Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблем интеграции пространственных и атрибутивных данных при решении задач управления городским хозяйством 12
1.1 Роль подсистем муниципальной ГИС для поддержки принятия решений в управлении городским хозяйством 12
1.2 Анализ муниципальных ГИС и обзор решаемых ими задач применительно к муниципальному управлению 16
1.3 Обзор предлагаемой функциональности существующих муниципальных ГИС 20
1.4 Возможности применения существующих МГИС в муниципальном управлении как самостоятельных систем 33
1.5 Обзор существующих моделей хранения пространственных данных в муниципальных ГИС 40
1.6 Выводы и постановка задачи исследования 44
ГЛАВА 2. Формализация модели данных интеграции пространственной и атрибутивной информации муниципалитета 51
2.1. Теоретико-множественное описание сущностей информационной модели данных городского хозяйства 51
2.2. Математическая модель интеграции пространственных данных с данными МИС 69
2.3. Формальное описание способа многомерного хранения топологических отношений и их расчета при проведении картографического анализа 71
2.4. Формальное описание бизнес-логики 78
2.5. Выводы по главе 81
ГЛАВА 3. Разработка алгоритмов построения интерфейсов доступа и обработки данных в МГИС 83
3.1. Алгоритм доступа к атрибутивным данным и способ их предоставления оператору 83
3.2. Алгоритм топологического отбора картографических объектов на основе задаваемых пользователем правил 94
1.2.1 Алгоритм формирования топологических матриц 94
1.2.2 Алгоритм выполнения топологического отбора 95
3.3. Алгоритм реализации бизнес-логики 97
3.4. Алгоритмы анализа и обработки данных об объектах муниципальной собственности 99
3.4.1. Алгоритм генерализации земельных участков по признаку принадлежности к муниципальной собственности для планирования застройки и контроля правил землепользования 99
3.4.2. Алгоритм генерализации пространственных объектов находящихся в долевой собственности/аренде для контроля правил землепользования 100
3.4.3. Алгоритм определения отклонения удельного показателя кадастровой стоимости, по видам разрешенного использования, от среднего значения с визуализацией для контроля правил землепользования 101
3.4.4. Алгоритм определения концентрации размещения земельных участков по видам разрешенного использования с визуализацией на карте для контроля правил землепользования и планирования застройки 102
3.4.5. Алгоритм генерализации муниципальных объектов по принадлежности к собственнику с учетом движения имущества для контроля правил землепользования 103
ГЛАВА 4. Структура МГИС в контексте доступа к пространственно распределенной информации муниципалитета 104
4.1. Разработка программного комплекса МГИС округа Муром 104
4.2. Подсистема доступа к взаимосвязанным атрибутивным данным 108
4.3. Подсистема топологического отбора картографической информации 109
4.4. Подсистема интеграции МИС и ГИС 109
ГЛАВА 5. Исследование алгоритмов доступа к муниципальной информации на основе интегрированного представления 112
5.1. Обоснование необходимости проведения исследований 112
5.2. Исследование алгоритма доступа к пространственной информации на основе алгоритма топологического отбора 113
5.3. Исследование скорости доступа к атрибутивной информации на основе интегрированного представления и решения хозяйственных задач 116
5.4. Исследование алгоритмов решения некоторых задач управления городским хозяйством 118
5.5. Выводы по главе 121
Заключение 123
Литература 124
Приложение A 132
- Анализ муниципальных ГИС и обзор решаемых ими задач применительно к муниципальному управлению
- Формальное описание способа многомерного хранения топологических отношений и их расчета при проведении картографического анализа
- Разработка программного комплекса МГИС округа Муром
- Исследование алгоритма доступа к пространственной информации на основе алгоритма топологического отбора
Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени в различных муниципальных службах накоплены большие объемы сложно-структурированной информации, которая имеет привязку к картографической основе. Правительство РФ требует перехода к оказанию услуг в электронном виде по принципу «одного окна». Причем прямо указывается задача сокращения времени реагирования муниципальных служб на обращения физических и юридических лиц для повышения эффективности их обслуживания. Следовательно, при решении муниципальных управленческих задач возникает необходимость в автоматизации процесса обработки и анализа данных о городском хозяйстве.
