Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы обработки распределенной пространственной информации по водным ресурсам 12
1.1. Анализ существующей системы управления водными ресурсами в Российской Федерации 12
1.2. Анализ информации, участвующей в управлении водными ресурсами в Российской Федерации 25
1.3. Анализ известных методов и способов интеграции пространственных данных 29
1.4. Анализ систем обработки информации, используемых при управлении
водными ресурсами РФ 40
Выводы по 1-й главе 43
ГЛАВА 2. Интеграция и генерализация разнородной территориально распределенной пространственной информации 44
2.1. Место пространственных данных в системе управления водными ресурсами 44
2.2 Разработка метода интеграции и генерализации пространственных данных 55
2.3. Разработка многомерной модели данных для интеграции пространственных данных и данных из атрибутивных информационных систем (на примере задачи классификации территории РФ по количественным и качественным показателям водных ресурсов) 80
Выводы по 2-й главе 89
ГЛАВА 3. Разработка распределенной геоинформационной системы водных ресурсов российской федерации 90
3.1. Разработка функциональной и информационной моделей распределенной геоинформационной системы водных ресурсов 90
3.2. Разработка алгоритмов для интеграции и генерализации разнородной территориально распределенной пространственной информации о водных ресурсах РФ 100
3.3. Разработка структуры и программного обеспечения распределенной
геоинформационной системы водных ресурсов 114
Выводы по 3-й главе 122
ГЛАВА 4. Внедрение распределенной геоинформационнойсистемы водных ресурсов 123
4.1. Реализация и использование механизмов распределенной обработки пространственной информации на федеральном уровне в ГИС Росводресурсов 123
4.2. Реализация и использование интеграции пространственных данных и данных из атрибутивных информационных систем на примере задачи классификации территории РФ по показателям водных ресурсов в составе ГИС Росводресурсов 133
4.3. Анализ эффективности использования разработанной распределенной
геоинформационной системы водных ресурсов Российской Федерации 137
Выводы по 4-й главе 146
Заключение 147
Список литературы
- Анализ существующей системы управления водными ресурсами в Российской Федерации
- Анализ информации, участвующей в управлении водными ресурсами в Российской Федерации
- Место пространственных данных в системе управления водными ресурсами
- Разработка функциональной и информационной моделей распределенной геоинформационной системы водных ресурсов
Введение к работе
Ввод в действие Водного кодекса Российской Федерации и Положения об осуществлении государственного мониторинга водных объектов конкретизируют полномочия различных органов государственной власти по использованию, мониторингу и охране водных объектов. В связи с тем, что водные объекты (например, речная сеть бассейна крупной реки, расположенная на территории нескольких субъектов Российской Федерации) представляют собой, чаще всего, физически целостный объект, очень важно, чтобы представление различных участников водных отношений об отдельных частях водных объектов и их отдельных характеристиках, при их объединении составляли целостную картину о водных ресурсах Российской Федерации.
При этом необходимо стремиться к созданию единого информационного, пространства в области водных отношений, которое составляло бы совокупность отдельных компонентов, каждый из которых содержит всю необходимую информацию уровня субъектов Российской Федерации. В тоже время субъектовые компоненты должны создаваться таким образом (организационно, структурно, технологически), чтобы их объединение в единую систему позволяло осуществлять качественное управление водными ресурсами. Уполномоченным органом исполнительной власти по управлению водными ресурсами в Российской Федерации является Федеральное агентство водных ресурсов (Росводресурсы), которому для осуществления этого управления необходима полная, своевременная, непротиворечивая информация о текущем и прогнозируемом состоянии водных ресурсов.
Особенностью рассматриваемых водных, водохозяйственных и других объектов (реки, озера, каналы, водохранилища, гидротехнические сооружения) является их существенная протяженность и распределенность по всей территории России и сопредельных государств. Причем наличие информации о точном местоположении объектов, их взаимном расположении и взаимосвязи существенно влияет на качество управленческих решений, в связи с чем при создании современного информационного обеспечения предприятий, учреждений и органов Федерального агентства водных ресурсов в качестве технологической основы должны быть выбраны геоинформационные системы. Так как управление водными ресурсами реализуется на различных организационных уровнях: федеральном, бассейновом, территориальном, местном, то информационное обеспечение должно включать, обобщать с генерализацией, территориально распределенные информационные системы, и быть построено по иерархическому принципу с разной степенью детализации, генерализации и обобщения информации на каждом уровне.
