Создание территориальных информационных систем на базе сервера прикладных ГИС-служб

Картографические методы анализа и исследования данных находят все большее применение в сферах, традиционно не связанных с географией и картографией. Сложный процесс создания карт благодаря автоматизации и геоинформационным технологиям стал значительно проще и доступнее, и, кроме того, открылись новые возможности компьютерного моделирования и анализа пространственных и связанных с ними атрибутивных данных [26, 34].

Однако, несмотря на большую востребованность, применение геоинформационных технологий в различных прикладных областях часто сдерживается по очень простой причине — экономической нецелесообразности. Программное обеспечение геоинформационных систем (ГИС) до сих пор стоит очень дорого, а используется во многих задачах лишь на 10−20 процентов. Кроме того, при создании современных автоматизированных систем обработки данных ГИС технологиям уже не приписывается некая исключительность, как это было в недавнем прошлом, — они просто применяются наряду с другими компьютерными технологиями для выполнения своих функций — обработки пространственных данных [78]. И, как и другие технологии, они должны подчиняться общим правилам и стандартам, позволяющим интегрировать их в единую систему в рамках автоматизации какой-то прикладной области. Несоблюдение этих условий приводит к достаточно сложным конфигурациям, завышенным требованиям к ресурсам компьютеров и неудобствам в работе из-за отсутствия единого понятного конечному пользователю интерфейса. Следовательно, в современных условиях стоимость и возможности интеграции — это два ключевых критерия, которые определяют степень использования компьютерных технологий.

Рассматривая стоимостной критерий, следует отметить, что даже в США, где уровень использования ГИС-технологий достаточно высок, многим организациям не хватает средств и квалифицированных кадров для внедрения ГИС в своей профессиональной деятельности. Результаты опроса, проведенного летом 2003;го года некоммерческой организацией Public Technology, Inc (PTI) совместно с Национальной Лигой городов США (NLC), Международной ассоциацией городского/окружного управления (ICMA) и Департаментом внутренних дел США, показали, что среди главных трудностей внедрения технологий работы с пространственной информацией опрошенные поставили на первое место следующие факторы: a) ценовой аспект (затраты на создание и дальнейшее поддержание системы в рабочем состоянии) — b) недостаточная осведомленность о возможностях ГИСc) нехватка квалифицированных кадров.

При этом 64% респондентов указали в качестве основной причины, препятствующей использованию ГИС-технологий, нехватку финансирования, а 42% — отсутствие квалифицированных кадров. ([19]).

Этот пример хорошо иллюстрирует проблему. С одной стороны, большинство решений, основанных на применении существующих коммерческих ГИС-продуктов, непомерно дороги. С другой стороны, пункты Ь) и с) из приведенных результатов опроса красноречиво свидетельствуют, что, несмотря на то, что интерфейс коммерческих ГИС становится все более и более дружественным пользователю, тем не менее, сложность теоретической базы ГИС, в частности, математической картографии, заложенной в основу работы с пространственными данными, и сложность проблем управления этими данными требуют работы с ними квалифицированного персонала. Для обычного же пользователя работать в desktop-продуктах ГИС затруднительно — здесь более предпочтительны специализированные ГИС-приложения.

Одной из «невыгодных» с точки зрения затрат и конечного результата областей применения ГИС являются, например, территориальные информационные системы с картографическим интерфейсом, рассчитанные на массового пользователя [5,33]. Здесь можно назвать региональные информационно-справочные системы с возможностью построения тематических карт региона [11,12], предназначенных для целей управления и образованиягородские информационно-поисковые картографические системы — от интерактивного адресного плана города [45,60,] до многослойных интегрированных «муниципальных ГИС (МГИС)"[13]- автоматизированные системы учета природных ресурсов [8,28,42,44]- туристические информационные системы [37,82]- информационные системы особо охраняемых территорий (ООПТ) [39]. Сюда же можно отнести и более сложные информационные системы мониторинга земельных ресурсов [46,47] и управления недвижимостью, а именно те их компоненты, которые выполняют информационно-аналитические функции и могут отображать соответствующие карты землепользования, землевладений и размещения недвижимости, а также системы мониторинга экологического состояния и планирования развития территории [35,57,58].

