Delist.ru

Разработка методики проектирования (21.05.2007)

Автор: Евтушенко Андрей Сергеевич

4. Цикл разработки программного ядра ГИС несколько отличается от классического, так как необходимо обеспечить большую гибкость и изменчивость процесса разработки вследствие постоянно варьирующихся требований к ГИС, кроме того, приоритет требований также смещен.

5. Не все классические архитектуры вычислительных систем подходят для использования в рамках ГИС-проекта, однако в силу внешних ограничений их использование является необходимым. Приведены рекомендации по выбору топологии, наиболее подходящей в ряде типовых сценариев.

6. В силу особенностей российского законодательства, роли администраторов системы зачастую отличаются от общепринятых и имеют ограниченных характер, так как доступ к определенным видам данных разрешен только ограниченному кругу лиц.

В третьей главе рассмотрены особенности проектирования подсистем, встречающихся практически во всех ГИС. Показано, что наиболее подходящий подход при разработке специализированных ГИС – микроядерная архитектура. Он оправдывает себя и в условиях академических разработок, когда между разработкой различных модулей могут проходить значительные промежутки времени. Кроме того, несомненным достоинством данного метода является взаимозаменяемость однотипных модулей в зависимости от текущих условий.

Сформулирована и описана структура типового программного ядра ГИС (рисунок 2), приведено модульное разделение функциональности в рамках разработанной структуры, разделены задачи, решаемые каждым модулем. Рассмотрены методы интерполяции пространственных данных, определены области их применения. На примере разработки блока экспорта данных из формата DXF приведена методика проектирования блоков обмена данными с внешними программами. Исследованы методы интеграции в рамках геоинформационной системы пространственных и атрибутивных данных, приведены рекомендации по их выбору и применению в рамках различных программно-аппаратных архитектур. Предложена расширяемая система обмена данными для муниципальных информационных систем, определяющая универсальные механизмы, позволяющие осуществлять обмен данными между различными ГИС, используемыми в рамках одного или нескольких муниципальных образований.

Рисунок 2. Типовая структура программного ядра геоинформационной системы

В этой же главе описана разработанная автором адаптация алгоритма наиближайших соседей для использования его с современными графическими ускорителями (GPU) удовлетворяющими спецификации DirectX Shader Model 3.0. В результате переноса всех вычислений в GPU и использования их архитектурных особенностей и высокопараллельного конвейера, можно достигнуть значительного увеличения общей скорости работы алгоритма.

В четвертой главе описано применение разработанной методики на примере создания специализированной муниципальной геоинформационной системы г. Новочеркасска. Разработка показана в хронологическом порядке. Первая версия ГИС – использовала набор растровых карт, заложенных в программу, и не позволяла изменять его. Использовался простейший принцип сопоставления одному цвету конкретного значения, причем преобразование «цвет->параметр» было жестко прописано в программе. По мере развития сГИС потребовалось введение карт новых городов и новых типов информации, привязанной к ним. Это обосновало необходимость создания новой версии программы.

В соответствии со сформулированными в предыдущих главах принципами, система состоит из модулей, координирование которых осуществляется ядром, объединенным с базовым пользовательским интерфейсом. Список модулей программы включает: интерфейс настольной версии программы, блок представления геометрических (топографических) данных, систему импорта информации из файлов AutoCAD DXF, блок представления точечных замеров, блок представления топологической информации, визуальный компонент для отображения графической информации на экран, библиотеку сторонних разработчиков для формирования диаграммы Вороного (рисунок 3).

Рисунок 3. Структура специализированной геоинформационной системы г. Новочеркасска.

