comp_programming comp_soft sci_geo Александр Иванович Мартыненко Проблематика информационного обеспечения геоинформационных систем ru Wit77 htmlDocs2fb2, FictionBook Editor Release 2.6.6 02.01.2013 27FD33A3-8542-49AC-9E6B-8CC64A128325 1.0

1.0 — Wit77 сканирование, распознавание, верстка, вычитка


Александр Иванович Мартыненко

Проблематика информационного обеспечения геоинформационных систем

Предисловие

Ни одна публикация не нуждается в предисловии, нежели эта, ибо в ней сделана попытка глубже проникнуть в проблематику одного из приоритетных направлений глобального геоинформационного картографирования — информационного обеспечения геоинформационных систем (ГИС). У нас не было такого труда с обстоятельным изложением современного понимания сути информационного обеспечения ГИС и основных проблем его разработки.

Разработка любой автоматизированной системы (АСУ) и ее применение немыслимы без эффективного использования геопространственной информации, содержащейся в электронных картах, аэрокосмических, цифровых ортофотопланах и других источниках сведений о местности, которые интегрируются в ГИС. По этой причине ГИС служит важнейшей функциональной частью современных и перспективных АСУ.

В настоящее время ГИС нередко применяется самостоятельно для решения задач топографического и тематического картографирования, сбора, анализа, обработки, моделирования и отображения геопространственной информации.

Но всегда основным назначением ГИС следует считать подготовку и формирование знаний о Земле, отдельных регионах, местности, то есть решение задач глобального геоинформационного картографирования.

Новым, наиболее мощным средством информационного обеспечения АСУ и ГИС, является Система электронных карт. Для ее описания целесообразно использовать метаданные электронных карт в соответствии с принятым в 1999 году Государственным стандартом Российской Федерации ГОСТ Р 51353-99 «Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание», в разработке которого участвовал автор, известный исследователь в области новых технологий.

Данная публикация послужит весьма важному делу разработки и внедрения ГИС различного назначения. Она будет полезной для студентов и преподавателей учебных заведений, сотрудников научно-исследовательских учреждений, специалистов, которые разрабатывают, совершенствуют и применяют АСУ и ГИС.

Доктор технических наук, профессор А. Мартыненко

Москва, 2 марта 2000 г.

Глава 1

Понятие информационного обеспечения и его место в геоинформационных системах

§ 1. Картографическая информация — основа функционирования геоинформационных систем

Процессы управления всегда связаны с переработкой информации. Комплексное использование технических средств получения, передачи, обработки информации и, в первую очередь, использование быстродействующей электронно-вычислительной техники в условиях создаваемых автоматизированных систем управления (АСУ), важной составной частью которых являются геоинформационные системы (ГИС), способствует развитию и широкому применению информатики, кибернетики, системотехники, математических методов, играющих важную роль в решении теоретических и прикладных проблем управления. На современном этапе научным инструментом совершенствования управленческой работы является системный подход, рассматривающий любую область управления как систему динамичную, вероятностную, сложную, состоящую из функционально и структурно обособленных подсистем, образующих ряд уровней управления для достижения общей конечной цели. Важным преимуществом системного подхода является возможность моделирования информационных процессов с последующей реализацией этих моделей на компьютерной технике, что позволяет углубить анализ изучаемых процессов, а в дальнейшем использовать технические средства для синтеза систем на стадии их проектирования.

Функционирование ГИС в любой АСУ основывается на взаимодействии основных ее подсистем. Наиболее важной составляющей частью ГИС является ее информационное обеспечение (ИО). Под информационным обеспечением ГИС понимается вся совокупность информации о картографических объектах местности, способы ее представления, хранения, преобразования и передачи.

Раскроем подробнее смысл приведенного определения.

Топографическая карта представляет собой некое условное отображение большого количества разнообразных, тесно связанных между собой объектов местности и является сложной многоуровневой системой картографических объектов (на карте), каждое звено которой — система определенного уровня — имеет свою структуру, постоянно расширяется и развивается. Так, в условиях деятельности природных сил и человека любой объект на местности и, следовательно, его отображение на карте (картографический объект) изменяет свое местоположение и свои свойства (характеристики). Под местоположением и характеристикой картографического объекта понимаются данные об отображении конкретного объекта местности на карте. Формализованная информация о картографических объектах, их описание объединяются в картографические данные, которые являются обязательной составной частью любой ГИС.

Автоматизированная система управления, использующая для своего функционирования ГИС, с одной стороны, осуществляет управление на основе данных об объектах местности, а с другой — управляет этими объектами. Однако управление объектами местности в АСУ выполняется посредством управления картографическими объектами в ГИС, а через них и самими объектами на местности. Кибернетический подход допускает рассмотрение процессов управления картографическими объектами, прежде всего, как процессов преобразования информации.

Понятие картографической информации непосредственно связано с пониманием информации вообще. Поэтому рассмотрим суть самой информации.

Информация — понятие весьма широкое, многогранное, емкое по смыслу. Сегодня очень часто с легкостью заменяют обычные слова «сообщение», «данные», «новости», «сведения» на модное — «информация». И это не случайно, так как в основе информации лежат знания (сведения) о реальных объектах и явлениях и взаимосвязи между ними. То есть информация — отражение в человеческом сознании данных об объектах материального мира и определенных форм их взаимосвязи. Известное с античных времен, оно заключает в себе и важное философское понятие.

Суть философского понятия «информация» заключается в том, что она является отраженным разнообразием. Термин «разнообразие» означает нарушенное однообразие, которое восстанавливается при постоянном разнообразии. «Отраженное» надо понимать в том смысле, что нарушение имеет относительный смысл в зависимости от того, кто принимает информацию. Проще говоря, информация — это не столько то, что заключается в книге или топографической карте, а также, что очень важно, то новое, что из них получено.

Следовательно, вопреки распространенному мнению, факты или данные сами по себе ни о чем не говорят — они приобретают значение в сравнении с другими фактами или данными. К примеру, даже если красиво оформленная карта имеет множество картографических объектов, то это еще не вся информация. Какую-то относительно небольшую информацию может дать тот факт, что карта составлена в известной системе координат и системе условных знаков. Карта приобретет информационную суть, когда она будет «прочитана» и из нее получены новые сведения об объектах местности. Таким образом, информация — это что-то новое. Но всякое новое основывается на чем-то старом. Новое без старого не воспринимается так же, как и старое без нового. И это замечание особенно важно в картографии.

В геоинформационных системах наиболее распространенной является информация картографическая. Она представляет собой совокупность различных сведений об объектах местности, которые можно фиксировать, передавать, преобразовывать, хранить и использовать в системах управления. При этом применяются сведения о местоположении объектов и об их физических и других свойствах. В условиях конкретной АСУ совокупность данных образует систему картографической информации, которая обеспечивает взаимосвязь всех функций управления и служит основой принятия решений.

Изучение картографической информации, функционирующей в ГИС, подчиняется общим методам изучения информации и может рассматриваться в трех основных аспектах: прагматическом, семантическом и синтаксическом.

Прагматический аспект рассматривает информацию с точки зрения ее назначения и свойств. Он ориентирован на конкретных пользователей и заключается в следующем.

Во-первых, информация может быть полезной и бесполезной, т. е. ее следует рассматривать с точки зрения практической ценности для конкретной ГИС. В условиях создания информационного обеспечения прагматическое изучение информации позволяет установить необходимую и достаточную для принятия решений информацию по уровням управления, выделить ту, которая необходима для конкретной ГИС с позиций минимизации объемов информации.

Во-вторых, чтобы решить поставленную перед ней задачу, система должна иметь полную информацию, соответствующую предъявляемым требованиям. Но информация вообще, а картографическая в частности, никогда не бывает полной. Поэтому следует иметь в виду степень полноты.

В-третьих, еще одним свойством информации является достоверность (правильность сведений, передаваемых на определенное время). Достоверность связана с полнотой информации нелинейной зависимостью. На начальном этапе первые разрозненные сведения малоинформативны и не отражаются на природе достоверности. С увеличением количества сведений происходит пропорциональный рост достоверности, но до определенного критического уровня, когда сверхизбыточные сведения уже не влияют на достоверность.

На эту зависимость может накладываться другая — преднамеренное искажение (дезинформация), и тогда необходим метод, восстанавливающий естественную достоверность (реинформацию). Надо отметить, что дезинформация — не обязательно ложный факт. Это может быть реальный факт, но значение его искажено (преувеличено или преуменьшено).

В-четвертых, количественная оценка степени полноты и достоверности информации определяется важнейшим ее свойством — измеримостью. Это свойство на основе количественных показателей позволяет измерять, анализировать, сравнивать и преобразовывать количественную меру информации и, в частности, картографическую, независимо от ее физического происхождения.

