Интеграция и генерализация разнородной территориально распределенной пространственной информации на основе многомерных моделей данных для задач, связанных с управлением природными ресурсами

УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

УДК 004:528

О. И. Христодуло

ИНТЕГРАЦИЯ И ГЕНЕРАЛИЗАЦИЯ РАЗНОРОДНОЙ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДАННЫХ ДЛЯ ЗАДАЧ, СВЯЗАННЫХ С УПРАВЛЕНИЕМ ПРИРОДНЫМИ РЕСУРСАМИ

Описывается метод интеграции и генерализации разнородной распределенной пространственной информации по природным ресурсам, заключающийся в использовании многомерных информационных объектов для описания различных частей распределенных пространственных данных и их генерализации в единую модель. Интеграция и генерализация; разнородная пространственная информация; геоинформационная система; многомерная модель данных; управление природными ресурсами

Пространственная информация имеет большое значение при формировании исходных данных для принятия управленческих решений в задачах, связанных с контролем состояния природных ресурсов и охраной окружающей среды. Управление природными ресурсами в Республике Башкортостан может быть организовано на трех организационных уровнях: республиканском, территориальном (территориальные подразделения и комитеты) и местном (административные районы республики).

Для получения целостного представления о территориально распределенных объектах необходимо единое формальное описание пространственной информации, которая является разнородной (по типу, формату и способу описания), распределенной (по территориальному месту хранения и по принадлежности к действующим информационным системам). Особенностью этих объектов является их существенная протяженность и распределенность по территории. При этом наличие информации о точном местоположении объектов, их взаимном расположении и взаимосвязи существенно влияет на качество управленческих решений, принимаемых и реализуемых на различных уровнях.

Поэтому для создания распределенной системы обработки пространственной информации в управлении территориально распределенными объектами и системами, объединяющей (интегрирующей) подсистемы всех уровней управления, в качестве технологической основы целесообразно использовать геоинформационные системы, позволяющие с единых методических позиций описывать как пространственные (географические), так и атрибутивные (описатель-

Контактная информация: (347)273-77-33

ные) характеристики различных объектов, процессов и явлений.

В информационной системе обработки пространственной информации важно обеспечить хранение, обработку, обмен и предоставление пользователям информации, которая может существовать в виде:

• текстовых документов;

• файлов определенной структуры, баз данных;

• космических снимков;

• картографических баз данных;

• растровых данных, представленных в форме текстовых и графических документов.

На основании вышесказанного возникает самостоятельная задача интеграции и генерализации разнородной (по типу, формату, способу описания) пространственной информации о состоянии природных ресурсов, распределенной по территориальному месту хранения (в различных организациях, территориальных подразделениях) и по принадлежности к действующим информационным системам. Система может состоять из отдельных подсистем, каждая из которых решает свою собственную задачу.

Также в ее основе может лежать иерархическая структура с центральной и периферийными подсистемами, где подсистемы нижнего уровня связаны с подсистемами верхних по отношению к ним уровней путем передачи предварительно обобщенной информации, а подсистемы верхних уровней связаны с подчиненными им подсистемами через управляющие воздействия. При этом структуры хранения информации (модели данных) в каждой организации, территориальном подразделении, административно-территориальном образовании могут различаться. В качестве примера такой распределенной системы рассмотрим автоматизированную систему

поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охране окружающей среды Республики Башкортостан (АСППР УПР и ООС РБ).

Одной из организаций, в которой пространственная информация территориально распределенных объектов (природные и водные объекты, места размещения отходов и другие) играет значительную роль и существует реальная необходимость в автоматизации задач, связанных с контролем состояния природных ресурсов, является Министерство природопользования и охраны окружающей среды РБ (Минэко-логии РБ). Архитектура АСППР УПР и ООС РБ с компонентами комплексной ГИС приведена на рис. 1. Информационной основой управления природными ресурсами РБ является пространственная информация о водных объектах, объектах размещения отходов и др. территориях, которая представляется в виде географических (топографических) цифровых карт соответствующей территории: Республики Башкортостан, территориального подразделения, административного района РБ. При этом структуры хранения этой информации (модели данных) в каждом административно-территориальном образовании различаются.

Для формирования единого описания пространственной информации о природных ресурсах необходимо определить виды структур хранения этой информации на территориях и описать методы их преобразования в единую многомерную модель пространственных данных по природным ресурсам. Геоинформационную систему (ГИС) можно определить как:

ГИС = {БД, Р}, где БД - база данных, Р - множество процедур обработки данных. При этом база данных является совокупностью базы географических данных (БГД), которая содержит пространственные характеристики (карты, космические снимки, координаты) и базы атрибутивных данных (БАД), которая содержит все остальные (описательные) характеристики объектов:

БД= {БГД, БАД}.

