информатизации региона. Труды межрегиональной конференци (Красноярск, сентябрь 1996 г.). - Красноярск: 1996 -С. 20-21.

10. Косых Р.Ф., Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Импорт-экспорт проекта в ИГС GERA. //Проблемы информатизации региона. Труд] межрегиональной конференции (Красноярск, сентябрь 1996 г.). Красноярск: 1996.-С. 19.

11. Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Мобильная инструментальная систем для создания различных информационно-графически приложений.//"Наука городу". Труды научно-практпческо конференции (Красноярск, октябрь 1997 г.). - С. 23.

12. Цыганок Д.А., Олейников Б.В. Представление многосортны информационных систем формализмами теории автоматов. // Труд] Международной конференции, часть 1. "Интеркарто 5: ГИС дл устойчивого развития территорий" (июнь 1999 г.). - Якутск Изд-в Якутского ун-та, 1999. - С. 20-23.

Оглавление автор диссертации — кандидата физико-математических наук Цыганок, Дмитрий Алексеевич

1.ПРОБЛЕМА ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ.

1.1 Классический подход.

1.2 Требование к системе.

1.3 Языковые средства.

1.3.1 Языки низкого уровня.

1.3.2 Языки имитационного моделирования.

1.3.3 Языки визуального программирования.

1.4 Информационные системы.

1.4.1 Геоинформационные системы (ГИС).

1.4.2 Гипертекстовые распределенные системы.

1.5 Мобильные информационно-графические системы поддержки объектов моделирования (М-ИГС).

1.6 Выводы по разделу 1.

2. МНОГОСОРТНЫЕ СИСТЕМЫ (МСС) - ФОРМАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

2.1 Базовые положения.

2.3 Примеры компонент.

2.4 Связующая компонента.

2.5 М-ИГС - частный случай МСС.

2.5.2 Информационная компонента.

2.5.3 Графическая компонента.

2.5.4 Моделирующая компонента.

2.5.5 Связующая компонента.

2.6 Выводы по разделу 2.

3. АРХИТЕКТУРА М-ИГС.

3.1 Контейнерная организация.

3.2 Импорт созданных алгоритмов.

3.2.1 Импорт динамических библиотек (DLL).

3.2.2 Импорт исполняемых файлов DOS пакетного режима.

3.2.3 Импорт интерактивных DOS программ.

3.2.4 Импорт из исходных текстов.

3.2.5 Реализация формальных операций.

3.3 Выводы по разделу 3.

4. СХЕМА РЕАЛИЗАЦИИ КОМПОНЕНТ.

4.1 Выбор парадигмы программирования.

4.2 Выбор языка программирования.

4.2.1 Иерархия наследования классов системы.

4.3 Реализация графической компоненты в рамках ООП.

4.3.1 Базовые компоненты.

4.3.2 Задний план сцены действия.

4.3.2.1 Реализация виртуального буфера кадров.

4.3.2.2 Реализация абстрактной поверхности для рисования.

4.3.2.3 Реализация многомасштабного отображения.

4.3.3 Послойная группировка графических объектов.

4.3.4 Точечный объект.

4.3.5 Пиктограмма с выносом.

4.3.9 Поддержка мировой системы координат.

4.4 Реализация информационной компоненты в рамках ООП.

4.5 Реализация связующей компоненты в рамках ООП.

4.5.1 Синтаксис внутреннего языка.

4.5.2 Типы данных языка и их преобразования.

4.5.3 Реализация видимости свойств и методов классов.

4.5.4 Функциональные особенности языка.

4.5.5 Расширение функциональности классов.

4.6 Реализация моделирующей компоненты в рамках ООП.

4.6.2 Процесс ИГС.

4.6.3 Интерпретатор файлов.

4.6.4 Интерпретатор макросов.

4.6.5 OLE и DDE контейнеры.

4.7 Выводы по разделу 4.

5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ М-ИГС ГЕРА. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ.

5.1 Программные и аппаратные требования. Назначение.

5.2 Работа в инструментальной среде.

5.3 Понятие проекта.

5.4 Ввод графических данных.

5.5 Привязка и получение содержательной информации.

5.6 Описание моделируемого объекта.

