WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Платонов Павел Львович

КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

25.00.33 – картография

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учной степени кандидата географических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета.

Научный консультант: Серапинас Балис Балио доктор географических наук, профессор МГУ имени М. В. Ломоносова

Официальные оппоненты: Чумаченко Алексей Николаевич доктор географических наук, профессор, Национальный исследовательский Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, проректор по инновационной деятельности Ильясов Аскар Кургамысович кандидат географических наук, научный сотрудник Научно-исследовательская лаборатория эрозии почв и русловых процессов имени Н. И. Маккавеева географического факультета МГУ

Ведущая организация: Ставропольский государственный университет

Защита состоится «17» мая 2012 года в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д-501.001.61 в Московском государственном университете имени М.В Ломоносова по адресу 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, 21 этаж, аудитория 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ имени М.В Ломоносова на 21 этаже.

Автореферат разослан «16» апреля 2012 года.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ, имени М. В. Ломоносова, географический факультет, учному секретарю Диссертационного совета Д-501.001.61, факс (495) 932-88-36. Email: science@geogr.msu.ru Учный секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук А. Л. Шныпарков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Развитие технологий спутниковой навигации и техническое совершенствование в сфере навигационных систем в начале XXI века способствовало значительному расширению возможностей использования некогда «закрытых» оборонных технологий в гражданской деятельности.

Открытие систем глобального позиционирования для использования в гражданских целях сказалось на стремительном развитии их общедоступных функций, дающих возможности оперативного определения координат и местоположения объекта.

Среди таких задач одной из самых распространнных стала автомобильная навигация – оперативное определение автомобилистами собственного местоположения, выбор маршрутов следования и манвров, измерение расстояний и других параметров, для чего традиционно служит карта. Этими факторами обусловлено появление нового направления в существующем электронном картографировании – автонавигационного картографирования.

Полноценное использование навигационных функций систем глобального позиционирования в автомобилях вызвало необходимость сопровождения автонавигации специфическим картографическим обеспечением, к которому предъявляется набор практических и технических требований, условий по оформлению, содержанию, генерализации, условным знакам и особенностям визуализации электронных карт.

Актуальность диссертационного исследования определяется, в первую очередь, востребованностью формирования стандартизированного научнообоснованного подхода к обеспечению решения автонавигационных задач необходимыми картографическими данными. Такая задача может быть решена в рамках современной прикладной картографии и геоинформатики.

Единая научная база автонавигационного картографирования в России на данный момент не сформирована, а используемые методы обеспечения автонавигационных систем картографическими материалами не достаточно формализованы. Необходимость закрепления автонавигационного картографирования в качестве самостоятельного направления электронной картографии обусловлена как требованиями практики, так и накопленным потенциалом развития картографической науки.

Цель работы – разработка методики формирования картографического обеспечения автонавигационных систем и е апробация в навигационной системе «Навител Навигатор».

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Выполнить анализ специализированных автодорожных карт и сформулировать понятие «автонавигационная карта», а также определить основные отличия автонавигационных карт от традиционных карт автодорог.

2. Обосновать содержание и требования к оформлению автонавигационных карт, обобщить и систематизировать основные функции и способы картографического обеспечения, используемого в российских и зарубежных автомобильных навигационных системах.

3. Разработать систему требований для совмещения программно-аппаратных средств автонавигационных устройств с создаваемым картографическим обеспечением.

4. Разработать стандартную методику формирования картографического обеспечения автонавигационных систем и апробировать е на примере автонавигационной системы «Навител Навигатор».

Методической базой проведнного исследования послужили научные труды представителей отечественной и зарубежных школ географической картографии и геоинформатики К. А. Салищева, И. П. Заруцкой, С. Н. Сербенюка, А. М. Берлянта, В. С. Тикунова, И. К. Лурье, А. В. Кошкарва, Т. Г. Сватковой, Р. Филлипса, М. Зейлера, Д. Слейтера, Б. Первана.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Впервые в отечественной картографии введены понятия «автонавигационного картографирования» как самостоятельного направления картографии и «автонавигационной карты» как нового вида электронных специальных общегеографических карт. Определены ключевые функции и параметры автонавигационных карт: система условных знаков, компоновка, тематическое содержание, принципы генерализации и согласования карт различных масштабов.

Выделены группы профильных и вспомогательных функций.

2. Сформирована методика обеспечения автонавигационных систем картографическими произведениями, рекомендуемая как стандартная. Методика включает определение семантических свойств элементов карты, пути использования данных дистанционного зондирования, в том числе координатной привязки космических снимков по маршрутам (GPS-трекам).

3. Определены принципы разработки содержания и оформления автонавигационных карт, охватывающие все этапы подготовки от проектирования карты и сбора первичной информации до внедрения карты в систему, с учтом особенностей создания, базовых функций автонавигационных систем, потребительских требований, технических возможностей отображения картографической информации (размер и разрешение экрана устройств визуализации) и читаемости карт.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Автонавигационная карта – специальная общегеографическая карта, электронное картографическое произведение, предназначенное для использования в автонавигационных системах, разрабатываемое с учтом их функций и требований.