Таким образом, для принятия обоснованных управленческих решений используется информация, включающая в себя пространственную и атрибутивную составляющие. Помимо базовых характеристик муниципальных объектов используются взаимосвязанные данные о собственниках, арендаторах, их договорах и начислениях по ним, льготы по оплате, сведения о задолженностях, виды и категории использования, виды правообладания, оценки по датам, сопроводительная документация и прочее. В виду этого обработка обращений граждан и юридических лиц часто осуществляется за период времени, превышающий десять дней.
Можно укрупненно выделить ряд задач, решающихся в сфере управления городским хозяйством:
анализ размеров земельных участков и их пространственного расположения;
отбор пространственно-распределенных объектов по заданным параметрам, включая их пространственные и атрибутивные сведения;
сравнение характеристик объектов городского хозяйства на основе различных критериев, удельных значений и их визуального отображения на имеющейся картографической основе;
поиск муниципальных объектов по принадлежности к собственнику или арендатору с учетом движения имущества для контроля правил землепользования и планирования застройки;
поиск объектов городского хозяйства, на которые у муниципального образования возникает, либо истекает право собственности.
В настоящее время информация, необходимая при решении вышеуказанных задач, организована в виде реестров. Эффективный доступ к таким сведениям возможен на основе интеграции этих реестров в единую систему, связанную с городской картографической основой.
Первые три задачи могут решаться на основе только геоинформационных систем (ГИС), без привлечения других информационных систем. Атрибутивные данные по пространственным объектам могут храниться во внешних системах, или во встроенных СУБД. Однако в этом случае акцент использования муниципальных сведений должен быть смещен в сторону картографической обработки. Но при этом возникают трудности с её реализацией, в виду большого количества взаимосвязей сущностей муниципальных данных.
Решение последних двух задач возможно через применение обособленных муниципальных информационных систем (МИС), не связанных с геоинформационными. Но при использовании только МИС в качестве СУБД, обрабатывающих сложноструктурированные данные о городском хозяйстве, теряется возможность гибкой работы с картографическим материалом и принятия решений на его основе.
Таким образом, разносторонний анализ данных о городском хозяйстве является информационной основой для обоснованного принятия управленческих решений. Но его применение на основе обособленных ГИС и МИС увеличивает временные затраты на доступ к данным и, как следствие, затрудняет принятие оперативных управленческих решений в муниципальных службах. Поэтому необходима разработка и применение программных средств, повышающих скорость обработки и анализа пространственной и атрибутивной информации о городском хозяйстве за счет ее интегрированного представления.
Вопросы использования пространственных и атрибутивных данных в ГИС рассмотрены в работах A.M. Берлянта, Л. С. Берштейна, Е.Г. Капралова, Н.И. Ко но на, А.В. Кошкарева, И.К. Лурье, А.Н. Пылькина, И.Н. Синицына, B.C. Тикунова, A.M. Трофимова, Д.Е. Андрианова, В.Я. Цветкова, Е.Н. Черемисиной, СВ. Абламейко. Но проблеме сокращения времени доступа к большим массивам сложноструктурированной, разнородной информации для поддержки принятия оперативных управленческих решений в них уделялось мало внимания.
В виду этого, актуальность работы обосновывается необходимостью разработки новой модели интегрированного описания данных, способа организации информации и алгоритмов оперативного анализа и обработки данных в муниципальной геоинформационной системе для поддержки принятия управленческих решений.
Объект исследования: принятие управленческих решений с использованием разнородной информации, хранящейся в муниципальных ГИС.
Предмет исследования: модели и алгоритмы обработки и анализа сложноструктурированных муниципальных пространственно-атрибутивных данных на основе их интеграции и применения геоинформационных технологий.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмической поддержки, направленной на сокращение временных затрат при принятии оперативных решений в муниципальных службах на основе интеграции пространственной и атрибутивной информации в муниципальных ГИС (МГИС). Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены научно-технические задачи.
