Интеграция ГИС в корпоративные системы обработки информации на основе многомерных информационных объектов

-

Проблемы передачи и обработки информации

УДК 004.652

О.И. Христодуло

ИНТЕГРАЦИЯ ГИС В КОРПОРАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ

Практически в каждой организации, занимающейся аналитической обработкой больших объемов разнородной информации, функционирует несколько информационных систем (ИС), созданных в различное время различными разработчиками, на базе различных технологий. Каждая из этих ИС содержит собственную базу данных, в которой располагается структурированная информация, связанная с тем или иным аспектом деятельности организации.

При построении различных классов современных ИС, обрабатывающих информацию о территориально распределенных природных и техногенных объектах, необходимо наличие данных о точном местоположении объектов, их взаимном расположении и взаимосвязи. Используемая при этом информация носит преимущественно пространственный характер, она разнородна и распределена территориально, поэтому при создании современных корпоративных систем обработки информации в качестве технологической основы целесообразно использовать геоинформационные системы (ГИС), позволяющие с единых методических позиций описывать как пространственные, так и атрибутивные характеристики различных объектов, процессов и явлений.

Будучи относительно новым продуктом, ГИС внедряются в уже существующую информационную инфраструктуру организаций (предприятий), которая, как правило, уже содержит одну или несколько баз данных (БД). При этом, использование ГИС в качестве общекорпоративного информационного технологического ресурса совместно с другими более традиционными информационными ресурсами позволяет в полной мере учитывать присущую пространственной информации

географическую «природу» в уже использующихся и новых корпоративных системах обработки информации.

Характерная особенность пространственных данных, используемых в ГИС, - их относительно высокая структурированность. В отличие от обычной реляционной БД, не накладывающей никаких ограничений на структуру хранимых в ней отношений, все объекты (слои), хранящиеся в базе пространственных данных (БПД), имеют минимальный общий набор атрибутов, характеризующий их положение в пространстве, и другие геометрические характеристики (например, длину или площадь), при этом, для описания одного класса объектов, как правило, используется несколько отношений. Кроме того, географические объекты могут объединяться в тематические группы по признаку наличия между ними особых пространственных (топологии) или логических отношений, при этом структура отношений для хранения пространственных данных об объектах разных классов в значительной степени совпадает, т. к. объекты расположены в общем пространстве и имеют однотипные пространственные атрибуты.

Таким образом, для современных корпоративных систем обработки информации характерна тенденция комплексного использования разнородной (пространственной и атрибутивной) информации и, как следствие, повышение требований к интегрируемости используемых информационных систем и совершенствовании механизмов предоставления, обработки и анализа данных [1].

Важность и сложность интеграции разнородных (пространственных и атрибутивных) данных приводят к необходимости разработки новых

подходов и методов для их совместного описания. С этой целью в [2] был предложен новый способ описания больших массивов информации на основе специально введенных многомерных информационных объектов (МИО) и операций над ними.

Основная идея данного многомерного подхода заключается в обобщении реляционного подхода, при котором несколько различных отношений с одинаковой структурой предлагается размещать в некоторый новый многомерный информационный объект.

Многомерный информационный объект обозначается как

Тп,

где Т - имя МИО; п - размерность МИО; I - индекс (номер) МИО при рассмотрении совокупности МИО. МИО размерности п как единица хранения данных определяется рекурсивно через МИО меньшей размерности. МИО позволяют более компактно и удобно описывать данные на этапе логического проектирования БД и должны включать и обобщать известные информационные объекты, такие, как элемент данных, запись, файл, домен, кортеж, отношение. При этом физический смысл МИО для малых размерностей будет следующим:

Т0 - множество, состоящее из одного элемента - константы;

Т1 - множество МИО размерности ноль (Т0) (запись, вектор, домен, кортеж);

Т2 - множество МИО размерности один (Т!) и т. д.

В общем случае, Тп - множество МИО размерности (п - 1):

Т" = {Тп1и .

Таким образом, в зависимости от размерности МИО может описывать отдельный параметр, таблицу, класс пространственных объектов или всю базу данных.

