CC BY
122
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ПОРТАЛА ОТРАСЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОНТОЛОГИЙ ГЕОДАННЫХ
Духин С.В.
(ВНИИАС МПС России, г. Москва) s.duhin@gismps.ru
В работе рассмотрены проблемы интеграции разнородных геоинформационные ресурсов и создания единой базы данных, необходимой для разработки геоинформационного портала отрасли. Описан подход к отображению семантики, заложенной в пространственные онтологии, в географические концептуальные схемы для представления хранимой в базах геоданных информации.
Ключевые слова: геоинформационные системы, геоинфор-мационный портал, онтологии, географические концептуальные модели
Введение
Географическая информационная система (ГИС) - это про-граммно-технологическое средство накопления территориальнокоординированных данных, их системного анализа, интерпретации в виде картографических изображений на средствах машинной графики и реализации информационных запросов пользователя посредствам обращений к «электронным картам» заданной территории.
ГИС использует разнообразные географические данные о характеристиках земной поверхности, информацию о форме объектов и связях между ними, а так же различные описательные сведения. На рис. 1 показаны основные технологии сбора данных в ГИС.
Рис. 1. Основные технологии сбора данных в ГИС
Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой геоданных, инструменты поддержки пространственных запросов, сравнения, анализа и измерения геоданных.
1. База геоданных - центральное звено ГИС
Основой современных ГИС являются комплексные базы геоданных (БГД), содержащие в себе данные 3 видов:
• географические сведения, описывающие положение в пространстве относительно других данных;
• атрибутивные сведения, которые описывают сущность, характеристики, переменные, значения и другие его квалификации;
• временные сведения, описывающие момент или период времени, которому соответствуют значения вышеописанных сведений элемента данных.
БГД содержит цифровые карты, семантические и служебные данные. Для работы с информацией предусматривается специальный набор функциональных средств, называемых системой управления БГД. К основным функциям системы управления относятся: добавление, удаление и модификация содержащейся в базе информации, изменение структуры базы, контроль целостности информации, средства ограничения доступа и т.д.
БГД является самой важной частью ГИС, поскольку она является основным источником сведений о моделируемой терри-
тории. От точности, полноты и корректности хранимой в ней информации, в конечном итоге зависит результат работы всей ГИС. По этой причине к разработке структуры и требований к БГД следует подходить с особой тщательностью.
Взаимосвязанное ведение цифровых карт и реляционных баз данных называют геореляционной структурой. Построение геореляционных структур является на сегодняшний день наиболее часто встречающейся формой организации банка данных. Геореляционная структура основывается на понятии геометрической модели цифровой карты.
При размещении геоданных особый интерес вызывает проблема согласованности разнородных геоданных по значениям хранимых значений признаков (атрибутов). Если атрибутивные данные из одной таблицы можно рассматривать как класс эквивалентности экземпляров одного логического типа с точностью до перечисления списка атрибутов, то с геоданными все выглядит не так просто. Наборы связанных классов атрибутов, имеющих одинаковую пространственную привязку, должны быть организованы так, чтобы значения их атрибутов соответствовали установленным топологическим отношениям, т.к. способность хранения геометрии атрибута является одним из обязательных условий существования БГД, поскольку каждый пространственный атрибут всегда должен быть доступен для отображения и анализа. Для обеспечения целостности ГИС в работе предлагается использовать специально созданную для этих целей множественно-реляционную модель [3] и реализованный на ней механизм поддержания структурной согласованности [2], позволяющие вместо линейной ссылочной целостности плоских отношений поддерживать триангулярную целостность пространственных атрибутов.
2. Использование баз геоданных в составе геоин-формационного портала
Разработка баз данных сложной структуры (БДСС), к которым, безусловно, должны быть причислены и БГД, в настоящее время является одной из наиболее актуальных задач совершенствования информационного моделирования.
БГД все более становится средой постоянной работы пользователя, сравнимой по значимости с программной и технологическими средами. Семантика данных, хранимых в БГД, приобретает все больший смысл, тем более что с ростом мощности вычислительных средств уменьшение времени поиска и объема необходимой памяти как критериев эффективности теряют свою значимость.
Геоинформационные ресурсы являются более широким понятием, чем геоданные, включая наряду с графическими представлениями (карты, картинки, графики и т.д.) разнообразные текстовые документы и способы или методы перехода от одного к другому.
Повышение эффективности использования геоинформаци-онных ресурсов, к которым следует отнести все виды электронных ресурсов, содержащие графическую составляющую, независимо от формата ее представления, возможно путем выполнения следующих действий [1].
1. Создание единого каталога всех геоинформационных ресурсов отрасли. Создание такого каталога необходимо в условиях, когда руководство отрасли не располагает достаточными сведениями о составе и актуальности различного рода материалов, документов и т.п. Кроме того, БГД хранятся в разных местах, что обусловлено необходимостью оперативной корректировки графической информации и, соответственно, обеспечением близости БГД к рабочему месту, на котором происходит корректировка. В этих условиях функции поиска конкретной, факторизованной информации, формирования заявки на ее получение и предоставления сведений об актуальности ресурса могут быть выполнены на основании каталога. В
состав каталога должны входить также списки пользователей, подключенных к конкретному геоинформационному ресурсу, а также указатель или адрес хранения соответствующей БГД. Одной из важных особенностей каталога геоинформационных ресурсов является его расширяемость, необходимая для обеспечения возможности подключения новых появляющихся БГД.
Создание каталога отраслевых геоинформационных ресурсов [4] является первым шагом для создания геоинформацион-ного портала отрасли (рис. 2).
Каталог геоинформационных ресурсов
Рис. 2.