Как видно из приведенных примеров, территориальные информационные системы — это достаточно представительный класс информационных систем. Их объединяет одно общее свойство — все они работают с территориально-распределенными объектами и, следовательно, должны иметь картографическую функциональность. Эта функциональность обеспечивается использованием ГИС-технологий [48,67]. В чем же экономическая нецелесообразность их применения? Дело, конечно, не в самих технологиях, а в том, как они поставляются для конечного пользователя: всем коммерческим ГИС-продуктам, от настольных до серверных, свойственны очень высокая цена и функциональная избыточность по отношению ко многим к задачам, где требуется обработка пространственных данных.

В литературе, посвященной проблемам геоинформатики, зачастую территориальные информационные системы отождествляют с геоинформационными системами. При этом ГИС даже называют системами поддержки принятия решений. Как и в случае с базами данных, под аббревиатурой ГИС понимают и общие технологические пакеты программ, и конкретные прикладные разработки, основанные на ГИС-технологиях. При этом часто возникает ситуация, когда геоинформационной системой называют систему, больше половины функциональности которой не относится к обработке пространственной информации.

Так, например, получивший широкую известность в 90-е годы проект ГИС ОГВ России (ГИС для органов государственной власти) предполагал создание единой геоинформационной системы поддержки процессов управления, позволяющей генерировать и использовать интерактивные тематические карты управляемой территории на основе единой цифровой топографической базы данных. Автор настоящей диссертации, работая в Главном управлении экономики и инвестиций Алтайского края в 1997;2001 годах, принимала участие в разработках по созданию ГИС ОГВ для территории Алтайского края [41]. Опыт работы над проектом показал, что чиновникам-управленцам, не привыкшим использовать картографический анализ в своей профессиональной деятельности, необходимость создания такой системы при достаточно высоком уровне затратности и отсутствии организационных и правовых условий была далеко не очевидна. Для того чтобы такая система оказалась жизнеспособной, она должна интегрироваться в более общую систему информационного обеспечения процессов управления, то есть во главе угла должна стоять не «единая геоинформационная система», а единая территориальная информационная система, создаваемая на базе ГИС и других технологий, что было бы более правильно воспринято в управленческих структурах.

Чтобы избежать этой двойственности, целесообразно ввести разграничение понятий, согласно которому геоинформационные системы (ГИС) — это набор технологий и программных средств, обеспечивающих общие методы организации, хранения, обработки, анализа и вывода пространственной и связанной с ней описательной информации, а территориальные информационные (информационно-аналитические) системы (ТИС /ТИАС) — это интегрированные информационные системы по территориально-распределенным объектам, основной функциональностью которых является предметно-ориентированная обработка данных, в том числе и пространственных. Как интегрированные системы, ТИС используют различные технологии. В частности, в состав ТИС, имеющей картографический интерфейс, должен входить блок обработки пространственных данных, построенный на базе геоинформационных технологий. И в этом смысле территориальные информационные системы являются прикладными ГИС или ГИС-приложениями.

Совокупность программных модулей, реализующих картографическую функциональность в ТИС, будем называть геоинформационным компонентом территориальной информационной системы.

Таким образом, не ГИС непосредственно обеспечивает функции поддержки принятия решений — делают это специализированные информационно-аналитические территориальные системы — в частности, средствами ГИС-технологий.

Справедливости ради, следует отметить, что в последнее время термин «геоинформационная система» все реже используется для обозначения ГИС-приложений, и все чаще в этом случае употребляют такое определение: «информационная система, созданная на базе ГИС» [17]. Поэтому введенное разделение понятий, с нашей точки зрения, вполне логично и оправдано.

По отношению к использованию ГИС-технологий территориальные информационные системы обладают следующими важными свойствами: 1) во-первых, они рассчитаны на массового пользователя-непрофессионала в области ГИС и картосоставленияво-вторых, они обеспечивают интерфейс не на уровне отдельных картографических слоев, а на уровне готовых карт. При этом карты в ТИС связаны общностью территориального охвата, общностью тематики, общностью математической основы, а также общностью и согласованностью системы условных обозначений, то есть представляют собой тематический атлас или набор тематических атласов.

Таким образом, картографическая функциональность ТИС фактически предоставляется пользователю в виде одного или нескольких тематических электронных атласов. Каждый такой атлас можно реализовать в виде прикладной ГИС-службы, обеспечивающей набор базовых операций ГИС и набор специальных операций пространственного поиска и анализа, соответствующих предметной области (теме атласа). Большинство пользователей территориальных информационных систем не пользуются расширенными функциями географического анализа, которых, например, в одном пакете ArcGIS 9.1(ArcInfo) (профессиональная ГИС фирмы ESRI [72,85,74,]) насчитывается более двухсот.

