Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ пространственных данных, инфраструктур и систем их обработки 13
1.1. Пространственные данные 13
1.1.1. Пространственные данные, их модели и метаданные 13
1.1.2. Инфраструктура пространственных данных 14
1.1.3. Формирование Российской инфраструктуры пространственных данных 27
1.2. Информационные системы обработки пространственных данных 37
1.2.1. Определения пространственных информационных систем, их классификация 38
1.2.2. Программное обеспечение 41
1.2.3. Функциональные блоки 43
1.2.4. Этапы развития пространственных информационных систем 43
Глава 2. Основные цели и направления региональной информатизации 49
2.1. Анализ состояния региональной информатизации и реализация её основных направлений (на примере Иркутской области) 50
2.1.1. Управление региональной информатизацией 51
2.1.2. Комплекс государственных и муниципальных информационно-аналитических и пространственных информационных систем области 53
2.1.3. Создание телекоммуникационной инфраструктуры 60
Глава 3. Методические основы формирования региональной инфраструктуры пространственных данных и её компонент 63
3.1. Цели и принципы формирования инфраструктуры пространственных данных регионального уровня 71
3.2. Требования к структуре и компонентам инфраструктуры пространственных данных Иркутской области 73
3.2.1. Пространственные объекты, базовые пространственные данные ИПД области 75
3.2.2. Пространственные и тематические данные ИПД области 79
3.2.3. Пространственные информационные системы ОГВМС Иркутской области 81
3.2.4. Метаданные ИПД области 81
3.2.5. Сервисы удалённой обработки пространственных данных 82
3.2.6. Геопортал ИПД Иркутской области 84
3.3. Инфраструктура пространственных данных муниципального уровня 99
3.4. Требования к технологическому и программно-техническому обеспечению ИПД
Иркутской области 102
Глава 4. Технологии включения в информационные системы функциональности обработки пространственных данных и автоматизации формирования баз данных 105
4.1. Технология включения в информационные системы функциональности обработки пространственных данных 106
4.1.1. Спецификации БД и их элементы 107
4.1.2. Инструментальная система ГеоАРМ 124
4.2. Формирование данных на основе автоматизированной обработки таблиц электрон ных документов 131
4.2.1. Извлечение табличной информации из документов Excel 133
4.2.2. Извлечение табличной информации из ASCII-текста 135
4.2.3. Извлечение табличной информации из метафайлов 141
4.2.4. Автоматизация ввода табличной информации в базу данных 147 Глава 5. Муниципальные системы обработки пространственных данных 153 5.1. Актуальность муниципальных информационно-аналитических и пространственных информационных систем 153 5.2 Общие принципы построения муниципальных пространственных информационных систем 156
5.2.1. МГИС как элемент муниципального узла ИПД РФ 158
5.2.2. Архитектура и структурные компоненты МГИС 160
5.3. Муниципальная геоинформационная система города Иркутска 163
5.4. Подсистемы МГИС г. Иркутска 167
5.4.1. Информационная система обеспечения градостроительной деятельности г. Иркутска 167
5.4.2. Геоинформационная система «Адресный план» 180
5.4.3. Автоматизированная информационная система «Управление многоквартирными домами» 198
Глава 6. Информационно-аналитические системы региональных органов государственной власти, основанные на пространственных данных 208
6.1. Роль пространственной информации в управлении региональным развитием 211
6.1.1. Принципы построения пространственных информационных систем ОГВ 214
6.1.2. Перечень функциональных задач ГИС ОГВ 215
6.1.3. Субъекты ГИС ОГВ 216
6.1.4. ГИС ОГВ как элемент регионального узла ИПД РФ 216
6.1.5. Использование ГИС в информационно-аналитической работе и управлении территориальным развитием 218
6.1.6. Архитектура и структурные компоненты ГИС ОГВ 222
6.1.7. Информационная база ГИС ОГВ 227
6.1.8. Программное обеспечение систем обработки пространственных данных 233
6.1.9. Направления поддержки управленческих решений ГИС ОГВ 234
6.1.10. Работа ГИС ОГВ в сети 237
6.2. Тематические информационные системы с развитыми функциями обработки пространственных данных 240
6.2.1. ГИС ОГВ Иркутской области 241
Заключение 262
Список
- Формирование Российской инфраструктуры пространственных данных
- Комплекс государственных и муниципальных информационно-аналитических и пространственных информационных систем области
- Пространственные объекты, базовые пространственные данные ИПД области
- Формирование данных на основе автоматизированной обработки таблиц электрон ных документов
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных направлений административной реформы в Российской Федерации (РФ) является модернизация системы информационного обеспечения органов государственной власти и местного самоуправления (ОГВМС). В настоящее время ОГВМС, хозяйствующие субъекты создают и используют большие объёмы пространственных и тематических данных, которые, как правило, локализованы и нескоординированы между собой, что исключает их комплексное использование. Распоряжением Правительства РФ от 17.07.06 № 1024-р утверждена Концепция региональной информатизации, определившая базовые направления создания комплекса государственных, региональных и муниципальных информационных ресурсов, обеспечивающих поддержку деятельности ОГВМС, а также информационно-аналитических систем поддержки управленческих решений. Распоряжениями Правительства РФ от 01.11.13 № 2036-р утверждена «Стратегия развития ИТ-отрасли России на 2014–2020 гг. и на перспективу до 2025 г.», от 30.12.13 №2602-р утвержден «План «дорожная карта» развития отрасли информационных технологий на 2014-2018 гг.».