5.6.2 Статическое описание.

5.6.3 Динамическое описание.

5.7 Реализация М-ИГС для экологического мониторинга водоема.

5.7.1 Проблема моделирования экологии водоемов.

5.7.2 Содержательная информация.

5.7.3 Графическая информация.

5.7.4 Моделирующие алгоритмы.

5.7.5 Практическая эксплуатация.

5.8 Выводы по разделу 5.

Введение 1999 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Цыганок, Дмитрий Алексеевич

Стремительный прогресс в вычислительной технике и широчайшее ее распространение привели к развитию классических и появлению новых направлений информатики /1-16/. Классическим стало хранение информации в виде Баз Данных, передача её с помощью сетевых технологий, а обработка и визуализация - с помощью современных компьютеров и мощных графических адаптеров. Все эти технологии стали доступны широкому кругу пользователей именно благодаря взлету производительности персональных компьютеров, для которых отношение цена/производительность за последние несколько лет уменьшилось многократно и продолжает падать /17-20/.

Применение компьютеров стало повсеместным, от классического использования в научных исследованиях до автоматизации офисной деятельности и сферы развлечений. Благодаря этому возникла возможность решения как множества новых, так и с новыми подходами старых задач.

При этом большинство задач требует использования новых технологий сразу из нескольких областей. Один из способов решения такого вида задач - применение ГИС-технологий /21-35/.

Данные системы предполагают наличие графической компоненты, связанной с представлением карт, схем и т.п., а также информационной (базы данных), привязанной соответствующим образом к графической. Объединение этих двух компонент способствует более адекватному представлению информации об объекте и, как следствие, более оперативно позволяет принимать грамотные решения /36-41/. Данный подход, активно развивавшийся в последнее десятилетие, принес свои плоды. Появилось множество систем, ориентированных на работу с графическими объектами, имеющими пространственную привязку 121.

Актуальность темы. Географические информационные системы (ГИС) в настоящее время активно используются для решения разнообразных проблем во многих странах мира. Они решают проблемы, связанные с управлением территориями, контролем за экологической ситуацией, распоряжением землей, недрами, недвижимостью /2,7/. Однако на данный момент становится ясно, что этого уже явно недостаточно. «ГИС-технологии, с одной стороны, должны развиваться, становясь технологиями пространственного представления мира, а с другой -соединяться с математическим моделированием» 171.

Понимая всю важность введения методов математического моделирования, многие авторы ссылаются на сложность этой проблемы /32,35/. Действительно, большинство систем впрямую не предназначено для этого. Те же из систем, которые допускают моделирование, требуют использования или внутреннего языка систем (Arc/Info (AML), Mapinfo (MapBasic) и т.д.), или одного из основных языков программирования (GeoGraph/GeoDraw (Visual Basic)). При этом процесс построения систем, в рамках которых возможно решение различных модельных задач с использованием подобных инструментальных средств, во многих случаях является достаточно длительным и дорогим. Поэтому их создание экономически оправдано только в том случае, если они предполагают достаточно длительную эксплуатацию.

• в очерчивании предметной области;

• в постановке задачи;

• в использовании математических и иных методов для моделирования динамики объекта;

• в представлении результирующей информации, направленной на принятие решений.

Поэтому необходимо, чтобы инструментальная система, используемая в таких случаях, была достаточно простой для использования, дешевой, обладала основными возможностями для работы с графической и информационной компонентами, а также (что может быть наиболее важно) позволяла напрямую использовать уже готовое, разработанное ранее и представленное в различных библиотеках программ моделирующее программное обеспечение. Очевидно также, что такая система должна обладать развитыми средствами импорта-экспорта для взаимосвязи с другими ГИС. Создание моделей объектов с использованием ГИС связано с обеспечением информационной и графической поддержки этих объектов. Поэтому системы, обладающие указанными свойствами, названы в работе /42/ мобильными информационно-графическими системами поддержки объектов моделирования (М-ИГС).

1. Разработка и развитие методов проектирования информационно-графических систем.

2. Формализация описания ИГС.

3. Разработка алгоритмов, обеспечивающих эффективное функционирование ИГС.

