Разработка и исследование методов и средств проектирования геоинформационных справочных систем

Геоинформационные системы (ГИС) представляют собой программно-аппаратные комплексы для получения, хранения, преобразования и передачи информации пространственно-временного характера [1]. Любые сведения ГИС имеют так называемую пространственно-временную привязку — снабжаются координатами х, у, z, t), где (х, у, z) — пространственные координаты объекта, t — временная координата явления или события. Существует много областей применения информационных систем, для которых пространственная привязка является существенным системным требованием. К ним относят области муниципального планирования и управления, проектирования промышленных и гражданских объектов, учета земель и объектов недвижимости, диспетчирования инженерных сетей, экологического мониторинга, оценки природных ресурсов, ликвидации чрезвычайных ситуаций, налогообложения, логистики и многие другие [7,16,18]. Карты, планы и схемы для работников перечисленных сфер являются привычным инструментом в их повседневной деятельности.

Практическая потребность в использовании картографической информации привела к появлению разнообразных программных продуктов, ориентированных на решение задач с помощью геоинформационной технологии [19,29— 51]. Дорогостоящие полнофункциональные пакеты программ стоимостью до 300 тыс. долларов, предлагаемые, например, фирмами ESRI, ERDAS, InterGraph, охватывают практически все этапы создания и использования электронных карт — от начальных геодезических работ до картографического сервера в Internet. Пакеты программ Mapinfo, «ИнГео», CREDOJDAT, Geo Cad System, ГеоГраф 2000, Easy Trace при меньшей (на 1−2 порядка) стоимости обладают меньшим набором функциональных возможностей. При этом они ориентированы на одну из проблемных областей геоинформатики. Для создания ГИС могут эффективно использоваться универсальные САПР (например, AutoCad, КОМПАС, ArchiCad, CADdy [25−27]). Наконец, известны ГИС, построенные с применением CASE-средств Delfi, Oracle [28].

Принципы организации и функционирования ГИС существенно различаются в зависимости: от конечной цели использования информационного продуктаот средств получения входной информацииот сложности информационной базыот вычислительной и коммуникационной среды реализацииот используемых математических моделей пространства и времениот способа программной реализации.

Тем не менее, их объединяет направленность на информационно-картографическое моделирование объектов, явлений и событий окружающего мира.

Теоретическая база, на которой строятся ГИС, включает методы ряда отраслей научного знания: геометрии, географии, картографии, системного анализа, теории вычислительных систем, искусственного интеллекта, психологии. Работы многих отечественных и зарубежных ученых в перечисленных областях внесли существенный вклад в развитие методологии проектирования ГИС. Вот только некоторые из них: Берлянт A.M., Кошкарев A.B., Салищев К. А. Даксхолд В.Е., Халугин Е. И., Тикунов B.C., Цветков В. Я., Черемисина E.H., Зильбершатц А., Стоунбрейер М., Ульман Д., Рубахин В. Ф., Буч Г., Поспелов Д. А., Гаврилова Т. А., Хорошевский В. Ф., Мелихов А. Н., Берштейн J1.C., Вагин В. Н., Аверкин А. Н., Тарасов В. Б., Ларичев О. И., Сантало JI.A., Пузанков Д. В., Фор А. Современная проблематика теоретических исследований в области разработки ГИС может быть поделена на несколько направлений:

— обработка первичных данных для картографирования. Сюда относятся работы, связанные с фотограмметрией, использованием глобальной спутниковой системы позиционирования (GPS), оцифровкой геоизображений;

— построение цифровых карт, планов и схем. Содержание работ этого направления связано с решением классических задач картографирования современными программными и аппаратными средствами;

— создание баз данных и знаний как для целей картографирования, так и для последующего использования картографической информации. Работы в этой области имеют явную предметную направленность: экологический мониторинг, муниципальное управление, земельный и градостроительный кадастр, и т. д.;

— разработка программных средств доступа к картографической информации в локальных и глобальных сетях. Содержание этих работ касается построения интерфейсных средств ГИС-оболочек, механизмов связи с мультимедиа-источниками, разработки картографических серверов Internet;

— моделирование физических и информационных процессов и явлений в картографической среде;

— развитие методов искусственного интеллекта применительно к представлению, обработке и анализу картографической информации.

