Осокин С.А., Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, ESRI CIS, e-mail: osokin@esri-cis.ru
Spatial Data Infrastructures in Geography
В настоящее время в исследованиях, включающих геоинформационное картографирование, геоинформационный анализ и математико-картографическое моделирование, используются разнообразные источники информации. Это цифровые базы пространственных данных, электронные и бумажные карты, базы географических знаний, различные виды геоизображений и моделей земной поверхности, данные дистанционного зондирования. Все в большем количестве к ним прибавляются новые виды онлайновых источников, такие как геоинформационные веб-сервисы (ГИС-сервисы), Интернет-ГИС и другие. Все эти источники географической информации, то есть информации, имеющей пространственно-временную приуроченность, представляют собой различные виды географических информационных ресурсов (геоинформационных ресурсов). В современных условиях в большинстве случаев речь идет об использовании цифровых геоинформационных ресурсов в связи с широким внедрением компьютерных геоинформационных систем (ГИС).
По мере накопления большого объема первичных и производных геоинформационных ресурсов возникает задача их структуризации. Она связана с необходимостью интеграции пространственных данных на исследуемую территорию, обеспечения простого доступа к этой информации и обмена геоинформационными ресурсами между участниками исследования и другими заинтересованными лицами.
Решение этой задачи достигается путем формирования специальной компьютерной системы, инфраструктуры пространственных данных (ИПД) – базового набора технологий, механизмов, правил и соглашений для обеспечения доступа к геоинформационным ресурсам.
Сейчас существуют и разрабатываются ИПД различного типа, уровня и характера. Структуру и специфику ИПД определяют ее основные компоненты: наборы базовых пространственных данных (БПД), метаданные, географические информационные узлы (геопорталы). БПД представляют собой пространственные данные о базовых пространственных объектах (БПО), служащих основой для позиционирования иных пространственных объектов [6]. БПД являются ядром ИПД, обычно они содержат наборы данных общегеографического характера и имеют гарантированные качество и доступность. Метаданные используются для описания различных видов геоинформационных ресурсов и формируются на основе международных стандартов. Геопорталы предоставляют средства поиска, доступа и обмена геоинформационными ресурсами посредством каталогов метаданных и других средств, также основанных на стандартах. Пространственный охват базовых данных, лежащих в основе инфраструктуры, и набор базовых объектов, которые они описывают, а также задачи, для которых создается система, являются признаком типа, уровня и характера ИПД.
Общепринятым путем формирования ИПД является создание сети взаимосвязанных геопорталов, содержащих каталоги метаданных для поиска геоинформационных ресурсов по специальным параметрам: географической привязке, тематике, автору, ключевым словам, типу ресурса, типу данных. Кроме этого, геопорталы предоставляют своим пользователям наборы БПД и средства их использования. Структура базовых данных и метаданных определяется с помощью введения национальных и международных стандартов.
Основное внимание уделяется формированию государственных национальных ИПД. Их назначение – обеспечить доступ широкой общественности, а также органов государственного и местного самоуправления к ресурсам пространственных данных на территорию государства. Для всех компонентов государственных ИПД формируются национальные стандарты, основанные на международных. Примерами таких ИПД и их действующих прототипов могут служить национальные ИПД США, Канады, Испании, Нидерландов, Австралии, Франции, Литвы [7]. Наиболее активно развиваются государственные ИПД стран Европейского союза, где действует директива INSPIRE, определяющая правила, стандарты и сроки их формирования [3]. Российская государственная ИПД (ИПД РФ или РИПД) находится в стадии формирования.
Достаточно широкое распространение уже получили региональные и ведомственные ИПД, а также ИПД корпоративного уровня.
