Муниципальные ГИС Украины

Серединин Е.С., Глава правления

Козлитин В.Е., Директор департамента ГИС и ДЗЗ проектов, e-mail: valk@ecomm.kiev.ua

ЗАО "ЕСОММ Со.", Украина, г.Киев, Web: www.ecomm.kiev.ua

Муниципальные образования (города, населенные пункты и т.п.) представляют собой территорию с расположенными на ней объектами инфраструктуры, являющимися ресурсным потенциалом города: земля и другая недвижимость (здания и сооружения); объекты инженерных и транспортных сетей; объекты окружающей среды.

Территориальное управление городом – это деятельность городской администрации и ее органов, которая направлена на обеспечение стабильного развития города, увеличение его ресурсного потенциала и поступлений в городской бюджет.

Органами исполнительной власти города реализуется трехуровневая система территориального управления, на каждом из которых решаются свои специфические задачи управления городской средой:

• нижний уровень – учетно-эксплуатационный;

• средний уровень – уровень оперативного управления;
• верхний уровень – уровень стратегического управления на основании интегральных показателей.

В зависимости от уровня управления меняется как состав решаемых задач, так и наборы необходимой пространственной и атрибутивной информации. Также, ввиду большой географической распределенности субъектов территориального управления, целесообразно предусмотреть и территориальную распределенность компонентов корпоративной геоинформационной системы. Для успешного проектирования и разработки корпоративной ГИС приходится учитывать все перечисленные факторы.

Основной уровень – это уровень оперативного управления, который представлен управлениями исполкома городского совета и комитетами: Управление капитального строительства, Управление земельных ресурсов, Управление охраны природной окружающей среды и т.д. Первоочередной задачей этих организаций является анализ процессов, протекающих в предметных областях учетного уровня, а также регулирование этих процессов. Здесь осуществляется принятие основной массы конкретных управленческих решений, и самое главное на этом уровне – эффективная интеграция и обобщение данных, их анализ и представление в удобной для руководителей форме.

Решение задач, связанных с управлением территориальным развитием, всегда требует обработки больших массивов данных. Необходимые данные поступают из разнообразных источников, обрабатываются и передаются с помощью разных информационных технологий, вычислительных и телекоммуникационных систем.

К сожалению, реальная ситуация такова, что поскольку большинство используемых технологий и систем создавались в разное время в структурах и по требованиям различных ведомств, то существует серьезная проблема информационной несовместимости. Кроме того, на практике функционирующие системы организационно и функционально недостаточно скоординированы, что усложняет управление процессами получения необходимых данных для принятия своевременных информационных решений.

Управление городской территорией осуществляется многими городскими службами разрознено. Одни отвечают за участки земли, другие за здания, третьи – за коммуникации, четвертые – за планирование и т.д. Ведомственные базы пространственных данных закрыты и изолированы, они создаются на несогласованной нормативно-правовой и картографической основе, используют различные системы координат с закрытыми ключами перехода, разнородны по своей структуре и форматам хранения информации, между ними не может быть налажен эффективный информационный обмен. В результате, они практически недоступны органам государственной власти, местного самоуправления. Процессы поиска, аналитической обработки и использования содержащейся в этих базах информации значительно затруднены.

Как показывает опыт, задача эффективной организации соответствующих информационных процессов может решаться только в рамках построения интегрированных информационных систем, при координации процессов их развития с развитием информационных ресурсов на данной территории и решением общих инфраструктурных проблем информатизации города. Основной смысл этой задачи состоит в организации и структурировании информации, которая находится как в распоряжении органов градостроительства, так и в других службах и организациях городского хозяйства, а также в последовательной интеграции информационных ресурсов в единую территориальную информационную систему.

Система эта должна быть межведомственной и включать (интегрировать) в себя всю необходимую информацию обо всех объектах ресурсного потенциала города (земля и другая недвижимость, инженерная и транспортная инфраструктура, окружающая среда и т.п.), должна обеспечивать систематизацию этой информации по территориальным признакам и ее мониторинг.

До настоящего времени в Украине нет готовых комплексных решений для создания распределенных корпоративных муниципальных ГИС (МГИС), ориентированных на интеграцию данных и создание единого информационного пространства. Большинство решений относится к частным задачам автоматизации отдельных сфер градостроительной деятельности. Поэтому нам представляется актуальным формирование корпоративных ГИС на основе программных продуктов семейства ArcGIS, мировой опыт использования которых для эффективного управления территориями достаточно обширен.

Комплексный характер задач, решаемых с помощью муниципальных ГИС, определяет необходимость такого же комплексного подхода к их созданию. В рамках разработки корпоративной МГИС на первый план выходят задачи информационной и системной интеграции субъектов градостроительной деятельности и развития территории.

