Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема развития технологических средств оперативного геомоделирования ... „„..15
1.1 Проблемы оперативного геомоделирования 15
1.2 Обзор средств геомоделирования в информационно-аналитических системах, осуществляющих оперативную аналитическую обработку данных 20
1.3 Задачи диссертационной работы 35
1.4 Выводы к главе 1 36
2 Технологические средства оперативного геомоделирования 38
2.1 Базовые понятия OLAP и ГИС технологий и особенности предлагаемого подхода к интеграции 38
2.2 Интеграция компонентов OLAP и ГИС технологий 42
2.3 Картографическая привязка многомерных данных для формирования тематических карт 49
2.4 Динамическое формирование картографических слоев на основе OLAP 57
2.5 Методы динамического формирования картографических слоев 60
2.5.1 Алгоритм формирования точечного слоя на основе значений координат из таблицы источника данных 61
2.5.2 Алгоритм формирования линейного слоя на основе значений координат из таблицы источника данных 62
2.5.3 Алгоритм формирования точечного слоя на основе координат объектов точечного слоя топографической основы 63
2.5.4 Алгоритм формирования точечного слоя на основе координат объектов линейного слоя топографической основы 66
2.5.5 Алгоритм формирования площадного слоя на основе координат объектов точечного слоя топографической основы 68
2.6 Выводы к главе 2 70
3 Средства геомоделирования в OLAP-системе 72
3.1 Описание ГИС-модуля 72
3.2 Инструменты OLAP-системы для управления ГИС 74
3.3 Структура ГИС-модуля 79
3.4 Инструменты ГИС-модуля 81
3.4.1 Панель инструментов 81
3.4.2 Полотно карты 83
3.4.3 Панель легенды 85
3.4.4 Редактор свойств слоя 87
3.4.5 Блок управления данными 96
3.4.6 Форма «Таблица данных» 97
3.4.7 Форма «Легенда слоя» 98
3.4.8 Мастер закладок 99
3.5 Выводы к главе 3 100
4 Применение средств оперативного геомоделирования ...102
4.1 Применение средств оперативного геомоделирования в задачах здравоохранения 102
4.1.1 Анализ медико-демографических показателей 102
4.1.2 Анализ структуры сети медицинских учреждений 103
4.1.3 Анализ модернизации сети медицинских учреждений 104
4.1.4 Анализ зон медицинского обслуживания 106
4.2 Применение средств оперативного геомоделирования в задачах управления ликвидацией ЧС 109
4.2.1 Применение средств оперативного геомоделирования в экспертной геоинформационной системе по ликвидации техногенных аварий «ESPLAWIN» И0
4.2.2 Применение средств оперативного геомоделирования в экспертной геоинформационной системе «Паводки» 112
4.3 Выводы к главе 4 П4
Заключение
Список литературы
- Обзор средств геомоделирования в информационно-аналитических системах, осуществляющих оперативную аналитическую обработку данных
- Картографическая привязка многомерных данных для формирования тематических карт
- Инструменты OLAP-системы для управления ГИС
- Анализ медико-демографических показателей
Введение к работе
Актуальность темы
Оперативное географическое моделирование (далее геомоделирование) необходимо для информационно-аналитической поддержки организационного управления. Поскольку практически любая управленческая информация содержит пространственную или географическую составляющую, технология географических информационных систем (ГИС), обладающих широкими возможностями по интеграции и совместному анализу разнородных данных, является незаменимым инструментом для решения задач управления. ГИС широко используются для визуализации и анализа территориально-распределенных данных в разных областях человеческой деятельности: в здравоохранении и образовании, экологии и предупреждении чрезвычайных ситуаций и во многих других [19, 21, 25, 26, 27, 30, 31, 38, 69]. Однако необходимость применения ГИС для оперативного геомоделирования требует создания нового математического и программного обеспечения, позволяющего применять геоинформационные технологии в сочетании с современными средствами оперативной аналитической обработки данных (OLAP) и другими технологиями поддержки управления. Для этого необходимо создание инструментария оперативного геомоделирования, обеспечивающего картографическую привязку аналитических данных и динамическое формирование и отображение картографических слоев на основе оперативной аналитической информации. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной.
Среди информационно-аналитических систем, для которых характерна повышенная необходимость в средствах оперативного геомоделирования, можно выделить системы поддержки принятия решений. Такие системы ориентированны на оперативный анализ данных, выполнение сложных запросов, моделирование процессов предметной области, прогнозирование, нахождение зависимостей между данными [37, 41, 44]. В построении информацион-
но-аналитических систем, решающих задачи поддержки управления, широко применяется технология оперативной аналитической обработки данных OLAP (On-Line Analytical Processing). OLAP обеспечивает наглядное представление многомерных данных, выполнение аналитических операций над ними, высокое быстродействие и оперативное построение аналитических отчетов [2, 4, 33, 78].
