RU2484427C1 - Method for cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form - Google Patents

Method for cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form Download PDF

Info

Publication number
RU2484427C1
RU2484427C1 RU2011152603/28A RU2011152603A RU2484427C1 RU 2484427 C1 RU2484427 C1 RU 2484427C1 RU 2011152603/28 A RU2011152603/28 A RU 2011152603/28A RU 2011152603 A RU2011152603 A RU 2011152603A RU 2484427 C1 RU2484427 C1 RU 2484427C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
relief
morse
dimensional
fractal
points
Prior art date
Application number
RU2011152603/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Жуков
Константин Георгиевич Ставров
Денис Михайлович Жилин
Владимир Васильевич Чернявец
Виктор Сергеевич Аносов
Николай Николаевич Жильцов
Антон Владимирович Чернявец
Original Assignee
Юрий Николаевич Жуков
Константин Георгиевич Ставров
Денис Михайлович Жилин
Владимир Васильевич Чернявец
Виктор Сергеевич Аносов
Николай Николаевич Жильцов
Антон Владимирович Чернявец
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Николаевич Жуков, Константин Георгиевич Ставров, Денис Михайлович Жилин, Владимир Васильевич Чернявец, Виктор Сергеевич Аносов, Николай Николаевич Жильцов, Антон Владимирович Чернявец filed Critical Юрий Николаевич Жуков
Priority to RU2011152603/28A priority Critical patent/RU2484427C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2484427C1 publication Critical patent/RU2484427C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: images of discrete graphic distributions are converted to a continuous half-tone form with further display thereof in form of isolines. During optical simulation, digital feature values are encoded at the given point of the board by optical symbols - different-sized spots with optical density which is proportional to the feature value. Topographical relief is constructed by interpolating height and/or depth points in form of two-dimensional irregular rational fundamental splines. A two-dimensions spline function is constructed, which is defined as a tensor product of one-dimensional splines. When constructing the topographical relief, iterated functions and wavelets are determined in order to present fractal relief by forming, for a piecewise linear surface, Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes. The piecewise linear surface is simplified using structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes obtained for it. Fractal relief parameters are estimated based on the given structures of the Reeb graph and Morse-Smale complexes.
EFFECT: broader functional capabilities, high reliability of cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form.
14 dwg

Description

Изобретение относится к области геодезии и картографии, в частности к картографическому моделированию при структурно-тектонических, геофизических, геохимических и т.п. исследованиях, при поисково-разведочных работах, инженерно-геологических изысканиях и т.д.The invention relates to the field of geodesy and cartography, in particular to cartographic modeling in structural tectonic, geophysical, geochemical, etc. research, exploration, engineering and geological surveys, etc.

Известен оптический способ построения карт плотности распределения заданных графическим способом элементов (пятен, точек и линий) на исследуемой площади, включающий преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний эксинденсит (авторское свидетельство SU №365562, 1970 [1]). Однако данный способ не предусматривает обработку данных, заданных в цифровой форме.There is an optical method for constructing density distribution maps of graphically defined elements (spots, dots and lines) on the area under study, which includes converting images of discrete graphic distributions into a continuous grayscale form with their further presentation in the form of contour lines (copyright certificate SU No. 365562, 1970 [1 ]). However, this method does not provide for the processing of data specified in digital form.

Известен также способ картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме, включающий преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит, в котором с целью повышения точности при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами - разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака (авторское свидетельство SU №640113, 1978 [2]), что обеспечивает отображение двумерных распределений, заданных в цифровой форме.There is also a method of cartographic display of two-dimensional distributions defined in digital form, which includes converting images of discrete graphic distributions into a continuous grayscale form with their further representation in the form of isolines — an excitance, in which, in order to increase accuracy in optical modeling, digital sign values are encoded at a given point on the tablet optical symbols - different-sized spots with an optical density proportional to the size of the attribute (copyright certificate S U No. 640113, 1978 [2]), which provides a display of two-dimensional distributions given in digital form.

Однако в большинстве случаев картографического отображения необходимо построение трехмерной модели рельефа, заданной в аналитическом виде при отображении результатов экологического состояния регионов (патент RU №2079891, заявка №92007530 от 23.11.1992 [3]), результатов ситуационного мониторинга объектов хозяйственной деятельности, например морских газонефтяных месторождений и терминалов, включая подводные исследования с отображением рельефа местности, что известными способами не обеспечивается.However, in most cases of cartographic mapping, it is necessary to build a three-dimensional elevation model defined in an analytical form when displaying the results of the ecological state of the regions (patent RU No. 2079891, application No.92007530 dated 11.23.1992 [3]), the results of situational monitoring of economic objects, for example, offshore oil and gas deposits and terminals, including underwater exploration with a mapping of the terrain, which is not provided by known methods.

Известен также способ построения трехмерной модели рельефа в виде кусочных сплайн-функций двух переменных. Исходной информацией служит типографская карта местности. Способ реализуется посредством геопространственной информационной системы (ГИС) (Берлянт A.M. Картография. - М.: Аспект Пресс, 2002. - 336 с. [4]). Эффективность аналитической обработки данных в геопространственных информационных системах в значительной степени зависит от возможностей, обеспечиваемых цифровой моделью рельефа (ЦМР), определяемой как совокупности высотных отметок, взятых в узлах некоторой регулярной или нерегулярной сети точек с заданными координатами [4]. В автоматизированных системах ЦМР служит основой получения прямой и косвенной информации о рельефе местности. Например, получение информации о морфометрических данных, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов; анализ видимости/невидимости; построение трехмерных изображений; профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения; вычисление положительных и отрицательных объемов; генерацию линий сети тальвегов и водоразделов, образующих каркасную сеть рельефа, его структурных линий и иных особых точек рельефа: локальных минимумов (впадин) и локальных максимумов (вершин), седловин, бровок, линий обрывов и иных нарушений «гладкости» поверхности и т.д.There is also a method of constructing a three-dimensional relief model in the form of piecewise spline functions of two variables. The source information is a typographic map of the area. The method is implemented through a geospatial information system (GIS) (Berlyant A.M. Cartography. - M.: Aspect Press, 2002. - 336 p. [4]). The effectiveness of analytical data processing in geospatial information systems largely depends on the capabilities provided by the digital elevation model (DEM), defined as a set of elevations taken at the nodes of some regular or irregular network of points with given coordinates [4]. In automated systems, DEM serves as the basis for obtaining direct and indirect information about the terrain. For example, obtaining information on morphometric data, including the calculation of slope angles and exposure of slopes; visibility / invisibility analysis; construction of three-dimensional images; cross-sectional profiles; assessment of the shape of the slopes through the curvature of their cross and longitudinal sections; calculation of positive and negative volumes; generation of lines of the thalweg network and watersheds forming the wireframe network of the relief, its structural lines and other special points of the relief: local minima (depressions) and local maxima (vertices), saddles, edges, cliff lines and other violations of the “smoothness” of the surface, etc. .

Источниками исходных данных для создания ЦМР, например, суши служат топографические карты, аэрофотоснимки, космические снимки, данные альтиметрических измерений, морские навигационные карты, данные промерных гидрографических работ. При этом принята следующая технология построения ЦМР (Суворов С.Г., Дворецкий Е.М., Коваленко С.А. Методика создания цифровых моделей рельефа повышенной точности // Информация и космос. №1, 2005 - с.52-54 [5]). Вся доступная информация оцифровывается. Полученные от разнообразных источников данные сводятся в единый набор координат точек и высот в них. Этот набор триангулируется (обычно методом Делоне). Процедура триангуляции дает систему непересекающихся треугольников, покрывающих рассматриваемую область поверхности земли (TIN-модель). В результате чего рельеф представляется многогранной (элементарная грань - треугольник) поверхностью с высотными отметками (отметками глубин) в узлах треугольной сети. Каждая грань этой поверхности описывается либо линейной функцией (полиэдральная модель), либо полиномиальной поверхностью, коэффициенты которой определяются по значениям в вершинах граней-треугольников. Эта технология в различных вариантах реализована во всех применяемых на практике ГИС.The source data for creating a DEM, for example, land, are topographic maps, aerial photographs, satellite images, altimetry measurements, marine navigation charts, and hydrographic surveying data. At the same time, the following technology was adopted for constructing the DEM (Suvorov S.G., Dvoretsky E.M., Kovalenko S.A. Methodology for creating digital elevation models of increased accuracy // Information and Space. No. 1, 2005 - p.52-54 [5 ]). All available information is digitized. The data obtained from various sources are combined into a single set of coordinates of points and heights in them. This set is triangulated (usually by the Delaunay method). The triangulation procedure gives a system of disjoint triangles covering the considered region of the earth's surface (TIN model). As a result, the relief appears as a multifaceted (elementary face - a triangle) surface with elevations (depth marks) at the nodes of the triangular network. Each face of this surface is described either by a linear function (polyhedral model) or by a polynomial surface whose coefficients are determined by the values at the vertices of the triangle faces. This technology in various versions is implemented in all GIS used in practice.

При этом цель построения ЦМР - получение адекватной прямой и косвенной информации о рельефе в автоматизированных системах - не достигается. Источником всех недостатков этой технологии является этап триангуляции. При этом рельеф представляется в виде непрерывной функции, но с разрывами уже в соответствующей функции первого дифференциала на ребрах триангуляции (т.е. негладкая функция). Это противоречит модели рельефа, которая принята при построении топографических или навигационных карт, где поверхность рельефа представляется гладкой функцией. Кроме того, истинное назначение триангуляции - это задать порядок (сеть) по степени близости и взаимному расположению на множестве точек в плоскости, следовательно, при этом не учитывается взаимоотношение высот (глубин) между точками, что приводит к искажению пространственного направления и смещению в местоположении структурных линий рельефа. К основным видам структурных линий рельефа относятся гребневые и килевые линии, линии выпуклого и вогнутого перегибов. Под гребневыми линиями, или водоразделами, понимают линии плановой корреляции точек с максимальными высотами. Килевые линии (тальвеги, русла) соединяют точки с минимальными высотами. Кроме того, результат триангуляции резко и непредсказуемо изменится при изменении исходного набора точек, т.е. при удалении, добавлении точки (точек) или при изменении координат в исходном массиве точек. Это свойство триангуляции не позволяет «управлять» (редактировать) построением локальной формы рельефа. Кроме того, если ЦМР при этом построена с использованием триангуляции, то результаты вычислений дифференциалов рельефа различных порядков не являются достоверными. Можно констатировать, что в этой области геоинформатики существует проблемная ситуация, выражающаяся в том, что технология построения ЦМР с использованием процедуры триангуляции не позволяет достичь требуемой цели. Разрешение сложившейся проблемной ситуации можно путем применения таких средств построения ЦМР, которые не используют процедуру триангуляции и которые приводят к построению всюду гладкой поверхности, что и реализовано в известном техническом решении (патент RU №2415381 С1, 27.08.2011 [6]).At the same time, the goal of building a DEM — obtaining adequate direct and indirect terrain information in automated systems — is not achieved. The source of all the disadvantages of this technology is the triangulation stage. In this case, the relief is represented as a continuous function, but with discontinuities already in the corresponding function of the first differential on the edges of the triangulation (i.e., a nonsmooth function). This contradicts the relief model, which is accepted when constructing topographic or navigation maps, where the relief surface appears to be a smooth function. In addition, the true purpose of triangulation is to set the order (network) according to the degree of proximity and relative position on a set of points in the plane, therefore, the relationship of heights (depths) between points is not taken into account, which leads to a distortion of the spatial direction and a shift in the location of structural relief lines. The main types of structural lines of relief include ridge and keel lines, lines of convex and concave bends. By ridge lines, or watersheds, we mean lines of planned correlation of points with maximum heights. Keel lines (thalwegs, beds) connect the points with minimum heights. In addition, the result of triangulation will change dramatically and unpredictably with a change in the initial set of points, i.e. when deleting, adding points (points) or when changing coordinates in the original array of points. This property of triangulation does not allow “controlling” (editing) the construction of a local landform. In addition, if the DEM was constructed using triangulation, the results of the calculation of relief differentials of various orders are not reliable. It can be stated that in this area of geoinformatics there is a problem situation, which is expressed in the fact that the technology of DEM construction using the triangulation procedure does not allow achieving the desired goal. The resolution of the current problematic situation can be achieved by using such DTM construction tools that do not use the triangulation procedure and which lead to the construction of a smooth surface everywhere, which is implemented in the well-known technical solution (patent RU No. 2415381 C1, 08.28.2011 [6]).

В известном способе картографического отображения двухмерных распределений, заданных в цифровой форме, включающим преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит, в котором при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами - разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака, построение рельефа местности, в отличие от аналогов [1-5], построение рельефа местности выполняют путем интерполяции точек высот (глубин) в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов, путем построения двумерной сплайн-функции, определяемой как тензорное произведение одномерных сплайнов [6].In the known method for cartographic display of two-dimensional distributions, set in digital form, including the conversion of images of discrete graphic distributions into a continuous grayscale form with their further presentation in the form of isolines, an extinction, in which, in optical modeling, the digital values of the attribute are encoded at the given point of the tablet with optical symbols - different spots with optical density proportional to the size of the feature, the construction of the terrain, in contrast to analogues [1- 5], the construction of the terrain is performed by interpolating the points of heights (depths) in the form of two-dimensional irregular rational fundamental splines, by constructing a two-dimensional spline function, defined as the tensor product of one-dimensional splines [6].

Известный способ [6] включает интерполяцию точек высот (глубин) методами двумерных сплайн-функций, а конкретно в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов (NURBS) (Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. - М.: Физматлит, 2002. - 472 с.[7]). Преимуществом данного способа является выполнение интерполяции точек высот в виде двумерных рациональных двумерных сплайн-функций NURBS, что позволяют построить гладкую поверхность для любой формы рельефа, даже для обрывов с отрицательным углом наклона. Во-вторых, поверхность рельефа задается аналитической зависимостью, т.е. конечным набором параметров фиксированного набора функций (полиномиальных сплайнов). Аналитическая форма задания рельефа, т.е. в виде суперпозиции аналитических функций от двух переменных, позволяет использовать весь аппарат дифференциальной геометрии для описания морфометрических свойств рельефа, например вычисления значения функции (высоту, глубину) или ее дифференциала (уклон) в любой точке (точках) области задания функции. В-третьих, NURBS обеспечивают возможность локального редактирования формы поверхности. Кроме того, для одной и той же области земли объем массива данных ЦМР при использовании NUBRS будет как минимум на порядок меньше, чем при традиционном точечном представлении. Применение NURBS повышает эффективность автоматизированных геопространственных систем за счет уменьшения времени обработки и требуемого объема памяти. Применение NURBS в вычислительной технике уже давно свершившийся факт - в графических пакетах всех операционных систем встроены алгоритмы обработки и визуализации NURBS, например в графических пакетах низкого уровня: DirectX и OpenGL для Windows. Однако при построении ЦМР возникают препятствия, связанные с эффектом возникновения в некоторых ситуациях нарушения монотонности в изменении поверхности - локальное появление ложных осцилляций. В известном способе это препятствие устраняется либо путем добавления новых точек в массив для интерполяции, либо путем использования методов изогеометрической аппроксимации сплайнами (Квасов Б.И. Методы изогеометрической аппроксимации сплайнами. - М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006. - 416 с. [8]). В первом случае разрешение проблемы связано с повышением значимости работы эксперта в итерационной процедуре построения NURBS, во втором с существенным усложнением математических алгоритмов технологии.The known method [6] involves the interpolation of height points (depths) using two-dimensional spline functions, and specifically in the form of two-dimensional irregular rational fundamental splines (NURBS) (Golovanov N.N. Geometric modeling. - M.: Fizmatlit, 2002. - 472 s . [7]). The advantage of this method is the interpolation of elevation points in the form of two-dimensional rational two-dimensional spline-functions NURBS, which allows you to build a smooth surface for any shape of the relief, even for cliffs with a negative angle of inclination. Secondly, the surface of the relief is determined by the analytical dependence, i.e. a finite set of parameters of a fixed set of functions (polynomial splines). The analytical form of the terrain assignment, i.e. in the form of a superposition of analytical functions of two variables, it allows you to use the entire apparatus of differential geometry to describe the morphometric properties of the relief, for example, calculating the value of a function (height, depth) or its differential (slope) at any point (points) of the domain of the function. Third, NURBS provides the ability to locally edit surface shapes. In addition, for the same area of the earth, the DEM data array using NUBRS will be at least an order of magnitude smaller than with the traditional point representation. The use of NURBS improves the efficiency of automated geospatial systems by reducing processing time and the required amount of memory. The use of NURBS in computing has long been a fact - in the graphics packages of all operating systems, NURBS processing and visualization algorithms are integrated, for example, in low-level graphics packages: DirectX and OpenGL for Windows. However, when constructing a DTM, there are obstacles associated with the effect of the occurrence in some situations of a violation of monotony in surface changes — the local appearance of false oscillations. In the known method, this obstacle is removed either by adding new points to the array for interpolation, or by using methods of isogeometric approximation by splines (Kvasov B.I. Methods of isogeometric approximation by splines. - M. - Izhevsk: Research Center “Regular and chaotic dynamics”, Institute of Computer Research, 2006. - 416 p. [8]). In the first case, the solution to the problem is associated with an increase in the expert’s work in the iterative procedure for constructing NURBS, and in the second, with a significant complication of the mathematical algorithms of the technology.

В известном способе реализована технология построения ЦМР на основе NURBS в виде итерационной экспертной автоматизированной процедуры. В качестве языка программирования использован язык MatLab. В этой системе качество построения ЦМР определяется путем экспертного сравнения положения изолиний, вычисленных по NURBS, с положением соответствующих изогипс (изобат) на исходной карте.In the known method, the construction technology of DEM based on NURBS is implemented in the form of an iterative expert automated procedure. The programming language used is the MatLab language. In this system, the quality of DEM construction is determined by expert comparison of the position of contours calculated according to NURBS with the position of the corresponding isohypses (isobaths) on the original map.

