Кройн И.Г., Мосавтодор, Лебедева Н.Я., Самохина А.В., Землянская Я.Ю., DATA+
Государственное учреждение «Управление автомобильных дорог Московской области «Мосавтодор» управляет обширным дорожным хозяйством. В его ведении находится более 20 тысяч километров региональных дорог центральной области страны с самой высокой плотностью дорожной сети.
«Мосавтодор» является основным государственным заказчиком работ по содержанию, ремонту, реконструкции и новому строительству автомобильных дорог общего пользования Московской области и сооружений на них. По заказу Управления «Мосавтодор» дорожные и мостовые работы выполняют более 100 подрядных организаций, оснащенных современной техникой и оборудованием. Управление дорожным хозяйством имеет иерархическую структуру, включая 9 региональных (РДУ) и 36 районных представительств.
Потребности в информатизации
Для управления таким большим хозяйством «Мосавтодор» внедряет новые информационные технологии и обеспечивает их широкое применение. Они помогают управлять обширным подведомственным хозяйством на основе созданной и постоянно растущей информационной базы. Эта база данных включает сведения не только о самих дорогах, вносимых в паспорта дорог, но и о сооружениях на дорогах, а также о ремонтных и строительных работах и работах, связанных с обслуживанием дорожной сети. В полосе отвода дорог активно развиваются различные виды деятельности, которые также необходимо учитывать в дорожном хозяйстве для координации взаимодействия по использованию земель и налогообложению.
Паспорта дорог – один из главных источников информации о дорогах. Однако их ведение в бумажном виде осложняет оперативное обновление информации при тех или иных изменениях. Дорожная сеть Московской области – одна из наиболее динамичных и быстро растущих. Поэтому требовалось обеспечить обновление сведений о дорогах и внедрить систему, позволяющую поддерживать информацию в актуальном состоянии наиболее эффективным образом.
ГИС для управления информацией
В связи с этим, в 1999 году было принято решение об обновлении и консолидации информации, собираемой различными дорожными организациями на местах. В качестве консолидирующей системы была выбрана технология ГИС, позволяющая собирать и сопоставлять различные данные на единой картографической основе дорожной сети региона.
Для выполнения этой задачи была привлечена группа специалистов лаборатории геоинформационных систем «География транспорта» Московского автомобильно-дорожного института (ГеоТранс МАДИ), уже имевших к тому времени достаточный опыт использования ГИС для дорожного хозяйства, а также опыт полевых исследований дорог. В качестве программного средства ГИС тогда было решено использовать систему ArcView GIS 3.1 с дополнительными модулями, предоставлявшую необходимую функциональность для создания хорошей цифровой основы дорожной сети, специальные функции для работы с протяженными объектами, ведения учета объектов и явлений вдоль них в линейном измерении. Кроме того, в составе ArcView GIS имеется внутренний достаточно развитый объектно-ориентированный язык программирования Avenue, который позволил настраивать стандартный интерфейс этого программного обеспечения в виде удобного для пользователя приложения. ArcView 3.х может эффективно связывать пространственные данные с табличными, которые предстояло унифицировать и организовать в единую структуру показателей. Большинство табличных данных, уже существовавших к тому времени, было переведено в формат dbf, который являлся основным для работы в ArcView. Кроме визуального представления дорожной сети в виде карты, программа предоставляла возможность привязки к конкретным местоположениям на карте растровых схематических планов – «абрисов», иллюстрирующих организацию развязок в местах пересечения дорог (конец и начало дороги).
В качестве базовой картографической основы была принята цифровая топографическая карта Московской области масштаба 1:200000. Для характеристики уличной сети населенных пунктов, являющихся частью общей транспортной сети региона, база пространственных данных была пополнена цифровыми планами улиц более 20 крупных городов области. Однако актуальность дорожной сети этой карты не удовлетворяла заказчика, и было запланировано полевое обследование с целью ее уточнения. Работы выполнялись лабораторией ГеоТранс МАДИ совместно с Научно-производственным предприятием «ГЕОКОСМОС», владеющим технологиями исследования объектов с помощью приборов спутниковой навигации (GPS).