Сравнительный анализ существующих автоматизированных систем управления городским хозяйством и подходов, применяемых к работе с данными в них, с целью определения путей сокращения времени необходимого для оперативного принятия управленческих решений.
Разработка теоретико-множественной модели, описывающей взаимосвязи объектов муниципальной ГИС, достаточных для интегрированного представления информации о городском хозяйстве в степени целесообразной решаемым в муниципалитетах задачам.
Разработка способа представления пространственно-атрибутивной информации в виде массива бинарных матриц для сокращения времени доступа к ней и алгоритмов оперативного анализа разнородных данных в муниципальных ГИС, представленных в интегрированном виде.
Применение алгоритмов в муниципальной ГИС на основе разработанных теоретико-множественной модели и способа организации доступа к данным, а также анализ достигнутых результатов.
Методы исследования. В работе использованы методы теории множеств, реляционной алгебры, методы структурного анализа и проектирования, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты.
Предложена теоретико-множественная модель взаимосвязей объектов муниципальной ГИС, позволяющая представлять атрибутивную информацию о пространственных объектах муниципальной ГИС в интегрированном виде.
Разработан новый способ интегрированного описания и обработки пространственно-атрибутивной информации об объектах городского хозяйства, в основу которого положены топологические характеристики, представленные в виде массива бинарных матриц.
Алгоритмы доступа к сложно-структурированной муниципальной информации, основанные на введенной теоретико-множественной модели и предложенном способе описания данных, позволяющие сократить время получения сведений, являющихся основой для принятий решений в муниципальных службах.
Практическая ценность работы. Практическая ценность заключается в том, что полученные результаты позволили разработать и внедрить в практику следующие подсистемы муниципальной ГИС:
подсистема топологического отбора картографической информации на основе задаваемых пользователем правил;
подсистема интеграции пространственной и атрибутивной информации, осуществляющая взаимодействие между муниципальной картографической основой и единой базой данных о городском хозяйстве;
подсистема работы с единой муниципальной базой данных, предоставляющая унифицированный интерфейс доступа к:
журналам информации по муниципальным объектам и контрагентам, включая учет арендных отношений вместе с арендными начислениями; унифицированным формам со сведениями по объекту;
4) подсистема, реализующая арендные начисления, интегрированная с реляци
онной базой, позволяющая легко производить изменения способов расчета.
Проведенная интеграция разработанных программных средств на основе применения геоинформационных технологий позволила расширить круг решаемых задач, повысить уровень информационной осведомленности городских властей и обеспечить поддержку принятия оперативных решений по вопросам управления городской территорией. При этом, за счет применения разностороннего анализа данных на основе вводимой классификации объектов по их топологическим характеристикам, достигается сокращение времени принятия управленческих решений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6-й Международной научно-практической конференции «Управление в социальных и экономических системах» и 9-й, 10-й Международных научно-технических конференциях «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2008, 2009 гг); на 34-й и 35-й Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, 2008, 2009гг.); на 9-й международной научно-технической конференции «Распознавание-2010» (Курск, 2010); на научно-
технических конференциях преподавателей и сотрудников Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета (г. Муром, 2009-2011гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 12 статей, 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК.
Личный вклад. В совместных публикациях личный вклад автора состоит в следующем: [1], [3] - разработаны алгоритмы расчетов и проведена апробация на реальной карте; [4], [5], [6], [7] - разработаны алгоритмы, работающие с ГИС; [8] -разработан алгоритм расчета топологических отношений; [9], [11] - произведена интеграция с ГИС; [14] - разработан алгоритм оперативного обновления данных в ГИС и отслеживания изменений; [15] - разработаны алгоритмы составляющие пакет прикладных программ, а также входящие в состав МГИС.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации 154 страницы, в том числе 123 страниц основного текста, 8 страниц списка литературы, 22 страницы приложений. Таблиц 1, рисунков 79.