Для формального описания больших объёмов разнородных данных, характерных при управлении водными ресурсами Российской Федерации, хорошо зарекомендовал себя подход, основанный на использовании концепции многомерных информационных объектов (МИО), позволяющий производить эффективную обработку информации в корпоративных информационных системах, и в компактной форме описывать сложные структуры пространственных данных и алгоритмы их обработки.
Вопросам разработки подобного рода систем, в том числе для управления водными ресурсам, посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в частности работы Р.З. Хамитова, М.А. Шахраманьяна, Е. Кодца, Дж. Мартина, А.Е. Армейского, А.А. Сахарова, В.И. Данилова-Данильяна, В.В. Кульбы, А.Г. Мамиконова, А.А. Барсегяна. и др., однако в них задачам распределенной обработки и хранения иерархически распределенной и взаимосвязанной пространственной информации уделялось недостаточно внимания.
В связи с этим, задача распределенной обработки и генерализации пространственной информации на основе многомерных моделей данных является актуальной как в теоретическом, так и в практическом плане.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является создание единого информационного пространства для информационного обеспечения управления водными ресурсами Российской
Федерации за счет построения моделей и методов для объединения и генерализации территориально распределенной пространственной информации о водных ресурсах субъектов Российской Федерации в единую систему.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать метод интеграции и генерализации разнородной (по типу, формату и способу описания) и распределенной (по территориальному месту хранения (в субъектах РФ) и по принадлежности к действующим информационных системам) пространственной информации о водных ресурсах на основе многомерных информационных объектов;
2. Разработать многомерную модель распределенных пространственных данных для информационного обеспечения управления водными ресурсами Российской Федерации;
3. Разработать алгоритмы генерализации и обработки распределенной пространственной информации для решения прикладных задач управления водными ресурсами Российской Федерации (на примере задачи классификации территории РФ по количественным и качественным характеристикам водных ресурсов);
4. Разработать распределенную геоинформационную систему водных ресурсов Российской Федерации и внедрить ее в деятельность уполномоченного органа исполнительной власти (Росводресурсы).
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовались методы системного анализа сложных систем, структурного анализа и проектирования (SADT), математического и геоинформационного моделирования, теория реляционных баз данных, концепция многомерных моделей данных и принципы объектно-ориентированного программирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Научная новизна работы содержится в следующих результатах.
1. Метод интеграции и генерализации разнородной распределенной пространственной информации, заключающийся в использовании многомерных информационных объектов для описания различных частей распределенных пространственных данных и их генерализации в единую модель на основе вновь введенной операции изменения, использование которого позволяет обеспечить объединение в единое информационное пространство информации на всех организационных уровнях управления водными ресурсами РФ при сохранении ее целостности.
2. Многомерная модель данных, являющаяся результатом применения разработанного метода интеграции и генерализации пространственных данных, которая определяет реальные структуры и связи распределенных пространственных данных по водным ресурсам РФ на основе информации, возникающей и хранящейся в субъектах РФ, что даёт возможность совместного представления и использования разнородной территориально распределенной информации о водных ресурсах.
3. Алгоритмы генерализации и обработки разнородной распределенной пространственной информации, основанные на совместном многомерном описании данных из различных информационных систем, позволяющие использовать и интерпретировать в геоинформационной системе информацию других информационных систем
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Разработанная многомерная модель данных, описывающая разнородную распределенную пространственную информацию, используемую при управлении водными ресурсами Российской Федерации, и позволяющая автоматизировать процессы сбора, хранения и обработки этой информации. Разработанные алгоритмы генерализации и обработки распределенной пространственной информации для решения прикладных задач управления водными ресурсами (на примере задачи классификации территории РФ по количественным и качественным характеристикам водных ресурсов из программно-информационного комплекса «Государственный водный кадастр»), реализация которых в составе распределенной геоинформационной системы водных ресурсов Российской Федерации позволяет осуществлять обработку пространственной информации совместно информацией других информационных систем.
Распределенная геоинформационная система водных ресурсов РФ, внедренная в деятельность уполномоченного органа исполнительной власти (Росводресурсы), позволяющая на основе пространственной информации, возникающей и хранящейся в субъектах РФ и бассейновых водных управлениях, производить комплексную обработку пространственной информации на федеральном уровне управления водными ресурсами РФ.
