Данные, накапливаемые человечеством о реальных объектах и
событиях нашего мира, в той или иной мере содержат так называемую
"пространственную" составляющую. Даже, если мы говорим о гражданах нашего
государства, то существующая прописка гарантирует "привязку" каждого
гражданина к определённому почтовому адресу, который, как известно, связан
с жилым домом, имеющим точное положение на территории города.
Пространственный аспект в информации имеют здания и сооружения, земельные
участки, водные, лесные и другие природные ресурсы, транспортные
магистрали и инженерные коммуникации. Аварии на коммуникациях,
следовательно, также связаны с определённой точкой в пространстве.
Движущийся или покоящийся на дороге автомобиль, движущийся поезд, летящий
самолёт и плывущий пароход, перемещаемая деталь на территории заводского
цеха имеют координаты на земной поверхности. Следовательно, и вся
информация по этим и другим ранее названным объектам имеет постоянные или
переменные пространственные координаты.
Нельзя найти реальный материальный объект или событие, связанное с
объектом, которые бы не имели координат на поверхности Земли и которые
нельзя было бы отобразить на карте. И всем известно, что карта - это очень
наглядный способ описания некоторой территории.
В наше уже довольно основательно компьютеризированное время - когда
компьютеризируется даже чайник, было бы удивительно, если бы компьютеры не
использовались и для отображения карт.
Если каждому из нас интересно работать с бумажной картой (вспомните, как
Вы часами исследовали атлас мира), то с компьютерной картой - интуитивно
ясно - должно быть работать не менее интересно. Но на самом деле карта в
компьютере приобретает по сравнению с картой бумажной много дополнительных
и полезных свойств. Конечно, её можно легко масштабировать на экране
компьютера, двигать в разные стороны, рисовать и уничтожать объекты,
печатать в привлекательном виде любые фрагменты территории и т.п. Однако
компьютерная карта, которую профессионалы в этой области называют
"цифровой" (или "электронной"), обладает и другими свойствами. Например,
можно запрещать (или разрешать) по желанию к выводу на экран определённого
класса объекты. Выбрав объект мышью, можно запросить компьютер выдать
атрибутивную информацию об этом объекте (например, высоту и площадь дома,
год постройки, цвет волос прораба, руководившего постройкой и др.).
Существуют и операции другого рода; дать программе команду погасить на
экране все объекты, кроме тех, которые удовлетворяют определённым
условиям. К примеру, оставить на экране только здания, сложенные из
кирпича, построенные до 1956 года и которые строила какая-нибудь
организация "Машстроймонтаж".
Однако и это не всё. Поскольку по каждому объекту, отображённому на
цифровой карте, в памяти компьютера хранится атрибутивная (описательная)
информация, то её можно обработать, например, статистическими методами и
отразить результаты такого анализа, непосредственно "наложив" их на карту.
Карта может раскраситься в различные цвета в зависимости от значения
параметра, относящегося к определённому участку отображаемой территории.
Так получаются карты, которые мы знаем в бумажном виде как тематические. С
компьютерной обработкой "лёгким движением руки" можно получить любого вида
тематические карты без труда.
Результаты статистической обработки информации, будучи наложенными,
например, на карту города, позволяют выявить некоторые весьма полезные
закономерности. Так, представляет большой интерес для соответствующих
служб распределение болезней по районам города, кварталам и даже жилым
домам. Совмещение результатов анализа с экологической картой, картой
энергетических потоков биогенного характера и др. позволяет находить
взаимосвязи между причинами (факторами) и следствиями (болезнями), более "адресно"
выяснять причины локализации заболеваний на конкретном участке территории.
Другой пример: распределение цен на объекты недвижимости сильно зависит
физических характеристик объекта (план, материал стен, площадь), а также
от того, в какой части города находится эта недвижимость, как далеко она
расположена от центров влияния (крупных транспортных узлов, торговых
центров), каковы экологические условия в данном районе, геологическая
обстановка и т.д. Риэлторские фирмы ведут по каждому объекту недвижимости
базы данных с характеристиками. Построив карту распределения цен на жильё,
местной власти можно осуществлять продуманные меры по регулированию рынка
недвижимости.
Выигрывают от использования цифровой карты и инженерные службы. Они могут
записывать по каждому элементу инженерных коммуникаций разнообразную
описательную информацию (вплоть до схем), и затем со знанием дела
манипулировать ею. Нанесение на карту города информации о местах
проявления аварий инженерных коммуникаций, их характере, частоте и т.д.
позволяет выявить, какого рода факторы, связанные с территорией, приводят
к повышенной аварийности коммуникаций.
В среде ГИС удобно отображать генпланы заводов, поэтажные планы цехов,
помещений, технологические схемы движения изделий между технологическими
подсистемами, моделирование технологических процессов, развёрнутых в
пространстве и т.п.
Определение ГИС
Информационные системы, призванные обеспечить эффективную обработку
информации о территории (объектах на территории), называются
геоинформационными системами (ГИС). Таким образом, ГИС - это
информационная система, предназначенная для сбора, хранения, поиска и
манипулирования данными о территориальных объектах.