Распоряжениями Правительства РФ от 21 августа 2006 года № 1157-р утверждена «Концепция формирования Российской инфраструктуры пространственных данных (ИПД РФ)» и от 17 декабря 2010 г. № 2378-р утверждена «Концепция развития отрасли геодезии и картографии до 2020 года», в которых определены принципы создания элементов ИПД РФ, отмечена адекватность ИПД и систем обработки пространственных данных (ПД) характеру задач управления территориальным развитием.
Таким образом, для перехода экономики регионов России к принципиально новой
модели устойчивого развития, а также для создания предпосылок перехода к информа
ционному обществу необходимо существенно модернизировать систему управления
территориальным развитием за счет масштабного внедрения последних достижений в
сфере формирования ИПД, современных информационно-аналитических и пространст
венных информационных систем, использования информационно-
телекоммуникационных технологий. Несмотря на значимые научно-прикладные резуль
таты по совершенствованию информационных технологий и систем, повышению эффек
тивности их внедрения, полученные Бычковым И.В., Бугаевским Л.М., Васильевым С.Н.,
Журкиным И.Г., Капраловым Е.Г., Кошкаревым А.В., Юсуповым Р.М., Потаповым В.П.,
Ноженковой Л.Ф., Рюмкиным А.И., Тикуновым В.С., Тихоновым А.Н., Федотовым А.М.,
Шокиным Ю.И., Fedra К., Date C.J., Gouglas D. Nebert и др., до сих пор не решена науч
ная проблема, имеющая важное социально-экономическое значение - формирование ре
гиональной инфраструктуры пространственных данных, её компонент, как системообра
зующей основы создания информационного пространства региона, сервисов обработки,
поиска, хранения, передачи информации в задачах управления.
В связи с этим разработка технологии создания инфраструктуры пространственных ресурсов и информационных систем регионального управления представляется своевременной, актуальной, значимой.
Цель работы. Разработать, реализовать и апробировать технологию создания инфраструктуры пространственных ресурсов и информационных систем регионального управления.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Проведена оценка моделей описания пространственных данных и метаданных, обобщён мировой и российский опыт создания компонент ИПД всех уровней, а также пространственных информационных систем и их программного обеспечения.
-
Определены направления перспективного развития (на примере Иркутской области) региональных информационных ресурсов (в том числе пространственных) и телекоммуникационной инфраструктуры для формирования региональной ИПД.
-
Исследованы принципы разработки компонент ИПД регионального и муниципального уровней, а также организация и обеспечение функционирования распределенных информационных систем и баз данных (БД), обеспечивающих эффективность управления территориальным развитием.
-
Сформулированы методические основы интеграции функций обработки пространственных данных в информационные системы (ИС), а также формирования БД на основе обработки таблиц электронных документов.
-
Созданы информационные модели и принципы разработки информационных систем управления социально-экономическим развитием территорий регионального и муниципального уровней, а также проведена их конструктивная реализация и апробация.
Объект исследования. Теоретические и информационные аспекты формирования единого информационного пространства, ресурсов региона, реализация процессов сбора, хранения, обработки, поиска, передачи информации.
Предмет исследования. Методы, модели описания информационных процессов и ресурсов, а также технология создания автоматизированных информационных систем управления развитием территорий регионального и муниципального уровней ИПД и их конструктивная реализация.
Методы исследований: информационного моделирования; обработки баз данных, проектирования пространственных информационных (в том числе распределённых) систем, теории систем БД, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Исследованы функциональные требования к формированию ИПД интеграционного типа (на примере Иркутской области), включающие: широкое внедрение стандартов OGC; использование Web-, SaaS- сервисов, новых картографических Web-приложений, а также Web-приложений, обладающих функциональностью ГИС; возможность миграции систем хранения ПД их сервисов и приложений в сетевую среду; адаптацию существующих ИС и баз пространственных данных в ИПД региона.
-
Предложена оригинальная технология создания инфраструктуры региональных пространственных ресурсов, комплексно охватывающая вопросы: создания компонент ИПД регионального, муниципального уровней, информационных и геоинформационных систем; преемственности и унификации созданных информационных ресурсов ОГВМС; использования Web-сервисов обработки ПД, а также современного технологического и телекоммуникационного обеспечения.
-
Разработан оригинальный прототип геопортала ИО (регионального и муниципального уровней), реализующего современные технологические основы создания распределённых информационных Web-сервисов обработки ПД, ориентированного на поддержку Web-сервисов стандартов WMS, WPS, WCS и ГИС.
-
Реализованы методики внедрения эффективных, технологий интеграции функций обработки пространственных данных в существующие ИС с использованием спецификаций БД, а также формирования БД на основе автоматизированной обработки таблиц электронных документов.
-
Созданы оригинальные информационные модели процессов управления региональным и муниципальным развитием на основе комплексного анализа и исследования закономерностей в информационных потоках, организации функционирования информационных систем.
-
На основе адекватных информационных моделей разработаны с использованием информационных и Web-технологий, спецификаций БД и компонент ИПД области базовые пространственные и информационно-аналитические системы (Мониторинг и ресурсы региона, ГИС ОГВ, МГИС, МИСОГД, УМД и др.), как составная часть «электронного правительства», повышающие эффективность управления социально-экономическим развитием территорий регионального и муниципального уровней.
