Методы включения пространственных данных в геоинформационные системы

УДК 528.9 А.Р. Аляутдинов

МЕТОДЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ В ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Сегодня перед картографами не стоит извечный вопрос: где взять данные?, он канул в лету. Наличие огромного количества разнородных данных, специальных устройств, позволяющих перевести в цифровую форму практически любой вид информации, ставит перед картографами другие задачи: как эти данные использовать, а главное, как их использовать вместе с другими данными. Последнее — принципы интеграции и совместного использования разнородных данных — очень широко обсуждается специалистами в области геоинформатики в печатных изданиях, на международных конференциях и форумах.

Под интеграцией данных в геоинформационные системы будем понимать совокупность методов создания, выбора, согласования и публикации пространственных данных при использовании их в геоинформационных системах разной тематической направленности. Проблема интеграции пространственных цифровых данных затрагивает глобальные вопросы создания единого геоинформационного пространства, миграции цифровых данных в этом пространстве и их использования при решении научных и практических задач [4].

После того как — в зависимости от тематической направленности ГИС — определен набор цифровых пространственных данных, возникает вопрос, каким образом их интегрировать в ГИС. От решения этой задачи зависят не только стоимость, интеллектуальные и трудовые затраты ГИС, но и корректность использования данных при решении конкретных задач геоинформационной системы.

Целесообразно разделить последовательность процесса интеграции пространственных данных в отдельно взятую геоинформационную систему на три основных этапа (рис. 1): подготовительный, этап согласования и этап использования.

Подготовительный этап состоит в выборе конкретных пространственных данных, соответствующих требованиям геоинформационной системы по ряду показателей. К таким показателям относятся тематика ГИС, ее назначение, требования по точности и достоверности данных, стоимостные и интеллектуальные затраты на интеграцию данных, конфиденциальность данных и ряд других. Выбор пространственных данных должен осуществляться на основе метаданных. При отсутствии метаданных, описывающих качественные и количественные показатели, использовать эти данные нецелесообразно либо необходимо провести дополнительные работы по исследованию их пригодности. Этот вид работ является наукоемким, и затраты на такого рода экспертизу могут пони-

зить эффективность использования выбранных пространственных данных.

Другая задача, стоящая на подготовительном этапе, — перевод в цифровую форму нецифровых картографических источников и создание первичных метаданных. В рамках этой задачи осуществляется преобразование в цифровой вид картографических изображений, выполненных на бумажной основе, а также сканирование, перевод в цифровую форму данных полевых исследований.

В целом этот этап является самым трудоемким и затратным по времени. В то же время на этом этапе устанавливается пространственная взаимосвязь между отдельными объектами в рамках одного слоя ГИС, которая в дальнейшем не будет меняться.

Необходимо заметить, что современное оборудование позволяет значительно облегчить этот этап. Это касается приемников спутникового позиционирования, в комплекте с которыми поставляется специализированное программное обеспечение, позволяющее представлять пространственные геоданные в определенном формате и в выбранной системе координат. Современное геодезическое оборудование (электронные тахеометры, нивелиры, системы наземного лазерного сканирования) и прочее электронное оборудование, а также специализированное программное обеспечение позволяют не только облегчить интеграцию пространственных геоданных в гео-информационную систему, но и отслеживать ошибки в полевых условиях. Примером может служить программный комплекс "Trimble Geomatics Office", позволяющий импортировать результаты съемки электронными тахеометрами семейства "Trimble" в портативный компьютер, осуществлять визуализацию данных, готовить первичные метаданные. Современные данные аэрокосмического зондирования позволяют минимизировать трудоемкие операции по пространственной привязке. Пример — разработанный формат GEOTIFF, внутри которого заложена информация о пространственной привязке цифрового изображения.

Результатом подготовительного этапа являются пространственные геоданные, переведенные в цифровую форму и готовые для дальнейшей интеграции данных в ГИС. Все геоданные имеют дополнительную информацию, представленную в виде отдельного файла метаданных.

Этап согласования. Основными задачами этого этапа являются преобразование пространственных геоданных в систему координат геоинформационной системы, геометрическое и тематическое их согласование с базовыми общегеографическими слоями гео-

а

Рис. 1. Этапы интеграции пространственных данных и задачи, решаемые на отдельных этапах: а — подготовительный этап: 1) выбор пространственных данных; 2) перевод в цифровую форму; 3) создание метаданных; б — этап согласования: 1) пространственное согласование; 2) тематическое согласование; 3) изменение метаданных; в — этап использования: 1) согласование баз данных; 2) геокодирование; 3) изменение метаданных; 4) публикация данных

информационной системы, согласование объектов внутри отдельного слоя и между разными тематическими слоями. Важность этого этапа определяется тем, что устанавливается пространственная взаимосвязь между географическими объектами, представленными в ГИС.