Основные результаты работы внедрены в Федеральном агентстве водных ресурсов (свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2007620342 от 5.10.2007 и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007613238 от 1.08.2007).
СВЯЗЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ Работа выполнена в период 2004-2007 г.г. на кафедре геоинформационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках государственных контрактов № В-5-04 «Разработка системного проекта автоматизированной информационно-коммуникационной системы управления водными ресурсами», № И-06-01 «Реинжиниринг системного проекта автоматизированной информационно-коммуникационной системы управления водными ресурсами», № И-6-05 «Создание прототипа геоинформационной системы Росводресурсов на базе разработки информационного и программного обеспечения и создания сервера геоданных», № И-07-04 «Развитие геоинформационной системы Росводресурсов».
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
1. Метод интеграции и генерализации разнородной и распределенной пространственной информации, на основе многомерных информационных объектов и операций преобразования многомерных информационных объектов.
2. Многомерная модель распределенных пространственных данных для информационного обеспечения управления водными ресурсами Российской Федерации.
3. Алгоритмы генерализации и обработки распределенной пространственной информации для решения прикладных задач управления водными ресурсами Российской Федерации (на примере задачи классификации территории РФ по количественным и качественным характеристикам водных ресурсов).
4. Распределенная геоинформационная система водных ресурсов, внедренная в деятельность уполномоченного органа исполнительной власти (Росводресурсы).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на следующих конференциях, форумах и семинарах: «Компьютерные науки и информационные технологии» (С57Г2004 - 2007); ежегодных конференциях пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS, (Голицыно, 2005 - 2007 гг.); ежегодных европейских конференциях пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS (Варшава, 2005г.; Афины, 2006г.); Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа, 2005 год); Всероссийской научно-практической конференции «УралЭкология. Природные ресурсы - 2005» (Уфа, 2005 год); Всероссийском совещании Федерального агентства водных ресурсов 9 - 10 ноября 2005 года «Проблемы и перспективы внедрения информационных технологий в Росводресурсах» (Уфа, 2006г.); Региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2007 г.).
ПУБЛИКАЦИИ
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 16 источниках, включающих 9 статей, 5 материалов конференций и семинаров, 2 свидетельства о регистрации программ и баз данных. Результаты работы опубликованы в 1-м издании, входящем в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ
Работа включает введение, 4 главы основного материала, заключение, библиографический список и приложения.
Работа без библиографического списка и приложений изложена на 147 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 120 наименований.
Анализ существующей системы управления водными ресурсами в Российской Федерации
Российская Федерация является одной из наиболее обеспеченных водными ресурсами стран мира, занимая первое место в мире по запасам чистой питьевой воды и второе, после Бразилии, - по величине годового речного стока (доля рек Российской Федерации от мирового уровня составляет порядка 22%, озер - около 30%, болот - свыше 25%.), однако по территории нашей страны водные ресурсы распределены крайне неравномерно (на наиболее освоенные районы европейской части страны приходится не более 10% водных ресурсов), также следует учесть значительное загрязнение поверхностных и подземных вод. Поэтому задачам рационального использования и эффективного управления водными ресурсами в нашей стране уделяется много внимания [13,15].
В процессе управления водными ресурсами Российской Федерации участвуют многие государственные организации, такие как Министерство природных ресурсов, Федеральное агентство водных ресурсов, Росгидромет, Госсанэпидемнадзор, Госкомстат, однако, согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 16 июня 2004 г. № 282 «Об утверждении Положения о Федеральном агентстве водных ресурсов», уполномоченным органом исполнительной власти по управлению водными ресурсами в Российской Федерации является Федеральное агентство водных ресурсов (Росводресурсы) [58]. Поэтому в данной диссертации основное внимание уделяется управлению водными ресурсами в структуре Федерального агентства водных ресурсов, которое осуществляется на трех организационных уровнях: федеральном, бассейновом и территориальном (рис. 1.1).
Общий состав и распределение информационных потоков в процессе функционирования Федерального агентства водных ресурсов (Росводресурсов) определяются тем, что в соответствии с [58] на него возложено решение следующих групп задач:
1. Информационные задачи, относящиеся к обеспечению органов государственной власти, органов местного самоуправления и населения информацией о состоянии водных объектов.
