Содержание к диссертации
Введение 7
Глава 1. Проблема систематизации и анализа информационных потоков в муниципальной системе управления 19
1.1. Структура существующих муниципальных систем и пути их усовершенствования 19
1.2. Особенности геоинформационных систем и их место в муниципальных системах управления 37
1.2.1. Понятие и назначение геоинформационной системы 37
1.2.2. Опыт внедрения муниципальных геоинформационных систем 42
1.3. Анализ исходной картографической информации при построении муниципальной системы управления 53
1.4. Методы моделирования пространственной информации в муниципальной геоинформационной системе 58
1.5. Методы и алгоритмы построения пространственных моделей в МГИС 60
1.5.1. Разработка и применение пространственных моделей 60
1.5.2. Алгебраическая топология 64
1.5.3. Топологические структуры 65
1.5.4. Топология на основе метрических характеристик 66
Выводы по 1 главе 68
Постановка задач исследований 69
Глава 2. Теоретические основы построения методов и алгоритмов описания и анализа пространственно распределенной информации 71
2.1. Общее математическое описание пространственных объектов
2.1.1. Общее описание простых объектов 71
2.1.2. Общее описание сложных объектов 73
2.1.3. Общее описание слоев карты 74
2.2. Описание топологических отношений между объектами 74
2.2.1. Топологические отношения между элементами объекта 74
2.2.2. Топологические отношения между объектами одного слоя 76
2.2.3. Топологические отношения между слоями 76
2.3. Типы топологических отношений между объектами 78
2.3.1. Топологическое отношение "Соседство" 78
2.3.2. Топологическое отношение "Изолированность" 79
2.3.3. Топологическое отношение "Близость" 79
2.3.4. Топологическое отношение "Вложенность" 81
2.3.5. Топологическое отношение "Пересечение" 82
2.4. Типы геометрических отношений 82
2.4.1. Геометрическое отношение "Параллельность" 83
2.4.2. Геометрическое отношение "Перпендикулярность" 83
2.5. Топологические структуры 84
2.5.1. Описание топологических структур 85
2.5.2. Формальное определение типовых топологических структур 85
2.6. Топологические отношения между базовыми объектами 89
2.6.1. Топологические отношения между точечными объектами 89
2.6.2. Топологические отношения между точечными и линейными объектами 90
2.6.3. Топологические отношения между точечными и полигональными объектами 92
2.6.4. Топологические отношения между линейными объектами 94
2.6.5. Топологические отношения между линейными и полигональными объектами
2.6.6. Топологические отношения между полигональными объектами 99
2.7. Модель пространственных данных 100
2.8. Метод решения задач пространственного анализа 107
2.9. Метод представления топологических отношений в трехмерном пространстве 111
2.10. Метод интегрированного описания топологических отношений в геоинформационных системах 116
Выводы по 2 главе 119
Глава 3. Создание структуры и алгоритмов функционирования муниципальной геоинформационной системы управления 121
3.1. Организационная структура МГИС , 121
3.1.1. Требования к структуре МГИС 121
3.1.2. Основные функции муниципальной геоинформационной системы 123
3.1.3. Назначение подсистем управления городской инфраструктурой 125
3.2. Методика создания и внедрения МГИС 135
3.3. Конвейерная технологии ввода данных 138
3.4. Алгоритм автоматизированной идентификации объектов растровой карты 148
3.5. Алгоритм сбора распределенной информации 162
3.6. Алгоритм многоуровневого представление пространственных данных в геоинформационных системах 179
3.7. Алгоритм автоматического контроля размещения объектов на цифровой карте 186
3.7.1. Установление топологических отношений между слоями карты 187
3.7.2. Отображение допустимой области для размещения нового объекта 188
3.7.3. Автоматическая регистрация топологических отношений между объектами 193
3.8. Алгоритм размещения слоев на цифровой карте в ГИС 194
3.8.1. Постановка задачи 194
3.8.2. Описание алгоритма 195
3.9. Алгоритм анализа пространственных данных, распределенных по разным слоям 202
3.10. Моделирование пространственных объектов в ГИС на основе топологических отношений 205
3.10.1. Постановка задачи 205
3.10.2. Решение задачи 206
3.11. Алгоритм описания сложных пространственных и атрибутивных данных при проектировании ГИС 210
Выводы по 3 главе 216
Глава 4. Реализация МГИС, ее подсистем и их практическое использование 218
4.1. Особенности реализации муниципальной геоинформационной системы 218
4.2. Подсистема наполнения электронной карты атрибутивной информацией 222
4.3. Подсистема поддержки данных в актуальном состоянии 231
4.4. Подсистема поддержки принятия решений 235
4.5. Подсистема вывода картографической информации 238
4.6. Подсистема обработки информации в городской газовой службе... 242
4.7. Подсистема управления тепловыми сетями 245
4.8. Подсистема трехмерного моделирования рельефа на основе топологических отношений 254
Выводы по 4 главе 269
Глава 5. Исследование и оценка разработанных алгоритмов обработки информации о пространственно-распределенных объектах 271
5.1. Исследование алгоритма поддержки информации в актуальном состоянии 271
5.2. Исследование алгоритма моделирования рельефа на основе трехмерных топологических отношений 276
5.3 Исследование алгоритма кусочно-афинного преобразования 282
5.4. Исследование алгоритм вычисления топологических отношений... 286
Выводы по 5 главе 290
Заключение 291
Список литературы 294
Приложения 326
Введение к работе
Актуальность темы
Для оперативного управления динамично развивающимися регионами и особенно многочисленными муниципальными образованиями и необходимы достоверные и актуальные данные об объектах и протекающих процессах на их территории, а также передовые технологии накопления, обработки и представления информации.