Набор используемых базовых операций ГИС в территориальных информационных системах, как правило, достаточно ограничен и сводится к следующим:

— операции послойной визуализации карт,.

— функции масштабирования и навигации,.

— операции картографического поиска.

В состав специализированных операций могут входить:

— обслуживание фиксированных пространственно-логических запросов;

— создание и вывод фиксированного набора тематических карт;

— агрегирование показателей или характеристик пространственно распределенных объектов по территории.

С электронным тематическим атласом территории пользователь может работать совершенно так же, как с обычным атласом, с той лишь только разницей, что информация в электронных атласах постоянно обновляется, и, кроме того, функциональность электронного атласа гораздо шире и многообразнее.

Для реализации картографической функциональности в ТИС можно использовать существующие коммерческие ГИС-продукты. Однако в настоящее время настольные ГИС (desktop-продукты) становятся все сложнее и все неохватнее по своей функциональности, а серверные решения для ГИС часто жестко связаны с базовой ГИС по подготовке карт для публикации. К тому же, они оказываются слишком сложными для использования в тех организацях, где нет большого опыта работы с пространственными данными. В любом случае решения, основанные на использовании коммерческих ГИС-продуктов, будут весьма затратными и явно избыточными по функциональности.

Кроме того, большинство территориальных информационных систем являются некоммерческими по своей природе: они предназначены для широкого круга пользователей — прежде всего для населения и государственных структур. Информация, которая циркулирует в этих системах, должна быть общедоступной и сама по себе не может служить источником больших доходов. Следовательно, стоимость разработки ТИС не должна быть слишком высокой.

Таким образом, объективно существует несколько причин, мешающих внедрению ГИС-технологий в территориальных информационных системах, это:

— высокая стоимость программного обеспечения;

— функциональная избыточность предлагаемых решений;

— недостаточные возможности интеграции с другими технологиями;

— сложность работы с пространственной информацией;

— непонимание выгод, которые дает ГИС.

Отсюда следует вывод, что в настоящее время существует проблема выбора наиболее адекватного по стоимости и предлагаемой функциональности технологического и архитектурного решения для создания геоинформационного компонента ТИС, что делает выбранную тему исследования актуальной.

В данной работе предпринята попытка найти рациональный подход к созданию многопользовательских территориальных информационных систем с ограниченной ГИС-функционалыюстыо, доступных для организаций с различным уровнем финансирования.

Объектом исследования настоящей работы является использование геоинформационных технологий в распределенных системах.

Предметом исследования будет служить архитектура геоинформационного компонента распределенной территориальной информационной системы на базе сервера прикладных ГИС-служб.

Цель исследования состоит в разработке и реализации принципов и методов создания геоинформационного компонента распределенной территориальной информационной на базе сервера прикладных ГИС-служб.

В ходе исследования ставились следующие задачи:

1. Определить роль геоинформационных технологий в создании территориальных информационных систем.

2. Проанализировать существующие подходы, обеспечивающие геоинформационную функциональность в распределенных территориальных информационных системах, с целью выявления их достоинств и недостатков.

3. Разработать концепцию и структуру прикладной ГИС-службы.

4. Разработать архитектуру геоинформационного компонента территориальной информационной системы на базе сервера прикладных ГИС-служб.

5. Реализовать примеры прикладных ГИС-служб для выбранных предметных областей.

6. Реализовать сервер прикладных ГИС-служб и разработать на его базе пример территориальной информационной системы.

7. Дать оценку эффективности создания территориальных информационных систем на базе сервера прикладных ГИС-служб.

Для достижения поставленной цели и решения определенного выше круга задач применялись следующие методы исследования:

1. Объектно-ориентированный подход при разработке структуры прикладных ГИС-служб.

2. Компьютерное моделирование для реализации геоинформационного компонента территориальной информационной системы на базе сервера прикладных ГИС-служб.

3. Экспериментальные исследования при тестировании и апробации разработанных технологий и программных средств для решения реальных задач.

В процессе работы были проанализированы и использованы труды следующих авторов: Берлянта A.M., Капралова Е. Г., Кошкарева А. В., Полякова Ю. А., Пяткина В. П., Скатерщикова С., Тикунова B.C., В. Я. Цветкова, Черкаши-на А.К. и других, а также технические руководства по различным ГИС-продуктам фирмы ESRI (Environmental Systems Research Institute, Inc., США), лидера в области разработки программного обеспечения геоинформационных систем.

