Новый подход к созданию ГИС для небольших муниципальных образований

Евгений Ерёмченко, Институт физики высоких энергий, г. Протвино, E-mail: eremchenko@mx.ihep.su

Александр Гречищев, DATA+, E-mail: alexan_gre@dataplus.ru

Введение

Для эффективного управления муниципальными образованиями и динамично развивающимися регионами необходимы достоверные и актуальные данные об объектах и процессах на их территории, а также передовые технологии накопления, обработки и представления информации. Современные географические информационные системы с их развитыми аналитическими возможностями позволяют наглядно отобразить и осмыслить информацию о конкретных объектах, процессах и явлениях в их совокупности. ГИС позволяют выявить взаимосвязи и пространственные отношения, поддерживают коллективное использование данных и их интеграцию в единый информационный массив.

К цифровым картам, или цифровой картографической основе с тематическими слоями, являющимися геопространственным базисом ГИС, могут подключаться базы данных недвижимости, земельных участков организаций, денежной оценки земель, инженерных сооружений, памятников градостроения и архитектуры, сведений по геологии, истории развития и т.д. В базе данных также можно организовать хранение как графической, так и всей технической, справочной и иной документации.

В современных ГИС появилась возможность трехмерного представления территории. Трехмерные модели объектов, внедряемые в 3-мерный ландшафт, спроектированный на основе цифровых картографических данных и материалов дистанционного зондирования, позволяют повысить качество визуального анализа территории и обеспечивают принятие взвешенных решений с большей эффективностью.

Рис. 1. Фрагмент космического снимка.

Рис. 2. Картографическое представление результатов обработки снимков.

Современные геоинформационные системы и основанные на них технологические решения требуются не только крупным регионам, городам или предприятиям и ведомствам с разбросанными на обширной территории объектами, но и небольшим населенным пунктам, которые пока, как правило, слабо вовлечены в процессы геоинформатизации. Развивающийся рынок ГИС в России крайне нуждается в специфическом продукте, который, с одной стороны, удовлетворял бы потребностям небольших муниципалитетов в стартовом ГИС-решении и, с другой стороны, соответствовал бы их крайне ограниченным финансовым возможностям. Концепция подобного продукта разработана специалистами Института высоких энергий подмосковного Протвино и отдела обработки ДДЗ компании «DATA+». Предлагаемые технологические решения проверены при создании ГИС Протвино и ряда других небольших муниципальных образований (см. рисунки).

ГИС в России: рынок контрастов

Характерной чертой российского рынка ГИС является гипертрофированное развитие его крайних сегментов. Первый, характеризующийся высокой стоимостью предлагаемых решений (до $1 млн. и выше), – это полномасштабные «корпоративные» ГИС, создаваемые для крупных ведомств, городов или территорий. Они требуют не только значительных вложений, но и большого обслуживающего персонала. «Перекосы и пробуксовки» в развитии этого сегмента часто происходят из-за слабой подготовленности в области ГИС как специалистов, отвечающих за функционирование системы, так и различных пользователей, в том числе управленцев, аналитиков и руководителей на различных уровнях.

Второй сегмент – это продукты, предназначенные для массовых потребителей и представляющие собой в основном поисково-справочные системы. Фактически, на этом сегменте рынка стоимость решений можно предельно снизить. Часто она равна стандартной стоимости оптического носителя с программным продуктом на «черном» (или, точнее, «сером») рынке. В настоящее время эта величина, ставшая фактически «квантом стоимости» массовых ИТ-продуктов в России, составляет первые сотни рублей. Так, можно найти практически любую ГИС и много разнообразных данных, но без гарантий достоверности информации, не говоря уже о лицензионной чистоте таких продуктов.

Первый сегмент довольно узок в количественном аспекте. Не так много компаний, способных и готовых приобретать высокотехнологичные, в том числе и геоинформационные, решения «под ключ». Второй сегмент тоже ограничен, но по другим причинам. Легальный рынок предлагает мощные информационные продукты, выгоды от приобретения которых очевидны в основном для крупных мегаполисов, где возвратность средств, вложенных в создание общегородской или региональной ГИС, обеспечивается массовостью ее использования.

Между этими двумя крайностями расположено «ничейное поле». Нельзя сказать, что ГИС промежуточной стоимости отсутствуют вообще, они есть, но не формируют целостной ниши.