2. Полнота содержания автонавигационных карт должна определяться в соответствии с конечными потребительскими задачами (профильными и вспомогательными функциями автонавигационных карт) и техническими возможностями актуальных средств визуализации (портативных электронных автонавигаторов, коммуникаторов, планшетных компьютеров и т.п.).

3. Содержание и оформление автонавигационных карт следует формировать с учтом общепринятых принципов создания: компоновку карт в соответствии с традиционной картографией, генерализацию – на основе комбинации цензового отбора и смены масштабов, систему условных знаков – на основе интуитивнопонятного восприятия и их читаемости.

4. Методика создания картографического обеспечения автонавигационных систем включает последовательность операций по сбору и обработке первичных данных, верификацию и постоянную актуализацию данных с использованием полевых методов, GPS-треков и результатов видеофиксации; предусматривает регулярное обновление ключевых объектов содержания карты, таких как организация дорожного движения, объекты инфраструктуры, сервисная информация и точки интереса (Points of Interest - POI).

Практическая значимость работы заключается в применении разработанной методики при формировании картографического обеспечения автонавигационной системы «Навител Навигатор», получившей широкое практическое применение как среди государственных, муниципальных и других общественных пользователей, так и при решении индивидуальных пользовательских задач. Результаты работы востребованы транспортными, транспортно-логистическими и другими организациями, коммунальными и экстренными службами и широко применяются в деятельности онлайн- и офлайн-навигационных сервисов.

Средства реализации. При разработке методики сбора данных, подготовки и оформления информации для автонавигационных карт использовано программное обеспечение: ГИС GPSMapEdit, Panorama, MapInfo, ArcGIS. На этапе сбора и уточнения первичной информации использовалось оборудование (GPS-трекеры и камеры видеофиксации) ЗАО «Центр навигационных технологий». Тестирование автонавигационных карт осуществлялось с использованием тестового модуля программы "Навител Навигатор".

Фактический материал. Источниками информации для подготовки автонавигационных карт послужили: цифровые карты производственных предприятий «Роскартография» и «Росреестр» различных масштабов и годов изданий, адресные планы и схемы Всероссийских переписей населения 2002 и 2010гг., данные дистанционного зондирования (космические снимки IKONOS, QuickBird, ALOS и др.).

GPS-треки, результаты видеофиксации, данные полевых обследований и другие вспомогательные материалы собраны лично автором.

Апробация. Теоретические промежуточные и итоговые результаты работы были представлены на «Международном форуме по спутниковой навигации 2008» (Москва, 2008), Международной конференции «ИнтерКарто-ИнтерГИС 17. Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт» (Барнаул - Денпасар, 2011). В рамках Международной выставки Геоформ+ 2007 (Москва, 2007) сделан доклад «Перспективы развития автомобильной навигации в России».

Практические результаты исследования регулярно представлялись на совещаниях главных инженеров и главных редакторов «Роскартографии» по развитию автонавигационных технологий и автонавигационной картографии (2009), в Министерстве экономического развития и торговли РФ (2011, 2012), на Международной выставке «Геоформ+» – в рамках презентации автонавигационных карт и ГИС ЗАО «ИГТ» (2005, 2006, 2007), а также презентации автонавигационных карт и мобильных комплексов видеофиксации для полевых обследований ЗАО «Центр навигационных технологий» (2008, 2009, 2010).

Методика составления карт использована при подготовке картографического обеспечения заданий Заключительного этапа Всероссийской олимпиады школьников по географии в 2009-2012 годах.

Всего по теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК.

Внедрение результатов работы. Результаты исследования получены в рамках выполнения плана научных работ кафедры картографии и геоинформатики географического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Практическое внедрение результатов осуществлено в ходе подготовки и актуализации картографического обеспечения автонавигационной системы «Навител Навигатор» в 2007-2012 гг. (разработчик – ЗАО «Центр навигационных технологий»).

Методические разработки, сделанные в рамках настоящего исследования, использованы при составлении технического задания для предприятий «Роскартография» и «Росреестр» по картографическому обеспечению системы ГЛОНАСС.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объм диссертации составляет 1страниц. Работа включает 8 таблиц, 35 рисунков. Библиографический список содержит 135 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, заслуженному профессору Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, д.г.н. Б. Б. Серапинасу, а также заведующей кафедрой картографии и геоинформатики профессору, д.г.н. И. К. Лурье за неоценимую помощь и поддержку на всех этапах выполнения исследований. Автор благодарен сотрудникам кафедры за научную и методическую помощь в проведении работ.