Разработка средств оперативного геомоделирования для визуализации результатов OLAP-анализа является актуальным направлением работ, поскольку наглядное представление результатов аналитической обработки данных в сочетании с оперативным географическим моделированием востребовано в большинстве задач информационно-аналитической поддержки организационного управления [1, 73]. Возможности динамической связи картографических объектов с многомерными данными существенно расширяют функциональность как OLAP-системы, так и встроенной в систему ГИС. В результате интеграции OLAP-система приобретает дополнительные возможности наглядного представления многомерных данных, развитие ГИС осуществляется за счет средств формирования и управления атрибутивной и пространственной информацией [16].
Поскольку большинство OLAP-систем лишено возможности построения тематических карт и, следовательно, не эффективно для комплексного анализа территориально распределенных данных, а существующие ГИС имеют либо универсальный характер и, как следствие, сложны для прикладных специалистов, либо, наоборот, узко специализированы, расширение сферы применения OLAP-технологии требует совместного ее использования с ГИС-технологией. Актуальна проблема создания алгоритмических и программных средств оперативного геомоделирования на основе интеграции OLAP и ГИС-технологий.
Экспертные системы также представляют технологию оперативной поддержки управления [13, 66, 68]. В рамках одной программной системы возможна технологическая интеграция экспертной системы, ГИС и баз данных,
решающих на разных этапах отдельные фрагменты общей прикладной задачи. Экспертная система является для ГИС блоком управления, ГИС для экспертной системы - инструментом картографического представления результатов логического вывода. При этом рекомендации в процессе логического вывода формируются экспертной системой с учетом результатов геомоделирования выбранного сценария. Развитие интеграционных подходов для экспертных систем и ГИС также является актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института вычислительного моделирования СО РАН по программе СО РАН № 3.1 «Информационное и математическое моделирование в различных областях знаний, задачи поддержки принятия решений, экспертные системы, теоретическое и системное программирование», проект 1.1.12 (3.1.2.) «Разработка гибридных интеллектуальных информационных технологий на основе интеграции геоинформационных, нейросетевых, экспертных и аналитических систем» (№ гос.регистрации 0120.0 409302) и в соответствии с приоритетным направлением РАН «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника».
Автор является одним из исполнителей работ по проекту № 7 «Методы и средства OLAP-моделирования» программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 14 «Фундаментальные проблемы информатики и информационных технологий», а также проекта РФФИ № 05-07-90244-в -«Развитие технологий хранилищ данных и оперативной аналитической обработки (OLAP) в задачах здравоохранения».
Актуальность работы также подтверждается постановлением Президиума СО РАН от 21 декабря 2006 года № 465 «Об исследованиях молодых ученых по приоритетным направлениям науки». Тема работы включена в перечень фундаментальных исследований молодых ученых СО РАН в рамках приоритетных направлений науки, с персональным указанием автора настоящей диссертационной работы в качестве исполнителя.
Цель диссертационной работы
Цель диссертационной работы состоит в разработке алгоритмического и программного обеспечения для оперативного тематического геомоделирования в информационно-аналитических системах на основе интеграции функциональных элементов ГИС-технологий с технологиями оперативной аналитической обработки данных.
Методы исследования
Методы исследования, применяемые в работе, основаны на методологии структурного анализа и проектирования (SADT - Structured Analysis & Design Technique), технологии оперативной аналитической обработки данных и технологии географических информационных систем.
Основная идея работы
Основная идея работы заключается в интеграции элементов ГИС-технологии с OLAP-системами и экспертными системами для взаимного развития и расширения функциональных возможностей.
Для OLAP-системы разработаны алгоритмические и программные средства динамической связи многомерных данных и электронной карты: специализированный набор инструментов витрины данных, осуществляющих картографическую привязку данных и при необходимости динамическое формирование картографических слоев.
Для ГИС разработаны алгоритмические и программные средства визуализации данных, полученных из OLAP-системы или экспертной системы: алгоритмы динамического формирования пространственных данных на основе входной атрибутивной информации; выполнена реализация методов тематического картографирования для визуального представления входных данных; разработан блок управления данными, позволяющий формировать выборки из полученных данных для построения тематических карт.
Предложенные модели и алгоритмы реализованы в виде инструменталь-
ного комплекса для геомоделирования результатов оперативной аналитической обработки информации или процесса логического вывода экспертной системы.