В частности, Росводресурсы обязаны поддерживать ведение следующих банков данных федерального уровня: государственного водного кадастра, содержащего информацию, связанную с учетом и характеристикой водных объектов на территории РФ; государственного реестра договоров пользования водными объектами, содержащего информацию обо всех водопользователях; российского регистра гидротехнических сооружений (ГТС), содержащего информацию об имеющихся гидротехнических сооружениях.
Помимо ведения вышеупомянутых баз данных, Росводресурсы осуществляют следующую деятельность:
- государственный мониторинг водных объектов, государственный учет поверхностных и подземных вод и их использования; в рамках этой задачи осуществляется учет количества и контроль качества поверхностных и подземных вод;
- планирование рационального использования водных объектов, включая установление лимитов водопользования (водопотребления и водоотведения) по бассейнам рек, для субъектов Российской Федерации и водопользователей по водным объектам, находящимся в федеральной собственности;
- разработку водохозяйственных балансов и составление прогнозов состояния водных ресурсов, а также перспективного использования и охраны водных объектов;
- разработку автоматизированных систем сбора, обработки, анализа, хранения и выдачи информации о состоянии водных объектов, водных ресурсах, режиме, качестве и использовании вод по Российской Федерации в целом, отдельным ее регионам и речным бассейнам;
- организацию подготовки ежегодного государственного доклада о состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации, а также участие в подготовке ежегодного государственного доклада о состоянии и охране окружающей природной среды Российской Федерации.
Введение в действие с 1 января 2007г. новой редакции Водного кодекса РФ [14] вносит изменения в деятельность Росводресурсов, среди которых одним из наиболее важных является необходимость ведения Росводресурсами государственного водного реестра - систематизированного свода документированных сведений о водных объектах Цель государственного водного реестра - обеспечить информационную поддержку: комплексного использования водных объектов; целевого использования водных объектов; охраны водных объектов; планирования и разработки мероприятий по предотвращению негативного воздействия вод и ликвидации его последствий.
Таким образом, на Росводресурсы возложены обязанности как сбора, первичной обработки и верификации данных, характеризующих текущую обстановку в сфере водопользования, так и обеспечения их хранения, анализа, использования для прогнозирования будущих изменений.
Анализ информации, участвующей в управлении водными ресурсами в Российской Федерации
Основным документом, регламентирующим отношения в области водных ресурсов, является Водный кодекс Российской Федерации, который содержит Перечень основных видов водных объектов, в которых находятся водные ресурсы Российской Федерации [14]. Водные объекты в зависимости от особенностей их режима, физико-географических, морфометрических и других особенностей подразделяются на (рис. 1.8): 1) поверхностные водные объекты; 2) подземные водные объекты. К поверхностным водным объектам относятся: 1) моря или их отдельные части (проливы, заливы, в том числе бухты, лиманы и другие); 2) водотоки (реки, ручьи, каналы); 3) водоемы (озера, пруды, обводненные карьеры, водохранилища); 4) болота; 5) природные выходы подземных вод (родники, гейзеры); 6) ледники, снежники.
Поверхностные водные объекты состоят из поверхностных вод и покрытых ими земель в пределах береговой линии, при этом береговая линия (граница водного объекта) определяется для: 1) моря - по постоянному уровню воды, а в случае периодического изменения уровня воды - по линии максимального отлива; 2) реки, ручья, канала, озера, обводненного карьера - по среднемноголетнему уровню вод в период, когда они не покрыты льдом; 3) пруда, водохранилища - по нормальному подпорному уровню воды; 4) болота - по границе залежи торфа на нулевой глубине. К подземным водным объектам относятся: 1) бассейны подземных вод; 2) водоносные горизонты.
Особенностью рассматриваемых водных (реки, озера, каналы, водохранилища и др.), водохозяйственных (гидротехнические сооружения и др.) и других объектов является их существенная протяженность и распределенность по всей территории России и сопредельных государств, что обуславливает необходимость наличия информации о точном местоположении объектов, их взаимном расположении и взаимосвязи.