Научная новизна.

В данной работе автором получены следующие новые результаты:

1. Введено разграничение понятий «геоинформационная система» и «территориальная информационная система», устраняющее двойственность трактовки этих терминов и ведущее к более конструктивному их использованию.

2. Разработана концепция прикладной ГИС-службы, реализующей картографический интерфейс уровня тематического атласа, что обеспечивает более высокий уровень автоматизации при проектировании геоинформационного компонента территориальных информационных систем, ведет к упрощению пользовательского интерфейса в клиентских приложениях и уменьшению объема передаваемых данных между частями приложений.

3. Разработаны архитектура и технология создания сервера прикладных ГИС-служб для территориальной информационной системы.

4. Выполнена реализация предложенного подхода для создания электронного атласа Алтайского края и Республики Алтай.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается использованием современных теоретических и практических методов исследования, проведением сравнительного анализа применения геоинформационных технологий в распределенных территориальных информационных системах. В своей работе автор диссертации использовала обобщение своего достаточно большого опыта по проектированию и разработке ГИС-приложений для различных предметных областей в различных средах разработки: от открытых настольных ГИС-продуктов, имеющих встроенные языки программирования, до Microsoft Visual Studio .NET [21]. Кроме того, выдвинутые в диссертации положения подтверждаются успешностью их применения для реализации электронных атласов Алтайского края и Республики Алтай.

Практическая значимость.

Результаты, полученные в ходе исследования, могут применяться при создании геоинформационного компонента распределенных территориальных информационных систем. Предложенный подход ведет к существенному упрощению проектирования и разработки ТИС и, соответственно, к удешевлению проектов. При этом подход имеет достаточную степень общности, что позволяет использовать его во множестве прикладных областей самой различной направленности.

Результаты данной работы можно использовать в качестве материала при подготовке студентов, специализирующихся в области проектирования информационных систем и разработки специализированных ГИС-приложений.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы использовались при создании электронных атласов Алтайского края и Республики Алтай. Были созданы социально-экономический и туристический атласы Алтайского края, атлас «Недропользование» Алтайского края, а также туристический атлас Республики Алтай. Все эти атласы установлены в настоящее время на внутреннем информационном сервере Алтайского краевого общественного фонда «Алтай — 21 век».

Диссертационное исследование выполнялось на кафедре ЮНЕСКО Алтайского государственного технического университета.

Все разработки тестировались в Барнаульском центре новых информационных технологий Алтайского государственного университета и были доступны в период тестирования с Web-сервера АлтГУ.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Предложенная концепция прикладной ГИС-службы, реализующей функциональность тематического атласа, обеспечивает более высокий уровень моделирования объектов предметной области по сравнению с традиционным представлением пространственной информации для пользователя в виде слоев или отдельных карт.

2. Прикладные ГИС-службы, реализующие тематические атласы, легко интегрируются в территориальные информационные системы, обеспечивая более понятный пользователю интерфейс и более эффективное использование ресурсов сети за счет уменьшения числа передаваемых параметров между клиентской и серверной частями приложения. 3. Предложенная архитектура геоинформационного компонента территориальной информационной системы в целом способствует упрощению проектирования и разработки распределенной ТИС, уменьшению временных и стоимостных затрат проектов. Публикации и апробация работы По теме диссертации опубликованы 10 научных работ. Основные результаты докладывались на российских и международных конференциях и семинарах:

— Международная конференция «Интеркарто 4: ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий» (Барнаул, 1998);

— Международная научно-практическая конференция «Геоинформатика 2000» (Томск, 2000);

— научно-практическая конференция «ГИС в управлении и природопользовании» (Иркутск, 2002);

— Международная конференция «Geolnfo 2002» (Бурленге, Швеция, 2002);

— Всемирная конференция пользователей ESRI 2004 (Сан Диего, Калифорния, США, 2004.

Личный вклад.

Автором осуществлена разработка концепции и структуры прикладной ГИС-службы для территориальной информационной системыразработана архитектура геоинформационного компонента ТИС на базе сервера прикладных ГИС-службвыполнена практическая реализация предложенного подхода при разработке геоинформационного компонента территориальных информационных систем Алтайского края и Республики Алтай.

Структура диссертации.

Работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 85 наименований. Диссертация изложена на 105 листах машинописного текста и содержит 4 таблицы и 30 рисунков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.