Новые научные результаты:
Предложен метод картографической привязки многомерных данных OLAP-системы к пространственной информации геоинформационной системы, позволяющий устанавливать соответствие между результатами оперативного аналитического моделирования и географическими объектами слоев топографической основы или динамически сформированных картографических слоев.
Разработаны алгоритмы динамического формирования картографических слоев на основе атрибутивной информации источника данных OLAP-системы и пространственной информации топографических слоев ГИС. Динамически сформированные слои могут применяться в качестве тематических слоев для геомоделирования результатов OLAP-анализа. Инструментарий динамического формирования картографический слоев впервые разработан для средств геомоделирования, интегрированных с OLAP-системами.
Разработаны новые инструменты ГИС для отображения результатов OLAP-анализа, выполняющие следующие функции:
управление аналитическими показателями,
фильтрацию многомерных данных по измерениям,
построение общей или индивидуальной легенды для каждого слоя, по которому осуществляется картографическая привязка данных.
Практическая значимость работы
Практическими результатами диссертационной работы являются алгоритмические и программные средства, которые могут быть применены в раз-
ных прикладных областях для решения задач анализа территориально распределенных данных с картографическим представлением результатов.
Реализован ГИС-модуль, позволяющий выполнять оперативное геомоделирование в информационно-аналитических системах. ГИС-модуль может быть интегрирован как с OLAP-системой, так и с экспертной системой.
Средства оперативного геомоделирования, встроенные в информационно-аналитическую систему "Аналитик", применяются в Красноярском медицинском информационно-аналитическом центре. Важнейшие прикладные задачи здравоохранения, решенные с применением средств геомоделирования системы «Аналитик»: анализ сети медицинских учреждений, планирование ее реорганизации, анализ зон медицинского обслуживания [18,20].
Средства оперативного геомоделирования, встроенные в экспертную геоинформационную систему по ликвидации техногенных аварий «ESPLAWIN», а также экспертную геоинформационную систему «Паводки», нашли практическое применение в Агентстве по ГО, ЧС и ПБ администрации Красноярского края. Разработанные средства используются для геомоделирования последствий техногенных аварий, зон затопления при паводках. Оперативный анализ обстановки с применением средств геомоделирования позволяет оценить территориальные масштабы бедствия, принять решения по привлечению сил и средств для ликвидации последствий и оказанию помощи населению, оказавшегося в районе чрезвычайной ситуации [19, 21].
Высокую практическую ценность результатам диссертационной работы придает возможность их применения для решения аналитических задач в разных прикладных областях, включая задачи анализа показателей социально-экономического развития, экологического состояния территорий, планирования социальных услуг и многие другие.
На защиту выносятся:
1. Метод картографической привязки многомерных данных OLAP-системы к пространственной информации ГИС.
Алгоритмы динамического формирования картографических слоев на основе атрибутивной информации источника данных OLAP-системы и пространственной информации топографических слоев ГИС.
Новые инструменты ГИС-технологии для интеграции с OLAP-системами, выполняющие функции управления аналитическими показателями, фильтрации многомерных данных по измерениям, построения общей или индивидуальной легенды для каждого слоя, по которому осуществляется картографическая привязка данных.
ГИС-модуль, позволяющий выполнять оперативное геомоделирование в информационно-аналитических системах
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждаются:
Результатами исследования проблемы развития средств оперативного геомоделирования в разных предметных областях.
Результатами анализа существующих технологических решений интеграции OLAP и ГИС технологий.
Успешным практическим использованием средств оперативного геомоделирования, интегрированных в OLAP-систему «Аналитик», в органах управления здравоохранением. А также использованием в Агентстве по ГО, ЧС и ПБ администрации Красноярского края экспертных геоинформационных систем «ESPLAWIN» и «Паводки» со встроенными средствами оперативного геомоделирования.
Апробация работы
Основные теоретические результаты работы представлялись на следующих конференциях: на Всероссийской конференции «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 2005); на конференции молодых ученых ИВМ СО РАН (Красноярск, 2004 - 2006); на IV Всесибирском конгрессе
женщин-математиков (Красноярск, 2006); на VI всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2005); на рабочих семинарах ИВМ СО РАН (2004-2006).
Экспертная геоинформационная системы «ESPLAWIN» по ликвидации аварий, в состав которой вошли разработанные в рамках диссертационной работы средства оперативного геомоделирования, отмечена в 2006 году серебряной медалью и дипломом Всероссийского Выставочного Центра.
