CC BY
165
ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ СТАНДАРТОВ И СВОБОДНО РАСПРОСТРАНЯЕМЫХ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ
Владимир Комоско
Филиал ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) в г Снежинске, кафедра гуманитарных и социальноэкономических наук, директор научно-образовательного центра «Математическое моделирование и прикладное программирование», кандидат физико-математических наук, доцент, улица 40 лет Октября, 7, Снежинск, Челябинская обл., 456770, Россия, а/я 410, тел./факс: (35146) 3-03-83, тел. моб.+79028649200, e-mail: [email protected]
Сергей Серебряков
Заместитель генерального директора по стратегическому развитию ООО " Технология 2000", кандидат технических наук, 620142, Россия, г. Екатеринбург ул. Чапаева 7,к. "Л ", оф. 106., моб. тел. 8 9122458061, e-mail: [email protected]
Для создания инфраструктуры пространственных данных (ИПД) необходимо решить сложнейшие организационные, нормативно-правовые и технологические вопросы. В настоящее время существует ряд универсальных коммерческих ГИС, наиболее распространенные из которых ArcGIS (www.arcgis.com), MapInfo (www.mapinfo.ru), ГИС Панорама, и др. Эти ГИС способны хранить, обрабатывать и публиковать карты и картографические слои произвольных масштабов и сложности. Они обладают мощной функциональностью, и с их помощью могут быть решены практически любые прикладные задачи. Однако высокая стоимость этих ГИС и высокий уровень требуемой квалификации пользователя для реализации своих проектов заставляют многих пользователей рассматривать другие варианты.
Предлагается эффективная технология организации ИПД путем построения интегрированной объектной модели предметной области в виде соответствующих классификаторов и разработки на их основе хранилища пространственных данных и геопортала.
Ключевые слова: инфраструктура пространственных данных, объектная модель пространственных данных, геопортал, ИС «Редактор каталогов ПД», стандарт ISO 19110, стандарты WMS и WFS.
SPATIAL DATA MANAGEMENT BASED ON STANDARDS AND OPEN SOURCE SOFTWARE PRODUCTS
Vladimir Komosko
Branch of Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education South Ural State University (National Research University) in Snezhinsk, Department of Humanities, Social and Economic Sciences, Director of Research and Education Centre Mathematical Modeling and Application Programming, Candidate in Physical and Mathematical Sciences, 7, 40 let Octyabrya Str, Snezhinsk, Chelyabinsk region., Russia 456770, p / o 410, tel. / fax: (35146) 03.03.83, mobile ph. +79028649200, e-mail: [email protected]
Sergey Serebryakov
Deputy General Director for Strategic Development Technology 2000 LLC, PhD, 620142 Ekaterinburg 7, Chapaeva Str., k L, office. 106. mobile ph. 8 9122458061, E-mail: SerebryakovSV @mail. ru
In order to create a geospatial data infrastructure (GDI), it is necessary to solve complex organizational, legal and technological issues. Currently, there is a number of multi-purpose commercial GIS, the most common of which are ArcGIS (www.arcgis.com), MapInfo (www.mapinfo.ru), GIS Panorama, etc. These GIS can store, manage, publish maps and map layers of indefinite scale and complexity. They have powerful functionality; through their use one can solve almost any application tasks. However, the high cost of the GIS and the high level of qualifications required in the projects push many users to consider other options.
We offer the efficient technology for GDI management by building an integrated domain object model in the form of appropriate classifiers and by developing spatial data storage and geoportal on their basis.
Key words: spatial data infrastructure, object model of spatial data, geoportal, Editor for Ge-ospatial Data Catalogue (information management system), Standard ISO 19110, WMS and WFS standards.
Процесс создания ИПД в России длится уже почти десять лет[1]. Существует много объективных и субъективных причин, по которым до настоящего времени так и не достигнута цель построения глобальной ИПД в масштабах страны. Есть инфраструктуры, охватывающие отдельные отрасли или территории, но все они, как правило, автономны и изолированы.
Согласно выводам экспертной комиссии ООН по Управлению Глобальной Г еопространственной Информацией [2]:
1. геопространственные данные в ежедневно используемых устройствах вырастет и изменит динамику процесса сбора данных. Вырастет роль в сборе и создании данных простых граждан, как активных, так и пассивных.
2. Свободный и открытый доступ к данным станет нормой, и геопростран-ственные данные все чаще будут рассматриваться как неотъемлемое общественное право.
3. Монополии национальных картографических агенств в некоторых областях специализированных пространственных данных будут полностью разрушены.
4. Будет прогресс в области сближения официальных и общественных данных, он продолжится в сторону настоящей кооперации.