В-пятых, чтобы получить полную достоверную информацию, требуется время, а информация стареет. Поэтому отметим еще одно свойство — современность (соответствие карты состоянию местности).

В-шестых, если сопоставить два свойства — полноту и современность, то можно определить оптимальное соотношение, когда информация является уже достаточно полной и еще достаточно свежей. В этом случае можно говорить о ее новом свойстве — ценности. Самая ценная информация — это достаточно полезная, полная, достоверная и новая.

Семантический аспект при изучении информации позволяет раскрыть ее содержание, отражающее состояние картографического объекта, вскрыть отношение между знаками, их предметными смысловыми значениями и выбрать смысловые единицы измерения картографической информации.

Семантический аспект способствует более полному выяснению, изучению состояний объектов местности, их характеристик, местоположения и повышает обоснованность принимаемых решений.

Для создания и совершенствования ГИС и систем обработки данных особое значение имеет рассмотрение картографической информации в синтаксическом аспекте, при котором вскрываются отношения между объектами системы независимо от смыслового содержания информации, характера ее использования. На основе измеримости информации разрабатываются ее количественные оценки, что на этом уровне позволяет получить данные для описания процессов преобразования информации, для выбора рациональных технологических вариантов обработки данных, для построения массивов картографической информации и систем ее передачи и т. д.

Сложность выбора количественных показателей и оценок информации на топографической карте обусловлена особенностью восприятия и использования картографических объектов различными пользователями.

В настоящее время существует два подхода к выработке количественных оценок информации. Первый основан на принятом К.Шенноном понятии численной меры неопределенности случайного опыта (вероятностный подход). Второй — на численной мере различия опыта (невероятностный подход или подход различия). Однако при всех подходах в основе количественной меры информации лежит функция величины энтропии, которая определяет также и методы оптимального кодирования картографической информации.

В условиях любой ГИС, как любой динамической системы, постоянно происходит множество различных событий. Происходят они и за пределами ГИС, оказывая на ее функционирование непосредственное влияние. ГИС должна обеспечить сбор необходимых данных, их обработку для получения информации, которая составит основу принимаемых управляющих решений.

Современные компьютеры расширяют сферу машинной обработки потоков информации, обеспечивая, несмотря на массовость картографических данных, своевременное, качественное получение результатной информации.

Под потоком информации понимается сложившееся или организованное в пределах ГИС движение данных в определенном направлении при условии, что у этих данных есть общий источник и общий приемник.

Для удобства работы с картографической информацией необходимо выделить минимальную структурную единицу — элементарный объект (ЭО). Под ЭО будем понимать картографическую информационную совокупность сведений, состоящую из признака, данных о местоположении (метрическую часть объекта) и количественную и качественную характеристики описываемого объекта (семантическая часть объекта). В этом смысле ЭО является элементарной единицей данных, дальнейшее структурное расчленение которой невозможно. ЭО является элементом, который в соединении с другими аналогичными элементами создает более сложные информационные совокупности.

Признак характеризует качество описываемого объекта, тем самым индивидуализирует ЭО. Отдельно взятый признак картографического смысла не имеет и применяется с данными о местоположении и характеристиках объекта.

Данные о местоположении функционально предназначены для количественной характеристики описываемого объекта в пространстве и являются числовой величиной, полученной в результате измерений или вычислений. Поэтому отдельно взятые данные о местоположении картографического смысла также не имеют и применяются лишь в сочетании с признаками.

Характеристики предназначены для количественной оценки описываемых показателей объекта. Отдельно взятые характеристики картографического смысла не имеют и применяются с признаками и данными о местоположении.

Информационная совокупность, включающая признаки, данные о местоположении и характеристики, образуют картографические данные (документы), т. е. сложное информационное образование, имеющее определенную структуру с вхождением одних ЭО в другие, соподчинением или независимостью ЭО.

Картографические данные (документы), используемые в ГИС, могут иметь содержание и форму представления в зависимости от задач, решаемых в автоматизированной системе управления.

Картографические данные создаются из различных источников информации о Земле.

Важным вопросом для создания ИО является классификация информации и установление ее количественных характеристик.

Теоретически информацию, циркулирующую в любой ГИС, можно классифицировать по различным признакам: степени обработанности, способу отображения данных, отношению к процессу обработки, стабильности и многим другим.

По степени обработанности картографическая информация подразделяется на первичную и вторичную (производную). Первичная возникает на начальной стадии процесса сбора данных о местности и отражает состояние объектов местности или процесса управления во времени. Вторичная получается в результате обработки первичной картографической информации и может быть промежуточной или результатной.

Промежуточная информация содержит предварительные результаты расчета количественных данных, используемых в качестве исходных для создания картографических данных.

Результатная информация получается в процессе обработки первичной или первичной и промежуточной информации и используется в ГИС при управлении и принятии решений.

По способу отображения данных картографическая информация подразделяется на графическую и текстовую.

По отношению к процессу обработки можно выделить обрабатываемую и необрабатываемую информацию.

По стабильности картографическую информацию можно подразделить на текущую или постоянно изменяющуюся, и условно постоянную или просто постоянную.

В процессе создания ПО возникает необходимость установления количественных характеристик информации для определения величин потоков информации во времени, выявления наибольших информационных нагрузок, выбора наиболее рационального варианта создания информационных массивов, их хранения и другого. Объем информации, в зависимости от назначения, может выражаться числом номенклатурных листов, картографических объектов, алфавитно-цифровых или графических знаков или числом двоичных разрядов (бит).

Картографическая информация, обладая специфическими свойствами, может использоваться не только в АСУ, но и в технических средствах управления.

В условиях автоматизации весь комплекс операций над картографическими данными выполняется с использованием технических средств, в результате чего стало реальным создание ГИС АСУ, основу которой составляют информационные массивы с записью данных на машинных носителях.

Интегрированную ГИС АСУ можно определить как систему, в которой картографическая информация подвергается обработке по единой схеме на основе единых для различных задач исходных и нормативных данных.

Создание и поддержание в рабочем состоянии массивов данных, содержащих полную и точную информацию об объектах местности, позволяющих своевременно получать всю необходимую результатную картографическую информацию для принятия управляющих решений, является целью проектирования ИО ГИС.

Проектирование ИО ГИС должно обеспечивать:

• своевременность сбора информации об объектах местности и передачу информации для обработки;

• высокую достоверность данных;

• необходимую и достаточную точность картографической информации;

• передачу требуемой информации потребителям в строго определенном режиме и в заданные сроки;

• полное отражение в информационных массивах состояния картографических объектов по всем характеристикам без необоснованной избыточности данных;

• применение совершенных носителей и способов записи, получения, обработки и контроля картографической информации с использованием современных технических средств;

• использование унифицированной системы нормативно-правовой документации и документооборота;

• рациональную организацию технологических процессов, обеспечивающих необходимую эффективность работы технических средств на всех этапах обработки картографических данных.

Новым, наиболее мощным средством повышения эффективности применения АСУ и ГИС, является Система электронных карт, создаваемая с 1992 года.

Система электронных карт представляет собой совокупность электронных карт, объединенных общим замыслом, упорядоченную и согласованную по масштабам, системам координат, содержания и условным знакам. Она формируется в векторном и растровом виде на оптических дисках или других машинных носителях программными и техническими средствами с использованием существующих карт, космических снимков, текстовой (справочной аудио — и видеоинформации) и других источников информации о местности.

Основные преимущества электронных карт перед обычными бумажными картами состоят в том, что электронные карты обеспечивают возможность в реальном времени отображать любой участок местности с любой степенью детализации и необходимой точностью, получать справки о местности, наносить и корректировать специальную информацию, решать многочисленные расчетные и информационные задачи и отображать результаты и их решения на картографическом материале.

Для описания содержания, качества (точность, полнота, достоверность и современность) и других характеристик электронных карт, а также данных геодезической, гравиметрической, фотограмметрической информации, используемой при создании и применении электронных карт, служат метаданные электронных карт.

§ 2. Структура ГИС и ее информационное обеспечение

При разработке ИО ГИС учитываются общие свойства систем: система представляет собой набор определенных компонентов; составные компоненты логически взаимосвязаны между собой и системой в целом. Наряду с общими свойствами ГИС, необходимо учитывать ее специфические особенности:

• общее предназначение ГИС в АСУ и ее отдельных подсистем;

• сложная модель и структура ГИС;

• наличие большого количества составных элементов, взаимосвязанных между собой потоков посредством данных;

• функционирование ГИС в условиях взаимодействия с внешней средой;

• гибкость структуры и алгоритмов управления данными на всех уровнях;

• наличие специалистов (операторов) в качестве элемента управления и взаимодействия его с ГИС в процессе выполнения функций управления.