Для описания внутренней структуры МИО используется понятие схемы МИО, представляющей собой множество, значения которого задают порядок вхождения МИО размерности п - 1 (с учетом порядка вхождения в них МИО меньших размерностей) в МИО размерности п. В общем случае схема МИО размерности п будет определяться соотношением

где 0п - схема МИО размерности п; 01, 02, ..., 0п-1, 0п - элементы схемы МИО размерности п.

Для реализации основных функций по обработке пространственных и атрибутивных данных, представленных в виде совокупности МИО, вводятся операции над ними: порождение, проецирование, добавление, разделение, удаление и объединение. Вид и применение этих операций существенно зависят от одинаковости структуры используемых в них МИО.

Объекты Тп, ТТ считаются однотипными, если выполняется равенство:

о

в противном случае объекты являются разнотипными.

Для получения МИО размерности п + 1 из однотипных МИО размерности п вводится операция порождения:

Тп+1 = {Тп }* 7=^,

где множество 7 задает порядок вхождения Т^ в Тп+1, а О (Тп+1) = {О (Тп), 7 }.

Для организации поиска хранящейся в одном МИО информации вводится операция, обратная операции порождения, которую назовем проецированием МИО, а результат выполнения операции проецирования назовем проекцией исходного МИО.

Определим проекцию МИО размерности п со схемой О = {О,, О, ..., О ,, О } на /'-й элемент

^ Р 2 ' п-1 п> 0

схемы Оп как МИО размерности п - 1 со схемой {О О ..., О }, который входит под номером в совокупность порождающих МИО в (5) и обозначим

п о„ Л

Если элемент схемы О содержит к элементов

Оп {Оп,1, Оп, 2, ..., Оп,й , ..., Оп, к },

то существует к проекций Тп на элементы схемы О

ПОп,

Совокупность всех проекций Тп на все элементы схемы Оп будем называть проекцией Тп на О и обозначать

П (Тп)={Тп-1}, 7=1Д.

Оп = О (Тп) = {О1, О2, ..., Оп-1, Оп}

Таким образом, проекцией МИО Тп на схему Оп является множество порождающих его Тп-1. В процессе эксплуатации корпоративной ин-

п

формационной системы ее БД будет пополняться новой информацией, поэтому количество множеств в (2) и (5) со временем, уже при су-

Гп т^п

, будет изменяться. Так как Т определяется рекурсивно, то достаточно показать добавление к множеству {Т"-1}, г =1, к еще

7тп-1 ^ ^

к+1 с такой же схемой: Я

Тогда операция добавления Т"-1 к Тп, которую обозначим

Т" _ Тп итк+11,

приводит лишь к изменению элемента Яп схемы

Я" = Я

добавлением в него еще одного элемента Япк+1.

Очевидно, что к вновь полученному по соотношению (11) МИО можно добавлять еще один ТП+-1, что приведет к изменению элемента Яп из (12) еще на один элемент. Выполняя эту операцию Ь раз, можно к исходному Тп со схемой (12) добавить Ь однотипных МИО:

п-1

т^и—1 т^и—1 Т к+1 , Т к+2 , ... , Т к+Ь

тогда получим

Тп _ Тп и

причем схема по-прежнему удовлетворяет (12), а элемент Яп будет иметь вид

Яп _

Операция добавления предназначена для формализации процедуры добавления новых данных в существующий МИО Тп. Введенная операция позволяет как добавлять в существующий Тп один Т"-1, так и объединять два однотипных объекта Т" и Т2п [3]:

Т3п = Т^иТ" ,

при этом

Я

а последний элемент схемы результирующего МИО Т3 является объединением последних элементов схем МИО Т" и Т2".

И, наконец, операция удаления - процедура, обратная добавлению, которая заключается в исключении из множества однотипных МИО в (2) одного МИО Т"-1, и уменьшения их количества на единицу, т. е. к _ к -1. При этом изменяется элемент Яп схемы (12) удалением из нее одного

элемента Яп . Так как порядок элементов в схеме несущественен, то для простоты обозначения будем считать, что удаляется последний элемент, т. е. г0 _ к . В противном случае, при удалении произвольного элемента Яг , оставшиеся просто необходимо переномеровать. Обозначим операцию удаления

Т"

1,

Т"_

Т"

так что по-прежнему

Я(Тп) _ Яп Я2, ..., Я"),

Яп _ ( Яп1, Яп2, ... , Япк-1).

Учитывая замечания, описанные в [1], можно

7т/2 Т'П

1 его части Т2 :

ГТ1П Тп _ Л_

3 грп Т 2

что фактически соответствует разделению одного МИО на два однотипных МИО, поэтому эту операцию в случае Ь > 1 будем называть разделением МИО.

Логическое описание данных предназначено для представления конечным пользователям единой связной картины обо всей информации, хранящейся в корпоративной системе обработки информации: атрибутивные и пространственные данные, метаданные. Отдельные части этой информации можно описывать в виде однотипных МИО. Объединение различных частей данных, хранящихся в различных МИО (однотипных разной размерности и разнотипных), должно быть обеспечено соответствующими операциями над ними.

МИО, включающие в себя атрибутивные данные, и МИО, включающие в себя пространственные данные, будут разнотипными как с точки зрения семантики хранимой информации, так и с точки зрения различия их схем.

Для организации совместного описания этих данных без нарушения целостности предлагается объединять хранимые в разнотипных МИО данные в один более крупный МИО.

Рассмотрим операцию объединения разнотипных МИО различных размерностей на примере конкретной предметной области - природопользовании и охране окружающей среды.

В задачах, связанных с контролем состояния природных ресурсов и охраной окружающей среды, большое значение имеет пространственная информация.

Отличительной особенностью пространственных данных, используемых в ГИС, является то, что одни и те же географические объекты могут быть представлены слоями разных типов (точечными, линейными и полигональными), в зависимости от степени детализации пространственных данных.

Точечный географический объект характеризуется парой координат X, 7. В зависимости от масштаба рассматриваемой территории, в качестве таких объектов могут рассматриваться водозабор, скважина.

Линейный географический объект характеризуется совокупностью атрибутивных характеристик линейного объекта и набором узловых точек ломаной линии, представляющей этот объект. Примеры таких объектов: реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа.

Полигональный географический объект характеризуется совокупностью атрибутивных характеристик полигонального объекта и совокупностью замкнутых линий, ограничивающих его контуры. Такими объектами могут быть представлены территории, занимаемые определенной особо охраняемой природной территорией, озером, рекой или целой республикой.

В качестве примера объединения двух разнотипных МИО приведем организацию хранения информации об ежедневных данных по уровням подъема воды в реках, которые используются для построения ежедневного гидрологического бюллетеня, отражающего выход рек на пойму на текущую дату.

Т - МИО размерности 2, описывающий точечный слой с данными о расположении гидрологических постов контроля (гидропостов) (рис. а) со схемой:

о2 = О (Т2) = (о, р),

где G - множество гидропостов; Р - множество характеристик гидропоста (X, 7, Z, номер поста, класс и т. д.).

Т^ - МИО размерности 3, содержащий ежедневные данные об уровнях подъема воды на гидропостах за определенный промежуток времени (рис. б) со схемой

О1 = О (Т3) = (о, I, Б),

где G - множество гидропостов; I - множество полученных измерений по уровням воды; D - дата.

Так как О0 ^ О^ , то ТО и Т^ являются раз-

нотипными, их нельзя объединить в один более крупный МИО на принципах, изложенных ранее. Однако, учитывая то, что в ТО и Т3 хранится информация об одних и тех же объектах - гидропостах, что отражается наличием в обеих схемах одного и того же элемента о, предлагается их объединить по этому общему элементу.

Структура этого нового МИО приведена на рис. в и задается множествами (элементами схем) G, Р, I, D, поэтому он является МИО размерности 4, объединяющим два разнотипных МИО размерности 2 и 3, что обозначается соотношением:

Т4 = то От3,

где о - общий элемент схемы, по которому происходит объединение.

Саму процедуру получения Т4 из ТО и Т^ назовем операцией объединения двух разнотипных МИО.

Чтобы отличать результат объединения двух однотипных МИО от объединения двух разнотипных МИО, назовем последний веерным МИО (ВМИО).

Под схемой ВМИО будем понимать множество О, задающее порядок вхождения исходных МИО в результирующий ВМИО. Считая, по-прежнему, что схема первого МИО О2а = (О°, О°), а схема второго Оь= (О1 , О2, О3), при этом О1 = О2 = О и что О как элемент схем для ТО и Т3 один и тот же, тогда схема Т04:

Оо4 =

или

оОо4 =

Заметим, что при объединении разнотипных МИО размерность результирующего ВМИО отличается от суммы размерностей исходных МИО на количество общих элементов их схем, по которым проводится объединение.

В общем случае введенная соотношениями (21)-(23) операция позволяет производить объединение двух разнотипных МИО произвольной размерности.

Объединение возможно в том случае, когда схемы объединяемых МИО содержат хотя бы один одинаковый элемент.

Пусть Тп - МИО размерности п имеющий схему

а)

б)

Зе2 в, ю гидропоста Название X > N

о 2 1-

ф ю О

03 * о. ч; х 1_ \ Уровень на 8-00 Изм. воды за сутки с с е: С уровень Примечание

Объекты

в)

ГО гидропоста & о Ж Уровень на 8-00 \ Изменение воды за сутки Ожид. макс, уровень Примечание V

Уфа 22 +6 479630

Гум-бино 240340

Уровни воды

Графическая интерпретация результата объединения разнотипных МИО в один веерный МИО

Б"1 = 5(Т"1) = (Б" ,Б" ,..., Б"),

Т"2 - МИО размерности, имеющий схему

Б"1 = 5

Обозначим через Бк подмножество из к элементов схем Б" и У"2, входящих в оба множества (24) и (25):

Бк = Б".

Рассмотрим три наиболее важных возможных

к

случая для множества Б , определяющихся значениями к: к = 1, к = 0, к >1.

1. k = 1. Тогда Б"1 и Б!"2 содержат только один одинаковый элемент:

Б = Б" Р| Б" = Б*

Будем считать, что этот единственный элемент является последним в схемах обоих операн-

дов, то есть О^ = О^ = О1, тогда объединение Тп и Т"1 запишется

Ок

Т п1 + -1 = тп1 тПг

а его схема

О

где

О-1 -1 = (О11, оп ,..., о;1 -1),

-уп - 1 / 0-2 О" О"

№ - 1 _ ( № № № \ О - (О1 , О2 , ... , о"2 -1 Л

или, по аналогии с

я*+-1 =

2. к > 1, тогда Оп и ОПг содержат к одинаковых элементов

ок = О^ПОп2 =

Будем считать по-прежнему, что эти элементы находятся в конце схемы

ощ_к+- = оп2-к+- = ок, -=й •

Обозначим

о,-к = (О1, о2,..., оп-к),

rí"l -к _ / rí"l rí"l rí"l \

О = (О1 , О2 , ... , О"1 -кЛ

тогда объединение Т^ и Тп2 в общем случае запишется

Т*п1 + п2 - к_тп тп

а его схема

О (Т п + ^ - к ) _ О п + ^ - к _

= оп- - к.

или, по аналогии с

Оп\ + п2 — к _ / О^ Оп Ок

О = (01 , ... , О щ-к , 01 , ...

°к , ,..., °п2-к ).

3. к = 0, тогда Оп и ОПг не содержат одинаковых элементов

Ок = Оп1 и Оп2 = {0}.

Тогда по смыслу Т4 и Тп2 между хранящимися в них данными нет связи и операция их объединения не имеет смысла.

Таким образом, для интеграции атрибутивных и пространственных данных в корпоративных системах обработки информации в рамках концепции многомерных информационных объектов можно

воспользоваться операцией объединения разнотипных МИО различных размерностей. Результатом такой интеграции будет «веерный» МИО.

Введенная операция объединения разнотипных МИО позволяет объединять логически взаимосвязанную атрибутивную и пространственную информацию, хранящуюся в разнотипных МИО, в единый ВМИО, с сохранением целостности данных.

Операция объединения справедлива и для множества, состоящего из произвольного числа попарно связанных разнотипных информационных объектов Т4, Т^, ..., Тпь со схемами оп = О (Г-), так что Оп * Оп, при I I, ]= 1Ь .

Пусть Ок- = Оп1 П Оп * {0}, I = 2, Ь . Выполняя введенную выше операцию объединения (Ь -1) раз, Т4 можно объединить со всеми связанными с ним многомерными информационными объектами

Т«1 + «2 + ... /% - к 2— ... - кЬ =

ок2 ок3 окь

= ТИ1 Тп2 Тп3 ТпЬ

Операция разделения МИО вводится как обратная по отношению к объединению, при этом разделение производится только по тем элементам схемы, по которым ранее было произведено объединение.

Введенный набор операций над однотипными и разнотипными МИО: порождение, проецирование, добавление, разделение, удаление и объединение позволяет осуществить ввод, рациональное хранение атрибутивных и пространственных данных в корпоративных системах обработки информации, а также организовать эффективный поиск информации по запросам пользователей. Введенный набор операций над МИО дает возможность построения на их основе языка управления данными, представленными в виде множества МИО.

Предложенный подход использовался для совместного описания пространственных и атрибутивных данных при разработке ГИС природных ресурсов и ее интеграции в автоматизированную систему поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охране окружающей среды Республики Башкортостан, что позволило описать разнородную информацию о природных ресурсах в рамках единой многомерной модели данных, которая позволит в более компактной форме по сравнению с реляционной моделью данных описать предметную область.

В статье рассмотрен подход к интеграции атрибутивных и пространственных данных в корпоративных системах обработки информации на основе нового типа структур данных, который назван многомерным информационным объектом, при этом, с одной стороны, предлагаемый многомерный подход является развитием технологии многомерного анализа данных - OLAP, но, с другой стороны, имеет свои особенности. Проведенный анализ опубликованных работ по теме технологии многомерного анализа данных позволяет сделать следующие выводы.

В технологии OLAP на сегодняшний день отсутствует возможность компоновки и объединения объектов разнотипной структуры.

Для технологии OLAP не характерно использование разнородных данных, содержащихся внутри объекта.

В OLAP отсутствует формализованное описание (на математическом языке) операций по манипулированию данными, особенно хранящимися в различных элементах (двух «кубах») ММД.

Основные достоинства многомерного подхода, описываемого в статье:

1) ММД получили формализованное описание операций по манипулированию данными, хранящимися в различных элементах (двух «кубах») ММД, сохранив при этом все достоинства ММД, введенной Э.Коддом;

2) введенные операции над разнотипными МИО, в частности, операция объединения разнотипных МИО, позволяют описать каждый тип географического объекта в виде одного МИО, достичь общности описания слоев объектов разных типов, упростить описание структуры существующих баз данных систем обработки информации, сделать модель данных обозримой и понятной.

Из сказанного выше следует основное отличие технологии OLAP от разработанного многомерного подхода, которое заключается в следующем: OLAP в большей степени ориентирован на обеспечение максимальной эффективности для приложений оперативной аналитической обработки информации, в то время как МИО в большей мере используется для логического описания разнородных (пространственных и атрибутивных) данных.

список литературы

1. Павлов, С.В. Интеграция геоинформационных систем в корпоративные информационные системы крупных предприятий и организаций [Текст] / С.В. Павлов, Р.З. Хамитов, О.И. Христодуло // Вестник УГАТУ Сер. Управление, вычислительная техника и информатика. -Уфа:Изд-во Уфимск. гос.авиац. техн.ун-та,2007. - Т.9. -№ 2(20). -С. 50-57.

2. Gvozdev, V.E. Multidimensional Data Bases of

Earth Surface Conditions [Текст] / V.E. Gvozdev, O.I. Khristodulo, S.V. Pavlov //Proc. of the the 46th International Astronautical Congress. -Oslo, Norway. -1995. -Р. 28.

3. Гвоздев, В.Е. Информационное обеспечение контроля и управления состоянием природно-технических систем: Учеб. пособие [Текст] / В.Е. Гвоздев, С.В. Павлов, И.У Ямалов. -Уфа: Изд-во Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2002. -138 с.

УДК 621.321

И.С. Наумов

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОцЕНКИ ВЛИЯНИЯ

системы обеспечения ресурсами на результаты ликвидации чрезвычайных ситуаций

Масштабы чрезвычайных ситуаций (ЧС) неуклонно растут, что заставляет обоснованно и своевременно вырабатывать контрмеры для предупреждения и ликвидации ЧС. Для этого создаются системы управления в условиях чрезвычайных ситуаций [1].

Для устойчивого развития любого предприятия и страны в целом необходимо принятие мер по сокращению ущерба, причиняемого ЧС, и количества ресурсов, используемых при его предупреждении и ликвидации. Эти меры должны опираться на теорию анализа и управления риском.