Отдельную признательность автор выражает коллективу ЗАО «ЦНТ» и специалистам предприятий «Роскартография» и «Росреестр» за поддержку в ходе осуществления практико-внедренческого этапа исследования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Автодорожные и автонавигационные карты. Особенности и отличия Концепция применения навигационных приемников в автомобиле зародилась в Европе в начале 90-х годов прошлого столетия. Тогда же в англоязычной литературе появился термин Vehicle Navigation System (транспортные навигационные системы) или в краткой форме – VNS. Практически сразу идея была подхвачена японскими производителями, которые отставали в этой области от Европы вплоть до 1996 года. Этот начальный период, когда определение местонахождения автомобиля стало осуществляться с использованием спутников GPS, получил название "гибридная навигация" (Яценков, 2008). Именно тогда к информации, учитываемой при планировании маршрута, начали добавлять данные о насыщенности движения и погодных условиях (включая прогнозы).

В современных условиях произошл переход от бумажных автодорожных карт к электронным автонавигационным картам.

Развитие аэрокосмической и электронно-вычислительной техники произвело настоящий прорыв в географии в целом, и картографии в частности. К 80-м годам связь стала активной, двусторонней, то есть появилась возможность активной ориентации на местности. В настоящее время основной картой для ориентирования и прокладки маршрутов является электронная автонавигационная карта. Бумажная автодорожная карта зачастую используется автомобилистами и путешественниками, как дополнительная.

Особую важность представляет разработка картографической базы данных автонавигационной карты, включающей в себя узкоспециализированное и максимально подробное наполнение тематическими данными и специальными характеристиками объектов карты в целях оптимального взаимодействия со специализированным программным обеспечением, для решения пользовательских задач, в том числе для обеспечения логистических и транспортных потребностей, как частных лиц, так и различных организаций и структур.

В общем виде автонавигационная карта состоит из двух основных элементов – географической основы и дорожного графа. Особенность всех автонавигационных карт – интеграция в их структуре ассоциативных и атрибутивных данных, поскольку в основе организации пространственных данных лежит послойное описание пространственных объектов в базе данных.

Автонавигационные карты используются преимущественно в устройствах персональной навигации и служат картографической основой (необходимым обеспечением) для прокладки маршрута и ориентирования на местности. Главной задачей для пользователей карты можно считать маршрутизацию. Алгоритм прокладки маршрута во всех навигационных программах разный, но для пользователя важны точность, достоверность и актуальность данных карты.

Электронные навигационные карты существуют в двух исполнениях: растровые изображения и векторные карты. Растры, используемые в качестве карт, могут содержать схематические или фотографические изображения фактического состояния местности, или е карт и планов. Векторные карты сами по себе не являются изображением.

Фактически, при вызове векторной карты она генерируется устройством, на котором она установлена. Векторная навигационная карта – атрибутивный банк данных объектов, в котором хранится информация о точках, линиях, соединяющих эти точки, и полигонах с координатной привязкой и семантическим наполнением характеристик объектов.

Для корректного отображения в автонавигационных устройствах объектов карты на различных масштабах, требуются специфические особенности картографической генерализации объектов карты в электронном виде, а также новые критерии выбора и отбора объектов для нанесения их на карту того или иного исходного масштаба.

В навигационной системе может присутствовать мультимасштабная карта или несколько карт разных масштабов. Важной технологической особенностью автонавигационной карты является интеграция карт различных масштабов внутри огромного электронного картографического массива, состоящего из карт практически всего масштабного ряда; каждой из этих карт присуща своя специфика составления и наполнения объектов семантической информацией. При этом у многих однотипных объектов на всех картах должны быть взаимозаменяемые или взаимоисключаемые характеристики, необходимые для поиска объекта в навигационной системе и для исключения дублирования информации.

Таким образом, автонавигационная карта является новым типом автодорожной карты и представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодополняющих друг друга тематических слов, разрабатывается как целостное произведение с набором комбинированных данных, и соответствует представлению о полноценной мультимасштабной картографической базе данных.

В цифровой картографии проще осуществляется работа с растровыми данными, особенно если они пространственно ориентированы. Для автонавигационных карт первостепенное значение имеет трансформирование растровых изображений; на некоторых участках дорог для показа детальных элементов дорожного графа, например, на городских площадях, развязках и сложных перекрстках, погрешности в положении объектов не должны превышать нескольких первых метров. Для трансформирования изображения необходимо создать координатную опору. В автонавигационном картографировании для этого используют так называемые автомобильные треки, полученные с помощью высокоточных ГЛОНАСС/GPS-примников (примники-трекеры).

Они создаются в виде векторной линии, соответствующей пути следования автомобиля с записывающим устройством, установленным на нм. Современные приборы такого типа имеют очень высокую точность (от нескольких метров до нескольких дециметров) и позволяют собрать точную основу для трансформирования растровых изображений местности.

