CC BY
42
УДК 91: 681.3
ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ СЕГМЕНТ ЕДИНОГО ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА
Дмитрий Витальевич Лисицкий
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, директор Научно-исследовательского института стратегического развития, тел. (383)344-35-62, e-mail: [email protected], [email protected].
Станислав Юрьевич Кацко
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной информатики и информационных систем, тел. (383)343-18-53, e-mail: [email protected].
В статье рассматриваются концепция и результаты исследований в области использования ресурсов территориального единого геоинформационного пространства в экономике и жизнедеятельности общества. Приводятся результаты разработки инструментальной спра-вочно-аналитической ГИС, выполненной по государственному контракту № 02.740.11.0735 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., а также некоторые результаты НИР «Пространственно-временное моделирование окружающей среды для целей социально-экономического развития территорий», выполненной в 2014-2016 гг. в рамках государственного задания (номер государственной регистрации 01201461633). Исследования направлены на изучение возможности расширения сферы применения ГИС в среде пользователей, не имеющих специальной геоинформационной подготовки. Приводятся обоснование выявленной проблемы, пути достижения поставленных целей, основные методические и технологические решения.
Ключевые слова: территориальное единое геоинформационное пространство, геоинформационная система, справочно-аналитические функции, формализация технологических процессов, web-технологии, облачная технология, инструментальная программная система.
Введение
На рубеже пятого и шестого технологических циклов развития мировой экономики важнейшей задачей наук о Земле становится задача создания и функционирования геоинформационного образа окружающего пространства в виде «Цифровой Земли» [1], виртуального географического пространства [2, 3] или единого территориального геоинформационного пространства (по российской терминологии [4, 5]).
Под территориальным единым геоинформационным пространством (ТЕГИП) понимается часть общего информационного пространства территориального образования соответствующего уровня (страны, региона, муниципалитета и др.), компонентами которого являются информационные ресурсы, средства информационного взаимодействия и информационная инфраструктура, ориентированные на отображение и предоставление потребителям пространственных характеристик территории [6]. В настоящее время такое геоинформационное пространство отражает новейшие тенденции развития информатизации экономики и общества и становится пространственной основой для реализации
самых современных систем управления территориями с использованием концепции, методов и технологий телекоммуникации [7]. При этом с помощью единой координатной системы обеспечивается взаимодействие людей со всеми движимыми и недвижимыми объектами, самими объектами между собой на базе «Интернета людей» и «Интернета вещей».
Создаваемые совокупности территориальных банков и баз данных, методов и средств информационного производства, информационных телекоммуникационных систем направлены на следующее:
- информационное обеспечение органов государственной власти всех уровней, государственных информационных программ и систем, связанных с решением территориальных задач, в том числе в области обеспечения обороноспособности страны;
- информационное обеспечение территориального управления и территориальной деятельности всех отраслей экономики;
- информационное взаимодействие организаций и граждан в части территориальных вопросов;
- удовлетворение информационных потребностей широких слоев населения в информации о территории.
С точки зрения содержания информации геоинформационное пространство представляет собой совокупность моделей и массивов пространственных данных о территории, представленных в двухмерном, трехмерном (ЭБ) и четырехмерном (ЭБ плюс время Т) видах. Геоинформационное пространство отображает в компьютерной среде наземное, подземное и надземное пространства (со всеми находящимися там объектами), связанные между собой единой координатной основой. Оно позволяет отображать пространственные объекты и обрабатывать информацию о них одновременно из разных массивов данных любых масштабов, включая массивы тематических данных различных пользователей.
Реальная возможность осуществления этой глобальной задачи создания и ведения ТЕГИП обусловлена впечатляющими достижениями в области автономных спутниковых методов определения координат точек местности, методов и средств аэрокосмического зондирования Земли, воздушных и наземных систем лазерного сканирования, трехмерного моделирования, геоинформационных систем и технологий обработки и анализа пространственной информации. Однако для этого необходимы исследования и разработки, обеспечивающие высокую эффективность создаваемой ТЕГИП. Результаты разработок в этом направлении и рассматриваются в настоящей статье.
Направления использования геоинформации
Одним из важных факторов успешной реализации проекта по созданию и особенно функционированию территориального единого геоинформационного пространства является обеспечение благоприятных условий для массового, многократного и многоцелевого использования содержащейся в ТЕГИП пространственной информации - геоинформации. И здесь следует рассматривать отдельно три направления использования геоинформации:
- специалистами органов территориального управления, власти, отраслей экономики;
- широкими слоями населения;
- техническими средствами (в рамках «Интернета вещей»).