Наиболее остро на сегодняшний день стоит вопрос сбора и обработки информации о пространственно распределенных объектах городской инфраструктуры, где плотность информации достаточно высокая. Поэтому устаревшая методика предоставления информации лицу, принимающему решение в виде отчетов и бумажных карт, теряет свою актуальность. Для оперативности управления объектами муниципальной собственности необходимо использовать информационные системы, которые позволили бы анализировать пространственное расположение и взаимное влияние объектов. Современные геоинформационные системы (ГИС) с их широким спектром возможностей позволяют наглядно отобразить информацию о конкретных объектах, процессах и явлениях в их совокупности. ГИС выявляют взаимосвязи и пространственные отношения, поддерживают коллективное использование данных и их интеграцию в единый информационный массив. Сочетание этих качеств и позволяет строить ГИС.
Многолетний опыт работы отечественных и зарубежных исследователей в данной сфере показал, что необходимо разработать такую структуру информационной системы муниципального управления, чтобы она с максимальным приближением соответствовала современной организационной структуре управления. Дальнейшие задержки во внедрении информационных технологий могут серьезно повлиять на качество предоставляемых услуг, а быстрое внедрение невозможно из-за отсутствия значительных финансовых запасов. Поэтому необходимо разработать методику внедрения с учетом всех выше перечисленных фактов.
В муниципальных образованиях накопилось большое множество различных геологических, топографических, географических и других карт. Многие из этих карт уже хранятся в векторном формате. В известных продуктах, например, фирмы ESRI, Maplnfo и др. проверяется корректность послойной топологии. Однако вопросам межслойной топологии уделяется мало внимания, что приводит к ошибкам. Эта же проблема встает при вводе новых карт. Отсюда открытым остается вопрос корректного размещения пространственных объектов на цифровую карту. При вводе необходимо, чтобы данные располагались на карте по определенным правилам. В настоящее время за корректностью карты следит пользователь. Поэтому существует вероятность внесения ошибок в расположение объектов. Решение задачи автоматического контроля размещения пространственной информации требует новых теоретических подходов по описанию топологических отношений между СЛОЯМИ. І
Если анализировать методы вычисления топологических отношений в известных геоинформационных системах, то можно сделать вывод о, том, что в них анализируется взаимное влияние посредством координатной составляющей. Этот подход неприемлем ввиду трудностей с вычислениями и с тем, что разномасштабные и тематические карты одной и той же местности зачастую несопоставимы между собой. На один и тот же район может иметься несколько карт. Они могут быть разных годов и масштабов. В зависимости от типа съемки и года эти карты имеют некоторое несоответствие относительно пространственных объектов. Обработка такой картографической информации является неудобной и затруднительной. То есть возникает необходимость определения того, как взаимосвязаны пространственные объекты с разных карт.
Карта состоит из значительного числа объектов, принадлежащих разным слоям и связанных между собой различными отношениями. Из-за слабой формализации пространственных данных каждый раз приходится решать задачу представления информации, т.к. существующие методы описания объектов не отвечают современным требованиям, которые направлены на обеспечение взаимосвязи объектов между собой как внутри одного слоя, так и между слоями.