Совокупность линий-треков особенно важна для участков с неоднородным рельефом местности, когда дороги представляют собой «серпантин», и погрешности ортотрансформирования могут быть довольно большими.

Основным элементом автонавигационных карт является граф автодорог. Дорожный граф не меняется в зависимости от масштаба, всегда максимально подробный и имеет точность до нескольких метров. Точность этого слоя всегда максимально высока, поскольку в нм учитываются все нюансы дорожного движения, а именно, дорожные знаки, дорожная разметка, движение по полосам, ограничения для движения по времени и по типам транспортных средств, запреты поворотов и т.п. Граф улиц и дорог состоит из совокупности узлов и линейных объектов, связанных друг с другом. Все линейные участки графа имеют свои уникальные характеристики, на основе которых и рассчитывается маршрут движения навигационной программой. Характеристики узлов соединений линейных отрезков также содержат в себе информацию о возможных разрешнных или запрещнных манврах для транспортных средств. На некоторых типах навигационных систем дорожный граф даже не отображается на экране, т.е.

маршрутизация строится, используя невидимый слой карты, а проложенный маршрут отображается на фоне основы.

Для нашей страны актуально создание универсального подхода к обеспечению навигационными картами всей территории РФ. Этими фактором обусловлено появление нового направления в существующем электронном тематическом картографировании – автонавигационного картографирования.

Важным направлением развития автонавигационного картографирования в России является создание региональных составляющих автонавигационных карт. Ситуация с обеспечением автонавигационными картами различных регионов России имеет не только свои макрорегиональные особенности, но и специфику развития автонавигации в разных субъектах страны. Региональные особенности этих карт обусловлены экономическим развитием территорий, дифференцированностью расселения по местности (существенно различающейся плотностью населения, наличием крупнейших городских агломераций и т.д.), изученностью территории, спецификой потребительских требований и рядом других признаков.

В концепции развития отрасли геодезии и картографии в Российской Федерации до 2020 года уделяется большое внимание развитию картографического обеспечения в сфере навигации автомобильного транспорта. Отмечается необходимость развития этого направления картографирования, обновления и мониторинга объектов топографической основы и тематической информации.

Глава 2. Особенности картографического обеспечения автонавигации В результате выполненного исследования в области автонавигационного картографирования выделены следующие особенности картографической информации, создаваемой для современных автонавигационных систем:

автонавигационные карты служат, прежде всего, для обеспечения потребности людей в пространственно распределнной информации и определения оптимального пути;

картографическое произведение создатся не столько для узкого круга специализированных организаций и специалистов, сколько для широких слов населения, использующих автотранспортные средства;

благодаря геоинформации, получаемой посредством картографической информации, появляется возможность оказывать потребителям различные услуги вследствие наличия большого числа картографических сервисов и служб.

Функции автонавигационных карт специфичны, и требуют чткой систематизации. Целесообразно выделить две группы функций: профильные и вспомогательные.

Профильные функции:

поиск объектов, поиск путей доступа от «потребителей» до «источников» (прокладка маршрутов по разнообразным критериям и тематическим запросам);

поиск оптимальных путей передвижения – кратчайший путь, наиболее быстрый путь с учетом дорожной ситуации;

определения степени проходимости того или иного участка дороги в зависимости от времени года и погодных условий;

определение расположения некоторых конструктивных элементов дорожного полотна и дорожных сооружений.

Вспомогательные функции (включают функции обеспечения различных потребностей пользователей):

познавательная – благодаря большой информативности карт (за счет полноты содержания, высокой детализации и POI) у пользователя создается более четкая «привязка» к местности и формируется довольно детальное знание территории;

информационно-пояснительная – благодаря применению интуитивно понятных картографических знаков и значительной автоматизации процесса навигации, упрощается использование автонавигационных карт и доступ к их информации (у пользователя всегда имеется возможность получить дополнительные сведения о тех или иных свойствах объектов местности и их расположении);

обучающая – способствует реальному запоминанию территории и созданию собственных ориентиров «привязки» к местности;

функция обратной связи – заключается в установлении организованной обратной связи с пользователями автонавигационных карт, которые за счет заинтересованности и массовости быстрее находят несоответствия и пропуски, уточняют и дополняют карты, что способствует оперативному обеспечению уточнения и исправления уже существующих карт;

функция обеспечения безопасности движения (не только для авто, но и пешеходов) посредством голосового и текстового информирования об опасных участках дороги;

функция оперативного обеспечения информацией – достигается за счет актуальной информации о дорожной ситуации, дорожных знаках и пр.;

спасательная – в экстренных случаях посредством обратной связи, предусмотренной в автонавигационных системах, существует возможность определить местоположение пострадавшего или в случае ЧП отправить свои координаты спасателям.

Выделенные профильные и дополнительные функции автонавигационных систем позволяют сделать вывод о потенциально широком спектре применений данных устройств, что служит в качестве одной из основных причин популярности автонавигаторов. Соответственно растут требования к качеству и объему картографического обеспечения.