В первом направлении геоинформация должна использоваться в сочетании с профессиональным программным инструментарием, позволяющим потребителям самостоятельно перерабатывать исходную геоинформацию в необходимые пространственные решения. В настоящее время таким удобным и доступным инструментом являются геоинформационные системы (ГИС).
Во втором направлении исходная геоинформация должна быть профессионально обработана в соответствии с запросами потребителей (граждан) и представлена в готовом виде. В современных условиях такие геоуслуги обеспечиваются всевозможными геопорталами, веб-сервисами и веб-службами.
В третьем направлении геоинформация должна использоваться техническими средствами (клиентами) под управлением специального предметно-ориентированного программного обеспечения, включая средства телекоммуникации.
Таким образом, принципиальная схема пользовательского сегмента ТЕГИП в общем случае может быть представлена на рис. 1.
Территориальное единое геоинформационное пространство
Геоинформация
ГИС
веб-геосервисы, веб-геослужбы, геопорталы
Г
Пространственные решения
Потребительская геоинформация
Конечный пользователь специалист
Конечный пользователь - гражданин
Г
Техническое устройство
Рис. 1. Принципиальная схема пользовательского сегмента ТЕГИП
Что касается использования ТЕГИП широкими слоями населения и техническими устройствами, то это тема самостоятельных исследований и разработок, базирующихся на новейших направлениях картографии и информатики. В первую очередь, это мультимедийная, анимационная, навигационная, перспективная, голографическая и web-картографии, справочно-картографические ГИС, использование мобильных средств связи для ориентирования на местности (в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций), краудсорсинг в области пространственной изученности территории и участия населения в решении задач территориального управления. Такие работы ведутся и их результаты будут представлены в отдельной публикации.
В настоящей работе рассмотрим более детально ту часть пользовательского сегмента, которая основана на использовании ГИС для переработки геоинформации предметным специалистом органов территориального управления или отраслевой организации.
Концепция расширения справочно-аналитических функций ГИС
Основная проблема в широком применении ГИС для решения разных отраслевых и территориальных задач заключается в следующем противоречии, связанном с дальнейшим распространением ГИС в среде широкого круга пользователей:
- с одной стороны, идет процесс расширения функциональных возможностей ГИС с целью расширения сферы их применения и круга пользователей;
- с другой стороны, неизбежное усложнение программно-технологического обеспечения ограничивает круг пользователей ГИС узкими профессионалами, что, наоборот, начинает сдерживать широкое распространение этих систем.
Для сглаживания указанного противоречия и снижения степени его влияния на распространение ГИС среди широких кругов пользователей выполнена разработка инструментальной справочно-аналитической ГИС (ИСА ГИС), рассчитанной на использование различными потребителями, не имеющими профессиональной геоинформационной подготовки. Тема выполнена по государственному контракту № 02.740.11.0735 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-201Э гг. при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям.
Концепция создания ИСА ГИС и достижения поставленной цели заключается в автоматизации формирования технологической цепочки типовых геоинформационных процедур в соответствии с поставленной пользователем геоинформационной задачей.
Следует учитывать тот факт, что в настоящее время практически любая геоинформационная система обладает свойством универсальности, т. е. рассчитана на работу со всеми пользователями, без учета их индивидуальных потребностей. Однако при этом сами пользователи должны обладать рядом специаль-
ных знаний о структуре, используемой ГИС, основных методах ее работы, а также для формирования пространственных запросов и технологии решения задач. Эти требования и ограничивают существенно распространение ГИС в разных сферах экономики и жизнедеятельности общества, так как большинство пользователей-предметников не имеют необходимого объема требуемых знаний в области ГИС-обработки.
Решить эту проблему можно путем создания такого управляющего программного модуля, который позволял бы пользователю работать с ГИС как с «черным ящиком», не зная, по каким алгоритмам был обработан его запрос, как осуществлялась передача информации, какие модули ГИС были задействованы, по каким каналам и т. д. Такое программное обеспечение по сути является автоматизированным конструктором технологий и обеспечивает индивидуальные потребности конкретного пользователя. Во время работы пользователя происходит постоянная корректировка пользовательской модели обработки данных на основании новых поступающих данных и предыдущих запросов к ГИС. Такая модель будет всегда отражать актуальные геоинформационные интересы пользователя.