Таким образом, геоинформационную систему ГИС можно определить как:

ГИС = {БГД, БАД, Р}.

Определение (1) можно использовать для описания иерархической взаимосвязи элементов распределенной геоинформационной системы природных ресурсов Минэкологии РБ по организационным уровням управления. Иерархия распределенной информации по природным ресурсам в РБ представлена на рис. 2.

Здесь ГИСРБ - геоинформационная система, содержащая в себе информацию по всей территории Республики Башкортостан.

{ГИСг} - множество геоинформационных систем территориальных подразделений и комитетов, где і = 1, N, где N - количество территориальных подразделений и комитетов.

{БАДу} - множество баз атрибутивных данных местного уровня для каждого административного района РБ, где і = 1, N и ] = 1,М, N - количество ТУ и К, М] - количество административных районов і-го ТУ и К.

Согласно (1):

ГИСрб = {БГДрб, БАДрб, Ррб},

где БГДРБ - интегрированная база географических данных республиканского уровня, БАДрб -интегрированная база атрибутивных данных республиканского уровня, Ррб - множество процедур обработки данных на республиканском уровне.

При этом каждый элемент множества {ГИСг} (геоинформационная система территориального подразделения) содержит в себе набор информации, который можно обозначить:

ГИС = {БГДі, БАД, Р,-},

где бгд - база географических данных, БАД, -база атрибутивных данных, а Рі - множество процедур обработки данных в і-м территориальном подразделении.

Аналогично определяется геоинформацион-ная система местного уровня (для каждого административного района РБ) — ГИСг /.

ГИСу = {БГД,-, БАД,, Рг,},

где бгд, - база географических данных, БАД, - база атрибутивных данных, а Ру - множество процедур обработки данных в ]-м административном районе і-го территориального подразделения.

Основная проблема, возникающая при проектировании и создании баз данных, заключается в необходимости обеспечения одновременной работы с разнородными источниками данных, несогласованности их структур и форматов с масштабами и количеством исходных данных. Наиболее важной и сложной в интеллектуальном плане проблемой является разработка структуры хранимых данных, так как она существенно влияет на эффективность работы БД по таким критериям, как требуемая для хранения всей информации память, время, необходимое на ввод, корректировку и поиск информации, адаптация к возможным изменениям запросов.

Центральный аппарат Минэкологии РБ

Отдел геологии и лицензирования недропользования Отдел госконтроля за использованием животного мира Отдел выдачи лицензий и гос.учета объектов животного Отдел по предоставлению прав пользования водными

ГИС-подсистема общераспространенных полезных ископаемых” ГИС-подсистема “Границы охотничьих угодий” ГИС-подсистема ГИС-подсистема “Рыбопромысловые

Рис. 1. Архитектура АСППР УПР и ООС РБ с компонентами комплексной ГИС

И поскольку модель данных - это структура данных вместе с множеством операций над элементами этих структур, то задача разработки модели данных является одной из самых важных при разработке БД.

База данных (БГД, БАД) геоинформацион-ной системы на каждом уровне управления природными ресурсами строится на основе соответствующей модели данных (МД): МДРБ - модель данных {БГДрб, БАДрб}, МДг - модель данных {БГД„ БАД}, МДУ- - модель данных {БГДу, БАДу}.

В достаточно общем виде задача создания распределенной базы данных АСППР УПР и ООС РБ заключается в построении непротиворечивой МД [1], описывающей всю совокупность информации из {ГИСрб, ГИСг, ГИСу}, то есть:

МДрб = 0(М( і)=Є0і (ММ,))=00,^),

...л

Э N (МИ д,...,МД MN)),

для этого необходимо построить набор отображений Е={Еи ^у2}, таких что:

1) МДУ- ^ МДі,

т. е. устанавливают соответствие множества моделей данных МД,, и МД;

2) ¥г: МДі ^ МДрб,

устанавливают соответствие множества моделей данных МДг и МДРБ;

3) Гг/: МД, ^ МДРБ,

устанавливают соответствие некоторых территориальных моделей данных МДу и МДРБ.