Если подготовительный этап самый трудоемкий, то этап согласования самый наукоемкий; он требует высококвалифицированных исполнителей, владеющих теорией картографических проекций и рядом других картографических дисциплин, которые нужны для пространственного согласования слоев геоинформационной системы, а также специалистов, обладающих большими познаниями в географии, что необходимо для корректного тематического согласования данных.

Существует множество специализированных программ, как оригинальных, так и представленных в виде отдельных модулей к коммерческим ГИС, позволяющих успешно решать задачи пространственного согласования пространственных геоданных. Примером могут служить встроенные утилиты по преобразованиям картографических проекций в Аг-сУ1е\у/Агс1пГо, Мар1пй). Задачи тематического согласования полностью ложатся на специалиста, а их решение зависит от его квалификации.

Все изменения, которые были внесены в пространственные геоданные в ходе выполнения работ по тематическому и пространственному согласованию, должны отражаться в метаданных. Это позволит избежать грубых ошибок в процессе использования данных, а также даст возможность пользователю оценить, насколько изменились точность, достоверность данных и другие качественные и количественные характеристики, влияющие на эффективность работы геоинформационной системы и корректность получения результатов работы ГИС.

Результатом этого этапа являются пространственно и тематически согласованные геоданные, представленные в виде тематических слоев геоинформационной системы в определенном формате, вместе с метаданными, в которые внесены соответствующие изменения.

Этап использования пространственных геоданных — заключительный этап интеграции. На этом этапе решаются следующие задачи: импорт пространственных геоданных, согласование атрибутивной информации

импортируемых данных с имеющимися картографической и тематической базами данных геоинформационной системы, геокодирование, внесение изменений в метаданные и локализация формата метаданных, подготовка данных для экспорта. Среди перечисленных задач основными являются согласование атрибутивной информации интегрируемых пространственных данных с имеющимися базами данных ГИС, а также проверка результатов предыдущих этапов интеграции.

Представленная схема интеграции пространственных геоданных в определенном смысле условна, она может быть углублена и расширена в зависимости от целей конкретной геоинформационной системы и исходных данных. Однако она позволяет четко разбить процесс интеграции на отдельные этапы и выделить на каждом этапе конкретные задачи.

Исходя из представленной схемы интеграции, можно систематизировать методы интеграции пространственных данных в геоинформационные системы. Выделим следующие совокупности методов интеграции:

— создание цифровых пространственных данных;

— поиск, выбор и сопровождение пространственных данных;

— публикация, экспорт и импорт пространственных данных;

— согласование пространственных данных.

Совокупность методов создания цифровых пространственных данных. Основной задачей этих методов является создание цифровых пространственных данных на основе традиционных бумажных картографических источников, данных полевых работ, материалов дистанционного зондирования. Другая главная задача этой совокупности методов — обеспечение точности перевода в цифровую форму, достоверности и качества получаемых данных, а также создание исходных метаданных, все это определяется свойствами исходных материалов и непосредственно процессом перевода в цифровую форму на основе специализированного программного обеспечения.

Технологический процесс перевода в цифровую форму аналоговых картографических источников осуществляется с помощью электронных устройств, таких, как цифрователь, сканер. Современные циф-рователи могут обеспечить считывание с разрешением около 0,03 мм с общей точностью, приближающейся к 0,08 мм на площади 1000x1500 мм, а современные сканирующие устройства обеспечивают погрешности, составляющие 0,05% (0,5 мм на длине 1 м) при графической точности источника 0,1 мм [9].

Для исключения ошибок необходимо, чтобы масштаб исходного картографического источника был крупнее масштаба базовых слоев ГИС. Высококвалифицированный специалист, грамотно использующий соответствующее программное обеспечение, может существенно минимизировать ошибки точности перевода в цифровую форму.

Совокупность методов поиска, выбора и сопровождения пространственных данных. Основные задачи этой совокупности методов — поиск, выбор и оценка пригодности пространственных данных для конкретной ГИС. Методы поиска пространственных данных в современных условиях полностью опираются на использование сетевых технологий. Интернет — самое большое хранилище глобально доступной пространственной информации, поэтому поиск пространственных данных целесообразно осуществлять через Интернет. Большой проблемой является отсутствие четкой каталогизированной службы поиска пространственных данных в Интернете. Однако в ближайшей перспективе такого рода глобальная служба будет создана, тем более что в ряде стран уже имеется положительный опыт — "Spatial Data Directory" (Австралийская инфраструктура пространственных данных), "ClearingHouse" и "GeospatialOne-Stop Portal" (FGDC, США) [1, 6, 7]. Поиск пространственных данных в этих системах осуществляется на основе метаданных, поэтому пользователь получает сами данные, метаданные и возможность регистрировать любые изменения, сопровождая, таким образом, данные от поставщика пространственных данных до конечного пользователя.