Отличительными особенностями автонавигационных карт являются оперативность их создания, оперативность обновления, обогащение содержания без потери читаемости (более 300 условных знаков) за счт интерактивности.

Электронные автонавигационные карты в современных условиях выполняют функции традиционных карт, а также выступают и в новом качестве. Их применяют:

для ориентирования и навигации на местности – традиционные функции в сочетании с дополнительными возможностями;

для обзорного представления территории – традиционные функции в сочетании с дополнительными возможностями;

для создания цифровых моделей местности и/или цифровых карт при геоинформационном картографировании – новые функции;

для подготовки к изданию или оперативной печати – новые функции.

Автонавигационные системы являются средством визуализации и использования автонавигационных карт. Они базируются на пространственно определнной координированной информации, что позволяет представить их в графической форме для интерпретации и принятия решений, а также данными непространственного характера (текстами, таблицами, диаграммами), связанными с объектами, имеющими пространственную привязку.

Обилие устройств для представления конечной информации потребителю пока не связано с технологиями создания автонавигационных карт, тем не менее, существует определенный набор программно-аппаратных, картографических и потребительских требований, необходимых для полноценного функционирования автонавигационной системы.

В ходе диссертационного исследования разработана система ключевых требований к содержанию и оформлению картографического обеспечения автонавигационных систем, которые могут быть разделены на три группы:

- технические (аппаратные) требования, к которым относятся конфигурация оборудования, обеспечивающая оптимальную скорость работы (частота процессора, объм памяти, разрешение и размер экрана) и поддержку платформенного ПО;

- картографические требования, в т.ч. к маршрутизации, смена уровней генерализации, соответствие содержания карт единой системе условных обозначений, масштабирование изображения под разрешение экрана устройства (охват карт), анализ трафика, отображение 3D объектов карты;

- потребительские и маркетинговые требования, в т.ч. интуитивно понятный интерфейс, подача звукового сигнала в запланированных случаях, полноценное управление одним человеком (в стандартной ситуации), мониторинг перемещения (направление, скорость, время), система оповещений на маршруте (начальная точка, конечная точка, следование по маршруту), подсветка экрана для обеспечения читаемости информации в любых условиях, минимизация издержек производства, регулярность актуализации карт, оптимизированный для конечного пользователя объем информации.

Выбор масштабного ряда автонавигационных карт - важный аспект, создания автонавигационной системы. Заранее невозможно заложить в схему все требуемые масштабы и тем самым обеспечить непрерывную навигацию. Поэтому список масштабов всегда ограничен и зависит от охвата территории, подробности данных и многих других факторов. Обычно в проекте автонавигационной карты масштабный ряд состоит не более чем из 10-15 уровней. Необходимо заранее определиться с тем, какие масштабы будут использоваться, и в дальнейшем опираться на них при проектировании и составлении карты, генерализации и оформлении данных. Зафиксированный масштабный ряд позволит систематизировать массив пространственных и тематических данных и обеспечить корректное выполнение принципов картографической генерализации на каждом уровне.

В диссертации разработан следующий алгоритм по выбору масштабов:

В проект добавляются данные максимальной подробности.

Изображение увеличивается до масштаба, который оптимален для восприятия пользователем автонавигационной системы (т.е. крупнее уже не нужно). Масштаб желательно подобрать из стандартного масштабного ряда (1:2 000, 1:25 000 и т.п.).

Для достижения полного охвата данных знаменатель масштаба умножается на выбранный коэффициент. Это и будет конечный масштаб. При увеличении или уменьшении изображения должна меняться подробность данных и, возможно, их состав. Соответствующим образом меняется и оформление.

В конечной навигационной системе может присутствовать мультимасштабная карта или несколько карт различного масштаба с различной степенью точности, полноты и детальности, при этом у многих однотипных объектов на всех картах должны быть характеристики, необходимые для поиска объекта в навигационной системе и для исключения дублирования информации. Для подробных карт городов используются карты по масштабу и содержанию близкие к 1:10 000, для обзорной схемы города 1:25 000, для карт областей и регионов наполнение и объектовый состав соответствует масштабу 1:100 000, для обзорной карты 1:1 000 000, для карты страны - 1:25 000 000 и т.д. Проработка карты выполняется экспериментально на выбранных масштабах, совпадающих с масштабным рядом топографических карт (рис. 1).

Рис. 1 Фрагменты автонавигационных карт выбранных масштабов Проведенное исследование структуры масштабов позволило выбрать наиболее оптимальный подход для отображения системы условных знаков и обозначений, при которых информационная нагрузка на карту плавно изменяется. В этом случае диапазон масштабов отображения достаточно будет установить только для масштабных групп, а не для всех слоев. Как правило, одной и той же степени геометрической подробности вполне достаточно для отображения на нескольких соседних масштабах. Однако может меняться символизация объектов (допустим, с уменьшением масштаба условный знак дороги станет более тонким), а также ценз и отбор генерализации (в примере с дорогами – отображать не все дороги, а только основные шоссе и автомагистрали). То есть генерализация происходит уже при визуализации данных.