В настоящей работе представлены результаты исследования проблем проектирования геоинформационных справочных систем (ГИСС), ориентированных на визуальный анализ картографической информации. Предметом анализа являются теоретические вопросы построения модели функционирования ГИСС и обоснования методик и алгоритмов формирования картографических изображений, а также исследование механизмов взаимодействия клиентов и серверов в процессе построения максимально информативных изображений при наличии ресурсных ограничений. Исследованы такие важные в практическом отношении вопросы, как идентификация картографических образов, декомпозиция картографической основы ГИСС на набор элементов, распределение функций между клиентом и сервером ГИСС, репликация фрагментов электронной карты.

Предметом исследования являются: процесс проектирования ГИСС;

— объектная модель информационной базы ГИССэкспертные методы построения элементов объектной модели электронной картыоценка избыточности и информативности картографических изображенийметоды преобразований картографических изображений с целью изменения их информативностипринципы и алгоритмы изменения сложности картографических изображенийспособы представления картографической информации в базах данных большого объемаметоды и алгоритмы декомпозиции сложных электронных карт на элементыметоды и алгоритмы интеллектуальной обработка запросов пользователя ГИССалгоритмы управления декомпозированной картой ГИСС в сети компьютеровметоды проектирования ГИСС по технологии «клиент — сервер».

Целью исследования является разработка теоретических и практических основ и методов проектирования сетевых геоинформационных справочных систем, обеспечивающих формирование максимально информативных картографических изображений при визуальном анализе картографической информации пользователем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Выработать концепцию организации и функционирования геоинформационных систем справочного типа, разработать теоретические основы построения объектной модели информационной базы геоинформационной системы, ориентированной на визуальный анализ картографической информации.

2. Исследовать принципы реализации предлагаемой обобщенной операции над картографическими изображениями — изменение их сложности. Для этого обосновать подход к оценке информативности картографических изображений и разработать методику генерализации.

3. Создать методику хранения и манипулирования знаниями экспертной системы с использованием географической привязки. Для этого исследовать геометрическую интерпретацию основных процедур логического вывода: индуктивного, дедуктивного и вывода по аналогии.

4. Исследовать проблемы представления картографической информации в базах данных большого объема и сформулировать задачу декомпозиции сложной электронной карты на набор элементов. Проанализировать алгоритмы декомпозиции для двух постановок задачи: с целью максимизации скорости обработки запросов и с целью минимизации суммарного сетевого трафика.

5. Используя нечеткие классификационные методы, разработать принципы идентификации объектных моделей картографической базы данных. На основе предложенной концепции функционирования ГИСС модифицировать способы разграничения полномочий и защиты, а также репликации картографических данных.

6.. Разработать методику проектирования ГИСС по технологии «клиент-сервер», предусматривающую распределение функций с целью минимизации трафика сети.

Теоретической базой проведенных исследований являются результаты, полученные исследователями в картографии, геоинформатике, теории вычислительных систем, системном анализе, теории графов, интегральной геометрии, теории нечетких множеств и методов принятия решений, теории распознавания образов. Развиты и обобщены подходы и методы из области проектирования полнофункциональных геоинформационных систем и систем тематического картографирования, объектно-ориентированного проектирования программ, баз данных, интеллектуальных систем принятия решений, систем машинной графики.

Научная новизна работы заключается в следующем. 1. Предложена концепция картографического образа как объектной модели целостных картографических изображений, формируемых для решения прикладных задач. Иерархия картографических образов на правах наследования образует объектную модель информационной базы ГИСС. В отличие от известных концепций, предлагаемая учитывает динамический характер процесса использования карт, планов и схем, переносит акцент на поведенческий аспект их восприятия, что позволяет использовать методологию интеллектуального управления объектами на основе нечеткой логики.

2. На основе предложенной концепции картографического образа построены новые эффективные процедуры управления информационным потоком между клиентом и сервером ГИСС, направленные на формирование максимально информативных картографических изображений при ограничении на вычислительные, коммуникационные и операционные ресурсы. Отличительной особенностью операции является использование нечетких пространственно-временных и семантических категорий, субъективного подхода к оценке информативности и модифицированного способа картографической генерализации.