2. Создание геоинформационного портала. В состав геоин-формационного портала отрасли должны входить функции, позволяющие осуществлять поиск требуемого геоинформационного ресурса по его текстовому описанию, формирование заявки на подключение к ресурсу, администрирование и актуализация каталога геоинформационных ресурсов отрасли. Создание геоинформационного портала позволит увязать геоинформацион-ные ресурсы в единую интегрированную базу данных [1] отрасли для эффективного решения следующих задач (рис. 3):
- рассматривать все виды геоинформационных ресурсов отрасли во взаимосвязи;
- оперативно получать графическую информацию необходимого вида и содержания.
Рис. 3. Схема функционирования геоинформационного портала
Для выполнения действий по созданию, ведению и использованию интегрированной БГД отрасли необходимо специальное программное обеспечение, опирающееся на типовые функции ГИС. Для их реализации необходим анализ информационных потоков и разработка принципов совместного использования интегрированной БГД с другими автоматизированными отраслевыми системами с целью решения задач стратегического мониторинга, оптимизации инвестиционной деятельности, прогнозирования работы отрасли (рис. 4).
Внешние данные
Схема станции
Рис. 4. Схема использования внешних данных
Перечисленные программные средства практически обеспечивают функции мониторинга геоинформационных ресурсов.
3. О подходе к выбору информационной модели на основе анализа внутренних спецификаций геоданных
Использование онтологий способствует созданию адекватных концептуальных моделей, обеспечивая качественное, контролируемое информационное интегрирование. Одна из центральных современных задач геоинформатики - найти способ связи формального представления семантики, заложенной в онтологии, с концептуальными схемами, описывающими информацию, сохраненную в базах геоданных (БГД). Главный ожидаемый результат - формальная структура, которая реализует отображение пространственной онтологии в географическую концептуальную схему, которая будет содержать внутренние атрибутивные связи разнородных типов геоданных.
Отображение онтологий в концептуальные схемы необходимо производить, используя три различных уровня абстракции: формальный, уровень типов геоданных и прикладной уровень. На формальном уровне, с высоким уровнем абстракции, выделяют концепции, чтобы представить схему и определить онтологии. На уровне типов геоданных, схема выступает в роли характерной логической модели данных, пригодной для сопоставления с наполнением онтологий. На прикладном уровне необходимо сосредоточить внимание на специфике географических приложений.
На концептуальном уровне представлений оправданы любые полезные преобразования между представлениями, чтобы избежать избыточности. С уже разработанными представлениями и их способами изображения процесс перемещается на уровень реализации, в котором пространственные структуры данных обычно заполняются необходимыми данными с возможностью хранения пространственных структур данных. Так как географические приложения требуют некоторой картографической основы типа основной карты, существует также потребность в стадии преобразования данных.
Существующие концептуальные схемы могут использоваться, чтобы создать приблизительные онтологии, в то время как существующие онтологии могут использоваться, чтобы
генерировать концептуальные схемы, с помощью или без помощи опытного разработчика модели (Рис. 5).
Рис. 5
Имеются три различных уровня абстракций, на которых находятся как онтологии, так и концептуальные схемы: формальный, типов геоданных и прикладной уровни (Рис. 6).
Онтологии Концептуальные модели
Формальный уровень Абстракция формальных особенностей научных предметов: геометрия, география, время, пространство Понятия концептуального моделирования: о6ъекты{цели}, области{поля}, отношения
Уровень логических типов данных прикладной области Онтология географических видов: представление, местоположение, топология, географическая информатика Концептуальная модель и нотация: классы, пространственные отношения, пространственные ограничения целостности
Прикладной уровень Онтология инфраструктуры объектов ОАО «РЖД» Станции, перегоны и др. Концептуальная схема БГД атрибутивное описание сущностей ОАО «РЖД»
Рис. 6
Первый уровень - формальный, в котором большее количество абстрактных концепций включено в конструкцию онтологий и концептуальных схем. Сопоставление содержания формального уровня с географическими приложениями дает второй уровень абстракции, или уровень типов геоданных. На прикладном уровне, онтологии являются уточнением специализаций уровня типов геоданных.
Заключение
Основным вопросом реализации ГИС является выбор интегрированной модели представления и отображения всех трех групп геоданных: семантической, метрической и топологической. На современном этапе развития БГД все более становится средой разработки геоинформационного портала отрасли. Анализ существующих подходов к структуризации информационных ресурсов показывает, что качественная интеграция геоинформационных ресурсов невозможна без формализации внутренних спецификаций геоданных, представляемых онтологиями.
Литература
1. ДУЛИН С.К., ДУХИН с.в. Множественно-реляционная модель данных геоинформационной системы //. Сб. научных трудов Ш-го Международного научно-практического семинара «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте». - М.: Физматлит, 2005. С. 342-350.
2. ДУЛИН С.К., ДУХИН с.в. Множественно-реляционная модель как средство обеспечения гомоморфизма геоинформационной системы. - М.: ВЦ РАН, 2006. - 30 с.
3. ДУХИН С.В. Формализация геоданных на основе множественно-реляционной модели // Системы и средства информатики. Специальный выпуск «Математические модели и методы информатики, стохастические технологии и системы».
- М.: ИЛИ РАН, 2005. С. 253-269.
4. РОЗЕНБЕРГ И.Н., ДУХИН С.В. Автоматизированная система ведения геоинформационной базы данных, увязанная с параметрами работы и развития ОАО «РЖД» //Труды девятой научно-практической конференции «Информационные технологии в железнодорожном транспорте». «ИНФОТ-РАНС-2004», 6-9 октября, Санкт-Петербург, 2004. С. 12 - 16.