Личный вклад автора
Основные результаты, представленные в работе, получены непосредственно автором, а именно: алгоритмические и программные средства построения тематических карт на основе многомерных данных, методы динамического формирования картографических слоев. ГИС-модуль интегрирован автором в информационно-аналитическую систему «Аналитик», разработанную специалистами отдела прикладной информатики Института вычислительного моделирования СО РАН. В системе «Аналитик» создан и встроен инструментарий динамического формирования картографических слоев и картографической привязки многомерных данных к пространственной информации. ГИС-модуль также интегрирован автором в экспертные геоинформационные системы «ESPLAWIN» и «Паводки» для геомоделирования чрезвычайных ситуаций: химических аварий, взрывов, затопления территории.
Публикации
По основным результатам диссертационной работы сделано 7 публикаций, в том числе I статья в журнале из списка изданий, рекомендуемых ВАК для публикации результатов диссертаций кандидата и доктора наук.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 1 приложения. Основное содержание работы изложено на 127 страницах текста, содержит 55 рисунков, 6 таблиц. Список используемых источников включает 82 наименования.
Краткое содержание работы
Введение представляет цели и задачи диссертационной работы, раскрывает ее актуальность, научную новизну, достоверность и обоснованность, практическую значимость и апробированность полученных результатов, методологию исследований.
В первой главе показана актуальность проблемы развития средств оперативного геомоделирования на основе интеграции OLAP и ГИС-технологий.
Проведен обзор рынка OLAP-продуктов. Особое внимание уделено OLAP-системам с наличием средств геомоделирования. Выполнено сравнение основных характеристик средств геомоделирования рассмотренных систем. Отмечены сильные и слабые стороны существующих программных решений. Оптимальным представляется вариант интеграции ГИС и OLAP в рамках одной программной системы, но с использованием расширенного функционала ГИС. Основным недостатком средств геомоделирования в рассмотренных OLAP-системах является отсутствие инструментария динамического формирования новых картографических слоев на основе данных OLAP-системы.
По результатам проведенных исследований сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе работы предложен метод картографической привязки многомерных данных OLAP-системы к пространственной информации ГИС, позволяющий устанавливать соответствие между результатами оперативного аналитического моделирования и географическими объектами.
Определены основные понятия и особенности OLAP и ГИС технологий. Представлены основные аспекты предлагаемого метода интеграции OLAP и ГИС технологий.
Рассмотрены основные узлы и процессы, происходящие внутри OLAP-машины и ГИС-модуля. Результаты представлены в виде функциональных IDEFO-диаграмм.
Для создания алгоритма картографической привязки многомерных данных и карты выполнена формализация основных понятий, связанных с представлением многомерных данных и картографических слоев.
Предложены методы динамического формирования картографических слоев на основе содержимого таблиц из источников данных OLAP-системы и топографических картографических слоев. Разработаны алгоритмы формирования точечных, линейных и площадных слоев на основе значений координат таблицы из источника данных OLAP-системы, или соответствия объектам точечного или линейного слоя топографической основы карты.
В третьей главе представлено программное обеспечение, созданное на основе идей, предложенных в работе.
Приведено описание разработанных инструментов OLAP-системы для управления ГИС-модулем, включающих в себя настройку географического измерения гиперкуба данных, редактор динамического формирования нового слоя и редактор связей географического измерения со слоями карты.
Представлена структура и функции программного обеспечения, предназначенного для оперативного геомоделирования результатов OLAP-анализа. В ходе выполнения диссертационной работы разработан ГИС-модуль, интегрированный в настольную OLAP-систему «Аналитик». Приведены основные характеристики ГИС-модуля: назначение, основные функции, круг пользователей, системные требования и т.д.
Детально представлены программные компоненты, вошедшие в состав ГИС-модуля - панель инструментов, панель легенды, полотно карты, редак-
тор свойств слоя, блок управления данными, формы просмотра атрибутивных таблиц и легенды слоя, мастер закладок.
Четвертая глава посвящена вопросам применения результатов диссертационной работы.
ГИС-модуль интегрирован в информационно-аналитическую систему "Аналитик", а также в экспертные геоинформационные системы «ESPLAWIN» и «Паводки». Созданное программное обеспечение применяется в решении информационно-аналитических задач, связанных с анализом территориально-распределенных данных здравоохранения, таких как анализ медико-демографических показателей, анализ сети медицинских учреждений, анализ модернизации сети медицинских учреждений, анализ зон медицинского обслуживания и др.
Созданное программное обеспечение также применяется при моделировании развития ЧС: химических аварий, взрывов, затопления территорий. Средства оперативного геомоделирования в системах «ESPLAWIN» и «Паводки» позволяют на основании результатов расчетных методик моделировать последствия техногенных аварий, визуализировать зоны затопления территорий при паводках.