Достоверность, апробация результатов обеспечивается: согласованностью с результатами исследований других авторов, представленных в печатных изданиях, а также применением, разработанных информационных систем в ОГВМС Иркутской области, для управления территориальным развитием.
Все результаты диссертации прошли положительную апробацию на более чем 50 отечественных и 30 международных научных конференциях и семинарах.
Научная и практическая значимость результатов. Отдельные результаты диссертации были использованы в рамках: Грантов Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ (НШ-65216.2010.1, НШ-5007.2014.9); программы Президиума РАН № ФНМ-51, 49 (2012 г., 2013-2015 гг.); программы фундаментальных исследований Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН (проекты №3.1, 2009-2011 гг., №4.1, 2012-2014 гг.); междисциплинарной программы 4.5.2. СО РАН (проект 4.5.2.1.) (2007-2009 гг.); программы фундаментальных исследований СО РАН: проект IV.31.2.4. «Методы и технологии разработки программного обеспечения для анализа, обработки и хранения разноформатных междисциплинарных данных и знаний, основанные на применении декларативных спецификаций форматов представления информации и моделей программных систем» (2010-2012 гг.), проект IV.38.2.3. Новые методы, технологии и сервисы обработки пространственных и тематических данных, основанные на декларативных спецификациях и знаниях (2013-2015 гг.); целевых программ СО РАН «Информационно-телекоммуникационные ресурсы»; «Телекоммуникационные и мультимедийные ресурсы» (2003-2012 гг.); междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН проекты №121, 4, 9 (2009-2011 гг.), проекты №17, 131 (2012 – 2014 гг.); совместного проекта ДВО РАН и СО РАН №73, 74 (2012-2014 гг.); международного проекта СО РАН – Академия наук Монголии (2011-2014 гг.); научных проектов РФФИ 97-07-90151-в, 98-07-90314-в, 05-07-97204-р_байкал_в, 08-07-00163-а, 09-07-12017-офи_м, 11-07-00426-а, 11-07-92204-Монг_а, 12-07-98005-р_сибирь_а, 13-07-12080 офи_м, 13-05-41105 РГО_а и т.д.
Практическая значимость диссертации определяется использованием её результатов при разработке программ социально-экономического развития Иркутской области и города Иркутска, а также созданием информационно-аналитических и геоинформационных систем для ОГВМС области (акты о внедрении прилагаются).
В составе авторских коллективов Г.М. Ружникову в 2006 году за работу «Система математических и информационных технологий поддержки принятия управленческих решений в сфере деятельности органов государственной власти и местного самоуправления Иркутской области» и в 2011 году за работу «Информационно-телекоммуникационная инфраструктура Иркутского научно-образовательного комплекса» присуждены премии губернатора Иркутской области по науке и технике.
В составе авторского коллектива Г.М. Ружникову за работу «Создание информационно-телекоммуникационной инфраструктуры междисциплинарных научных исследований как основы экономического и социального развития восточных регионов России» присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники за 2012 год.
Соответствие специальности. В соответствии с паспортом научной специальности 05.25.05 - «Информационные системы и процессы» диссертационная работа Г.М. Ружникова охватывает исследования и разработки в области теоретических, программных, информационных, аспектов обеспечения функционирования систем и реализации процессов генерации, сбора, хранения, обработки, поиска, передачи, представления и воспроизведения информации. Значение диссертационной работы для народного хозяйства заключается в совершенствовании и повышении эффективности функционирования информационных технологий и систем, а также систем управления региональными информационными ресурсами, улучшения на этой основе качества и эффективности решений, принимаемых в научной, экономической, управленческой деятельности ОГВМС. Отражённые в диссертации положения соответствуют пунктам 1, 3-7 области исследования данной специальности.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Функциональные требования к формированию ИПД интеграционного типа (на примере Иркутской области).
-
Технология создания инфраструктуры региональных пространственных ресурсов, комплексно охватывающая вопросы создания компонент ИПД регионального, муниципального уровней.
-
Прототип геопортала (регионального и муниципального уровней), как единой точки доступа, обеспечивающего комплексное использование современных методов создания распределённых информационных Web-сервисов обработки ПД.
-
Методика создания и внедрения технологий включения в информационные системы функциональности обработки пространственных данных, а также формирования БД на основе автоматизированной обработки таблиц электронных документов.
-
Информационные модели процессов управления региональным и муниципальным развитием.
-
Принципы разработки, информационное обеспечение и организация функционирования пространственных и информационно-аналитических систем, как составной части «электронного правительства» ОГВМС, повышающие эффективность управления социально-экономическим развитием территорий.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены соискателем лично. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны: в [1, 5-7, 10, 14, 16-19] – исследование принципов организации, функционирования и разработки компонент ИПД (интеграционного типа) региона, их структура; в [1, 5-7, 10, 11, 15-18] – технология создания инфраструктуры пространственных ресурсов и информа-
ционных систем в задачах управления территориальным развитием региона; в [5, 7, 10, 15, 16, 18, 48] – функциональная модель геопортала (регионального и муниципального уровней), как единой точки доступа ИПД, ориентированного на поддержку Web-сервисов стандартов WMS, WPS, WCS и ГИС; в [1, 2, 8, 9, 14, 21-24, 26, 31, 35-46, 49] – методика создания и внедрения технологий включения в информационные системы функций обработки ПД, а также автоматизация ввода информации в базы данных на основе автоматизированной обработки таблиц электронных документов; в [1-4, 8, 12, 20, 25, 27, 28, 30-34, 42, 43, 45] – информационные и функциональные модели процессов управления региональным и муниципальным развитием, созданные на основе комплексного анализа свойств и связей информационных потоков и характеристик пространственных и тематических данных; в [1-4, 8, 12, 20, 25-28, 30-33, 42-48, 50] - принципы создания, информационное обеспечение и организация функционирования информационно-аналитических и пространственных систем управления социально-экономическим развитием территорий регионального и муниципального уровней.