Приводится описание каждого из модулей программы и структуры классов. На рисунке 4 приведена разработанная структура классов модуля представления геометрических данных. Каждый класс отвечает за обработку и хранение соответствующего примитива или группы примитивов. Для отображения геометрических данных на экран используется класс CityMapControl, который обладает необходимой функциональностью для базового взаимодействия пользователя с картой. Расширение функциональности может быть осуществлено путем наследования от этого класса и замещения имеющихся функций, либо добавления новых. Загрузка данных из формата DXF производится с помощью класса ASCIILoader, который подключается к программе через интерфейс IExporter. Аналогичным образом работает загрузка и сохранение в собственный бинарный формат разработанной СГИС.

Рисунок 4. Иерархия классов блока представления геометрических данных

Следует отметить, что до выполнения диссертационной работы отсутствовал топогеодезический материал по г. Новочеркасску и г. Элисте в электронном виде. Для достижения указанной выше цели, на начальном этапе разработаны электронные карты, характеризующие территорию города. Разработанный таким образом картографический материал послужил базой данных при разработке программы для его автоматической обработки. На рисунке 5 показана карта уровня грунтовых вод, построенная с помощью разработанной геоинформационной системы.

Рисунок 5. Карта уровня грунтовых вод для г.Элисты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной в диссертации целью выполнено исследование на актуальную тему, посвященную научному анализу, обобщению и совершенствованию технологии разработки программного ядра геоинформационной системы. Главный итог диссертации – разработка концептуальной схемы методики разработки ядра ГИС в целом, по отдельным этапам и её внедрение при разработке специализированной ГИС для г.Новочеркасска и г. Элисты. Основные выводы и результаты исследования состоят в следующем:

На основе существующих методов и научных исследований в области создания ГИС разработана концептуальная схема создания ГИС, не привязанная к конкретной предметной области и отражающая точку зрения архитектора программной системы.

Выделены первичные и вторичные требования к ГИС. Выявлено влияние на выбор программной и аппаратной платформы СГИС следующих факторов: топология сети, количество пользователей, особенностей их ролей и выполняемых процессов. Сформулированы критерии определяющие выбор между использованием существующих ГИС и разработкой новой.

На основе теории разработки программного обеспечения в общей методике разработки ГИС отдельно выделены шаги, оказывающие существенное влияние на процесс разработки собственного ядра СГИС.

Рассмотрена типовая структура ГИС, в которой описаны и классифицированы основные блоки представления и обработки информации, ввода/вывода данных, пользовательского интерфейса. Приведены схемы и рекомендации по интеграции блоков в общую платформу ГИС. Разработана информационная модель программного ядра ГИС на основе использования принципов проектирования систем с микроядерной архитектурой.

Разработаны рекомендации по применению способов интеграции геометрических и атрибутивных (табличных) данных в геоинформационных системах. Проанализирована возможность применения для хранения данных обоих типов современных СУБД.

Разработана структура расширяемой системы обмена данными для специализированных информационных систем, позволяющая унифицировать процесс обмена данными любых форматов путем создания структуры взаимозаменяемых программных модулей, применимых в различных программно-аппаратных средах.

Разработан алгоритм интерполяции пространственно-распределенных данных с использованием графических ускорителей с программируемыми конвейерами, исключающий операции по обмену данными между оперативной и графической памятью на различных шагах. В результате работы алгоритма требуется разовое чтение буфера кадра для получения результатов интерполяции.

Разработана специализированная геоинформационная система (СГИС) «Подтопление города Новочеркасска грунтовыми водами», СГИС предназначена для быстрого получения информации по негативным факторам подтопления в различных микрорайонах города в целях выбора защитных мероприятий и принятия решений по вопросам эксплуатации объектов города.

На практике проведена апробация методик и принципов, предложенных автором, наглядно описаны реализации различных блоков СГИС, обеспечения их взаимодействия и интеграции в единую среду. Приведен пример микроядерной архитектуры для разработки СГИС используя технологию программирования Microsoft .NET 2.0.

С помощью разработанной СГИС построены карты рельефа и уровня грунтовых вод для г. Элисты.

