Брехунцов А. М., Монастырев С. В., Шпильман А. В.,
Дьячков С. А., СибНАЦ, Тюмень, sibnac@sibtel.ru
Кирилов А. В., ЗАО НПЦ СибГео, Тюмень
Введение
По решению администрации Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) в настоящее время создается Территориальный банк данных “Ресурсы Ямала” (ТБД). Вторым этапом реализации ТБД является создание банка данных природных ресурсов. Для этого специалистами Schlumberger и Сибирского Научно-Аналитического центра (СибНАЦ) в 1999 г. разработан Технический проект, который был рассмотрен и утвержден Департаментом природно-ресурсного регулирования ЯНАО и согласован со всеми федеральными комитетами природно-ресурсного блока.
Первым шагом в практической реализации положений Технического проекта является выполнение Пилотного проекта ТБД природных ресурсов, концептуальные задачи которого таковы:
- отработка технологической цепочки сбора исходной информации;
- разработка технического задания для внедрения системы на территориальном уровне;
- разработка модели данных;
- разработка технических регламентов ведения территориального банка данных по природопользованию;
- разработка и определение стадийности подготовки и загрузки данных для последующих этапов реализации проекта;
- обработка и загрузка данных первой очереди (определяются в ходе реализации пилотного проекта).
При выборе территории для пилотного проекта учитывались следующие критерии:
1. Политико-экономическая ситуация в ЯНАО (динамика и перспективы развития регионов, уровень развития производительных сил и т.д.).
2. Предварительные результаты инвентаризации существующей информации (наличие информации о природных ресурсах, ее состояние).
3. Наличие предмета для работ по всем блокам ресурсной информации (достаточное разнообразие природных условий, выраженное природопользование).
В результате, в качестве модельного полигона была выбрана территория Уренгойского нефтегазоконденсатного комплекса Пуровского района (рис. 1).
Рис. 1. Территория пилотного проекта.
Данный участок был выбран по следующим соображениям:
- Высокая степень геолого-геофизической изученности.
- Длительная история разработки месторождения.
- Наличие в данном районе разнообразных природных комплексов и ресурсов.
- Наиболее развитая сеть инфраструктуры (магистральной и промысловой).
Территориальный охват пилотного проекта составляет 26400 км2.
В процессе разработки пилотного проекта были решены следующие задачи:
- Обзор существующих данных по природным ресурсам и их географического покрытия;
- Анализ существующих данных на их полноту и актуальность;
- Создание логической и физической моделей собранных данных;
- Выбор программного обеспечения (ПО) для реализации проекта;
- Обзор данных дистанционного зондирования и определение возможности их использования для обновления сведений о природных ресурсах, включая их нарушенность;
- Создание в выбранном ПО инструментов анализа данных по природным ресурсам;
- Оценка общего объема информации и работ, которые предстоит выполнить при реализации проекта создания Территориального Банка данных Природных Ресурсов по всей территории Ямало-Ненецкого автономного округа.
Главным итогом пилотного проекта является создание рабочего варианта системы, позволяющего получить наглядное представление о большинстве функциональных возможностей будущего банка.
Цели и задачи
Цель данной работы — создание прототипа системы хранения и управления пространственными и атрибутивными данными природно-ресурсного блока Территориального банка данных “Ресурсы Ямала”.
В ходе работы над проектом решались следующие задачи:
- Обзор существующих данных, описывающих природные ресурсы территории, степень их достоверности и актуальности
Создаваемый банк данных природных ресурсов состоит из двух частей: программно-аппаратного комплекса и набора данных, достоверность которых напрямую сказывается на результатах анализа природных ресурсов. Информация по природным ресурсам географически рассредоточена по профильным комитетам и ведомствам как окружного, так и федерального подчинения, что представляет определенную трудность при сборе информации, ее унификации и совместном использовании.
- Выбор ПО ГИС и СУБД для хранения, обработки и анализа данных
В мире существует несколько профессиональных ГИС-продуктов как отечественного, так и зарубежного производства. При выборе ПО ГИС анализировались следующие параметры:
- Распространенность системы в России и на территории округа;
- Развитость инструментария для работы с пространственными данными;
- Возможность работы в режиме клиент-сервер;
- Масштабируемость создаваемого банка данных;
- Стоимость.
- Возможность обновления информации с помощью данных дистанционного зондирования земли (аэро и космосъемка)
Обновление информации — достаточно трудоемкий и дорогостоящий процесс. На текущий момент имеется множество материалов аэро- и космосъемки за разные годы и разного разрешения, позволяющих определять как геометрию объектов, так и их свойства.
В проекте рассматривались наиболее популярные сенсоры, функционирующие в настоящее время, и их возможности по обновлению картографической информации по тому или иному природному ресурсу.
· Оценка времени создания полнофункциональной системы и сбора всех данных по территории ЯНАО
Реализация пилотного проекта позволит оценить трудозатраты на сбор информации и время на создание всей системы. При этом также ставится цель определить круг субподрядных организаций, которые целесообразно привлечь для создания всей системы — как для ее разработки, так и для сбора и обработки данных.