Публикации. Научные результаты, в полном объёме отражающие содержание диссертации, опубликованы в 177 работах, включающих: 4 коллективных монографии; 31 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК; 15 свидетельств официальной регистрации программ РОСАПО; 127 работ, опубликованные в журналах и материалах всероссийских, международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 4 приложений, библиографии из 353 наименований, 115 рисунков и 16 таблиц. Общий объём составляет 336 страницы, из которых 40 страниц - приложения
Формирование Российской инфраструктуры пространственных данных
Достоверность научных положений обеспечивается: - использованием опубликованных в открытой печати методов и технологий проектирования, разработки пространственных информационных систем пространственных данных; - согласованностью с результатами исследований других авторов, представленных в печатных изданиях; - применением разработанных информационных систем в ОГВМС Иркутской области для управления территориальным развитием.
Научная и практическая значимость результатов. Отдельные результаты диссертации были использованы в рамках: Грантов Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ (НШ-65216.2010.1, НШ-5007.2014.9); программы Президиума РАН № ФНМ-51, 49 (2012 г., 2013-2015 гг.); программы фундаментальных исследований Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН (проекты №3.1, 2009-2011 гг., №4.1, 2012-2014 гг.); междисциплинарной программы 4.5.2. СО РАН (проект 4.5.2.1.) (2007-2009 гг.); программы фундаментальных исследований СО РАН: проект IV.31.2.4. «Методы и технологии разработки программного обеспечения для анализа, обработки и хранения разноформатных междисциплинарных данных и знаний, основанные на применении декларативных спецификаций форматов представления информации и моделей программных систем» (2010-2012 гг.), проект IV.38.2.3. Новые методы, технологии и сервисы обработки пространственных и тематических данных, основанные на декларативных спецификациях и знаниях (2013-2015 гг.); целевых программ СО РАН «Информационно-телекоммуникационные ресурсы»; «Телекомму 10 никационные и мультимедийные ресурсы» (2003-2012 гг.); междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН проекты №121, 4, 9 (2009-2011 гг.), проекты №17, 131 (2012 – 2014 гг.); совместного проекта ДВО РАН и СО РАН №73, 74 (2012-2014 гг.); международного проекта СО РАН – Академия наук Монголии (2011-2014 гг.); научных проектов РФФИ 97-07-90151-в, 98-07-90314-в, 05-07-97204-р_байкал_в, 08-07-00163-а, 09-07-12017-офи_м, 11-07-00426-а, 11-07-92204-Монг_а, 12-07-98005-р_сибирь_а, 13-07-12080 офи_м, 13-05-41105 РГО_а и т.д.
Практическая значимость диссертации определяется применением её результатов при разработке программ социально-экономического развития Иркутской области и г. Иркутска, а также созданием информационно-аналитических и геоинформационных систем (акты о внедрении прилагаются).
В составе авторских коллективов Г.М. Ружникову в 2006 году за работу «Система математических и информационных технологий поддержки принятия управленческих решений в сфере деятельности органов государственной власти и местного самоуправления Иркутской области» и в 2011 году за работу «Информационно-телекоммуникационная инфраструктура Иркутского научно-образовательного комплекса» присуждены премии губернатора Иркутской области по науке и технике.
В составе авторского коллектива Г.М. Ружникову за работу «Создание информационно-телекоммуникационной инфраструктуры междисциплинарных научных исследований как основы экономического и социального развития восточных регионов России» присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники за 2012 год.