В настоящее время отчетливо видна тенденция развития ГИС от отдельных ведомственных систем до серверных корпоративных систем. Мы видим подтверждение этой тенденции на примерах развития ГИС ряда городов Украины (Украинка, Луганск, Харьков, Киев) и Сакского района АР Крым.

Не рассматривая все аспекты создания корпоративных муниципальных ГИС, в рамках этой работы мы остановимся лишь на некоторых вопросах методологии создания таких систем:

• создание и ведение цифровой модели территории

• использование идеологии инфраструктуры пространственных данных
• организация ведения единого информационного пространства в распределенной корпоративной ГИС

• архитектура корпоративной ГИС.

Цифровая модель территории – основа системы комплексного управления

ГИС – это информационная система, представляющая реальные объекты на местности в виде графических объектов, каждый из которых связан с различными атрибутивными данными, характеризующими данный объект. Однотипные объекты объединяются в слои пространственных объектов. Таким образом создается цифровая модель территории слоистой структуры. Количество и тематика этих слоев определяют точность моделирования территории (рис. 1).

Рис. 1. Цифровая модель территории и ее составляющие.

ГИС – это автоматизированная система, включающая большое количество картографических и тематических баз данных, соединенных модельными и расчетными функциями для манипулирования этими данными и преобразования их в пространственную картографическую информацию для принятия на ее основе разнообразных управленческих решений.

Цифровая модель территории призвана дать правильное представление о местоположении, метрических параметрах и взаимоотношениях между пространственными объектами. Все объекты, составляющие градостроительную модель территории (кадастры и реестры, зонирование территории города и т.п.), представлены в цифровой модели как пространственные объекты (точечные, линейные и площадные), объединенные в соответствующие слои. Пространственный объект имеет геометрию и местонахождение, а также атрибутивные данные, в том числе кадастровые характеристики: этажность, тип и адрес зданий, название улиц, номер земельного участка, данные об арендаторе, и т.д.

Цифровая модель территории является цифровым представлением градостроительной модели территории и предназначена для интеграции различных пространственных данных в единое информационное пространство, которое состоит из взаимосвязанных тематических блоков: социально-экономического, архитектурно-планировочного, природо-экологического, инженерно-инфраструктурного. Каждый из этих блоков, в свою очередь, содержит множество тематических слоев, которые освещают различные аспекты градостроительной деятельности и развития города.

Однако, различные слои, составляющие цифровую модель территории, создаются многими организациями с использованием разных технологий и могут быть представлены в различных форматах. Поэтому, без использования специальных решений, нельзя обеспечить возможность использования цифровой модели территории в качестве средства информационной интеграции всех субъектов управления территорией города и создания единого объектно-ориентированного информационного пространства города (ЕИП).

Одним из эффективных средств устранения или, по крайней мере, снятия остроты этих проблем является создание цифровой модели территории с использованием идеологии инфраструктуры пространственных данных (ИПД).

Инфраструктура пространственных данных

Инфраструктура пространственных данных – это, прежде всего, принципы, на основе которых должны быть построены современные ГИС, это концепция, в которой должно быть закреплено внедрение стандартов обмена геоданными и создания общедоступного каталога геоинформационных ресурсов и служб (рис. 2).

Рис. 2. Инфраструктура пространственных данных: одна из задач, решаемых на ее основе.

Инфраструктура пространственных данных направлена на решение ряда задач.

Первая из них связана с отсутствием взаимосовместимости пространственных данных, полученных от различных организаций (ведомств). Обеспечение интеграции и согласованности пространственных данных, которые получены от различных организаций, ведомств и компаний различных профилей и форм собственности – это первая задача, которая может быть решена при использовании ИПД.

Вторая проблема связана с трудностями доступа к данным. Различная тематическая направленность и постоянный характер пополнения ЕИП новыми данными различного тематического направления не позволяют создать неизменную единую структуру хранения данных (структуру базы геоданных). К тому же, поступление новых данных приводит к необходимости создавать новые связи при выводе данных на экран в виде пространственных слоев. Все это приводит к тому, что необходимые данные не всегда доступны пользователям в нужное время, несмотря на то, что в цифровой модели территории они имеются.

Обеспечение доступа к пространственным данных в режиме "единого окна", при котором от пользователей не требуется знаний о структуре сохранения данных, форматах их представления, технологий и методов, которые были задействованы при их создании, а также методах их загрузки и визуализации – это вторая задача ИПД (рис. 2).