Было обследовано более 5000 автомобильных дорог общей протяжённостью более 15000 км. Полученные результаты стали основой главного слоя цифровых данных – дорожной сети. Одновременно было уточнено местоположение и характеристики многих объектов дорожной инфраструктуры. Полевые работы проводились с помощью ходовой лаборатории кафедры изысканий и проектирования дорог МАДИ (ГТУ), оснащенной измерительной аппаратурой и геодезическими приемниками спутниковой системы Navstar GPS НПП ”ГЕОКОСМОС”.
В ходе обследований была получена координатная привязка осевых линий автодорог и основных элементов дорожной инфраструктуры: примыканий и пересечений, километровых указателей, границ зон обслуживания, мостов и т.д., определены фактические длины каждой автодороги, составлены абрисы точек начала и конца автодорог. Также были сделаны обзорные цифровые фотографии участков автодорог, осуществлена их привязка к дорожной сети в качестве рабочего материала. Обследования позволили существенно уточнить дорожную сеть цифровой карты и дополнить ее большим числом специализированных данных по дорожному хозяйству области. Более детально исследовалась уличная сеть городов области, часть которых обслуживается также в «Мосавтодоре».
При оформлении рабочего проекта в ArcView 3 для отображения тематических слоев были разработаны специальные условные знаки, принятые в картографии и дорожном хозяйстве. Использован прием отображения карт разной детальности в разных масштабах, что позволило автоматически разгружать карту от излишней детальности на мелких масштабах и, наоборот, дополнять цифровые данные подробными сведениями на крупных масштабах. Для удобства вывода дополнительной информации и осуществления запросов был разработан дополнительный интерфейс, облегчающий и ускоряющий доступ к необходимым данным (рис. 1).
Рис. 1. Проект “Инвентаризация” ГеоТранс-МАДИ.
Созданная система претерпевала изменения и развитие в течение нескольких лет в процессе ее успешной эксплуатации в центральном офисе и в региональных представительствах.
Новый этап – переход на ArcGIS
В связи с ростом задач и расширением числа пользователей системы рамки однопользовательской ГИС, каковой является ArcView 3.х, стали слишком тесны. Была поставлена задача создания полнофункциональной корпоративной системы, позволяющей консолидировать пространственные данные на сервере и предоставлять их в пользование многим потребителям – клиентам, выполняющим разные задачи.
Изучение мирового и российского рынка ГИС убедительно показало, что следует остаться на платформе ESRI. В последние годы эта компания выпустила и успешно развивает ArcGIS – единое семейство программных ГИС-продуктов, обеспечивающее широкие возможности масштабирования приложений от однопользовательских рабочих мест до развитой корпоративной системы, работающей в режиме «клиент-сервер». Также ArcGIS предоставляет мощные возможности построения распределенной системы и ее синхронизации с подсистемами региональных подразделений. Достаточно перспективным для хозяйства “Мосавтодор” является и возможность включения в число корпоративных пользователей мобильных клиентов, подключенных к рабочему серверу и передающих сведения в режиме реального времени.
Большим преимуществом такого перехода является также возможность переноса всех наработок ArcView 3.х в клиентские места ArcGIS 9, включая и созданные проекты. И, несмотря на сложности перехода на новую версию программного обеспечения (в рамках работ в ArcView 3.1 было написано немало настроечных программ на внутреннем языке программирования Avenue), было принято решение перейти на более распространенные языки программирования: С++, Delphi, Visual Basic – которые обеспечивают настройку в ArcGIS 9.2. Такой переход оправдан еще и потому, что отпадает необходимость в перепрограммировании практически трети из этих программ в связи с тем, что в новом программном обеспечении они уже входят в базовую функциональность. Вторым сложным моментом стала необходимость модернизации самой структуры базы данных. Ведь несколько лет назад никто не предполагал, что накопленные пространственные данные станут столь же сложны и объемны, как и те табличные и справочные данные, которыми ранее оперировал «Мосавтодор». Файловое хранение базы данных приводило к тому, что в ней стало трудно ориентироваться. Вновь поступающие и обновляемые данные хранились вместе со старыми, что создавало немалую путаницу. Метаданные, которые описывали слои карты и их атрибутивные таблицы, велись в отдельной табличке Excel, к которой приходилось постоянно обращаться при работе с картографическими данными.
При переходе на новую платформу нужно также учесть следующие условия:
- Работы нельзя останавливать, поскольку система востребована и используется в Управлении ежедневно;
- Внешний вид системы должен быть максимально приближен к уже привычному для пользователей;
- Вся настроечная часть системы, написанная за годы ее существования, должна быть перенесена без потерь функций и удобства работы с ними;
- Следует использовать преимущества новых технологий, чтобы упростить работу с данными и повысить эффективность решения поставленных задач.
Новая архитектура системы
Планирование перехода на новую систему работы потребовало, прежде всего, создания общей архитектуры корпоративной ГИС: схемы состава и связей элементов системы, определения количества и функций рабочих мест, выбора необходимого набора программных средств (рис. 2).
Рис. 2. Архитектура корпоративной ГИС: схема состава и связей элементов системы, распределение и функции рабочих мест, программные средства ArcGIS 9.
В качестве серверного решения для пространственного сервера из шести имеющихся вариантов продукта ArcGIS Server выбран ArcGIS Server Standard Workgroup, который поддерживает одновременную работу не менее 15 клиентов и работает на стандартной бесплатной СУБД Microsoft Express. В работу будет включаться также сервер с СУБД Oracle, где исторически уже сохранена и ведется часть базы данных по некоторым объектам дорожного хозяйства компании В дальнейшем он будет переведен на Microsoft SQL server. В общую структуру серверов будет подключен и корпоративный Web-сервер. Он обеспечивает работу с картографическими данными «легким» клиентам, в качестве программного обеспечения использующим бесплатный вьюер ArcExplorer от ESRI либо просто Internet Explorer (например, от Microsoft). В дальнейшем через Web-сервер предполагается работа и удаленных мобильных клиентов дорожных служб, выезжающих на полевые работы с компьютерным оборудованием и программным обеспечением – мобильной ГИС.
Клиентская часть также достаточно разнообразна, поскольку предполагается, что системой будут пользоваться клиенты с достаточно большим диапазоном ролевых функций.
Среди клиентов центральную роль будет выполнять администратор системы, имеющий ArcExplorer в качестве программного обеспечения из семейства ArcGIS 9.2. Этот настольный программный продукт обладает самой широкой функциональностью среди прочих клиентов системы. Администратор управляет базой данных и регулирует права доступа клиентов к серверной информации. Функции администратора включают также публикацию части данных в виде картографических сервисов для их использования через Web-сервер, то есть в среде Интранет/Интернет. В его же компетенцию входит внесение изменений в пространственные данные. В дальнейшем число пользователей данного уровня будет расширяться.
Наиболее массовая профессиональная часть клиентов будет использовать программный продукт ArcGIS ArcView 9.2. В их арсенале широкий набор аналитических функций, обеспечивающих выполнение производственных задач по управлению дорожным хозяйством области. Все клиенты имеют начальный оформленный проект, куда подгружается основная информация с сервера пространственных данных и с сервера данных СУБД Oracle или Microsoft SQL. Внешний вид проекта приближен к тому, который они видели в ArcView 3, хотя качественно он существенно изменен. При этом сохранен порядок работы с данными, установленный в компании.
Третью группу клиентов составят пользователи, которые обращаются к этим данным время от времени, но все-таки имеют необходимость производить достаточно профессиональные запросы и исследования пространственных данных. На их рабочих местах будет установлен ArcGIS Explorer. Возможности этого типа клиента ориентированы на работы с сервисами и собственными данными. То есть речь идет о том, что пользователь будет работать через корпоративный Web-сервер, подгрузив сервис, опубликованный администратором ArcGIS Server, а также загрузив данные других сервисов Интернет, которых становится все больше и больше. Отметим, что этому типу клиентов доступны и данные популярного сервера снимков Google Earth. Отличие данного клиента от простого визуализатора данных не только в уровне аналитической функциональности, который достаточно высок, но и в том, что пользователь может подгрузить в рабочий проект к данным сервисов свои собственные данные и анализировать их совместно.
Простейший вариант пользователя корпоративной ГИС – «легкий» клиент, который не будет пользоваться на собственном компьютере никакими ГИС-продуктами. Ему достаточно запустить Интранет (Internet Explorer) и войти на странички корпорации, которые предоставят опубликованные для него картографические данные. Интерфейс пользователя включает небольшой, но достаточно эффективный набор функций работы с картой, таких как ее увеличение, уменьшение и панорамирование, получение справки об указанных объектах, а также выполнение простых и сложных запросов.
Поскольку управление дорожным хозяйством иерархично, то в дальнейшем предполагается увеличить масштаб системы за счет создания локальных полноценных ГИС-центров на базе девяти РДУ, которые, в свою очередь, организуют работу на уровне тридцати шести районных представительств. При таком количестве коллективных пользователей, расположенных на местах, где не всегда можно найти специалистов, обеспечивающих функционирование даже небольших ГИС-систем, наиболее целесообразна организация работы на базе централизованного Web-сервера. Его функциональность будет пополнена возможностью редактирования данных с локальных мест непосредственно на региональном сервере через доступ к нему по Интернет.
Ремастеринг структуры базы данных
Так как переход осуществляется без прерывания рабочего процесса, то основным требованием к системе со стороны заказчика является сохранение преемственности функциональности, а также структуры данных и возможностей их отображения. При этом формат хранения данных изменяется с шейп-файлов на новый формат, поддерживаемый ArcGIS 9.2 – файловую а, затем, и корпоративную базу геоданных Microsoft Express. Это позволит при сохранении высокой скорости обработки достичь более компактно организованного уровня хранения данных, облегчающего их управление, передачу и обновление. Кроме того, это даст возможность воспользоваться свойствами нового формата (домены, классы отношений и т.д.), которые не поддерживаются шейп-файлами. Также появляется возможность полноценного многопользовательского режима редактирования данных и поддержания их топологических свойств.
Разработка структуры базы данных ведется на языке UML в Microsoft Visio Professional с использованием модели данных ArcInfo UML Model (Visio 2003), поставляемой ESRI. Эта модель позволяет создавать логическую структуру базы данных, опираясь на классы объектов, распознаваемые при конвертации в физическую схему в ArcCatalog как пространственные и непространственные (например, таблицы) классы объектов базы геоданных. В результате создается шаблон базы геоданных с рядом заданных свойств, готовый к наполнению реальными данными. Формат модели в нотации UML удобен для общего обзора структуры, связей между объектами, а также внесения изменений и дополнений. Например, в процессе построения структуры сразу вносятся псевдонимы названий классов объектов и названий полей в атрибутивных таблицах. А необходимые метаданные заполняются средствами ArcCatalog после создания физической схемы базы геоданных (рис. 3).
Рис. 3. Фрагмент UML-модели базы данных “Мосавтодор”, разработанной в Microsoft Visio Professional.
Особенности структуры базы данных связаны со спецификой получения и использования самих данных. Центральным элементом структуры является слой пространственных данных – дорожная сеть, представляющая собой несколько уровней информации. Нижний уровень хранит сегменты всех дорог и улиц области, представляющих собой сложную связанную дорожную сеть разной принадлежности. Среди них имеются федеральные дороги, территориальные дороги, находящиеся в ведении «Мосавтодора», а также уличная сеть муниципалитетов. Большая часть дорожного хозяйства «Мосавтодор» уточнена в полевых условиях: их координаты получены в результате натурной съемки с помощью GPS.
Вторым уровнем информационного слоя дорожной сети является производный слой маршрутов, объединяющий дороги в единое целое по их коду. Маршрут – это любой линейный объект, в нашем случае автомагистраль, который имеет уникальный идентификатор, начало, конец и измерение длины. Он может состоять из нескольких линейных объектов, вершинам которых приписаны измерения длины от начала маршрута. При этом все линии, входящие в состав маршрута, будут иметь один и тот же уникальный код маршрута. Каждая дорога-маршрут по полевым измерениям имеет точные начало и конец, а также километровое измерение.
По сравнению с исходным проектом рабочая часть структуры (дорожная сеть) представляет собой результат объединения нескольких источников: собственно отснятых с помощью GPS дорог, уличной сети населенных пунктов и цифровой карты дорог Московской области масштаба 1:200000. На ее основе строится система маршрутов.
Все остальные слои объектов дорожной инфраструктуры размещаются вдоль маршрутов согласно километражу, фиксирующему их позицию вдоль дороги. Этот процесс в ГИС называется динамической сегментацией.