На защиту выносятся следующие положения:
представление описательной информации о пространственных объектах муниципальной ГИС в интегрированном виде, обеспечивающем поддержку принятия оперативных управленческих решений, возможно за счет применения разработанной теоретико-множественной модели, описывающей взаимосвязи объектов городского хозяйства;
сокращение времени анализа пространственной информации для поддержки принятия решений достигается за счет применения разработанного способа интегрированного описания и обработки пространственно-атрибутивной информации, позволяющего выполнять сложно формализуемые запросы к данным МГИС, на основе представления топологических характеристик в виде массива бинарных матриц;
разработанные в диссертации алгоритмы доступа к интегрированной муниципальной информации обеспечивают проведение анализа и обработки муниципальных данных для информационной поддержки в сфере принятия оперативных управленческих решений;
результаты исследования и практического применения разработанных алгоритмов обеспечения интегрированного доступа к муниципальным сведениям показали сокращение времени получения сложно-структурированных муниципальных данных и, как следствие, более быстрое принятие оперативных управленческих решений в муниципальных службах.
Автор выражает признательность научному руководителю д.т.н., доценту Андрианову Д.Е., а также всему коллективу кафедры информационных систем Муромского института ВлГУ за помощь и постоянную поддержку при выполнении работы.
Анализ муниципальных ГИС и обзор решаемых ими задач применительно к муниципальному управлению
Геоинформационные системы (ГИС) - системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации. То есть, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов, тип материалов строения и прочее [1, 5, 14].
ГИС включают в себя возможности СУБД, редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне.
По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS). ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS). Среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений [12, 14]. Таким образом, ГИС могут применяться в различных областях, однако предметом данного исследования являются муниципальные геоинформационные системы. Поэтому необходимо уточнить определение и требования к ним, взяв за основу: 1) ГОСТ Р 52155-2003 «Географические информационные системы федеральные, региональные, муниципальные. Общие технические требования»; 2) ГОСТ Р 52438-2005 «Географические информационные системы. Термины и определения»; 3) ГОСТ Р 52571-2006 «Географические информационные системы. Совместимость пространственных данных. Общие требования». Геоинформационная система (ГИС) – программно-аппаратный комплекс, решающий совокупность задач по хранению, отображению, обновлению и комплексному анализу пространственной и атрибутивной информации по территории муниципального образования. История развития ГИС в России насчитывает не оно десятилетие, за это время были созданы сотни и тысячи проектов. Однако недостатком существенной части таковых явилось их узкая специализация – на территории одного города разными организациями и в разное время могли выполняться работы по созданию ГИС для органов внутренних дел, ГИС для водопроводных сетей, ГИС для комитета по управлению имуществом и прочих. Каждая из этих систем функционирует, обновляется и поддерживается. Однако на практике это означает многократное дублирование информации (во всех ГИС используется и актуализируется, к примеру, адресный план города), рост затрат на поддержку и отсутствие у администрации муниципального образования единого инструмента для принятий управленческих решений по развитию территории [4,5,8,9,11]. В последнее время наметилась тенденция к комплексному подходу и созданию на уровне администраций городов единой системы, аккумулирующей данные всех городских служб, для решения всего спектра задач по управлению территорией. Речь идет о муниципальной ГИС – МГИС. Предпосылками такого подхода стали законодательные подходы, отраженные следующими документами [14,17,24,28]: 1. постановление Правительства РФ № 65 от 28 января 2002 года федеральная целевая программа «Электронная Россия (2002-2010 годы)»; 2. типовая программа развития и использования информационных и телекоммуникационных технологий субъекта Российской Федерации, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 3 июля 2007 г. № 871-р; 3. градостроительный кодекс, прямо обязывает муниципальные образования к ведению информационной системы обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД), ее структура утверждена Постановлением Правительства РФ №363 - предписывается иметь весь спектр геодезических и картографических данных. В частности, последний пункт является прямой предпосылкой к необходимости как оптимизировать хранение широкого спектра муниципальных данных, так и получить максимальную эффективность от их наличия. И то, и другое осуществимо лишь при наличии МГИС. Геоинформационная система (ГИС) не является простой компьютерной системой для составления карт, хотя она и способна генерировать карты в разных масштабах, проекциях и разнообразной раскраской. ГИС - это аналитический инструмент. Главное преимущество ГИС состоит в ее способности определять пространственные связи между объектами карты. То есть речь идет о способности отвечать на следующие вопросы [26,39, 40]. «Что находится в ...?» Местоположение может быть определено разными способами, например, по названию местности, по почтовому адресу или ссылкой на географические координаты - широту и долготу. Поиск места, является обратным к первому и для ответа на него требует пространственного анализа. Вместо выяснения, что существует в данном месте, вы хотите определить местоположение, удовлетворяющее некоторым условиям (например, не облесённую площадку размером по крайней мере 2000 кв.м в пределах 100 м от дороги с почвой, подходящей для строительства). Взаимосвязи. Какие пространственные зависимости существуют? Этот вопрос более сложный, он используется, чтобы определить, например, является ли рак главной причиной смертности среди населения близ АЭС. Также важно, что при этом может понадобиться узнать, сколько имеется аномалий, не соответствующих выявленным взаимосвязям, и где они расположены. Моделирование. «Что, если...?» Этот вопрос ставят, если хотят, например, выяснить, что будет, если к существующей сети добавить новую дорогу, или ядовитое вещество просочится в местный поток грунтовых вод. Ответ на вопрос такого типа требует и географической и описательной информации (а возможно, и научных закономерностей). На все эти же вопросы потенциально способна ответить только гибко расширяемая, инструментальная МГИС.
Формальное описание способа многомерного хранения топологических отношений и их расчета при проведении картографического анализа
Основой эффективной работы геоинформационной системы (ГИС) является возможность анализа топологических отношений, позволяющая структурировать пространственно-распределенные данные.
Анализ топологических отношений это наиболее естественное средство отбора графических объектов, представленных на карте в векторной форме [50, 51]. На основе пространственных отношений можно формировать условия соответствия одного объекта или их группы некоторому набору правил.
Например, в ГИС типичными пространственными запросами являются «найти все города, которые лежат в пределах 5км от дороги N» или «найти все дороги в городах смежных с городом Х».
Существующие коммерческие языки запросов к базам данных, такие как SQL, не обеспечивают достаточной функциональности, так как они предлагают только средства для определения равенства или порядка таких простых типов данных как целое число или строки.
Пространственные запросы могут быть реализованы, если все топологические отношения между интересующими пользователя объектами явно сохранены. Однако такой сценарий нереалистичен, поскольку требуется огромная величина памяти n2 для каждого вида пространственных отношений между n объектами. Вместо хранения всех пространственных отношений, на практике их вычисляют на основе геометрического или пространственного расположения [52].
Задача алгоритма топологического отбора - быстрое выполнение пространственного запроса пользователя. Это возможно на основе указанного выше факта: пространственные отношения должны быть вычислены до начала обработки запроса, кроме того информация о них должна размещаться в оперативной памяти для быстрой обработки [58].
Объект соответствует некоторому размещению по слоям ГИС, что относит его к некоторому классу, обладающему своими атрибутами. С другой стороны он имеет векторное представление, задающее топологические взаимосвязи. Отбор ведется по обоим элементам - как по атрибутике, так и по топологическим отношениям.
Выше уже отмечалась сложность, как атрибутивной информации, так и пространственных взаимосвязей. В связи с этим возникает задача такой организации муниципальной информации, которая позволит эффективно осуществлять поиск требуемых объектов и совокупной информации по ним.