Все главы завершаются выводами о результатах выполненных исследований.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационного исследования, отмечены перспективы развития и практического применения решений, представленных в работе.
К работе прилагаются копии документов об использовании результатов диссертационной работы.
1 Проблема развития технологических средств оперативного геомоделирования
Обзор средств геомоделирования в информационно-аналитических системах, осуществляющих оперативную аналитическую обработку данных
Как и в любой другой области, в сфере OLAP не может существовать однозначных рекомендаций по выбору инструментальных средств [71]. Можно лишь выделить ряд ключевых критериев оценки существующих OLAP-продуктов:
Удобство и богатство возможностей средств администрирования. Работа администратора является самой важной и сложной частью эксплуатации OLAP-системы. Важной составляющей данного критерия является проработанность интерфейса администрирования, спектр его функциональных возможностей, таких как формирование новых измерений, модификация существующей модели. Для анализа данных может потребоваться создание базы данных жестко заданной структуры, либо могут использоваться данные, собранные в ранее созданных базах, в случае реляционной OLAP (ROLAP).
Гибкость настройки и наглядность форм демонстрации результатов. Интуитивность представления информации - одна из главных особенностей OLAP. Составляющие данного критерия: качество и удобство формирования отчетов, наглядность графические возможностей, наличие связи со средствами геомоделирования, существования механизма экспорта результатов в стандартные форматы.
Спектр методов постобработки данных, доступность средств интеллектуального анализа. Критерий характеризует богатство аналитических возможностей инструмента, наличие элементов Data Mining и те преимущества, которые они могут обеспечить при использовании.
Возможность обработки больших хранилищ данных с приемлемой производительностью. При необходимости планомерного непрерывного анализа большого хранилища данных, требуется выяснить объективные ограничения продукта с точки зрения предельных размеров исходных баз данных.
Возможность увязки OLAP-инструмептария с СУБД. Интеграция разнородных продуктов в устойчиво работающую систему - один из наиболее важных вопросов, и его решение в ряде случаев может быть связано с большими проблемами. Необходимо оценить возможность и надежность осуществления интеграции средств OLAP с существующими СУБД (предполагаемыми источниками данных для OLAP-системы).
Кроме того, одним из ключевых критериев выбора программных продуктов является цена. OLAP-продукты существенно отличаются друг от друга по этому показателю.
Источниками данных для Visuaiiser обычно служат аналитические модели (OLAP-кубы) PowerPiay, -запросы impromptu, файлы Excel текстовые файлы и др. Ключевые показатели могут визуализироваться либо а виде разнообразных графиков (включая географические карты, схемьт складских, производственных, торговых помещений и т.п.), либо в табличном виде. Если в источнике данных для Visualizer есть иерархия, пользователь сможет перемещаться по ее уровням внутри панели управления. Например, увидев, что по группе товаров не выполняется план, можно кликом мышки раскрыть ее в подгруппы и увидеть в динамике, как идут продажи, на соседних графиках в поле зрения будут другие ключевые показатели (динамика маржинальной прибыли, количества клиентов, процента возвратов некачественных товаров от клиентов и т.п.).
Возможна настройка анимации, которая позволяет пользователю увидеть, как меняются значения ключевых показателей с течением времени. Возможны варианты настройки иерархий по геофафическим измерениям, когда с уровня страны можно перейти на уровень федерального округа, далее - в определенную область, город, и наконец войти в детальное отображение филиала, склада, магазина и т.п.
Семейство продуктов Oracle Express OLA? позволяет проектировать, создавать и сопровождать системы анализа корпоративных данных, администрировать многомерные базы данных, создавать клиентские OLAP-приложения.
Система обработки и анализа территориально распределенных данных базируется на OLAP-сервере многомерных объектно-ориентированных БД Oracle Express Server. OLAP-сервер обеспечивает выборку и обработку многомерных данных из хранилища. Хранилище данных, расположенное в серверной части приложения, аккумулирует территориально распределенные данные. Web-сервер принимает запросы, поступающие от Web-браузера, который расположен в клиентской части приложения, и возвращает ему требуемые данные. Браузер VRML служит для представления и управления трехмерным отображением информации. Java-машина осуществляет интерпретацию Java-апплета. Апплет зафужается с сервера и выступает в качестве связующего звена между OLAP-сервером и клиентской частью и обеспечивает поддержку интерактивного интерфейса, как с хранилищем данных, так и с картой. В качестве Web-сервера используется Oracle Application Server. В качестве VRML-браузера Cosmo Player 2.0 фирмы Cosmo Software (Silicon Graphics Inc.) [3].
