автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Исследование методов представления информации в геоинформационных справочных системах

ВВЕДЕНИЕ.

1.ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИС СПРАВОЧНОГО ХАРАКТЕРА.

1.1. Классификации геоинформационных систем. Анализ функциональных возможностей ГИС.

1.2. Определение геоинформационных справочных систем и их основных характеристик. Оценка сложности ГИСС.

1.3. Построение обобщенной функциональной структуры ГИСС.

1.4. Проектирование ГИСС. Постановка задачи исследования.

В наше перегруженное информацией время пространственная географическая информация является особо ценным товаром. Она предоставляет преимущества при разумном ее использовании, обеспечивает корректность и своевременность при принятии политических, экономических и экологических решений, при реализации долгосрочных проектов и программ.

Пространственная информация распределена на множестве различных по происхождению источников, среди которых выделяются карты, аэро - и космические снимки, кадастровые регистры, данные гидрометрических наблюдений, экологического мониторинга, материалы статистической .отчетности и пр. Для того, чтобы объединить и обрабатывать все эти данные в цифровой компьютерной форме, создаются особые географические информационные системы - ГИС. Геоинформационные системы - это программно-аппаратные комплексы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и отображения пространственно-распределенной информации [6, 25, 31].

ГИС получили сегодня в мире самое широкое применение. С их помощью инвентаризируют природные и трудовые ресурсы, планируют сети здравоохранения и обслуживания населения, развитие городов, проектируют трассы нефтепроводов и транспортные магистрали, разрабатывают экологические мероприятия и анализируют результаты выборов, решают многие другие научные и практические задачи. Именно в этом и состоит главное назначение ГИС - предоставлять пользователям достоверную и обработанную информацию для решения управленческих и аналитических задач или, как выражаются специалисты по геоинформатике - "обеспечивать компьютерную поддержку принятия решений". Чаще всего, для этого изготавливаются оперативные карты, так как они более всего привычны для людей благодаря своей наглядности и обзорности.

В настоящее время выделяются следующие направления развития ГИС

1) общие вопросы методологии, методики, структуры и функционирования ГИС, создания для них различных баз данных, решение математических задач, возникающих при реализации географических информационных систем на ЭВМ, и использование экспертных систем (информационно-поисковые системы);

2) разработка ГИС для решения прикладных задач - экология, управление, планирование, прогнозирование и т.п.;

3) картографическое обеспечение ГИС, которые питают картографическую систему всеми необходимыми сведениями. В этой связи вводится понятие автоматизированной картографической системы - подсистемы ГИС - методы математико-картографического моделирования и анализа - для построения карт изображения.

Актуальность теоретических и практических разработок в области ГИС подтверждается тем вниманием, которое уделяется развитию ГИС на государственном уровне во всех экономически развитых странах мира. В ряде стран Европы и Северной Америки образованы особые национальные и региональные учреждения, в задачи которых входит развитие ГИС и оперативного автоматизированного картографирования, координация программ получения, обработки и распределения геоинформации, создание сетей ГИС, исследование юридических норм функционирования геоинформации и многое другое. В России создание и ведение ГИС возложено на Федеральную Службу геодезии и картографии (Роскартографию), которая руководит всеми топографо-геодезическими и картографическими работами в стране. Значительную часть работы ведут российские университеты, где на факультетах и кафедрах, в учебно-методических центрах и научных лабораториях сосредоточен основной творческий потенциал, обеспечивающий прогресс научной геоинформатики.

Опыт создания систем управления ряда предприятий Ростовской и Волгоградской областей, таких как Ростовская ТЭЦ-2, Новочеркасский завод синтетических продуктов, Красный Котельщик (г. Таганрог), Волжская ТЭЦ

3, Волжский трубный завод, показывают, что их ядро составляют геоинформационные справочные системы (ГИСС). В основу функционирования ГИСС заложены общие принципы организации пространственно-распределенной информации, диалога с пользователем, построения запросов и отображения результатов работы пользователя с геоинформационной системой, а основная задача справочных систем состоит в отображении (визуализации) пространственно-распределенной информации.

