Информационный анализ объектов культурного наследия с использованием ГИС-технологий

Экономические и гуманитарные науки

УДК 519.23

ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ В.А. Немтинов1, А.А. Горелов2, М.И. Кудрявцев1, К.В. Немтинов3

Кафедры: «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» (1),

«Прикладная геометрия и компьютерная графика

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: ГИС-технологии; информационная система; объекты культурного наследия.

Аннотация: Рассмотрена методология построения информационной системы, предназначенной для ретроспективного анализа объектов культурного наследия малых и средних городов России на примере г. Т амбова.

В соответствии с Федеральным законом «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» [1] одной из основных задач является: сопровождение единого государственного реестра объектов культурного наследия народов РФ. Реестр представляет собой государственную информационную систему, включающую в себя банк данных, единство и сопоставимость которых обеспечиваются за счет общих принципов формирования, методов и формы ведения реестра. Сведения, содержащиеся в реестре, являются основными источниками информации об объектах культурного наследия и их территориях, а также о зонах охраны объектов культурного наследия при формировании и ведении государственного земельного кадастра, государственного градостроительного кадастра, иных информационных систем или банков данных, использующих (учитывающих) данную информацию. В соответствии со статьей 16 закона [1], реестр формируется посредством включения в него объектов культурного наследия, в отношении которых было принято решение о включении их в реестр, а также посредством исключения из реестра объектов культурного наследия, в отношении которых было принято решение об исключении их из реестра.

К сожалению, многие объекты малых и средних городов, которые представляют значительный культурно-исторический интерес, не включены в государственный реестр. Другие объекты значимы только в масштабе региона или города. К тому же, информация о многих объектах меняется с течением времени.

Все это приводит к необходимости создания информационных систем, с помощью которых можно было бы:

- создать пространственную модель (ПМ) города, содержащую в максимально возможном объеме информацию обо всех объектах города;

- разработать прикладное программное обеспечение, позволяющее проводить ретроспективный анализ изменений состояния, как отдельных объектов, так и различных их групп.

В качестве базовой информационной системы, используемой для решения задач анализа состояния объектов культурного наследия малых и средних городов России следует использовать географическую информационную систему (ГИС). Эта система обеспечивает хранение и отображение в графической форме объектов, имеющих определенное положение на местности. Для каждого объекта в базе данных хранятся его координаты, размеры, правила отображения, наименование и код для связи с другими базами данных, содержащими дополнительную информацию об объекте. Инструментальная ГИС включает средства создания и редактирования новых тематических слоев, отдельных объектов, выборочной визуализации слоев, измерений и расчетов на модели, средства программирования новых аналитических задач. В ней решены также проблемы ввода и цифрового кодирования изображений непосредственно от первичного источника визуальных данных, проблемы векторизации растровых изображений, совмещения слоев пространственной модели в единой координатной системе и т.д.

Большинство современных ГИС имеют средства трехмерного моделирования. С их помощью можно выявить и детально рассмотреть все основные черты и особенности взаимодействия и взаимосвязей между отдельными объектами города, как в пространственном, так и временном разрезах.

При создании цифровой пространственной модели территории города целесообразно использовать декартову систему координат. Для описания различных объектов можно использовать растровые и векторные модели данных [8]. Причем растровую модель следует использовать в качестве первичных данных всего информационного массива сведений об объекте.

В зависимости от сложности формы объекта для его описания может быть использован тот или иной графический примитив.

Точечные объекты - это объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства. Линейные объекты представляются как одномерные в координатном пространстве. Полигональные (площадные) объекты - это объекты, проекции которых на координатную плоскость xoy представляет собой области, аппроксимируемые многоугольниками. Так, например, различные здания задаются в форме параллелепипедов или цилиндров:

Oi = xpi ypi zpi, Oj = pxdf zpt i, j e [1,..., N],

где xpi, ypi, zpi, xdi - соответственно, размеры объекта по каждой оси, (xdi -для объектов, проекция которых на плоскость задана в виде окружности); N -количество объектов.

Для представления поверхностей, чаще всего, используется модель, называемая нерегулярной триангуляционной сетью (triangulated irregular network (TIN)) [8].