В конкретной реализации известного способа источником информации о рельефе служат растровые карты.In a specific implementation of the known method, raster maps serve as a source of terrain information.

В общем случае при аппроксимации профиля рельефа одномерными сплайнами задают значения двух первых производных в конечных точках разреза. Однако такая информация неизвестна, и получить ее на практике нельзя. Поэтому в качестве базового сплайна для аппроксимации профиля рельефа по разрезу использован простейший кубический сплайн с нулевыми граничными производными. Согласование первых двух дифференциалов ЦРМ для смежных прямоугольных участков карты обеспечивается перекрытием областей задания смежных NURBS.In the general case, when approximating the relief profile with one-dimensional splines, the values of the first two derivatives at the end points of the section are set. However, such information is unknown, and it is impossible to obtain it in practice. Therefore, the simplest cubic spline with zero boundary derivatives was used as the base spline for approximating the relief profile along the section. The coordination of the first two DPC differentials for adjacent rectangular map sections is ensured by overlapping task areas of adjacent NURBS.

Технология построения ЦМР в аналитическом виде на основе NURBS позволяет исключить этап триангуляции и тем самым исключить недостатки существующих технологий.The technology for building DTMs in an analytical form based on NURBS allows you to exclude the triangulation stage and thereby eliminate the disadvantages of existing technologies.

Однако при составлении ЦМР в обеспечение проведения геологических и сейсмических подводных исследований необходимо выполнять более подробную детализацию рельефа морского дна для выбора мест установки донной измерительной аппаратуры.However, when compiling a DEM in support of conducting geological and seismic underwater studies, it is necessary to perform more detailed detailing of the seabed topography to select the installation sites for the bottom measuring equipment.

Отсутствие дифференцируемости у фрактальных функций приводит к необходимости использовать специфический аппарат для их представления. К такому аппарату можно отнести два вида инструментальной техники: системы итерирующих функций (Iterated Function Systems - IFS) и вейвлеты. Эти инструменты позволяют представить фрактальную функцию в виде предфрактала только как среднее (средне взвешенное значение) на дискретном множестве ячеек (точек), обычно регулярном. Площадь ячеек соответствует некоторому масштабу, кратному степени двойки. Для IFS вообще отсутствуют какие-либо принципиальные ограничения на значения масштаба. Для вейвлетов возможны все масштабы, меньшие некоторого максимального, определяемого только плотностью исходных данных.The lack of differentiability of fractal functions leads to the need to use a specific apparatus to represent them. Two types of instrumental techniques can be attributed to such an apparatus: Iterated Function Systems (IFS) and wavelets. These tools allow you to represent a fractal function as a pre-fractal only as an average (weighted average value) on a discrete set of cells (points), usually regular. The area of the cells corresponds to a certain multiple of the power of two. For IFS, there are no fundamental restrictions on scale values at all. For wavelets, all scales are possible, smaller than some maximum, determined only by the density of the source data.

Методы представления рельефа с помощью IFS и вейвлетов позволяют осуществить (Sahr K., White D., Kimerling A. Geodesic Discrete Global Grid Systems // Cartography and Geographic Information Science, Vol. 30, No. 2, 2003, pp.121-134. White. D. Global Grids From Recursive Diamond Subdivisions of The Surface of an Octahedron or Icosahedron. // Environmental Monitoring and Assessment, 4(1), 2000, pp.93-103. Bartholdi. J., Goldsman P. Continuous Indexing of Hierarchical Subdivisions of the Globe. // Int. J. Geographical Information Science, 15(6), 2001, pp.489-522. Goodchild M.F., Yang S. A Hierarchical Data Structure for Global Geographic Information Systems. // Computer Vision and Geographic Image Processing, 54(1), 1992, pp.31-44. Matos P. SMOS L1 Processor Discrete Global Grids Document - DEIMOS, Engenharia, 2003. - 64 pp. Lessig C. Orthogonal and Symmetric Haar Wavelets on the Sphere - University of Toronto, 2007. - 169 pp. Peter Schroder and Wim Sweldens. Spherical wavelets: Efficiently representing functions on the sphere. Computer Graphics Proceedings (SIGGRAPH 95), 1995, pages 161-172):Methods for representing terrain using IFS and wavelets allow implementation (Sahr K., White D., Kimerling A. Geodesic Discrete Global Grid Systems // Cartography and Geographic Information Science, Vol. 30, No. 2, 2003, pp. 121-134 . White. D. Global Grids From Recursive Diamond Subdivisions of The Surface of an Octahedron or Icosahedron. // Environmental Monitoring and Assessment, 4 (1), 2000, pp. 93-103. Bartholdi. J., Goldsman P. Continuous Indexing of Hierarchical Subdivisions of the Globe. // Int. J. Geographical Information Science, 15 (6), 2001, pp. 489-522. Goodchild MF, Yang S. A Hierarchical Data Structure for Global Geographic Information Systems. // Computer Vision and Geographic Image Processing, 54 (1), 1992, pp. 31-44. Matos P. SMOS L1 Processor Discrete Global Grids Document - DEIMOS, Engenharia, 2003 .-- 64 pp. Lessig C. Orthogonal and Symmetric Haar Wavelets on the Sphere - University of Toronto, 2007. - 169 pp Peter Schroder and Wim Sweldens. Spherical wavelets: Efficiently representing functions on the sphere. Computer Graphics Proceedings (SIGGRAPH 95), 1995, pages 161-172):

- двоичную генерализацию поверхности, заданную на регулярной сетке точек;- binary generalization of the surface given on a regular grid of points;

- имитацию увеличения масштаба разрешения исходной информации;- imitation of increasing the scale of resolution of the source information;

- выявление резких перепадов значений функции;- identification of sudden changes in function values;

- вычисление фрактальных параметров функции;- calculation of fractal parameters of the function;

- фильтрацию "шума".- filtering "noise".

При этом могут быть реализованы следующие операции:In this case, the following operations can be implemented:

- восстановления рельефа по дискретным измерениям;- relief reconstruction by discrete measurements;

- решения обратной задачи IFS;- solutions of the inverse IFS problem;

- нахождения оптимальных непрерывных и дискретных семейств вейвлетов для представления рельефа.- finding the optimal continuous and discrete wavelet families to represent the relief.

Данные операции могут быть реализованы на методах описания рельефа с помощью функций Морса, графов Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла, что обеспечит возможность:These operations can be implemented on the methods of describing the relief using Morse functions, Kronrod-Rieb graphs and Morse-Smale complexes, which will provide the opportunity to:

- топологического кодирования форм рельефа;- topological coding of relief forms;

- картографической генерализации;- cartographic generalization;

- распознавания геоморфологических объектов;- recognition of geomorphological objects;

- формальной классификации геоморфологических объектов;- formal classification of geomorphological objects;

- замощения поверхности рельефа семейством параметризованных (полиномиальных) функций, заданных на клетках Морса-Смейла;- tiling the surface of the relief with a family of parametrized (polynomial) functions defined on Morse-Smale cells;

- иерархически оценивать степень сходства двух карт рельефа, представляющих одну область, в одном или разных масштабах;- hierarchically assess the degree of similarity of two terrain maps representing the same area, at the same or different scales;

- оценки достоверности выделенных форм рельефа с учетом погрешности и мощности исходной информации;- assessment of the reliability of the selected relief forms, taking into account the error and power of the source information;

- оценки степени достаточности набора точечных измерений для восстановления рельефа с заданной подробностью.- assessing the degree of sufficiency of a set of point measurements to restore the relief with a given detail.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей с одновременным повышением достоверности способа картографического отображения двумерных распределений, заданных в цифровой форме на основе алгоритмов восстановления рельефа по дискретным измерениям с использованием топологических карт; формирования графа Кронрода-Риба для кусочно-линейной поверхности; формирования комплексов Морса-Смейла для кусочно-линейной поверхности; упрощения кусочно-линейной поверхности с использованием полученной для нее структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла; оценки фрактальных параметров рельефа на основе заданных структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла.The objective of the proposed technical solution is to expand the functionality while increasing the reliability of the method of cartographic display of two-dimensional distributions, set in digital form based on algorithms of relief reconstruction from discrete measurements using topological maps; the formation of the Kronrod-Reeb graph for a piecewise linear surface; the formation of Morse-Smale complexes for a piecewise linear surface; simplification of a piecewise linear surface using the structures of the Kronrod-Rieb graph and Morse-Smale complexes obtained for it; estimates of fractal relief parameters based on given structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе картографического отображения двухмерных распределений, заданных в цифровой форме, включающем преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит, в котором при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами - разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака, построение рельефа местности выполняют путем интерполяции точек высот и/или глубин в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов, путем построения двумерной сплайн-функции, определяемой как тензорное произведение одномерных сплайнов, в котором, в отличие от прототипа, при построении рельефа местности определяют итерирующие функции и вейвлеты для представления фрактального рельефа, путем формирования для кусочно-линейной поверхности графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла, при этом выполняют упрощения кусочно-линейной поверхности с использованием полученной для нее структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла; оценку фрактальных параметров рельефа на основе заданных структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла.The problem is solved due to the fact that in the method of cartographic display of two-dimensional distributions defined in digital form, which includes converting images of discrete graphic distributions into a continuous grayscale form with their further representation in the form of isolines, an excidence, in which optical values are encoded in optical modeling the given point of the tablet with optical symbols - different-sized spots with an optical density proportional to the value of the feature, and the terrain is performed by interpolating the height and / or depth points in the form of two-dimensional irregular rational fundamental splines, by constructing a two-dimensional spline function, defined as the tensor product of one-dimensional splines, in which, in contrast to the prototype, iterating functions and wavelets are determined when constructing the terrain to represent the fractal relief, by forming a Kronrod-Rieb graph and Morse-Smale complexes for a piecewise linear surface, while piecewise linear simplifications are performed in surfaces using the structures of the Kronrod-Rieb graph and Morse-Smale complexes obtained for it; estimation of fractal relief parameters based on the given structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes.

Сущность реализации предлагаемого способа поясняется чертежами.The essence of the proposed method is illustrated by drawings.

Фиг.1. Иллюстрация последовательности первых шести предфракталов, в процедуре построения фрактальной линии («ковер Серпинского») с индексом ветвления, равным или большим трем для внутренних точек (удаляемые треугольники обозначены белым цветом).Figure 1. Illustration of the sequence of the first six pre-fractals, in the procedure for constructing a fractal line (“Sierpinski carpet”) with a branch index equal to or greater than three for internal points (deleted triangles are indicated in white).

Фиг.2. Графический результат рекурсивного применения матричных выражений.Figure 2. The graphical result of the recursive use of matrix expressions.

Фиг.3. Иллюстрация определения расстояния между точкой х и подмножеством В, а также расстояния от подмножества В, и от В до А.Figure 3. Illustration of determining the distance between the point x and the subset B, as well as the distance from the subset B, and from B to A.

Фиг.4. Графическая иллюстрация действия IFS. Позициями обозначены: исходное изображение 1, три последующие итерации 2, 3, 4 соответственно.Figure 4. Graphic illustration of an IFS action. The positions denote: the original image 1, three subsequent iterations 2, 3, 4, respectively.

Фиг.5. Начальные шаги генерации фрактальной поверхности с помощью IFS. Последовательности генерации 5, 6, 7, 8.Figure 5. Initial steps for generating a fractal surface using IFS. Generation sequences 5, 6, 7, 8.

Фиг.6. Аппроксимация IFS предфрактала 9 другим предфракталом 10.6. Approximation of IFS prefractal 9 with another prefractal 10.

Фиг.7. Частотно-временная диаграмма для преобразования Фурье (фиг.7а) и масштабно-временная диаграмма для вейвлет-преобразования (фиг.7б). Частота 11, амплитуда 12, масштаб 13.7. The time-frequency diagram for the Fourier transform (Fig. 7a) and the time-scale diagram for the wavelet transform (Fig. 7b). Frequency 11, amplitude 12, scale 13.

Фиг.8. Схема двумерной вейвлет-декомпозиции. Фиг.8а - Цепочка вычислений, фиг.8б - масштабное соответствие уровней декомпозиции. Исходные данные 14, первый уровень 15 декомпозиции, второй уровень 16 декомпозиции, третий уровень 17 декомпозиции.Fig. 8. Scheme of two-dimensional wavelet decomposition. Figa - Chain of calculations, Figb - large-scale correspondence of levels of decomposition. Initial data 14, the first level 15 decomposition, the second level 16 decomposition, the third level 17 decomposition.

Фиг.9. Примеры имитации рельефа фракталами.Fig.9. Examples of imitation of relief by fractals.

Фиг.10. Поведение функции f(x, y) вблизи критической точки с координатами (0,0). Минимум - а, седло - с, максимум - d.Figure 10. The behavior of the function f (x, y) near the critical point with coordinates (0,0). Minimum - a, saddle - s, maximum - d.

Фиг.11. График поверхности вблизи точки с координатами (0,0) для вырожденной критической точки типа «обезьяньего седла».11. Plot of the surface near the point with coordinates (0,0) for a degenerate critical point of the “monkey saddle” type.

Фиг.12. Граф Кронрода-Риба. Фиг.12а, б - контурное изображение функции, для которой построен граф Кронрода-Риба, фиг.12в - граф Кронрода-Риба, фиг.12г - вложение графа Конрода-Риба в плоскость контурного рисунка функции: максимумы - точки I, J, G, минимумы - точки D, А, В, L, седла - точки Н, F, Е, С, K.Fig. 12. Count of Kronrod-Riba. Figa, b - contour image of the function for which the Kronrod-Riba graph is constructed, Fig.12c - the Kronrod-Riba graph, Fig.12g - embedding of the Conrod-Riba graph in the plane of the contour drawing of the function: maxima - points I, J, G , minima - points D, A, B, L, saddles - points H, F, E, C, K.

Фиг.13. Иллюстрация перехода от гладкой поверхности к симплициальному комплексу. Гладкая поверхность 18, симплициальный комплекс 19.Fig.13. Illustration of the transition from a smooth surface to a simplicial complex. Smooth surface 18, simplicial complex 19.

Фиг.14. Симплексы малой размерности.Fig.14. Simplexes of small dimension.

Новые отличительные признаки заявляемого способа, заключающиеся в том, что при построении рельефа местности определяют итерирующие функции и вейвлеты для представления фрактального рельефа, путем формирования для кусочно-линейной поверхности графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла, при этом выполняют упрощения кусочно-линейной поверхности с использованием полученной для нее структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла; оценку фрактальных параметров рельефа на основе заданных структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла, основаны на следующих постулатах.New distinctive features of the proposed method, which consists in the fact that when constructing the terrain, iterative functions and wavelets are determined to represent the fractal relief by forming the Kronrod-Rieb graph and Morse-Smale complexes for the piecewise-linear surface, while simplifying the piecewise-linear surface using the structures of the Kronrod-Rib graph and Morse-Smale complexes obtained for it; estimation of fractal relief parameters based on the given structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes are based on the following postulates.

Первый постулат (непрерывности) - рельеф Земли представляет собой непрерывную поверхность.The first postulate (continuity) - the relief of the Earth is a continuous surface.

Второй постулат (топологический) - рельеф Земли представляет собой замкнутую двумерную поверхность в трехмерном пространстве, топологически эквивалентную двумерной сфере.The second postulate (topological) - the relief of the Earth is a closed two-dimensional surface in three-dimensional space, topologically equivalent to a two-dimensional sphere.

Эти два очевидных постулата определяют достаточно общие геометрические свойства рельефа. Для конструктивного математического описания необходимо иметь некий способ арифметизации геометрических объектов. Поэтому необходимо ввести вспомогательный постулат, использующий некоторую числовую систему, согласованную по своим свойствам с первыми двумя постулатами. В качестве такой числовой системы выберем наиболее привычную систему вещественных чисел, тогда постулат арифметизации поверхности рельефа можно записать в следующем виде.These two obvious postulates determine fairly general geometric properties of the relief. For a constructive mathematical description, it is necessary to have some way of arithmeticizing geometric objects. Therefore, it is necessary to introduce an auxiliary postulate that uses some numerical system that is consistent in its properties with the first two postulates. As such a numerical system, we choose the most familiar system of real numbers, then the postulate of arithmetizing the surface of the relief can be written in the following form.

Третий постулат (арифметизации): рельеф это топологическое пространство с евклидовой метрикой { ( x 1 ,x 2 ,x 3 ) R 3 | | x 1 2 + x 2 1 + x 3 2 | 1/2 R < h 0 }

Figure 00000001
гомеоморфное двумерной сфере (S2), где R - множество вещественных чисел, R∈R+, R+ - положительные вещественные числа, h0∈R+ - наибольшее возможное отклонение от R, 2h0/R<<1. Для определенности положим, что вещественные координаты точки (x1, x2, x3) соответствуют декартовой прямоугольной правой системе координат с начальной точкой в центре сферы.Third postulate (arithmetization): topography is a topological space with a Euclidean metric { ( x one , x 2 , x 3 ) R 3 | | x one 2 + x 2 one + x 3 2 | 1/2 - R < h 0 }
Figure 00000001
homeomorphic to the two-dimensional sphere (S 2 ), where R is the set of real numbers, R∈R + , R + are positive real numbers, h 0 ∈R + is the greatest possible deviation from R, 2h 0 / R << 1. For definiteness, we assume that the real coordinates of the point (x 1 , x 2 , x 3 ) correspond to a Cartesian rectangular right coordinate system with a starting point in the center of the sphere.

Последний постулат позволяет перейти от чисто геометрического представления рельефа к его представлению в виде точечного множества.The last postulate allows us to move from a purely geometric representation of a relief to its representation in the form of a point set.