5. Создание инструментальной информационно-графической среды поддержки объектов моделирования.

Методы исследования, используемые в работе, базируются на:

• методах системного программирования;

• методах параллельного программирования;

• теории структур и баз данных;

• методах объектно-ориентированного анализа и проектирования;

• методах компьютерной обработки и представления изображений (компьютерной графики);

• методах представления и обработки пространственной и координатно - привязанной информации в геоинформационных системах и системах автоматического проектирования.

3. Разработаны алгоритмы, повышающие эффективность работы с графической информацией.

Практическая значимость и реализация. Результаты диссертационной работы использованы в Красноярском государственном университете для создания информационно-графической системы мониторинга Красноярского водохранилища и для ведения учебного процесса по ГИС.

Апробация работы. Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок докладывались на научных семинарах Медиа-Центра Красноярского госуниверситета (1993-1998), на международном симпозиуме «Аспекты использования углеводородных и минеральных ресурсов, их влияния на окружающую среду" (НИФТИ КГУ, Красноярск 1995г.), на Международной конференции «Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды» (Иркутск 1996 г.), на межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, 1995, 1996, 1998 г.г.).

Публикации и личный вклад в решение проблемы

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ. Теоретические и практические результаты, изложенные в работе, в основном получены автором.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников (47 наименований), приложения, содержит 125 страниц машинописного текста, 31 рисунок, 2 таблицы.

Заключение диссертация на тему "Информационно-графическая система поддержки объектов моделирования"

5.8 Выводы по разделу 5

В данном разделе описано конкретное программное обеспечение, представляющее собой мобильную информационно-графическую систему поддержки объектов моделирования и его применение в области экологии, в частности:

1. Программные и аппаратные требования к системе.

2. Этапы, прохождение которых необходимо для реализации конкретной информационно-графической системы.

3. Реализация системы для экологического мониторинга водоема Красноярского водохранилища, в рамках создания которой было сделано следующее:

• применены подходы интеграции внешних реализаций алгоритма, посредством представления его в виде элементарной модели;

• проведено соединение входов и выходов модели с базами данных и графическим образом, посредством задания функциональных связей с помощью внутреннего языка системы;

Анализ существующих инструментальных средств показал необходимость разработки мобильной информационно-графической системы, обладающей возможностями:

1. Работы с графической информацией (создание, хранение, редактирование и обработка графических образов).

2. Работы с содержательной информацией (создание и манипулирование базами данных, привязка их к графическому образу).

3. Решение модельных задач (использование графического образа и баз данных в качестве входной информации при постановке и решении модельных задач, представление результатов моделирования в табличном, графическом и анимационном видах).

В результате было сделано следующее:

1. Проведены исследования, которые позволили обосновать требования к системам с расширенными функциями моделирования.

2. Введены понятия многосортных систем(МСС) и мобильных информационно-графических систем(М-ИГС).

3. На основе теории автоматов построен формальный аппарат для описания элементов мобильных информационно-графических систем с единых позиций, введено понятие Б-соединения, позволяющие проектировать системы, обладающие расширенными возможностями по импорту внешних реализаций алгоритмов моделирования.

4. Используя формальный аппарат, разработана архитектура Мигс.

5. Разработан ряд алгоритмов, связанных с покадровым разбиением (заливка, кэширование, масштабирование), реализацией языка (индексированные свойства, методы, доступные во время выполнения).

6. Проведена реализация системы с возможностями М-ИГС в операционной системе Windows NT (ГИС ГЕРА).

7. Используя реализованную систему как инструмент, создано конкретное приложение для экологического мониторинга водоемов.

8. На основе созданного ГИС проведено исследование Красноярского водохранилища, моделирование процессов эвтрофикации водоема с использованием моделей кинетики Моно.

Полученные результаты подтвердили эффективность предложенных алгоритмов и подходов при решении задач экологического моделирования.

Созданная инструментальная среда обладает определенными преимуществами в сравнении с такими известными системами как Maplnfo, ArcView и др. в области интеграции графической, содержательной информации и внешних реализаций алгоритмов моделирования. Практическая эксплуатация созданной системы показала возможность широкого ее использования в других предметных областях. Принципы построения, заложенные на стадии проектирования^994 г.), не утратили своей новизны и актуальности на момент завершения системы (1999 г.).