3. Предложен новый принцип функционирования экспертных систем в картографической среде, который базируется на картографической привязке знаний и применении геометрической интерпретации процедур логического вывода. Применение предложенного принципа функционирования экспертных систем позволяет упростить процедуру получения экспертных знаний, повысить их актуальность, унифицировать способ хранения.

4. Разработана методика декомпозиции сложной электронной карты на набор простых элементов. Методика направлена на нахождение числа элементов карты и распределения между ними графических примитивов исходной карты. Ее использование позволяет повысить надежность информационной базы ГИСС, сократить избыточность ответов сервера и время их получения клиентом.

5. Разработаны основы организации и функционирования ГИСС, построенной по технологии «клиент-сервер». Отличительная особенность методики состоит в ее направленности на оптимизацию ГИСС, ориентированной на визуальный анализ картографической информации. Использование разработанных принципов дает возможность сократить сетевой трафик и снизить вероятность нарушения целостности информационной базы.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается математическими выкладками, результатами практического внедрения, апробацией на международных, всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах.

Практическая ценность полученных автором результатов состоит в следующем.

Разработанные методы и критерии оценки вариантов реализации компонентов ГИСС, методы, приемы и рекомендации по совершенствованию их параметров, принципы и способы структурной организации являются эффективным аппаратом проектирования геоинформационных систем, ориентированных на визуальный анализ картографической информации. Основные теоретические положения и результаты доведены до формализованных методов или инженерных методик, алгоритмов, направленных на создание геоинформационных систем, обеспечивающих формирование максимально информативных картографических изображений при ограничении на вычислительные, коммуникационные и операционные ресурсы.

Эффективность предложенных методов, методик и алгоритмов доказана при практическом проектировании ГИСС различного назначения, выполненых по заказам ряда промышленных предприятий и организаций. Оперативное получение целостных картографических изображений, совершенные средства манипулирования изображением, возможность решать сложные задачи экспертным путем позволило повысить эффективность управления объектами, применить качественно новые подходы к решению традиционных задач. Это подтверждается актами о внедрении результатов научно-исследовательских работ.

Внедрение результатов проведенных исследований выполнено в ряде разработок под научным руководством и при личном участии автора. Работы выполнялись по заказу ряда промышленных предприятий и организаций, в том числе: администрации города Волжского по договору 12 313 в 1992;1995 гг., Ростовской ТЭЦ-2 (г. Ростов-на-Дону) по договору 13 330 в 1997 г., ОАО ПО «Волжский трубный завод» (г. Волжский) по договору ВТ98−2 в 1998;1999 гг, ОАО «Поволжье» (г. Волжский) по договору 13 347 в 1999 г., Новочеркасского завода синтетических продуктов (г. Новочеркасск) по договору 13 312 в 19 961 998 гг., Белокалитвенского металлургического производственного объединения (г. Белая Калитва) по договору 13 348 в 1998;1999 гг., ФГУП ВНИИ.

Градиент" (г. Ростов-на-Дону) по договору 13 101 в 2000 г., ФГУП НИИРС (г. Ростов-на-Дону) по договору 13 104 в 2000;2001 гг., ОАО Таганрогский металлургический завод по договору 15 502 в 1998;2000 гг., Ростовского вертолетного завода (г. Ростов-на-Дону) по договору 13 105/344 в 2001 г. Кроме этого, результаты исследований использованы в выполненных в 1995;2001 г. по единому заказ-наряду госбюджетных НИР 13 155, 13 159, 13 056/1.

Апробация результатов работы. Научные результаты и основные положения работы докладывались и обсуждались на на Международном конгрессе «Искусственный интеллект в XXI веке» (Дивноморск, 2001 г.), на Втором Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Самара, 2001 г.), на международном научно-практическом семинаре «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте» (Коломна, 2001 г.), на Втором Международном семинаре «Практика и перспективы развития институционального партнерства» (Донецк, 2001 г.), на 3-й и 4-й региональной научно-практической конференции «Геоинформационные системы для муниципального управления» (г. Таганрог, 2000;2001 гг.), на международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2000 г.), на 3-й Всероссийской научной конференции молодых ученых (Таганрог, 2000 г.), на I Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 1999 г.), на Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных представителей «Интеллектуальные САПР-96» (Таганрог, 1996 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы» (Уфа, 1997 г.), на Всероссийской научной конференции «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления» (Таганрог, 1997 г.), на Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных представителей «Интеллектуальные САПР-97» (Таганрог, 1997 г.), на IV Всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 1998), научно-практической конференции (Ессетуки, 1994 г.), ХХХХ-ХЬУ1 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ТРТУ.