Позиции на маршрутах описывают дискретные местоположения на маршруте (точки) или части маршрута (линии). Когда позиции на маршруте и связанные с ними атрибуты хранятся в таблице, их называют событиями на маршруте или просто событиями, и они могут быть точечными или линейными. Примером точечных событий могут служить километровые столбы, автобусные остановки, дорожные знаки, трубы и т.д., а линейных событий – снего- и шумозащитные сооружения, освещение дорог, коммуникации и др. Причем в определенном поле в таблице для каждого точечного события будет внесено измерение – километраж по этому маршруту от его начала, в другом поле – код маршрута, на котором необходимо расположить объект. Каждое линейное событие имеет измерения в двух полях: измерение начала и измерение конца события по данному маршруту. При наличии такой информации с помощью средств ArcGIS можно легко графически отобразить эти события на карте в виде точек или линий. Динамическая сегментация имеет большие преимущества: объекты дорожной инфраструктуры всегда связаны с дорогой и располагаются на ней. Кроме того, процесс корректировки данных ведется в таблицах, а их отображение в скорректированной позиции осуществляется автоматически, стандартными средствами программного обеспечения ГИС. Изображения объектов дорожной инфраструктуры на основе табличных данных представляют третий уровень надстройки над центральным слоем дорожной сети (рис. 4).
Рис. 4. Размещение точечных и линейных событий на маршрутах, построенных по таблицам – абрисы, автобусные остановки, коммуникации в полосе отвода и др.
Поступающие в «Мосавтодор» данные «события» могут отсчитывать свой начальный километр не от начала маршрута, а от ближайшего километрового столба (например, сведения о ДТП или произведенном ремонте дорожного полотна). Поэтому маршруты были построены дважды: равномерные – с учетом их начала и конца, и «калиброванные» – учитывающие значения измерений, зафиксированные километровыми столбами. Это сделано для того, чтобы использовать тот или другой маршрут в зависимости от данных в таблицах: когда измерения реально проводились от начала дороги, или они отсчитывались от ближайших километровых столбов. Этот эффект расхождения в дорожном хозяйстве носит название «рубленных километров» (рис. 5). Для того чтобы различать, какие же измерения указаны в таблицах, в их название вводится дополнительная литера: латинские буквы r (реальные измерения) и n (номинальная калибровка – отсчет по столбам). Эти буквы указывают, какую именно систему маршрутов следует использовать для их отображения.
Рис. 5. “Рубленый километраж” – реальное положение километровых столбов на маршруте (показано красным цветом) и реальные измерения на маршруте (синим).
Разделение информационных и справочных таблиц позволило несколько снизить количество единиц информации, с которыми оперирует пользователь. К справочным таблицам отнесены те, которые расшифровывают кодовые значения атрибутов. Они хранятся в базе данных отдельно и подключаются к таблицам автоматически. Информационные же таблицы несут расширяющие характеристики объектов или отдельных событий и имеют связи с атрибутами пространственных данных, которые формализованы в модели в классах отношений.
Структура также содержит пространственные данные, обеспечивающие качественное картографическое отображение общей ситуации на местности на разных масштабах и не участвующие непосредственно в решении функциональных задач. Для этого в структуре зарезервировано несколько наборов классов объектов, соответствующих масштабам источников: 1:500000 для обзорного уровня, 1:200000 для уровня РДУ и 1:10000 – для внутренней структуры населенных пунктов.
Данные ДДЗ
Особая роль отведена спутниковым снимкам. Они признаны совершенно необходимыми в процессе мониторинга текущей дорожной ситуации, поддержания актуальности и регулярного обновления данных. На первом этапе в базе геоданных будут размещены два снимка: LANDSAT с разрешением 15 метров и SPOT IMAGE с разрешением 2,5 метра (рис. 6). Снимки охватывают два фрагмента территории в южной и северной частях Московской области. Впоследствии космическими снимками высокого разрешения будет покрыта вся территория дорожного хозяйства, находящегося в ведении Управления “Мосавтодор”. В этом году запланированы обширные полевые обследования дорог северной части области. Сравнительный анализ получаемых данных с информационными возможностями данных дистанционного зондирования поможет вычленить те работы по уточнению дорожной сети и ее инфраструктуры, которые можно будет выполнить путем дешифрирования снимков. Это позволит существенно сократить время и затраты на получение информации и ее поддержание в актуальном состоянии.
Рис. 6. Совместное использование космоснимка SPOT с разрешением 2,5 м и сети автомобильных дорог для целей актуализации данных. Фрагмент снимка на Домодедовский район Московской области.
Заключение
Работы по переводу ГИС в “Мосавтодор” на новую платформу будут завершены в конце этого года. Корпоративная система поможет повысить эффективность и оперативность управления разветвленным дорожным хозяйством данной территории.