Анализ автонавигационных систем показал, что на практике применяется очень большое количество уровней представления информации, и смена масштабов отображения происходит плавно, без резких переходов от одного уровня к другому. С одной стороны это значительно облегчает использование навигационных карт, но с другой – значительно увеличивает сложность проектирования самой системы. В мировой практике проектирования автонавигационных систем используют 5-ти уровневую систему представления и визуализации карт, созданную с учетом ограниченного размера дисплея навигационной системы (табл. 1).

Таблица 1. Уровни визуализации автонавигационных карт Уровень Масштаб Общегеографическое содержание Специальное содержание Крупные объекты гидрографии, Международные шоссе Зависит от Значимые населнные пункты Международный POI (международные региона (пунсоны) аэропорты) Границы стран Железные дороги (магистральные) Крупные объекты гидрографии Международные и федеральные Национальный 1:1 000 000 Крупные объекты растительности автодороги Значимые и крупные нас. пункты POI (все аэропорты) Границы стран, регионов Международные, федеральные Железные дороги и региональные автодороги, Значимые объекты гидрографии автодороги до населнных Региональный 1:100 000 Значимые объекты растительности пунктов Все населнные пункты POI (все аэропорты, посты Границы, стран, регионов и районов ДПС, АЗС, ж\д переезды на автодорогах) Все автодороги (исключая Железные дороги внутриквартальные и Объекты гидрографии внутридворовые проезды) Объекты растительности POI (все аэропорты, посты Окружной 1:25 000 Все населнные пункты ДПС, АЗС, ж\д переезды на Кварталы застройки автодорогах, светофоры, Границы стран, регионов, районов и больницы и др. значимые округов объекты) Все железные дороги Все объекты гидрографии Все элементы улично-дорожной Все объекты растительности сети Городской 1:10 000 Все населнные пункты Организация дорожного Кварталы застройки движения Все строения с подписями адресов Все POI Все границы Глава 3. Методика создания автонавигационных карт Основываясь на анализе теоретических исследований в области цифрового картографирования, практическом опыте автора при разработке автонавигационных карт и систем - предложено систематизированное комплексное решение создания автонавигационной карты (рис. 2).

Для обработки векторной информации при создании автонавигационной карты используется стандартное полнофункциональное программное обеспечение ГИС-пакетов, где производится сборка векторного каркаса карты, обновление контуров, внесение семантической информации, проекционная трансформация и другие операции.

Рис.2 Методика создания автонавигационной карты Далее производится объединение данных дистанционного зондирования и векторной информации для получения синтезированного изображения. В целях мобильного картографирования используются системы, устанавливаемые на автомобилях и объединяющие технологии высокоточного скоростного лазерного сканирования с камерами видеофиксации изображения высокого разрешения. При этом большой объм наземных снимков, видеоданных и точек с координатами, дорожных знаков, развязок, разметки и точек интереса (POI) могут быть собраны со скоростью движения автомобиля за однократный проезд. Полевые обследования для уточнения карт всех масштабов производятся на автомобилях, оборудованных GPS-приемниками. Общий принцип организации работ с использованием спутниковой навигации основан на определении расстояния от текущего положения примника, установленного на движущемся объекте, до группы спутников. Примник подключен к бортовому компьютеру-ноутбуку, в котором электронные треки, полученные с помощью высокоточных антенн, подгружаются в карту в качестве «подложки» для определения маршрутов движения.

На экране компьютера с электронным треком отмечаются помимо общепринятых объектов (начало и конец населенного пункта, тип покрытия автодороги, количество полос движения, железнодорожные переезды, автобусные и железнодорожные вокзалы, аэропорты, автозаправочные станции и комплексы, посты ДПС, церкви, монастыри, кладбища, администрации органов государственной власти и местного самоуправления и пр.), также объекты отдыха (гостиницы, гостевые дома, дома отдыха, санатории, профилактории, пансионаты, кемпинги, базы отдыха, аквапарки и пр.), достопримечательности, памятники-монументы, объекты автосервиса (станции технического обслуживания, автомойки, пункты шиномонтажа и пр.), учреждения здравоохранения (больницы, поликлиники, роддома, диспансеры и пр.), отделения милиции, культурные объекты (театры, кинотеатры, ДК и пр.), отделения связи, отдельно стоящие магазины, торговые комплексы и прочие объекты сервиса и инфраструктуры.

Система мобильного картографирования дополняется программой контроля пространственных данных и автоматизации ключевых процессов обработки, таких как построение или выделение модели поверхности, дорожных знаков, мачт освещения, границ дороги, разметки, горизонтальных и вертикальных просветов, геометрии дороги.