В этой связи актуальной является задача теоретического исследования этих отношений и практическое приложение для ввода и корректировки картографической информации на основе интегрированных информационных систем муниципального управления.
Современный подход к формированию системы топологических отношений в ГИС основан на использовании теории бинарных межобъектных отношений и специализированных методах обработки, развитых зарубежными учеными М. Эгенгофером, Э. Митчеллом, М. Де Мерсом и др.
Методологической основой исследования послужили труды отечественных ученых В.В. Александрова, A.M. Берлянта, Л.С. Берштейна, Е.Г. Капралова, Н.И. Конона, А.В. Кошкарева, И.К. Лурье, А.Н. Пылькина, И.Н. Синицына, B.C. Тикунова, A.M. Трофимова, В.Я Цветкова, А.Н. Швецова, Е.Н. Черемисиной, Л.Е. Чесалова и др. При этом следует отметить, что основное внимание преимущественно уделялось вопросам создания геоинформационных систем, основанных на анализе атрибутивной или координатной информации. Вместе с тем вопросы организации информационной поддержки принятия решений, построенные на анализе взаимного влияния объектов исследованы недостаточно. Ввиду недостаточной теоретической проработки вопросов создания ГИС, их реализация не имеет в настоящее время комплексного решения для задач интегрированных систем управления.
Таким образом, основным противоречием в настоящее время является объективная необходимость повышения оперативности управления региональной и муниципальной инфраструктурой и возможностями существующих систем информационной поддержки управления. Особенно обостряется это противоречие в рамках средних и малых городов, которые вынуждены базироваться на распределенных информационных системах.
Это противоречие определяет актуальную научную проблему — оперативность анализа и обработки разнородных данных о пространственно-распределенных объектах, обеспечивающая повышение эффективности управления муниципальной инфраструктурой.
Теоретический аспект сформулированной проблемы состоит в: обосновании путей совершенствования методов обработки и анализа информации о пространственно-распределенных объектах (ПРО) муниципальной собственности; разработке модели представления данных на основе межобъектных топологических связей; разработке теоретических основ обработки информации, направленных на всесторонний, системный анализ ПРО; разработке методов решения задач пространственного анализа, основанных на взаимном влиянии объектов посредством бинарных топологических отношений и построенных на их основе типовых структур.
Практический аспект проблемы заключается: в разработке структуры муниципальной геоинформационной системы (МГИС); разработке программных средств и организационно-методического обеспечения, позволяющих создавать системы управления муниципальными ресурсами. Разработанные модели, методы и алгоритмы имеют прикладной характер, использованы при создании соответствующих аппаратно-программных комплексов и внедрении проектов МГИС на их основе.
Цель работы состоит в разработке теоретических и реализационных основ анализа и обработки разнородных данных о пространственно-распределенных объектах региональной инфраструктуры на основе создания и внедрения геоинформационных систем.
Задачи. Достижение указанной цели требует решения следующих задач.
1. Анализ состояния проблемы обработки информации в системе управления региональной инфраструктурой, определение путей повышения оперативности и постановка задач исследования.
2. Разработка структурно-функциональной организации подсистемы анализа и обработки разнородных данных и обоснование оперативно-технических требований к ее основным элементам.
3. Обоснование и разработка математической модели представления данных о пространственно-распределенных объектах региональной инфраструктуры, обеспечивающей оценку взаимного влияния и динамику объектов в пространственной области.
4. Создание методов и алгоритмов обработки и анализа пространственно-распределенных разнородных данных на основе стратифицированного представления геопространственной информации.
5. Разработка алгоритмов и информационной технологии получения и обработки атрибутивной пространственно-ориентированной информации" распределенных пространственных систем.
6. Формирование методики структурно-параметрического синтеза! геоинформационных систем обеспечивающих обработку и анализ геопространственной информации о городской инфраструктуре.
7. Экспериментальные исследования подсистемы обработки и анализа разнородных пространственных данных применительно к муниципальным ГИС.
Объект исследования.
Структурно-функциональная организация, алгоритмы и программные средства муниципальных геоинформационных систем.
Предмет исследования.
Математические модели обработки и анализа данных о пространственно-распределенных объектах в муниципальных геоинформационных системах.
Методы исследования.
При решении поставленных задач в диссертационной работе использованы топология, теория и методы системного анализа, теория баз данных, теория построения информационных систем, теория множеств и реляционная алгебра, теория графов, методы объектно-ориентированного проектирования.