В соответствии с приведенной идеей разработан новый способ осуществления справочно-аналитических функций ГИС, а также предложено новое техническое решение и разработан макет инструментальной справочно-аналитической геоинформационной системы - ИСА ГИС. Эти решения защищены патентами Российской Федерации на изобретение [8] и на полезную модель [9].
Разработанный способ осуществления справочно-аналитических функций ГИС развивает ранее предложенные технические решения [10, 11] и может быть представлен следующей принципиальной схемой (рис. 2).
Работа пользователя (4) осуществляется по сети интернет (Э) на сервере (2) с помощью клиентского интерфейса, отображаемого в интернет-браузере (1). Выполнение ГИС-обработки происходит в автоматическом режиме без участия пользователя посредством ГИС-приложения (5), представляющего собой программный модуль, подготовленный специалистом в области ГИС-технологий (23). ГИС-приложение (5) формирует и отсылает (6) пользователю набор доступных в данный момент образцов результатов ГИС-обработки (7) в виде картографических изображений, пользователь сопоставляет (9) поставленную перед ним справочно-аналитическую геоинформационную задачу (8) с образцами результатов ГИС-обработки (7) и выбирает наиболее подходящий образец (10). ГИС-приложение, на основе выбранного образца (11), формирует и предоставляет (12) пользователю набор требуемых исходных данных (13). Пользователь собирает (15) и передает (16) все требуемые исходные данные (13) в ГИС-приложение, которое автоматически формирует алгоритм ГИС-обработки (17) и передает его на выполнение профессиональной ГИС (18). Профессиональная ГИС (18) выполняет ГИС-обработку и передает (19) результат (20) в интернет-браузер (1), в котором он визуализируется (21) в привычном для пользователя виде (карты, графики, таблицы и др.).
Рис. 2. Принципиальная схема способа осуществления справочно-аналитических функций ГИС
В случае если пользователь не смог выбрать подходящий образец результата по причине его отсутствия, то он может направить (22) условие новой за-
дачи, решение которой недоступно в данный момент с помощью ГИС-приложения специалисту в области ГИС-технологий (23), который подготавливает ГИС-приложение для решения нового типа задач путем формализации, создания алгоритмов и программных модулей автоматического формирования алгоритма ГИС-обработки с использованием функций профессиональной ГИС (18), а также обновляет набор доступных в данный момент образцов результатов ГИС-обработки (7).
Инструментальная справочно-аналитическая ГИС
Система (ИСА ГИС), реализующая разработанный способ, предоставляет специальный набор инструментов для осуществления профессиональной ГИС-обработки пользователям, не владеющим геоинформационными технологиями. Для этого используется библиотека стандартных процедур, разработанных на основе формализации технологических процессов и формулирования типовых задач предметной области с позиций ГИС-обработки. Библиотека содержит специальные программные процедуры, реализующие технологические процессы ГИС-обработки при решении формальных типовых задач.
Структурно, ИСА ГИС состоит из трех взаимодействующих технологических подсистем:
- интерфейсной подсистемы, обеспечивающей передачу в процедурную подсистему запросов конечного пользователя, получение и отображение выходных документов;
- процедурной подсистемы, обеспечивающей автоматическую обработку справочных запросов, аналитическую обработку, формирование выходных документов и передачу их в интерфейсную подсистему;
- административной подсистемы, обеспечивающей подготовку и формирование типовых технологических процедур для автоматической обработки запросов к системе.
Указанные подсистемы размещены на одном или нескольких серверах и соединены между собой и с рабочими компьютерными устройствами пользователей с помощью каналов связи через компьютерную сеть (рис. 3).
Система функционирует следующим образом.
Пользователь ИСА ГИС в соответствии с собственной задачей пространственного анализа с помощью рабочего компьютерного устройства (12), блока отображения пользовательского интерфейса (5) и блока взаимодействия с пользователем (6) в интерактивном режиме выбирает из набора типовых результатов нужный ему. Набор типовых результатов представляет собой совокупность образцов решения различных типовых геоинформационных задач с возможностью ввода пользователем собственных исходных данных и настройкой параметров отображения результата.
При этом рабочее компьютерное устройство пользователя имеет минимальное программное обеспечение, практически только браузер для выхода в интернет; например, в качестве такого устройства может быть использован планшетный компьютер или смартфон.