Одним из новых направлений развития ИПД является создание систем, ориентированных на использование в научной среде и в образовании. За рубежом такие системы часто создаются как подсистемы государственных ИПД. В России государственная ИПД пока отсутствует, поэтому для задач науки и образования целесообразно создание самостоятельных систем. Хотя разработки в этом направлении находятся на начальной стадии, можно проследить и некие общие тенденции. Так, при разработке ЕНИП РАН (Единое научное информационное пространство Российской академии наук) основное внимание уделяется универсальности и совместимости стандарта метаданных, применяемого в системе, а также использованию распределенных вычислений. Система имеет ведомственный тип (Российская академия наук) и национальный уровень [2].
Перспективным направлением внедрения ИПД в науки о Земле являются географические исследования локального уровня, связанные с накоплением больших объемов пространственных данных и других геоинформационных ресурсов на исследуемую территорию. В качестве примеров можно привести стационарные и полустационарные комплексные физико-географические исследования, исследования ООПТ (особо охраняемых природных территорий), эталонных географических участков экологического мониторинга. Эффективность таких исследований напрямую связана с их обеспеченностью базовыми пространственными данными и другими геоинформационными ресурсами, описывающими исследуемую территорию, что входит в задачи создания ИПД. Для обеспечения таких исследований актуально создание особых локальных ИПД, предназначенных для структурирования геоинформационных ресурсов, формируемых по мере выполнения работ. Локальная ИПД может формироваться на основе локальных ГИС, создаваемых в ходе этих исследований [4, 8].
На Кафедре картографии и геоинформатики Географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова разработана методика создания локальной ИПД для обеспечения географических исследований. Сформулированы требования к системе и ее компонентам, разработаны методы формирования компонентов инфраструктуры.
Общие требования к системе заключаются в следующем:
Территориальность системы. Локальная ИПД должна создаваться для определенной территории, на которой проводится исследование, и предоставлять пользователям системы базовые пространственные данные (БПД) на эту территорию.
Обеспеченность базовой общегеографической и тематической информацией. Пользователи локальной ИПД (участники исследования территории и соответствующей ей геосистемы) должны быть обеспечены не только наборами пространственных данных общегеографического характера, но и наборами тематических данных гарантированного качества для географической и тематической привязки результатов исследования.
Возможность информационного обмена на двух уровнях: между участниками исследования на внутреннем уровне и с другими системами и их пользователями на внешнем уровне. На этих уровнях должны действовать различные правила доступа к информации, позволяющие предоставлять результаты исследований с соблюдением авторских прав.
Возможность географической привязки результатов исследования как при использовании общеземной или референцной системы координат, так и при использовании местной условной системы координат.
Интеграция с ГИС-пакетами. Локальная ИПД должна быть интегрирована с распространенными ГИС-пакетами за счет использования общепринятых стандартов и сетевых технологий обмена географической информацией.
В соответствии с общими требованиями к системе сформулирован ряд требований к компонентам локальной ИПД:
Базовые пространственные данные (БПД) локальной ИПД должны состоять из общегеографического и тематического блоков. Первый блок должен содержать наборы данных о базовых пространственных объектах (БПО), служащих основой для пространственной привязки результатов исследований, а также основой для составления общегеографической карты исследуемой территории. Второй блок должен содержать наборы данных, служащих основой для составления тематических физико-географических карт исследуемой территории, анализа природных явлений и тематической привязки данных. Все наборы БПД должны предоставляться пользователям в картографическом виде в форме картографических веб-сервисов, основанных на международных стандартах обмена географической информацией. Хранение наборов БПД должно осуществляться в многопользовательской базе пространственных данных, что позволяет минимизировать дублирование данных и обеспечить их многократное использование многочисленными пользователями.
Метаданные локальной ИПД должны создаваться в соответствии с международными стандартами метаданных для описания геоинформационных ресурсов. При этом предоставлять метаданные пользователям системы необходимо в соответствии с терминологией, принятой в географических исследованиях. В структуре метаданных должны быть предусмотрены разделы, описывающие тип, содержание, тематику, математическую основу, пространственную привязку, авторство, особенности описываемого ресурса и способ доступа к нему. Информация о пространственной привязке описываемого ресурса в метаданных должна выражаться в широтах и долготах ограничивающих меридианов и параллелей в общеземной системе координат, а сам ресурс может быть привязан и в условной системе координат.