Созданная система содержит набор средств для интеграции новых алгоритмов, поэтому ее использование позволит в будущем создавать

Библиография Цыганок, Дмитрий Алексеевич, диссертация по теме Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

1. Чэн Ш.-К Принципы проектирования систем визуальной информации: Пер. с англ. - М.: Мир, 1994.-408 с. ил.

2. Программно-аппаратное обеспечение, фонд цифрового материала, услуги и правовая база геоинформатики в России и СНГ, ежегодный обзор, Москва, 1995г.

3. А. Прицкер Введение в имитационное моделирование и язык С ЛАМП: Пер. с англ. -М.: Мир, 1987.-646 е., ил.

4. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: Пер. с англ. -М. Мир, 1989.-512 е.,ил.

5. Л. Аммерал Принципы программирования в машинной графике. Пер. с англ. -М. :"Сол Систем", 1992.-224 е.: ил.

6. Borland Delphi for Windows , User's Guide. 1995.

7. Информационный бюллетень ГИС ассоциация № 1-2, 1995.

8. Н.М. Амосов, A.M. Касаткин, Л.М. Касаткина, С.А. Талаев Автоматы и разумное поведение: Киев "Наукова думка", 1973.-375 с.

9. Брауэр В. Введение в теорию конечных автоматов: Пер. с нем. М.: Радио и связь, 1987.-392 е.: ил.

10. Ю.Глушков В.М., Цейтлин Г.Е., Ющенко Е.Л. Алгебра. Языки. Программирование.: Киев: Наук, думка, 1989. 376 с.

11. П.Калашников В.В. и др. Нить Ариадны в лабиринте моделирования. М: Наука, 1993.-192 е., ил.

12. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. М.: Сов. Радио, 1973. 440 с.

13. Бусленко Н.П. Сложные системы и имитационные модели// Кибернетика. 1976. №6. С. 50-59.

14. A.Pasko, V.Adzhiev, A.Sourin, V.Savchenko Function representation in Geonetric Modeling: Concepts, Implementation and Application : Shape modeling Laboratory The University of Aizu, Japan 1994.

15. Теория информационных объектов и систем управления базами данных/ Иванов Ю.Н.- М.: Наука. Гл. Ред. Физ. мат. лит., 1988. - 232 с.

16. Ульман Дж. Основы систем баз данных / Пер. с англ. М.Р. Когаловского и В.В. Когутовского; Под ред. М.Р. Когаловского. М.: Финансы и статистика, 1983.- 334 е., ил.

17. Лорд Н., Гирогосиан П., Уэллетт Р., Клерман Р. , Черемисиноф П. Вычислительные машины будущего: Пер с англ.-М. Мир,1987.-193 с.

18. Семенюк Э.П. Информатика : достижения, перспективы, возможности. -М.: Наука, 1988.-176с.

19. Глушков В.М. Основы безбумажной информатики. М: Наука, 1982. -552 с.

20. Глушков В.М. Кибернетика. Вопросы теории и практики. М.: Наука, 1986.-478 с.

21. С. Э. Иоргенсен. Управление озерными системами. Пер. с англ. М: Агропромиздат, 1985.-160 с.

22. Коралев Ю.К. Общая геоинформатика. Часть I. Теоретическая геоинформатика. Выпуск 1. СП ООО Дата+, 1998 г., 118 с.

23. Тикунов B.C. Классификации в географии: ренессанс или увядание?(Опыт формальных классификаций). Москва-Смоленск: Изд-во СГУ, 1997: -367 с.

24. Шайтура C.B. Геоинформационные системы и методы их создания. -Калуга: издательство Н.Бочкаревой, 1998 г. 252 е.: ил.

25. Асланикашвили А.Ф. Картография. Вопросы общей теории. Тбилиси: Мецниереба, 1968. - 299 с.

26. Берлянт А.М. Картографические методы исследований. М., Мысль, 1987. 234 с.

27. Билич Ю.С., Васмут A.C. Проектирование и составление карт: Учебник для вузов. М.: Недра, 1984. - 364 с.