Модель данных ГИС
В определённом смысле в основе построения ГИС лежит СУБД. Однако,
вследствие того, что пространственные данные и разнообразные связи между
ними плохо описываются реляционной моделью, полная модель данных в ГИС
имеет сложный смешанный характер. Пространственные данные специальным
образом организованы, и эта организация не базируется на реляционной
концепции. Напротив, атрибутивная информация объектов (называемая ещё
"семантической") вполне удачно может быть представлена реляционными
таблицами и соответствующим образом обрабатываться.
Однако, поскольку в ГИС графические объекты связаны с табличными данными,
то как графику, так и семантику нужно одновременно и в то же время
эффективно обрабатывать, что усложняется и гигантскими объёмами
информации. Становится понятным, что создание хорошей ГИС - процесс весьма
непростой, требующий приложения очень больших усилий и использования
новаторских решений.
Симбиоз двух моделей данных, лежащих в основе представления
пространственной и семантической информации в ГИС, называется
геореляционной моделью. Именно по причине сложной в целом модели данных в
ГИС, а также из-за сложности процедур обработки этих данных, можно
утверждать, что сегодняшний передний край в исследованиях новых подходов к
проблеме построения эффективных моделей данных лежит именно в области
геоинформатики.
Сильная ориентация ГИС на анализ и моделирование территориальных процессов
разнит их с САПР. Последние также призваны обрабатывать пространственную
информацию, однако, "центр тяжести" в них лежит в основном именно в
пространственном моделировании. Тогда как ГИС кроме этого (и даже в
большей степени) ориентирована на использование богатых средств
статистического анализа и имитационного моделирования пространственных
процессов.
Области применения векторных ГИС
Каждый из нас представляет, что на практике специалистами изготавливаются
карты разных масштабов. Мелкомасштабными называются такие карты, где
мелкие объекты не отображаются по причине своей пространственной малости.
Например, карта всей планеты Земля (М1:5000000) - самая мелкомасштабная.
Напротив, на крупномасштабных картах даже небольшие объекты видны во всех
подробностях. Такие карты называют топопланами (М1:2000, М1:500), и чаще
всего их используют для описания территории населённых пунктов, поскольку
на таких топопланах можно с успехом отображать земельные участки, здания и
сооружения, инженерные коммуникации с колодцами и даже столбы и отдельные
деревья. Существуют карты и посложнее; генплан завода масштаба М1:500 -
это ещё более насыщенная карта, чем карта городская. В мелкомасштабных
картах, вообще говоря, серьёзных проблем с отображением и анализом не
возникает. А вот в крупномасштабных - сплошь и рядом разработчик ГИС
попадает в сложные ситуации, требующие принятия ответственных решений. В
дальнейшем мы увидим, какие есть способы преодоления или снижения масштаба
трудностей при реализации ГИС. А пока поговорим о применениях ГИС.
Дежурство городских топопланов крупного масштаба.
Различные городские учреждения занимаются так называемым "дежурством"
топопланов крупного масштаба (как правило, от М1:10000 до М1:500). Именно
на такие топопланы каждодневно вносятся (дежурятся) различные обозначения
объектов, имеющихся на территории города. Любое изменение в проведении
инженерных коммуникаций, расположении и форме земельных участков, создании
и реконструкции других объектов недвижимости, проводится на городских
топопланах. В основном этим занимаются управления архитектуры и
градостроительства, а в аспекте земельных участков - земельные комитеты.
Цифровые топопланы крупных масштабов М1:2000 и особенно М1:500 столь
сложны и перегружены деталями, что частые "подтирания" бумажных топопланов
и подрисовки приводят, в конце концов, к тому, что работать с ними
топопграфам и геодезистам становится невозможным. Использование ГИС
позволяет решить эту проблему, т.к. дежурство в компьютере позволяет в
любой момент распечатать любой топоплан не только в чистовом виде - без
помарок, но и сделать это в цвете.
Транспортная задача.
Те, кто является счастливым обладателем автомобиля, наверняка имеет в
салоне атлас дорог. Конечно, такой атлас - мелкомасштабный, но всё равно
его можно было бы заменить компьютером, на дисплее которого этот атлас
можно было бы наблюдать даже в процессе движения. Современные ГИС могут
решать много транспортных задач.
Например, можно поставить перед ГИС задачу найти оптимальный в
соответствии с некоторым критерием маршрут между пунктами А и Б. К
примеру, показать маршрут с минимальной длиной пути. Если по атласу дорог
области такая задача, вообще говоря, решается и просто "на глаз", то в
крупном городе ситуация может быть иной. В крупных городах проехать из
одной точки города в другую может оказаться столь сложной проблемой, что с
учётом дорожных знаков выискивать кратчайший путь придётся долго.
Дополнительный элемент сложности вносят дорожные пробки. Если бы в городе
существовала развитая информационная система на основе ГИС, и в эту
систему ГИБДД оперативно вносила бы информацию о поставленных знаках, а
постовые на напряжённых участках дороги информировали бы систему (через
диспетчерскую, например) о состоянии потока машин, то поиск кратчайшего
пути с помощью ГИС стал бы вполне реализуемым.