Рис. 1. Структура геопортала локальной ИПД.
Геопортал локальной ИПД, кроме предоставления пользователям всех стандартных функций геопортала для доступа к геоинформационным ресурсам [7], должен быть разделен на внешний и внутренний сегменты (рис. 1). Внешний сегмент доступен всем пользователям сети интернет и предоставляет средства поиска ресурсов по метаданным, публикации метаданных, обмена метаданными, отображения наборов БПД в картографическом виде на экране компьютера без доступа к самим данным. Внутренний сегмент геопортала ограничен узким кругом пользователей в рамках локальной компьютерной сети организации, проводящей исследование территории. Здесь пользователям предоставляется возможность анализа наборов БПД в соответствии со структурой слоев базы пространственных данных, в которой они хранятся, а также получения цифровых копий наборов БПД, снабженных метаданными и картографическими легендами. Особенностью локальной ИПД также является то, что для нее, как правило, достаточно создания одного геопортала без формирования сети из нескольких взаимосвязанных геопорталов (рис. 2).
Рис. 2. Технологическая схема геопортала.
Анализ существующих серверных и инфраструктурных ГИС-технологий создания баз пространственных данных, ГИС-серверов и ГИС-сайтов показал, что набор технических средств, достаточных для разработки компонентов ИПД любого типа, уровня и характера уже существует. Поэтому основное внимание при создании локальной ИПД должно уделяться теоретическому обоснованию и разработке структуры, содержания и функций ее компонентов. В качестве примеров программных продуктов можно привести ESRI ArcSDE для формирования хранилища базовых данных и метаданных, ESRI ArcGIS Server, ConTerra sdi.suite для формирования элементов структуры и интерфейса геопортала, ArcGIS Server Geoportal Extension для разработки структуры профиля метаданных.
Литература
- Аляутдинов А.Р., Лурье И.К., Осокин С.А. Проектирование и использование локальной инфраструктуры пространственных данных. // XIV Всероссийский форум «Рынок геоинформатики в России. Современное состояние и перспективы развития». М.: ГИС-ассоциация, 2007.
- Бездушный А.Н., Вершинин А.В., Динь Ле Дат. Пространственные метаданные в системе «ГеоМЕТА» // Пространственные данные. М.: 2008. № 2. С. 16-25, 69; №3. С.26-29.
- Директива 2007/2/ЕС Европейского парламента и Совета Европы от 14 марта 2007 г. по созданию инфраструктуры пространственной информации ЕС (INSPIRE) // Пространственные Данные. М.: 2008. № 1.
- Добриденев А.И. ГИС – «Заповедник». Справочно-методическое издание. М.: Экотерра, 2005. 93 с.
- Книжников Ю.Ф., Вахнина О.В. Инфраструктура пространственных данных на примере университетского учебно-научного полигона «Сатино» // Вестник Московского университета. Серия 5: География. М.: 2008. № 3. С. 39-42.
- Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации // Геодезия и картография. М.: 2006. № 10. С. 1-6.
- Кошкарев А.В. Геопортал как инструмент управления пространственными данными и геосервисами. // Пространственные данные. М.: 2008. № 2.
- Лурье И.К., Осокин С.А. Создание инфраструктур пространственных данных для обеспечения решения научно-исследовательских и образовательных задач. // Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт. Материалы Международной конференции Intercarto InterGIS. Пермь (Россия), Гент (Бельгия). М.: 2009. С. 225 — 231.
- Осокин С.А. Локальные инфраструктуры пространственных данных. // ArcReview, 2008. № 3 (46). С. 21-22.
- Осокин С.А. Задачи и методика создания локальных инфраструктур пространственных данных. // Геодезия и картография. М.: 2009. № 2. С.28-32