Сложность картографической основы существенно влияет на эксплуатационные характеристики ГИСС. В связи с этим существует ряд проблем, связанных с оперативной передачей и отображением больших объемов геоинформации для обеспечения динамического диалога пользователя с системой.

Как показывает анализ, представление информации в ГИС решающим образом сказывается на быстродействии системы в целом. Для эффективной поддержки диалогового режима работы пользователя с системой требуется проведение исследований методов представления информации в геоинформационных справочных системах поскольку:

1) эксплуатационные характеристики реальных систем не позволяют использовать ГИСС в качестве инструментария для принятия оперативных управленческих решений;

2) вопросы, связанные с оперативным использованием ГИСС, недостаточно широко освещены в литературе;

3) решение проблем повышения производительности ГИСС тесно связано с реализацией системы в рамках современных информационных технологий.

В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы, посвященной исследованию методов представления информации в геоинформационных справочных системах, является актуальной.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов представления информации в ГИСС, позволяющих сократить объемы передаваемой геоинформации и увеличить скорость реакции системы на запрос пользователя.

Основными задачами диссертационной работы являются:

1) исследование принципов структурной организации ГИСС и выявление факторов, существенно влияющих на эксплуатационные характеристики системы;

2) разработка и исследование модели диалогового процесса взаимодействия пользователя и ГИСС;

3) разработка метода декомпозиции электронной карты, минимизирующего среднее время реакции системы на запрос пользователя;

4) разработка и исследование алгоритмов декомпозиции электронной карты;

5) разработка структуры организации взаимоотношений между объектами, позволяющей сократить время отображения пространственного окружения объектов поиска;

6) разработка алгоритма автоматизированного построения объектов и системы, отражающей структуру взаимоотношений между ними;

7) разработка метода формирования рабочих областей с минимальной информационной избыточностью.

Методы исследования основываются на использовании теории вероятности, теории множеств, аналитического и статистического моделирования, теории баз данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выделен класс геоинформационных справочных систем, характеризующийся следующими свойствами: наличие преобладающей по объему картографической информации в векторном формате; объем картографической информации таков, что позволяет отнести ГИСС к категории сложных систем; кроме картографической, ГИСС содержит разнородные базы данных текстового, растрового графического, мультимедийного и прочего справочного характера; преимущественно диалоговый характер взаимодействия с пользователем; сетевая реализация.

- получено соотношение, позволяющее определить размеры элементов электронной карты, оптимальные с точки зрения сокращения времени реакции системы на запросы пользователей;

- разработаны алгоритмы декомпозиции и даны рекомендации по их использованию;

- на основании иерархической системы навигационного поиска предложена система, отражающая структуру взаимоотношений между объектами и позволяющая сократить время отображения пространственного окружения объектов поиска;

- сформулированы и обоснованы подходы к компоновке рабочих областей.

Практическая ценность работы заключается в:

1) аналитической модели, описывающей процесс обращения пользователя к ГИСС;

2) разработанных алгоритмах декомпозиции электронной карты в ГИСС;

3) разработанном алгоритме автоматизированного построения объектов и системы взаимоотношений между ними;

4) разработанных алгоритмах формирования рабочей области.

Реализация результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в системы управления ряда крупных предприятий, таких как Ростовская ТЭЦ-2, Волжский трубный завод, Волжская ТЭЦ-3, в виде программного обеспечения ГИСС-приложений, базирующемся на модели и алгоритме декомпозиции электронной карты.

Акты внедрения и использования научных результатов приведены в приложении диссертационной работы.