Проектирование ИО является ответственным и сложным этапом при создании ГИС в любой АСУ. При этом изучаются и анализируются потоки картографической информации, формулируются пользовательские задачи, соответствующие задачам управления, определяются потребности в геоинформации для их решения.

Информационное обеспечение проектируемой ГИС должно включать всю совокупность картографических данных, образующихся в этой системе.

В зависимости от предназначения, в любой ГИС можно выделить функциональные и обеспечивающие подсистемы, которые способствуют развитию и эффективному использованию системы в целом и отдельных ее частей.

Функциональные подсистемы ГИС могут быть представлены в следующем составе: управления базами данных (СУБД); накопления и обработки; анализа; оперативного отображения данных. К обеспечивающим подсистемам относятся: информационное, математическое, лингвистическое и техническое обеспечение. Комплекс обеспечивающих подсистем информационного, математического, лингвистического и технического — должен поддерживать нормальное функционирование информационных потоков в ГИС, включающих сбор (получение), обработку и передачу картографических данных.

Подсистема информационного обеспечения является важнейшей. Без нее не может функционировать ГИС. Она включает всю совокупность информации, циркулирующей в ГИС, обеспечивает процесс ее сбора (получения), обработки и передачи, а также служит основой информационной связи с внешней средой.

Подсистема математического обеспечения включает все многообразие математических методов, моделей и алгоритмов обработки пространственных данных, а также комплектов типовых и стандартных программ и процедур, реализующих на ЭВМ решение задач для всех функциональных подсистем ГИС.

Подсистема технического обеспечения представляет собой комплекс технических средств сбора (получения), передачи, обработки, хранения и накопления, отображения и выдачи картографической информации.

Подсистема лингвистического обеспечения включает совокупность формализованных языковых средств и средств управления ГИС, обеспечивающих взаимодействие ее подсистем и оператора.

Информационное обеспечение современных геоинформационных систем состоит из следующих основных компонент:

• система основополагающих понятий и определений картографических данных;

• система классификации и кодирования картографических данных;

• система цифрового описания и хранения данных на машинных носителях;

• система нормативно — правовой и технологической документации (данных);

• массивы картографической и специальной информации.

Содержание ИО конкретной ГИС зависит от ее назначения и решаемых функциональных задач.

Информационные связи в ГИС реализуются в процессе сбора (получения), регистрации первичной информации, подготовки входных массивов, передачи данных, накопления, хранения и обработки информации, выдачи ее пользователям, выпуска выходных документов, используемых для выработки управляющих решений (рис. 1).

Современные информационные технологии рассматривают технологические процессы как комплекс последовательных преобразований первичной и промежуточной информации в результатную с их контролем и фиксацией на машинных носителях с помощью технических средств. В процессе таких преобразований информация изменяет свои количественные и качественные показатели в зависимости от потребителя результатной информации.

Глава 2

Проблемы разработки информационного обеспечения ГИС

§ 1. Классификация и кодирование картографической информации

При разработке ИО ключевое значение приобретает проблема классификации и кодирования элементов картографической информации. Не имея надежной системы классификации и кодирования, нельзя эффективно решать вопросы стандартизации цифровых данных, сокращения объемов данных, рациональной организации массивов, эффективного управления базами данных, информационной безопасности.

Под классификацией понимается совокупность правил распределения заданного множества картографических объектов на подмножества в соответствии с установленными признаками их сходства или различия. Цель кодирования состоит в том, чтобы представить картографическую информацию в цифровом виде в более компактной и удобной форме, которая позволит обеспечить решение задач в ГИС.

Порядок и правила кодирования картографических элементов устанавливаются системой кодирования. Совокупность условных обозначений, построенная по определенной системе кодирования, называется кодом.

В широком смысле слова коды можно определить как систему условных обозначений. При создании информационного обеспечения ГИС большое внимание уделяется построению кодов, которые используются для обозначения картографических элементов.

Перечень всех позиций (элементов) какой-либо совокупности, равнозначных в отношении друг к другу и упорядоченных в рамках перечня, составляет номенклатуру признака, например, номенклатуру картографических элементов гидрографии, значений количественных характеристик объектов местности и др.

При машинной обработке данных каждая позиция номенклатуры должна быть представлена в виде кодового обозначения, кодового слова, а номенклатура в целом — в виде кода.

Необходимость эффективного кодирования возрастает по мере развития ГИС и ее приложений к АСУ. Правильно и рационально построенные коды в значительной степени влияют на эффективность ГИС.

Применение кодов существенно облегчает группировку информации, ее поиск в базах данных, анализ ее содержания и вообще использование при решении пользовательских задач.

Значение правильно разработанных кодов особенно возрастает в условиях создания автоматизированных систем управления и единого банка картографических данных. Применение картографической информации в различных по назначению АСУ требует унификации и согласования всех применяемых классификаций в единую систему кодирования картографических данных, которая явится составной частью информационного обеспечения ГИС и информационного обеспечения АСУ в целом.

На практике сложились следующие системы кодирования: порядковая, серийная, разрядная, система повторения и комбинированная.

Порядковая система применяется для кодирования однопризначных, устойчивых и простых характеристик: категорий дорог, рек, видов картографических объектов, значений высот, глубин, единиц измерений и др.

Серийная система служит для кодирования двухпризначных характеристик, например, виды покрытия дорог, типы лесов и т. п.

Разрядная (позиционная) система применяется для кодирования сложных объектов. При этой системе каждому классификационному признаку отводится определенное число разрядов, которое зависит от количества предметов кодируемого множества. В основе любой разрядной системы лежит иерархическая классификация, которая рассматривается как семантическая система. Она базируется на разделении всех признаков на взаимоисключающие друг друга группы по классификационным признакам до самого нижнего уровня. Наиболее сложным при разработке системы классификации является выбор признаков классификации и определение порядка их следования. В процессе создания классификации выполняется анализ всех признаков объектов и выделяются наиболее информативные признаки из общей совокупности, имеющей наибольшую вероятность распределения с учетом их весовых характеристик, исходя из назначения ГИС, характера решаемых задач и других.

Крайне важно определить, что положить в основу классификации на нижнем уровне. Анализ картографических данных показывает, что в качестве такого уровня можно предложить понятие картографического объекта или элементарного объекта, являющегося минимальной единицей картографических данных.

Построение кода по разрядной системе позволяет выделить каждый классификационный признак, обеспечить стройность и логичность всей системы, удобства машинной обработки информации. Недостаток разрядной системы в том, что при незначительном превышении емкости разряда приходится увеличивать разрядность кода. Разрядная система используется для кодирования признаков картографических объектов как элементарных объектов.

При кодировании по системе повторения в коды позиций включаются цифровые или буквенные обозначения, непосредственно характеризующие данный картографический объект (значение высоты, ширины дороги и т. д.).

При комбинированной системе осуществляется кодирование одновременно по нескольким вышеупомянутым системам. Ввиду многопризначности картографических объектов при их кодировании целесообразно использовать комбинированную систему кодирования.

Выбор системы кодирования зависит от ряда факторов и, прежде всего, от числа позиций группы и классов картографических объектов, степени их устойчивости, системы записи на машинных носителях и др. В принципе, система кодирования должна соответствовать количественной мере информации, содержащейся во всей совокупности картографических объектов. В этом смысле оптимальной будет та система кодирования, в которой разрядность кодов будет определяться величиной энтропии картографических объектов.

Поэтому разработке системы кодирования предшествует большой объем работ по классификации картографических объектов.

Исходным и очень важным при проектировании кодов является определение перечня всех подлежащих кодированию картографических объектов и их количественные характеристики. Эта работа проводится на стадии обследования картографических объектов в результате изучения первичной информации об объектах местности (топографические карты, фотоматериалы, описание местности, нормативные документы и т. д.).

Исчерпывающие данные об объектах местности позволяют установить перечень позиций по признаку объекта, данных о его местоположении и количественных характеристик самого объекта. Такую систематизацию выполняют специалисты различных топографических специальностей.

При систематизации объектов классифицируемого множества выбирают наиболее важные основания классификации, определяют комплекс классификаторов, для каждого из которых устанавливается сфера его действия.

Классификатор представляет собой некоторый документ, который отображает закон разбиения множества картографических объектов на группы, классы, подклассы и т. д. и позволяющий одновременно производить кодирование признаков объектов.