Ещё один пример из области "ГИС и автомобиль". Сегодня уже имеются такие
спутниковые системы (GPS - США, ГЛОНАСС - Россия), благодаря сигналам от
которых небольшие специальные наземные приёмники легко могут показывать
координаты своего местонахождения. Если приёмник GPS связать с
автомобильной ГИС, на которой отображена карта, то водителю на экране
автомобильного компьютера можно наблюдать своё местоположение и
направление движения. Если в ГИС ещё и задан планируемый маршрут, то весь
такой комплекс может даже предупреждать водителя, когда ему нужно свернуть
и куда…
Сегодня уже только наличие некоторой суммы денег определяет, сможет ли
милиция поставить на каждый свой автомобиль GPS--приёмник с радиостанцией
и наблюдать на экране компьютера с ГИС и картой региона (города)
местонахождение и направление движения всех своих боевых расчётов. Ту же
задачу могут решать инкассаторские службы или просто богатые люди, с
интересом рассматривающие у себя дома на экране компьютера место, где
находится в настоящий момент их угнанный Мерседес.
Легко представить, как комфортно чувствуют себя сегодня штурманы кораблей
(в т.ч. речных), самолётов, где есть GPS-приёмник и ГИС с картой морей и
рек. Нет никакой нужды определять своё местоположение по звёздам. С
помощью GPS объект может определить свои координаты на местности с
погрешностью от сотен метров до миллиметров (стоимость таких приёмников,
конечно, разная - от десятков долларов до десятков тысяч).
То, что GPS-приёмники стали так же распространены, как и радиоприёмники,
говорит тот факт, что уже многие туристы берут их с собой в походы. А в
Ростовской области несмотря на скрытность, был изловлен американский
"шпион", определявший своё местонахождение с помощью подобного приборчика.
Заблудился, но не подумал, что у нас в России пока запрещено использовать
GPS простым гражданам, чем себя и выдал. Очевидно, что хвалёные западные
технологии бессильны против наших отечественных служб.
Имитационное моделирование процессов на территории.
Примером муниципальной ГИС (хотя и очень упрощённой) можно считать игру
SimCity, где играющий строит город, а программа имитационного
моделирования территории показывает состояние различных городских служб и
ресурсов (в том числе людских). SimCity, игры Warcraft, StarCraft, Dune,
различные симуляторы полётов на авиационной технике, езда на танках (Abrams)
- всё это примеры простых ГИС. Поэтому с ГИС знакомы все, только иногда не
знают об этом.
Городская ГИС будущего будет позволять не только получать по запросу
семантическую информацию об объектах на карте, но и прогнозировать
развитие территории, позволять руководству города проигрывать варианты
директивных решений, возможного строительства нового района города и т.п.
При этом ГИС вместе с системой имитационного моделирования сможет показать
градостроителям, как перераспределятся нагрузки в городских инженерных
сетях, мощность транспортных потоков, как изменится цена объектов
недвижимости в зависимости от проведения дополнительных магистралей или
постройки нового торгового центра в том или ином районе.
Проблема моделирования инженерных сетей стоит перед многими городскими
службами. В некоторых случаях решение модельных задач с инженерными
коммуникациями схоже с решением транспортных задач. Однако, наиболее
сложными являются задачи моделирования физических процессов, протекающих в
инженерных сетях. Особенную трудность представляет моделирование
нестационарных процессов в газо- и водопроводных (тепловых) сетях. Здесь и
проблемы расчёта гидроудара, в определённых случаях способного создать
аварийные ситуации, и задача определения времени опорожнения отключенного
трубопровода и определение ударных нагрузок при переключениях. В заводских
условиях эти процессы могут создавать опасные аварийные ситуации.
ГИС вместе с моделью территории, дополненной моделями физических
процессов, протекающих в коммуникациях, за счёт моделирования могут
облегчить жизнь многим службам.
Отображение многоуровневых структурных схем.
На цифровых картах, особенно крупного масштаба, отображается большое
количество объектов различного типа. При этом многие из них отображаются в
виде символов. Следовательно, ГИС как и любую развитую графическую
систему, можно использовать для рисования различных структурных схем,
например, принципиальных электрических схем. При этом по каждому
нарисованному объекту можно заносить семантическую информацию, получаемую
пользователем по запросу. Фактически схемы инженерных сетей и представляют
собой структурные схемы, которые распределены в метрическом пространстве.
Абстрактная карта: отображение многомерных данных.
Различные многомерные данные, которые являются предметом, например,
кластерного анализа, также могут отображаться в ГИС. Определившись с
двумя-тремя независимыми переменными, можно "направить" их по координатным
осям в некотором абстрактном метрическом пространстве и отображать
удивительные карты распределения зависимых величин как точки (объекты) в
этом пространстве.
Моделирование рынка недвижимости.
Прямой коммерческий интерес для риэлторских фирм, а также для городской
власти, представляет моделирование рынка недвижимости, поскольку
недвижимость распределена по территории города, и её (недвижимости)
рыночная цена определяется многими факторами, имеющими пространственный
аспект (например, транспортная доступность и близость к различным центрам
влияния).
Статистический анализ.
Статистический анализ вследствие своей общности может дать много более
полезные результаты, если будет реализован в среде ГИС, а его результаты
будут отображаться непосредственно на цифровой карте страны, области,
города, района или квартала.
Возможности ГИС в плане анализа пространственной информации так велики,
что только лишь одно их перечисление способно занять десятки страниц.