Апробация темы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Ш-й и 1У-й Всероссийских научных конференциях студентов и аспирантов (Таганрог: ТРТУ, 1996, 1998гг.), Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (Таганрог: ТРТУ, 1997г.), Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы" (Уфа: УГАТУ, 1997г.), 43-й научной конференции студентов и аспирантов (Таганрог: ТРТУ, 1997г.), 44-й научной конференции студентов и аспирантов (Таганрог: ТРТУ, 1998г.), 1-й Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Н.Новгород: НГТУ, 1999г.).

По теме диссертации опубликовано 4 статьи, 5 тезисов докладов и 2 отчета о научно исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 164 стр., основного текста 141 стр., включая 38 рис., 20 табл., списка литературы из 80 наименований. Имеются приложения на 23 стр.

Основные результаты опубликованы в 11 печатных работах.

В опубликованных работах лично автором получены следующие результаты. Основные характеристики и функциональные возможности геоинформационных систем определены в работах [70, 75, 77, 78, 79, 80]. Модель процесса обращения пользователя к ГИСС формализована в [71, 80]. Соотношения для расчета размера элемента электронной карты, позволяющего минимизировать среднее время реакции системы на запрос пользователя, разработаны и опубликованы в [70, 80]. В [73, 80] получены алгоритмы декомпозиции электронной карты и проведен их сравнительный анализ. Некоторые аспекты разрезания графических примитивов исследованы работах [72, 76]. Часть материала, посвященного вопросам осуществления навигационного поиска и построению системы, отражающей структуру взаимоотношений между объектами, приведена в [77, 78]. Вопросы формирования рабочих областей за счет создания пространственных ограничений проанализированы в [74].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе исследованы вопросы представления информации в геоинформационных справочных системах.

1. Андреев A.M., Березкин Д.В., Контонистов Ю.А. Среда и хранилище: ООБД // Мир ПК, М., 1998, № 4.

2. Асланикашвили А.Ф. Метакартография. Основные проблемы. Тбилиси, 1974.

3. Берлянт A.M. Геоизображения и их свойства // Изв. Всесоюз. Геогр. о-ва. 1987. Вып. 5.

4. Берлянт A.M. Геоизображения и геоиконика. М.: Знание, 1990. - 48 с. -(Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Науки о Земле"; № 11).

5. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. М.: МГУ, 1997, 64 с.

6. Берлянт A.M. Новые теоретико-методологические проблемы географической картографии//Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, Геогр. 1989. № 6. С. 9-17.

7. Берлянт A.M. Образ пространства: карта и информация. М.: Мысль, 1986. - 240 е., ил.

8. Берлянт A.M., Мусин О.Р., Свентэк Ю.В. Геоинформационные технологии и их использование в эколого-географических исследованиях // География. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993. - С. 229-263.

9. Берлянт A.M., Тикунов B.C., Жалковский Е.А. Картография. Вып. 4. Геоинформационные системы. Сб. переводных статей. М.: "Картгеоцентр" - "Геодезиздат", 1994.

10. Ю.Богумирский Б.С. Руководство пользователя ПЭВМ: В 2-х ч. Ч. 1. -Санкт-Петербург: Ассоциация 01LC0, 1992. 357 е.: ил.

11. П.Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии: Учебник для студентов инж.-техн. спец. вузов. 3-е изд. испр. и доп., М.: Наука, 1988.

12. Буйе Ф. Автоматизированная тематическая картография и ее применение // Картография. Вып. 2. Использование карт в научных и практических целях в зарубежной картографии. М.: Прогресс, 1983. С. 161 190.

13. З.Булатова Г.Н., Трофимов A.M., Панасюк М.В. Тенденция развития географических информационных систем // Геодезия и картография. М.: Картгесцентр-Геодезиздат, 1997, №9, С. 50-53.

14. Бусленко И.П., Калашников 'В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. М., 1973.

15. ГИС уровня предприятий конца 90-х годов // ArcReview. Современные геоинформационные технологии. М.: Совместное издание СП ДАТА+, ESRI, Inc. и ERDAS, Inc., 1997. № 2, стр. 3.