Топологические отношения являются естественным средством структуризации пространственной информации. Контекст поиска на множестве картографических объектов можно представить четверкой где О - множество объектов из которых производиться выборка, R - множество отношений между объектами, V - множество составных частей объекта, Z - множество запросов на выборку искомых объектов. Для последовательности исследуемых объектов о є О основой формирования множества R станут топологические отношения: Х = { изолированность , соседство , близость , удаленность , пересечение , вложенность }. (2.3.2) Множество Z запросов на поиск картографических объектов можно определить как совокупность скомбинированных логическими операциями элементов ХІ - правил, и самих элементов Z, - комплексных правил. При таком задании мы приходим к пониманию множества R как неупорядоченной последовательности топологических матриц: RkfiJJ = oi Xk oJ, Vi = l.. n, Vj = l.. n, (2.3.3) где к- номер матрицы, определяющий тип отношения к = 1..6, п - число картографических объектов, /, j - порядковые номера объектов. Задачу формирования поискового контекста можно определить: на основе правил, представляющих собой комбинацию элементов X, сформировать кортежи множества R, определяя топологические отношения как бинарные и рассматривая их как признаки для пары объектов. С точки зрения элементов образующих объект: где у - индекс элемента, т - число составных частей, Vj є V - составная часть картографического объекта. То есть необходимо фактически произвести анализ Vt для каждой пары (о,-, oj), i j: 1) проверить топологические отношения между составными частями пары объектов, 2) на основании проверок сделать вывод об истинности или ложности элемента матрицы R . Анализируя сущность межобъектных взаимосвязей, можно отметить следующий факт: разные топологические отношения между парой объектов являются зависимыми друг от друга. А точнее, имеется определенная иерархия позволяющая упрощать их расчет. Доказательство следует из определения топологических отношений: 1) отношение изолированности означает что никакая часть одного объекта не пересекается, не находиться в соседстве с частью другого объекта, не вложена в другой объект. Таким образом, взаимоисключающими являются «изолированность» с одной стороны и «соседство», «вложенность», «пересечение» с другой: о{Хг о}- = true, если Oi Xk=1X6Oj = false, 2) аналогично для близости/удаленности, однако сами отношения «изолированность», «близость»/«удаленность» не являются взаимоисключающими. А по отношению к самим понятиям близости и удаленности применима инверсия: ог-Х3 Oj = (ОІХ4 OJ), 3) отношение соседства вложенности и пересечения взаимно исключают друг друга - поскольку для первого определено наличие общих элементов, при условии отсутствия пересечения или вложенности других. Вложенность подразумевает нахождение каждой части одного объекта в пределах другого. А пересечение подразумевает нахождение части или фрагмента одного объекта в пределах границы другого. Таким образом, мы получаем возможный граф {XI, Х2, ХЗ, Х4, Х5, X6J, {( XI, Х2),(ХЗ, Х2),(Х4, Х2),(Х2, Х5),(Х5, Х6)}. Как показано в работе [58], в зависимости от набора сущностей, участвующих в пространственном взаимодействии, можно выделить три класса топологических отношений (внутренние, межобъектные и концептуальные). Каждый класс определяет большую группу топологических отношений, которые отражают элементы внутренней или внешней топологии. Указанные классы могут перекрываться, дополнять друг друга. Для эффективной работы средств отбора данных в ГИС необходимо найти сбалансированную схему порядка вычисления топологических отношений. По способу установки, указанные выше классы могут рассматриваться в следующем порядке:
Разработка программного комплекса МГИС округа Муром
Целью программного комплекса является предоставление удобного способа доступа к муниципальной информации, которая представляется в интегрированной форме реляционной БД и электронной карты ГИС. Целью создания данного программного комплекса является не только разработка способов эффективного доступа к сложно структурированной муниципальной информации, но и выработка общих принципов разработки и внедрения подобных систем. При этом ставились задачи: 1) разработать единую реляционную модель базы данных, организовав ее при этом так, чтобы имелась возможность гибкой модификации и расширения ее структуры, 2) разработать шаблон алгоритма бизнес логики системы, 3) разработать пользовательский интерфейс базы данных, ориентировав его на шаблонное построение, используя понятие «карточка муниципального объекта». Функциональные особенности, предоставляемые пользователю: 1) хранение и вывод картографической информации муниципалитета, 2) пространственный поиск муниципальных объектов по любым пользовательским запросам, 3) атрибутивный поиск муниципальных объектов с последующим (возможным) отображением их на карте, 4) организация