Комбинация использования датчиков, антенн, видеокамер, сканеров, производительного программного обеспечения и GPS-треков для трансформирования снимков позволяет выполнять проекты, которые потребовали бы значительного времени и затрат при использовании традиционных методов съемки и картографирования (рис.3).

Рис.3 Космоснимок с совмещнными GPS-треками.

Разработанная методика полевых обследований и привязки снимков по GPSтрекам помогает планировать, разрабатывать, проектировать и производить картографические работы по актуализации данных в городской инфраструктуре и на дорогах вне населнных пунктов с максимальной безопасностью и эффективностью.

Для создания и обновления карт населнных пунктов и автодорог рекомендуется использовать изображения с пространственным разрешением не менее 2–3 метров.

Использование таких изображений позволяет достаточно детально нанести граф движения в городах и на шоссе, дешифрировать развязки, улицы и проспекты, определить основные принципы движения на картографируемом участке (рис. 4).

Рис. 4. Фрагмент дорожного графа, созданного по космоснимку Для получения более детальной сети дорог и их характеристик необходимы снимки с точностью до 1 метра и выше. Они позволяют распознать небольшие улицы и переулки, отделить пешеходные участки улиц от проезжих частей. Благодаря дорожной разметке и другим объектам можно увидеть организацию движения на перекрстках и площадях, выявить односторонние и круговые участки движения, а так же количество полос на проезжей части, в том числе для совершения манвров (рис. 5).

Рис. 5 Дешифрирование полосности и односторонних участков по космоснимку.

Проведенные исследования показали, что для создания карт по точности и наполнению, близким к крупным масштабам, должны использоваться снимки с пространственным разрешением 50-60 см; для карт средних масштабов – снимки с разрешением 1-5 м; для карт мелких масштабов – космоснимки разрешения более 5 м.

Методы и способы составления автонавигационных карт, сбора и актуализации объектов дорожного графа и POI можно комбинировать в зависимости от технических условий и поставленных задач (рис.6).

Рис. 6 Дорожный граф и POI Таким образом, при использовании космоснимков определнного разрешения можно создать дорожный граф на всех участках дорог, начиная от переулков и малых улиц, до проспектов и развязок на шоссе. Однако при отсутствии адекватной разметки невозможно определить места, в которых есть ограничения манвров транспортных средств, например, разрешн ли разворот или левый поворот на перекрстке. Поэтому приходится констатировать, что использовать космические снимки возможно только для создания основы дорожного графа, но никак не полной и точной модели организации дорожного движения. В дорожном графе обязательно должны быть отмечены манвры, которые невозможно увидеть на космических изображениях или с камер видеофиксации, например, такие, где разрешн или запрещн левый поворот, разворот (технический или пешеходный разрыв в улице или на шоссе, не предназначенный для движения), шлагбаумы, блоки и другие препятствия, запрещающие или ограничивающие движение на участке дороги. Для уточнения созданной основы и учта всех нюансов организации движения и уточнения POI необходимы автомобильные и пешеходные обследования.

Глава 4. Применение разработанной методики создания автонавигационных карт (на примере навигационных карт «Навител») С развитием автонавигационных сервисов и технологий, становится очевиден тот факт, что требования к геоинформационным данным все более ужесточаются.

Пользователю нужны актуальные данные, подробная детализация карт и точность географической привязки, позволяющая пользоваться ГНСС. GPS-навигация предъявляет к ним высокие требования. Сеть дорог должна обеспечивать беспрепятственную прокладку маршрута из одного района города в другой. Не менее важна и точность позиционирования автотранспортного средства на линии дороги, актуальность и местоположение объектов сервиса и инфраструктуры.

ЗАО «ЦНТ», работая на рынке геоинформационных технологий уже более 5 лет, имеет значительный опыт в решении подобных задач. На сегодняшний день результатом этой работы является автонавигационная система «Навител Навигатор» (далее «Навител»). Разрабатываемый ЗАО «ЦНТ» цифровой навигационный продукт «Навител» содержит в себе геоинформационный набор данных, охватывающий векторное описание объектов автодорог и инфраструктуры по всей территории Российской Федерации.

Продукт создается в собственной программной среде ГИС GPSMapEdit в виде файлов с векторной картографической информацией с расширением *.mp. Граф дорожного движения служит основой не только карты, но и всей автонавигационной системы, вокруг него строятся принципы разработки «Навител».

Автонавигационные карты в системе «Навител» – это карты городов, регионов, транспортных магистралей и т.д. Навигационные элементы содержания автонавигационных карт для конечного пользователя (дорожный граф, объекты дорожной инфраструктуры, сервиса и прочие) представляют собой объекты с необходимыми характеристиками в слоях электронной карты (рис. 7 и 8).

Рис. 7. Автонавигационная карта в навигационной системе «Навител» Рис. 8. Автонавигационная карта в навигационной системе «Навител» Автором диссертации для автонавигационной системы «Навител», в целях повышения удобства управления транспортным средством в любое время суток, были разработаны цветовые решения по отображению карт на экранах автонавигационных устройств. На рис. 9 и 10 показаны фрагменты карт с примерами визуализации отображения для использования в дневное и ночное время соответственно.

Рис. 9 Вариант оформления карты в системе «Навител» в дневное время.

Рис. 10 Вариант оформления карты в системе «Навител» в ночное время.

Внедрение разработанной автором методики для производства карт ЗАО «ЦНТ» за относительно короткий промежуток времени позволило создать картографическое обеспечение на территорию России и зарубежных стран, что говорит об эффективности е применения (табл. 2).

Таблица 2. Количество карт в системе «Навител» на территорию РФ.

Крупные города РФ Остальные Нас.пункты РФ Зарубежные Субъекты РФ (более 100 тыс. жит.) (менее 100 тыс. жит.) страны Годы 1:10 000 1:100 000 1:1 000 000 1:10 000 1 100 000 1:10 000 1:100 000 1:100 02006 - - 83 - - - - - 2007 2 15 66 2 12 - - - 2008 2 26 57 41 25 2009 2 30 53 87 12 1154 195 2010 3 60 23 125 5 1821 123 2011 3 75 8 167 - 2550 51 Эффективность применения данной методики показала целесообразность е использования для создания и обновления картографических данных, для формирования картографического обеспечения не только для территории Российской Федерации, но и для других стран во всм мире (рис. 11).

Рис. 11 Картографическое обеспечение «Навител» (начало 2012г).

На сегодняшний день «Навител» – один из наиболее успешных, постоянно и динамично развивающихся геоинформационных продуктов не только на российском, но и мировом рынке автонавигации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведнных теоретических изысканий в рамках диссертационного исследования и их апробации достигнута основная цель – разработана методика формирования картографического обеспечения автонавигационных систем.

В процессе исследования были получены следующие основные результаты:

1. Дано определение автонавигационной карты как специальной общегеографической карты, электронного картографического произведения, отличающегося от традиционных карт автодорог и предназначенного для использования в автонавигационных системах, разрабатываемого с учтом их функций и требований, таких как хранение, трансляция, прим и анализ информации, необходимой для оптимизации следования конечного пользователя до заданной цели.

2. Систематизированы профильные и вспомогательные функции автонавигационных карт. К профильным функциям отнесены: маршрутизация (поиск возможных путей следования и их оптимизация по различным основаниям), определения степени проходимости того или иного участка дороги в зависимости от времени года и погодных условий, запреты манвров, определение расположения некоторых конструктивных элементов дорожного полотна и дорожных сооружений.

Вспомогательными функциями автонавигационных определены: познавательная, информационная (включая дорожно-ситуационный и общеинформационный модули), обучающая, функция «обратной связи», функции обеспечения безопасности дорожного движения, экстренной связи и информирования.

3. Разработана система ключевых требований к содержанию и оформлению картографического обеспечения автонавигационных систем, которые могут быть разделены на три группы: технические (аппаратные) требования, картографические требования, потребительские и маркетинговые требования.

4. Разработана методика создания и актуализации автонавигационных карт, представляющая собой универсальный алгоритм последовательного применения общепринятых картографических способов и специальных методов сбора, обработки и целевой адаптации исходной информации, а также первичного формирования и регламентной актуализации ключевых элементов содержания карты.

5. Осуществлена апробация методики формирования картографического обеспечения автонавигационных систем на примере навигационных карт для «Навител Навигатор».

На этапе апробации уточнены отдельные положения методики, окончательно сформированы принципы содержательного наполнения и оформления автонавигационных карт.

Основные научные результаты опубликованы в следующих работах:

В рекомендованных ВАК изданиях:

1. Платонов П.Л. Картографическое обеспечение автомобильных навигационных систем // Геодезия и Картография. – 2011г. -№ 6. – С. 30-2. Платонов П.Л. Методы обработки и получения информации с космических снимков для автонавигационного картографирования // Мир науки, культуры и образования. – №2(33) – апрель 2012. – С. 374-33. Даньшин А.И., Кириллов П.Л., Жеренков А.Г., Лев И.А., Наумов А.С., Платонов П.Л. Задания II (теоретического) тура 2011 г. // География в школе, №9, 2011. – С. 48-В других изданиях:

4. Платонов П.Л. Использование ДДЗЗ в автонавигационном картографировании // Геоматика. – 2010г. -№ 2(7). – С. 60-5. Даньшин А.И., Жеренков А.Г., Кириллов П.Л., Лев И.А., Наумов А.С., Платонов П.Л. Задания II, практического тура XX Всероссийской олимпиады школьников по географии// География и экология в школе XXI века, № 6, 2011. – С. 65-






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.