Таким образом, возникает необходимость создания таких инструментов подготовки пространственных данных, которые обладали бы достаточной функциональностью, но при этом были бы доступны по цене и качеству для массового использования.
В настоящее время существует ряд универсальных коммерческих ГИС, наиболее распространенные из которых ArcGIS (www.arcgis.com), MapInfo (www.mapinfo.ru)- ГИС Панорама, ИНГЕО и др. Эти ГИС способны хранить, обрабатывать и публиковать карты и картографические слои произвольных масштабов и сложности. Они обладают мощной функциональностью, и с их помощью могут быть решены практически любые прикладные задачи. Однако высокая стоимость этих ГИС и высокий уровень требуемой квалификации пользователя для реализации своих проектов заставляют многих пользователей рассматривать другие варианты.
В данной статье предлагается Web-ГИС решение, являющееся оригинальной разработкой фирмы ООО «Технология 2000. Рассматривая особенности нового подхода с позиций получателя услуги (организации, ведомства или физических лиц), можно выделить следующие конкурентные преимущества этого Web-ГИС решения:
• предоставляемый легкий и гибкий инструмент позволяет создавать коллекции объектных моделей в различных предметных областях (например, в энергетических компаниях), экономично и эффективно создавать интегрированные инфраструктуры пространственных данных;
• осознанное ограничение функционала и кардинальное упрощение приемов работы в системе приводит к значительному расширению круга потенциальных активных пользователей;
• снижение издержек приобретения и владения системой за счет использования свободно распространяемых программных продуктов приводит к значительному экономическому эффекту для пользователей системы;
• поддержка общепринятых стандартов на обмен географической информацией в сетях исключает однозначную ориентацию на некогда выбранного поставщика программных решений и на его специфические форматы кодирования/хранения географической информации;
• возможность за счет предоставления, на возмездной основе, собственных пространственных данных в публичное пользование получить обращение к ресурсам пространственных данных на правах совместного пользования с другими потребителями (аренда прав доступа);
• в сочетании с приложениями ( аналитическими, расчетными, мастерами отчетов и т.д.) не имеет ограничений по областям применения и может использоваться в ОМСУ, в министерствах, хозяйствующего субъектах и физическими лицами.
Информационная модель ИПД.
На стадии проектирование информационной модели ИПД важно определить состав баз данных, источники их формирования, порядок использования информационных ресурсов, содержащихся в этих базах данных. При этом важно выдержать соблюдение ряда условий проектирования.
Первое из них - выбор модели представления данных. Стандартные модели данных в основе своей двумерны. Они построены по известному принципу "сущность - связь" и позволяют строить реляционные таблицы любой степени сложности. Однако практика показывает, что понятие "сущность" недостаточно богато по своим возможностям и не обеспечивает логического перехода одной и той же "сущности" в разные состояния.
Для создания информационной модели ИПД необходимо использовать более сложные модели представления данных, включающие не два, а три элемента представления данных: объект, свойство, признак. Применение этой модели при обработке данных снимает трудности учета логических переходов понятий из одной категории в другую, позволяет учитывать и устанавливать многосторонние связи между различными понятиями (объектами, свойствами и призна-
ками) и, в конечном счете, обеспечивает глубину и качество аналитических работ, снижение их трудоемкости в информационных системах.
Анализ показывает, что информационная модель ИПД может быть полностью описана с помощью международного стандарта ISO 19110 (Geographic information — Methodology for feature cataloguing [3] Географическая информация — Методология каталогизации объектов). Согласно ISO 19110 любой каталог пространственных данных описывается следующими элементами информации: тип объекта с его свойствами, ассоциации между типами и ограничения, которые могут накладываться на все элементы информации. При этом понятийное соответствие между информационной моделью и ISO 19110 можно установить следующее: объект - feature (тип объекта), свойство - property (свойство), признак - listedvalue (домен).
Технология создания ИПД.
Отличительными чертами предлагаемой технологии являются:
• Отсутствие необходимости что-то программировать для создания пространственных слоев данных. С помощью ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» создается объектно-ориентированная модель конкретной предметной области, а далее автоматически генерируется интегрированная программноинформационная среда, настроенная на эту объектно-ориентированную модель.
• Базирование на свободно распространяемых программных продуктах.