муниципальной информации в интегрированном виде, посредством единой реляционной модели БД, 5) открытость реляционной архитектуры и алгоритма бизнес-логики. Структурные подсистемы программного комплекса: 1) инструментальная ГИС, предоставляющая доступ к организации, хранению и выводу картографической информации в виде слоев, 2) подсистемы расширения инструментальной ГИС, реализующие вспомогательные возможности по работе с картографическим материалом, 3) СУБД, управляющая доступом к информации о городском хозяйстве, использующая в своей основе единую реляционную БД, интегрированную с картографической информацией, 4) подсистема, предоставляющая способ интеграции пространственно-распределенной информации. Разрабатываемая муниципальная геоинформационная система должна иметь в своей основе инструментальную географическую информационную систему, содержащую единую цифровую картографическую основу и набор подлежащих реализации внешних подсистем (исполнительных блоков), реализующих автоматизацию деятельности муниципальных организаций. Разработка данных блоков с позиций возможности их интеграции друг с другом посредством ЕЦКО позволяет создать единую МГИС. В рамках понятия МИС организацию целесообразно представить совокупностью исполнительных блоков (ИБ) взаимодействующих с ЕЦКО и собственными базами данных, разработка которых ведется в соответствии с решаемыми задачами. На рисунке 4.2 показаны три подсистемы: журналирования, разграничения доступа, базы данных и подсистемы решения задач автоматизации. ИБ взаимодействует с ЕЦКО через инструментальную ГИС и напрямую со своей базой данных. Таким образом, выделяются три основные подсистемы, присутствие которых желательно для любой структурной части МИС. Подсистема «менеджер прав» Осуществляет управление правами доступа. В ходе работы исполнительной подсистемы может осуществляться как чтение, так и модификация информации содержащейся в БД и на ЕЦКО. Следовательно, необходимо разграничивать полномочия пользователей работающих с ИБ. Необходимость данной подсистемы как решающей вопросы информационной безопасности вытекает из ГОСТ Р 52155 - 2003. Подсистема «журналирование» В функционал данной подсистемы должно входить ведение записей того кто и как работал с информацией посредством ИБ, при этом необходимо вести полный учет изменений (если они имели место) для организации возможности отмены изменений. Для организации работы, возможно, потребуется ведение отдельной базы данных. Совокупность подсистем журналирования всех ИБ и наличие менеджера прав позволяет говорить о МИС как о едином безопасном хранилище распределенной информации. - копии модифицируемых записей из баз данных каждого ИБ, - копии модифицируемых объектов с ЕЦКО и внутреннюю семантику. Таким образом, модули сами работают с backup-журналом (посредством своей подсистемы журналирования) как с базой данных и обращаются к контроллеру ЕЦКО только для отмены изменений в картографических объектах. Исполнительная подсистема Рассматривать функционал данной части ИБ можно только применительно к потребностям отдельной муниципальной организации. В общем случае можно отметить потенциальную множественность таких подсистем внутри одного отдельного ИБ – для решения различных задач автоматизации внутри одной организации. Рассматривать конкретный функционал данной части ИБ можно только применительно к конкретным потребностям отдельной муниципальной организации. В общем случае можно отметить потенциальную множественность таких подсистем внутри одного отдельного ИБ – для решения различных задач автоматизации внутри одной организации. Каждая операция, выполняемая ИП должна регистрироваться в специальном журнале для обеспечения контроля и возможности отката изменений. Операции могут иметь различный тип, в общем случае это модифицирующие информацию (объекты ЕЦКО, семантическую информацию из БД) и оставляющие ее без изменений (генерация отчетов или просто просмотр данных). Во втором случае алгоритм учета прост – в некую базу данных (или иное хранилище) заносится следующая информация (назовем эту базу журналом учета): 1) идентификатор ИБ, которому требуется отмена изменений, 2) имя пользователя, 3) дата проведения операции, 4) тип операции, 5) связанная информация. Для не модифицирующих данные операций связанная информация это, по сути, читаемые данные (объекты какого слоя просматривались (их идентификаторы), какие записи БД (с содержанием записей), результаты генерации отчета) упакованные в запись журнала учета.
Для модифицирующих операций к связанной информации относятся как модифицируемые записи семантических баз, так и полная информация об объектах подвергшихся модификации/удалению – координаты точек сегментов составляющих объект + его семантика. По сути, необходим алгоритм экспорта объекта ЕЦКО во внешний набор данных (в некую структуру) для упаковки в запись журнала учета. Кроме того для восстановления потребуется также и алгоритм импорта объекта.