Кроме того, предположим, что рельеф не имеет "отвесных и уклонов с отрицательными углами". Это условие выразим в виде следующего постулата.In addition, suppose that the terrain has no "sheer and slopes with negative angles." This condition is expressed as the following postulate.

Четвертый постулат (технический): всякий луч, выходящий из центра Земли, пересекает поверхность рельефа в единственной точке.Fourth postulate (technical): every ray emerging from the center of the Earth crosses the surface of the relief at a single point.

Множество математических поверхностей s, удовлетворяющих приведенным постулатам, обозначим символом Ξ (Ξ={s} или s∈Ξ). Заметим, что используя повороты вокруг центра, некоторые поверхности s из множества Ξ можно совместить поточечно. Кроме того, не будем различать поверхности, тождественные с точностью до масштабного множителя. Такие подмножества поверхностей образуют классы эквивалентности.The set of mathematical surfaces s satisfying the above postulates is denoted by Ξ (Ξ = {s} or s∈Ξ). Note that using rotations around the center, some surfaces s from the set Ξ can be aligned pointwise. In addition, we will not distinguish between surfaces that are identical up to a scale factor. Such subsets of surfaces form equivalence classes.

Поэтому в качестве Ξ будем рассматривать множество, состоящее только из представителей классов эквивалентности s.Therefore, as Ξ we will consider a set consisting only of representatives of the equivalence classes s.

Так, определенное множество математических поверхностей Ξ чрезвычайно обширно. По определению в него включены все непрерывные поверхности. Все непрерывные поверхности делятся на два непересекающихся класса: класс дифференцируемых - гладких (обозначим это множество символом

Figure 00000002
) и класс всюду не дифференцируемых - негладких ({'s}) поверхностей
Figure 00000003
So, a certain set of mathematical surfaces Ξ is extremely extensive. By definition, all continuous surfaces are included. All continuous surfaces are divided into two disjoint classes: the class of differentiable - smooth (we denote this set by the symbol
Figure 00000002
) and the class of everywhere non-differentiable non-smooth ({'s}) surfaces
Figure 00000003

В картографии и геоинформатике без аргументации неявно предполагается, что рельеф Земли - гладкая функция. Действительно, картографическое изображение рельефа оперирует гладкими линиями изобат и изогипс, что возможно только для гладких функций. Пятый постулат для картографического отображения рельеф: картографический рельеф Земли представляется гладкой поверхностью.In cartography and geoinformatics, without argument, it is implicitly assumed that the topography of the Earth is a smooth function. Indeed, the cartographic image of the relief operates with smooth isobath and isohypsum lines, which is possible only for smooth functions. The fifth postulate for cartographic mapping of relief: the cartographic relief of the Earth appears to be a smooth surface.

В работе (Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 655 с.) приведено подробное обоснование утверждения того, что рельеф Земли представляет собой фрактальную поверхность.The work (Mandelbrot B. Fractal geometry of nature. - M .: Institute for Computer Research, 2002. - 655 pp.) Provides a detailed justification for the assertion that the Earth's relief is a fractal surface.

Фракталы можно рассматривать как множества точек, вложенные в пространство. Например, множество точек, образующих линию в обычном евклидовом пространстве, имеет топологическую размерность DТ=1 и размерность Хаусдорфа-Безиковича D=1. Евклидова размерность пространства равна Е=3. Так как для линии D=DT, то линия, согласно определению Мандельброта, не фрактальна, что подтверждает разумность определения. Аналогично множество точек, образующих поверхность в пространстве с Е=3, имеет топологическую размерность DT=2 и D=2. Мы видим, что и обычная поверхность не фрактальна независимо от того, насколько она сложна. Наконец, шар, или полная сфера, имеет D=3 и DT=3.Fractals can be considered as sets of points embedded in space. For example, the set of points forming a line in ordinary Euclidean space has a topological dimension D T = 1 and a Hausdorff-Besikovich dimension D = 1. The Euclidean dimension of space is equal to E = 3. Since for the line D = D T , the line, according to the definition of Mandelbrot, is not fractal, which confirms the reasonableness of the definition. Similarly, the set of points forming a surface in a space with E = 3 has the topological dimension D T = 2 and D = 2. We see that a normal surface is not fractal, no matter how complex it is. Finally, the ball, or full sphere, has D = 3 and D T = 3.

Центральное место в определении размерности Хаусдорфа-Безиковича и, следовательно, фрактальной размерности D занимает понятие расстояния между точками в пространстве. В общем случае при δ→0 мера Md=∑h(δ) равна нулю или бесконечности в зависимости от выбора d - размерности меры. Размерность Хаусдорфа-Безиковича D∈R+ множества ℑ есть критическая размерность, при которой мера Md изменяет свое значение с нуля на бесконечность:The central place in the definition of the Hausdorff-Besikovich dimension and, therefore, the fractal dimension D is occupied by the concept of the distance between points in space. In the general case, as δ → 0, the measure M d = ∑h (δ) is equal to zero or infinity, depending on the choice of d, the measure dimension. The Hausdorff-Besikovich dimension D∈R + of the set ℑ is the critical dimension at which the measure M d changes its value from zero to infinity:

M d = γ ( d ) δ d = γ ( d ) N ( δ ) δ d δ 0 { 0, d > D , d < D . ( 1 )

Figure 00000004
M d = γ ( d ) δ d = γ ( d ) N ( δ ) δ d δ 0 { 0 d > D , d < D . ( one )
Figure 00000004

Значение Md при d=D часто конечно, но может быть равно нулю или бесконечности. Важно учесть, при каком значении d величина Md изменяется скачком. Заметим, что в приведенном выше определении размерность Хаусдорфа-Безиковича фигурирует как локальное свойство, так как она характеризует свойства множества точек при бесконечно малом диаметре, или размере δ пробной функции, используемой для покрытия множества. Следовательно, фрактальная размерность D может быть также локальной характеристикой множества.The value of M d for d = D is often finite, but may be zero or infinity. It is important to consider at what value of d the value of M d changes stepwise. Note that in the above definition, the Hausdorff-Besikovich dimension appears as a local property, since it characterizes the properties of a set of points with an infinitely small diameter, or the size δ of the test function used to cover the set. Therefore, the fractal dimension D can also be a local characteristic of the set.

В соответствии с (1) для фрактальной поверхности логарифм нормированного спектра мощности возвышений как функция логарифма длины волны шероховатостей λ должен быть линейной функцией.In accordance with (1) for the fractal surface, the logarithm of the normalized power spectrum of elevations as a function of the logarithm of the roughness wavelength λ should be a linear function.

Неформальная интерпретация фракталов состоит в том, что граница фрактального объекта выглядит одинаково, в каком бы масштабе их не наблюдать. Это проявление свойства масштабной инвариантности.An informal interpretation of fractals is that the border of a fractal object looks the same, no matter what scale they are observed. This is a manifestation of the property of scale invariance.

Фракталы можно рассматривать как множества точек, вложенные в пространство. Например, множество точек, образующих линию в обычном евклидовом пространстве, имеет топологическую размерность DT=1 и размерность Хаусдорфа-Безиковича D=1. Евклидова размерность пространства равна Е=3. Так как для линии D=DT, то линия, согласно определению Мандельброта (Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 655 с.), не фрактальна, что подтверждает разумность определения. Аналогично множество точек, образующих поверхность в пространстве с Е=3, имеет топологическую размерность DT=2 и D=2.Fractals can be considered as sets of points embedded in space. For example, the set of points forming a line in ordinary Euclidean space has the topological dimension D T = 1 and the Hausdorff-Besikovich dimension D = 1. The Euclidean dimension of space is equal to E = 3. Since for the line D = D T , the line, according to the definition of Mandelbrot (Mandelbrot B. Fractal geometry of nature. - M .: Institute for Computer Research, 2002. - 655 p.), Is not fractal, which confirms the reasonableness of the definition. Similarly, the set of points forming a surface in a space with E = 3 has the topological dimension D T = 2 and D = 2.

Мы видим, что и обычная поверхность не фрактальна независимо от того, насколько она сложна. Наконец, шар, или полная сфера, имеет D=3 и DT=3.We see that a normal surface is not fractal, no matter how complex it is. Finally, the ball, or full sphere, has D = 3 and D T = 3.

Центральное место в определении размерности Хаусдорфа-Безиковича и, следовательно, фрактальной размерности D занимает понятие расстояния между точками в пространстве. В общем случае при δ→0 мера Md=∑h(δ) равна нулю или бесконечности в зависимости от выбора d - размерности меры. Размерность Хаусдорфа-Безиковича D∈R+ множества ℑ есть критическая размерность, при которой мера Md изменяет свое значение с нуля на бесконечность.The central place in the definition of the Hausdorff-Besikovich dimension and, therefore, the fractal dimension D is occupied by the concept of the distance between points in space. In the general case, as δ → 0, the measure M d = ∑h (δ) is equal to zero or infinity, depending on the choice of d, the dimension of the measure. The Hausdorff-Besikovich dimension D∈R + of the set ℑ is the critical dimension at which the measure M d changes its value from zero to infinity.

Значение Md при d=D часто конечно, но может быть равно нулю или бесконечности.The value of M d for d = D is often finite, but may be zero or infinity.

Важно учесть, при каком значении d величина Md изменяется скачком. Заметим, что в приведенном выше определении размерность Хаусдорфа-Безиковича фигурирует как локальное свойство, так как она характеризует свойства множества точек при бесконечно малом диаметре, или размере δ пробной функции, используемой для покрытия множества. Следовательно, фрактальная размерность D может быть также локальной характеристикой множества. В действительности здесь существует несколько нюансов, заслуживающих рассмотрения. В частности, определение размерности Хаусдорфа-Безиковича позволяет покрывать множество "шарами" не обязательно одного и того же размера при условии, что диаметры всех шаров меньше δ. В этом случае d - мера есть нижняя грань, т.е. минимальное значение, получаемое при всех возможных покрытиях.It is important to consider at what value of d the value of M d changes stepwise. Note that in the above definition, the Hausdorff-Besikovich dimension appears as a local property, since it characterizes the properties of a set of points with an infinitely small diameter, or the size δ of the test function used to cover the set. Therefore, the fractal dimension D can also be a local characteristic of the set. In fact, there are several nuances worth considering. In particular, the definition of the Hausdorff-Besikovich dimension allows one to cover the set with “balls” of not necessarily the same size, provided that the diameters of all balls are less than δ. In this case, the d - measure is the lower bound, i.e. the minimum value obtained with all possible coatings.

Тогда шестой постулат для рельефа Земли (апостериорный постулат физического рельефа): физический рельеф Земли адекватно представляется всюду недифференцируемой поверхностью - фракталом.Then the sixth postulate for the Earth's relief (the a posteriori postulate of the physical relief): the physical relief of the Earth is adequately represented by an everywhere undifferentiated surface - a fractal.

Таким образом, физическая поверхность рельефа Земли является математическим объектом из множества Ξ={'s}, тогда как картографическое представление рельефа относится к гладким функциям Ξ = { s ˜ }

Figure 00000005
.Thus, the physical surface of the Earth's relief is a mathematical object from the set Ξ = {'s}, while the cartographic representation of the relief refers to smooth functions Ξ = { s ˜ }
Figure 00000005
.

Важнейшим следствием является то, что любое сечение фрактальной поверхности будет также являться фрактальной линией. Для решения прикладных задач, важно отметить существенное различие между "вертикальными" сечениями поверхности 's и "горизонтальными". Линия пересечения 's с плоскостью, проходящей через центр 's ("вертикальное" сечение), всегда является фрактальной замкнутой одномерной простой линией. Такая линия топологически эквивалентна окружности. Другое дело "горизонтальное" сечение. Это сечение образует множество точек пересечения 's некоторой сферой с центром, соответствующим 's и с радиусом R+h, где |h|<h0.The most important consequence is that any section of a fractal surface will also be a fractal line. To solve applied problems, it is important to note a significant difference between the "vertical" sections of the surface 's and the "horizontal". The intersection line of 's with the plane passing through the center of the' s ("vertical" section) is always a fractal closed one-dimensional simple line. Such a line is topologically equivalent to a circle. Another thing is the "horizontal" section. This section forms the set of intersection points 's with some sphere with center corresponding to' s and with radius R + h, where | h | <h 0 .

Множество точек такого пересечения тоже является фракталом, но этот фрактал имеет значительно более сложное устройство. Очевидно, что такое сечение может состоять из многих "замкнутых" связных изолированных между собой кусков - "береговых линий островов". Но не это главное отличие от "вертикального" сечения. "Горизонтальное" сечение приводит к линиям, значительно более сложно устроенным с топологической точки зрения. Каждый связный кусок "горизонтального" сечения топологически не эквивалентен окружности. Дело в том, что вблизи всякой точки пересечения фрактальной поверхности 's с секущей сферой число точек пересечения бесконечно. Поэтому вблизи каждой точки пересечения могут возникать "расщепления" простой линии. Таким образом, "горизонтальные" сечения 's дают некоторое множество несвязных линий, имеющих индекс ветвления, равный или больший трем. Поэтому фрактальную линию графически изобразить нельзя. Однако графически фрактал можно косвенно представить в виде некоторой бесконечной итерационной процедуры. На каждом шаге этой процедуры можно изобразить промежуточное состояние в построении фрактала. Такое промежуточное состояние называется предфракталом. Процедура построения линии, имеющей для внутренних точек индекс ветвления, равный или больший трем, поясняется примером построения линии С (называемой треугольный "ковер Серпинского") с индексом ветвления, равным или большим трем для внутренних точек, которая строится следующим образом: в равностороннем треугольнике со стороной, равной единице, проводятся средние линии, и из него выбрасываются внутренние точки треугольника, ограниченного средними линиями. Оставшееся множество состоит из треугольников первого ранга. С каждым из треугольников первого ранга проделывается та же операция: в нем проводятся средние линии и выбрасываются внутренние точки ограниченного ими треугольника. Подобным же образом поступают с каждым из девяти получившихся треугольников второго ранга и приходят к 27 треугольникам третьего ранга. Поступая так же и далее, для каждого натурального числа n получают множество, состоящее из 3" треугольников n-го ранга (фиг.1).Many points of this intersection are also a fractal, but this fractal has a much more complex structure. Obviously, such a section can consist of many "closed" connected pieces isolated from each other - the "coastlines of the islands." But this is not the main difference from the "vertical" section. The “horizontal” section leads to lines that are much more complex from a topological point of view. Each connected piece of a “horizontal” section is topologically not equivalent to a circle. The fact is that near any intersection point of a fractal surface 's with a secant sphere, the number of intersection points is infinite. Therefore, near each intersection point, “splitting” of a simple line can occur. Thus, the “horizontal” sections give some set of disconnected lines having a branch index equal to or greater than three. Therefore, the fractal line cannot be graphically depicted. However, graphically, a fractal can be indirectly represented as some infinite iterative procedure. At each step of this procedure, you can depict an intermediate state in the construction of the fractal. Such an intermediate state is called a prefractal. The procedure for constructing a line with a branch index equal to or greater than three for internal points is illustrated by an example of constructing a line C (called a triangular "Sierpinski carpet") with a branch index equal to or greater than three for internal points, which is constructed as follows: in an equilateral triangle with the side equal to unity draws the middle lines, and the internal points of the triangle bounded by the middle lines are ejected from it. The remaining set consists of triangles of the first rank. The same operation is performed with each of the triangles of the first rank: the middle lines are drawn in it and the internal points of the triangle bounded by them are ejected. Similarly, they act with each of the nine resulting triangles of the second rank and come to 27 triangles of the third rank. Proceeding in the same way further, for each natural number n, a set consisting of 3 ’triangles of the nth rank is obtained (FIG. 1).

Оставшееся после выполнения всех этих операций множество С есть континуум. В общем случае, "горизонтальное" сечение всюду недифференцируемой поверхности представляет собой тонкую сеть с ячейками различного размера. Заметим, что "ковер Серпинского" обладает уникальным свойством: любая линия, вложимая в евклидову плоскость, вложима и в "ковер Серпинского". Данное свойство позволяет рассматривать "ковер Серпинского" в качестве универсальной линии на плоскости (Болтянский В.Г., Ефремович В.А. Наглядная топология. - М.: Наука, 1983. - 160 с.).The set C remaining after performing all these operations is a continuum. In the general case, the “horizontal” section of an everywhere non-differentiable surface is a thin network with cells of various sizes. Note that the Sierpinski carpet has a unique property: any line embedded in the Euclidean plane is also embedded in the Sierpinski carpet. This property allows us to consider the "Sierpinski carpet" as a universal line on the plane (Boltyansky V.G., Efremovich V.A. Visual topology. - M .: Nauka, 1983. - 160 p.).

Одним из следствий фрактальности линии "вертикального" сечения 's, то есть отсутствия производной в любой ее точке, является ее неспрямляемость - неприменимость понятия длины для нее. Действительно, длина L гладкой плоской кривой (спрямляемой), заданной уравнением y=ƒ{x), определяется интегралом от производной: L = a b 1 + ƒ '2 ( x ) dx

Figure 00000006
, но для фрактальной кривой производная не определена, следовательно, не определена и длина. Очевидно, что понятие длины не определено и для более сложно устроенной линии "горизонтального" сечения 's.One of the consequences of the fractality of the line of the "vertical" section 's, that is, the lack of a derivative at any point of it, is its non-rectifiability - the inapplicability of the concept of length to it. Indeed, the length L of a smooth plane curve (rectifiable) given by the equation y = ƒ {x) is determined by the integral of the derivative: L = a b one + ƒ '2 ( x ) dx
Figure 00000006
, but for the fractal curve the derivative is not defined, therefore, the length is not defined either. Obviously, the concept of length is not defined for a more complicated line of the "horizontal" section.