Другим примером может послужить международный проект "SEA SEARCH NET" (http://www.sea-search.net), предназначенный для поиска разнородных данных морской тематики и предоставления этих данных конечному пользователю. Участниками этого проекта являются ведущие академические учреждения разных стран, а также ряд международных организаций.

Так как не существует автоматизированных систем оценки пригодности пространственных данных, ответственность за выбор данных и оценку их пригодности полностью ложится на специалиста ГИС. Экспертная оценка должна быть ограничена условиями, которые могут быть определенным образом формализованы исходя из масштаба, требований к точности и достоверности и ряда других параметров.

Совокупность методов публикации, экспорта и импорта пространственных данных. К этой совокупности относятся методы публикации пространственных данных. Имеются три основных вида публикации пространственных данных: традиционный — на бумажной или пластиковой основе, электронный — на магнитных и иных носителях информации и сетевой — в локальных, региональных и глобальных компьютерных сетях. Публикация пространственных данных в электронном и сетевом виде обладает большей возможностью, чем традиционный вид, так как помимо самой пространственной информации имеется возможность представить и метаданные, необходимые при использовании данных в ГИС.

Использование компьютерных сетей при публикации пространственных данных на современном этапе предпочтительнее, так как позволяет сократить время и затраты на поиск данных в распределенных

по всему миру тематических базах данных. Методы экспорта и импорта пространственных данных включают не только возможность обмена пространственными данными на основе специально разработанных обменных форматов ГИС, но и их сопровождение до конечного этапа использования в тематической ГИС. К сопровождению пространственных данных относятся методы создания исходных метаданных, а также регистрация всех изменений исходных пространственных данных в метаданных. Большую роль в создании единых обменных форматов пространственных данных и метаданных играет международная организация "Open GIS Consortium" [5, 10, 11], основной задачей которой является разработка открытых стандартов Web ГИС-технологий.

Совокупность методов согласования пространственных данных. Основная задача этой совокупности методов интеграции пространственных данных — геометрическое и тематическое согласование. Необходимо отметить, что данная задача является самой трудной и ответственной при интеграции данных в ГИС.

Геометрические методы согласования пространственных данных опираются на практическое применение теории картографических проекций и использование математических методов. Цель геометрического согласования — сведение всех данных в единую систему координат. Практическое применение теории картографических проекций дает возможность проводить преобразование спроектированных координат интегрируемых данных в проекцию ГИС. Использование математических методов позволяет осуществлять аналитическое преобразование плоскости на основе опорных точек.

Рассмотрим случай, когда базовой системой координат ГИС являются плановые прямоугольные координаты картографической проекции с определенными параметрами. Если интегрируемые данные представлены в виде широты и долготы, то, преобразовав по формулам и известным параметрам картографической проекции ГИС, эти данные легко могут быть интегрированы. Если интегрируемые данные представлены в виде прямоугольных координат, возможны два пути. Первый — в случае, когда известны система координат и параметры картографической проекции интегрируемых данных, интеграция данных осуществляется поэтапно. Сначала прямоугольные координаты интегрируемых данных преобразовываются в значения широты и долготы, а затем эти полученные данные — в прямоугольные координаты ГИС. Второй путь позволяет осуществлять аналитическое преобразование прямоугольных координат интегрируемых данных в прямоугольные координаты ГИС по опорным точкам, используя численные методы. Последний случай характерен для крупномасштабных ГИС, когда набор картографических проекций и их параметры являются четко определенными — проекция Гаусса—Крюгера, UTM и ряд других (рис. 2).

Интегрируемые данные,

геодезические координаты

вх

Прямое преобразование

Хгис = Р (В,Ц

Угис = Р (В, и

Исходная ГИС,

плановые прямоугольные координаты,

Хгис, Угис

Интегрируемые данные,

прямоугольные координаты X, У

Обратное преобразование

Прямое преобразование

Хгис = Р (В,Ц

Угис = Р (В,Ц

пЗ

Исходная ГИС,'

плановые прямоугольные координаты, Хгис, Угис

Интегрируемые данные,

прямоугольные координаты XV

Аналитическое преобразование

Хгис = р2

Угис = Р2

^>

Исходная ГИС,

плановые прямоугольные координаты,

Хгис, Угис

др.) и социально-экономическим (населенные пункты, дороги и др.) элементам, однозначно и геометрически точно отображаемым на картографических материалах [3]. Тематическое согласование проводится не только внутри одного слоя, но и между тематическими слоями ГИС, создавая единую систему объектов.