Архитектура Web-ГИС технологии представлена на рис.3. Основными
компонентами этой архитектуры являются:
• ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» (оригинальная разработка ООО «Технология 2000») для создания объектно-ориентированных моделей конкретных предметных областей служб и интеграции их в единую модель;
• Хранилище пространственных объектов для сбора, хранения и обработки пространственных данных, реализуемое на основе какой-либо штатной СУБД (Oracle 11g Spatial, PosatgreSQL/PostGIS и др.), имеющей в своем составе компонент работы с пространственными данными;
• объединенный геопортал , реализуемый с помощью системы построения геопорталов Liferay;
• Geoserver, реализующий сервисы WFS и WMS согласно стандартам OGC[5];
• Web-сервер, например Tomcat, для связи Web-сервисов с СУБД.
Создание ИПД для конкретной службы с помощью данной технологии состоит из следующих этапов:
1. С помощью ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» создается объектный каталог предметной области.
2. ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» генерирует APP-схему.
3. APP-схема подключается к Geoserver.
4. ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» генерирует описание структуры пространственных данных службы . Структура загружается в Хранилище пространственных данных.
5. К Geoserver подключается к Хранилищу пространственных данных, содержащему различные источники пространственных объектов (shp-файлы, СУБД Oracle, PostgreSQL/PostGIS и т.п.). Источник может быть как пустой, так и с предварительно загруженной информацией.
6. В Liferay регистрируется проект и пользователи. Устанавливаются права доступа, т.е. осуществляется необходимое администрирование.
7. В Liferay подключаются портлеты: работы с объектами в табличном виде и в виде карты, а также портлет работы с Хранилищем пространственных объектов. В портлете табличной работы с объектами осуществляется взаимодействие с Geoserver через APP-схему на основе WFS сервиса. В портлете работы с картой осуществляется визуализация карты с помощью Geoserver на основе WMS сервиса. Для работы с атрибутами объектов используются те же формы что и в табличном портлете на основе WFS - сервиса.
8. Пользователь приступает к наполнению своего раздела Хранилища пространственных данных с помощью общих для всех служб портлетов.
Высокая скорость и качество создания ИПД достигается за счет простоты интерфейса (контекстно-настраиваемый графический редактор пространственных объектов) и предоставлением полной необходимой функциональности для осуществления операций над пространственными данными. Пространственные объекты наносятся пользователями на картографическую основу, с помощью специализированного графического редактора.
Рис. 3. Web-GIS технология создания ИПД
ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» создан на основе международного стандарта ISO 19110. Этот стандарт определяет, как классифицировать типы объектов, их атрибуты, взаимосвязи между объектами (иерархические и ассоциативные), операции над ними и накладываемые ограничения.
ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» играет интегрирующую роль для веб-ГИС технологии, поскольку с помощь его готовится app-схема, используемая далее всеми сервисами, а также генерируются схемы баз данных для конкретных СУБД или файлов пространственных данных. Он также может играть интегрирующую роль при взаимодействии различных ГИС (рис.4). Например, с его помощью можно передать каталог из ГИС «КБ Панорама» в MapInfo. Процесс этот осуществляется следующим образом. Сначала файл каталога ГИС «КБ Панорама» ^-формата импортируется во внутреннюю структуру базы данных с помощью ИС «Редактор каталогов ПО», а затем экспортируется в файл формата Mif/Mid (MapInfo). При этом процесс осуществляется полностью автоматически, без «ручной» коррекции данных.
ИС «Редактор каталогов ПО» поддерживает распределенную технологию обработки информации:
•локальный уровень автономных баз данных;
•центральную базу данных НСИ, напрямую связанную с разделом каталогов ИС «Хранилища пространственных объектов» .
Локальный уровень состоит из множества автономных баз данных, каждая из которых содержит один или несколько каталогов пространственных объектов и хранятся в локальной базе данных СУБД Access.Эти базы данных могут находиться в географически удаленных точках. Обмен каталогами между базами данных осуществляется с помощью файла XML-формата, схема которого построена на основе стандарта ISO 19110. Локальная версия ИС «Редактор каталогов ПО» имеет абсолютно одинаковую функциональность и интерфейс с версией на основе центральной базы данных.
Центральная база данных содержит все каталоги, необходимые для функционирования информационных систем в узле ИПД. Центральная БД может быть организована на основе любой штатной серверной СУБД, например, СУБД Oracle 1^, PostgreSQL/PostGIS и др.
Для большинства типов наборов ПД необходимо разрабатывать типовые классификаторы объектов. Там, где целесообразно, желательно использовать устоявшиеся обозначения и типы объектов (топография). Один объект для разных задач может относиться к разным типам. Необходимые стандартизированные или типовые классификаторы объектов: опорного плана, градостроительного регулирования, дежурного плана земельных участков и т.п.
ИС «Редактор каталогов пространственных объектов» является инструментом, который позволяет сделать процесс разработки каталогов и классификаторов распределенным, но одновременно четко скоординированным.