Аналогичное утверждение справедливо относительно площади поверхности для односвязной области или всей 's - площадь для фрактальных поверхностей не определена. Действительно, для кусочно-гладких функций поверхностей с кусочно гладким краем (или без края) площадь поверхности обычно определяют с помощью следующей конструкции. Поверхность разбивают на мелкие части с кусочно-гладкими границами: в каждой части выбирают точку, в которой существует касательная плоскость, и ортогонально проектируют рассматриваемую часть на касательную плоскость поверхности в выбранной точке; площадь полученных плоских проекций суммируют; наконец, переходят к пределу при все более мелких разбиениях (таких, что наибольший из диаметров частей разбиения стремится к нулю). На указанном классе поверхностей этот предел всегда существует, и если поверхность задана параметрически кусочно гладкой функцией z=ƒ(x, y) над областью D на плоскости {х, у), то площадь S выражается двойным интеграломA similar statement is true regarding surface area for a simply connected region or the entire 's - the area for fractal surfaces is not defined. Indeed, for piecewise smooth functions of surfaces with a piecewise smooth edge (or without edge), the surface area is usually determined using the following construction. The surface is divided into small parts with piecewise-smooth borders: in each part, select a point at which the tangent plane exists, and project the part under consideration orthogonally onto the tangent plane of the surface at the selected point; the area of the obtained flat projections is summarized; finally, they go over to the limit with ever smaller partitions (such that the largest of the diameters of the parts of the partition tends to zero). On the indicated class of surfaces, this limit always exists, and if the surface is given by a parametrically piecewise smooth function z = ƒ (x, y) over the domain D on the plane (x, y), then the area S is expressed by the double integral

S = D 1 + ( d ƒ dx ) 2 + ( d ƒ dy ) 2 dxdy . ( 2 )

Figure 00000007
S = D one + ( d ƒ dx ) 2 + ( d ƒ dy ) 2 dxdy . ( 2 )
Figure 00000007

Однако по определению поверхность 's всюду не дифференцируема, поэтому интеграл для площади не существует.However, by definition, the surface 's is not differentiable everywhere; therefore, the integral for the area does not exist.

В первом приближении можно понимать фрактал как геометрическую фигуру, которая обладает свойством самоподобия, т.е. составленную из нескольких частей, каждая их которых подобна всей фигуре целиком. Небольшая часть фрактала содержит информацию о всем фрактале. Фракталы подобны самим себе, они похожи сами на себя на всех в любом масштабе - под каким бы увеличением не смотреть на фрактальные объекты, они будут все такими же фрагментированными и изломанными. Это свойство самоподобия приводит к тому, что для описания фрактальных мер и соотношений с необходимостью нужно использовать параметр масштаба рассмотрения фрактала. Степенная зависимость от масштаба вида (1) справедлива для:In a first approximation, fractal can be understood as a geometric figure that has the property of self-similarity, i.e. composed of several parts, each of which is similar to the whole figure. A small part of the fractal contains information about the entire fractal. Fractals are similar to themselves, they are similar to themselves on everyone at any scale - no matter how large they look at fractal objects, they will still be fragmented and broken. This property of self-similarity leads to the fact that in order to describe fractal measures and relationships, it is necessary to use the parameter of the fractal consideration scale. The power dependence on the scale of the form (1) is valid for:

- меры одномерного и двумерного фракталов;- measures of one-dimensional and two-dimensional fractals;

- средних значений максимальных отклонений от прямой соединяющие две точки фрактала;- average values of maximum deviations from the line connecting the two points of the fractal;

- соотношения периметра замкнутой фрактальной кривой и площади, ею охватываемой;- the ratio of the perimeter of the closed fractal curve and the area covered by it;

- распределение замкнутых областей при "горизонтальном" сечении 's по площади.- distribution of closed areas with a "horizontal" section's area.

Свойство фрактальности проявляется в картографии в различных аспектах. Главный аспект состоит в том, что для отображения рельефа применяют длинную линейку масштабов карт. На каждом масштабе предполагается (неявно), что рельеф - гладкая поверхность. Это следует из того, что изогипсы (изобаты) - гладкие кривые. Однако рельеф одного и того же участка на картах разного масштаба различен в деталях. Причем с увеличением масштаба нет сходимости в положении изогипс (изобат), что и свидетельствует об отсутствии сходимости к некоторой гладкой поверхности. Именно это обстоятельство объясняет необходимость наличия процедуры картографической генерализации в технологии построения карт различного масштаба. Процедура генерализации осуществляется экспертным путем. В геоинформатике отсутствуют приемлемые автоматизированные алгоритмы картографической генерализации. Свойство фрактальности проявляется в математической зависимости (степенная функция) хода кривой пересеченности и используется для описания изрезанности поверхности рельефа. Алгоритм построения кривой пересеченности заключается в следующем. На карте некоторого масштаба берется произвольно, но равномерно распределенные по площади пары точек, отстоящих друг от друга на расстояние r. Определяется разность высот h каждой пары точек, и находится среднее арифметическое абсолютных величин этих разностей. Затем расстояние удваивается, утраивается и т.д.; на карте вновь выбираются пары точек, замеряются разности высот и находят средние значения, соответствующие увеличенному расстоянию между точками. Эти средние значения наносятся на график, на котором по оси абсцисс откладывается расстояние между точками, а по оси ординат - средние значения разностей высот. Кривая, вблизи которой укладываются точки на графике, является кривой пересеченности h=ƒ(r). Аппроксимируют эту зависимость степенной функцией, которая свойственна фрактальным поверхностям.The property of fractality is manifested in cartography in various aspects. The main aspect is that a long line of map scales is used to display the terrain. At each scale, it is assumed (implicitly) that the relief is a smooth surface. This follows from the fact that isohypses (isobaths) are smooth curves. However, the relief of the same area on maps of different scales is different in detail. Moreover, with increasing scale, there is no convergence in the position of isohypsum (isobath), which indicates the absence of convergence to some smooth surface. It is this circumstance that explains the need for a cartographic generalization procedure in the technology for constructing maps of various scales. The generalization procedure is carried out by an expert. In geoinformatics, there are no acceptable automated algorithms for cartographic generalization. The fractality property is manifested in the mathematical dependence (power function) of the course of the intersection curve and is used to describe the roughness of the relief surface. The algorithm for constructing the intersection curve is as follows. On a map of a certain scale, pairs of points are taken that are uniformly distributed over the area and are spaced apart by a distance r. The height difference h of each pair of points is determined, and the arithmetic mean of the absolute values of these differences is found. Then the distance doubles, triples, etc .; pairs of points are again selected on the map, height differences are measured and average values corresponding to the increased distance between points are found. These average values are plotted on a graph in which the distance between points is plotted along the abscissa axis, and the average values of height differences are plotted along the ordinate axis. The curve near which points on the graph fit is the intersection curve h = ƒ (r). This dependence is approximated by a power function, which is characteristic of fractal surfaces.

Наиболее прозрачно свойство недифференцируемости рельефа проявляется в оценках длины береговых линий по картам различного масштаба. Графическое изображение береговых линий на картах различного масштаба является по сути предфракталами различного уровня детализации, отображающими "горизонтальное" сечение 's, соответствующее нулевому уровню моря. При измерении береговой линии в постоянно укрупняющемся масштабе в рассмотрение попадают все более мелкие изгибы, и каждая новая деталь увеличивает общую длину берега. В случае фрактальности рельефа наблюдаемая длина должна возрастать неограниченно. Выполненные оценки длины береговой линии для различных участков побережья показали, что оценки длин растут с увеличением масштаба по степенному закону вида (1). В то же время график для гладкой кривой должен стремиться к постоянному значению.The most transparent property of undifferentiated relief is manifested in estimates of the length of coastlines from maps of various scales. The graphic image of coastlines on maps of various scales is essentially a pre-fractal of various levels of detail, displaying a “horizontal” section corresponding to zero sea level. When measuring the coastline at a constantly enlarging scale, ever smaller bends fall into consideration, and each new part increases the total length of the coast. In the case of relief fractality, the observed length should increase unboundedly. Estimates of the coastline for various sections of the coast showed that length estimates increase with scale according to the power law of the form (1). At the same time, the graph for a smooth curve should tend to a constant value.

К настоящему времени установлено, что фрактальными объектами являются длины рек, структура и границы водосборов и овражно-балочных сетей, распределения островов по площади (Мельник М.А. Фрактальный анализ морфологически однородных участков рек (на примере Томской области) // Материалы XIII научного совещания географов Сибири и Дальнего Востока. Иркутск: Изд-во ИГ СОРАН, 2007. Т.1. С.165-167. Tarboton D.G. Fractal river networks, Horton's laws and Tokunaga cyclicity // Journal of Hydrology. 187. (1996). 105-117. (new2/10.1.1.80.2625.pdf). Иванов А.В., Короновский А.А., Минюхин И.Н., Яшков И.А. Определение фрактальной размерности овражно-балочной сети города Саратова // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2006. т.14. №2. с 64-73. Dodds P.S., Rothman D.H. SCALING, UNIVERSALITY, AND GEOMORPHOLOGY // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2000. 28: 571-610 (new2/AnnRev.28.1.571.pdf). Turcotte D.L. Self-organized complexity in geomorphology: Observations and models // Geomorphology 91 (2007) 302-310).To date, it has been established that fractal objects are the lengths of rivers, the structure and boundaries of catchments and ravine-gully networks, the distribution of islands by area (Melnik M.A. Fractal analysis of morphologically homogeneous sections of rivers (using the example of the Tomsk region) // Materials of the XIII Scientific Meeting geographers of Siberia and the Far East, Irkutsk: IG SORAN Publishing House, 2007. Vol. 1. P.165-167 Tarboton DG Fractal river networks, Horton's laws and Tokunaga cyclicity // Journal of Hydrology. 187. (1996). 105. -117. (New2 / 10.1.1.80.2625.pdf). Ivanov A.V., Koronovsky A.A., Minyukhin I.N., Yashkov I.A. Determination of fractal size Roughnesses of the ravine-girder network of the city of Saratov // University proceedings. Applied nonlinear dynamics. 2006. v.14. No. 2. pp. 64-73. Dodds PS, Rothman DH SCALING, UNIVERSALITY, AND GEOMORPHOLOGY // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2000.28: 571-610 (new2 / AnnRev.28.1.571.pdf) Turcotte DL Self-organized complexity in geomorphology: Observations and models // Geomorphology 91 (2007) 302-310).

Отсутствие дифференцируемости у фрактальных функций приводит к необходимости использовать специфический аппарат для их представления. К такому аппарату можно отнести: системы итерирующих функций (Iterated Function Systems - IFS) и вейвлеты. Эти математические инструменты позволяют представить фрактальную функцию в виде предфрактала только как среднее (средневзвешенное значение) на дискретном множестве ячеек (точек), обычно регулярном. Площадь ячеек соответствует некоторому масштабу, кратному степени двойки. Для IFS вообще отсутствуют какие-либо принципиальные ограничения на значения масштаба. Для вейвлетов возможны все масштабы, меньшие некоторого максимального, определяемого только плотностью исходных данных. Основной принцип IFS - представить самоподобный фрактал как композицию множества "мельчайших" копий самого себя. Рельеф может представляться и более сложными фрактальными конструкциями, чем самоподобный фрактал (Gagnon J., Lovejoy S., Schertzer D. Multifractal earth topography // Nonlin. Processes Geophys., 13, 2006, 541-570). IFS представляет собой относительно громоздкую теоретико-множественную конструкцию, поэтому ограничимся только общим схематическим описанием. Дадим пример общего выражения IFS для плоскости R2:The lack of differentiability of fractal functions leads to the need to use a specific apparatus to represent them. Such a device can include: Iterated Function Systems (IFS) and wavelets. These mathematical tools make it possible to represent a fractal function as a pre-fractal only as an average (weighted average value) on a discrete set of cells (points), usually regular. The area of the cells corresponds to a certain multiple of the power of two. For IFS, there are no fundamental restrictions on scale values at all. For wavelets, all scales are possible, smaller than some maximum, determined only by the density of the source data. The basic principle of IFS is to present a self-similar fractal as a composition of many “smallest” copies of itself. The relief may also appear to be more complex fractal structures than a self-similar fractal (Gagnon J., Lovejoy S., Schertzer D. Multifractal earth topography // Nonlin. Processes Geophys., 13, 2006, 541-570). IFS is a relatively cumbersome set-theoretic construct; therefore, we restrict ourselves to a general schematic description. Let us give an example of a general IFS expression for the R 2 plane:

W ( x ) = w i [ x 1 x 2 ] = [ a i b i c i d i ] [ x 1 x 2 ] + [ e i ƒ i ] = A i x + t i . ( 3 )

Figure 00000008
W ( x ) = w i [ x one x 2 ] = [ a i b i c i d i ] [ x one x 2 ] + [ e i ƒ i ] = A i x + t i . ( 3 )
Figure 00000008

Отсюда, форма IFS для треугольного ковра Серпинского будет:From here, the IFS form for the Sierpinski triangular carpet will be:

w i = [ x 1 x 2 ] = [ 0 .5 0 0 0 .5 ] [ x 1 x 2 ] + [ 1 1 ] , ( 4 )

Figure 00000009
w i = [ x one x 2 ] = [ 0 .5 0 0 0 .5 ] [ x one x 2 ] + [ one one ] , ( four )
Figure 00000009

w i [ x 1 x 2 ] = [ 0 .5 0 0 0 .5 ] [ x 1 x 2 ] + [ 1 50 ] , ( 5 )

Figure 00000010
w i [ x one x 2 ] = [ 0 .5 0 0 0 .5 ] [ x one x 2 ] + [ one fifty ] , ( 5 )
Figure 00000010

w i [ x 1 x 2 ] = [ 0 .5 0 0 0 .5 ] [ x 1 x 2 ] + [ 50 50 ] . ( 6 )

Figure 00000011
w i [ x one x 2 ] = [ 0 .5 0 0 0 .5 ] [ x one x 2 ] + [ fifty fifty ] . ( 6 )
Figure 00000011

Графический результат рекурсивного применения этих матричных выражений представлен на фиг.2.The graphical result of the recursive application of these matrix expressions is shown in FIG. 2.

Метрическим пространством (X, d) называется множество Х, на котором определена вещественная функция расстояния d:Х×Х→R со следующими свойствами:The metric space (X, d) is the set X on which the real distance function d: X × X → R is defined with the following properties:

d(a, b)≥0 для всех а, b∈Х;d (a, b) ≥0 for all a, b∈X;

d(a, b)=0, если и только если a=b для всех a, b∈Х;d (a, b) = 0 if and only if a = b for all a, b∈X;

d(a, b)=d(b, а) для всех а, b∈Х;d (a, b) = d (b, a) for all a, b∈X;

d(a, с)≤d(a, b)+d(b, с) для всех а, b, с∈Х.d (a, c) ≤ d (a, b) + d (b, c) for all a, b, c∈X.

Такие функции называются метрикой. Это значит, что метрическое пространство - это комбинация из двух элементов: множества точек из X∈Rn и расстояний между двумя точками множества d(a, b).Such functions are called metrics. This means that the metric space is a combination of two elements: the set of points from X∈R n and the distances between two points of the set d (a, b).

Пусть (X, d) полное метрическое пространство. Обозначим через ℜ(X) пространство, точками которого являются непустые компактные подмножества Х.Let (X, d) be a complete metric space. Denote by ℜ (X) the space whose points are nonempty compact subsets of X.

Расстоянием между точкой и подмножеством определяется какThe distance between a point and a subset is defined as

d(x, B)=min{d{x, y):y∈B},d (x, B) = min {d {x, y): y∈B},

где В∈ℜ(X), х∈Х. Это определение иллюстрируется фиг.3.where B∈ℜ (X), x∈X. This definition is illustrated in FIG.

Расстояние между двумя подмножествами определяется как d(A, В)=max{d(x, B):x∈A}.The distance between two subsets is defined as d (A, B) = max {d (x, B): x∈A}.

Здесь метрика не симметрична, как показано на рис.1.8, d(A, В)≠d(B, A}. Для преодоления проблемы несимметричности этой метрики вводят метрику Хаусдорфа. Метрика Хаусдорфа на ℜ(X) определяется какHere the metric is not symmetrical, as shown in Fig. 1.8, d (A, B) ≠ d (B, A}. To overcome the asymmetric problem of this metric, the Hausdorff metric is introduced. The Hausdorff metric on ℜ (X) is defined as

h ( A ,B ) = max ( d ( AB ) ,d ( B ,A ) ) . ( 7 )

Figure 00000012
h ( A , B ) = max ( d ( Ab ) , d ( B , A ) ) . ( 7 )
Figure 00000012

Метрика Хаусдорфа позволяет определить сходимость IFS путем вычисления расстояния между точками отображений для каждой итерации. Приведем еще несколько необходимых определений, гарантирующих сжимаемость отображений:The Hausdorff metric allows you to determine the convergence of IFS by calculating the distance between map points for each iteration. We give some more necessary definitions guaranteeing the compressibility of mappings:

W ( S ) = i = 1 n w i ( S )

Figure 00000013
. W ( S ) = i = one n w i ( S )
Figure 00000013
.

Преобразование W:Х→Х на метрическом пространстве (X, d) называется сжимающим отображением (или сжатием), если существует такое число s, 0<s<1, чтоA transformation W: X → X on a metric space (X, d) is called a contraction map (or contraction) if there exists a number s, 0 <s <1, such that

d(W(x), W(y))≤s·d(x, y}, ∀x, y∈Х.d (W (x), W (y)) ≤s · d (x, y}, ∀x, y∈X.

Число s называется коэффициентом сжатия.The number s is called the compression ratio.