Помимо данных о геометрической форме объекта, каждый из них может быть снабжен разнообразной атрибутивной информацией, хранящейся либо как отдельные таблицы внутри одной базы данных, либо как самостоятельные наборы данных, связанные набором указателей и объединенные в банке геоданных.

Т аким образом, каждая ti -я точка ПМ города может быть представлена

Ч ={x,, у, , ^, vJ, uJk, а,}, 1 еА ,

где х,, у,, zi - координаты Ч,; А - множество точек ПМ города; VJ - тип объекта определенного назначения, которому принадлежит Ч,, VJ е¥ ; V - множество типов объектов, входящих в ПМ города; ид - к -й объект VJ -о типа, и ^к е иJ ; иJ - множество объектов типа VJ ; а, - множество атрибутивных данных об и Jk -м объекте, имеющим отношение к Ч, -й точке ПМ города.

На рис. 1 приведена типовая структура банка данных, содержащего информацию ПМ города с соответствующими типами файлов для их хранения, которая используется при создании информационной системы.

Для решения задач анализа состояния объектов культурного наследия города Тамбова создана цифровая ПМ, включающая в себя все основные объекты, которые когда-то были размещены в границах современной городской черты. Тамбов за свою почти 370-летнюю историю прошел этапы становления, начиная от города-крепости на южных рубежах Государства Московского до областного центра Тамбовской области.

Для г. Тамбова элементами пространственной модели являются: отображение рельефа местности и подземных горизонтов с их геологическими и гидрогеологическими характеристиками; рукотворные объекты различного назначения; естественные зеленые массивы (леса, рощи, луга); природные водные объекты (озера, участок реки Цны и ее притоки). В качестве базовых источников данных при построении пространственной модели были использованы:

- растровое изображение ситуационного плана города;

- атрибутивная информация об объектах различного назначения, собранная А. А. Гореловым, Ю.К. Щукиным [2] и авторами за длительный период времени.

При построении ПМ города с использованием ГИС-технологий объекты различного назначения представляются в виде совокупностей тематических слоев и связанных с ними атрибутивных данных в табличной форме и текстовой форме, схематично представленных на рис. 2. Фрагмент структуры базы данных, содержащей атрибутивную информацию об объектах ПМ города, приведен на рис. 3.

Типы файлов Банк геоданных

Рис. 1 Стандарт хранения данных в ГИС

Объекты различного назначения настоящего времени

Наземные коммуникации настоящего времени

Природные водные объекты

Объекты различного назначения, существовавшие с 1636 по 1800 гг.

Объекты различного назначения, у существовавшие с 1801 по 1850 гг.

у У*

Рельеф местности

Подземные коммуникации настоящего времени

Подземные глубокозалегающие горизонты

Рис. 2 Схема представления данных об объектах города в виде совокупностей тематических слоев

Общую стратегию моделирования и создания фотореалистичных изображений фасадов многих объектов в ПМ г. Т амбова можно представить в виде схемы (рис. 4). Использование фотореалистичных текстур является важным моментом при создании городских 3Б-моделей. В пользу их применения можно привести несколько значимых аргументов:

- фотореалистичное текстурирование, примененное к 3Б-моделям, дает наиболее близкое к действительности отображение окружающего мира;

- текстура содержит информацию, отсутствующую в геометрической модели, например, детали и материалы, из которых сделана отображаемая поверхность.

Визуализация ПМ города Тамбова представлена на рис. 5, а ее фрагмент 3Б-вида - на рис. 6.

ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU. 1005

Историческая и архитектурная ценность

|Код объекта

Код ценности Дата начала Дата конца

Владельцы объекта

Код объекта

Код типа влад зльца

Дата начала владения Дата завершения владени? Код владельца

—

Справочник исторических ценностей

Код ценюстн

Наименование

Вид фасадов объекта

Код обьегта

Ссылка на файл с изображ. Дата

Текстовое описание

Справочник архитекторов

Код архитектора

ФИО

Дата рождения Дата смерти Пол

Общие данные

Код обьегта

Дата закладки первого камня Дата начала строительства Дата завершения строительства Код архитектора Ссылка на файл с описанием Дата сноса обьекта

Справочник владельце!