Использование идеологии ИПД предполагает сочетание следующих основных компонент:

• наличие технологии

• обоснование состава базовых пространственных данных (БПД)
• использование метаданных и каталогов данных, создание службы каталога

• организационно-нормативная поддержка.

Рассмотрим некоторые из этих компонент.

Базовые пространственные данные – это пространственные объекты, которые относятся к специально выделенным типам, отличаются стабильностью пространственного положения во времени, а также обеспечивают интеграцию всех информационных ресурсов на территории. БПД играют роль своеобразных пространственных классификаторов, ссылка на которые или пространственная привязка к которым обеспечивает возможность интеграции пространственных данных, поступающих от различных поставщиков. Все остальные данные считаются тематическими.

Таким образом, в соответствии с требованиями ИПД, цифровая модель территории содержит слои двух типов:

• базовые слои, которые содержат БПД и составляют базовую модель территории, например, космический снимок территории города, объекты крупномасштабной цифровой карты города: дома, улицы, водоемы, речки, квартальная застройка, границы города, административное деление города, и т.п.;
• тематические слои, которые определяют пространственные объекты, имеющие отношение к отдельной сфере градостроительной деятельности и должны быть пространственно согласованы с объектами базовых слоев, например, буферные защитные зоны, слои природно-заповедного фонда, инженерные коммуникации, и т.п.

Администрация города (сама или через специальные организации) должна играть роль поставщика необходимых наборов БПД (растровых, векторных и метаданных) подрядным организациям (перед началом их работ). Подрядные организации должны использовать эти БПД при выполнении своих работ и пространственной привязки к ним своих тематических пространственных данных с формированием соответствующих метаданных.

При получении данных от подрядчиков выполняется процедура интеграции, которая состоит в проверке их пространственной согласованности с БПД и добавлении в цифровую модель территории (внесение в базу геоданных и их каталогизацию). После этого новые данные будут доступны пользователям через поисковые механизмы службы каталога.

В соответствии с концепцией ИПД, доступ к пространственным данным реализуется посредством метаданных (стандартизированного описания данных), способных дать информацию об имеющихся данных необходимой тематической направленности. Метаданные хранятся и обслуживаются с помощью доступных для пользователя каталогов пространственной информации. Поиск и обнаружение необходимых данных предусматривает наличие в ИПД службы каталога метаданных, обеспечивающей удобный, простой и понятный пользователю интерфейс работы. Служба каталога должна брать на себя выполнение всех действий (определение места расположения набора данных, использование требуемых связей меду данными, формирование слоев и т.п.) по доставке данных пользователю в удобном для него виде. Другими словами, должна формироваться информационная магистраль, которая должна скрывать от пользователя все инфраструктурные компоненты: место и структуру хранения данных, используемую технологию доставки (локальная или веб доставка), требуемые реляционные связи и т.п.

Служба каталога должна обеспечивать выполнение таких основных задач:

• ведение каталога;

• поиск объектов в каталоге и позиционирование карты на выбранный объект;
• просмотр каталога и загрузка данных из ЕИП в виде тематических слоев (групп слоев) на рабочее место пользователя.

При использовании этого механизма от пользователя не требуется знаний о структуре сохранения данных и методов их загрузки и визуализации (создания слоев из существующих источников данных).

Ведение единого информационного пространства в распределенной корпоративной ГИС

Одной из основных задач корпоративных МГИС является организация функционирования и ведения единого информационного пространства в распределенной ГИС, узлами которой являются отдельные подсистемы.

Проблема заключается в том, что необходимо решить целый ряд взаимосвязанных задач, а именно:

• обеспечение автономности функционирования каждого узла (подсистемы);
• обеспечение возможности распределенного редактирования данных пользователями различных подсистем, результаты которого должны содержаться в центральной БД и быть доступны пользователям других подсистем;
• обеспечение возможности использования различных типов СУБД (уже используемых в том или ином Управлении городского совета или определяемых Заказчиком, исходя из собственных соображений) в различных узлах системы;
• создание многоуровневой архитектуры ЕИП: персональная БД на клиентском уровне, СУБД рабочих групп на уровне подсистем и полновесная корпоративная СУБД на уровне центральной БД.

Опыт, накопленный компанией ЕСОММ при создании муниципальных ГИС, показывает, что наиболее целесообразным решением перечисленных задач является использование для этих целей технологии реплицирования баз геоданных фирмы ESRI.

Кратко рассмотрим основные принципы данной технологии, которые определяют возможность ее использования для решения перечисленных задач. Эта технология обеспечивает репликацию данных, их синхронизацию и пространственную целостность (рис. 3). Она включает в себя два типа процессов: открепление данных; синхронизация, выявление нарушений целостности данных, их реинтеграцию в мастер-БГД.