· Оценка периодичности обновления данных
Для нормального функционирования системы необходимо иметь актуальные данные, причем оптимальная частота обновления данных для каждого природного ресурса — своя. Поэтому при реализации пилотного проекта рассматривался вопрос о том, как часто должны обновляться те или иные данные, и где это лучше делать, на местах или централизованно.
· Предметный анализ задач по природным ресурсам
Предметный анализ — это очень важная часть работы, которая влияет как на весь процесс создания системы, так и на конкретизацию номенклатуры собираемой информации. Задачи, которые в дальнейшем будет позволять решать Территориальный Банк Данных Природных Ресурсов, скажутся на экономической эффективности создания данной системы.
Выбор программного обеспечения
При выборе программного обеспечения принимались во внимание следующие обстоятельства:
- Используемый программный продукт должен быть относительно прост в эксплуатации.
- Программное обеспечение не должно требовать длительной подготовки персонала.
- Создаваемая система должна иметь клиент-серверную архитектуру.
- База данных должна интегрировать в одной схеме как векторную графическую, так и атрибутивную информацию.
- Система должна обеспечивать приемлемую скорость выполнения запросов, в том числе и пространственных.
- Клиентское программное обеспечение должно быть расширяемым и позволять легко встраивать дополнительный программный код.
Архитектура системы
В результате выполнения пилотного проекта бала создана база данных векторно-атрибутивной информации. Ее центральным звеном стала СУБД Oracle 8.1.5i. Доступ и загрузка векторной информации осуществляется при помощи программного продукта ArcSDE компании ESRI. Он является, по сути, посредником между сервером базы данных и клиентами, в качестве которых используются приложения ArcGIS (рис. 2).
Рис. 2. Общая схема взаимодействия компонентов системы.
Моделирование хранилища данных
Процесс создания хранилища данных заключался в разработке модели данных по блокам пилотного проекта. С формальной точки зрения, модель данных можно представить как совокупность таблиц и связей между ними.
Назначение модели данных заключается в следующем:
- Обеспечение целостности данных.
- Обеспечение интеграции данных.
- Обеспечение решения прикладных задач.
К особенностям модели данных, созданной в пилотном проекте, можно отнести следующие:
- База данных пилотного проекта проектировалась в соответствии с блочной структурой.
- База данных строилась на основе реляционной модели данных.
- Модель данных предусматривает хранение в одной схеме как графических, так и табличных данных.
С другой стороны, в соответствии с поставленными задачами, на модель данных были наложены некоторые ограничения:
- Создавалась база данных, не предусматривающая возможность редактирования конечным пользователем. Также не создавались специальные инструментальные средства загрузки данных.
- Отсутствие тесной интеграции между отдельными блоками. Другими словами, не проводился детальный анализ, целью которого является выявление межблочных связей и общих сущностей.
- Модель данных пилотного проекта не является абсолютно нормализованной.
Процесс создания модели данных
Технология создания модели данных в пилотном проекте может быть представлена следующей схемой (рис. 3). Построение модели осуществлялось последовательно по блокам данных пилотного проекта. На первом этапе все собранные данные по текущему блоку подвергались детальному анализу: определялся круг задач; форма представления информации; перечень необходимых отчетов.
Рис. 3. Процесс создания модели данных.
Результат этого этапа — создание описания блока банка данных. Это описание, вместе с собранными первичными данными, подвергалось дальнейшему анализу, который заключался в построении концептуальной модели данных. Концептуальная модель включает: объекты, атрибуты объектов и связи между объектами. Построение концептуальной модели данных сопровождалось постоянными консультациями со специалистами предметной области.
На последнем этапе происходило создание физической модели данных. Здесь проводились работы по преобразованию выделенных объектов, атрибутов и связей в физические объекты базы данных.
Объем проделанной работы
В ходе выполнения пилотного проекта была создана модель данных по восьми блокам банка данных. Данная модель содержит 518 таблиц (3059 полей) и 620 связей между ними.
Организация клиентского доступа
Была разработана специализированная программная среда для осуществления доступа конечного пользователя к разработанной модели данных и загруженным в нее данным по территории пилотного проекта. В качестве базового было выбрано приложение ArcMap из линейки ArcGIS компании ESRI. Рабочим пространством данной системы является карта ArcMap. Карта может быть представлена как набор географических слоев (растровых и векторных), которые при отображении можно накладывать друг на друга в задаваемой последовательности. Совокупность слоев карты образует легенду, которая может быть организована в виде дерева, что позволяет группировать слои в тематические наборы. Каждый узел дерева легенды, по существу, является слоем и может менять свое состояние отображения на карте (рис. 4).
Рис. 4. Общий вид приложения. Загружена карта инфраструктуры (район Нового Уренгоя).