Конкретный перечень объектов вместе с их количественными и качественными характеристиками определяется отдельными нормативными документами, например, Постановлением Правительства о ведении АИС «Государственный водный реестр» [69], Положением об осуществлении государственного мониторинга водных объектов [67] и др. По ним можно выделить следующие виды информации по водным объектам. /. Первичная (исходная информация): 1.1. Отчеты водопользователей по форме 2тп-водхоз, включающие: - вид водопользования; - объемы забора воды и объемы сбросных вод и загрязняющих веществ в водные объекты; 1.2. Декларации безопасности гидротехнических сооружений, содержащие сведения о собственнике ГТС, характеристики и параметры сооружений, их уровень безопасности и другие сведения. 1.3. Лицензии на право водопользования. 2. Вторичная (производная) информация.
К вторичной информации относятся все виды информации, полученные в результате обработки, анализа и обобщения первичной информации: - данные территориального уровня по использованию вод (забор, сброс в природные водные объекты, лимиты и забор воды по видам использования, сведения о сбросах загрязняющих веществ); - обобщенные показатели использования вод по Российской Федерации, федеральным округам, субъектам Федерации, экономическим районам, отраслям экономики, бассейнам основных водных объектов; - детализированные показатели (водопользование по бассейнам рек в разрезе субъектов Федерации и отраслей экономики, водоотведение по предприятиям в субъектах Федерации и бассейнах рек, использование подземных вод); - параметры и уровень безопасности ГТС, поднадзорных МПР России, Минэнерго России, Минтрансу России и Госгортехнадзору России (сведения о владельцах ГТС, возможных ущербах при авариях ГТС, финансовое обеспечения риска аварий, сведения о страховых организациях); - обобщенные показатели по безопасности ГТС в разрезе субъектов Федерации, бассейнов крупных рек, отраслей; - схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов с анализом современного состояния водных объектов и составом организационно-технических мероприятий по восстановлению, охране и рациональному использованию водных объектов; - водохозяйственные балансы, проекты водоохранных и противопаводковых мероприятий по водным объектам с напряженной водохозяйственной и паводкоопасной обстановкой; - данные прогноза вредных воздействий природных вод (включая катастрофические половодья и паводки).
Каждая представленная группа информационных источников имеет свою классификацию и состав, которые учитывались при создании информационной модели предметной области.
Место пространственных данных в системе управления водными ресурсами
Ввод в действие Водного кодекса Российской Федерации [14] и Положения об осуществлении государственного мониторинга водных объектов [67] конкретизируют полномочия различных органов государственной власти (федерального уровня и уровня субъектов Российской Федерации) по использованию, мониторингу и охране водных объектов. В связи с тем, что водные объекты (например, речная сеть бассейна крупной реки, расположенная на территории нескольких субъектов Российской Федерации) представляют собой чаще всего, физически целостный объект, очень важно, чтобы представление различных участников водных отношений об отдельных частях водных объектов, характеристиках (группе характеристик) водных объектов при их объединении и водных ресурсах, входящих в эти объекты, составляли целостную картину о водных ресурсах Российской Федерации.
В главе 1 показано, что основным органом государственной власти, отвечающим за управление водными ресурсами, является Федеральное агентство водных ресурсов, образующее вместе со своими территориальными органами 3-х-уровневневую систему управления водными ресурсами. При этом наличие информации о точном местоположении объектов, их взаимном расположении и взаимосвязи существенно влияет на качество управленческих решений, принимаемых и реализуемых на различных уровнях. Поэтому для создания распределенной системы обработки пространственной информации по водным ресурсам, объединяющей (интегрирующей) подсистемы всех уровней управления, в качестве технологической основы целесообразно использовать геоинформационные системы, позволяющие с единых методических позиций описывать как пространственные (географические), так и атрибутивные (описательные) характеристики различных объектов, процессов и явлений. В создаваемой информационной системе обработки пространственной информации по водным ресурсам важно обеспечить хранение, обработку, обмен и предоставление пользователям информации, существующей в виде: - текстовых документов; - файлов определенной структуры, баз данных; - космических снимков; - картографических баз данных; - растровых данных, представленных в форме текстовых и графических документов.
Проведенный анализ системы управления водными ресурсами РФ, основных информационных потоков в Росводресурсах и их территориальных органах, а также основных видов информации, характеризующих водные ресурсы, позволяет заключить, что пространственная информация имеет большое значение при формировании исходной информации для принятия управленческих решений на всех трех организационных уровнях системы управления (рис.2.1).