Основные результаты теории сжимающих отображений связаны с неподвижными точками таких отображений. Пусть Х полное метрическое пространство и W:X X|W = i = 1 n w i

Figure 00000014
, сжимающее отображение. Тогда существует единственная точка xƒ∈Х, такая, что для любой точки x∈ХThe main results of the theory of contracting mappings are connected with fixed points of such mappings. Let X be a complete metric space and W: x X | W = i = one n w i
Figure 00000014
compressive mapping. Then there exists a unique point x ƒ ∈X such that for any point x∈X

x ƒ = W ( x ƒ ) = i = 1 n w i ( x ƒ ) = lim n W n ( x ) . ( 8 )

Figure 00000015
x ƒ = W ( x ƒ ) = i = one n w i ( x ƒ ) = lim n W n ( x ) . ( 8 )
Figure 00000015

Точка хƒ называется неподвижной точкой или аттрактором отображения W.A point x ƒ is called a fixed point or an attractor of the map W.

Это определение подразумевает, что любое сжимающее отображение, примененное к любому множеству инициализации, всегда приведет к фиксированному конечному множеству. Система итерирующих отображений описывает множество сжимающих функций, которые действуют на множестве (в пространстве Rn), чтобы получить другое множество в том же пространстве или пространстве меньшей размерности. Общая запись IFS естьThis definition implies that any contraction mapping applied to any initialization set will always result in a fixed finite set. A system of iterative mappings describes a set of contraction functions that act on a set (in the space R n ) to obtain another set in the same space or a space of smaller dimension. IFS shared record is

W ( ) = i = 1 n w i ( ) , ( 9 )

Figure 00000016
W ( ) = i = one n w i ( ) , ( 9 )
Figure 00000016

где (·) соответствует параметру пространства Rn, wi - соответствует каждому отдельному сжимающему отображению {wi:Rn→Rn|i=1,…,n}. Графически это можно рассматривать как показано на фиг.4. На фиг.5 и 6 представлены иллюстрации действия IFS на поверхности.where (·) corresponds to the space parameter R n , w i - corresponds to each individual compressive map {w i : R n → R n | i = 1, ..., n}. Graphically, this can be considered as shown in FIG. 4. 5 and 6 are illustrations of the effects of IFS on a surface.

Вейвлеты как математическое средство для иерархического представления функций позволяют описать произвольную функцию в терминах грубого усредненного приближения и деталей различного масштаба.Wavelets as a mathematical tool for the hierarchical representation of functions allow us to describe an arbitrary function in terms of a rough average approximation and details of various scales.

Даже для схематичного формального описания двумерного вейвлет-преобразования требуется ввести огромное число определений. Необходимости этого нет, так как в настоящее время существует большой объем литературы по вейвлетам, например (Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов. - М.: Мир, 2005. - 671 с. Блаттер К. Вейвлет-анализ. Основы теории. - М.: Техносфера, 2004. - 280 с. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. - Ижевск, НИЦ "Регулярная и хаотичекая динамика", 2001. - 464 с. Чуй Ч. Введение в вейвлеты. - М.: Мир, 2001. - 412 с.). Приведем лишь неформальное обоснование дискретных вейвлетов. Классическим инструментом анализа данных служит анализ Фурье, который можно использовать для того, чтобы обратить данные наблюдений в точке в форму, более удобную для анализа частот. Однако при использовании методов Фурье возникает одно затруднение: каждый коэффициент Фурье содержит полную информацию о поведении ряда лишь на одной частоте и никакой информации о его поведении на других частотах. Кроме того, методы Фурье трудно адаптировать ко многим ситуациям, имеющим практическое значение. Например, большинство встречающихся на практике временных рядов является конечными и апериодическими, в то время как дискретное преобразование Фурье можно применять только для периодических функций. Недостатки методов Фурье и необходимость обеспечить иерархическое представление функций, которое называется кратномасштабным анализом, послужили причиной разработки методов, в основе которых исследуемая функция представляется набором коэффициентов, каждый из которых несет ограниченную информацию и о положении, и о частоте функции (фиг.7).Even for a schematic formal description of a two-dimensional wavelet transform, a huge number of definitions are required. This is not necessary, since there is currently a large volume of literature on wavelets, for example (Malla S. Wavelets in signal processing. - M .: Mir, 2005. - 671 p. Blatter K. Wavelet analysis. Fundamentals of the theory. - M .: Technosphere, 2004. - 280 pp. I. Dobeshi Ten lectures on wavelets. - Izhevsk, SRC "Regular and chaotic dynamics", 2001. - 464 pp. Chui Ch. Introduction to wavelets. - M .: Mir, 2001. - 412 p.). We give only an informal justification of discrete wavelets. A classic tool for data analysis is Fourier analysis, which can be used to convert observational data at a point into a form more convenient for frequency analysis. However, when using the Fourier methods, one difficulty arises: each Fourier coefficient contains complete information about the behavior of a series at only one frequency and no information about its behavior at other frequencies. In addition, Fourier methods are difficult to adapt to many situations of practical importance. For example, most of the time series encountered in practice are finite and aperiodic, while the discrete Fourier transform can be applied only to periodic functions. The disadvantages of the Fourier methods and the need to provide a hierarchical representation of functions, which is called multi-scale analysis, have led to the development of methods based on which the function under study is represented by a set of coefficients, each of which carries limited information about the position and frequency of the function (Fig. 7).

Несмотря на существование широкого многообразия методов иерархического представления функций разработанная теория вейвлетов содержит арсенал чрезвычайно полезных средств, позволяющих осуществить иерархическое разложение функций эффективным и одновременно теоретически обоснованным способом. Если говорить в общем, то вейвлет-представление функций состоит из общего грубого приближения и уточняющих коэффициентов, позволяющих работать с функцией при различных масштабах.Despite the existence of a wide variety of methods for hierarchical representation of functions, the developed wavelet theory contains an arsenal of extremely useful tools that allow hierarchical decomposition of functions in an effective and theoretically justified way. Generally speaking, the wavelet representation of functions consists of a general rough approximation and refinement coefficients that allow working with the function at various scales.

Двумерные дискретные вейвлеты представляют собой семейство из четырех тензорных произведений (HH, HL, LH, LL) двух фильтров с некоторыми специальными свойствами: низкочастотного L и высокочастотного Н, параметризованных масштабными и сдвиговыми коэффициентами. Эти два фильтра являются одномерными дискретными вейвлетами. Исходными данными для двумерной вейвлет-декомпозиции служат скалярные функции, заданные на регулярной сетке точек (матрицы).Two-dimensional discrete wavelets are a family of four tensor products (HH, HL, LH, LL) of two filters with some special properties: low-frequency L and high-frequency H, parameterized by scale and shear coefficients. These two filters are one-dimensional discrete wavelets. The initial data for a two-dimensional wavelet decomposition are scalar functions defined on a regular grid of points (matrices).

Процесс двумерной вейвлет-декомпозиции осуществляется по схеме, представленной на фиг.8.The process of two-dimensional wavelet decomposition is carried out according to the scheme shown in Fig. 8.

Вейвлеты широко применяются для представления рельефа, заданного на регулярной сетке точек, в различных масштабах (Keitt Т.Н., Urban D.L. Scale-Specific Inference Using Wavelets // Ecology, 86(9), 2005, pp.2497-2504. Marchuk A.G., Simonov K.V. Detecting possible impact craters on Earth's surface using the DEM data proscessing. // Bull. Nov. Comp. Center, Math. Model. in Geoph., 10 (2005), 59-66. Swai C.J., Kirby J.F. An effective elastic thickness map of Australia from wavelet transforms of gravity and topography using Forsyth's method // GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 33 2006 78-82. Audet P. Directional wavelet analysis on the sphere: Application to gravity and topography of the terrestrial planets // JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 116, 2011, 111-127. Tassara A., Swain С., Hackney R., Kirby J. Elastic thickness structure of South America estimated using wavelets and satellite-derived gravity data // Earth and Planetary Science Letters 253 (2007) 17-36). С помощью вейвлетов производят выявление резких перепадов в значениях функции, оценивают фрактальные параметры. Именно связь между коэффициентами вейвлет-разложения фрактальными параметрами является основой применения вейвлет-преобразования при описании фрактальных функций (Berkner K. F Wavelet-based Solution to the Inverse Problem for Fractal Interpolation Functions // Fractal in Engineering '97, Springer-Verlag, 1997. - 123-135 pp. Struzik Z.R., Dooijes E.H., Groen F.C.A. The solution of the inverse fractal problem with the help of wavelet decomposition. In M M Novak, editor. Fractals reviews in the natural and applied sciences, pages 332-343. Chapman and Hall, February 1995). В настоящее время, практическое применение фрактального представления рельефа лежит в сфере имитации. Разработано большое число алгоритмов, имитирующих рельеф фрактальными поверхностями (Franceschetti G., Riccio D. Scattering, Natural Surfaces and Fractals - Academic Press is an imprint of Elsevier, 2007. - 307 pp.). На фиг.9 представлены два примера имитации фрактального рельефа.Wavelets are widely used to represent the relief defined on a regular grid of points at various scales (Keitt, T. N., Urban DL Scale-Specific Inference Using Wavelets // Ecology, 86 (9), 2005, pp. 2497-2504. Marchuk AG , Simonov KV Detecting possible impact craters on Earth's surface using the DEM data proscessing. // Bull. Nov. Comp. Center, Math. Model. In Geoph., 10 (2005), 59-66. Swai CJ, Kirby JF An effective elastic thickness map of Australia from wavelet transforms of gravity and topography using Forsyth's method // GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 33 2006 78-82. Audet P. Directional wavelet analysis on the sphere: Application to gravity and topography of the terrestrial planets // JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, Vol. 116, 2011, 111-127. Tassara A., Swain C., Hackney R., Kirby J. Elastic thickness structure of South America estimated using wavelets and satellit e-derived gravity data // Earth and Planetary Science Letters 253 (2007) 17-36). Using wavelets, sharp differences in the values of the function are detected, fractal parameters are estimated. It is the relationship between the coefficients of the wavelet decomposition by fractal parameters that is the basis for the use of wavelet transform in the description of fractal functions (Berkner K. F Wavelet-based Solution to the Inverse Problem for Fractal Interpolation Functions // Fractal in Engineering '97, Springer-Verlag, 1997. - 123-135 pp. Struzik ZR, Dooijes EH, Groen FCA The solution of the inverse fractal problem with the help of wavelet decomposition. In MM Novak, editor. Fractals reviews in the natural and applied sciences, pages 332-343. Chapman and Hall, February 1995). Currently, the practical application of fractal representation of the relief lies in the field of imitation. A large number of algorithms have been developed that simulate the relief by fractal surfaces (Franceschetti G., Riccio D. Scattering, Natural Surfaces and Fractals - Academic Press is an imprint of Elsevier, 2007. - 307 pp.). Figure 9 presents two examples of simulating fractal relief.

Представление рельефа в виде фрактальной функции приводит к практической невозможности полного (во всех деталях и подробностях) описать и отобразить реальный рельеф каким-либо способом. Фрактальность рельефа проявляется в том, что поверхность рельефа представляет собой совокупность различных пространственных форм (неровностей) бесконечного набора пространственных масштабов. Однако в этом многообразии форм рельефа прослеживается закономерность в виде подобия изменчивости на различных масштабах.Representation of the relief in the form of a fractal function leads to the practical impossibility of fully (in all details and details) to describe and display the real relief in any way. The fractality of the relief is manifested in the fact that the surface of the relief is a combination of various spatial forms (irregularities) of an infinite set of spatial scales. However, in this variety of landforms, a regularity is traced in the form of a similarity of variability at various scales.

Главная особенность картирования рельефа состоит в том, что рельеф на картах всегда представляется в виде гладкой функции. Наличие гладких изолиний на картах (изогипс, изобат) - свидетельство гладкости поверхности рельефа. В картографии фрактальность рельефа проявляется косвенно, через картографическую генерализацию. Традиционно рельеф представляется в виде карт различного масштаба. На картах большого масштаба отображаются более мелкие формы рельефа. Переход к меньшему масштабу требует применения законов картографической генерализации - сглаживания, утрирования, исключения форм рельефа малых размеров.The main feature of terrain mapping is that terrain on maps is always presented as a smooth function. The presence of smooth contours on maps (isogypsum, isobath) is evidence of the smoothness of the surface of the relief. In cartography, the fractality of the relief is manifested indirectly, through cartographic generalization. Traditionally, the relief is presented in the form of maps of various scales. Large scale maps display smaller relief forms. The transition to a smaller scale requires the application of the laws of cartographic generalization — smoothing, exaggerating, and eliminating the relief forms of small sizes.

Различные формы рельефа в различных масштабах изучает наука геоморфология. В геоморфологии принято различные по размерам формы рельефа делить на порядки. В настоящее время выделяют до 12 порядков земной поверхности (Симонов Ю.Г., Болысов С.И. Методы геоморфологических исследований: Методология. - М.: Аспект Пресс, 2002. - 191 с.).Geomorphology studies various forms of relief at various scales. In geomorphology, it is customary to divide relief forms of various sizes into orders. Currently, up to 12 orders of the earth's surface are distinguished (Simonov Yu.G., Bolysov S.I. Methods of geomorphological research: Methodology. - M.: Aspect Press, 2002. - 191 p.).

Например, к первой категории относятся континентальные выступы и океанические впадины (площадь форм 107 км2), ко второй категории - части первых размером 106 км2, к третьей - части элементов рельефа второй категории с размерами порядка 105 км2. Деление проводится дальше, и каждая последующая категория занимает площадь, на порядок величин меньшую по сравнению с предыдущей. Здесь важно отметить то, что объектам каждой категории соответствуют свои пространственные масштабы карты в масштабах, которых эти объекты можно наблюдать. В других масштабах эти объекты не наблюдаемы. Кроме того, подобным по форме объектам из различных категорий дают разные имена, например холм, сопка, возвышенность, гора, горная область, хребет.For example, the first category includes continental ledges and oceanic depressions (the area of the forms is 10 7 km 2 ), the second category includes parts of the first with a size of 10 6 km 2 , and the third category includes parts of the relief elements of the second category with dimensions of about 10 5 km 2 . The division is carried out further, and each subsequent category occupies an area an order of magnitude smaller than the previous one. It is important to note here that the objects of each category have their own spatial scales of the map at the scales that these objects can be observed. At other scales, these objects are not observable. In addition, objects of different categories that are similar in shape are given different names, for example, a hill, a hill, a hill, a mountain, a mountainous area, a ridge.

Эти особенности геоморфологической классификации накладывали отпечаток на применение математики в геоморфологических исследованиях. Практически для каждой именной формы рельефа разрабатывались свои способы и методы математического описания. В предлагаемом техническом решении использован более абстрактный математический аппарат - топология, в части элементов теории дифференциальной и алгебраической (комбинаторной) топологии. Применение этого аппарата позволяет единообразно математически описывать все формы рельефа независимо от масштабов и конкретных форм для отображения на карте или дисплее.These features of the geomorphological classification left their mark on the use of mathematics in geomorphological research. For almost every registered landform, its own methods and methods of mathematical description were developed. The proposed technical solution uses a more abstract mathematical apparatus - topology, in terms of elements of the theory of differential and algebraic (combinatorial) topology. The use of this apparatus allows one to mathematically describe all relief forms irrespective of the scale and specific forms for displaying on a map or display.

Алгебраическая топология обеспечивает связь между геометрией и алгеброй, между непрерывным и дискретным описанием рельефа, описанием структурных особенностей рельефа: точек минимумов, максимумов, линий сети тальвегов и водоразделов. Дифференциальная топология обеспечивает теоретическую основу, для выявления и согласования глобальных свойств поверхности рельефа с набором его локальных структурных особенностей. Все это позволяет осуществить реализацию конструктивных алгоритмов для ЭВМ.Algebraic topology provides a connection between geometry and algebra, between a continuous and discrete description of the relief, a description of the structural features of the relief: minima, maxima, network lines of talwegs and watersheds. Differential topology provides a theoretical basis for identifying and reconciling the global properties of a relief surface with a set of its local structural features. All this allows the implementation of constructive algorithms for computers.

Кроме того, аппарат дифференциальной и алгебраической топологии дает возможность приближенно восстановить поверхность по набору точечных данных, сравнивать степень близости двух представлений поверхности рельефа фиксированной области, как для одного масштаба, так и для различных масштабов. Получить логически аргументированный способ упрощения рельефа, как для целей генерализации, так и для удаления шума измерений.In addition, the apparatus of differential and algebraic topology makes it possible to approximately reconstruct the surface from a set of point data, to compare the degree of proximity of two representations of the relief surface of a fixed region, both for one scale and for different scales. To get a logically reasoned way to simplify the terrain, both for generalization purposes and for removing measurement noise.

Возможность приближенного представления фрактальной поверхности с помощью гладкой функций гарантирует теорема Вейерштрасса (Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, т.3 - М.: Физматлит, 2001. - 662 с.), которая утверждает, что непрерывную функцию (подчеркнем, что достаточно только непрерывности, требования гладкости функции отсутствуют вообще) нескольких переменных ƒ(х1,…,xn) на замкнутом ограниченном множестве Q можно равномерно приблизить последовательностью полиномов: для любого ε>0 существует такой многочлен Р(х1,…,xn), что максимум его отклонения от ƒ(х1,…,xn) на Q не превосходит данного ε:The possibility of an approximate representation of a fractal surface using smooth functions is guaranteed by the Weierstrass theorem (G. Fikhtengolts, Differential and Integral Calculus Course, Vol. 3 - M .: Fizmatlit, 2001. - 662 pp.), Which states that the continuous function (we emphasize only that enough of continuity, smoothness requirements no function at all) several variables ƒ (x 1, ..., x n) on a closed bounded set Q can be uniformly approximated polynomial sequence: for any ε> 0, there exists a polynomial P ( 1, ..., x n), that its maximum deviation from ƒ (x 1, ..., x n) to Q does not exceed a given ε:

max Q | ƒ ( x 1 , x n ) P ( x 1 , x n ) | < ε . ( 2 .1 )

Figure 00000017
max Q | ƒ ( x one , ... , x n ) - P ( x one , ... , x n ) | < ε . ( 2 .one )
Figure 00000017

Существует обобщение теоремы Вейерштрасса - теорема Стоуна (Stone M.N. The Generalized Weierstrass Approximation Theorem // Mach. Mag. 1948. Vol. 21. P.167-183, 237-254), в которой доказывается, что плотно не только множество многочленов от координатных функций, но вообще кольцо многочленов от любого набора функций, разделяющих точки. Следовательно, например, плотно множество тригонометрических многочленов.There is a generalization of Weierstrass theorem - Stone's theorem (Stone MN The Generalized Weierstrass Approximation Theorem // Mach. Mag. 1948. Vol. 21. P.167-183, 237-254), which proves that not only the set of polynomials in coordinate functions, but generally a ring of polynomials from any set of functions separating points. Therefore, for example, the set of trigonometric polynomials is dense.