Такое положение дел сужает емкость рынка и, соответственно, количество компаний, которые могут действовать на нем. В то же время, по многим признакам, в том числе из мирового опыта, видно, что именно на средний сегмент могла бы приходиться основная доля «отложенного» спроса на геопространственные решения. Промежуточный ценовой сегмент это ещё и «локомотив» развития рынка ДДЗ, спутниковой навигационной и геодезической аппаратуры, а также программных средств.

Неразвитость «среднего» сегмента влечет за собой весьма серьезные последствия, искусственно углубляя разрыв в геопространственной оснащенности различных регионов страны и снижая потенциал их развития. Впрочем, эта тема достойна отдельного рассмотрения.

Для преодоления возникшей проблемы необходимо предложить рынку высококачественный продукт в том объёме и за ту цену, которую потенциальный потребитель готов заплатить уже сейчас. И главное, этот продукт должен иметь хорошие перспективы развития и совершенствования по мере накопления новых данных и приобретения пользователями опыта работы с геоинформацией.

Рис. 3. Трехмерный вид, Протвино.

Рис. 4. Схема автобусного маршрута.

Основы создания массовых ГИС

Для создания и функционирования ГИС необходимы компьютерная техника, соответствующее программное обеспечение, исходные данные, включая атрибутивные, и, конечно же, люди, умеющие не только пользоваться компьютером и программным обеспечением, а осмысленно с их помощью оперировать информацией, в том числе имеющей и пространственную составляющую.

В качестве пространственной основы ГИС обычно служат топографические карты и планы, представленные в цифровой форме. Основой для цифровой карты крупного города чаще всего выбираются планы масштаба 1:2000, как правило, создаваемые по данным аэрофотосъемки. Небольшие города, поселки, сельские населенные пункты, разбросанные по российским просторам, не могут быть централизованно обеспечены аэросъёмкой. В планах Роскартографии и смежных ведомств такая задача в ближайшем обозримом будущем и не ставится. В лучшем случае российская глубинка может рассчитывать только на карты и планы масштаба 1:10000 (самый крупный масштаб карт, имеющихся на всю территорию России – 1:25000). А обеспечение пространственной информацией территорий крупных и мелких садовых товариществ, коттеджных поселков, повсеместно появляющихся в индустриально развитых регионах, вообще из области картографической фантастики. Администрации районов и регионов часто не в курсе, или не имеют комплексного представления о том, что за последнее время появилось на подведомственной территории.

Топографо-картографическая основа – карты и планы местности, в том числе и цифровые, устаревают с каждым построенным новым домом, новым киоском, новой АЗС, дорогой или вновь разбитым сквером. Но именно эти изменения важны и значимы на уровне муниципалитета и конкретного жителя, владельца или специалиста по обслуживанию территории. Следует признать, что традиционная схема создания и обновления карт с нормированными сроками, этапами, последовательностью операций и характеристиками материалов в этом случае не работает. Необходимо, не дожидаясь повсеместной «картографизации», как основы для создания и продвижения ГИС, более широко использовать материалы космической съёмки в сочетании с любыми доступными данными. Это наиболее эффективный путь проведения геоинформатизации.

Если оставить в стороне сложные вопросы взаимодействия официальных держателей топографо-картографической основы и ее конечных потребителей, остается еще проблема человеческого фактора в связующем звене — организациях, работающих с картографической информацией. Их сотрудники привыкли к бумажной технологии и по-прежнему с предубеждением относятся к нововведениям. А ведь именно они должны быть проводниками ГИС-технологий «на местах».

Компьютерная техника есть сегодня практически во всех организациях, многие и дома имеют компьютеры, способные выполнить качественную обработку и анализ пространственной информации. А её то и нет. Точнее отсутствуют необходимые данные о территории. Это тоже оказывает негативное влияние на внедрение ГИС-технологий. Часто освоение и обучение ГИС-технологиям происходит виртуально, без необходимой информации и удобных программных инструментов, как в первые годы компьютеризации обучение информатике практически повсеместно происходило вообще без компьютеров.

На государственном уровне приоритетной объявлена задача создания и запуска в эксплуатацию системы информационного взаимодействия органов государственной власти между собой. К ней в дальнейшем планируется подключить системы взаимодействия с гражданами, коммерческими и некоммерческими структурами, региональными органами власти… Но, не научившись работать с элементарными, простыми в освоении информационно-поисковыми системами и системами, основанными на обработке и анализе пространственных данных, невозможно всерьёз рассчитывать на повсеместное внедрение и эффективную эксплуатацию новых информационных технологий. А в качестве «учебника», что может быть более понятным и привлекательным, чем система, основанная на данных о ближайшем окружении, с возможностью картографического отображения информации, с привязкой к событию и месту?