Республиканский уровень - РБ И—N N—V ГИСрб

12

Территориальные подразделения и комитеты - ТУ и К

2*\

\7

БГДрб

БАДрб

/і—к

{ГИС,}

БГД,

БАД,

Административные районы РБ ФФ {ГИС,І

/ \

БГД,

Природные

ресурсы

Водные

объекты

Объекты

размещения

отходов

Рис. 2. Иерархия распределения информации по природным ресурсам в РБ

Географические объекты в БГД всех уровней в зависимости от степени детализации пространственных данных могут быть представлены данными разных типов: точечными, линейными и полигональными. Кроме того, географические объекты могут объединяться в тематические группы по признаку наличия между ними особых пространственных (топологии) или логических взаимосвязей.

Информационное обеспечение в иерархической системе построено таким образом, что пользователям на верхнем уровне из множества информации, возникающей на более низком уровне, нужны только отдельные или обобщенные характеристики, поэтому при построении отображений Г обязательной является процедура генерализации [1]. Таким образом, задача генерализации пространственной информации о состоянии природных ресурсов заключается в описании правил обобщения информации при ее передаче из геоинформационных систем нижних уровней управления природными ресурсами (например, ГИС территориальных подразделений) на вышестоящий уровень управле-

ния. А сами эти правила могут быть описаны в виде правил преобразования МД (5)-(8).

Назовем две территориальных ГИС ГИСг и ГИС, однотипными в том случае, если их БД имеют одинаковую структуру, то есть МДі = = МД,, в противном случае, если МДі ^ МД,, ГИСг и ГИС, назовем разнотипными.

На основе структуры хранения данных в БГД можно определить следующие виды разнородности моделей данных:

1) МД/ и МД, являются разнотипными по масштабам, если количество уровней детализации представления информации в них отличается,

2) МДі и МД, являются разнотипными по составу, если перечень объектов, описываемых данными моделями, не совпадает.

Несмотря на различную структуру и содержание пространственных данных в различных территориальных элементах АСППР УПР и ООС РБ, необходимо совместное и непротиворечивое описание распределенных данных по природным ресурсам на единой методической

основе.

Существующие многомерные модели данных, предложенные в работах [2-3], позволяют описывать пространственные данные и операции над ними на основе многомерных информационных объектов (МИО), которые обозначаются Т" и определяются через МИО меньшей размерности

Тп = {Г-1}, 1 = \к,

где Т - имя МИО, п - размерность МИО, 1 - индекс (номер) МИО при рассмотрении совокупности МИО.

Для описания внутренней структуры МИО используется понятие схемы МИО, представляющей собой множество, значения которого задают порядок вхождения МИО размерности п-1 в МИО размерности п, то есть

5п = 5{Тп} = {5 (Тп-1), 5п} =

= {Я-1,5я} =... = {5„ 52,..., 5иЧ, 5и},

где 51 - 1-й элемент схемы 5".

Для реализации основных функций по обработке данных используются операции - проецирование (9) и объединение (10):

П3 (Тя) = Тя

где Т - исходный МИО размерности я, 5й,г- -значение элемента схемы, по которому выпол-

я-1

няется проецирование, Т - результат операции;

ТП\~+П2 1 тя иТ'

где Т 1, Т 2 - исходные МИО, Т 1 2 — результат операции, 5 - элемент схемы, по которому производится объединение,

5я I 5я2 = *

*{0}.

Применительно к пространственным данным, описывающим состояние природных ресурсов в АСППР УПР и ООС РБ, многомерным информационным объектам различных размерностей могут соответствовать:

Т - элементарной характеристике объекта (водного, размещения отходов и др.);

Т - полному описанию точечного географического объекта (в зависимости от детальности информации, например, водозабор, несанкционированная свалка и т. д.);

Т2 - полному описанию одного линейного географического объекта как совокупности точек, соединенных отрезками (например, река, ручей, канал);

Т3 - полному описанию одного полигонального географического объекта как совокупности линий, ограничивающих его контур (напри-

мер, озеро, водохранилище, полигон ТБО, особо охраняемая природная территория);

Т - описанию группы однотипных объектов (например, речная сеть);

Т - описанию всех рассматриваемых объектов с некоторой степенью детализации (например, речная сеть масштаба 1:200 000);

Т - всей совокупности пространственных данных по природным ресурсам на территории, схема данного МИО имеет вид

5

где 5г1 = {Идентификаторы атрибутов}, 5г2 = = {Идентификаторы узловых точек}, 5г3 =

= {Идентификаторы линий}, 54 = {Идентификаторы объектов}, 55 = {Типы объектов}, 56 = = {Уровни детализации (масштабы)}.