Рис. 3. Принципы технологии реплицирования баз геоданных.

В процессе открепления создаются реплики данных, которые хранятся в версионных мастер-БГД. Открепление данных состоит из специального копирования необходимых данных (всех или только тех, которые требуются для создаваемой реплики) из мастер-БГД в БГД открепления. Особенности этого копирования состоят в том, что все результаты редактирования (добавление, удаление, корректировка) скопированных таким образом данных могут быть потом реинтегрированы в мастер-БГД. Из одной основной БГД может создаваться несколько откреплений.

Каждая база откреплений функционирует автономно от мастер БД с периодической реинтеграцией (прикреплением данных) изменений данных в основную БД.

Реинтеграция данных состоит из проверки целостности изменений, которые были осуществлены в открепленной БГД с данными в мастер БГД, и их синхронизации с данными, которые содержатся в мастер-БГД. Процесс реинтеграции носит итерационный характер, то есть поддерживается многоразовая синхронизация реплик, которые были одноразово откреплены.

Для репликаций не задействуются средства используемой СУБД. Весь процесс осуществляется исключительно в среде ArcGIS. Каждый узел системы функционирует под управлением своего сервера ArcGIS Server, который настраивается на используемую в узле СУБД. Разные узлы системы могут использовать разные типы СУБД, например, один узел функционирует под управлением Oracle, другой – MS SQL, третий – DB 2. Таким образом, технология реплицирования баз геоданных фирмы ESRI поддерживается в гетерогенных средах СУБД.

БГД открепления, функционирующие под управлением ArcGIS Server, могут, в свою очередь, использоваться для создания следующего уровня реплик. Персональные БГД (MS Access) могут использоваться только в качестве БГД открепления (открепленное редактирование). Таким образом, создается многоуровневая система баз геоданных, которая обеспечивает распределенное редактирование и синхронизацию данных в центральной БГД.

Синхронизация реплик и мастер БГД осуществляется с использованием изменений реплик (инкремент данных), а именно: они организуют информационный обмен между узлами системы в процессе синхронизации и участвуют в процессе реинтеграции в основную базу геоданных. Технология фирмы ESRI, которая предназначена для поддержки распределенных баз геоданных, предоставляет несколько стратегий осуществления реинтеграции:

• с использованием непосредственной связи с реплицированной БГД (если реплики и мастер БГД подключены к одной локальной сети);
• с использованием файлов, в которых информация представлена в виде XML схемы или фрагмента БД, которые содержат только изменения данных. Это обеспечивает возможность задействовать эту технологию в среде "слабо связанных систем", которые определяют нечувствительность системы к качеству и организации каналов связи – передача с использованием локальной сети, E-mail, ftp каналов, и т.п.

Таким образом, ЕИП создается как распределенная база геоданных, узлами которой являются: центральная БГД, БГД подсистем и локальные БД клиентских приложений конечных пользователей (рис. 3). Функционирование ЕИП реализуется в процессе взаимодействия распределенных серверных и локальных компонент ArcGIS, поддерживающих технологию реплицирования.

Однако, технология реплицирования является сугубо базовой. Она не в полной мере автоматизирована, требует значительного участия человека (Администратора) для создания реплик и синхронизации. Кроме того, для эффективного функционирования этой технологии необходима установка на клиентских рабочих местах довольно сложных, хотя и стандартных компонент, что значительно удорожает общую стоимость системы.

Поэтому организация распределенного редактирования Центральной БД с клиентских рабочих мест, по нашему мнению, требует использования дополнительных клиент-серверных решений, в основе которых лежит описанная выше технология репликаций.

Общая архитектура системы

Муниципальные образования представляют собой динамично развивающиеся структуры, поэтому архитектура муниципальных ГИС должна поддерживать масштабирование, осуществляемое в темпе развития города, с сохранением созданных ранее программно-технологических решений. Кроме того, МГИС – это большие системы, внедрение которых занимает продолжительное время, что требует использования пошаговой стратегии их реализации и развития.

Опыт внедрения ГИС муниципальных образований Украины различного масштаба, в проектах создания и развития которых принимала участие компания ЕСОММ, показывает, что наиболее живучей является архитектура, основанная на использовании ГИС серверов (ArcGIS Server) для каждой подсистемы и организации единого информационного пространства на основе распределенной базы геоданных.

Рассмотрим ключевые моменты предлагаемой архитектуры, представляющей собой корпоративную автоматизированную систему информационной поддержки принятия решений за счет создания и ведения цифровой модели территории как единого информационного пространства, а также комплексирования различных технологий для обеспечения клиент-серверного взаимодействия пользователей системы с единым информационным пространством.