Несмотря на то что существует большая разница между геометрическим и тематическим согласованием пространственных данных, оба типа согласования являются взаимосвязанными компонентами. Использование геометрически и тематически

_____,_ согласованных пространственных данных в геоинфор-

Рис. 2. Возможные последовательности геометрического согласования пространственных данных мационных системах дает

возможность правильно решать научные и практические задачи. Если имеются только геометрически согласованные данные, решение может быть ошибочным. Российская картографическая школа всегда уделяла большое внимание тематическому согласованию картографических источников, по праву считая его одним из важнейших этапов создания карт. В этой области работы К.А. Салищева и И.П. Заруцкой по сей день являются мировыми шедеврами картографии. Поэтому при создании ГИС и при интеграции пространственных данных, необходимо большое внимание уделять методам тематического согласования. Если вопросы геометрического согласования могут быть определенным образом формализованы и на этой основе разработано специализированное программное обеспечение, то вопросы тематического согласования требуют непосредственного участия специалиста-эксперта.

Систематизация методов интеграции пространственных данных позволяет не только четко определять и решать поставленные задачи на отдельных этапах интеграции. Системный подход при интеграции данных — важный шаг при создании глобального геоинформационного пространства, когда пространственные данные создаются при использовании современнейшего оборудования, а публикация, доступ и выбор осуществляются с использованием сетевых технологий, все изменения в данных регистрируются в метаданных, геометрическое и тематическое согласование осуществляется в рамках единого комплекса.

В другом случае, характерном для средне- и мелкомасштабных ГИС, базовой системой координат ГИС являются широта и долгота. В случае, когда интегрируемые данные представлены в спроектированных прямоугольных координатах, также возможны два пути. Первый — преобразование по известным параметрам картографической проекции прямоугольных координат интегрируемых данных в широту, и долготу, а затем интеграция данных в ГИС. Второй — преобразование прямоугольных координат интегрируемых данных в широту и долготу на основе численных методов по опорным точкам.

В целом преобразование координат на основе численных методов является более трудоемким процессом, так как требуются дополнительные работы по созданию системы опорных точек и подключение сложного математического аппарата. Такое преобразование целесообразно проводить в случае, когда не известны параметры картографической проекции интегрируемых данных [2, 8].

Тематическое согласование также является очень важной составляющей при согласовании данных. В основе тематического согласования лежит, что каждый компонент рассматривается как часть природного или природно-антропогенного комплекса. Каркас для тематического согласования интегрируемых данных составляют базовые слои ГИС, представляющие собой общегеографическую основу. Согласование проводится по выявленным природным рубежам или по природным (гидрография, рельеф, болота, леса и

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. "Белая книга" GITA: Должен ли быть платным доступ к государственным пространственным данным? // Пространственные данные. 2005. № 4.

2. Бугаевский Л.М. Математическая картография. М., 1998.

3. Котова Т.В., Январева Л.Ф. Проблема согласования в традиционном и геоинформационном картографировании // Доклады I Всероссийской научной конференции по картографии (Москва, 1997) / Под ред. A.A. Лютого. М., 1997. С. 395-400.

4. Мартыненко А.И. Глобальное геоинформационное картографирование — методология и технология будущего // Там же. С. 38—42.

5. Международный стандарт ISO 19115 // Geospatial Information, Metadata. 2003.

6. Основы геоинформатики / Под ред. B.C. Тикунова. Кн. 2. М., 2004.

Кафедра картографии и геоинформатики

7. Электронный ресурс. 9-я Всероссийская конференция "Проблемы ввода и обновления пространственных данных" (http://www.gisa.rLi/input_05.html).

8. Серапинас Б.Б. Основы теории картографических проекций. М., 1988.

9. Соколов И.А., Мартыненко А.И., Тагунова О.В. Геоинформационные технологии // Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)". М., 2005.

10. Электронный ресурс. OpenGIS Consortium Initiative Pages (http://www.opengis.org/initiatives/).

11. Электронный ресурс. OpenGIS Consortium Interoperability Programm Page (http://ip.opengis.org/).

Поступила в редакцию 27.04.2006

A.R. Alyautdinov

METHODS OF SPATIAL DATA INTEGRATION INTO GIS

The article discusses the problem of correlation of diverse cartographic sources and describes systematically methods and stages of diverse thematic data integration during their application for geoinformation mapping using GIS-technologies.

i

17 ВМУ, география, № 1