Таганрог, 1995;2001 гг.), международном научном симпозиуме «Природа и человек: взаимодействие и безопасность жизнедеятельности «(Таганрог 1996 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности» (Таганрог, 1996 г.).

По теме диссертации опубликовано 56 работ, включая монографию, 19 статей в центральных издательствах, 13 статей в сборниках научных трудов, 5 отчетов по НИР, зарегистрированных в ВНИТЦ.

Работу можно квалифицировать как развитие перспективного научного направления в области проектирования геоинформационных систем, а результаты проведенных исследований представляют комплекс научно-технических разработок, направленных на решение важных социально-экономических и хозяйственных проблем.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения общим объемом 264 страницы, 72 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 157 наименований.

6.6. Выводы по разделу.

1. Содержание подзадач проектирования ГИСС различается в зависимости от масштаба разрабатываемой системы, поэтому важно перед началом проектирования оценить сложность создаваемой системы. Использование числа графических примитивов картографической основы в качестве показателя сложности, прдложенное автором, является результатом практического опыта проектирования ГИСС.

2. Наиболее перспективной для построения ГИСС является трехзвенная архитектура «клиент-сервер». Она позволяет на универсальной базе построить специализированный сервер, в полной мере реализующий систему картографических образов.

3. Из перечня существующих типов серверов наиболее эффективны для построения ГИСС файл-серверы. Программные доработки не требуются, скорость обработки запросов максимальна, существует отработанная система защиты данных. Главным недостатком применения файл-серверов является значительный сетевой трафик из-за отсутствия серверных компонент обработки.

4. Достоинством предложенного способа распределения функций между клиентом и сервером является нацеленность на достаточно обобщенные по содержанию функции, которые должна реализовать ГИСС. Слишком высокий уровень обобщения, характерный для известных методик, приводит к неоптимальным результатам из-за объединения функций в большие группы. С другой стороны, чрезмерная детализация также отрицательно влияет на качество решения.

238 из-за трудности получения состоятельных оценок информационных потоков между функциями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Совокупность научных положений, сформулированных и обоснованных в диссертационной работе, составляет новое перспективное научное направление в области систем обработки информации — геоинформационные справочные системы.

Основным результатом исследований, изложенных в диссертационной работе, является разработка принципов организации сетевых геоинформационных систем, обеспечивающих эффективную реализацию визуального анализа картографической информации пользователем.

В результате проведения исследований автором были решены следующие задачи:

1. Выработана концепция организации и функционирования геоинформационных систем справочного типа, разработаны теоретические основы построения объектной модели информационной базы геоинформационной системы, ориентированной на визуальный анализ картографической информации.

2. Исследованы принципы реализации предложенной обобщенной операции над картографическими изображениями — изменение их сложности. Обоснован подход к оценке информативности картографических изображений и разработана методика генерализации.

3. Создана методика хранения и манипулирования знаниями экспертной системы с использованием географической привязки. Исследована геометрическая интерпретация основных процедур логического вывода: индуктивного, дедуктивного и вывода по аналогии.

4. Исследованы проблемы представления картографической информации в базах данных большого объема и сформулирована задача декомпозиции сложной электронной карты на набор элементов. Разработаны алгоритмы декомпозиции для двух постановок задачи: с целью максимизации скорости обработки запросов и с целью минимизации суммарного сетевого трафика.

5. На основе нечетких классификационных методов разработаны принципы идентификации объектных моделей картографической базы данных. Используя предложенную концепцию функционирования ГИСС, построены.

240 модифицированные способы разграничения полномочий и защиты, а также репликации картографических данных.

6. Разработана методика проектирования ГИСС по технологии «клиент-сервер», предусматривающая распределение функций с целью минимизации трафика сети.

7. Практическим внедрением в ряде разработок ГИСС по заказам промышленных предприятий и учреждений доказана эффективность предложенных методик, способов и рекомендаций по проектированию ГИСС.