После систематизации объектов выбирается определенная система кодирования и каждому признаку объекта присваивается кодовое обозначение. Затем осуществляется проверка правильности кодирования, устранение замеченных недостатков и оформление кодов в виде таблиц, справочников и альбомов, которые рассылаются во все производственные предприятия.

Кроме того, производится разработка положений о внесении изменений и дополнений, определяются лица (подразделения), ответственные за внесение различных изменений в систему условных обозначений и доведение изменений до соответствующих подразделений (потребителей), разрабатываются инструкции пользования классификационными справочниками и кодами.

При построении кодов учитывается ряд требований. Прежде всего, коды должны включать все картографические объекты. Длина кода должна учитывать возможность расширения списка объектов без нарушения целостности принятой системы кодирования. Коды должны быть минимальными по разрядности. Это уменьшает трудоемкость процесса обработки и его контроль, сокращает объемы памяти на машинных носителях.

При кодировании должно обеспечиваться удобство обмена информацией и ее машинной обработки. Для обеспечения высокой достоверности сбора, передачи и обработки информации в коде может предусматриваться включение контрольных разрядов. Коды должны также обеспечивать автоматическое обнаружение ошибок и их коррекцию.

В настоящее время при проектировании ГИС в каждом отдельном случае используются свои коды объектов. Однако имеются некоторые общие подходы, которые состоят в следующем.

При систематизации объектов критерием объединения их классификации в отдельные группы служит степень связанности их информационных показателей — признаков, характеризующих объекты. Это обеспечивает размещение каждого объекта в соответствии с его значением на определенном уровне в общей логической структуре.

На нижнем уровне классификации принимают элементарный объект, классификационный код которого определяется ведущим признаком. Вместе с этим, каждый элементарный объект содержит определенный набор характеризующих его признаков, которые не могут быть использованы в качестве признаков классификации. Их число и смысловое значение зависит от конкретного объекта. Совокупность указанных признаков условно можно разделить на признаки, содержащие данные о местоположении объектов, и признаки, определяющие количественное значение измеренных или вычисленных величин о свойствах объекта. Данные о местоположении (метрические) включают значения, по которым легко определяются положения объекта непосредственно на местности в виде плановых координат (геодезических и прямоугольных) и его высоты.

Характеристики объекта составляют признаки, по которым восстанавливаются данные о типе объекта (линейно протяженный, площадной или компактно расположенный, точечный) и его материальные свойства.

Кодирование классификационных признаков производится с использованием позиционной системы.

В то же время, при кодировании признаков характеристик объектов используются порядковая или серийная системы, а при кодировании количественных и качественных значений самих признаков и местоположения объекта используется система повторений. Выбор системы кодирования зависит от значений признаков конкретного объекта.

В настоящее время во многих ГИС принята система классификации, имеющая 8 разрядную систему признаков, в которой первый разряд обозначает группу, второй и третий — класс, четвертый и пятый — подкласс, шестой — тип, седьмой и восьмой — вид.

К группам относятся следующие картографические объекты:

• математические элементы, элементы плановой и высотной основы;

• рельеф суши;

• гидрография и гидротехнические сооружения;

• населенные пункты;

• промышленные, сельскохозяйственные и социально-культурные;

• дорожная сеть и дорожные сооружения;

• растительный покров и грунты;

• границы, ограждения и отдельные природные явления.

Дополнительной группой являются объекты «Подписи на картах».

В основу классификации характеристик объектов положен принцип объединения признаков, характеризующих смысловое значение конкретных физических свойств отдельных картографических объектов. Характеризующие признаки определяются их смысловым значением, соответствующим количественной стороне объекта. При кодировании признака, характеризующего объект в количественном аспекте, в кодовое описание объекта включается непосредственное значение количественной характеристики (высота, глубина и т. п.).

При разработке системы кодирования конкретной ГИС необходимо также учитывать способность кодов определять и исправлять ошибки, возникающие в результате процесса обработки и передачи данных по каналам связи. Особенно это важно в условиях преднамеренного информационного противоборства.

§ 2. Первичные документы картографической информации

Состояние картографического объекта в ГИС отражается на различных носителях данных — первичных документах и машинных носителях (магнитных, магнитно-оптических и др.). При создании информационного обеспечения ГИС особое внимание следует обратить на выбор носителя информации и способ ее записи и хранения, которые имеют определяющее значение при дальнейшем построении ГИС.

Под первичными документами картографической информации будем понимать носители исходных данных и средства фиксаций измерений, съемок и др., содержащих данные о местности и ее объектах при непосредственной регистрации. От правильной и тщательно выбранной или разработанной формы и содержания первичного документа во многом зависит сокращение объемов работ по подготовке первичных данных и дальнейшей записи их на машинные носители, уменьшение числа возможных ошибок, повышение точности и надежности исходной информации. Четкое построение документов и данных, унификация и упрощение различных их форм способствует сокращению цикла обработки информации и позволяет организовать эффективное функционирование геоинформационной системы. Поэтому при разработке информационного картографического обеспечения ГИС в первую очередь выполняется проектирование первичных документов картографической информации.

В настоящее время в качестве источников картографической информации, с которых может быть выполнено кодирование или цифрование данных, используются:

• аналоговые (бумажные) топографические и специальные карты (цветные тиражные оттиски и черно-белые издательские оригиналы планов городов, топографических и тематических карт);

• материалы полевых съемок и измерений на местности (измерения геодезическими приборами, системами спутниковых определений);

• материалы дистанционного зондирования Земли (аэро- и космическая съемка).

Наиболее пригодными и не требующими большой подготовительной работы перед цифрованием являются карты или расчлененные оригиналы карт. Однако, по определению, бумажные топографические карты, являясь условным отображением местности на твердой основе, наряду с большими достоинствами имеют и большие недостатки. Основные из них — быстрое старение, ограниченная точность и достоверность картографических данных. Недостатки бумажных карт обусловлены существующей технологией их создания, подготовки к изданию и тиражирование.

При полевых съемках информация об объектах является самой достоверной и точной. Однако огромная трудоемкость процесса полевых съемок резко ограничивает ее применение для картографирования больших и недоступных территорий.

Наиболее широко в настоящее время нашли применение для получения картографической информации материалы дистанционного зондирования Земли. Вместе с этим, пока еще в качестве источника информации используется аналоговая топографическая карта. На основе указанных материалов формируются первичные данные (документы).

Одним из главных требований, предъявляемых к первичным данным, является определенная последовательность структурирования данных, получаемых из источников информации. Целесообразен следующий порядок:

• справочные постоянные данные (общие параметры о Земле, системах координат и т. п.);

• справочные переменные данные (параметры конкретных картографических объектов);

• данные о местоположении объектов (метрические);

• данные о характеристиках объектов (семантические).

При разработке первичных данных большое внимание необходимо уделить вопросам формализации процессов формирования исходной информации. Для этого исходная информация описывается с указанием идентификаторов, присвоенных конкретным объектам. При этом формируются логические взаимосвязи между объектами, их соподчиненность и т. д.

Важным требованием, которое должно быть учтено при проектировании первичных данных, обрабатываемых с помощью компьютеров, является исключение из них справочных общеизвестных данных, а также производных показателей, получаемых в результате обработки. Это требование можно определить как минимизация содержания первичных информационных данных.

В условиях машинной обработки данных важным требованием, предъявляемым к первичным данным, является их унификация. Данные, отражающие однородные свойства, должны иметь определенный состав объектов и одинаковую, строго определенную последовательность их размещения на входных носителях.

Унификация является важной предпосылкой для рациональной организации в ГИС систем передачи данных, а также автоматизации многих управленческих функций.

В связи с разработкой ГИС в АСУ глобального уровня большое значение приобретают типизация первичных данных с учетом принципа оптимизации исходной информации. Унифицированные данные, применяемые в различных ГИС, должны содержать информацию, обеспечивающую сопоставимость и совместимость данных, обрабатываемых в различных АСУ.

При проектировании форм первичных данных учитывается носитель исходной информации и принцип ввода ее в ГИС.

Проектированные первичные документы должны содержать минимальный, но достаточный объем исходных данных, необходимых для получения максимальной результатной информации, используемой в ГИС и АСУ для управления и принятия решений. Первичные данные должны содержать современную и достоверную информацию о состоянии картографических объектов по всем признакам и параметрам.

При проектировании первичных документов, прежде всего, выявляются объекты, намеченные для классификации по каждой группе, классу и т. д. Состав объектов первичных данных зависит от перечня задач ГИС и специфики АСУ, в которой функционирует ГИС.