Объёмы статьи не позволяют перечислить их даже частично. Разумнее отослать
читателей к специальной литературе. Проще всего сделать соответствующие
запросы в Internet.
АРХИТЕКТУРА ГИС
Организация пространственных данных
Данные в ГИС организуются различными способами. Наиболее распространённым
является послойный принцип. Не будем пояснять его, так как он имеет тот же
смысл, что и слой в общеизвестных системах AutoCAD или MicroStation.
Более перспективным является бесслоевой объектно-ориентированный подход к
представлению объектов на цифровой карте. В соответствии с ним объекты
входят в классификационные системы, которые отражают определённые
логические отношения между объектами предметных областей. Группировка
объектов разных классов для разных целей (отображения или анализа)
производится более сложным способом, однако, объектно-ориентированный
подход более близок к характеру человеческого мышления, чем послойный
принцип. Следование ему ведёт к более продуктивным построениям данных в
ГИС при решении самых сложных задач. Граница сложности задач, решаемых с
помощью простой "послойной" технологии организации данных ГИС, лежит
значительно ниже, чем при использовании объектно-ориентированной
технологии.
К сожалению, объектно-ориентированных ГИС очень мало. Одним из редких
представителей систем этого класса является ГИС SmallWorld. Среди
отечественных таких ГИС, насколько известно авторам, вообще нет.
Чтобы не перегружать данную статью специальными терминами, мы не будем
подробно рассматривать очень важный для ГИС-технологий вопрос, связанный с
пространственными топологическим отношениями между объектами,
отображаемыми на цифровой карте. ГИС, не поддерживающая топологические
отношения между объектами, нельзя назвать серьёзной геоинформационной
системой, поскольку в этом случае множество аналитических возможностей ГИС
просто нереализуемы с необходимой эффективностью. Однако, это тема для
другой статьи.
Внутреннее устройство ГИС
При создании инструментальных геоинформационных систем общего назначения
перед коллективом разработчиков сразу же возникает множество проблем, как
технологических, так и концептуальных.
Первая задача - определение концепции новой системы: основных понятий,
которые будут лежать в основе ГИС, а также объектов и процедур обработки
информации, на основе которых будет строиться система. Подходить к решению
этой задачи необходимо очень ответственно, так как именно концепция
будущей системы и совершенство модели данных определят её успех и
живучесть на рынке. При этом разработчику приходится учитывать множество
факторов - достоинства и недостатки концепций уже существующих систем,
постоянно изменяющиеся требования со стороны прикладных задач, которые
должна будет решать система, изменения в информационных технологиях и
многое другое.
После определения концепции новой системы и базового набора её
функциональных возможностей во весь рост встают технологические проблемы;
как сделать так, чтобы а) система работала быстро с большими и даже
гигантскими объемами данных; б) корректно работала в локальной сети при
совместной работе многих пользователей; в) предоставляла возможность
распределенной обработки данных в масштабе территории (например, многих
организаций в городе), и множество других вопросов.
Попробуем последовательно рассмотреть указанные проблемы и варианты их
решений, на примере отечественной муниципальной ГИС "ИнГео", разработанной
в г.Уфе специально для работы с крупномасштабными топопланами городов. В
других системах архитектурные проблемы могут быть решены иначе.
Определение концепции системы
При разработке концепции ГИС нужно определиться с принципиальным выбором:
-
взять за основу архитектуру одной из существующих систем и в дальнейшем
приступить к её "улучшению", создавая свою версию архитектуры (другими
словами, заняться определённым копированием чужих идей);
-
взяться за разработку принципиально новой архитектуры, не имеющей
аналогов.
Оба подхода имеют и достоинства, и недостатки. В первом случае самой
серьёзной проблемой является перспектива "изобретения велосипеда", и если
его рыночная цена ещё и не очень сильно уступает цене других аналогичных
систем, добившихся успеха на рынке, то новой ГИС суждено так и остаться в
аутсайдерах. Основная причина неудачи - отсутствие в реализованном
продукте технологической новизны в необходимом масштабе.
Второй путь позволяет создать, возможно, удивительный продукт, но
существует опасность в его самобытности переборщить настолько, что
потребителю будет непонятна вся глубина подхода, да и конкуренты
постараются испортить впечатление от продукта. Только немалые вложения в
разъяснения и рекламу способны позволить продукту завоевать рынок.
Усложнить дело могут ошибки, связанные отладкой новой технологии. Таким
образом, основной недостаток второго пути - прямая противоположность
статичности - чрезмерная революционность.
Здравый смысл подсказывает, что целесообразно избрать в качестве
руководства к действию "золотую середину", с которой связан эволюционный
подход. В соответствии с ним до разработки необходимо проанализировать
состояние технологий в предметной области, для которой создаётся ГИС,
выявить проблемы, которые требуют своего быстрейшего решения, ознакомиться
с существующими архитектурами ГИС, определить их недостатки и разработать
новую архитектуру (концепцию) ГИС, избавленную от недостатков, осложняющих
эффективное решение наиболее важных проблем предметной области.
Следование эволюционному подходу может привести к появлению такого
продукта, в котором есть немало новаторских решений, который удобен в
работе, позволяет решать задачи предметной области и не слишком шокирует
пользователей, имеющих опыт работы с другими геоинформационными системами.