Научная новизна.
Получены следующие основные результаты, обладающие научной новизной:
1. Математическая модель представления данных о пространственно распределенных объектах, особенностью которой является теоретико-множественное описание процессов обработки разнородных данных , обеспечивающей оценку взаимного влияния и динамику
поведения объектов за счет анализа их топологических и геометрических характеристик.
2. Разработаны методы анализа и обработки распределенных-разнородных данных, состоящие в стратификации представления геопространственной информации, позволяющие адекватно описать пространственно-топологические отношения объектов.
3. Способы и алгоритмы получения и обработки предметно-ориентированной атрибутивной информации, особенностью которых является интеграция разнородных данных распределенных систем, позволяющие адекватно описать пространственно-распределенный объект за счет бинарных топологических отношений.
4. Структурно-функциональная организация управления территориями, особенностью которой является введение функциональных элементов и связей между ними, обеспечивающая обработку разнородных данных и атрибутивной информации с выдачей своевременной информации для принятия решений.
5. Методика структурно-параметрического синтеза, основанная на применении алгоритмов ввода и обработки разнородных данных о пространственно-распределенных объектах и обеспечивающая наиболее полную идентификацию объектов.
Теоретическая значимость работы.
Заключается в развитии теории, методов и алгоритмов для муниципальных систем управления, обеспечивающих на основе системного подхода обработку данных о пространственно-распределенных объектах.
Практическая ценность результатов работы.
Практическая ценность работы состоит в том, что изложенные в ней методы, алгоритхмы, программные средства направлены на решение задач построения отдельных подсистем и в целом всей МГИС.
1. Метод формального описания топологических характеристик объектов, основанный на бинарных матрицах однозначно описывающих положение объекта относительно других в двумерном и трехмерном пространствах.
2. Модель описания информации о пространственно-распределенных объектах, которая позволяет по принципам формирования информационных, моделей ИС строить геоинформационные модели.
3. Методика создания муниципальных геоинформационных систем, которая включает в себя пять этапов: подготовительный - аналитический и технический, развертывание, наполнение и поддержка. Оригинальность данного решения состоит в том, что организационно актуальные данные поступают в систему в текущий момент, т.е. исключается проблема известных МГИС - «старение» данных во время их оцифровки.
4. Подсистему ввода данных, которая использует ряд разработанных технологий и способов:
- конвейерная технология оцифровки планшетов на твердом носителе с возможностью корректировки нагрузки и перераспределения работ между операторами;
- автоматизированный способ сбора данных с первичных источников, позволяющий идентифицировать ПРО и связывать с ним набор атрибутивных данных.
5. Подсистема автоматического контроля размещения пространственно распределенных объектов, в основу которой заложены послойные и межслойные топологические отношения, позволяющие, в отличие от известных систем, вычислять допустимое место расположения.
6. Подсистема поддержки данных в актуальном состоянии, которая, учитывая топологические взаимосвязи объектов, позволяет сохранять взаимосвязи объектов при удалении и занесении в систему нового.
7. Практическая реализация теоретических разработок предложенных в диссертационной работе:
- в подсистеме обработки информации об инженерной инфраструктуре городской теплосети;
- в подсистеме поддержки данных в актуальном состоянии и их обработки в горводоканале;
- в подсистеме построения газораспределительных коммуникаций на основе топологических характеристик объектов;
- в подсистеме ввода данных в муниципалитетах на основе информации адресного бюро и комитета муниципального имущества.
Реализация результатов работы. Исследования по данной тематике велись:
- на основании постановления Главы округа Муром «О рабочей группе по созданию электронной карты округа Муром» от 04.12.2002 №1856;
- в рамках госбюджетной НИР №340/98 «Разработка методов, устройств и систем автоматизированной обработки видеоинформации»;
- по договорной НИР №2315/00 с МУП «Водопровод и канализация» г. Мурома;
- в рамках гранта им. Столетова №ГС-389 «Разработка и исследование методов управления тепловыми сетями» (2003-2004 гг.);
- а также в рамках государственного контракта №386/460 «Развитие информационно-аналитической системы мониторинга, анализа и прогнозирования развития образовательных ресурсов Российской Федерации на период до 2015 года» 2006 г.
Разработанные методы, модели и алгоритмы, а также реализующие их программные средства внедрены в следующих организациях:
- администрация округа Муром Владимирской области;
- муниципальное унитарное предприятие «Водопровод и канализация» г. Мурома;
- департамент жилья и инженерной инфраструктуры администрации
города Нижнего Новгорода;
- администрация г. Кулебаки Нижегородской области;
- администрация Павловского района Нижегородской области.