При создании ИО ГИС, наряду с разработкой конкретных форм носителей информации, большое внимание должно уделяться проектированию потоков информации в ГИС. Отражая существующие потоки информации в процессе функционирования ГИС, перечни всех функциональных подсистем, взаимосвязь подсистем в процессе работы ГИС, а также сами процессы решения пользовательских задач в управлении, информационная модель позволяет не только критически рассмотреть функционирование каждой подсистемы в целом, но и перейти к построению новой информационной модели и ее фрагментов на уровне пользовательских задач и отдельных показателей. В качестве варианта для этого может быть использован матричный метод анализа с построением графа задач, включаемых для решения во вновь создаваемой ГИС. Построенный таким образом граф представляет собой совокупность всех задач в геоинформационной системе и подлежит упорядочению. Это позволяет установить обоснованную последовательность решения задач, состав баз данных ГИС, структуру расчета результатных данных, а также выявить перечень задач, решение которых возможно на базе только первичной (исходной) информации или совокупности первичной и производной информации. При необходимости эта информация может обобщаться по функциям управления, представляться в виде функциональных блок-схем ее движения в сочетании с процессами функционирования ГИС.

Имея по каждой подсистеме несколько функциональных схем, можно провести анализ взаимосвязи между потоками, обслуживающими разные функции. Исключив дублирование и совместив потоки, важно добиться минимизации необходимого объема информации.

§ 3. Массивы картографической информации

При разработке информационного обеспечения ГИС большое внимание уделяется проблеме создания массивов картографической информации.

Массивы информации, хранящиеся на машинных носителях, можно классифицировать следующим образом. Так, в зависимости от вида фиксируемой на них информации, они подразделяются на первичные, промежуточные и постоянного хранения.

Первичные массивы содержат информацию о состоянии картографических объектов или процесса, зафиксированную в исходных данных, документах, системах сбора и регистрации данных о местности, поступивших непосредственно по каналам связи и т. п.

Промежуточные массивы содержат производную информацию, полученную в результате обработки первичных данных и предназначенную для последующего хранения и использования при решении пользовательских задач ГИС. Использование промежуточных данных позволяет значительно уменьшить объемы информации, подлежащие обработке в ГИС и постоянному хранению в банках данных, а также ускорить процесс решения задач пользователя.

В зависимости от процесса обработки информации в ГИС массивы данных, хранящиеся на машинных носителях, можно подразделить на переменные, постоянные и служебные. Массивы переменной информации, как правило, содержат текущую информацию, используемую в ГИС. Обычно их называют рабочими данными.

Массивы постоянной информации содержат данные, остающиеся неизменными в течение длительного периода времени и, в отличие от переменных, будучи однажды созданы, многократно используются в ГИС и при решении пользовательских задач. Постоянные массивы составляют основу баз картографических данных.

При организации массивов постоянной информации не меньшее внимание необходимо уделять определению их содержания и построения, а также правильному хранению и ведению картографической информации, своевременному обновлению. Рациональная организация обеспечивает удобство обработки и обновления при минимальных затратах, связанных с их созданием.

Помимо массивов переменной и постоянной информации, в ГИС создаются служебные массивы, которые, как правило, не содержат исходных данных, а выполняют вспомогательную роль в процессе функционирования ГИС. Служебные массивы содержат и программное обеспечение ГИС.

Информация на машинных носителях располагается в определенном порядке и строго структурирована. Структура данных определяется форматом, под которым понимается строго определенная последовательность размещения данных, записанных в соответствующем коде.

Построение форматов машинных носителей информации должно отвечать следующим общим требованиям:

• информация располагается в последовательности, соответствующей ее обработке в ГИС;

• в начале формата размещаются данные, постоянные для отдельного объекта, а затем переменные признаки объекта;

• в формате машинных носителей не следует помещать данные, не используемые для последующих разработок;

• в форматы машинных носителей, предназначенных для регистрации исходных данных первичной информации, не должны включаться данные, содержащиеся в массивах условно постоянной информации;

• размещение данных в форматах должно осуществляться с учетом специфики машинного носителя и их последующей обработки.

Построение форматов машинных носителей ГИС осуществляется в следующем порядке.

Прежде всего, устанавливается перечень форматов машинных носителей информации, определяется их содержание и порядок размещения элементов записи, производится согласование форматов между собой и с первичными данными. Содержание и структура массивов переменной и постоянной информации во многом определяется перечнем решаемых задач и содержанием выходных данных, используемых для анализа, планирования и управления ГИС.

В настоящее время в каждой ГИС разрабатывается, как правило, несколько форматов: внутренней обработки и хранения, приема и передачи (обменные).

Важным элементом проектирования является построение схем согласования форматов. Согласование и унификация форматов позволяют организовать совместную обработку различных массивов данных, обеспечивают максимальное удобство при разработке приложений ГИС и др.

При создании массивов постоянных данных большое внимание уделяется выбору машинного носителя. Вид носителя зависит от ряда факторов: обеспечения высокой надежности и высокой достоверности данных, возможности организации эффективной выборки, удобства их обновления и др.

К машинным носителям картографической информации относятся такие носители, которые обеспечивают автоматический ввод данных в компьютеры, их накопление и хранение практически в неограниченном объеме и длительное время. На сегодня основными носителями являются дискеты, магнитные, оптические и магнитно-оптические диски, пьезоэлектрические накопители и др. Выбор конкретных машинных носителей зависит от многих факторов. Основные из них — круг решаемых задач, виды и объемы обрабатываемой информации, сроки ее хранения и использования, степень автоматизации процессов сбора, обработки и передачи данных.

§ 4. Формы отображения и передачи картографической информации

Одной из проблем создания информационного обеспечения ГИС является проектирование форм отображения и передачи картографической информации и результатов пользовательских расчетов. Современные компьютеры обладают значительными техническими возможностями для отображения и передачи результатной картографической информации в виде, удобном для использования в процессе управления и обеспечивающем эффективность работы как человека, так и АСУ. Результаты расчетов, записанные на внешние носители, легко воспринимаются входными устройствами компьютеров других систем.

В зависимости от целей использования, картографическая информация может быть представлена в виде алфавитно-цифровой печати, графиков или графических изображений. Конкретная форма отображения определяется пользователем. Проектирование форм результатной картографической информации должно обеспечить эффективность работы человека, использующего информацию и результаты расчета при принятии управленческих решений и для обеспечения нормального хода технологического процесса на производстве, а также в автоматических системах управления различными устройствами.

В настоящее время наиболее массовой формой отображения картографической информации в ГИС является визуализация ее на средствах машинной графики. В последнее время с развитием АСУ различного назначения, в составе которых находятся ГИС, приобретает большое значение форма представления картографической информации для передачи по каналам коммуникационных сетей. И, наконец, не менее важной формой отображения и представления является форма, удобная для работы технических устройств, систем автоматического управления летательными аппаратами, судами, самоходными машинами и т. п.

Проектирование формы отображения при визуализации картографической информации в ГИС на средствах машинной графики осуществляется в несколько этапов.

Первая часть работы требует детального анализа всех характеристик и решаемых задач ГИС, для которой ведется проектирование. Целью такого анализа является, во-первых, выявление всех необходимых показателей ГИС (качественных и количественных показателей и по назначению) и, во-вторых, установление возможно более широкого круга задач, решаемых в автоматизированном режиме пользователями ГИС. Эта работа начинается уже во время изучения при проектировании самой ГИС, основная ее часть производится при анализе данных обследования. На стадии проектирования содержания, типов и форм носителей первичной и последующей картографической информации этот вопрос должен быть решен, так как состав исходных данных уже предопределит возможный перечень форм отображения.

При проведении анализа и выбора форм отображения необходимо учитывать: требования пользователя к составу отображаемой картографической информации; высокую наглядность изображений, учитывающую психофизические возможности пользователей; эксплуатационные возможности средств машинной графики для визуализации в требуемой форме; трудоемкость отображения и передачи; скорость отображения и передачи; сложность структуры подготовки отображения; массовость отображения и т. п.

Следующим этапом является разбивка всей совокупности отображаемых объектов картографической информации на отдельные группы в соответствии с принципами структурирования отображения, намеченными в процессе проектирования ГИС, и определение содержания визуализации.

Вопрос о последовательности визуализации объектов решается после того, как установлено, какие из них одинаково важны при отображении, какие объекты имеют большую информативность и т. п.

В процессе определения содержания при визуализации выявляются объекты, которые должны отображаться, исходя из основного назначения ГИС. Но не только назначение ГИС и требования потребителей должны учитываться при включении в визуализацию, большое значение имеет правильное использование результатов расчета пользовательских задач.

После установления круга картографических объектов и последовательности их визуализации решается вопрос о форме и способах визуализации этих объектов на средствах машинной графики.