Геоинформатика - весьма молодая область, если учитывать, что первые
достаточно серьёзные технологии в этой области появились в последнее
десятилетие (однако первые системы, относимые к ГИС, - возникли примерно
25-30 лет назад). Основным недостатком большинства существующих на сегодня
инструментальных ГИС является недостаточная продуманность в подходе к
формированию цифровой карты как существенно нереляционной модели данных.
Если рассматривать чисто предметный аспект, то, как правило, структура
карты представляется линейным списком слоев. Пользователям таких систем
достаточно создать один слой и можно сразу приступать к наполнению
электронной карты пространственными объектами. Через некоторое время
появляется красивая электронная карта участка территории и появляется
иллюзия, что работы ведутся в нужном направлении. Лишь по прошествии
некоторого времени пользователи начинают понимать, что все созданное
является лишь картинкой, не столько подготовленной к автоматизированному
анализу, сколько просто копирующей бумажные карты.
Для адекватного отражения объектов реального мира концепции слоев
недостаточно - необходим современный объектно-ориентированный подход. При
использовании инструментальных ГИС, реализующих такой подход, создание
электронных карт начинается с анализа тех объектов реального мира, которые
будут присутствовать в электронной карте. По результатам анализа при
помощи объектно-ориентированных средств ГИС формируется классификация
объектов, и лишь затем начинается наполнение электронной карты
экземплярами пространственных объектов.
При проектировании современной инструментальной ГИС необходимо уделить
повышенное внимание концепции и процедурам формирования классификатора
пространственных объектов.
Для начала вместо термина слой необходимо ввести термин класс
пространственных объектов, для которого определяется набор характеристик,
присущих всем объектам данного класса. ГИС должна предоставлять
пользователям возможность организации перечня всех классов не в виде
линейного списка, а в виде множественных пересекающихся иерархий (не
иерархии, подобной наследованию классов, а системе иерархий, подобной
применяемой в файловой системе - каталоги и ссылки - ярлыки). Данное
требование обусловлено тем, что при составлении сложных муниципальных
карт, приходится оперировать не десятками, а сотнями и даже тысячами
классов пространственных объектов.
Какие категории характеристик должны определяться для класса
пространственных объектов? Можно выделить следующие категории
характеристик класса "пространственный" объект:
-
способы отображения пространственных объектов данного класса на карте;
-
набор атрибутивных характеристик пространственных объектов данного
класса;
-
набор отношений объектов данного класса с объектами других классов.
Способы отображения пространственных объектов одного класса можно
представить в виде таблицы стилей. Каждый стиль описывает, каким образом
система должна отображать объект на карте. Для описания сложных способов
отображения объектов стиль содержит перечень методов отображения, каждый
из которых регламентирует отдельные аспекты отображения объекта: как
закрашивать площадные участки объекта, как отображать окантовку объекта,
надо ли выводить текст вдоль контура объекта, в каком диапазоне масштабов
должен применяться данный метод отображения.
Почему необходим список стилей? Не достаточно ли одного стиля?
-Недостаточно, поскольку пространственный объект потенциально может
находиться в одном из нескольких состояний и тогда может понадобиться
возможность визуально отражать на карте текущее состояние объекта. Для
этого и пригодится несколько различных стилей, связанных с одним классом
пространственных объектов, которыми объект будет изображаться в
зависимости от его состояния. Кроме того, инструментальная ГИС должна
уметь представлять пространственные объекты, имеющие составную геометрию
из нескольких подобъектов. При такой концепции пространственный объект
состоит из набора геометрических форм, с каждой из которых связывается
свой стиль, которым необходимо отображать данную форму. Разделение
геометрии объекта на относительно независимые формы находит ряд интересных
применений: часть форм может использоваться для выполнения аналитических
задач, а часть - для оформительских; прикладные системы могут использовать
разные геометрические формы одного объекта для решения разных задач.
Набор атрибутивных характеристик определяет структуру семантических
данных, которыми будет обладать каждый объект класса. Поскольку
атрибутивная информация вполне хорошо описывается реляционной моделью, то
её принято хранить в реляционных таблицах общего назначения. Тогда
инструментальная ГИС должна позволять описывать соответствие между
декларированными атрибутивными характеристиками класса и физическими
столбцами существующих реляционных таблиц. В идеальной ситуации такая ГИС
должна предоставлять возможность создания новых таблиц и изменения
структуры существующих реляционных таблиц.
Набор отношений описывает все допустимые и запрещённые связи объектов
данного класса с объектами других классов. Связи между объектами можно
подразделить на две категории: логические и топологические. Отличие
топологических связей от логических заключается в том, что при
топологической связи контуры связанных объектов имеют общие части -
вершины или ребра, лишь при этом условии между объектами может быть
установлена топологическая связь. При логических связях фиксируется лишь
сам факт того, что объекты как-то связаны между собой, их конкретное
содержательное наполнение определяется прикладной геоинформационной
системой, построенной на базе инструментальной.
Решение технологических проблем
Когда определение концепции системы завершено и определены базовые функции
системы, коллектив разработчиков может приступить к началу проектирования
и разработки программ. И тут же встают первые проблемы технологического
характера.