Интерфейсная подсистема (1)
Блок ввода и отображения пространственных и атрибутивных данных
(4)
Блок отображения интерфейса пользователя: элементов управления и набора типовых результатов (5)
>
Процедурная подсистема (2)
Блок взаимодействия с пользователем (6)
Блок выполнения аналитических процедур по выбранным пользователем типовым результатам (7)
Административная подсистема (3)
Блок хранения пространственных и атрибутивных данных (8)
Блок формирования и интеграции программных процедур решения нового типа задач (9)
Блок хранения служебных данных (10)
Блок управления системой и предоставления доступа (11)
I_________
Рис. 3. Принципиальная схема ИСА ГИС
Блок ввода и отображения пространственных и атрибутивных данных (4), входящий в интерфейсную подсистему (1), организует ввод данных пользователем и формирует изображение для вывода результата на рабочие компьютерные устройства пользователей (12). Блок выполнения аналитических процедур (7) в процедурной подсистеме (2) по выбранному пользователю типовому результату автоматически берет из блока хранения служебных данных (10) технологическую последовательность выполнения задачи и организует взаимодействие с полнофункциональной геоинформационной системой (13), которая выполняет базовые и аналитические геоинформационные процедуры.
Результат выполнения аналитических задач передается в интерфейсную систему (1), которая предоставляет его на рабочее устройство пользователя. При необходимости пользователь имеет возможность с помощью визуальных элементов управления изменить входные данные и настройки отображения итогового результата. В случае, если при решении собственной задачи пользователь не находит нужный образец в наборе типовых результатов, административная подсистема (3) отправляет запрос на создание нового типа задач (9) специалисту в области ГИС-технологий.
Пространственные и атрибутивные данные пользователей могут храниться как на рабочих устройствах пользователей, так и в блоке хранения пространственных и атрибутивных данных геоинформационной системы (8). Управление инструментальной справочно-аналитической геоинформационной системой осуществляет администратор с помощью блока управления системой и предоставления доступа (11). Функционирует ИСА ГИС в двух режимах: в режиме решения формализованных задач ГИС-обработки; в режиме пополнения библиотеки процедур ГИС-обработки.
Заключение
Таким образом, изложенный подход обеспечивает расширение области использования справочных и аналитических функций профессиональных ГИС среди широкого круга пользователей, которые не имеют специальной подготовки в сфере ГИС-обработки. Благодаря этому достигается повышение общей эффективности использования ТЕГИП.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century (by Vice President Al Gore Given at the California Science Center, Los Angeles, California, on January 31, 1998.) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.digitalearth.gov/VP19980131.html. - Загл. с экрана.
2. Virtual Geographic Environments / Lin Hui, Batty Michael (Editors). - Beijing, China: Science Press, 2009. - 350 p.
3. Хорошилов В. С., Кацко С. Ю. Геоинформационное пространство и виртуальная географическая среда // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. - № 5/С. - С. 256-260.
4. Карпик А. П., Лисицкий Д. В. Электронное геопространство - сущность и концептуальные основы // Геодезия и картография. - 2009. - № 5. - С. 41-44.
5. Лисицкий Д. В. Перспективы развития картографии: от системы «Цифровая Земля» к системе виртуальной геореальности // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 2 (22). - С. 8-16.
6. Карпик А. П., Осипов А. Г., Мурзинцев П. П. Управление территорией в геоинформационном дискурсе : монография. - Новосибирск : СГГА, 2010. - 280 с.
7. Кацко С. Ю. Возможности информационно-аналитических ГИС в работе непрофессиональных пользователей с пространственной информацией // Вестник СГГА. -2011. -Вып. 1 (14). - С. 76-80.
8. Способ осуществления справочно-аналитических функций ГИС : пат. 2473963 C1 Российская Федерация : МПК G06F / Д. В. Лисицкий, С. Ю. Кацко, В. С. Писарев, П. Ю. Бугаков; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ГОУ ВПО «СГГА»). - 2011145007/08; заявл. 07.11.2011; опубл. 27.01.2013, Бюл. № 3. - 4 с.