28. Васмут A.C., Бугаевский JIM., Портнов А.М., Автоматизация и математические методы в картосоставлении. М.: Недра, 1991. - 390 с.

29. Жуков В.Т., Серебнюк С.Н., Тикунов B.C. Математико-картографическое моделирование в географии. М.: Мысль, 1980. - 223 с.

30. Кошкарев A.B., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М.-: Наука, 1987. 127 с.

31. Подобедов Н.С. Природные ресурсы земли и охрана окружающей среды. Учебник для вузов.- М.: Недра, 1985. 236 с.

32. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика/Под ред. Д.В. Лисецкого.-М.: "Картогеоцентр" "Геодезиздат",1993. - 213с. :ил.

33. Киенко Ю.П. Введение в космическое природрведение и картографирование: Учебник для вузов. М.: Картогеоцентр-Геодезиздат, 1994.-212с.: ил. ISBN-5-860066-005-7

34. William Е. Huxhold An Introduction to Urban Geographie Information Systems. New York, Oxford, Oxford University Press, 1991. 317c.:pic. ISBN 0-19-506534-4.

35. Зб.Олейников Б.В., Распопов В.Е., Сапожников В.А., Горячев В.Н., Поляков А.О., Цыганок ДА. Создание информационно-графической системы поддержки экологического мониторинга. //Актуальные проблемы биологии. Красноярск: КрасГУ, 1994. - С. 30.

36. Цыганок Д.А. Опыт использования DELPHI при проектировании ИГС. //Проблемы информатизации региона. Труды межрегиональной конференции (Красноярск, 27-29 ноября 1995 г.). Красноярск: 1995. -С. 171.

37. Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Общая информационно-графическая система поддержки объектов моделирования и принятия решений.//Математическое обеспечение и архитектура ЭВМ: Сб. научных работ. Вып.2/КГТУ Красноярск, 1997. С. 243 - 249.

38. Лукке Ю.В., Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Интеграция разнородного программного обеспечения в многосортных системах. //Проблемы информатизации региона. Труды межрегиональной конференции (Красноярск, сентябрь 1996 г.). Красноярск: 1996 . - С. 20-21.

39. Цыганок Д.А., Олейников Б.В. Представление многосортных информационных систем формализмами теории автоиатов. // Труды Международной конференции, часть 1. "Интеркарто 5: ГИС для

40. Пример создание проекта в инструментальной среде

41. Вид окна после старта системы

42. Информационно-графическая система ГЕРА I

43. Гроект ИК ГК Вин Моделирование Окна Помощь <1 'й

44. Вид инспектора объектов при отсутствии проектак> | Информационно-графическая система ГЕРА

45. Проект ИК £К Вид Моделирование Окна Помощь1. Т е»М tfe1. ЕШ1.S:TIGS 0*1 9 йгс Свойство Значение | » 1. Ш ик C(|ior -2147483G3J шн гк Font TFont Aa 1. Name IGS 1. Таймер ( J Tdy 15406268

46. Интепритатор/екста Left -4 ' j 1ая Интерпретатор макроса OIF OLE объект , Процесс Top -4 : \ \ 1. Width 1032 Hi 1. Height 776 1. Cuisor 0 : | . щ MainPiocess Hint 1. HelpContext 0 • j j

47. HorzScrollBar T Controls crollE

48. VertS crollE) at T Controls crollB

49. ActiveControl |ProcessTree j^J

50. Свойства / С вд зи / Соеок цпность /1. Мировые координаты.

51. Вид инспектора объектов после создания нового проектаj Информационно-граФичепкля система ГЕРА

52. О^иек.т ЦК гк Вид Модепмровонис Okh=i Пипошь (рЫ al И1. ШЁШз, инспектора объектов после установки пути для карты и вставки кусков растра, склейки исоздания объектов доступа к базе данных

53. Информационно-графическая система ГЕРА Красноярское водохранилище.

54. Приект ИГ. Г К Вид Модрпироьсшис i>Hd Помощь1. J D | G£>| H | И1. ХЛПК I ||Ц',bill киктшт1. И.*.mi

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