Соответствие специальности. В соответствии с паспортом научной специальности 05.25.05 «Информационные системы и процессы» диссертационная работа Руж-никова Г.М. охватывает исследования и разработки в области теоретических, программных, информационных, аспектов обеспечения функционирования систем и реализации процессов генерации, сбора, хранения, обработки, поиска, передачи, представления и воспроизведения информации. Значение диссертационной работы заключается в совершенствовании и повышении эффективности функционирования информационных технологий и систем, а также систем управления региональными информационными ресурсами, улучшения на этой основе качества и эффективности решений, принимаемых в научной, экономической, управленческой деятельности ОГВМС. Отражённые в диссер 11 тации положения соответствуют пунктам 1, 3-7 области исследования данной специальности.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту 1. Функциональные требования к формированию ИПД интеграционного типа (на примере Иркутской области). 2. Технология создания инфраструктуры региональных пространственных ресурсов, комплексно охватывающая вопросы создания компонент ИПД регионального, муниципального уровней. 3. Прототип геопортала (регионального и муниципального уровней), как единой точки доступа, обеспечивающего комплексное использование современных методов создания распределённых информационных Web-сервисов обработки ПД. 4. Методика создания и внедрения технологий включения в информационные системы функциональности обработки пространственных данных, а также формирования БД на основе автоматизированной обработки таблиц электронных документов. 5. Информационные модели процессов управления региональным и муниципальным развитием. 6. Принципы разработки, информационное обеспечение и организация функционирования пространственных и информационно-аналитических систем, как составной части «электронного правительства» ОГВМС, повышающие эффективность управления социально-экономическим развитием территорий.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, соискателем получены: в [1, 20, 78, 79, 82, 83, 86, 87, 90, 291] – исследование принципов организации, функционирования и разработки компонент ИПД (интеграционного типа) региона, их структура; в [20, 78, 83, 86, 87, 90, 259, 291, 337] – технология создания инфраструктуры пространственных ресурсов и информационных систем в задачах управления территориальным развитием региона; в [83, 86, 188, 337] – функциональная модель геопортала (регионального и муниципального уровней), как единой точки доступа ИПД, ориентированного на поддержку Web-сервисов стандартов WMS, WPS, WCS и ГИС; в [1, 2, 39, 40, 45-46, 49-54, 76, 84, 101, 102, 188, 189, 257, 258, 347] – методика создания и внедрения технологий включения в информационные системы функций обработки ПД, а также автоматизация ввода информации в базы данных на основе автоматизированной обработки таблиц электронных документов; в [1-4, 39, 41, 55, 56, 58, 63, 85, 94, 98, 100-102, 205, 303] – информационные и функциональные модели процессов управления региональным и муниципальным развитием, созданные на основе комплексного анализа свойств и связей информационных потоков и характеристик пространственных и тематических данных; в [1-4, 39, 41, 55-58, 63, 85, 100-102, 205, 303, 347] - принципы создания, информационное обеспечение и организация функционирования информационно-аналитических и пространственных систем (Мониторинг и ресурсы региона, ГИС ОГВ, МГИС, МИСОГД, УМД и др.) управления социально-экономическим развитием территорий регионального и муниципального уровней.
Представление, апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на более чем 50 отечественных и 30 международных научных конференциях и семинарах.
Публикации. Научные результаты, в полном объёме отражающие содержание диссертации, опубликованы в 177 работах, включающих: 4 коллективных монографии; 31 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК; 15 свидетельств официальной регистрации программ РОСАПО; 127 работы, опубликованные в журналах и материалах всероссийских, международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из: введения, 6 глав, заключения, 4 приложений, библиографии из 353 наименований, 115 рисунков и 9 таблиц. Общий объём работы составляет 340 страниц, из которых 40 страниц - приложения.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту академику И.В.Бычкову, а также сотрудникам ИДСТУ СО РАН за обсуждение и полезные замечания при выполнении диссертационной работы.
Комплекс государственных и муниципальных информационно-аналитических и пространственных информационных систем области
По функциональным возможностям ГИС различают как информационно-поисковые системы; информационно-поисковые системы с элементами пространственного анализа и пространственного моделирования; информационно-поисковые системы с автоматизированными рабочими местами и др. [152, 157].
По сетевым возможностям ГИС различают как системы для одиночных ПЭВМ; клиент-серверные системы для ЛВС; клиент-серверные системы для Internet; корпоративные; территориально распределённые системы [12].
По возможности интеграции с другими системами различают как не интегрированные с другими ГИС; ГИС, совмещающие функциональные возможности ГИС и специализированных систем управления базами данных (СУБД); ГИС, совмещающие функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (материалов дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде и др. 1.2.2. Программное обеспечение
Программное обеспечение (ПО) ГИС поддерживает функциональные возможности ГИС и включает специализированные программные средства: универсальные полнофункциональные или инструментальные ГИС (GIS software tools), картографические визуа-лизаторы – вьюверы (map viewer), картографические браузеры или просмотровщики, средства настольного картографирования (desktop mapping), справочные картографические системы, средства пространственного моделирования и обслуживания отдельных этапов геоинфомационных технологий и функциональные группы такие, как конвертирование форматов, цифрование, векторизацию, создание и обработку цифровой модели рельефа, взаимодействие со спутниковыми системами позиционирования и т.д. [1, 17, 19, 23, 130, 157]. Инструментальные ГИС предназначены для организации ввода информации (картографической, атрибутивной), ее хранения (в том числе и распределенного, поддерживающего сетевую работу), отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач, построения производных карт и схем (оверлейные операции). Инструментальные ГИС поддерживают работу с растровыми и с векторными изображениями, имеют встроенную БД для цифровой топографи 42 ческой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных БД: Paradox, Access, Oracle и др. Инструментальные ГИС оцениваются по составу поддерживаемых функций [1, 17, 103, 157, 268]. Инструментальные системы позволяют отображать ПД, создавать прикладные ГИС, цифровые картографические системы. Многие инструментальные ГИС включают ГИС-вьюверы, которые предоставляют пользователю ограниченные возможности пополнения БД и включают инструментарий запросов к БД, которые выполняют операции позицирования и зуммирования картографических изображений.
Справочные картографические системы (СКС) сочетают в себе хранение и визуализацию пространственно распределенной информации, содержат механизмы запросов по картографической и атрибутивной информации. СКС предназначены для работы только со встроенной БД, имея минимальные средства для ее обновления или пополнения [140].
Средства пространственного моделирования моделируют пространственное распределение различных параметров (рельефа, зон экологического загрязнения, участков затопления и т.д.), опираясь на средства работы с матричными данными и развитые средства визуализации. [268].