Хранилище пространственных объектов ИПД создается на основе идеологии, описанной в [1]. Эта идеология реализована с помощью специального программного обеспечения, оформленного в виде соответствующего
портлета. Функции и интерфейс этого программного обеспечения описаны также в [4]. В качестве основной СУБД для Хранилища предлагается свободно распространяемая СУБД PostgreSQL/Postgis, поскольку она наиболее приемлема с точки зрения стоимости. Штатные коммерческие СУБД (Oracle 11g Spatial, MS SQL Server 2008) также могут быть использованы.
Основные информационные ресурсы, которые должны быть сформированы в Хранилище пространственных данных ИПД - это базовые пространственные данные, например:
• границы муниципальных образований, населённых пунктов, внутреннего административного деления;
• опорный план — часть слоёв топоплана:
□ объекты капитального строительства;
□ дороги, улицы, проезды (площадные и линейные);
□ граф дорожной сети;
□ железные дороги, рельсовый транспорт;
□ тротуары, благоустройство (газоны, клумбы, фонтаны);
□ поверхностные объекты водного фонда;
□ объекты лесного фонда, зелёные насаждения, парки,
• и др.
Объединенный геопортал ИПД реализуется с помощью таких свободно распространяемых программных систем, как Geoserver, Liferay, Tomcat.
Geoserver 2.1.2 осуществляет манипулирование пространственными данными, предоставляя для этого пользователю WFS (для доступа к пространст-
венным объектам) и WMS (для работы с картами) - сервисы. Механизм доступа не зависит от конкретного формата хранения данных, поскольку он основывается на универсальном описание этих данных в виде app-схемы.
Liferay - является средой для построения геопорталов на основе портлетов. Выполняет функции создания и сопровождения портальных проектов. Средой разработки портлетов является система Eclipse.
Tomcat 6.0 - Web сервер. Tomcat может осуществлять доступ как к пространственным данным, хранящимся в базах данных (СУБД Oracle Spatial, PostgeSQL/PostGIS, MS SQL Server и др.), так и к shp-файлам, хранящимся непосредственно на Geoserver.
Геопортал ИПД предоставляет возможность принять участие в формировании геопространственных данных как официальным службам , так и предприятиям и физическим лицам, что полностью соответствует будущим направлениям развития геопространственных данных на ближайшие пять - десять лет, описанным в [5]. Причем, поскольку этот процесс основывается на общих (типовых) классификаторах и каталогах, то он будет четко скоординированным и семантически единообразным.
Геопортал не претендует на замену или поглощение информационных систем, эксплуатируемых в службах . Он реализует лишь набор сервисов работы с пространственными данными, необходимый для служб , предприятий и физических лиц.
Выводы
Итак, мы рассмотрели объектную веб-ГИС технологию и показали, что она может быть эффективно применена для создания различных ИПД. Основными отличительными чертами этой технологии являются:
• интеграция всех сервисов на основе объектного каталога предметной области, созданного с помощью специализированного программного обеспечения ИС «Редактор каталогов пространственных объектов», полностью соответствующего международному стандарту ISO-19110;
• создание интегрированного Хранилища пространственных данных, структура которого формируется автоматически на основе каталога предметной области в среде ИС «Редактор каталогов пространственных объектов»;
• работа с пространственными данными через геопортал ИПД, который основывается на каталоге предметной области, опирается на Хранилище и предоставляет набор сервисов работы с пространственными данными, необходимый для организаций, предприятий и физических лиц;
• использование для реализации свободно распространяемого программного обеспечения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации // Пространственные данные. - 2006. - № 3. - С. 6-9, 11.
2. UN Committee of Experts on Global Geospatial Information Management. Future trends in geospatial information management: the five to ten year vision. (eds.) - Англ. - Режим доступа: http://gis-lab.info/docs/futuretrendsgeospatialinformationmanagement_12april.pdf
3. ISO 19110:2005 «Geographic information. Methodology for feature cataloguing» (eds.) -Англ. - Режим доступа:http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm?csnumber=44459
4. Анисимова О.Л., Зраенко Ю.Д., Комоско В.В., Пестов И.Д., Серебряков С.В. Хранилище пространственных объектов в составе регионального узла ИПД УрФО. Часть1. Модель хранилища.// Пространственные данные. - 2010 - №1 - С.14-22. Часть 2. Модель хранили-ща.//Пространственные данные -2010 - №1 - С.32-40
5. Overview: WFS, WMS, WCS (eds.) - Англ. - Режим доступа:
http://www.geowebguru.com/articles/95-overview-wms-wfs-wcs
© В. Комоско, С. Серебряков, 2013