Cosmo Player выступает в роли средства визуализации территориально распределенных данных в соответствии с выбранными настройками отображения данных, полученных с OLAP-сервера. Настройки отображения карты можно выполнить в окне Java-апплета, среди них выбор анализируемого показателя. Выбранный показатель может быть отображен в VRML-браузере в виде набора кадров (анимации) на определенном временном интервале с заданным шагом по времени. Реализована возможность прогнозирования значения показателя на заданную дату в соответствии с одной из выбранных моделей прогноза.
Panorama 5.0 является полнофункциональным OLAP-клиентом, интегрированным с платформой Microsoft SQL Server 2005 и возможностью графического отображения данных на географической карте в Microsoft Map-Point. Microsoft MapPoint 2004 - это картографический инструмент для анализа и визуализации географической информации. Продукт содержит готовые карты, программы-мастера для выполнения типовых операций и мощные средства отображения. MapPoint служит для просмотра и передачи коммерческой информации, снабженной разнообразными картами, которые можно встраивать также в документы Microsoft Office. С помощью MapPoint можно отображать показатели реализации продукции по регионам, сведения, относящиеся к конкурентам, и другие экономические параметры, которые нельзя наглядно представить в обычных электронных таблицах или отчетах.
Картографическая привязка многомерных данных для формирования тематических карт
Формально многомерный куб данных может быть представлен в виде: G - Д F , где D = {d{, йг, ...,dm} -множество осей - измерений гиперкуба; F - {fhfi, —fn) - совокупность множеств значений показателей, определяющие его информационное наполнение - меры куба.
Каждое измерение представляет собой упорядоченное дискретное множество объектов заданного типа (числового, текстового или типа «дата»); d (d[,d\ J?) dm-(di,d2m,.J:).
В рамках представленной модели многомерных данных для определения значения показателя будем использовать функцию от т переменных, по числу измерений:
Для осуществления картографической привязки в гиперкубе необходимо выделить географическое измерение, обозначим его d.
Для построения тематической карты зафиксируем значения измерений d D : d d , i = l,m и из F выберем показатель, который будет отображаться на карте: f = f (d „d 2 X.,d\), где d ,rd 2 ,d m -фиксированные значения измерений (метки), кроме d, которое не фиксировано и соответственно может принимать любое значение из своей области определения. Построение множества значений показателя / определим как операцию среза над гиперкубом данных G по всем фиксированным измерениям. Для отображения значений показателя / определим электронную карту: M= L,S , где L {Li, L2, ..., LP} множество картографических слоев, S = (s„s2,...,sq) - упорядоченное множество значений свойств отображения карты - текущий масштаб, смещение карты и т.п.
Картографический слой Z,,- определяется как: Lr Oi,TbAOitty,Pi , где 0{= (о\,о],...,0 ) - упорядоченное множество территориальных объектов заданного типа; 7] = (?/,//,...,/fV " упорядоченное множество атрибутивных свойств слоя -полей атрибутивной таблицы At(Oi, Т)\ І к АІ(ОІ , TJ - атрибутивная таблица, элементы которой #,- определены значениями из набора 7} для каждого объекта из 0,, здесь j = lji определяет строки таблицы, а к = l,g, - столбцы таблицы (поля); Р, = Bi,Cj - легенда слоя, здесь В{=(Ь)$,...$) - упорядоченное множество значений свойств слоя (наименование слоя, параметры отображения), С=(с],с ,...,с?) - упорядоченное множество классов, на которые разбивается множество объектов ОІ слоя Ц.
Привязка географического измерения d осуществляется к одному или нескольким картографическим слоям. Пусть Гс- подмножество слоев, к которым осуществляется привязка, и мощность его \L\ = 1. Каждый слой со к . держит атрибутивную таблицу Л ,.,/ = ./,/, в одном из полей таблицы t, , к , є[1,#,] хранится множество идентификаторов объектов слоя. Если значе / к j ниє идентификатора я,- є « , j = lj.t , то к объекту о\ можно построить картографическую привязку значения показателя / . Построим упорядоченное множество Z=(zjt Z2, ..., Zi), состоящее из ин-дексов полей tj 9 к которым осуществляется картографическая привязка:
Для картографической визуализации среза многомерного куба применяется цветовая раскраска географических объектов. На карте М объекты о/ , і = 1,1, j = 1,/,, раскрашиваются в зависимости от значений привязанного к ним показателя / . Чтобы раскрасить объекты слоев из множества V, необходимо построить отображение объектов слоя специально построенным классам: 0 ,- СІ9і = 1,1. Для каждого класса определяется ряд визуальных свойств: помимо цвета, определяются также условное обозначение (для точечных слоев), тип контура и заливки, состояние объектов класса (видимые, невидимые или мерцающие). Каждый территориальный объект слоя L\ L\ і = іj будет наследовать свойства соответствующего класса.