Среди многообразия возможных гладких поверхностей следует выделить класс поверхностей, который будет представлять все остальные гладкие функции. В качестве такого класса целесообразно использовать класс функций Морса. Можно считать, что поверхности, принадлежащие классу функций Морса, наиболее "просто" устроены с математической точки зрения. Дело в том, что функции Морса имеют минимально возможный набор типов критических точек, а именно: точки локальных максимумов, минимумов и простые седловые точки.Among the variety of possible smooth surfaces, one should single out a class of surfaces that will represent all other smooth functions. It is advisable to use the class of Morse functions as such a class. We can assume that surfaces belonging to the class of Morse functions are most “simply” constructed from a mathematical point of view. The fact is that Morse functions have the smallest possible set of types of critical points, namely: points of local maxima, minima, and simple saddle points.

Обычно рассматривают двумерные функции, заданные на плоскости. В нашем случае поверхность рельефа задается на сфере S2. Это многообразие замкнуто и ограничено, поэтому компактно. Гладкие функции, заданные на произвольном многообразии, исследует теория Морса (Милнор Дж. Теория Морса. - М.: Издательство ЛКИ, 2011. - 184 с.). Эта математическая теория исследует отношение между топологией многообразия М (для нас М - сфера) и критическими точками скалярной функции ƒ:М→R, определенной на многообразии М.Usually consider two-dimensional functions defined on the plane. In our case, the relief surface is defined on the sphere S 2 . This manifold is closed and bounded, therefore compact. Smooth functions defined on an arbitrary manifold are investigated by Morse theory (Milnor J. Morse Theory. - M.: Publishing House of LCI, 2011. - 184 p.). This mathematical theory explores the relationship between the topology of the manifold M (for us, M is a sphere) and the critical points of the scalar function ƒ: M → R defined on the manifold M.

Рассмотрим гладкую функцию ƒ:М→R на гладком многообразии М, и пусть х1,…,xn - гладкие регулярные координаты в окрестности точки p∈М. Точка p называется критической для функции ƒ, если дифференциалConsider a smooth function ƒ: M → R on a smooth manifold M, and let x 1 , ..., x n be smooth regular coordinates in a neighborhood of the point p∈M. A point p is called critical for the function ƒ if the differential

d ƒ = d ƒ dx i dx i ( 10 )

Figure 00000018
d ƒ = d ƒ dx i dx i ( 10 )
Figure 00000018

обращается в ноль в точке р. Это эквивалентно условию обращения в ноль всех частных производных функции в данной точке. Критическая точка называется невырожденной, если второй дифференциалvanishes at the point p. This is equivalent to the condition that all partial derivatives of the function vanish at a given point. A critical point is called non-degenerate if the second differential

d 2 ƒ = d 2 ƒ dx i dx j dx i dx j ( 11 )

Figure 00000019
d 2 ƒ = d 2 ƒ dx i dx j dx i dx j ( eleven )
Figure 00000019

невырожден в этой точке. Это эквивалентно условию, что матрица вторых частных производных имеет определитель, отличный от нуля. Согласно известной лемме Морса в окрестности каждой невырожденной критической точки всегда можно выбрать такие локальные координаты, в которых функция запишется в виде квадратичной формы:non-degenerate at this point. This is equivalent to the condition that the matrix of second partial derivatives has a non-zero determinant. According to the well-known Morse lemma, in the vicinity of each non-degenerate critical point, one can always choose such local coordinates in which the function is written in the form of a quadratic form:

ƒ ( p ) = x 1 2 x 2 2 x λ 2 + x λ 2 + + x n 2 . ( 12 )

Figure 00000020
ƒ ( p ) = - x one 2 - x 2 2 - ... - x λ 2 + x λ 2 + ... + x n 2 . ( 12 )
Figure 00000020

Для каждой невырожденной критической точки число λ определено однозначно и называется ее индексом.For each non-degenerate critical point, the number λ is uniquely determined and is called its index.

Гладкая функция ƒ:М→R является функцией Морса, если все ее критические точки невырождены. Замечательным фактом в теории критических точек является то, что для функций Морса на S2 известна полная классификация критических точек и геометрия в их окрестности. Оказывается, что вблизи критической точки p∈S2 всегда существует возможность выбора таких локальных координат х и у, что функцию вблизи этой точки можно записать в видеA smooth function ƒ: M → R is a Morse function if all its critical points are non-degenerate. A remarkable fact in the theory of critical points is that for Morse functions on S 2 the complete classification of critical points and the geometry in their neighborhood are known. It turns out that near the critical point p∈S 2 there is always the possibility of choosing such local coordinates x and y that a function near this point can be written as

ƒ ( x ,y ) = ± x 2 ± y 2 , ( 13 )

Figure 00000021
ƒ ( x , y ) = ± x 2 ± y 2 , ( 13 )
Figure 00000021

и все эти критические точки изолированы (лемма Морса).and all these critical points are isolated (Morse lemma).

На фиг.10 представлены графики поверхностей для всех четырех возможных критических точек вблизи точки с координатами (0,0).Figure 10 presents the surface graphs for all four possible critical points near the point with coordinates (0,0).

Если гладкая функция на сфере не является функцией Морса, то она может иметь не только невырожденные критические точки типа (13), но и вырожденные типы критических точек, отличных от (13), например вырожденную критическую точку типа "обезьяньего седла", представленного на фиг.11.If a smooth function on a sphere is not a Morse function, then it can have not only non-degenerate critical points of type (13), but also degenerate types of critical points other than (13), for example, a degenerate critical point of the “monkey saddle” type shown in FIG. .eleven.

Однако каждая ограниченная гладкая функция ƒ:М→R может быть равномерно аппроксимирована гладкой функцией g, не имеющей вырожденных критических точек. Более того, g можно выбрать так, чтобы i-ые производные g на компактном множестве К равномерно приближали соответствующие производные ƒ при i≤k. Функции Морса всюду плотны в пространстве всех гладких функций на гладком многообразии. Другими словами, любую гладкую функцию сколь угодно малым шевелением можно превратить в функцию Морса. При этом сложные вырожденные критические точки рассыпаются в объединение некоторого числа морсовских, т.е. невырожденных, особенностей. Это объясняется тем, что невырожденные критические точки типа (13) устойчивы относительно малых "шевелений" графиков (фиг.10), тогда как вырожденные критические точки при малых "шевелениях" соответствующих графиков либо исчезают, либо переходят в поверхность с некоторым набором невырожденных критических точек типа (13).However, each bounded smooth function ƒ: M → R can be uniformly approximated by a smooth function g that does not have degenerate critical points. Moreover, g can be chosen so that the ith derivatives of g on the compact set K uniformly approximate the corresponding derivatives ƒ for i≤k. Morse functions are everywhere dense in the space of all smooth functions on a smooth manifold. In other words, any smooth function with an arbitrarily small stir can be turned into a Morse function. Moreover, complex degenerate critical points are scattered into the union of a certain number of Morse points, i.e. non-degenerate, features. This is because non-degenerate critical points of type (13) are stable with respect to small “movements” of the graphs (Fig. 10), while degenerate critical points with small “movements” of the corresponding graphs either disappear or go to the surface with some set of non-degenerate critical points type (13).

Большое значение имеет понятие индекса i(p) функции ƒ в критической точке p∈М, который определяется как число минусов в соответствующем уравнении (13). Критическая точка индекса 0, 1 или 2 называется минимумом седлом и максимумом, соответственно.Of great importance is the concept of the index i (p) of the function ƒ at the critical point p∈M, which is defined as the number of minuses in the corresponding equation (13). The critical point of index 0, 1 or 2 is called the minimum saddle and maximum, respectively.

Таким образом, всегда возможно любую гладкую функцию на сфере представить в виде функции Морса. Другими словами, всякой поверхности рельефа, представленной на карте, можно однозначно сопоставить некоторую функцию Морса. Далее, ради простоты изложения, будем считать, что рассматриваемые функции Морса принадлежат к классу - С дифференцируемых функций. Программно-математический аппарат, для реализации способа, включает математический аппарат описания структурных свойств гладких функций на основе алгебраической топологии.Thus, it is always possible to represent any smooth function on the sphere as a Morse function. In other words, any surface of the relief represented on the map can be unambiguously correlated with some Morse function. Further, for the sake of simplicity of presentation, we assume that the Morse functions under consideration belong to the class - C ∞ of differentiable functions. The program-mathematical apparatus for implementing the method includes a mathematical apparatus for describing the structural properties of smooth functions based on algebraic topology.

Алгебраическая топология предоставляет набор инструментов, которые позволяют улавливать и описывать форму поверхности, определять, в чем поверхности совпадают или отличаются. Кроме того, в алгебраической топологии существуют классические инструменты, такие как теория Морса, гомотопий и гомологии, которые подходят для решения ряда вопросов, связанных с формой поверхности.Algebraic topology provides a set of tools that allow you to capture and describe the shape of the surface, to determine in which surfaces coincide or differ. In addition, in algebraic topology, there are classical tools, such as Morse theory, homotopy, and homology, which are suitable for solving a number of problems related to the surface shape.

Цель алгебраической топологии предоставит средства для решения типичной задачи: распознавания (различения) объектов, принадлежащих категории G1 (в нашем случае гладких поверхностей). Алгебраическая топология, с помощью функтора F:G1→G2 заменяет эту задачу аналогичной задачей распознавания объектов, принадлежащих категории G2. Смысл замены состоит в том, что эта задача в категории G2 может оказаться легче. Следует отметить, что при переходе от категории G1 к категории G2 часть информации об объектах категории G1, как правило, теряется. Однако функторы алгебраической топологии обеспечивают "хорошие" свойства такой замены, а именно: используемые параметры относительно легко вычислимы на ЭВМ; существуют простые способы выяснения различности или изоморфности объектов; при переходе от объекта Х к объекту F(X) не теряется много информации.The goal of algebraic topology will provide means for solving a typical problem: recognition (distinguishing) of objects belonging to the category G 1 (in our case, smooth surfaces). Algebraic topology, using the functor F: G 1 → G 2, replaces this problem with a similar task of recognizing objects belonging to the category G 2 . The meaning of the replacement is that this task in the category G 2 may turn out to be easier. It should be noted that when moving from category G 1 to category G 2, part of the information about objects of category G 1 is usually lost. However, functors of algebraic topology provide “good” properties of such a replacement, namely: the parameters used are relatively easily computable on a computer; there are simple ways to clarify the difference or isomorphism of objects; when moving from object X to object F (X), a lot of information is not lost.

При этом функции двух переменных рассматриваются как раз не как функции двух переменных х и у, а как функции, заданные в точках двумерной области - S2.Moreover, the functions of two variables are considered not just as functions of the two variables x and y, but as functions defined at the points of the two-dimensional domain - S 2 .

Алгебраическая топология обнаруживает резкое расщепление свойств функций двух переменных. Одни из них оказываются близки к свойствам функций одного переменного. Другие свойства функций двух переменных, наоборот, резко «двумерны». Кроме того, оказывается, что есть и понятия, которые зависят как от «одномерных», так и от «двумерных» свойств функций.Algebraic topology reveals a sharp splitting of the properties of functions of two variables. Some of them turn out to be close to the properties of functions of one variable. Other properties of functions of two variables, on the contrary, are sharply “two-dimensional”. In addition, it turns out that there are concepts that depend on both “one-dimensional” and “two-dimensional” properties of functions.

«Одномерные» свойства функции двух переменных описываются с помощью графа Кронрода-Риба, а свойства более высокой размерности с помощью комплексов Морса-Смейла.The “one-dimensional” properties of the function of two variables are described using the Kronrod-Reeb graph, and the properties of higher dimensions are described using Morse-Smale complexes.

Теория Морса (Милнор Дж. Теория Морса. - М.: Издательство ЛКИ, 2011. - 184 с.) устанавливает основы для описания множества критических точек гладкой функции, заданной на многообразии. Используя теорию Морса, можно определить способ описания формы поверхности, основанный на эволюции поверхности изолиний уровней, отображающей функцию. Этот способ, заключающийся в сопоставлении уровней критических точек на поверхности, как правило, рассматривается как один из самых простых способов описания геометрии поверхности. С каждой функцией оказывается связанным некоторый одномерный континуум, ее одномерное дерево. Изучение ряда свойств самой функции сводится к изучению свойств соответствующей функции на одномерном дереве. Разделение свойств функции двух переменных на «одномерные» и «двумерные» представляется факт принципиальный. С этой точки зрения введение одномерного дерева как раз существенно: с его помощью особенно четко выделяются одномерные свойства двумерной функции.Morse Theory (Milnor J. Morse Theory. - M.: LKI Publishing House, 2011. - 184 pp.) Establishes the basis for describing the set of critical points of a smooth function given on a manifold. Using Morse's theory, we can determine a method for describing the shape of a surface based on the evolution of the surface of level isolines that displays a function. This method, which consists in comparing the levels of critical points on the surface, is usually considered as one of the simplest ways to describe the geometry of the surface. Each one-dimensional continuum, its one-dimensional tree, is associated with each function. The study of a number of properties of the function itself is reduced to the study of the properties of the corresponding function on a one-dimensional tree. The separation of the properties of the function of two variables into “one-dimensional” and “two-dimensional” seems to be a fundamental fact. From this point of view, the introduction of a one-dimensional tree is just essential: with its help, one-dimensional properties of a two-dimensional function are particularly clearly distinguished.

В дальнейшем через ƒ-1(r) будем обозначать полный прообраз значения r скалярной функции ƒ, заданной на S2(ƒ:S2→R). Через а будем обозначать регулярные значения функции, т.е. такие значения, в прообразе которых нет ни одной критической точки. В этом случае ƒ-1(а) всегда является гладким подмногообразием в S2 в силу известной теоремы о неявной функции. Обозначим через с критические значения функции, т.е. такие значения, в прообразе которых есть хотя бы одна критическая точка.In what follows, by ƒ -1 (r) we denote the complete inverse image of the value r of the scalar function ƒ defined on S 2 (ƒ: S 2 → R). By a we denote the regular values of the function, i.e. such values, in the prototype of which there is not a single critical point. In this case, ƒ -1 (a) is always a smooth submanifold in S 2 by virtue of the well-known implicit function theorem. Let c denote the critical values of the function, i.e. such values in the prototype of which there is at least one critical point.

Пусть ƒ - функция Морса на компактном гладком многообразии S2. Рассмотрим произвольную поверхность уровня ƒ-1(a) и ее компоненты связности, которые назовем слоями. В результате многообразие разбивается в объединение слоев, получается слоение с особенностями. Подчеркнем, что каждый слой связен по определению. Объявляя каждый слой одной точкой и вводя естественную фактор-топологию в пространстве слоев Г, получаем некоторое фактор-пространство. Его можно рассматривать как базу этого слоения. Для функции Морса пространство Г является графом.Let ƒ be the Morse function on a compact smooth manifold S 2 . Consider an arbitrary level surface ƒ -1 (a) and its connected components, which we call layers. As a result, the variety is divided into a union of layers, a foliation with features is obtained. We emphasize that each layer is connected by definition. Declaring each layer as one point and introducing the natural factor topology in the space of layers Γ, we obtain a certain quotient space. It can be considered as the base of this foliation. For the Morse function, the space Γ is a graph.

Граф Г называется графом Кронрода-Риба (Кронрод А.С. О функциях двух переменных // УМН, 5:1(35) (1950), 24-134. Reeb G. Sur les points singuliers d'une forme de pfaff compl'etement int'egrable ou d'une fonction num'erique. Comptes Rendus de L'Acad'emie ses S'eances, Paris, 222:847-849, 1946) для функции Морса ƒ на многообразии S2. Вершиной графа Кронрода-Риба назовем точку, отвечающую особому слою функции ƒ, т.е. связной компоненте уровня, содержащей критическую точку функции. Вершину графа Кронрода-Риба назовем концевой, если она является концом ровно одного ребра графа. Все остальные вершины назовем внутренними.Graph G is called the Kronrod-Reeb graph (A. Kronrod, On functions of two variables // UMN, 5: 1 (35) (1950), 24-134. Reeb G. Sur les points singuliers d'une forme de pfaff compl ' etement int'egrable ou d'une fonction num'erique. Comptes Rendus de L'Acad'emie ses S'eances, Paris, 222: 847-849, 1946) for the Morse function ƒ on the manifold S 2 . The vertex of the Kronrod-Reeb graph is the point corresponding to the special layer of the function ƒ, i.e. a connected component of the level containing the critical point of the function. A vertex of the Kronrod-Reeb graph is called terminal if it is the end of exactly one edge of the graph. All other vertices are called internal.