Функционирование системы осуществляется на основе создания, поддержки в актуальном состоянии и использования геоинформационной (цифровой) модели территории города. МГИС создается как единая система в масштабе всего города на основе единой методологии, единой технологической политики, с использованием единых протоколов обмена данными со смежными системами.

Корпоративная Муниципальная ГИС представляет собой иерархическую структуру, которая состоит из центральной подсистемы и функциональных подсистем субъектов управления территориальным развитием города (рис. 4):

• предприятий базового (учетно-эксплуатационного) уровня, к которому относятся подсистемы организаций, занимающихся непосредственным учетом объектов, размещенных на территории города, а также их эксплуатацией;
• основных управлений администрации, которые составляют уровень оперативного управления городом;
• организаций уровня стратегического управления по интегральным показателям. Этот уровень составляют подсистемы:
  • аппарата исполкома городского совета
  • аналитических подразделений Главархитектуры
  • подразделений исполкома городского совета.

Рис. 4. Общая структура корпоративной муниципальной ГИС.

Каждая подсистема является отдельным узлом системы и функционирует под управлением своих серверных компонент ArcGIS.

Ядром системы является центральная подсистема, в его состав входят серверные компоненты ArcGIS Sever, корпоративная СУБД, под управлением которой функционирует Центральная базы геоданных, ArcEditor в качестве средства администрирования Центральной БГД, а также средства публикации веб-служб и поддержки функционирования сервисов общего пользования (рис. 5).

Рис. 5. Центральная подсистема – ядро общегородской ГИС.

Центральная подсистема образует информационное ядро корпоративной ГИС города, в функции которого входит:

• ведение распределенной базы геоданных. Центральная БГД представляет собой мастер-копию верхнего уровня для создания и синхронизации реплик, которые образуют основу для БГД функциональных подсистем;
• интеграция данных, поступающих от внешних предприятий, организаций, задействованных в работах по градостроительству и развитию территорий. При этом выполняется: получение тематических слоев, проверка их согласованности с базовыми слоями и регистрация полученных данных в каталогах, после чего они становятся доступными всем пользователям системы и/или включаются в реплики;
• организация информационного обмена между функциональными подсистемами.

Все функциональные подсистемы имеют однотипную двухуровневую структуру, в состав которой входят:

• верхний уровень – ГИС сервер ArcGIS Server, средства администрирования (ArcEditor) и соответствующая СУБД, под управлением которой функционирует база геоданных подсистемы;
• нижний уровень – программные комплексы конечных пользователей.

Работа функциональных подсистем организована таким образом, что конечные пользователи используют в процессе своей работы только геоинформационные ресурсы своего узла (как для просмотра, так и для редактирования). Все действия, необходимые для осуществления информационного обмена и пополнения информационных ресурсов подсистемы, выполняются в процессе реплицирования баз геоданных системы.

Функциональные подсистемы используют свои локальные реплики центральной базы данных, информация которых интегрируется в единое информационное пространство путем синхронизации реплик. Различие подсистем определяется только типом используемого ГИС сервера, а также типом используемой СУБД.

Таким образом, создается архитектура программно-технологического пространства корпоративной муниципальной ГИС на основе распределенных ГИС-серверов и поддержки функционирования единого информационного пространства как распределенной базы геопространственных данных.

Можно говорить о типовых решениях на уровне функциональных подсистем, которые настраиваются на конкретное использование путем установки требуемых системных компонент и компоновки набора используемых программных комплексов конечного пользователя.

Предлагаемый подход обеспечивает возможность масштабирования путем разворачивания подсистем, т.е. путем установки более мощных серверных компонент ArcGIS и СУБД. Можно использовать типовые решения для муниципальных образований различного уровня и масштабировать эти решения: для сельских советов можно использовать настольные решения и персональную БГД, для малых городов можно использовать решения на уровне рабочих групп, а для средних и больших городов можно использовать мощные серверные решения.

Использование типовых решений обеспечивает такую стратегию внедрения системы, которая не зависит от очередности внедрения подсистем. Структура подсистем также масштабируется путем разворачивания необходимых компонент.

Заключение

На сегодняшний день развитие информационных технологий достигло уровня, позволяющего создавать корпоративные системы управления территориальным развитием такой сложности и объема, о которых можно было только мечтать в недавнем прошлом. Мы надеемся, что в Украине улучшится политическое и экономическое положение и такие муниципальные ГИС будут созданы в каждом городе, что, несомненно, будет способствовать эффективному использованию территорий и улучшению жизни граждан.