С практической точки зрения, как мы полагаем, внедрение и освоение ГИС-технологий практичнее начинать с подготовки исходных пространственных данных на небольшие муниципальные образования, обеспечения доступа к ним и обучения потенциальных пользователей работе с этими данными. А необходимая унификация может обеспечиваться посредством специальных обменных форматов или программного обеспечения, позволяющего работать с различными типами данных. Итак, сначала данные и модели на конкретную территорию в купе с простыми программными инструментами (желательно малобюджетными или бесплатными), затем инструментарий для поддержания и обновления системы и, наконец, интеграция в ГИС более высокого уровня.

Географические информационные системы небольших муниципальных образований, призванные обеспечивать службы и администрацию комплексной и актуальной территориальной информацией для планирования социально-экономического развития и принятия управленческих решений, требуют своего развития и более пристального внимания. Именно такие ГИС могут послужить основой повсеместного внедрения современных геоинформационных технологий, основой создания крупных территориальных ГИС и наряду с повсеместным внедрением и распространением Интернет и компьютерных технологий будут способствовать повышению уровня геоинформационного образования населения страны.

Рис. 5. Статистика по выборам.

Рис. 6. Отображение радиационного фона в городе.

Немного о космических снимках

Цифровая карта местности – главная составляющая пространственной основы ГИС. Проще и быстрее её получить путем оцифровки и векторизации существующих бумажных карт и топографических планов. Но не всегда такие материалы отличаются актуальностью, и далеко не всегда они имеются на всю нужную территорию в соответствующем масштабе. Поэтому для их актуализации целесообразно и необходимо привлекать данные дистанционного зондирования. Для создания пространственной основы небольших муниципальных образований и ограниченных территорий лучше всего использовать космические снимки высокого разрешения, доступные на рынке данных ДЗЗ.

Не вдаваясь в детальное рассмотрение возможностей различных съёмочных систем, представим лишь обобщенную таблицу с основными наиболее важными в рассматриваемом вопросе характеристиками.

Как видно из таблицы, оптимальными являются космические снимки, полученные с космического аппарата QuickBird. В качестве дополнительного преимущества применения этих снимков для подготовки цифровой основы ГИС небольших муниципальных образований необходимо отметить то, что площадь заказываемого снимка может быть не прямоугольной. Это очень важно, так как границы муниципальных образований далеки от прямоугольной формы. Если есть возможность работы со стереоизображением, то предпочтительнее использовать снимки Ikonos.

Концепция предлагаемого продукта

Новый продукт, предлагаемый нами как стартовый геоинформационный набор для конкретной территории, по своей сути близок к так называемым «коробочным» решениям («ГИС в коробке»). В его основе лежит принцип комплексности (все компоненты ГИС входят в набор поставки) и практически фиксированной и сравнительно небольшой цены, определяющейся только площадью территории. Как следует из представленной выше таблицы, минимальная площадь заказа – 25 кв. км, что примерно соответствует площади муниципального образования в центральных районах России. В стоимость продукта включены расходы на приобретение исходных пространственных данных (в частности, спутниковых ДДЗ) и оцифровку имеющихся у заказчика материалов, заполнение атрибутивной базы данных, а также лицензионное программное обеспечение на неограниченное число рабочих мест. Тем самым, «ГИС в коробке» представляет собой работоспособную геоинформационную систему стартового уровня, в состав которой входят:

• цифровые планы местности (созданные на основе космосъёмки);
• цифровая модель рельефа;
• космический снимок местности;
• набор тематических слоев;
• лицензионное программное обеспечение;
• базовая 3D-модель местности;
• комплект шаблонов для вывода на печать.

Обучение работе с продуктом и техническая поддержка – неотъемлемые части поставки.

Этот продукт может использоваться в решении широкого круга задач городского управления, создания и ведения генплана, планирования долгосрочного развития территории и т.д.

Разумеется, заказчик, исходя из своих задач и возможностей, может расширить рамки стартового набора и затребовать дополнительно новые космические снимки или гораздо больший функционал поставляемой системы и обширный набор тематических слоёв и шаблонов для вывода на печать. Но мы говорим о стартовом наборе.