Для описания распределенной пространственной информации по природным ресурсам расширим многомерную модель пространственных данных по природным ресурсам, описанную МИО Т6 и схемой (13), и, с учетом трехуровневой системы управления природными ресурсами на территории РБ, определим МИО Т8. При этом имеет место следующее соответствие:

гг7

7 - описание всех пространственных данных по природным ресурсам для территориального подразделения или комитета РБ;

Т - описание пространственных данных по природным ресурсам РБ, схема данного объекта имеет вид

5(Т8) = 5 = {5г1, 5г2, 5г3, 54, 55, 5б, 57, 58}, (14) где 5г1, 5г2, 5г3, 54, 55, 56 определены в (13), 57 = = {Идентификатор территориальной системы}, 58 = {Идентификатор республиканской системы}.

Многомерная модель данных также содержит метаданные пространственных данных, описываемые МИО Т5м, со схемой:

5(Т6м) = 5м = { 5м1, 5м2, 5м3, 5м4, 5м5, 5мб}, (15) где 5м1 = {Метаатрибуты}, 5м2 = {Код объекта}, 5м3 = {Слои}, 5м4 = {Масштабы}, 5м5 = {Пользователи}, 5м6 = {Территориальные системы}.

В совокупности с метаданными пространственных данных многомерная модель пространственных данных по природным ресурсам определяется как

КодОбъекта

КодСлоя

КодМасштаб

Мп = М

Для решения задач генерализации пространственной информации по природным ресурсам существующих операций над МИО недостаточно. Поэтому необходимо ввести новую опера-

к

2

цию для описания изменения отдельных характеристик МИО. Предлагается ввести операции изменения однотипных МИО.

C О (T П - 3 T П - 3) : вх ’ вых / '

T „-3 пSlJ (t.-;3)=/(Ппи (т -3))  T n-3

вх вых

изменение значения атрибута I схемы « в объекте ТЫ-3 на значение некоего функционального преобразования / от значения атрибута I схемы

S1 в объекте TX3, и

CS,,i ({ТвП-,3}, ТВы-):

{Т^и-3 } пSii (t.-;3)=/(пSu (т.пт 1п^ ( т,^))  т

n - 3 вых ?

изменение значения атрибута I схемы «1 в объекте ТЫ-3 на значение некоторого функционального преобразования (свертки) / от значений атрибутов I схемы «1 в наборе объектов {ТЫ? } • На основе построенной многомерной модели и операций изменения МИО можно описать отношения преобразования Е°Аи, Е,?м, Т7С:

Т°дн - в случае, когда МДг- и МДРБ>г- являются однородными,

Трм - в случае, когда МДг- и МДРБг- являются разнотипными по масштабам,

-Трс - в случае, когда МДг- и МДРБг- являются разнотипными по составу.

Отношения преобразования ^одн строятся на основе операции порождения МИО. Для территориального подразделения:

Т7 = {Т V,

где I = 1, N, N - количество территориальных подразделений, J - порядок вхождения. Аналогично формируется МИО Т на республиканском уровне.

Разнотипные отношения Трм и Т7С строятся на основе последовательного применения операций изменения и порождения МИО.

Таким образом, метод интеграции и генерализации разнородной распределенной пространственной информации о природных ресур-

сах на основе многомерных информационных объектов и введенных операций их изменения позволяет построить модель данных, описывающую территориальные элементы распределенной автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраны окружающей среды Республики Башкортостан. Метод и модель позволяют объединить в единое информационное пространство информацию на всех уровнях управления природными ресурсами РБ при сохранении ее целостности, определяют связи распределенных пространственных данных по природным ресурсам РБ в виде совокупности МИО различной размерности на основе информации, возникающей и хранящейся в республике Башкортостан. Это дает возможность совместного представления и использования разнородной территориально распределенной информации о природных ресурсах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов С. В., Хамитов Р. З., Никитин А. Б. Структура разнородной территориально-распределенной пространственной информации при создании единой геоинформационной системы Рос-водресурсов // Вестник УГАТУ. 2007. Т. 9, № 4(22). С. 3-10.

2. Павлов С. В., Христодуло О. И. Методология создания многомерных баз данных на основе тензорных структур // Проблемы создания национальной академической системы баз данных и баз данных: Тезисы докл. Всероссийск. совещания. Уфа, 1995. С. 20-21.

3. Сахаров А. А. Принципы проектирования и использования многомерных баз данных (на примере Oracle Express Server) // СУБД. 1996. № 3. С. 44-59.

ОБ АВТОРАХ

Христодуло Ольга Игоревна, доц. каф. геоинф. систем. Дипл. инж. по автоматиз. и механиз. процессов обр. и выдачи информации (УАИ, 1991). Канд. техн. наук (УГАТУ,2000). Иссл. в обл. проектир. и разработки корпорат. инф. систем.