Специальные средства обработки и дешифрирования данных ДЗЗ – пакеты обработки изображений, снабженные математическим обеспечением, позволяющим проводить операции со сканированными или записанными в цифровой форме снимками поверхности земли. Пакеты включают широкий набор операций от всех видов коррекций (оптической, геометрической) через географическую привязку снимков вплоть до обработки стереопар с выдачей результата в виде топоплана.
Существует также такое программное обеспечение работы с пространственной информацией полевых геодезических наблюдений, полученных с использованием GPS/ГЛОНАСС, электронного геодезического оборудования и т.д.
Большинство полнофункциональных ГИС имеют модульную структуру. Отдельный модуль включает в себя только один определенный набор функций. Модули являются полностью функционально независимыми. Существуют также ГИС, реализующие только определенный минимальный набор функций, различный для каждой конкретной программы, который позволяет решать многие достаточно сложные задачи.
Основным отличием ГИС от других информационных систем являются функции пространственного анализа и моделирования [22, 89, 142], которые могут выполняться ГИС, сводятся в конечном итоге к выполнению нескольких основных операций: операции поиска объектов, оверлейные (overlay) операции, буферизация (buffering), графоаналитические операции. Большинство процедур анализа в среде ГИС, выполняемые с растровыми пространственными данными, выполняется с использованием операций картографической алгебры. Концепция картографической алгебры, реализованная в большинстве коммерческих ГИС-пакетов, соответствует концепции пакета МАР (Мар Analysis Package), согласно которой операции картографической алгебры делятся на локальные операции, операции соседства или фокальные операции, зональные операции и глобальные операции. 1.2.4. Этапы развития пространственных информационных систем
Началом формирования пространственных информационных систем или ГИС можно считать создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров. Первые ГИС обеспечивали: ввод данных, обработку пространственных данных, полученных с карт, данных ДЗЗ и т.д.; хранение и поиск, позволяющие оперативно получать данные для соответствующего анализа, актуализировать и корректировать их. В 50-х - 70-х годов XX века разработаны первые компьютерные системы пространственного анализа растровых изображений и автоматизированного картографирования с использованием плоттеров. Самым извест ным программным пакетом, который реализовал функции построения картограмм, карт изолиний и трендовых поверхностей, был пакет SYMAP (Synagraphic Mapping System), разработанный в 1967 г. в Гарвардской лаборатории компьютерной графики и пространственного анализа (Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Масса-чусетского технологического института. В дальнейшем (70-е годы — начало 80-х годов XX века) в этой же лаборатории были разработаны программные пакеты (GRID, CALFORM, ODYSSEY и др.), которые обеспечивали оцифровку карт, автоматическое картографирование и пространственный анализ. В тоже время «системы автоматизированного картографирования» разрабатывались в других научных центрах Северной Америки и Европы [16, 23, 25, 130, 177].
Корпоративные ГИС. Развитие геоинформационных технологий, как и других технологий, используемых для решения комплексных задач, происходил в направлении расширения функциональности по обработке данных и использования новых аппаратных платформ и современных средств телекоммуникаций. В начале 80-х годов прошлого века были начаты разработки ГИС, ориентированных на работу в ЛВС. Это было вызвано увеличением мощности ПК и развитием сетевых технологий. Влияние сетевых технологий на ГИС очевидно, наиболее распространенной среди них является до сих пор технология клиент/сервер, предусматривающая разделение вычислений: общая обработка данных осуществляется на сервере, там же хранятся и общие данные, на клиентском месте предусматривается обработка информации. Развитие сетевых технологий в начале 90-х годов привело к разработке концепции World Wide Web (WWW) . Это стало возможным благодаря появлению новых высокопропускных каналов связи и развитию микроэлектронной базы ЭВМ. Производители программного обеспечения стали активно создавать версии программных продуктов, удовлетворяющих требованиям удаленного доступа. В этом же направлении стали работать разработчики ГИС, причём на первом этапе был сделан акцент на получение геопространственных данных по Internet. Благодаря Internet стало возможным комплексное использование ГИС-технологий и высокоскоростных каналов связи для цифровой интеграции физически разделенных, но тематически согласованных геопространственных БД [23, 89, 320].
Пространственные объекты, базовые пространственные данные ИПД области
В органах государственной власти и местного самоуправления Иркутской области наиболее часто используются программное обеспечение ГИС: ArcInfo; MapInfo; ГИС «Карта 2011»; AutoCAD; ИнГео; Камат; СОКИТ; Google Maps (см. Глава 2.). Перечень тематических геоинформационных и информационно-аналитических систем ОГВМС Иркутской области представлен в Главе 2:
Метаданные ИПД области
Для управления процессами поиска, создания, хранения, обновления, обработки и использования ПД, формируются пространственные метаданные (данные о свойствах наборов пространственных данных и связанных с ними геосервисах), которые используются при каталогизации, учете, статистической обработке и анализе имеющихся ресурсов. Профиль метаданных содержания пространственных метаданных ИПД Иркутской области должен согласовываться с профилем ИПД РФ, и строится на сочетании стандартов ISO 19115:2003, ISO 19139:2007 и ISO 19119:2005, которые определяют, как должны быть описаны геоданные и связанные с ними сервисы, включая такие параметры как содержание данных, их пространственно-временная составляющая, качество данных, доступ к ним и права их использование.