Создание продуктов такого класса в низком ценовом диапазоне представляет весьма нетривиальную задачу и предъявляет чрезвычайно высокие требования к эффективности организации работ и производительности труда. Технологический процесс, выработанный в результате экспериментов – тема отдельной статьи, отметим лишь основные идеи, реализованные в нем:

• применение космических снимков высокого разрешения;
• сокращение спектра программных продуктов, используемых при создании набора данных;
• создание ГИС в той же среде, которая впоследствии будет использоваться для работы с данными;
• обеспечение удобного интерфейса визуализации тематических слоев;
• конвейерный подход.

Пересмотр технологий создания наборов данных позволил обеспечить себестоимость продукта, позволяющую предлагать его по не отпугивающим заказчиков ценам. Заметим, что стоимость набора данных — не единственный фактор, определяющий стоимость готового решения. Одним из ключевых факторов, определяющих стоимость ГИС-решения, является цена применяемого программного обеспечения.

Для стартового решения, предназначенного в первую очередь для неискушенных в ГИС пользователей, необходим программный продукт, который позволил бы им в ходе непосредственной работы с цифровой картой познакомиться со спецификой ГИС. Он может (и должен) иметь ограниченную функциональность, качественный продуманный интерфейс и предельно низкую стоимость.

Можно сказать, что в идеале здесь требовался программный продукт, обладающий необходимой функциональностью для эффективного просмотра слоев цифровых карт и обеспечивающий высококачественную поддержку отображения карт на экране и их вывод на печать. Его стоимость должна стремится «к нулю», к тому же он должен выполнять одновременно две задачи. Во-первых, помочь начинающему ГИС-пользователю «освоить» идеологию геоинформационных систем и работу с ними. Во-вторых, в ходе работы с ГИС пользователь должен определиться с тем, какие следующие шаги по дальнейшему «наращиванию» функциональных возможностей ГИС и ее инфраструктуры нужны ему, и в какой последовательности. Такое решение пользователь должен принять осознанно, в результате собственной работы над ГИС.

«Приближением к идеалу» стал свободно распространяемый ESRI вьюер ArcReader. В отличие от появившегося ранее вьюера ArcExplorer, ArcReader создан на основе того же программного ядра, что и ГИС-продукты семейства ArcGIS, и фактически представляет собой «младшее» звено этой линейки с базовыми функциональными возможностями.

ArcReader — прочный фундамент для начального уровня

ArcReader предназначен для обеспечения доступа к множеству географических данных, представленных в виде цифровых карт. Это бесплатное, легкое в использовании приложение позволяет просматривать, изучать и печатать файлы карт (PMF), подготовленные к опубликованию с помощью модуля ArcGIS Publisher, значительно расширяет возможности доступа к картографической информации. ГИС-профессионалы и широкий круг людей, не связанных с ГИС-технологиями, с помощью ArcReader могут работать с высококачественными цифровыми картами, созданными в среде ArcGIS Desktop (ArcView, ArcEditor и ArcInfo).

С помощью ArcReader пользователи могут просматривать карты, имеющие ссылки на локальные, сетевые или Интернет-источники данных. Он позволяет: выполнять операции увеличения/уменьшения/перемещения; работать сразу с несколькими слоями; выполнять поиск и измерения; производить переключение между видом данных и видом компоновки, просмотр пространственных закладок, просмотр и печать заранее разработанных компоновок; включать и выключать слои в таблицах с атрибутивными данными; осуществлять доступ к гиперссылкам и многое другое.

Кроме того, подготовленный к опубликованию файл карты может быть защищен паролем, к нему могут быть добавлены комментарии, которые будут отображаться в диалоговом окне свойств в ArcReader.

Сейчас ArcReader существует в двух версиях. Одна версия устанавливается автоматически вместе с ArcGIS Desktop. Вторая версия идентифицируется как ArcReader «stand-alone» (отдельная) и предназначена для установки на компьютерах, где отсутствуют другие компоненты ArcGIS Desktop.

ArcReader может быть установлен на персональных компьютерах с ОС Windows NT 4.0 с Service Pack 6a, или Windows 2000, или Windows XP (Home Edition и Professional) и имеющих оперативную память от 128 MB, тактовую частоту процессора 450 MHz или выше и дисковое пространство от 200 MB.