В настоящее время существует несколько подходов к выбору формы визуализации картографических данных.

Первый подход основан на максимально возможном приближении формы визуализации к форме отображения на аналоговой (бумажной) карте. Для пользователя необходимо, чтобы цветовое и графическое оформление электронных карт предельно соответствовало условным знакам традиционных карт. В настоящее время средства машинной графики, в том числе графические дисплеи компьютеров, позволяют достичь практически абсолютного сходства с бумажной картой.

Второй подход имеет в основе своей такую форму визуализации, которая максимально приближается к содержанию решаемых задач в ГИС и при которой не ставится задача добиться максимального сходства отображения на технических средствах визуализации и аналоговой (бумажной) карте.

Существует также подход, при котором ставится задача представления картографических данных для последующей обработки на технических средствах, например, множительных устройствах, устройствах вывода на аналоговые носители и т. д.

Выбор способов визуализации картографической информации определяется спецификой функционирования самого средства машинной графики, требованиями скорости отображения, объемом отображаемой информации и другими требованиями пользователей ГИС.

Проектирование форм и способов визуализации определяется также и наличием в распоряжении существующих в системах разработки библиотек программ для получения картографического изображения. Если желательная форма изображения не подходит ни под одну из имеющихся в библиотеке форм, требуется тщательное индивидуальное программирование новой формы (знака). Простые формы и знаки, например, линии, программируются довольно легко. Однако гораздо сложнее правильно выбрать условные знаки сложной конфигурации, масштаб и дать подписи в нужных местах. Особенно сложно программирование воспроизведения картографических объектов со сложной топографической структурой, которые, как правило, чаще всего и составляют основу картографических данных.

При проектировании формы передачи картографической информации по коммуникационным сетям, сетям между АСУ в первую очередь обращается внимание на разработку такого формата, который удовлетворял бы требованиям и сетевого оборудования, и тех ГИС, которые соединены в единую геоинформационную сеть. Различные ГИС могут иметь и разное информационное картографическое обеспечение. Поэтому еще на этапе анализа выполняется согласование форматов ГИС и выработка формата обмена. При проектировании форматов обмена учитываются: объемы картографических данных, предназначенных для передачи; скорость передачи; степень надежности работы канала связи. Немаловажным требованием к форматам передачи является требование доступности принимаемой ГИС к передаваемым данным. Вместе с этим, при проектировании форм передачи необходимо уделить большое внимание помехозащищенности картографической информации и ее информационной безопасности.

Во многих ГИС обменный формат представляется в виде последовательности массивов цифровой информации, организованных в соответствии с функциональным назначением цифровых данных. Основной структурной единицей является сегмент данных. Основными компонентами обменного формата являются сегменты:

• начальной информации;

• каталога обмена;

• картографических данных;

• дополнительных данных (метаданных);

• словаря данных;

• контрольных данных.

Наличие первых двух сегментов в файлах обменного формата, как правило, является обязательным. Остальные сегменты и записи могут включаться в обменный формат при необходимости.

Глава 3

Технология создания информационного обеспечения ГИС

§ 1. Выбор структуры и состава технических средств ГИС

При создании ГИС различного назначения в обеспечивающих подсистемах, кроме информационного обеспечения, важное значение имеют математическое, лингвистическое и техническое обеспечения.

Разработка технического обеспечения ГИС предусматривает максимальное использование комплекса технических средств. Выбор технических средств ГИС производится на основании анализа самой ГИС, ее функциональной структуры, перечня решаемых задач и их информационных характеристик, технико-эксплуатационных характеристик технических средств, вариантов технологических процессов обработки данных с учетом требований, связанных с обеспечением надежности и возможности развития ГИС, а также ограничений и условий, накладываемых на ГИС. С помощью комплекса технических средств реализуются логико-математические методы управления и использования ГИС и алгоритмы преобразования информации.

Комплекс технических средств в ГИС должен обеспечивать:

• решение всей совокупности функциональных задач, определяемых ГИС;

• своевременное получение, обработку и хранение, а также передачу информации для всех подсистем АСУ и других пользователей;

• подготовку и передачу необходимой информации в ГИС или АСУ более высокого ранга управления;

• достоверность получения, передачи и переработки информации;

• решение как периодических, так и разовых пользовательских задач в заданные сроки;

• эффективное функционирование ГИС в соответствии с определенными критериями эффективности.

Выбор технических средств ГИС осуществляется в несколько этапов. Прежде всего, на основе анализа системы и ее информационной модели определяются основные факторы, влияющие на выбор технических средств, разрабатываются технические требования к ним, устанавливаются критерии эффективности ГИС и осуществляется построение ряда вариантов структур комплексирования технических средств с учетом их номенклатуры и технических характеристик, производится анализ основных структур комплекса и взаимосвязи между различными элементами, а затем выбор вариантов с учетом ограничений и частных критериев эффективности. Далее определяются обобщенные параметры комплекса технических средств, осуществляется построение с учетом общего критерия эффективности ГИС.

Рассмотренные этапы выбора технических средств присущи для всех ГИС. Определение средств для каждой конкретной ГИС базируется на использовании количественных и объемно-временных характеристик геоинформационной системы.

При выборе комплекса технических средств целесообразно предусмотреть следующие средства:

• получения (сбора и регистрации) и передачи информации на расстояния;

• переноса данных с аналоговых первичных документов на машинные носители, а также для передачи с одного вида носителя на другой, обеспечивающий наиболее эффективный ввод в ЭВМ;

• предварительного формирования данных до ввода в компьютеры;

• ввода и обработки информации по заданным алгоритмам, а также ее хранение и накопление;

• отображения и вывода результатов обработки, передачи информации потребителям;

• копировально-множительной техники и подготовки выходных документов;

• диспетчеризации и регулирования процесса управления ГИС.

Информационная модель комплекса технических средств строится в виде обобщенного графа технических средств, который отражает способы выполнения технологических операций. При выборе конкретных технических средств каждая вершина графа может быть заменена несколькими вершинами, соответствующими конкретным устройствам, а любая дуга графа указывает направление передачи информации между вершинами.

В соответствии с учетом конкретных количественных характеристик ГИС и организационно-технических вариантов технологических процессов, строится конкретный вариант комплекса технических средств ГИС.

§ 2.Технологические процессы создания информационного обеспечения ГИС

При создании информационного обеспечения ГИС проблема проектирования технологических процессов обработки и картографической информации приобретает первостепенное значение.

Тенденции только одной замены менее совершенных вычислительных средств более совершенными существенно не сокращает сроки решения задач, почти не влияет на повышение достоверности информации, глубину и комплексность ее разработки. Сохранение большой избыточности и дублирования, параллельных потоков данных, неудобных форм представления информации, трудоемких процессов и др. не позволит даже самой совершенной ЭВМ существенно повысить эффективность функционирования ГИС. Поэтому необходима коренная перестройка не только процесса вычислений, но и всех технологических процессов, начиная от сбора и регистрации первичных (исходных) данных, их передачи и последующей обработки и, кончая выдачей результатной картографической информации, используемой в работе пользовательских задач, в выработке управляющих решений и других приложений ГИС. При этом важно обеспечить непрерывное прохождение информации по всем этапам процессов, а также комплексное использование информации, однажды введенной в ГИС, для многих задач.

В настоящее время в качестве технических средств машинной обработки данных и информации в ГИС широко применяются электронные вычислительные машины (компьютеры), вычислительные системы, рабочие вычислительные станции с развитой внешней периферией. В качестве периферийных устройств используются дигитайзеры, сканерные устройства ввода, электронные приемники, графические плоттеры, устройства вывода на твердые основы и многое другое. Все эти устройства совместно с компьютерами составляют единую технологическую цепочку. Поэтому при проектировании технологической схемы обработки данных в условиях ГИС необходимо определить, в первую очередь, с помощью каких средств вычислительной техники возможно и целесообразно выполнение отдельных технологических процессов и технологии в целом.

Алгоритмы преобразования информации разрабатываются таким образом, чтобы обеспечивалось комплексное многократное использование одних и тех же выходных данных для различных расчетов в ГИС.

Разрабатывая технологический процесс обработки информации, одновременно проектируют всю систему получения, сбора, переработки и передачи данных, моделируют и увязывают отдельные звенья между собой.

При проектировании технологий получения и сбора картографических данных должны быть учтены источники информации о местности. В настоящее время в качестве источника могут быть использованы непосредственные измерения на местности, материалы дистанционных измерений и зондирования Земли или аналоговые картографические документы.