Перейдем к множеству территориальных объектов O rfo of ,,..,0 ) из слоя L\. Поскольку для каждого объекта определен набор атрибутивных значений, можно построить следующее отображение:, oj- aj \ где і = 1J и j = l,/t, a zt— номер столбца атрибутивной таблицы, по которому осуществляется привязка слоя L\ к географическому измерению d.
Инструменты OLAP-системы для управления ГИС
В данном разделе дается общее описание структуры и функций ГИС-модуля, интегрированного в настольную OLAP-систему «Аналитик», разработанного автором в ходе выполнения данной диссертационной работы. Рассматриваются инструменты OLAP-системы, позволяющие выполнить картографическую привязку многомерных данных.
Разработка нового программного обеспечения обусловлена необходимостью использования средств оперативного геомоделирования в задачах территориального управления при недостатках существующих программных решений. Средства геомоделирования в OLAP-системе должны отвечать требованию оперативности формирования тематических карт, быть легкими и удобными в освоении и использовании. Для удовлетворения этим требованиям предлагается расширить функционал ГИС, включить инструменты для отображения результатов OLAP-анализа: блок управления многомерными данными, средства динамического формирования новых картографических слоев.
На основе технологических решений и принципов, представленных во втором разделе работы, построен и интегрирован в OLAP-систему ГИС-модуль.
Назначение ГИС-модуля - оперативное геомоделирование результатов OLAP-анализа в виде построения тематических карт с возможностью динамического формирования картографических слоев на основе данных из OLAP-системы.
Область применения ГИС-модуля - решение задач оперативного геомоделирования на основе технологии OLAP в разных прикладных областях: в здравоохранении, образовании, управлении ликвидации ЧС, социальной сфере. Круг пользователей - прикладные специалисты, заинтересованные в решении сложных аналитических задач, связанных с анализом территориально распределенных данных.
ГИС-модуль представляет собой набор визуальных компонент для среды программирования Delphi. В данный набор входят следующие компоненты: полотно для отображения карты, панель инструментов для навигации по карте, панель работы с картографическими слоями [22].
Технические ограничения: - Аппаратная платформа совместимая с ОС MS Windows; - Центральный процессор - не ниже Intel Pentium II 300 (или аналог); - Оперативная память - не менее 64 Мб; - Рекомендуемое разрешение экрана- от 1024x768; - Поддержка DirectX7 или выше; - Установка BDE (Borland Database Engine).
Набор ГИС-компонент разработан в среде программирования Borland Delphi 7 и содержит около 15 тысяч строк кода (не включая сторонние библиотеки), из которых 13 тысяч строк написано непосредственно автором.
Основные функции ГИС-модуля: построение и визуализация тематических карт, навигация по карте, послойная настройка параметров отображения картографических объектов, управление многомерными данными для построения тематических карт, динамическое формирование картографических слоев, редактирование надписей объектов карты, изменение картографических проекций, выполнение пространственных запросов к объектам карты с получением информации по выбранному объекту, работа с рельефными сетками.
Дополнительные инструменты OLAP-системы разработанные в рамках данного диссертационного исследования включают в себя: настройку географического измерения гиперкуба данных, редактор динамического формирования нового слоя и редактор связей геофафического измерения со слоями карты.
Инструменты ОЬАР-сйсгемы реализованы в программных блоках менеджера источников данных, управления витринами данных, OLAP-анащпа и формирования отчетов. Блок управлении витринами данных отвечает за создание и модификацию витрин данных. Витрины данных являются семантическим слоем между таблицами источника данных и аналитическими объектами, с которыми будет работать пользователь. Блок 01,АР-анализа предназначен для выполнения аналитических операшш на базе подготовленных витрин данных. На основе результатов анализа в ГОС-модуле происходит построение тематической карты для установленной картографической привязки данных- В блоке формирования отчетов аналитические результаты могут быть выведены на печать или сохранены
Анализ медико-демографических показателей
Используя картографическую привязку многомерных данных, на карте можно отобразить медико-демографические показатели. На рисунке 4.1 представлена тематическая карта показателя «Рождаемость» в разрезе территорий Красноярского края за 2004 год. Картографическая привязка данных осуществлена к картографическим слоям «города» и «районы», указаны поля привязки атрибутивных таблиц слоев, содержащие идентификаторы объектов. В качестве идентификатора районов и городов края используется номер общероссийского классификатора ОКАТО. При построении легенды слоев «города» и «районы» используется метод тематического картографирования «градиентная заливка», построена общая легенда. Территориальным объектам со светлой раскраской соответствуют более низкие показатели рождаемости, раскрашенным темнее - более высокие показатели.