Информационной основой управления водными ресурсами РФ является пространственная информация о водных, водохозяйственных и других объектах и территориях, которая представляется в виде географических (топографических) цифровых карт соответствующей территории: Российской Федерации, бассейнового водного управления, субъекта Российской Федерации. При этом структуры хранения этой информации (модели данных), иерархическая взаимосвязь которой приведена на рис.2.2, в каждом административно-территориальном образовании различаются.
Территориальный уровень распределенной системы обработки пространственной информации по водным ресурсам, который предполагает создание полнофункциональных автоматизированных информационных систем в каждом субъекте Российской Федерации в территориальном отделе соответствующего бассейнового водного управления, может стать основной информационного взаимодействия в области водных отношений в субъектах Российской Федерации.
Установление такого взаимодействия особенно важно в связи с необходимостью объединения данных, получаемых в субъектах Российской Федерации, в Государственный водный реестр и в систему Государственного мониторинга водных объектов. Объединение этих данных будет происходить в составе распределенной системы обработки пространственной информации, на основе их получения территориальными органами Федерального агентства водных ресурсов от уполномоченных органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации. Схема информационного взаимодействия территориальных органов Росводресурсов и уполномоченных органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации представлена на рис. 2.3.
В силу целесообразности выбора геоинформационных систем в качестве основы для построения распределенной системы обработки пространственной информации по водным ресурсам Российской Федерации и ее подсистем, в дальнейшем будем говорить о разработке распределенной геоинформационной системы по водным ресурсам Российской Федерации
Для возможности объединения, совместного представления и анализа пространственных данных, получаемых (создаваемых) в субъектах Российской Федерации, очевидно, они должны быть унифицированы, то есть иметь единую модель данных, а также систему координат и проекцию представления. Исходя из этого, можно выделить различные варианты территориальных геоинформационных систем - элементов геоинформационной системы по водным ресурсам Российской Федерации. Во-первых, существуют субъекты Российской Федерации, в которых уже действуют свои геоинформационные системы в территориальных отделах по водным ресурсам, которые разработаны и функционируют каждая согласно своей модели данных и правилам их хранения. В тех субъектах, в которых еще нет территориальной геоинформационной системы, потребность в объемах и сложности ее обработки различна. Поэтому, в одних субъектах оправдано создание своей собственной полнофункциональной геоинформационной системы территориального уровня, основанной на единой модели данных, в других же возможно ограничиться возможностью доступа к центральному хранилищу пространственной информации. Поэтому можно выделить 3 основных класса территориальных элементов распределенной геоинформационной системы по водным ресурсам Российской Федерации (рис. 2.4).
Разработка функциональной и информационной моделей распределенной геоинформационной системы водных ресурсов
Распределенная геоинформационная система водных ресурсов относится к классу сложных информационно-программных комплексов, поэтому при ее разработке для сокращения сроков и повышения качества проектирования сложных систем использовались современные подходы и требования к методикам их проектирования и реализации [20,49,75], рекомендованные государственным стандартом ГОСТ 34.601-90 и международным стандартом, относящимся к стадии жизненного цикла программной продукции (ISO 12207:1995).
При разработке систем можно использовать один из следующих стилей проектирования: - нисходящее (Top-of-Desigri). Четкая реализация нисходящего проектирования приводит к спиральной модели разработки, на каждом витке спирали блоки предыдущего уровня детализируются, используются обратные связи (альтернативой является так называемая каскадная модель, относящаяся к поочередной реализации частей системы); - восходящее (Bottom-of-Design); - эволюционное (Middle-of-Design) [56].
В ходе данной работы использовался нисходящий стиль блочно-иерархического проектирования, как наиболее распространенный и доказавший свою эффективность [50].
На рис. 3.1 приведена контекстная диаграмма (нулевой уровень) функциональной модели, показывающая цель исследований, входящую и исходящую информацию, участвующую в деятельности Росводоресурсов, документацию, регламентирующую деятельность (управляющая информация), управляющие механизмы. На рис. 3.2 показана дальнейшая декомпозиция модели по отдельным задачам. Функциональная модель на федеральном уровне содержит 4 уровня вложенности, на бассейновом - 2, на территориальном - 2.