Все множество технологий картографической обработки можно разделить на технологии получения данных о местности и геоинформационные технологии. Первая группа, по существу, включает технологии кодирования картографических документов по первичным источникам. Информационные технологии имеют дело, прежде всего, с картографической информацией, которая может содержаться в картографических документах, а может и нет.

ГИС предполагает не только широкое использование средств получения информации, но и средств дистанционной передачи данных. При проектировании процессов обработки данных на разных уровнях решения задач пользователя выбираются способы передачи картографической информации, которые должны соответствовать уровню автоматизации процессов получения, а также обработки информации. Способы обмена между подсистемами ГИС выбираются с учетом объема передаваемых данных, достоверности, срочности, способа их подготовки для обработки, территориального размещения подсистем ГИС и АСУ в целом и других факторов.

При проектировании процессов передачи информации должны быть учтены не только способы ее получения от первичных источников — геодезических измерений, фотосъемки, топографических карт и т. д., но и способы формирования результатной информации, отображения и использования информации потребителями. Рациональное построение процессов получения и передачи информации во многом определяет производственную эффективность автоматизированной обработки данных.

При проектировании технологических процессов обработки данных учитываются следующие основные требования:

• технологический процесс обработки информации должен обеспечивать решение задач и выдачу результатов в установленные сроки. При этом определяются объемы перерабатываемой информации в ГИС, виды машинных носителей, способы обмена информации между подсистемами ГИС, способы передачи выходной информации в АСУ или потребителям и др.;

• процесс обработки информации должен быть надежным, т. е. обеспечивать бесперебойное выполнение задач по графику их решения;

• в процесс обработки обязательно входят контрольные операции, исключающие возможность появления «сбоев» в работе компьютера и оператора;

• технологический процесс обработки картографической информации должен обеспечивать получение заданной достоверности получаемых данных. Допускаемая вероятность появления ошибок в выходных показателях для различных задач обычно находится в пределах 10-5 — 10-7 и ниже, для картографических задач — 10-8 (т. е. одна ошибка на 10 000 000 знаков);

• для получения необходимой достоверности результатных показателей предусматриваются контрольные операции на этапах подготовки, передачи и обработки информации. При проектировании информационного обеспечения ГИС большое внимание уделяется организации контроля первичной информации о местности, а также разработке программных методов контроля непосредственно на ЭВМ;

• технологический процесс обработки информации должен быть простым и содержать минимум технологических операций. Кроме того, следует стремиться к разработке однотипных технологических процессов для решения комплексов задач, а также к созданию комплексных программ для компьютера, позволяющих при однократном вводе информации получить несколько различных решений и документов. Технологический процесс обработки информации должен быть спроектирован с учетом использования условно-постоянной информации;

• проектирование технологических процессов должно базироваться на использовании современных технических средств получения данных, дистанционной передачи информации, совершенных ЭВМ и ее периферийных устройств и др. Технические средства прогресса в ГИС должны обеспечить реализацию функций системы с минимальными трудовыми, материальными и денежными ресурсами.

Общая схема технологических процессов обработки информации в ГИС представлена на рис. 2.

Геоинформационные технологии рассматривают технологический процесс в качестве процесса для переработки дискретной информации. В идеальном случае предполагается, что информация поступает на вход технологического процесса без искажений и ее переработка осуществляется в точном соответствии с назначением и технологией.

Однако в процессе хранения, передачи и переработки информации могут возникнуть ошибки. Поэтому для того, чтобы уменьшить или исключить их влияние, нужно уметь представлять информацию в таком виде, чтобы она была устойчивой к определенным искажениям. Особенно это важно в случаях преднамеренного внесения ошибок в картографическую информацию.

В общем виде информационную технологию можно трактовать «каналом» передачи информации от источника к адресату.

Под «каналом» можно понимать и любой источник погрешностей. Он может быть связан со средой, в которой осуществляется передача информации, либо со средой, где она хранится. Полученные результаты допускают распространение и на «вычислительные» каналы, т. е. на переработку информации.

Если использовать простейшую схему передачи от источника информации к адресату, то к адресату будет поступать искаженная информация.

Поэтому при проектировании обычно применяют более сложную схему: перед входом в канал ставится кодирующее устройство — кодер, которое путем введения в сообщение некоторой избыточности (удлинения кода) дает возможность впоследствии обнаруживать и исправлять ошибки определенного вида, происходящие в канале. Само исправление осуществляется декодером, помещаемым на выходе канала. Из декодера сообщение поступает к адресату.

При проектировании информационных технологий необходимо учитывать одно важнейшее свойство информации. Оно состоит в том, что в результате преобразования информация не увеличивается. Несмотря на это, обработка картографической информации имеет смысл, так как суть обработки заключается в таком преобразовании, которое позволило бы пользователю ГИС использовать ее для решения своих задач.

§ 3. Организация проектирования ГИС

Создание геоинформационной системы отличается сложностью проектирования. Поэтому к проектированию привлекаются многочисленные коллективы исполнителей, вкладывается значительное количество материальных и денежных средств.

Несмотря на различия в назначениях и в выполняемых функциях, ГИС различных АСУ имеют ряд общих свойств и принципов построения, которые являются основополагающими в организации проектировочных работ.

Во всех создаваемых ГИС имеют место процессы получения (сбор, регистрация и прием) информации о состоянии объектов местности, передачи информации, преобразования и запоминания (хранения) информации, приема и обработки запросов на выдачу информации на средствах машинной графики, организации баз данных, их ведение и обновление. В основу проектирования системы обработки картографической информации кладутся принципы системного подхода, комплексного охвата всех выполняемых в системе работ, интеграции источников данных, их хранения и поиска, операций обработки и функций управления.

Существенным для проектирования ГИС является то, что в ней может быть выделена собственно система картографических данных. С учетом этих особенностей ведется анализ и синтез системы в процессе проектирования, разрабатывается ее техническое, математическое и информационное обеспечение.

Кроме того, собственно система картографических данных подразделяется на функциональные подсистемы, выполняющие определенные функции по получению, обработке, хранению и передаче картографической информации. Это свойство функциональных подсистем лежит в основе создания для различных АСУ специализированных ГИС, отражающих функциональные особенности решения задач пользователей.

Такое расчленение позволяет дифференцировать весь комплекс работ при проектировании, проводить достаточно глубокий анализ задач по каждой подсистеме, выяснить состав и объем данных, алгоритмы и процедуры обработки информации, периодичность и состав результатных картографических данных, используемых для решения пользовательских задач. Оно позволяет также лучше организовать ведение проектировочных работ, закрепляя за отдельными подсистемами проектировщиков, математиков, картографов, специализирующихся на решении отдельных функциональных задач.

Наряду с проектами компьютерной обработки данных по отдельным функциональным подсистемам, создаются проекты информационного, математического, лингвистического и технического обеспечения ГИС.

Проектирование информационного обеспечения предусматривает создание и функционирование единой информационной базы данных. База данных включает всевозможную нормативно-правовую и техническую документацию, зафиксированную на машинных носителях и представленную в виде массивов данных, а также массивы переменной информации, содержащие сведения об объектах местности. Поэтому разработка информационного обеспечения непосредственно связана с проектированием документации, технологии ее получения и заполнения, классификацией и кодированием информации, подготовкой и формированием информационных массивов, их обновлением и поддержанием в рабочем состоянии, комплектацией массивов для решения конкретных картографических и других задач для каждой из функциональных подсистем.

Проектирование и создание математического обеспечения ГИС включает создание и эксплуатацию всех алгоритмов и программ, используемых для обработки информационных массивов при решении пользовательских задач.

Проектирование лингвистического обеспечения ГИС заключается в выборе или разработке формализованных языковых средств и средств управления ГИС, обеспечивающих взаимодействие ее подсистем и оператора.

Оснащение геоинформационной системы техническими средствами получения, передачи, обработки и хранения данных, разработка условий нормальной их работы при решении функциональных задач ГИС является целью создания технического обеспечения, структура которого в значительной степени зависит от информационного содержания задач и оперативности их решения.

Таким образом, разработка проектов компьютерного решения функциональных задач в соответствии с проектированием и созданием систем информационного, математического, лингвистического и технического обеспечения позволяют решить проблему интегрированной обработки картографической информации.

Создание геоинформационной системы в составе АСУ имеет широкую программу работ и включает четыре основные стадии: предпроектную или системный проект, разработку технического и рабочего проекта, внедрение. Для экспериментальных ГИС, которые создаются с целью апробирования и выработки типовых решений, дополнительно выделяется стадия анализа функционирования ГИС.

Системный проект включает работы по тщательному и всестороннему обследованию и анализу АСУ, в которой будет функционировать ГИС, для нахождения решений по ее разработке. На этой стадии определяются основные данные, необходимые для разработки ГИС, формируются требования к реализуемым в ней задачам, информационному, математическому, лингвистическому и техническому обеспечению системы. Завершением работ является составление технического задания (ТЗ) на создание ГИС.