Хранение пространственных данных
Одним из первых встает вопрос об организации хранения и внесения изменений
в пространственные данные. Сложность данной проблемы заключается в объемах
данных, с которыми придется оперировать; ведь речь идет не о сотне или
тысяче пространственных объектов, а о сотнях тысяч и миллионах.
Естественно, что нельзя подойди к решению этой проблемы упрощенно: завести
линейный список объектов, при запуске программ загружать весь этот список
в ОЗУ, а при сохранении записывать список из памяти компьютера на жесткий
диск. При недостатке вычислительных ресурсов (производительность
процессора, объём оперативной памяти), что всегда имеет место в ГИС,
необходимо применить весьма изощрённые структуры данных и реализовать
эффективные способы манипулирования большими объёмами данных с учётом их
размещения на всех уровнях иерархии компьютерной памяти. Напомним, что
реляционная модель плохо подходит для эффективного манипулирования
пространственными данными.
Рассмотрим несколько вариантов организации хранения пространственных
данных.
Все пространство картографируемой территории равномерно разбивается на
одинаковые прямоугольные сектора (рис.1).
Рис.1
С каждым сектором связывается блок данных, описывающий границы сектора и
хранящий две таблицы объектов (рис.2).
Рис.2
Описанная организация хранения данных позволит быстро определить список
секторов, для которых необходимо загрузить блоки данных. Недостатком этого
подхода является невозможность определения эффективной разбивки территории
на сектора при отсутствии информации о том, сколько пространственных
объектов будет на карте и где они будут располагаться. Кроме того,
предложенная схема снижает свою эффективность при неравномерном
распределении (скученности) пространственных объектов. Для устранения указанных недостатков можно использовать другую организацию
хранения данных. По второй схеме территория не разбивается на одинаковые сектора. В
начальном состоянии, когда на карте нет ни одного пространственного
объекта, существует всего один сектор, границы которого полностью
совпадают с границами территории. С этим сектором связан блок данных,
содержащий описание границ сектора и список объектов, границы которых
полностью лежат в пределах сектора. По мере добавления объектов в сектор
при достижении некоторого критического количества объектов происходит
разбиение сектора на четыре одинаковых подсектора. При этом объекты,
контуры которых полностью лежат в пределах одного из подсекторов,
перемещаются в блок данных этого подсектора. Объекты, лежащие на границах
подсекторов, остаются в блоке данных родительского сектора. Применяя
описанный механизм к подсекторам, получаем иерархию вложенных секторов, с
каждым из которых связано относительно небольшое количество объектов
(рис.3).
Рис.3
Для определения местонахождения объекта по его номеру необходима таблица,
состоящая из двух столбцов: "номер объекта", "номер сектора".
Подход, описанный во втором способе хранения данных, учитывает
неравномерность распределения объектов по территории и позволяет хранить
объекты относительно небольшими порциями, загружая списки объектов только
для нужных секторов. Кроме того, можно составить эффективный алгоритм
отбора объектов по заданной прямоугольной области, постепенно отсекая
сектора, не содержащие нужную область.
Работа ГИС в сети
Большинство прикладных геоинформационных систем предназначены не для
домашнего использования, а для работы в крупных организациях и
учреждениях, коллективу которых необходимо оперативно обрабатывать большие
объёмы пространственной информации. В такой ситуации инструментальная ГИС
должна обеспечивать возможность работы с одним набором геоинформационных
данных нескольким пользователям в пределах локальной компьютерной сети.
Задачу осложняет тот факт, что необходимо производить не только просмотр
информации, но и совместное - часто одновременное - внесение изменений в
пространственные данные.
При совместной работе в сети приходится искать решение следующих проблем:
внесение изменений в базу данных со стороны нескольких клиентов может
привести к нарушению целостности базы данных;
для приведения в актуальное состояние информации, размещенной в
оперативной памяти клиентской программы, необходимо предусмотреть систему
оповещения клиентов об изменениях, вносимых в общие данные со стороны
одного из клиентов;
необходимо вводить блокировку одновременному изменению одного объекта
со стороны нескольких клиентов;
создание новых объектов требует генерации уникальных идентификаторов
независимо от того, какой клиент инициировал создание объекта.
Решить эти проблемы помогает применение технологии "клиент/сервер". Все
перечисленные задачи берет на себя специальное приложение сервера
пространственных данных. Клиентские же приложения используют общие данные
посредством обращений к приложению сервера.
В операционной системе Windows для использования технологии
"клиент/сервер" удобнее всего использовать штатный для этой операционной
системы механизм DCOM (Distributed Component Object Model), являющийся
сетевым расширением технологии COM (Component Object Model). Приложение,
построенное в соответствии с принципами COM, предоставляет доступ к своим
функциям в виде набора интерфейсов (интерфейсом в COM называется таблица,
содержащая адреса функций). DCOM позволяет общаться приложениям не только
в пределах одного компьютера, но и в пределах локальной компьютерной сети.
Общая структура сервера данных ГИС и схема взаимодействия клиентов с
сервером приведена на рис.4.
Рис.4
Контекст связи предназначен для обеспечения взаимодействия клиента с
сервером и хранения информации, специфичной для конкретного клиента
(рис.5).