Исследование алгоритма доступа к пространственной информации на основе алгоритма топологического отбора
Алгоритм основан на организации матричного хранения топологической информации, когда матрицы представляют собой слои, образующие куб. Матрицы хранятся в оперативной памяти, что ускоряет поиск информации в них. Элементами матриц являются бинарные значения, указывающие наличие “1” или отсутствие “0” одного из отношений между объектами, определяемыми порядковыми номерами столбца и строки. Пространственный запрос формирует выборку из объектов, топологические отношения между которыми удовлетворяют указанным в правиле отбора. Для конкретного класса картографических объектов задается бинарная структура отношений, поэтому в основу пространственного запроса закладываются бинарные операции сравнения. Исследование алгоритма топологического анализа проводилось на тестовых и реальных городских картах, основное различие между ними состоит в разнообразии объектов и топологических отношений между ними. Вначале изучалась работа отдельных расчетных топологических процедур – поиск объектов по простым топологическим правилам, поскольку это позволяет выявить наиболее трудоемкие этапы работы алгоритма для тех Как видно из графиков рост сложности выполнения носит практически линейный характер, за исключением отбора по матрицам, что связано с отсутствием разнообразия на тестовой карте. Как видно из данного графика рост сложности в зависимости от объема не линейный и носит экспоненциальный характер. Это связано со значительным разнообразием в структуре объектов и связей между ними. Этим же объясняется некоторая изломанность кривых роста сложности – на некоторых участках карты, даже содержащих значительное количество объектов, рост этого времени несколько замедляется в сравнении с другими. Это может происходить в связи с простой конфигурацией объектов – число сегментов, взаимное расположение. Обобщая графики можно указать на тотальное превосходство отбора по матрицам – масштабирование для отображения составило 1000 раз. карта Исследование типовых запросов показало связь времени их выполнения с быстротой расчетов (определения) простых топологических процедур. Результаты аналогичны предыдущим – на тестовых картах сложность близка к линейной, на реальных рост имеет экспоненциальный характер. Матричный отбор имеет схожую конфигурацию во всех случаях, что связано с особенностями сканирования матриц, имеет экспоненциальный характер, однако преимущество по сравнению с обычным методом поиска составляет порядок 103. Что имеет особенное значение при повторении множества запросов на отбор картографических объектов.
Представленные выше графики носят обобщающий характер для проведенных исследований. Примеры работы алгоритмов выполнения типовых пространственных запросов и расчетов топологических отношений на частных наборах тестовых и реальных данных приведены в приложении на рисунках А.27 – А.38.
Обобщенные выводы по графикам: 1) типовые запросы на выборку картографических объектов в пределах зоны и в пределах границы работают довольно медленно как на реальной, так и на тестовой карте. Преимущество поиска в пределах границы обуславливается большей простотой определения вложенности, а не удаленности, 2) наиболее медленной расчетной процедурой является определение изолированности – именно она вносит наибольший вклад в итоговую расчетную сложность. Это позволяет сделать вывод о необходимости упорядочивания вызовов расчетных топологических процедур для оптимизации времени выполнения, 3) оптимален во всех случаях – матричный топологический отбор, который использует многомерное представление топологических межобъектных отношений. Отбор происходит за считанные секунды даже для нескольких тысяч объектов. 5.3. Исследование скорости доступа к атрибутивной информации на основе интегрированного представления и решения хозяйственных задач [49,55,58] Информационная модель данных муниципалитета предполагает такую организацию данных об объектах, при которой обеспечивается простота доступа к комплексу атрибутивной информации, а также легкая модификация информационной структуры. Простота доступа к информации позволяет быстро осуществлять переход от сведений по объекту к его графическому образу. Таким образом, важными исследуемыми сторонами информационной модели являются эффективность поиска и расчетов бизнес-логики (арендные начисления). Исследование характеристик отбора по БД и по карте, на основе топологических матриц, использовалась реальная городская карта привязанная к БД муниципалитета:
