CC BY
16MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 1 (141). 2018
П.В. Вахромеев O.A. Пантелеева
г. Москва, ОАО «Концерн «Системпром»
МЕТОДЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ФОРМУЛЯРОВ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ЦИФРОВОЙ КАРТЕ МЕСТНОСТИ
В данной работе рассматриваются наиболее часто используемые методы размещения меток объектов применительно к задаче размещения формуляров воздушных объектов на цифровой карте местности, анализируются их достоинства и недостатки, оценивается возможность использования для решения поставленной задачи.
Цифровая карта — двухмерная визуальная модель карты или поверхности Земли, отображаемая с помощью средств компьютерной графики в заданной картографической проекции и обладающая возможностью изменения масштаба отображения и изменением визуально отображаемых деталей [1].
В век интенсивного развития компьютерной техники и программного обеспечения цифровые карты широко используются в различных предметных областях: топография, геология, метеорология, и многих других.
Особое место среди цифровых карт занимают карты военного назначения. Цифровая карта военного назначения — основа всей информации, используемой в геоинформационных системах военного назначения (ГИС ВН), предназначенных для применения в автоматизированных системах управления войсками и оружием, поддержки принятия решения командованием, планирования боевых действий войск и видов боевого обеспечения [2].
Одной из задач, решаемых с помощью ГИС ВН, является задача контроля воздушной обстановки (одновременного взаимного расположения по вертикали и горизонтали воздушных
судов и других материальных объектов в определённом районе воздушного пространства [3]) на цифровой карте местности. Одно из обязательных условий при решении данной задачи — создание и размещение формуляров (меток) для воздушных объектов (ВО) на цифровой карте местности в режиме реального времени.
Причинами для автоматизации задачи размещения формуляров являются следующие:
1. Размещение формуляров является одной из основных задач при создании цифровых карт для предоставления необходимой информации;
2. Ручное размещение формуляров — долгий и трудоемкий процесс;
3. Эффективный способ размещения формуляров позволяет своевременно получать важную и актуальную информацию.
В общем случае формуляр представляет собой графический элемент карты, как правило, в виде прямоугольника, содержащего необходимую информацию. Прямоугольник может связываться с объектом с помощью прямой линии.
Целью данной работы является поиск решения, обеспечивающего автоматическое размещение формуляров воздушных объектов, удовлетворяющее приведенным ниже требованиям:
1. Необходимо избегать перекрытий нескольких формуляров для разных воздушных объектов, перекрытий формулярами воздушных объектов и выноса формуляров за границы области цифровой карты. При этом нужно рассматривать каждый тип перекрытия отдельно, учитывая степень его критичности;
2. Так как воздушные объекты динамически изменяют свое положение на цифровой карте, механизм размещения формуляров должен обеспечивать предоставление актуальной информации по воздушным объектам в режиме реального времени;
3. Необходимо учитывать важность других объектов, находящихся на цифровой карте местности. Такие объекты нельзя перекрывать формулярами, так как они являются особо важными и всегда должны находиться в зоне видимости;
4. Необходимо учитывать ограничения на значения допустимых углов и расстояний между воздушным объектом и формуляром (например, для каждого ВО недопустимым будет являться угол, при котором формуляр будет находиться по курсувоздушного объекта).
Существуют различные методы размещения меток объектов: метод полного перебора, метод запретов, генетический алгоритм размещения меток, быстрый алгоритм размещения меток и другие. Последние два метода, наиболее часто используемые на практике, будут рассмотрены ниже.
Сначала рассмотрим генетический алгоритм (Genetic Algorithm for Feature Labelling, GA) размещения меток для отдельных объектов, расположенных в некоторых ограниченных областях, например, на цифровых картах [4].
В общем случае генетический алгоритм — это эвристический алгоритм поиска, используемый для решения задач оптимизации и моделирования путём случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, напоминающих биологическую эволюцию. Генетические алгоритмы служат, главным образом, для поиска решений в многомерных пространствах поиска.
Задача, которую необходимо решить, формализуется таким образом, чтобы её решение могло быть закодировано в виде вектора («генотипа») генов, где каждый ген может быть битом, числом или неким другим объектом [5].
Каждая метка, размещаемая с помощью генетического алгоритма, представляют собой прямоугольник, один из краев которого соединен с центром объекта прямой линией. Текущее положение метки определяется углом поворота вокруг центра окружности. Центр окружности совпадает с центром объекта, а радиус равен длине соединительной линии, связывающей центр объекта с краем формуляра.
Основной задачей данного алгоритма является размещение меток с минимальным количеством перекрытий.
Существуют три возможных способа перекрытия:
1. Метка выходит за рамки допустимой области ее размещения (под допустимой областью размещения понимается прямоугольная область цифровой карты);
2. Метка перекрывает другую метку;
3. Метка перекрываетдругой объект.
На цифровой карте все объекты, в том числе метки, состоят из пикселей. Генетический алгоритм размещения метокрешает проблему перекрывающихся меток в терминах перекрывающихся пикселей.
Условиями останова алгоритма являются отсутствие перекрывающихся пикселей (на практике это условие сводится к минимизации количества перекрывающихся пикселей), и истечение заданного периода времени [4].
Подробнее данный метод описан в работе [4].
Достоинством данного метода является возможность достаточно быстрого поиска приемлемого решения благодаря механизмам случайного подбора, комбинирования и вариации значения угла поворота метки вокруг центра окружности.
Теперь рассмотрим алгоритм, предназначенный для размещения меток для точечных объектов на цифровой карте местности в режиме реального времени — быстрый алгоритм для размещения меток (Fast Algorithm for Label-Placement, FALP) [6].