Рис. 5
Диспетчер вызовов обеспечивает синхронизацию вызовов функций сервера со
стороны клиентов (постановку в очередь одновременных вызовов со стороны
нескольких клиентов).
Подсистема управления данными обрабатывает запросы клиентов на получение и
внесение изменений в пространственные данные. Подсистема подготовки
изменений преобразует высокоуровневые запросы (изменение контура объекта)
в низкоуровневые операции изменения физических данных (записать блок
данных сектора N) и помещает их во входную очередь подсистемы доступа к
физическим данным, которая в фоновом режиме вносит изменения в физические
данные.
Подсистема блокировок предназначена для предотвращения одновременного
внесения изменений в один объект со стороны нескольких клиентов (рис.6).
Рис. 6
Подсистема оповещений предназначена для синхронизации оперативных данных,
являющихся копией общих данных и используемых в клиентских приложениях для
повышения производительности (кэширование). Система оповещений
функционирует согласно следующему сценарию:
один из клиентов посылает на сервер запрос на внесение изменений в
общие данные (рис. 7а);
сервер производит необходимые изменения в данных (рис. 7б);
после внесения изменений сервер формирует пакет оповещений (протокол
изменений) и помещает копию пакета в очередь оповещений каждого контекста
связи (рис. 7в);
сервер оповещает каждого клиента о поступлении оповещений посредством
функций интерфейса взаимодействия с клиентом (рис. 7г);
каждый клиент получает от сервера пакеты оповещений, хранящиеся в
очереди оповещения в контексте связи (при получении пакетов оповещений
сервер автоматически удаляет их из очереди) (рис. 7д);
каждый клиент обрабатывает полученные оповещения, приводя в актуальное
состояние свои оперативные данные (рис. 7е).
Рис. 7
Необходимо заметить, что система оповещений может использоваться не только
для обновления оперативных данных, но и для нужд администратора
геоинформационной системы. Так, например, некоторые оповещения могут иметь
управляющий характер и использоваться для автоматического завершения
работы всех клиентов, присоединенных в данный момент к серверу данных или
же для рассылки визуальных сообщений от администратора к пользователям
ГИС.
Распределенные ГИС
При решении геоинформационных задач масштаба города возникает
необходимость обеспечить доступ к общим пространственным и семантическим
данным разных предприятий и городских служб. Проблема осложняется тем, что
изменения, вносимые в общие данные со стороны одной из организаций, должны
стать доступными для всех остальных заинтересованных организаций города.
Поскольку маловероятно наличие локальной компьютерной сети между всеми
городскими службами разрабатываемая система должна включать функции
тиражирования изменений, вносимых в общие данные, между всеми
заинтересованными субъектами. Инструментальная ГИС должна обеспечивать
процедуру описания структуры распределенных данных (рис.8).
Рис. 8
После определения структуры распределенных данных в процессе работы с
данными программное обеспечение ГИС автоматически формирует пакеты
изменений для всех субъектов распределенной системы (рис.9а). При помощи
специальных утилит ГИС происходит обмен пакетами изменений между
субъектами распределенной системы (рис.9б).
Рис. 9
Одной из ключевых проблем распределенных систем является генерация
уникальных идентификаторов для новых объектов. Решить эту проблему может
помочь специальный механизм идентификации объектов в распределенной среде.
Все множество идентификаторов разделяется на группы идентификаторов,
каждой из которых присваивается глобальный уникальный идентификатор ГУИД
(генерацию таких идентификаторов обеспечивают штатные функции операционной
системы Windows). Любая база данных ГИС сопровождается таблицей групп
идентификаторов, элементы которых используются в базе данных (рис.10а).
Идентификаторы объектов состоят из двух частей: индекса группы
идентификаторов и номера идентификатора в пределах группы (рис.10б). Одна
из групп идентификаторов базы данных используется для генерации новых
идентификаторов (рис.10в). При переполнении номеров идентификаторов в
пределах этой группы, система создает новую группу идентификаторов с новым
ГУИД и сбрасывает номер объекта в пределах группы в начальное состояние. С
этого момента созданная группа используется для генерации новых
идентификаторов.
Рис. 10
При обмене данными между базами данных все пакеты, предназначенные для
обмена информацией, обязательно сопровождаются таблицами групп
идентификаторов (рис.11а). Эта информация используется утилитами приема
обменных данных для корректного преобразования идентификаторов (рис.11б),
необходимого при переносе из одной базы данных в другую. Описанный подход
позволяет применять для идентификации объектов достаточно компактные, но
уникальные идентификаторы.
Рис. 11
Расширяемость ГИС
Создатели универсальных геоинформационных систем понимают, что на базе их
системы будут создаваться крупные прикладные системы, где ГИС будет
существовать как одна из многих компонент. Для того, чтобы это было
возможно, необходимо заранее продумать, каким образом будущие прикладные
системы станут взаимодействовать с проектируемой инструментальной ГИС
общего назначения.