16. Гохман В., Андрианов В. Что такое ГИС и как с ними . подружиться? // ArcReview. Современные геоинформационные технологии. М.: Совместное издание СП ДАТА+, ESRI, Inc. и ERDAS, Inc. 1998. № 4, стр.2,3карт. В сб.: Синтез в картографии. М., 1976.

17. Дейт К. Введение в системы баз данных. М.: Наука, 1980. 464 с.20.3аруцкая И.П. Составление и редактирование тематических картприроды: Автореф. дисс. . д-ра географ, наук. -М., 1966. 52 с.

18. Кодд Э.Ф. Расширение реляционной модели для лучшего отражения семантики. СУБД, № 5-6,1996.

19. Королев Ю. Тенденции развития моделей данных в ГИС и их значение для ГИС-приложений по работе с инженерными сетями // ArcReview. Современные геоинформационные технологии. М.: Совместное издание СП ДАТА+, ESRI, Inc. и ERDAS, Inc., 1997. № 2,3.

20. Кошкарев A.B., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М.: Наука, 1987.

21. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика. М.: "Картгеоцентр" -"Геодезиздат", 1993.

22. Кроу в Т., Эйвисон Д. Базы данных в административных информационных системах. М.; Финансы и статистика, 1983. 167 с.

23. Латышева З.М. Геоинформационное картографирование и проблема согласования тематических слоев // Геодезия и картография. М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1997, №5, С. 50-57.

24. Линник В.Г. Построение геоинформационных систем в физической географии: Учеб. пособие. М.: Изд-во Моек, ун-та, 1990. 80 с.

25. Лурье И.К. Обучающие ГИС для наук о Земле // Информ. Бюлл. ГИС-Ассоциации, 1988, № 1, С. 8 17.

26. Малышев С. Новый картографический порядок. КомпьютерПРЕСС, № 8, 1996.

27. Мартыненко А.И., Бугаевский Ю.Л., Шибалов С.Н. Основы ГИС. Теория и практика. М.; АО "Астра семь", 1995.

28. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. М., 1981.

29. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. М., 1975.35.0лле T.B. Предложения КОДАСИЛ по управлению базами данных. М.: Финансы и статистика, 1981. 386 с.

30. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений: Пер. С англ. -М.: Радио и связь, 1986.

31. Рейнгольд Э., Нивергельт Ю., Део Н. Комбинаторные алгоритмы: Теория и практика. М.: Мир, 1980.

32. Романова Э.П., Карпова H.H., Артюхов В.В. Использование информационной базы данных для характеристики охраняемых территорий мира (на примере зарубежной Европы) // Вестн. Моск. ун-та.• Сер. 5, Геогр. 1989. № 6. С. 17-23.

33. Салшцев К.А. Генерализация в ее истории и современном развитии. В кн.: Итоги науки и техники. Картография, т. 5. М., 1972, с. 6 - 23.

34. Салшцев К.А. Картоведение. М., 1976.

35. Салшцев К.А. Методика анализа при исследовании явлений по картам. -Вестн. Моск. ун-та. География, 1968, № 5, с. 20 26.

36. Словарь иностранных слов. -15-е изд., испр. -М.: Рус. яз., 1988. 608 с.

37. Снапелев Ю.М., Старосельский В.А. Моделирование и управление в сложных системах. М., 1974.

38. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учебник для вузов по специальности АСУ. М.: Высшая школа, 1985. 271 с.

39. Трофимов А.Н., Гнеденков Л.Н. Реляционные модели в географии. -Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1990. 69 с.

40. Трофимов А.Н., Панасюк М.В. Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1984. -142 с.

41. Фол и Дж., Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: В 2-х книгах. Пер с англ. М.: Мир, 1985.