Код владельца

Код типа владельца ФИО

Дата рождения Дата смерти Пол

Справочник строительных материалов

Код материала

Наименование

Код обьекта

Код назначения

Дата начала назначения

Дата конца периода назначения

N

Строительные материалы

Код обьекта

Код материала для фундамента Код материала стен Код материала кровли

Типы (назначение) обьекта

Рис. 3 Фрагмент базы атрибутивных данных, содержащей информацию об объектах ПМ города

Рис. 4 Стратегия создания фотореалистичной 3Б-модели города

При разработке информационной системы в качестве базового программного обеспечения нами была использована ЛтеОК корпорации Е8Ш версии 9.0.

Для проведения ретроспективного анализа изменения показателей, присущих объектам культурного наследия, и по которым можно судить о динамике развития различных сфер жизнедеятельности города, рассмотрим следующий подход. Он позволит получить усредненную информацию о количественном значении отдельного показателя, отнесенного к определенному временному периоду развития города.

Пусть P =

. - множество типов изданий, являющихся источника-т=1,М /

ми информации: публицистические; художественные; культурно-просветительные; учебные; образовательные; научные; научно-производственные; издания органов исполнительной власти и т.п. Из каждого т-го типа издания может быть извлечена информация о значении показателя, которая очень часто носит нечеткий характер. Например, в 1861 году численность населения г. Тамбова составляла по различным источникам: около 32000 [3], около 34000 [5], от 32000 до 33000 [6] человек.

В подобных случаях наиболее оправданно использование математического аппарата экспертных систем в качестве систем поддержки принятия решений. Подобные системы способны аккумулировать знания, полученные человеком в различных областях деятельности. С их помощью удается решить многие задачи, в том числе и задачи анализа.

Представим имеющуюся нечеткую информацию посредством функций принадлежности. В настоящее время сформировалось понятие о так называемых стандартных функциях принадлежности: Л-функции, П-функции, Z-функции, 8-функции. Для отображения информации подобной той, которая приведена выше, целесообразно использовать Л- и П-функции (рис. 7).

При переходе от нечетких значений величин к вполне определенным необходимы специальные математические методы. Для устранения нечеткости окончательного результата существует несколько методов дефазификации. Наиболее часто используемым является метод центра максимума. Рассмотрим его применительно к нашей задаче.

Для тех значений показателя у, которые описаны Л-функцией в качестве

центра максимума будем использовать величину ут]-, а при использовании

ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2005. Том 11. № 4. Transactions TSTU. 1007

Рис. 5 Визуализация пространственной модели г. Тамбова

Рис. 6 Фрагмент 3Б-вида ПМ города Тамбова

П-функции - ут]- =(Ут^ + Ут] 2 (см. рис. 7). Взвешенное значение ут для т-го

типа изданий определим по формуле

Ут

*

/ , pmjymj j=1__________

Пт^

/ Pmj

j=1

где рту - коэффициент достоверности информации]-го источника для т-го типа. Примем:

рту = 1 при использовании Л-функции,

ymj ymj „ ,

Pmj = ~~--------------ДЛЯ П-функции,

У m- У m

где у т, У т - соответственно, нижняя и верхняя границы диапазона возможного изменения показателя у (см. рис. 7, б).

В конечном итоге взвешенное значение у по данным всех типов изданий получим по формуле

М _

ртут

т=1

y = -

M

/ Pm

m=1

где рт - коэффициент достоверности информации для т-го типа изданий. Целесообразность введения этого коэффициента объясняется тем, что в разные периоды исторического развития России различные источники информации в силу

П

б)

Рис. 7 Дефазификация нечеткой информации при выполнении ретроспективного анализа

разных причин искажали точную информацию. Исходя из современных представлений о достоверности информации того или иного периода развития России, значение рт задается группой экспертов. Наиболее эффективными подходами к определению рт являются методы ранжирования и приписывания баллов [7].

Метод приписывания баллов основан на том, что эксперты оценивают достоверность т-го типа издания по шкале 0 - 10. При этом им разрешается оценивать важность дробными величинами или разным типам изданий приписывать одну и

ту же величину из выбранной шкалы. Зная балл кгт т-го типа у г-го эксперта, весовые коэффициенты рт, т = 1,М можно найти из соотношения:

pm

I cm

r=1_____

l

II C

mr=1

m = 1, M

где Cm =

I hr

m

т = 1,М - вес, подсчитанный для т-типа издания на основе

оценок г-го эксперта; Я - количество экспертов.