Сделать систему открытой и легко адаптируемой к решению прикладных задач
можно, применив следующие подходы;
механизм встраивания модулей расширения в ГИС (рис.12а);
интерфейс прикладного программирования, обеспечивающий доступ к
ключевым функциям и объектам ГИС со стороны внешних приложений (рис.12б);
набор универсальных элементов управления (OCX) для встраивания
функциональности ГИС в другие приложения (рис.12в);
набор элементов ActiveX или классов языка Java для встраивания функций
ГИС в прикладные системы, проектируемые по технологии Internet/Intranet
(рис.12г).
Рис. 12
ГИС НА РЫНКЕ РОССИИ
Западные ГИС
Надо сказать, что в Россию преимущественно попадают такие образцы ГИС,
которые ориентированы либо на работу в основном с мелкомасштабными картами
(например, М1:1000000 - М1:50000), либо на бизнес-анализ территориально
распределённой информации, причём для отображения карты в таких системах
не ставится задача удовлетворения всем необходимым стандартам на
представление картографической информации.
На переднем каре
геоинформатики - в области работы с весьма насыщенными и громоздкими
крупномасштабными (М1:2000 или М1:500) картами городов подобные западные
ГИС не очень хорошо приспособлены. Другие же ГИС, - которые призваны
моделировать сложные динамические процессы, протекающие на территориях
городов, или физические процессы в инженерных коммуникациях, стоят многие
тысячи долларов на каждое рабочее место, а потому перспективы их продаж в
России в период кризиса очень плохие. Их практически и не завозят в нашу
страну. Продаются в основном не самые развитые продукты, которые трудно
применить на городском уровне в той мере, в какой это необходимо
большинству городских служб.
Приведём некоторые
ГИС, которые могут представлять интерес.
Наиболее хорошо
себя зарекомендовали для работы с мелкомасштабными "природными" картами
(геология, сельское хозяйство, навигация, экология и т.п.) такие ГИС, как
ArcInfo и ArcView GIS. Обе системы разработаны американской компанией ESRI
( www.esri.com.,
www.dataplus.ru.) и весьма распространены в мире.
Из относительно
простых западных ГИС, которые начинали свою родословную с анализа
территорий в объёме, необходимом для бизнеса и относительно простых
применений, можно назвать систему MapInfo, которая также распространена в
мире весьма широко. Эта система очень быстро прогрессирует и сегодня может
составить конкуренцию самым развитым ГИС.
Корпорацией
Intergraph (www.intergraph.com) поставляется ГИС MGE, базирующаяся на
основе AutoCAD-подобной системы MicroStation, выпускаемой в свою очередь
компанией Bently. Система MGE представляет собой целое семейство различных
программных продуктов, помогающих решать набольшее множество задач,
существующих в области геоинформатики.
Все указанные
продукты имеют и Internet-ГИС-серверы, позволяющие публиковать цифровые
карты в Internet. Правда, приходится говорить только о вьюерах, поскольку
обеспечить сегодня редактирование топологических карт со стороны
удалённого клиента Internet нельзя по причине недостаточной развитости как
ГИС-, так и Internet-технологий.
Буквально недавно
вышла на рынок ГИС и Microsoft, подтвердив, тем самым, что ГИС станет в
ближайшем будущем такой системой, которую должен иметь на своём компьютере
всякий мало-мальски уважающий себя пользователь, как он имеет сегодня у
себя Excel Или Word. Microsoft выпустила продукт MapPoint (Microsoft
MapPoint 2000 Business Mapping Software), который войдёт в состав Office
2000. Эта компонента офисного продукта будет ориентирована в основном на
бизнес-планирование и анализ.
Отечественные ГИС
Повторением концепции ArcInfo, но сильно уступающей последней по
функциональной полноте является отечественная система GeoDraw,
разработанная в ЦГИ ИГРАН (г.Москва). Возможности её ограничены сегодня в
основном мелкомасштабными картами. С нашей точки зрения значительно
"сильнее" здесь выглядит "старейшина" отечественной геоинформатики - ГИС
Sinteks ABRIS. В последней хорошо представлены функции по анализу
пространственной информации.
В геологии сильны
позиции ГИС ПАРК (Ланэко, г.Москва), в которой также реализованы
уникальные методы моделирования соответствующих процессов.
Наиболее
"продвинутыми" в области представления и дежурства крупномасштабных
насыщенных карт городов и генпланов крупных предприятий можно считать две
отечественные системы: GeoCosm (ГЕОИД, г.Геленджик) и "ИнГео" (ЦСИ
"Интегро", г.Уфа, www.integro.ru). Эти системы - одни из самых молодых и
потому разрабатывались сразу с использованием самых современных
технологий. А систему "ИнГео" разрабатывали даже не столько геодезисты,
сколько специалисты, относящие себя к профессионалам в области
имитационного моделирования и кадастровых систем.
В целом в России
едва ли не в каждой организации создают свою ГИС. Однако, как мы хотели
показать в данной статье, этот процесс - весьма непростой, и вероятность
его завершения неудачно несравненно более высока, чем вероятность
безпроблемной реализации, не говоря уже о возможности выхода коммерческого
продукта, допускающим отчуждение от разработчиков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье освещена лишь часть проблем, с которыми могут столкнуться
коллективы, решившие заняться разработкой современных инструментальных
геоинформационных систем. Надеемся, что затронутые проблемы и предложенные
решения помогут разработчикам избежать некоторых трудностей при
проектировании новых продуктов.
|