На соответствующие программные модули получены 4 свидетельства ФИПС об официальной регистрации программы для ЭВМ [19-22].
Результаты диссертационной работы внедрены в учебном процессе на. кафедре информационных систем в рамках дисциплины «Геоинформационные системы» специальности «Информационные системы ;-vv и технологии» и дисциплины «Информационные системы государственного и муниципального управления» специальности «Прикладная информатика в сфере сервиса» Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета.
Внедрения подтверждены соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методы и алгоритмы теоретико-множественные описания обработки информации о пространственно-распределенных объектах, позволяющие адекватно описывать взаимное расположение картографических объектов.
2. Обобщенная математическая модель процесса формирования данных о пространственно-распределенных объектах, позволяющая оценивать взаимное влияние и динамику поведения объектов при помощи анализа их геометрического и топологического расположения.
3. Расширение возможностей обработки картографической информации, отличающееся тем, что в его основу заложены методы и алгоритмы обработки с использованием бинарных матриц описания расположения объекта в двумерном и трехмерном пространствах.
4. Методика создания муниципальных геоинформационных систем, основанная на применении алгоритмов ввода и обработки разнородных данных для задач идентификации пространственно-распределенных объектов.
5. Архитектура муниципальной геоинформационной системы, основанная на интеграции разрозненных данных о пространственно-распределенных объектах.
6. Результаты практического применения методов и алгоритмов обработки информации в подсистемах управления различными муниципальными службами. v
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- Международных конференциях «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание 2001, 2005, 2008», Курск, 2001, 2005, 2008 гг.
- Международных научно-практических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2001, 2004, 2005 гг.
Международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологда, 2005 г.
- Международной научно-практической конференции «Геопространственные технологии и сферы их применения», Москва, 2006 г.
- Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», Тамбов, 2006 г.
- Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2001 г., 2006 г.
- Международном симпозиуме «Надежность и качество 2008», Пенза, 2008 г.
- Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложений», Пенза, 2008 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, включая 4 монографии, 1 учебное пособие, 4 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, 27 статей, 19 публикаций тезисов докладов в трудах всероссийских и международных конференций. Основные результаты работы опубликованы в 11 статьях в журналах и сборниках трудов, входящих в перечень периодических научных изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
В работах, выполненных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем разработаны: в [3, 11, 20, 22, 24, 26, 39, 42, 43, 51, 52, 55] - подходы к построению структурно-функциональной организации муниципальных информационных систем, метод формального описания топологических характеристик ПРО на основе бинарных матриц, в [4, 10, 19, 25, 37, 38, 47, 48, 53] - методы и алгоритмы расширяющие возможности обработки картографической информации в МГИС, в [2, 17, 23, 27, 40, 41] - методика создания муниципальных геоинформационных систем, в [12, 13, 21, 45, 46, 49, 54] - обобщенная математическая модель процесса формирования данных о пространственно-распределенных объектах.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 327 наименований, и приложения. Работа изложена на 337 листах машинописного текста, содержит 110 рисунков и 14 таблиц.
В первой главе диссертации приведен анализ и обзор методов и алгоритмов обработки пространственно-распределенных картографических объектов. Дается их краткая характеристика с выявлением достоинств и недостатков. Анализируются муниципальные системы управления с выявлением основного перечня задач.
Во второй главе формализованы основные понятия ГИС такие как: карта, слой, объект и.т.д. Для дальнейшей разработки методов и алгоритмов исследованы базовые типологические отношения между объектами. Разработаны методы обработки и анализа пространственно распределенной информации в МГИС
В третьей главе описаны новые алгоритмы обработки пространственной информации, отличающиеся тем, что в качестве исходных данных используется внешняя топология объекта.
В четвертой главе приводятся результаты практического применения разработанных алгоритмов в виде конкретных подсистем муниципальной геоинформационной системы.
В пятой главе приводятся экспериментальные исследования наиболее характерных алгоритмов - обработки информации о пространственно-распределенных объектах.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту д.т.н., профессору С.С. Садыкову, а также искренне благодарит коллег, кандидатов технических наук К.В. Макарова, Р.А. Симакова, СВ. Еремеева, СВ. Кошелева, Р.А. Штыкова за оказанную помощь при подготовке работы.