42. Хаксольд В. Введение в городские географические информационные системы. Изд-во Оксфордского ун-та, 1991. - 321 с.

43. Халугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д. / Под ред. Е.И.Халугина. Цифровые карты. -М.: Недра, 1992.

44. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика. 1998.-288 с.

45. Цикритзис Д., Лоховски Ф. Модели данных. М.: Финансы и статистика, 1985. 343 с.

46. Цифровая картография и геоинформатика. Краткий терминологический словарь / Под общей ред. Е.А.Жалковского. М.: "Картгеоцентр"1. Теодезиздат", 1999. 46 с.

47. Чемберлин Д. Анатомия объектно-реляционных баз данных. Системы Управления Базами Данных, 1995, № 1-2, стр. 3-12.

48. Что нас ждет: компьютеры, мультимедиа, телекоммуникации. КомпьютерПресс, № 1,1996г.

49. Шемакин Ю.И. Введение в информатику. М.: Финансы и статистика, 1985. 189 с.

50. Шеннон Р. Имитационное моделирование искусство и наука. М., 1978.

51. Шомье Ж. Банки данных: Использование электронной вычислительной техники. М.: Энергоиздат, 1981. 69 с.бО.Эгрон Ж. Синтез изображений. Базовые алгоритмы: Пер. с франц. М.: Радио и связь, 1993.

52. Яковлев Е.И. Машинная имитация. М., 1975.

53. Яровых В.Б. Проблемы качества векторных цифровых карт для ГИС // Информационный бюллетень. Выпуск № 3.

54. Bentley J.L., Wood D. An optimal worst-case algorithm for reporting intersections of rectangles // IEEE Trans, on Computers. 1980. v. C-29, n. 7. -P. 571-577.

55. Calkins H.M. Information system development in North America // Proc. Comm. Geogr. Data Sensing and Process, Moskow, 1976. Ottawa 1977. P. 93113.

56. Dangermond J. Les systèmes d'informations géographiques: Classification des elements des logiciels utilises habituellement dans les systèmes d'informations géographiques // Bull. Com. Franc. Cartogr. 1983. № 96. P. 7-20.

57. Копеспу M., Rais K. Geograficke informacni systemy // Folia facultatis scientiarium naturalium universitatis Purkyianae brunensis. Bmo: Univ. J.E. Purkyne, 1985. T. 24; Geographia 21, opus 13. 196 p.

58. Nuerges T.L. Representing spatial properties in cartographic data bases // Techn. Pap. Amer. Congr. Surv. andMapp. 40th Annu. Meet. 1980. P. 29-41.

59. Padlacha K. Jednolita siec pol podstawowych do inventaryzacji zasobow przyrodniczych // Prz. Geod. 1980. Vol. 52, № 3. P. 96-99.

60. Robler H. Zur Mathematisierung der automatischen Randanpassung von Kurven // Wiss. Z. Techn. Univ., Dresden. 1991. - Vol. 40, № 5. - P. 223226.

61. Самойлов JI.К., Беляков С.Л., Сидоренко М.П. Алгоритм разрезания в электронной карте // Информационные и кибернетические системы управления и их элементы: Тез. док. Всероссийской молодежной научно-технической конференции. Уфа: УГАТУ, 1997г.

62. Самойлов Л.К., Беляков С.Л., Сидоренко М.П. Анализ алгоритмов разбиения геодезической карты на элементы // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Управление в социальных и экономических системах». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998, № 1 (7), 319 с.

63. Самойлов Л.К., Беляков С.Л., Сидоренко М.П. ГИС в Интрасети // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления: Тез. док. IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов.• Таганрог: ТРТУ, 1998г. с. 245 - 246.

64. Самойлов Л.К., Беляков С.Л., Сидоренко М.П. Организация и функционирование ГИС, использующих сложные электронные карты // Сборник по материалам 43-й научно конференции студентов и аспирантов Таганрог: ТРТУ, 1997г.