Основные правила данного алгоритма:
1. Метка создается для каждого точечного объекта. Метка может быть расположена в одной из четырех возможных позиций относительно объекта, представленных на рисунке 1. Таким образом, положение каждой метки определяется парой значений: точка размещения и позиция относительно этой точки;
МБЛН 01? СОММиШСЛТКЖ Б((ШРМБШ: Iss. 1 (141). 2018
Рис. 1. Варианты расположения метки для точечного объекта
2. Каждая из возможных позиций метки имеет определенный весовой коэффициент, определяющий ее предпочтительность. На рисунке 1 цифра, расположенная внутри каждого прямоугольника, является весовым коэффициентом позиции метки. Чем меньше значение, тем выше предпочтительность позиции;
3. Рамки меток могут иметь разный размер;
4. Перед непосредственным выполнением алгоритма необходимо определить количество и позиции точечных объектов, для которых необходимо создать и разместить метки. На основании этих данных необходимо построить граф конфликтов, для которого затем будет построена матрица смежности;
5. Для оценки оптимальности расположения меток используется целевая функция. Оптимальность расположения зависит от количества перекрывающихся меток и предпочтительности позиций меток относительно точек размещения [6].
Более подробно данный метод описан в работе [6].
Достоинствами данного метода являются скорость размещения меток с минимальным количеством перекрытий.
Рассмотренные выше методы не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к размещению формуляров воздушных объектов.
Генетический и быстрый алгоритмы не удовлетворяет следующим требованиям, предъявля-емымкразмещению формуляров ВО:
1. Учет степени критичности каждого типа перекрытия (перекрытие нескольких формуляров для разных воздушных объектов, перекрытие формулярами воздушных объектов и вынос формуляров за границы области цифровой карты) при решении задачи минимизации разных типов перекрытий. Данные алгоритмы не разделяют вышеперечисленные типы перекрытий при решении задачи минимизации перекрытий;
2. Учет важности объектов, находящихся на цифровой карте местности. Данные алгоритмы
работают со всей доступной для размещения меток областью (прямоугольной областью цифровой карты) и не учитывают отдельных районов внутри данной области, которые нельзя перекрывать метками;
3. Учет ограничений на значения допустимых углов и расстояний между воздушным объектом и формуляром. Генетический алгоритм работает с метками, имеющими фиксированное расстояние до объекта, единожды заданное для всех меток, что может привести к большому числу перекрытий. Расстояние в быстром алгоритме вообще не учитывается, положение метки определяется только точкой расположения и позицией относительно данной точки.
Для решения поставленной задачи можно взять за основу генетический алгоритм размещения меток, устраняя его недостатки и дополняя достоинствами других методов.
Для учета критичности каждого типа перекрытия можно ввести некий критерий важности (весовой коэффициент) перекрытия для каждого конкретного случая. Этот критерий будет использоваться в случае, если при размещении формуляра для отдельного ВО будут иметь место все вышеперечисленные случаи перекрытий, и не будет других альтернативных вариантов размещения. Вариант размещения будет выбран с учетом значения весового коэффициента, даже если данный вариант не будет лучшим среди возможных.
Для учета важности объектов, находящихся на цифровой карте местности, можно запретить перекрывать формулярами области карты, содержащие данные объекты. Таким образом, в список типов перекрытий добавится еще один тип со своим весовым коэффициентом.
При выборе положений меток нужно учитывать заранее заданные допустимые расстояния между ВО и формулярами. Возможность варьирования расстояния может существенно уменьшить количество перекрытий.
При выборе допустимого угла поворота метки относительно воздушного объекта нужно учитывать допустимые значения угла поворота, проводить соответствующие проверки. Таким образом будет исключена ситуация размещения формуляров по курсу ВО.
Соблюдение данных условий будет способствовать своевременному получению и удобному отображению важной и актуальной информации о воздушной обстановке, обеспечивая ее контроль.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цифровые карты и цифровые модели [Электронный ресурс] - Электрон, текст, дан. - Режим доступа: http://gis-tech.ru/digitalmap.html, свободный. — Загл. с экрана. - Яз. рус.;
2. Присяжнюк С.П., Филатов В.Н., Федоненков С.П. Геоинформационные системы военного назначения [Электронный ресурс] / С.П. Присяжнюк, В.Н. Филатов, С.П. Федоненков. - Электрон, текст, дан. - С.Пб.: БГТУ, 2009. - Режим доступа: http:// gistechnik.ru/primgis/sila.html?showall=l, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.;
3. Воздушная обстановка [Электронный ресурс] — Электрон, текст, дан. - Режим доступа: http:// ru.wikipedia.org/wiki/Воздушнаяобстановка, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.;
4. A Genetic Algorithm for Feature Labelling in Interactive Applications [Электронный ресурс] - Элек-
трон. текст, дан. - Режим доступа: http://usabilityetc. com/articles/feature-labelling-genetic-algorithm/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.;
5. Генетический алгоритм [Электронный ресурс] — Электрон, текст, дан. - Режим доступа: http:// ru.wikipedia.org/wiki/Генетический алгоритм, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.;
6. Yamamoto М., Camara G., Гогепа L. Fast PointFeature Label Placement Algorithm for Real Time Screen Maps [Электронный ресурс] / M. Yamamoto, G. Camara, L. Lorena. - Электрон, текст, дан. — [VI Brazilian Symposium in Geoinformatics, 2005] - Режим доступа: http://mtc-ml8.sid.inpe.br/col/dpi.inpe.br/ geoinfo%4080/2006/07.11.13.14/doc/P59.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.