9. Инструментальная справочно-аналитическая геоинформационная система : пат. 113599 C1 Российская Федерация : МПК G06F / Д. В. Лисицкий, С. Ю. Кацко, В. С. Писарев, П. Ю. Бугаков ; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ГОУ ВПО «СГГА»). - 2011140971/08; заявл. 07.10.2011; опубл. 20.02.2012, Бюл. № 5. - 4 с.
10. Геоинформационная система ситуационного анализа : пат. 92976 U1 Российская Федерация : МПК G06F / С. С. Губанов, Р. А. Иванов, Б. А. Исаев, А. Г. Кашин, А. Л. Початков, И. А. Удальцов, Е. Г. Цивирко; заявл. 17.09.2009.
11. Timothy Tierney. Internet based Geographic Information System (GIS) : пат. WO 2006078565 A2; /. - PCT/US2006/001288; заявл. 14.01.2006; опубл. 27.07.2006.
Получено 10.10.2016
© Д. В. Лисицкий, С. Ю. Кацко, 2016
USER SEGMENT OF UNIFIED TERRITORIAL GEOINFORMATION ENVIRONMENT
Dmitry V. Lisitsky
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor, Head of Research Institute of Strategic Development, tel. (383)344-35-62, e-mail: [email protected], [email protected]
Stanislav Yu. Katsko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (383)343-18-53, e-mail: [email protected]
The article deals with the concept and the results of research into the use of resources of the territorial unified geoinformation environment (TUGE) in the economy and the life of society. The paper contains the results of the development tool of reference and analytical GIS (GIS IRA), made under the state contract № 02.740.11.0735 according to the Federal Target Program "Research and scientific-pedagogical personnel of innovative Russia" for 2009-2013, as well as some results of the research "Spatio-temporal modeling environment for socio-economic development of territories", made in the years 2014-2016 according to the state contract (state registration number 01201461633). Studies aimed at exploring the possibility of extending the application of GIS in the user environment, without special preparation of geoinformation. The substantiation of the problem identified, the achievement of these goals, the basic methodological and technological solutions.
Key words: territorial unified geoinformation environment, geographic information system, reference and analytical functions, formalization of processes, web-technologies, cloud technology, the programming system.
REFERENCES
1. The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century (by Vice President Al Gore Given at the California Science Center, Los Angeles, California, on January 31, 1998). Retrieved from at http://www.digitalearth.gov/VP19980131.html.
2. Lin Hui, & Batty Michael (Eds.). (2009). Virtual Geographic Environments. Beijing, China: Science Press.
3. Khoroshilov, V. S., & Katsko, S. Yu. (2015). Geoinformation environment and virtual geographical environment. Izvestiya vuzov. Geodeziya i aerofotos"emka [Izvestiya Vuzov. Geodesy andAerophotography], S/5, 256-260 [in Russian].
4. Karpik, A. P., & Lisitsky, D. V. (2009) Electronic geographic environment - essence and concept. Geodeziya i kartografiya [Geodesy and Cartography], 5, 41-44 [in Russian].
5. Lisitsky, D. V. (2013). Prospects for the development of cartography: from the system "Digital Earth" to the virtual system geo-reality. Vestnik SGGA [Vestnik SSGA], 2(22), 8-16 [in Russian].
6. Karpik, A. P., Osipov, A. G., & Murzintsev, P. P. (2010). Upravlenie territoriei v geoinformatsionnom diskurse [Territory Management in geoinformation discourse]. Novosibirsk: SSGA [in Russian].
7. Katsko, S. Yu. (2011). The potential of information and analytical GIS for the work of non-professional users with spatial information. Vestnik SGGA [Vestnik SSGA], 1(14), 76-80 [in Russian].
8. Lisitsky, D. V., Katsko, S. Yu., Pisarev, V. S., & Bugakov, P. Yu. (2013). Patent RF No. 2473963. Novosibirsk: IP Russian Federation.
9. Lisitsky D. V., Katsko S. Yu., Pisarev V. S., Bugakov P. Yu. (2012). Patent RF No. 113599. Novosibirsk: IP Russian Federation.
10. Gubanov, S. S., Ivanov, R. A., Isaev, B. A., Kashin, A. G., Pochatkov, A. L., Udal'tsov, I. A., & Tsivirko, E. G. (2010). Patent RF No. 92976 U1. IP Russian Federation.
11. Tierney, T. (2006). Patent No. WO 2006078565 A2. Santa Barbara: IP USA.
Received 10.10.2016
© D. V. Lisitsky, S. Yu. Katsko, 2016