Основные пакеты метаданных ИПД ИО, в соответствие с ГОСТ Р. 52573-2006, должны включать информацию о БПД: идентификационную; о пространственно-временных характеристиках; о координатной основе; о классификаторах; о качестве; об обновлении; об ограничениях (авторские права); о распространении (как получить и использовать ПД и геосервисы); об ответственном субъекте (за создание, актуализацию и распространение ПД и геосервисов); ссылка на описание. Это обеспечивает совместимость данных и программных средств и их интеграцию. Следует учитывать, что метаданные для каждого из группы БПО в целом могут быть предоставлены лишь в отношении характеристик, являющихся однородными для всех входящих в базу БПД. Функции каталога метаданных: редактирование, удаление, создание, загрузка метаданных, а также поиск метаданных по категориям, ключевым словам, пространственному критерию и иным параметрам (способ представления, период изменения, источник метаданных и т.п.). Просмотр данных осуществляется в виде Web-форм и XML кода, опубликованных пространственных данных. Базы пространственных метаданных, размещенные в сети серверов и геопорталов, должны обеспечивать: планирование, быстрый поиск и восстановление данных; поддержку обмена данными в ИПД ИО через каталог геопортала; снижение затрат на создание новых пространственных данных и геоинформационных ресурсов за счет исключения дублирования; оценку ПД (качество, порядок получения доступа, контактная информация владельца и т.д.); подключение новых пользователей.
Стандартизация пространственных метаданных обеспечивает однородность представления метаинформации, облегчает ее распространение и предоставление универсального доступа. Разработка средств работы с метаданными (в т.ч. наборов метаданных, языков описания метаданных и др.) крайне важна для обеспечения глобального доступа к информации и ее эффективного использования.
При изменении и публикации метаданных, БПД в Геопортале ИО соблюдаются требования стандартов ISO 19115-2003 «Географическая информация. Метаданные», ISO 19119-2005 «Географическая информация. Сервисы», ГОСТ Р. 52573-2006 «Географическая информация. Метаданные». 3.2.5. Сервисы удалённой обработки пространственных данных
При формировании регионального и муниципального уровней ИПД ИО актуально использование современных Web-технологий, для работы с ПД в распределённых системах, обеспечения совместимости их компонент, создания геопорталов и распределённых геосервисов, поддерживающих на основе открытых стандартов OGC доступ, обмен данными ПД и их обработку. OGC для обеспечения интероперабельности в ИПД предложил ряд Web-спецификаций (стандартов), которые являясь технологической основой создания ИПД, представляют собой модульные приложения, обеспечивающие выполнение операций, доступных по сети через их интерфейсы. Взаимодействие через сеть в соответствие с OGC основывается на стандартизованных протоколах, независимых от платформы, языка или объектной модели.
Стандарт WCS определяет формат и протокол доступа к покрытию (регулярному пространственно-временному распределению параметра) растровому изображению, в каждом пикселе которого задано значение параметра. Покрытие может быть многомерным. WCS является спецификацией публикации в сети наборов растровых данных (коллекций изображений, карт или баз геоданных). Сервис WCS позволяет просматривать (в том числе по времени) изображения или их части, а также осуществлять запросы значений параметров, связанных с пикселями и возвращает данные в формате, удобном для анализа и моделирования, а сервис WMS возвращает только изображения данных. Сервис WCS позволяет открыть доступ к наборам растровых данных в открытом и общепринятом формате, применяемом различными клиентскими приложениями на различных платформах [333].
Стандарт WMS (стандарт ISO 19128) визуализирует (rendering) геинформацион-ные слои в виде карт, поддерживают удобный просмотр картографических представлений в растровом виде в форматах PNG, TIFF, JPEG и т.п. WMS отображает информацию в различных масштабах без её потери. Существуют расширения стандарта: Time (WMS), Tile Caching (WMS-C) [332].
Стандарт WFS (стандарт ISO 19142) предоставляет данные (геометрия и таблицы атрибутов, связанных с ним) в векторном виде в формате GML. Расширения стандарта: Transactional (WFS) позволяет клиентам передавать обратно на WFS сервер новые и измененные данные; Gazetteer (WFS-G) осуществляет поиск и запрос элементов по словарю географических названий; Temporal добавляет временное измерение [333].
Стандарт WPS реализует идеологию облачных вычислений - предоставления услуг удалённой обработки растровых и векторных данных, а также возможность доступа к пакетам геомоделирования, статистики и обработки ПД, расположенным на удалённых серверах. Стандарт определяет способы передачи данных, запуск процесса и получение результатов. WPS может быть интегрирован в тематические геопорталы, через Web-браузеры либо специализированные ГИС-клиенты. WPS поддерживает запросы: GetCapabilities - для получения метаданных Web-сервисов (список и описание выполняемых сервисов); DescribePocess - для получения описания выбранного сервиса, включая информацию о входных и выходных параметрах; Execute - для запуска на выполнение и возвращения результатов. Адрес Web-сервиса
Формирование данных на основе автоматизированной обработки таблиц электрон ных документов
При описании поля таблицы указывается его вид, который связан с типом поля в БД но, кроме того, несёт и дополнительную информацию о возможных способах использования данного поля в системе.
Начальные версии описаний выбранных таблиц могут быть сгенерированы автоматически по метаинформации, предоставляемой СУБД, и результатам статистического анализа содержащихся в таблицах данных. После этого разработчик должен проверить и, при необходимости, исправить автоматически сгенерированные описания (например, строковые поля, значения которых не повторяются в некоторой таблице, могут автоматически определяться, как именованные). Если отсутствие повторений является случайным, например, вследствие слабой заполненности анализируемой таблицы, этот вид может потребоваться изменить на строковый.