Концевые вершины графа Кронрода-Риба взаимно-однозначно отвечают локальным минимумам и максимумам функции. Внутренние вершины графа Кронрода-Риба взаимнооднозначно отвечают особым слоям функции, содержащим седловые критические точки (фиг.12).The end vertices of the Kronrod-Reeb graph correspond uniquely to the local minima and maxima of the function. The inner vertices of the Kronrod-Reeb graph correspond one-to-one to special layers of the function containing saddle critical points (Fig. 12).

Для простоты изображения двумерных поверхностей, везде далее в этом разделе предполагается, что изображаемые функции ведут себя как - r вдали от начала координат, продолжая их вблизи точки ∞ так, чтобы она была точкой локального минимума.For simplicity of the image of two-dimensional surfaces, everywhere further in this section it is assumed that the functions depicted behave like - r far from the origin, continuing them near the point ∞ so that it is a local minimum point.

Если заранее известно, что изучаемая поверхность является ориентируемой или неориентируемой, то граф Кронрода-Риба произвольной простой функции на ней позволяет восстановить топологию поверхности. Графы Кронрода-Риба рассматриваются с точностью до изоморфизма ориентированных графов. Две функции Морса на ориентируемой поверхности послойно эквивалентны тогда и только тогда, когда их графы Кронрода-Риба изоморфны.If it is known in advance that the surface under study is orientable or non-orientable, then the Kronrod-Rieb graph of an arbitrary simple function on it allows one to restore the surface topology. Kronrod-Reeb graphs are considered up to isomorphism of oriented graphs. Two Morse functions on an orientable surface are layerwise equivalent if and only if their Kronrod-Reeb graphs are isomorphic.

Обобщенный механизм построения графа Кронрода-Риба сводится к следующему. Пусть на многообразии задана функция Морса. Две критические точки соединяются ребром на графе Кронрода-Риба тогда и только тогда, когда существует монотонный гладкий путь на многообразии, который соединяет эти точки и не пересекает критических слоев (кроме своих концов). Под монотонным путем понимается путь, вдоль которого данная функция возрастает. Два седла соединяются двумя ребрами на графе Кронрода-Риба тогда и только тогда, когда существуют два монотонных гладких пути на многообразии, которые соединяют эти седла и не пересекают критических слоев (кроме своих концов), причем, эти пути невозможно соединить постоянным путем на многообразии (то есть внутренние точки путей принадлежат разным слоям).The generalized mechanism for constructing the Kronrod-Reeb graph is as follows. Let a Morse function be given on a manifold. Two critical points are connected by an edge on the Kronrod-Reeb graph if and only if there exists a monotone smooth path on the manifold that connects these points and does not intersect the critical layers (except for its ends). A monotonous path is a path along which a given function increases. Two saddles are connected by two edges on the Kronrod-Reeb graph if and only if there are two monotone smooth paths on the manifold that connect these saddles and do not intersect critical layers (except for their ends), and these paths cannot be connected in a constant way on the manifold ( that is, the internal points of the paths belong to different layers).

Таким образом, одномерное дерево функции Морса состоит из множества концевых точек плюс не более чем счетное число простых дуг, попарно пересекающихся не более чем в одной точке, являющейся притом точкой ветвления.Thus, the one-dimensional tree of the Morse function consists of a set of end points, plus no more than a countable number of simple arcs that pairwise intersect at no more than one point, which is also a branch point.

Следует отметить, что для вырожденной функции Морса (наличие вырожденной критической точки) сколь угодно малым шевелением функции Морса можно добиться, чтобы на каждом критическом уровне с (т.е. на множестве точек p, для которых ƒ(p)=с) лежала ровно одна критическая точка. Другими словами, критические точки, попавшие на один уровень, можно развести на близкие уровни. Функции Морса, имеющие ровно по одной критической точке на каждом критическом уровне, называются простыми. Для невырожденной функции Морса граф Кронрода-Риба является деревом, имеющим Т тройных точек ветвления, K=Т+2 концевых точек и Р=2T+1 ребро, соединяющие K+Т=2Т+2 вершины графа (Arnol V.I. Smooth functions statistics // Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, ICTR. 2006. IC/2006/012. 9pp.). Заметим, что не всякий конечный (или бесконечный) граф будет графом Кронрода-Риба для некоторой собственной гладкой функции с изолированными критическими точками на поверхности (Шарко В.В. Гладкие функции на некомпактных поверхностях. // Збiрник праць Iн-ту математики НАН Украïни 2006, т.3, №3, 443-473). Существует условие, которое гарантирует, что граф будет графом Кронрода-Риба.It should be noted that for a degenerate Morse function (the presence of a degenerate critical point), an arbitrarily small stirring of the Morse function can be achieved so that at each critical level c (i.e., on the set of points p for which ƒ (p) = c) lies exactly one critical point. In other words, critical points that fall on one level can be divided into close levels. Morse functions having exactly one critical point at each critical level are called simple. For a non-degenerate Morse function, the Kronrod-Riba graph is a tree with T triple branch points, K = T + 2 end points and P = 2T + 1 edge connecting K + T = 2T + 2 vertices of the graph (Arnol VI Smooth functions statistics // Abdus Salam International Center for Theoretical Physics, ICTR. 2006. IC / 2006/012. 9pp.). Note that not every finite (or infinite) graph will be a Kronrod-Reeb graph for some proper smooth function with isolated critical points on the surface (Sharko V.V. Smooth functions on non-compact surfaces. // Zbirnik prats Institute of Mathematics, National Academy of Sciences of Ukraine 2006 , vol. 3, No. 3, 443-473). There is a condition that guarantees that the graph will be the Kronrod-Reeb graph.

Пусть ν - вершина графа Г. Граф Гν=Г - ν получается из графа Г в результате удаления вершины ν и всех инцидентных ей ребер. Вершина v называется разбивающей, если граф Г - несвязное множество. Обозначим через Ω - множество вершин порядка 1 в графе Г.Let ν be the vertex of the graph G. The graph Г ν = Г - ν is obtained from the graph Г by removing the vertex ν and all edges incident to it. A vertex v is called breaking if the graph Γ is a disconnected set. Let Ω denote the set of vertices of order 1 in the graph G.

Граф Г удовлетворяет условию (W), если:A graph Γ satisfies condition (W) if:

a) Г - связное множество;a) D is a connected set;

b) Для каждой разбивающей вершины ν из Г, такой, что если среди компонент связности графа Гν присутствуют конечные графы Г ν i

Figure 00000022
, то Г ν i Ω
Figure 00000023
;b) For each dividing vertex ν of Γ such that if among the connected components of Γ ν there are finite graphs G ν i
Figure 00000022
then G ν i Ω
Figure 00000023
;

c) Если граф Г - конечен, то Ω состоит не менее из двух вершин.c) If the graph Γ is finite, then Ω consists of at least two vertices.

Пусть Г - граф с условием (W). Тогда на Г существует возрастающая (убывающая) функция. Каждый граф с условием (W) есть граф Кронрода-Риба гладкой функции с изолированными особенностями, заданной на поверхности.Let Γ be a graph with condition (W). Then on Γ there is an increasing (decreasing) function. Each graph with condition (W) is a Kronrod-Reeb graph of a smooth function with isolated singularities defined on the surface.

Пусть граф Г удовлетворяет условию (W), и на нем задана функция высоты g, тогда существует ориентированная поверхность М и гладкая функция ƒ с изолированными особенностями на ней, являющейся функцией высоты, у которой граф Кронрода-Риба изоморфен Г.Suppose that a graph Γ satisfies condition (W), and a function of height g is given on it, then there exists an oriented surface M and a smooth function ƒ with isolated singularities on it, which is a function of height for which the Kronrod-Reeb graph is isomorphic to G.

Граф Кронрода-Риба любой собственной гладкой функции с изолированными особенностями, заданной на поверхности (компактной или некомпактной), удовлетворяет условию (W).The Kronrod-Riba graph of any eigenfunction smooth with isolated singularities defined on the surface (compact or non-compact) satisfies condition (W).

Для того чтобы граф был графом Кронрода-Риба гладкой функцию ƒ с изолированными особенностями на некоторой поверхности необходимо и достаточно, чтобы он удовлетворял условию (W).For a graph to be a Kronrod-Reeb graph a smooth function ƒ with isolated singularities on some surface, it is necessary and sufficient that it satisfies condition (W).

Графы Кронрода-Риба позволяют рассчитать число возможных топологически различных функций Морса на сфере (Nicolaescu L.I. Counting Morse functions on the 2-sphere // Compositio Math. 144 (2008) 1081-1106), установить топологическую эквивалентность двух функций Морса, определяет эту поверхность однозначно с точностью до диффеоморфизма.The Kronrod-Reeb graphs allow one to calculate the number of possible topologically different Morse functions on a sphere (Nicolaescu LI Counting Morse functions on the 2-sphere // Compositio Math. 144 (2008) 1081-1106), establish the topological equivalence of two Morse functions, defines this surface uniquely up to diffeomorphism.

Для функции Морса, топология множества уровней связана с критическими точками и полем градиента функции. Эта связь обеспечивает возможность для формального описания поверхности в алгебраической форме. В отличие от других методов топологии, основанных, например, на деревьях Кронрода-Риба, использование комплекса Морса-Смейла обеспечивает описание двумерных и многомерных свойств поверхности, что позволяет получить представление локальной топологии гладких функций и произвести сегментацию поверхности на регионы с "однородным" полем градиента. Другими словами, геометрия гладкой поверхности отображается в простые геометрические образы (симплициальные комплексы, фиг.13), анализ которых позволяет описать структурные особенности исходной поверхности, различной размерности: нуль-, одно- и двумерные. Эти структурные особенности легко интерпретируются в геоморфологических терминах, например нульмерным объектам соответствуют вершины (пики) и впадины (ямы), одномерным - линии сети тальвегов, водоразделов, двумерным - монотонные склоны. Этим обеспечивается связь геометрических свойств через структурные особенности с геоморфологической семантикой.For a Morse function, the topology of many levels is associated with critical points and the gradient field of the function. This relationship provides an opportunity for a formal description of the surface in algebraic form. Unlike other topology methods based, for example, on Kronrod-Reeb trees, the use of the Morse-Smale complex provides a description of two-dimensional and multidimensional surface properties, which allows one to obtain a representation of the local topology of smooth functions and segment the surface into regions with a "uniform" gradient field . In other words, the geometry of a smooth surface is mapped into simple geometric images (simplicial complexes, Fig. 13), the analysis of which allows us to describe the structural features of the original surface, of different dimensions: zero, one and two-dimensional. These structural features are easily interpreted in geomorphological terms, for example, peaks (peaks) and troughs (pits) correspond to zero-dimensional objects, one-dimensional lines of a network of thalwegs, watersheds, two-dimensional - monotonous slopes. This ensures the connection of geometric properties through structural features with geomorphological semantics.

В последнее время теория Морса была распространена до кусочно-линейных функций (Gyulassy A.G. Combinatorial Construction of Morse-Smale Complexes. Dissertation Submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. University of California. 2008). Такое расширение на кусочно-линейные функции и дискретные сетки позволяет использовать теорию Морса для решения практических задач с реальными наборами данных.More recently, Morse theory has been extended to piecewise linear functions (Gyulassy A.G. Combinatorial Construction of Morse-Smale Complexes. Dissertation Submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. University of California. 2008). Such an extension to piecewise linear functions and discrete grids allows the use of Morse theory to solve practical problems with real data sets.

Критические точки функции Морса - это те точки на двумерной поверхности, где функция стационарна. Чтобы в полной мере описать функцию Морса, мы должны выделить ее структурные особенности. Для этого нужно определить векторное поле, называемое градиентом.The critical points of the Morse function are those points on a two-dimensional surface where the function is stationary. In order to fully describe the Morse function, we must highlight its structural features. To do this, you need to define a vector field called a gradient.

Градиент функции Морса - векторное поле на S2. Проинтегрируем это векторное поле, для того чтобы осуществить декомпозицию S2 на регионы с однородными потоками.The gradient of the Morse function is a vector field on S 2 . We integrate this vector field in order to decompose S 2 into regions with homogeneous flows.

Кривая l(t) называется интегральной линией ƒ, если - d ds l ( t ) = d ƒ ( l ( t ) )

Figure 00000024
для всех t∈R.The curve l (t) is called the integral line ƒ if - d ds l ( t ) = d ƒ ( l ( t ) )
Figure 00000024
for all t∈R.

Другими словами интегральная линия есть путь, для которого касательный вектор параллелен градиенту в каждой точке пути.In other words, the integral line is a path for which the tangent vector is parallel to the gradient at each point of the path.

Интегральные линии представляют поток вдоль градиента между критическими точками. В любой точке, где градиент не равен нулю, интегральную линию, проходящую через эту точку, можно найти, проследив вперед и в обратном направлении вдоль векторного поля градиента. Интегральной линии открытые 1-многообразия, а так как S2 компактно, ограничения на обоих концах существуют. Следующее определение определяет верхний и нижний предел точек интегральной линии.Integral lines represent the flow along the gradient between critical points. At any point where the gradient is not equal to zero, the integral line passing through this point can be found by tracing forward and backward along the gradient vector field. The integral lines are open 1-manifolds, and since S 2 is compact, restrictions exist at both ends. The following definition defines the upper and lower limit of the points of the integral line.

Предел lim s l ( t )

Figure 00000025
называется источником интегральной линии l(t) и обозначается org(l).Limit lim s - l ( t )
Figure 00000025
is called the source of the integral line l (t) and is denoted by org (l).

Предел lim s + l ( t )

Figure 00000026
называется приемником интегральной линии l(t) и обозначается dest(l).Limit lim s + l ( t )
Figure 00000026
is called the receiver of the integral line l (t) and is denoted by dest (l).

Интегральные линии на гладких функциях обладают следующими свойствами:Integral lines on smooth functions have the following properties:

1) две интегральные линии либо пересекаются, либо же совпадают;1) two integral lines either intersect or coincide;

2) интегральные линии покрывают все S2,2) integral lines cover all S 2 ,

3) источники и приемники интегральных линий являются критическими точками ƒ.3) sources and receivers of integrated lines are critical points ƒ.

Интегральные линии монотонны и, следовательно, org(l) ≠ dest(l). Эти свойства обеспечивают условие, что каждая точка S2 имеет ровно одну интегральную линию, проходящую через нее. Все точки на S2 могут быть классифицированы как источники или приемники.Integral lines are monotonic and, therefore, org (l) ≠ dest (l). These properties provide the condition that each point S 2 has exactly one integral line passing through it. All points on S 2 can be classified as sources or receivers.

Перечисленные свойства следуют из стандартного дифференциального исчисления.The listed properties follow from the standard differential calculus.

Интегральные линии, которые соединяют максимум и седло, или минимум и седло, называются линиями сепаратрис. В геоморфологии линии сепаратрис, которые соединяют минимумы и седла, обычно называют оврагами, или линиями долин, а те, которые соединяют седла и максимумы, называются линиями хребтов.The integral lines that connect the maximum and the saddle, or the minimum and the saddle, are called separatrix lines. In geomorphology, the lines of separatrices that connect the minima and saddles are usually called gullies, or the lines of the valleys, and those that connect the saddles and maxima are called the lines of the ridges.

Устойчивые / неустойчивые многообразия. Пусть p будет некоторой критической точкой функции ƒ:S2→R. Неустойчивое многообразие для точки p - есть множество точек, принадлежащих интегральной линии, для которой источником является p, U(p)={p}U{x∈S2|x∈im(l),org(l)=p}. Устойчивым многообразием для точки р есть множество точек, принадлежащих интегральной линии, для которой приемником является p, S(p)={p}U{x∈S2|x∈im(l), dest(l)=p}. Здесь im(l} есть отображение кривой l∈S2.Stable / unstable manifolds. Let p be some critical point of the function ƒ: S 2 → R. An unstable manifold for a point p is a set of points that belong to an integral line for which the source is p, U (p) = {p} U {x∈S 2 | x∈im (l), org (l) = p}. A stable manifold for a point p is the set of points that belong to the integral line for which p is the receiver, S (p) = {p} U {x∈S 2 | x∈im (l), dest (l) = p}. Here im (l} is the map of the curve l∈S 2 .

Устойчивое многообразие S(p) критической точки р с индексом i=i{p) есть открытая клетка размерности dim(S{p))=i.The stable manifold S (p) of the critical point p with index i = i (p) is an open cell of dimension dim (S (p)) = i.

Заметим, что неустойчивые многообразия функции ƒ являются устойчивыми многообразиями функции - ƒ, так как d(-ƒ)=-dƒ. Таким образом, два типа многообразий имеют одни и те же структурные свойства. Поэтому неустойчивые многообразия функции ƒ есть так же открытые клетки, но с размерностью dim(U(p))=2-i, где i - индекс критической точки.Note that the unstable manifolds of the function ƒ are stable manifolds of the function - ƒ, since d (-ƒ) = - dƒ. Thus, two types of manifolds have the same structural properties. Therefore, unstable manifolds of the function ƒ are also open cells, but with dimension dim (U (p)) = 2-i, where i is the index of the critical point.

Функция Морса называется функцией Морса-Смейла, если устойчивые и неустойчивые многообразия пересекаются только трансверсально. В двух измерениях, это означает, что устойчивые и неустойчивые 1-многообразия пересекаются под углами, близкими к прямым. Их точка пересечения обязательно является седлом, их пересечение в регулярной точке противоречило бы свойству 1) для интегральных линий.The Morse function is called the Morse-Smale function if stable and unstable manifolds intersect only transversally. In two dimensions, this means that the stable and unstable 1-manifolds intersect at angles close to straight lines. Their intersection point is necessarily a saddle; their intersection at a regular point would be contrary to property 1) for integral lines.

Связные компоненты U(p)∩s(q) для всех критических точек p, q∈S2 называются клетками Морса-Смейла. Речь идет о клетках измерения 0, 1 и 2, в качестве вершин, дуг и регионов соответственно.The connected components U (p) ∩s (q) for all critical points p, q∈S 2 are called Morse-Smale cells. We are talking about cells measuring 0, 1 and 2, as vertices, arcs and regions, respectively.