Функциональная модель декомпозирует функции управления до элементарных подфункций и операций, для которых можно экспериментально установить время выполнения операции, определить центры затрат и соответственно определить для каждой из функций нижнего уровня декомпозиции временные и денежные затраты, выявить полный перечень информационных потоков. Полный набор функциональных моделей процесса контроля и управления водными ресурсами на федеральном, бассейновом и территориальном уровнях, отражающих деятельность предприятия на момент обследования (модель «As Is» - «как есть») представлен в приложении 2 в виде первых 4 уровней декомпозиции.
Комплексный анализ разработанных моделей процесса управления водными ресурсами на федеральном, бассейновом и территориальном уровнях позволил выделить функции и информационные потоки, подлежащие автоматизации, с применением геоинформационных технологий, на основании чего была построена функциональная модель проектируемой распределенной геоинформационной системы по водным ресурсам. Функциональная модель содержит 4 уровня вложенности и представлена в приложении 2 в виде первых 4 уровней декомпозиции.
В результате анализа действующих в Росводресурсах информационных систем, используемых в Росводресурсах на разных уровнях управления, а так же построенных функциональных моделей построена единая информационная модель данных по водным ресурсам. Примеры информационных моделей действующих в Росводресурсах информационных систем приведены на рисунках 3.3 -3.5.
Полный перечень информации, содержащейся в информационных системах на территориальном, бассейновом и федеральном уровнях соответственно, приведен в приложении 1.
Одним из наиболее важных вопросов, который следует учитывать при построении информационной модели распределенной системы обработки пространственной информации по водным ресурсам, является структура базы географических данных (БГД) центрального аппарата и БГД территориальных органов, которые должны строиться таким образом, чтобы сформировать наиболее удобный механизм взаимодействия между собой.
Механизм обмена пространственными данными будет облегчен, если структуры БГД центрального аппарата и каждого из территориальных органов будут совпадать, поэтому была разработана единая информационная модель пространственной информации по водным ресурсам. При выборе сущностей для модели учитывался как можно более полный перечень информации (набор характеристик, параметров), формирующейся на уровне территориальных органов Росводресурсов. Следует отметить, что разработанная единая информационная модель будет применима только для тех территориальных органов Росводресурсов, где создание систем обработки пространственной информации только предполагается.
При построении модели применялись следующие правила и допущения: ? водные объекты группируются в сущности в соответствии с их типом (реки, озера, моря), содержат графическое описание объекта и его основные характеристики; ? малые реки представляются в виде полилиний, большие описываются полигональными объектами. Сложные объекты (например, большие реки) разбиваются на несколько участков, при этом одному объекту соответствует несколько записей в атрибутивной таблице; все сущности в информационной модели содержат как описательную (атрибутивную) информацию (наименование, количественные характеристики, административную принадлежность и др.), так и пространственную информацию, характеризующую местоположение объекта на поверхности Земли; ? для удобства восприятия модель разделяется на условные блоки, формируемые по смысловому признаку, каждый из данных блоков содержит некоторое количество сущностей. Связи между сущностями во многих случаях не указываются, поскольку задать связи между пространственными объектами в явном виде не всегда представляется возможным; ? для информационного моделирования используется методология структурного моделирования в нотации IDEF1X.
Единая информационная модель по водным ресурсам, обобщенно представленная на рис. 3.6, расшифровка сущностей, типов и длин полей атрибутов приведены в Приложении 1.
Одним из наиболее сложных элементов единой информационной модели по водным ресурсам является фрагмент модели, описывающий данные для классификации территорий РФ по количественным и качественным показателям водных ресурсов, физически хранящиеся в различных информационных системах, где поддерживается из целостность и актуальность.
Фрагмент информационной модели, описывающий данные для классификации, приведен на рисунке 3.7. Для загрузки данных из действующих ИС в созданную БГД согласно данной структуре, для каждой информационной системы, данные из которой необходимо классифицировать, создается драйвер загрузки, который преобразовывает данные из действующей ИС в унифицированную структуру.
В результате проведённого анализа деятельности Росводресурсов и имеющегося программного обеспечения и баз данных, разработаны функциональная и информационная модели управления водными ресурсами РФ на трех организационных уровнях: федеральном, бассейновом и местном, позволившие в формализованном виде описать пространственную и атрибутивную информацию о водных ресурсах, а так же функции ее использования в практической деятельности Росводресурсов.