Под представлением понимается набор данных, организованный из связанных ссылками таблиц. Оно характеризуется одной базовой таблицей и набором полей, включаемых в это представление, как из этой базовой таблицы, так и из справочников, связанных с ней (как непосредственно, так и через ссылки из других справочников). С точки зрения пользователя представление выглядит, как обычная таблица, но информация о происхождении полей позволяет более эффективно получать список значений поля при формировании запроса.
Описание представления содержит следующую информацию: на какой таблице основано данное представление, и какие поля этой таблицы и таблиц (представлений), связанных с ней, включаются в данное представление. Таким образом, можно считать, что представления в описании БД отличаются от обычных представлений (VIEW), тем, что их структура ограничена определённым видом, предназначенным для декодирования значений кодовых полей через справочники.
Кроме описания структуры БД в спецификации могут быть описаны некоторые настройки интерфейса системы (можно описать способы отображения записей в виде формы для каждой таблицы и представления). При этом поля могут быть сгруппированы по видам информации, что облегчает восприятие информации пользователем. Поддерживается два вида группировки полей: «Блок» (поля, входящие в него, ограничены общей рамкой) и «Закладка» (поля, входящие в нее, располагаются на отдельной закладке). Внутри блоков и закладок могут быть организованы вложенные блоки.
В спецификации БД могут содержаться сведения, необходимые для интеграции баз данных с ГИС. Для этого включается в описание перечень используемых карт, а для таблиц указываются поля, в которых содержатся данные, связанные с картой (составляющие адреса, кадастровый номер). Кроме того, реализован механизм привязки произвольных записей таблиц к объектам карт с использованием общей таблицы связей.
Для поддержания не предусмотренных в инструментальной системе ГеоАРМ режимов обработки данных БД, в спецификации можно описать работу с приложениями-надстройками (plugin). Например, есть возможность подключения библиотеки для создания специфических отчётных форм. Для этого таблицам и представлениям, для которых необходимо формировать отчеты, сопоставляются шаблоны отчетов, создаваемые подсистемой «Генератор отчётов».
С использованием спецификаций структур БД были реализованы инструменты для решения следующих задач: публикация информации из БД в Интернет/интранет; отображение результатов запросов на электронной карте; формирование пользовательских запросов; автоматическая генерация пользовательского интерфейса для редактирования информации в БД; технология хранения и анализа многомерных данных, собранных в различных разрезах.
Инструментальная система ГеоАРМ
Существует два подхода интеграции функций обработки пространственных данных в существующие информационные системы: разработка приложений на базе популярных ГИС и разработка приложений на базе IDE с применением API ГИС. Оба подхода требуют значительных трудозатрат и квалификации специалистов, решающих эту задачу.
С использованием спецификаций структуры БД разработана инструментальная система (ГеоАРМ), позволяющая воспроизвести основную функциональность существующих ИС (поиск, просмотр и редактирование информации из существующих БД), обеспечивая при этом возможности отображения этой информации на цифровой карте [34, 36, 47, 89, 256] .
Система ГеоАРМ может решать следующие задачи: просмотр и редактирование содержимого БД формирование и отображение цифровой карты территории; поиск объектов на цифровой карте и связь БД с цифровой картой; выполнение пользовательских запросов с отображением результатов на цифровой карте; ведение тематических слоёв на цифровой карте местности с привязкой к БД; автоматизация администрирования описаний БД и цифровых карт. Система ГеоАРМ состоит из двух основных подсистем: настраиваемого автоматизируемого рабочего места и картографического модуля, реализованного с помощью пакета GIS ToolKit [104, 232] ГИС Панорама и цифровой карты территории.
ГеоАРМ поддерживает доступ к уже существующим ИС, на основе спецификаций структуры БД. При этом обеспечивается просмотр и редактирование содержимого БД, как в табличном представлении, так и в виде автоматически сгенерированных форм, взаимосвязанных между собой. Таблицы БД привязываются к карте при помощи геокодирования или через таблицу привязки к карте. При этом становится возможным находить на карте объекты соответствующие записям таблицы и, наоборот, находить связанную с объектом карты в БД информацию.
На основную карту (цифровую топооснову) при необходимости дополнительно накладываться тематические слои, которые доступны для редактирования пользователем имеющейся в БД информации, для которой отсутствуют объекты на топоосно-ве.
Настраиваемое автоматизируемое рабочее место, используя файл спецификации структуры БД, позволяет организовать работу с БД и обеспечивает выполнение функций: интерактивное формирование спецификаций структур БД; просмотр и редактирование БД; построение пользовательских запросов; формирование отчётов [89].
Рассматриваемая подсистема настраивается без перекомпиляции на работу с любыми БД, доступ к которым обеспечивается на основе технологий BDE или ADO, при условии, что эти БД имеют достаточно правильную структуру: в качестве первичных ключей основных таблиц должны использоваться целочисленные поля, а связи между таблицами определяются как список соответствий между отдельными полями таблиц. Для таких баз данных может быть организована работа настраиваемого АРМ непосредственно с той же БД, с которой, работают уже внедренные ИС. Если же структура существующей БД препятствует её непосредственному использованию в подсистеме, то может быть использовано периодическое преобразование такой БД с учетом вышеперечисленных требований. В основе настраиваемого АРМ лежит технология использования спецификаций структуры БД