Набор клеток Морса-Смейла образует комплекс Морса-Смейла. Одномерный остов комплекса Морса-Смейла состоит из критических точек и линий сепаратрис. Этот остов называется критической сетью.A set of Morse-Smale cells forms a Morse-Smale complex. The one-dimensional skeleton of the Morse – Smale complex consists of critical points and separatrix lines. This skeleton is called a critical network.

Так как U(p)∩S(p)={р}, и если р≠q, то U(р)∩s(q) есть множество регулярных точек r∈S2, которые лежат на интегральных линиях l с org(l)=p и dest(l)=q. Вполне возможно, что пересечения устойчивых и неустойчивых многообразий состоит более чем из одного компонента.Since U (p) ∩ S (p) = {p}, and if p ≠ q, then U (p) ∩s (q) is the set of regular points r∈S 2 that lie on the integral lines l with org ( l) = p and dest (l) = q. It is possible that the intersection of stable and unstable manifolds consists of more than one component.

В результате пересечения устойчивых и неустойчивых многообразий отображенных каждая вершина комплекса Морса-Смейла является критической точкой, каждая дуга составляет половину от стабильного или нестабильного 1-многообразия седла, и каждый регион является одним из компонентов пересечения стабильного 2-многообразия максимума, а нестабильный 2-многообразия минимума.As a result of the intersection of the stable and unstable manifolds mapped, each vertex of the Morse-Smale complex is a critical point, each arc is half of the stable or unstable 1-manifold of the saddle, and each region is one of the components of the intersection of the stable 2-manifold of the maximum, and the unstable 2-manifold minimum.

Отметим, что каждая ячейка комплекса Морса-Смейла имеет простую геометрию - практически монотонная функция, хорошо аппроксимируемая полиномиальным уравнением.We note that each cell of the Morse – Smale complex has a simple geometry — an almost monotonic function that can be well approximated by a polynomial equation.

Ячейки комплекса Морса-Смейла триангулируются для перехода к симплициальным комплексам - комбинаторной основе алгебраической топологии (Понтрягин Л.С. Основы комбинаторной топологии. - М.: Наука, 1976. - 136 с.). Если дан линейно независимый набор из k+1-ой точки {е0,…,ek}∈Rk, то выпуклая оболочка, построенная на этих точках, называется k-ым симплексом. Точки из множества точек называются вершинами. На фиг.14 приведены все симплексы малой размерности для 0≤k≤3.The cells of the Morse – Smale complex are triangulated to go over to simplicial complexes — the combinatorial basis of algebraic topology (L. Pontryagin, Fundamentals of combinatorial topology. - M.: Nauka, 1976. - 136 pp.). If a linearly independent collection of k + 1-st points {e 0 , ..., e k } ∈R k is given , then the convex hull constructed on these points is called the k-th simplex. Points from a set of points are called vertices. On Fig shows all simplexes of small dimension for 0≤k≤3.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

Способ картографического отображения двухмерных распределений, заданных в цифровой форме, включает преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит. При оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами - разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака. Построение рельефа местности выполняют путем интерполяции точек высот и/или глубин в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов, путем построения двумерной сплайн-функции, определяемой как тензорное произведение одномерных сплайнов.The method of cartographic display of two-dimensional distributions defined in digital form includes converting images of discrete graphic distributions into a continuous grayscale form with their further presentation in the form of isolines - excidence. In optical modeling, digital values of a sign are encoded at a given point on the tablet with optical symbols - different-sized spots with an optical density proportional to the value of the sign. The construction of the terrain is performed by interpolating the points of heights and / or depths in the form of two-dimensional irregular rational fundamental splines, by constructing a two-dimensional spline function, defined as the tensor product of one-dimensional splines.

При построении рельефа местности определяют итерирующие функции и вейвлеты для представления фрактального рельефа, путем формирования для кусочно-линейной поверхности графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла, при этом выполняют упрощения кусочно-линейной поверхности с использованием полученной для нее структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла; оценку фрактальных параметров рельефа на основе заданных структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла.When constructing the terrain, iterative functions and wavelets are determined to represent the fractal terrain, by forming the Kronrod-Rieb graph and Morse-Smale complexes for the piecewise-linear surface, while simplifying the piecewise-linear surface using the Kronrod-Rieb graph structures obtained for it and Morse-Smale complexes; estimation of fractal relief parameters based on the given structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes.

Представления рельефа с помощью IFS и вейвлетов позволяют осуществить:Representation of the relief using IFS and wavelets allows you to:

двоичную генерализацию поверхности, заданную на регулярной сетке точек;binary surface generalization defined on a regular grid of points;

имитацию увеличения масштаба разрешения исходной информации;imitation of increasing the scale of resolution of the source information;

выявление резких перепадов значений функции;identification of sudden changes in function values;

вычисление фрактальных параметров функции;calculation of fractal parameters of a function;

фильтрацию "шума".noise filtering.

Основные алгоритмы программно-математического обеспечения позволяют:The basic algorithms for software and mathematics allow:

восстановить рельеф по дискретным измерениям;restore relief from discrete measurements;

решить обратную задачу IFS;solve the inverse IFS problem;

выбрать оптимальные непрерывные и дискретные семейства вейвлетов для представления рельефа.choose the optimal continuous and discrete wavelet families to represent the relief.

Методы описания рельефа с помощью функций Морса, графов Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла обеспечивают возможность:Methods for describing the relief using Morse functions, Kronrod-Reeb graphs, and Morse-Smale complexes provide the ability to:

топологического кодирования форм рельефа;topological coding of relief forms;

картографической генерализации;cartographic generalization;

распознавания геоморфологических объектов;recognition of geomorphological objects;

формальной классификации геоморфологических объектов;formal classification of geomorphological objects;

замощения поверхности рельефа семейством параметризованных (полиномиальных) функций, заданных на клетках Морса-Смейла;tiling the surface of the relief with a family of parametrized (polynomial) functions defined on Morse-Smale cells;

иерархически оценивать степень сходства двух карт рельефа, представляющих одну область, в одном или разных масштабах;hierarchically assess the degree of similarity of two elevation maps representing the same area, at the same or different scales;

оценки достоверности выделенных форм рельефа с учетом погрешности и мощности исходной информации;assessment of the reliability of the selected relief forms, taking into account the error and power of the source information;

оценки степени достаточности набора точечных измерений для восстановления рельефа с заданной подробностью.assess the degree of sufficiency of a set of point measurements to restore the relief with a given detail.

Для осуществления перечисленных возможностей разработан следующий перечень основных алгоритмов:To implement these features, the following list of basic algorithms is developed:

восстановления рельефа по дискретным измерениям с использованием топологических;relief reconstruction from discrete measurements using topological;

формирования графа Кронрода-Риба для кусочно-линейной поверхности;the formation of the Kronrod-Reeb graph for a piecewise linear surface;

формирования комплексов Морса-Смейла для кусочно-линейной поверхности;the formation of Morse-Smale complexes for a piecewise linear surface;

упрощения кусочно-линейной поверхности с использованием полученных для нее структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла;simplification of a piecewise linear surface using the structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes obtained for it;

оценку фрактальных параметров рельефа на основе заданных структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла.estimation of fractal relief parameters based on the given structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes.

Выбранные формулировки постулатов описывают самую простейшую структуру поверхности, однако это не является ограничением. Вполне возможно перейти к более сложным конструкциям, например разрешить существование "пещер", "тоннелей" и т.п. Аппарат топологии остается вполне адекватным и в этом случае, только необходимо применять более сложную технику алгебраической топологии - теорию гомологии.The selected postulate formulations describe the simplest surface structure, but this is not a limitation. It is quite possible to move on to more complex structures, for example, to allow the existence of "caves", "tunnels", etc. The apparatus of topology remains quite adequate in this case, it is only necessary to apply a more complex technique of algebraic topology - the theory of homology.

Предлагаемый способ реализуется на элементной базе микропроцессорной техники, видеоплоттеров и видеопланшетов, информационно соединенных с измерительной аппаратурой параметров рельефа морского дна и т.д.The proposed method is implemented on the elemental basis of microprocessor technology, video plotters and video plates, information connected with the measuring equipment of the parameters of the relief of the seabed, etc.

Например, блок управления выполнен на основе микропроцессоров семейства AVR фирмы АТМЕС со специальным программным обеспечением, позволяющим осуществлять ввод/вывод информации и преобразование сигналов от нескольких навигационных датчиков (приборов), например эхолота, который представляет собой многолучевой эхолот типа «R2Sonic 2022» с центральным лучом 1 градус, высокочастотного профилографа, который представляет собой профилограф с линейно-частотной модуляцией типа «Chirp», гидролокаторов бокового обзора, которые представляют собой батиметрический гидролокатор типа «Benthos C3D» с шириной полосы обзора 1,2 км, а блок преобразования картографической информации выполнен на основе микропроцессора DSP - процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы «UCLinux».For example, the control unit is made on the basis of microprocessors of the ATMES AVR family with special software that allows input / output of information and conversion of signals from several navigation sensors (instruments), for example, an echo sounder, which is a multi-beam echo sounder of the R2Sonic 2022 type with a central beam 1 degree, a high-frequency profilograph, which is a Chirp-type linear frequency modulation profilograph, side-scan sonars, which are batim an insulating sonar type «Benthos C3D» with a swath width of 1.2 km, and the unit conversion map information is based on a microprocessor DSP - processor running embedded «UCLinux» operating system.

Микропроцессор на основе DSP-процессора является устройством, обеспечивающим программную и аппаратную интеграцию отдельных блоков, входящих в состав аппаратных средств. Микропроцессор позволяет выполнять операции над 32-разрядными числами в формате с плавающей запятой, что обеспечивает точность вычислений, достаточную для решения большинства задач управления и преобразования данных. Тактовая частота процессора составляет 400 МГц. Помимо процессора в состав блока преобразования картографической информации входят микросхемы памяти SDRAM, микросхемы памяти flash, микросхемы интерфейсов ввода-вывода. Такое построение системы позволяет решать в реальном времени сложные вычислительные задачи, большой объем оперативной памяти системы позволяет осуществлять реализацию ресурсоемких алгоритмов.A microprocessor based on a DSP processor is a device that provides software and hardware integration of the individual units that make up the hardware. The microprocessor allows you to perform operations on 32-bit numbers in a floating point format, which ensures the accuracy of calculations sufficient to solve most control and data conversion tasks. The processor clock speed is 400 MHz. In addition to the processor, the cartographic information conversion unit includes SDRAM memory microcircuits, flash memory microcircuits, and input-output interface microcircuits. Such a system construction allows real-time complex computational tasks to be solved; a large amount of system RAM allows the implementation of resource-intensive algorithms.

Источники информацииInformation sources

1. Авторское свидетельство SU №365562, 1970.1. Copyright certificate SU No. 365562, 1970.

2. Авторское свидетельство SU №640113, 1978.2. Copyright certificate SU No. 640113, 1978.

3. Патент RU №2079891.3. Patent RU No. 2079891.

4. Берлянт A.M. Картография. - М.: Аспект Пресс, 2002. - 336 с.4. Berlyant A.M. Cartography. - M.: Aspect Press, 2002 .-- 336 p.

5. Суворов С.Г., Дворецкий Е.М., Коваленко С.А. Методика создания цифровых моделей рельефа повышенной точности // Информация и космос. №1, 2005. - С.52-54.5. Suvorov S. G., Dvoretsky E. M., Kovalenko S. A. The technique of creating digital elevation models of high accuracy // Information and space. No. 1, 2005. - S.52-54.

6. Патент №2415381.6. Patent No. 2415381.

7. Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. - М.: Физматлит, 2002. - 472 с.7. Golovanov N.N. Geometric modeling. - M .: Fizmatlit, 2002 .-- 472 p.

8. Квасов Б.И. Методы изогеометрической аппроксимации сплайнами. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2006. - 416 с.8. Kvasov B.I. Methods of isogeometric approximation by splines. - M.-Izhevsk: Research Center “Regular and Chaotic Dynamics”, Institute for Computer Research, 2006. - 416 p.

Claims (1)

Способ картографического отображения двухмерных распределений, заданных в цифровой форме, включающий преобразование изображений дискретных графических распределений в непрерывную полутоновую форму с дальнейшим их представлением в форме изолиний - эксинденсит, в котором при оптическом моделировании кодируют цифровые значения признака в заданной точке планшета оптическими символами - разновеликими пятнами с оптической плотностью, пропорциональной величине признака, построение рельефа местности выполняют путем интерполяции точек высот и/или глубин в виде двумерных нерегулярных рациональных фундаментальных сплайнов путем построения двумерной сплайн-функции, определяемой как тензорное произведение одномерных сплайнов, отличающийся тем, что при построении рельефа местности определяют итерирующие функции и вейвлеты для представления фрактального рельефа путем формирования для кусочно-линейной поверхности графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла, при этом выполняют упрощения кусочно-линейной поверхности с использованием полученных для нее структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла; оценивают фрактальные параметры рельефа на основе заданных структур графа Кронрода-Риба и комплексов Морса-Смейла. A method for cartographic display of two-dimensional distributions defined in digital form, which includes converting images of discrete graphic distributions into a continuous grayscale form with their further representation in the form of isolines - excidence, in which optical modeling encodes digital values of a sign at a given point on the tablet with optical symbols - different-sized spots with optical density proportional to the value of the feature, the construction of the terrain is performed by interpolating points in heights and / or depths in the form of two-dimensional irregular rational fundamental splines by constructing a two-dimensional spline function, defined as the tensor product of one-dimensional splines, characterized in that when constructing the terrain, iterative functions and wavelets are defined to represent the fractal relief by forming a piecewise-linear surface the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes, while simplifying a piecewise linear surface using the graph structures obtained for it ronroda Riba and complexes Morse-Smale; The fractal parameters of the relief are estimated based on the given structures of the Kronrod-Reeb graph and Morse-Smale complexes.
RU2011152603/28A 2011-12-22 2011-12-22 Method for cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form RU2484427C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011152603/28A RU2484427C1 (en) 2011-12-22 2011-12-22 Method for cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011152603/28A RU2484427C1 (en) 2011-12-22 2011-12-22 Method for cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2484427C1 true RU2484427C1 (en) 2013-06-10

Family

ID=48785788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011152603/28A RU2484427C1 (en) 2011-12-22 2011-12-22 Method for cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2484427C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2583851C2 (en) * 2011-11-11 2016-05-10 Александр Федорович Мольков Unmanned mobile system
RU2681376C1 (en) * 2014-05-30 2019-03-06 Кейтерпиллар Оф Острейлиа Пти Лтд Display of elevations of a mining development relief

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU640113A1 (en) * 1975-11-11 1978-12-30 Golbrajkh Isaak G Method of cartographic displaying of two-dimensional distributions presented in digital code
RU2004107164A (en) * 2004-03-10 2005-09-27 Юрий Николаевич Жуков (RU) METHOD FOR MAPPING
RU2415381C1 (en) * 2010-01-12 2011-03-27 Сергей Борисович Курсин Method of cartographic representation of bivariate distributions set in digital form

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU640113A1 (en) * 1975-11-11 1978-12-30 Golbrajkh Isaak G Method of cartographic displaying of two-dimensional distributions presented in digital code
RU2004107164A (en) * 2004-03-10 2005-09-27 Юрий Николаевич Жуков (RU) METHOD FOR MAPPING
RU2415381C1 (en) * 2010-01-12 2011-03-27 Сергей Борисович Курсин Method of cartographic representation of bivariate distributions set in digital form

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2583851C2 (en) * 2011-11-11 2016-05-10 Александр Федорович Мольков Unmanned mobile system
RU2681376C1 (en) * 2014-05-30 2019-03-06 Кейтерпиллар Оф Острейлиа Пти Лтд Display of elevations of a mining development relief

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Digital terrain modeling: principles and methodology
Hengl et al. Mathematical and digital models of the land surface
Gao et al. Fractals in physical geography
CN102737542B (en) Automatic water depth annotation selection method with consideration of multi-restriction conditions
Jordan Digital terrain analysis in a GIS environment. Concepts and development
Hilton et al. River reconstruction using a conformal mapping method
Zakaria et al. Fuzzy B-Spline surface modeling
RU2484427C1 (en) Method for cartographic display of two-dimensional distributions given in digital form
Gold Spatial context: an introduction to fundamental computer algorithms for spatial analysis
CN116912441A (en) Ocean hydrological meteorological data-oriented visualization method, device and medium
Ali New methods for positional quality assessment and change analysis of shoreline features
Spagnuolo Shape-based Reconstruction of Natural Surfaces: an Application to the Antarctic Sea Floor
KR20230082185A (en) 3D visualization system and method for river topography using image having high resolution and LiDAR point cloud data
Sergienko et al. New information operators in mathematical modeling (a review)
Sulebak et al. Multiresolution spline models and their applications in geomorphology
RU2415381C1 (en) Method of cartographic representation of bivariate distributions set in digital form
Florinsky et al. Three-dimensional desktop morphometric models for the Arctic Ocean floor
Lau et al. Sea floor bathymetry trackline surface fitting without visible artifacts using ODETLAP
JP2000029384A (en) Treatment of geomorphological information data
McGrath et al. Generation of 2D riverbed topography for digital elevation models using 1D cross-section data
Maguire et al. Principles and Applications
Croft Interpolating Beach Profile Data Using Linear and Non-linear Functions
Bilderback Coastal Inundation Modeling for Coastal Georgia Through Automated Unstructured Finite Mesh Generation
Chen et al. Integrating topographic features and patch matching into point cloud restoration for terrain modelling
van Opstal et al. Rule-based isobath generalisation using the Triangle Region Graph: uniting soundings, isobaths and constraints through a navigational surface