Техническое задание устанавливает последовательность проектирования и внедрения ГИС. Как правило, техническим заданием предусматривается проектирование и внедрение системы поэтапно, поэтому в задании на проектирование обосновывается очередность создания системы в целом, определяется перечень подсистем и задач, предусмотренных в составе ГИС каждой из намеченных очередей. ТЗ содержит предложения заказчика и организаций-разработчиков по организации работы, перечень предварительно выбранных технических средств, намечаемый размер затрат на создание системы и укрупненный расчет экономической эффективности. К техническому заданию на проектирование прилагается также отчет о выполнении работ по обследованию, сметно-финансовый расчет и справка об обеспечении финансирования работ.

Стадия разработки технического проекта (ТП) наступает после утверждения ТЗ. На этой, основной стадии проектирования, разрабатывается общая структура ГИС с выделением подсистем, устанавливаются общие принципы функционирования, ее взаимодействие с АСУ и другими ГИС.

Технический проект, документация, составляемая на этой стадии, содержит все необходимые материалы, обосновывающие выбор проектных решений, уточняющих смету затрат на создание ГИС и выявляющие ожидаемую экономическую эффективность от ее внедрения. ТП содержит полную характеристику каждой функциональной подсистемы с указанием состава баз данных, укрупненным описанием разделения функций управления между ними в связи с применением автоматизации, схемами информационных связей и увязкой задач. Применительно к проектированию технический проект включает описание состава функциональных подсистем, укрупненные схемы их внешних связей, описание состава документов и исходных данных, образующих эти связи и т. п.

По каждой пользовательской задаче дается изложение ее организационно-картографической сущности (наименование задачи, раскрывается ее назначение и использование, постановка, указывается периодичность решения, информационные связи задачи и ее место в комплексе пользовательских задач, сроки выдачи информации и т. п.), описание входной, нормативно-справочной и результатной информации. При этом дается полная характеристика и описание носителей различных видов информации по каждому носителю его кода, периодичность ориентировочных сроков поступления, количества содержащихся в нем данных, их разрядности, способа обнаружения ошибок и т. п. Особое значение придается описанию информации, хранимой в банках данных для связи с другими задачами, накапливаемой для последующих решений, а также информации по внесению изменений.

По каждой задаче в техническом проекте дается полное описание алгоритмов ее решения, включающее изложение сущности этапов расчетно-логических операций, указание на выполнение отдельных частей алгоритма в зависимости от конкретных условий, расчетные формулы, а также формулы, используемые при решении пользовательских задач. Большое значение придается контролю реализации компьютерного алгоритма, в частности, нахождению в каждом случае контрольных соотношений в виде равенств, которые позволяют в ходе решения задачи контролировать вычисления и возобновлять вычислительный процесс при его нарушении.

Технических проект включает также материалы, подготавливающие ГИС к внедрению в АСУ. Важными вопросами разработки ТП являются выбор технических средств и составление ТЗ на проект их монтажа.

Особое место занимает система математического обеспечения ГИС. Ее описание в проекте включает характеристику общего и специального математического обеспечения и их состава. Если возникает необходимость в дополнительной разработке программ, то указывается назначение и область применения новых программ, требования по увязке их с существующей системой математического обеспечения по функциям, методам реализации, структуре массивов и т. п., а также указываются возможные варианты реализации этих программ.

По всем перечисленным мероприятиям в техническом проекте указываются ориентировочные сроки внедрения, исполнители и формы завершения работ.

После утверждения ТП начинается рабочее проектирование. На стадии рабочего проектирования ведется подготовительная работа к практической реализации основных положений технического проекта. Результаты ее оформляются в виде рабочего проекта ГИС.

Рабочий проект содержит, наряду с копиями актов утверждения технического проекта и возможным дополнением к нему уточненной эффективности ГИС, разработку технологий получения, обработки, хранения и передачи картографической информации, форматы обработки и передачи данных, описание схем их движения, инструкции по управлению базами данных, программы организации и ведение массивов данных на машинных носителях, рабочие программы и инструкции по компьютерному счету и управлению, описание входных данных и результатов работы программ, распределение носителей данных и периферийных устройств, перечень используемых стандартных процедур, инструкции входного и выходного контроля и т. п.

По комплексу технических средств в рабочем проекте приводится спецификация оборудования ГИС, дается его характеристика и краткое описание устройств, схема функционирования связей и размещения периферийных устройств, оборудования, перечень стандартных процедур при работе с устройствами, приводится эксплуатационная документация, чертежи строительной части проекта и монтажа комплекса технических средств.

Стадия внедрения ГИС представляет процесс перехода и адаптации АСУ и ГИС. Основными этапами внедрения отдельных задач, подсистем и всей ГИС в целом являются: подготовка АСУ и ГИС к внедрению; опытная эксплуатация задач и сдача их в эксплуатацию; сдача ГИС приемочной комиссии. При необходимости может выполняться ее сопровождение в процессе эксплуатации.

Сдача законченных работ заказчику производится в соответствии с планом работ и в объеме, предусмотренном договорными обязательствами на разработку и внедрение, в строгой увязке со сроками выполнения мероприятий по подготовке ГИС и внедрению АСУ. Внедрение осуществляется заказчиком совместно с организациями-разработчиками частями, с совмещением по времени этапов внедрения и рабочего проектирования отдельных частей ГИС. Приемка ГИС в составе АСУ производится комиссией после сдачи в эксплуатацию всех задач, технических средств и подсистем, предусмотренных в техническом задании.

Выделение дополнительной стадии — сопровождения ГИС, на которой проводится анализ ее функционирования, диктуется необходимостью проверки в условиях эксплуатации эффективности ГИС, выработке рекомендаций по дальнейшему развитию и формированию типовых решений. При этом анализируется ход решения задач, действия персонала в условиях вновь созданной ГИС и АСУ в целом. Результаты анализа используются для оценки качества ГИС и ее эффективности, сопоставления результатов неоднократной реализации однотипных решений и представления в головные проектные организации предложений по автоматизации конкретных функций, разработки рекомендаций по дальнейшему развитию ГИС с учетом предложений, сделанных на основании проведенного анализа.

Разработка типовых решений, а также создание методики типового проектирования геоинформационных систем как автоматизированных интегрированных систем обработки данных на базе типовых проектов ГИС является в настоящее время чрезвычайно важной проблемой.

Для координации работ по созданию ГИС в составе АСУ различных уровней в каждой отрасли за последние годы созданы головные институты по системам управления, которые занимаются организацией разработки и внедрения ГИС в тесной координации с топографическими организациями.

Весь этот комплекс мер позволяет осуществить переход к типовому проектированию автоматизированных систем обработки картографической информации.

Справочная литература

Берлянт A.M., Верещака Т.В. и др. Концепция и принцип разработки классификатора объектов картографирования. — М.: Росгеоинформ, 1999, 23 с.

Воробьев Г.Г. Твоя информационная культура, — М.: Молодая гвардия, 1988 г., 303 с.

Ковалев А.П., Кацура П.М., Невелев А.А. и др. Под ред. Б.В. Власова, А.П. Ковалева. Автоматизированные системы управления предприятиями массового производства: Учеб. пособ. для студентов. — М.: Высшая школа, 1987, 240 с.

Мартыненко А.И. Картографическое моделирование и геоинформационные системы. — М.: Геодезия и картография, № 9, 1994 г.

Мартыненко А.И., Бугаевский Ю.Л., Шибалов С.Н. Основы ГИС: теория и практика. — М., 1995, 232 с.

Мартыненко А.И. Три периода развития военной картографии: разработка новых концепций и технологий (1961 — 1996 г.г.). — М: Геодезия и картография, № 7, 1996 г.

Урсул А.Д. Информация, — М.: Наука, 1971 г.

Халугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д. Цифровые карты. Под ред. Е.И.Халугина. — М.: Недра, 1992, 419 с.

Автоматизированные системы управления. ГОСТ 19675-74 — М.: Госстандарт, 1974.

Геоинформационное картографирование. Пространственные данные. Цифровые и электронные карты. Общие требования. ГОСТ Р 50828-95. — М.: Госстандарт, 1995 г.

Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание. ГОСТ Р 51353-99. — М.: Госстандарт, 1999 г.

Цифровая картография. Термины и определения. ГОСТ 28.441-99. — М.: Госстандарт, 1999 г.

Геоинформационные системы. Обзорная информация. — М.: ЦНИИГАиК -1992. -52 с.