Основные положения диссертации освещены в следующих работах автора:

Евтушенко А.С. Разработка специализированной геоинформационной системы «Подтопление г.Новочеркасска грунтовыми водами»/ А.С.Евтушенко, Ю.Н.Мурзенко, Г.М.Скибин, Н.П.Юношев // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: Материалы II Междунар. науч.-практ. конф., г.Новочеркасск, 25 нояб. 2001г.:В 6ч./Юж.-Рос.гос.техни.ун-т(НПИ).- Новочеркасск: ООО НПО «ТЕМП»,2001.-Ч.6.-С.25-29

Евтушенко А.С. Разработка интерфейса между расчетными (оптимизационными) программами и графическим пакетом AutoCAD. / А.С.Евтушенко, В.И.Соболев, //Актуальные проблемы строительства: Материалы 53-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ), г.Новочеркасск, апр. 2004г. / Юж.-Рос.гос.техн.ун-т(НПИ).-Новочеркасск:ЮРГТУ,2004.-С.60-62.

* Евтушенко А.С., Скибин Г.М. Методы интерполяции пространственно-распределенных данных в геоинформационных системах. // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. техн. науки. – 2005.- Спецвып.: Актуальные проблемы строительства и архитектуры. - С. 108-111.

Евтушенко А.С., Методы интерполяции двумерных данных для построения скалярных полей в ГИС/ А.С.Евтушенко, Г.М.Скибин // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: Материалы IV Междунар. науч.-тенх. конф., г. Волгоград, 12-14 мая 2005 г.: в 4 ч. / Волгоград. гос. архитект.-строит. ун-т. - Волгоград : ВолгГАСУ, 2005. – Ч. III. – С. 61-65.

Евтушенко А.С. Цели и задачи создания муниципальной ГИС г.Новочеркасска / А.С.Евтушенко, В.И.Соболев //Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: Материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., г.Волгоград, 12-14 мая 2005 г. : в 4 ч./Волгоград. гос. архитект.-строит. ун-т. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2005. – Ч. III. – С.

Евтушенко А.С. Муниципальная геоинформационная система / А.С.Евтушенко, Ю.Н.Мурзенко, Г.М.Скибин, В.И.Соболев // Строительство – 2005 : Материалы Междунар. науч.-практич. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. – Ростов н/Д: РГСУ, 2005.- [Ч.2]. – С.119-121

Евтушенко А.С. Интерполяция пространственно-распределенных данных в муниципальной ГИС г. Новочеркасска // Строительство – 2005: Материалы Междунар. науч.-практич. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. – Ростов н/Д: РГСУ, 2005.- [Ч.2]. – С.121-123

Евтушенко А.С. Способы интеграции геометрических и атрибутивных (табличных) данных в геоинформационных системах// Строительство – 2006: Материалы Междунар. науч.-практич. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. – Ростов н/Д: РГСУ, 2006.- [Ч.2]. – С.163-164

Евтушенко А.С. Система сбора и накопления инженерно-геологической информации об исследуемом объекте / А.С.Евтушенко, В.И.Соболев, Г.М.Скибин // Строительство-2006: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. – Ростов н/Д: РГСУ, 2006.- [Ч.2]. – С.181-182.

Анищенко Е.Ю. Пространственное моделирование обследуемого здания столовой №44 ЮРГТУ(НПИ)/ Е.Ю.Анищенко, Н.Н.Бабец, А.С.Евтушенко // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: Материалы II Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 14 июня 2002 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т(НПИ).- Новочеркасск: Темп, 2002.- С.12-13.

Специализированная геоинформационная система «Подтопление г. Новочеркасска грунтовыми водами» (сГИС «Подтопление г. Новочеркасска»)/ Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2001611292 РФ / Роспатент. - № 2001611040 ; заявл. 03.08.2001; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 01.10. 2001

(*) Работа опубликована в ведущем рецензируемом журнале, в котором должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, входившем в перечень таких изданий до 31 декабря 2006 года.

загрузка...