Анализ геоинформационной системы «OpenStreetMap»

OpenStreetMap (OSM) — это интернет проект, базирующийся на модели крауд-сорсинга, который предоставляет географические данные в свободном доступе. Основным элементом данного сервиса является географическая карта мира, в создании которой может принимать участие любой желающий.

Большая часть данных собирается силами участников сообщества, однако свой вклад вносят и некоторые крупные организации, которые предоставляют, например, аэрофотоснимки. Участники сообщества используют GPS устройства, которые отслеживают и запоминают, проделанные ими, маршруты, которые проделал пользователь, управляя автомобилем, катаясь на велосипеде или просто прогуливаясь по улице. Далее, сохраненные данные выгружаются на сервер OSM, где после некоторой обработки и модерации они публикуются на карте и становятся общедоступными.

Кроме этого, есть и другие способы принимать участие в разработке OSM карт. Участники сообщества, могут рисовать карты, используя аэрофотоснимки, представляемые поисковой системой «Bing».

На данный момент, существует два основных редактора карт, которые предоставляют эту функцию. Первый из них называется «Potach». Это веб-приложение, доступ к которому осуществляется через веб-браузер. Плюсом данной системы является, то что оно позволяет быстро освоить процесс разработки карт. Другой, не менее популярный редактор называется «JOSM». Это приложение для настольных компьютеров, написанное на языке «Java», которое является более мощным, чем Potlach, поэтому его предпочитают многие опытные участники сообщества. Однако данных продукт требует скачивания и установки. Кроме того, он требует значительно больше усилий, для того чтобы начать с ним работать.

Данные, предоставляемые OpenStreetMap, используется в сотне различных приложениях, разработанных для людей из разных стран. Все эти приложения могут быть разделены на шестнадцать категорий, которые включают в себя услуги геолокации для встреч, услуги для маршрутов, истории, искусства, археологии, велосипедный спорт, спортивные площадки, общественный транспорт и т. д.

В данном исследовании, наибольший интерес представляет структура, которую используют разработчики OSM для хранения данных в системе. Таким образом, вся информация в системе представляется в виде трех основных видов объектов: «Node» или «Узлы», «Way» или «Путь» и «Relation» или «Отношение». Каждый из этих объектов может иметь неограниченное число атрибутов, которые помогают описывать конкретные географические объекты. Далее будут, более подробно, описаны все представленные элементы.

«Узел» представляет собой единственную геопространственную точку, которая описывается широтой, долготой и при необходимости, высотой. «Узлы» могут быть использованы как для описания одиночных объектов, так и быть частью других объектов: «Путей» или «Отношений». Наиболее простым примером демонстрирующим использование «Узлов» является описание небольших объектов, как например печатных киосков или автобусных остановок. Зачастую «Узлами» отмечаются центральные точки объектов, имеющих большую площадь, при этом контур объектов описывается при помощи «Путей» или даже «Отношений». Таким образом, один географический объект в системе может быть описан несколькими способами. Это относится к крупным зданиям, или административно-территориальным делениям, когда для упрощения поиска используются координаты центральной точки, а для описания контура объекта используются полилинии.

«Путем» называется сортированный список «Узлов», который обычно имеет список тегов. Другими словами, «Путь» можно описать как полилинию, состоящую из множества точек. «Путь» может входить в состав «Отношений». Выделяют две разновидности объектов подобного вида, то есть они могут быть открытыми или закрытыми. Закрытыми называют те, в которых первый узел, является так же и последним. Таким образом, закрытые пути описывают некоторые закрытые участки местности. Причем, в одном случае, такая полилиния может описывать только внешние границы объекта, а в другом может включать так же и внутреннюю область. Очень часто «Пути» используются для описания различного рода дорог: автомобильных, железнодорожных, пешеходных путей. Кольцевые автодороги или круговые перекрестки могут быть описаны при помощи закрытых «Путей», при этом внутреннее пространство не учитывается. В тех случаях, когда конец дороги не замыкается со своим началом, для описания могут использоваться «Пути» открытого вида. Помимо описания транспортных объектов, «Пути» могут использоваться для описания контуров зданий и сооружений или различных участков местности как, например, парки, леса, площади, населенные пункты и т. д.

Под «Отношениями» подразумевается элемент, который имеет один или более, описывающий его тэг, а так же содержит список элементов входящих в его состав из числа «Узлов», «Путей» или других «Отношений». «Отношения» необходимы, для того чтобы определять логические или географические взаимоотношения между элементами, входящими в их состав. Для определения типа взаимоотношений используется атрибут «роль». Выделяют четыре вида ролей:

Маршрут, используется для описания различных маршрутов для передвижения пешеходов, велосипедистов и различного рода транспорта.

Мультиполигон, используется для описания обширных участков местности имеющих сложную структуру, в частности в тех случаях когда внутри некоторой области имеются участки не принадлежащие данной области. Использование просто закрытого «Пути» не поможет описать такой объект, так как не вся внутренняя область будет в него входить.

Граница, используется для описания административных или исторических границ.

Ограничения, используются в основном для описания некоторых маршрутов. Они описывают правила движения на заданном участке дороги. В частности указывают такие места, где нельзя повернуть направо или налево или выполнить разворот.

На рисунке 1 изображена часть логической модели данных «OpenStreetMap», показывающая отношения между элементами, которые используются для описания географических объектов. На представленной диаграмме наименования сущностей расшифровываются следующим образом:

«Relation» — элемент «Отношение».

«OldRelation» — используется для описания предыдущих версий элементов «Отношение».

«Relation member» — используется для описания элементов, входящих в состав отношений.

«Way» — элемент «Путь».

«OldWay» — используется для описания предыдущих версий элементов «Путь».

«Node» — элемент «Узел».

«OldNode» — используется для описания предыдущих версий элементов «Узел».

«Way_Node» — используется для описания элементов «Узел», входящих в состав элемента «Путь».

Рисунок 1. Логическая модель данных «OpenStreetMap» .

Как видно из представленной схемы, все связи являются неидетифицирующими. Так, например, связи между элементами и их атрибутами не требуют однозначной идентификации по номеру элемента, поскольку один и тот же элемент может описывать множеством тегов, и эти теги не обязательно должны различаться. Сущности, описывающие предыдущие версии элементов, так же не нуждаются в однозначной идентификации по номеру элемента, так как элемент может иметь множество «старых» версий.

В целом подобная модель организации данных удобна для решения задач геопозиционирования, которые и являются основной цельной создания системы «OpenStreetMap». Кроме того, подобная структура позволяет легко экспортировать данные в формате XML файлов и таким образом использовать накопленные данные в любой другой системе. Однако, следует заметить, что такая структура не является удобной при решении аналитических задач, требующих возможность оперирования реальными географическими объектами. Одной из ключевых проблем, с которой можно столкнуться, при попытке анализа данных является то, что в таком формате данных, крайне сложно, без дополнительных вычислений определить иерархию объектов. В таком случае, становится проблематично, определить в каком городе, в каком регионе и в какой стране находится конкретное здание. Именно поэтому, одной из задач данного исследования будет решение данного вопроса.