Анализ структуры сети медицинских учреждений В качестве примера динамического формирования картографических слоев на основе данных OLAP-системьт представим решение задачи анализа структуры сети медицинских учреждений Красноярского края. Для отображения существующей сети медицинских учреждении необходимо динамически сформировать картографический слой медицинских учреждений, разбитый на классы по количеству видов медицинских учреждений. Для указания местонахождения объекта сдоя выполнена привязка каждого медицинского упреждения к населенному пункту. Идентификатор населенного пункта указывается а таблице-перечне всех пунктов здравоохранения. Используется метод динамического формирования точечного слоя на основе точечного слоя населенные пункты». Объекты слоя медицинских учреждений наследуют координаты соответствующих им населенных пушетов. Дня формирования классов слоя используется показатель из OLAP-еистемы: «"код типа медицинского учреждениям.
Пример построения сети медншшс-ких учреждений для Большемуртнн-ского района Красноярского края приведен на рисунке 4.2. Обозначения; 1... центральные районные больницы (ЦРБ), IS - участковые больницы, А - амбулатории, Ф - фельдшерско-акушерские пункты (ФАЯ), - населенные пункты. Анализ мод«ршшцки сети медицинских учреждений
Для визуализации планирования реорганизации сети медицинских учреждений каждому учреждению присваивается статус: «без изменений»» «модифицировано», «закрыто», а ткрш:о». Динамически формируются несколь ко слоев по числу видов медицинских учреждений. Для отображения статуса объекты слоев медицинских учреждений разбиваются на классы. Статус медицинского учреждения является переменной величиной, его значение хранится не в атрибутивной таблице слоя, а поступает из OLAP-системы в качестве показателя для разбиения слоя на классы. На основе построенной для динамических сформированных слоев легенды, формируется тематическая карта представления планов по реорганизации сет» МеДИЦЙН-СКИХ Учреждении.
На рисунке 4.3 представлен фрагмент карты Вольшемуртинекого района, аналогичный рисунку 4,2, Тематические карты дают представление о штанах реорганизации сети медицинских учреждений. По Большемуртинскому району закроются фельдшерско-акушерские пункты а Малом Кантате, Михай-яовке и Хмелеве, В Тигино фельдшерско-акушерский пункт будет модифицирован Й лечебную амбулаторию.
Для представления на карте информации об оказании медицинской помощи разного уровня населенным пунктам крал строится отображение зон обслуживания медицинских учреждений края. Для картографического отображения зон обслуживания предлагается использовать одинаковую цвето вую раскраску для населенных пунктов, обслуживающихся по выбранному уровню помощи одним медицинским учреждением. Цвет раскраски обозначений населенных пунктов из одной зоны обслуживания должен отличаться от цвета объектов соседних зон и совпадать с раскраской медицинского учреждения, формирующего данную зону (рисунки 4.4 - 4.5).
Входными данными для ГИС из OLAP-системы является таблица со следующими измерениями: код населенного пункта, код уровня медицинской помощи, год. Пересечению измерений в таблице соответствует код медицинского учреждения. Для каждого уровня можно построить отдельную тематическую карту, отображающую связь между населенными пунктами и медицинскими учреждениями, предоставляющими данный вид помощи за выбранный год. Выбор уровня медицинской помощи и года осуществляется при помощи блока управления данными, принятыми из OLAP-системы. При выборе года и уровня помощи идет построение среза входных многомерных данным. Результатом операции среза является таблица соответствий населенных пунктов, находящихся на данной территории, с медицинскими учреждениями, оказывающими выбранный уровень помощи данным населенным пунктам (рисунок 3.22). По закрытию блока управления данных происходит построение тематической карты, соответствующей выбранному году и виду медицинской помощи.
На рисунках 4.4 и 4.5 представлены карты фрагмента Богучанского района Красноярского края, отображающие зоны медицинского обслуживания по доврачебной медицинской помощи и стационарной медицинской помощи соответственно. Для доврачебного уровня помощи характерно обслуживание жителей населенного пункта медицинским учреждением, находящимся в пункте их проживания. Для получения стационарной помощи жителям некоторых населенных пунктов приходится добираться до медицинских учреждений, находящихся в других населенных пунктах.