При оценке отдельных показателей культурного развития города, в особенности для исторического периода до 1900 года имеется информация из различных источников, которая может быть описана не числами, а словами естественного языка, которые в теории нечетких множеств называются термами [9]. В таком случае значением лингвистической переменной, например, «количество учеников» являются термы «немного», «много» и т. д. Для отображения лингвистической переменной необходимо определить четкие значения ее термов. В этом случае группа экспертов сама определяет конкретный вид функций принадлежности, учитывая при этом какие-то другие показатели, по которым могут быть заданы

значения Ун¡' и уН] для ]-го источника т-го типа издания. Дефазификация нечеткого значения показателя осуществляется тем же методом (1) - (4).

Таким образом, получив множество взвешенных значений показателя у , отнесенных к разным периодам культурного развития города, используя метод наименьших квадратов можно аппроксимировать табличные данные с помощью одной из известных зависимостей (полиномиальной, степенной и т.п.) и оценить динамику его изменения.

В настоящее время авторами проводится работа по заполнению информационной базы данных и получению различных обобщенных сведений. Только наземных объектов, существующих в настоящее время, в базе содержится более 40000.

На основе имеющихся в настоящее время данных в качестве примера проанализируем динамику изменения численности населения с периода середины XVII века по 2003 год. Результаты анализа представлены на рис. 8.

Динамика изменения численности населения в г. Тамбове

Годы

Рис. 8 Изменение численности населения в г. Тамбове с середины XVII века по 2003 год

h

m

Заключение. Предложен подход к созданию информационной системы, позволяющей выполнить ретроспективный анализ изменений различных показателей объектов культурного наследия г. Т амбова за определенные временные отрезки. В перспективе он может быть рекомендован к использованию при создании информационных систем для других городов.

Список литературы

1 Федеральный закон «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» № 73-ФЗ от 25.06.2002.

2 Горелов, А. А. Тамбов. Справочник - путеводитель (центральная часть) / А. А. Горелов, Ю.К. Щукин. - Тамбов, 1999.

3 Тамбовская энциклопедия. - Тамбов, 2004.

4 Города России. Энциклопедический словарь. - М., 1996.

5 Старый Тамбов от А до Я. Энциклопедический словарь. / Молчанова В. А и др. - Тамбов, 2004.

6 Тамбовская правда от 8 января 1937 г.

7 Михалевич, В.С. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем / В.С. Михалевич, В. Л. Волкович. - М.: Наука, 1982.

8 ДеМерс, М.Н. Географические информационные системы. Основы / М.Н. ДеМерс. - М.: Дата+, 1999.

9 Нечеткие множества и теория возможностей / Под ред. Р. Ягера. - М.: Радио и связь, 1986.

Information Analysis of the Objects of Cultural Heritage Using GIS-Technologies

V.A. Nemtinov1, A.A. Gorelov2, M.I. Kudryavtsev1, K.V. Nemtinov3

Departments: “Automated Design of Technological Equipment” (1),

“Applied Geometry and Computer Graphics ” (2), TSTU;

Tambov Classical Gymnasium, Tambov

Key words and phrases: GIS-technologies; information system; objects of cultural heritage.

Abstract: The methodology of creating information system aimed at retrospective analysis of objects of cultural heritage in small and middle-size towns of Russia is studied on the example of T ambov.

Informationsanalyse der Objekten des Kulturerbes mit der Benutzung von GIS-Technologien

Zusammenfassung: Es ist die Methodologie des Baues des Informationssystems, das für die Retrospektivanalyse der Objekten des Kulturerbes der kleinen und mittleren Städte Rußlands am Beispiel der Stadt T ambow vorausbestimmt ist, betrachtet.

Analyse informationnelle des objets de l’héritage culturel avec l’utilisation de GIS-technologies

Résumé: Est examinée la méthodologie de la conception du système

informationnel destiné à l’analyse rétrospective des objets de l’héritage culturel des petites et moyennes villes de la Russie à l’exemple de Tambov.