Новая версия ArcReader 9.0.1 имеет существенные улучшения. Во-первых, это приложение может быть установлено на компьютерах с ОС Red Hat Linux, SUSE Linux и Sun Solaris. Также усовершенствованы инструменты идентификации, поиска, выполнения измерений; поддерживаются топология слоёв, слои событий и геометрические сети, операции отношений, единичных и множественных гиперссылок; появилась возможность работы с атрибутами растровых данных и дополнительные возможности экспорта копии экрана с цифровой картой и др.

Благодаря ArcReader настороженное отношение муниципальных заказчиков к ГИС-решениям канет в Лету. Теперь, заказав по приемлемой цене набор данных вместе со средой, позволяющей работать с ними, заказчик может сам выработать представление о том, каким должен стать его следующий шаг, какие именно функциональные возможности и в какой очередности ему следует приобретать. ГИС становится «блочной», ее наращивание можно производить поэтапно. Немаловажно также и то, что интерфейс ArcReader фактически идентичен интерфейсу более «продвинутых» продуктов ArcGIS.

Рис. 7. Анализ заболеваемости жителей.

Рис. 8. Частота обращения жителей за медпомощью в связи с укусами собаками, комарами и т.д.

Анализ данных

В данной статье приводятся лишь некоторые примеры графического представления из уже поставленных нами наборов. Результаты анализа пространственно распределенных данных мало кого из наших клиентов оставляют равнодушными, когда вдруг знакомая стандартная статистика и огромные массивы различного рода информации, накопленные в муниципалитетах и городских службах, внезапно предстают перед специалистами в новом свете, вскрывая неожиданные и неочевидные закономерности (см. рисунки). Так, например, в Протвино показательные результаты были получены при анализе распределения инфекционных и соматических заболеваний, криминальной статистики, активности избирателей на выборах, торговых зон, определении городской черты… Можно с уверенностью сказать — широкое распространение технологий, позволяющих отображать и анализировать пространственно распределенные параметры, окажет огромное воздействие и на власть, и на общество.

Разумеется, широкое внедрение аналитического инструментария невозможно без использования полнофункциональной ГИС и специализированных модулей – таких, например, как Geostatistical Analyst, Spatial Analyst и 3D Analyst. В рамках концепции «ГИС в коробке» решение выглядит следующим образом. В состав пакета входит набор тематических слоев, созданных исполнителем по материалам заказчика в соответствии с его текущими потребностями. Это может быть анализ уровня естественного радиационного фона в городе, площади загрязнения местности либо зон затопления при разливе рек, вегетационный индекс, статистика дорожно-транспортных происшествий и т.д. Соответствующие слои могут отображаться заказчиком в составе самой ГИС.

Важной особенностью предлагаемого решения является поддержка трехмерного представления наборов данных, подготовленных в среде 3D Analyst. 3D-модель включает в себя цифровую модель рельефа, созданную на основе карт и планшетов заказчика, и модели зданий и сооружений, высоты которых определяются по ДДЗ и/или результатам фотосъёмки и обследования местности. В среде ArcReader ЦМР поставляется в виде GRID-модели, которую можно просматривать в обычном двумерном картографическом представлении, а также в виде комплекта перспективных изображений.

Географические 3D-модели в наше время быстро перестают быть «необязательной экзотикой». Их роль в создании презентационных материалов, при планировании и ландшафтном проектировании невозможно переоценить. Но самое главное – они позволяют совершенно по-новому организовать работу по геопространственному анализу.

Заключение

Превращение ГИС в повседневный инструментарий работников муниципальных образований и широкого круга пользователей, полноценное применение всех поистине чудесных возможностей цифровых географических информационных систем, поступательное развитие рынка ГИС в России – невозможны путем слепого копирования зарубежных решений. Учитывая специфику территорий, экономические возможности, спектр потребностей заказчиков и возможности исполнителей, можно утверждать, что российскому рынку ГИС нужны специфические, особым образом скомпонованные продукты на базе популярных программных пакетов ведущих мировых разработчиков. В статье представлено наше видение такого продукта.

Предложенное решение, идеология которого сводится к парадигме «комплексность + фиксированная цена» не покрывает весь спектр потребностей российских заказчиков даже в муниципальном секторе. Это решение – стартовое, и подразумевает неизбежность перехода к использованию продуктов с более широкой функциональностью.

Вместе с тем, на наш взгляд, это решение является примером нового, лишенного стереотипов подхода к рынку ГИС, на котором ощущается острый дефицит качественных, но недорогих решений начального уровня. У любой лестницы должна быть первая ступенька.