В процессе работы пользователь имеет возможность осуществлять навигацию по карте. Инструменты изменения масштаба карты и перемещения по ней являются базовыми для приложения ArcMap. Кроме того, данное приложение имеет большой набор инструментальных средств отображения, подготовки и анализа картографической информации.
Для удобства использования инструментальных средств ArcMap предусмотрена их группировка в так называемые панели инструментов. Для доступа к компонентам системы пилотного проекта была создана отдельная панель “Пилотный проект ТБД ‘Природа’”. Она содержит ряд специально разработанных инструментов, позволяющих решать задачи с использованием данных, собранных в ходе выполнения пилотного проекта (рис. 5).
Рис. 5. Панели инструментов. Загружена карта местообитаний животных.
При анализе пространственной информации обычно формируется выборка объектов, с которыми проводятся какие-либо операции. Выборка представляет собой список объектов, и для работы с ним используются специальные списочные формы. Форма списка объектов является отправной точкой для многих других операций — просмотра атрибутивной информации по объектам списка, выполнения пространственных запросов, составления отчетов и др.
Добавление слоев на карту
Одна из основных идей реализации клиентских мест — дать пользователю возможность динамически менять набор отображаемых на карте данных. Пользователь может вызвать так называемое дерево слоев проекта, которое содержит полный набор загруженной в систему географической информации. Слои географических данных в этом дереве объединены в смысловые (тематические) группы, что позволяет без особых усилий осуществлять поиск данных (рис. 6).
Рис. 6. Дерево географических слоев системы.
Публикация слоев в системе
Вспомогательным инструментом, интенсивно используемым в ходе подготовки проекта, является форма публикации географических слоев (рис. 7). Он обеспечивает описание и занесение новых элементов в дерево слоев проекта. То есть, под публикацией в данном случае понимается регистрация существующих пространственных данных в общем дереве слоев, обеспечивающая доступ к этим данным со стороны всех компонентов программной системы.
Рис. 7. Форма публикации географических слоев в системе.
Дерево справочной информации
При создании программной системы пилотного проекта были выявлены запросы, которые хотя и несут в себе необходимую информационную нагрузку, но не могут быть привязаны непосредственно к векторным объектам карты. Для их представления пользователю было создано специальное дерево справочной информации (рис. 8), в котором представлены справочники и документы, содержащие общую информацию по всему ЯНАО или отдельному административному району.
Рис. 8. Дерево справочной информации проекта.
Идентификация объектов на карте
Для идентификации объектов географических слоев на карте разработан специальный компонент (рис. 9), позволяющий пользователю получить список объектов из всех имеющихся слоев для указанной точки карты и просмотреть атрибутивную информацию по каждому из них.
Рис. 9. Идентификация объектов на карте.
Выборки объектов
Пользователь может произвольным образом создавать выборки объектов на карте. Для этого нужно выбрать интересующий слой в дереве легенды карты и щелкнуть кнопку вызова формы работы со списками объектов. В результате появится форма (рис. 10), которая позволяет работать с отдельными объектами слоя. В частности, можно позиционировать карту на выбранный объект, выполнить пространственный запрос, удалить объект из списка.
Рис. 10. Работа со списками объектов слоя.
Просмотр атрибутивных форм
Из списка объектов можно вызывать специализированные формы просмотра детальной информации по каждому объекту (рис. 11). При выборе в списке другого объекта происходит динамическое обновление формы. Для вывода отчетной информации из базы данных предусмотрены кнопки формирования отчетов, которые имеются на большинстве специализированных атрибутивных форм. Кроме этого, атрибутивные формы обеспечивают доступ к документам, привязанным к объектам (текстовые описания, фотографии). Для работы с привязанными документами разработан инструмент, позволяющий указать на карте интересующую точку и получить список объектов (из всех слоев карты), к которым привязаны документы (рис. 12). Например, данная возможность системы используется для привязки и просмотра фотографий, полученных в ходе полевых работ.
Рис. 11. Специализированная атрибутивная форма (лицензионные участки).
Рис. 12. Просмотр фотографий объектов на карте.
Атрибутивный запрос
Пользователь может осуществлять выбор объектов также и с помощью атрибутивных запросов. В отличие от списка всех объектов слоя, атрибутивный запрос позволяет сформировать выборку объектов, удовлетворяющих заданному критерию. Для удобства работы пользователя была создана специальная форма атрибутивного запроса (рис. 13).
Рис. 13. Форма атрибутивного запроса.
Пространственный запрос
Пространственный запрос используется для выбора объектов какого-либо слоя на основе пространственного соответствия с некоторым объектом исходного слоя. Пространственный запрос реализован в виде специальной формы (рис. 14).
Рис. 14. Форма пространственного запроса.
Дерево запросов к карте
Основной идеей, реализованной в пилотной системе, является возможность выполнения запросов к карте. В первом приближении запрос к карте можно представить как агрегацию данных по выбранной пользователем территории. Такие запросы упорядочены в специальное дерево. Для выполнения запроса к карте пользователю достаточно выбрать интересующую его территорию и определиться с типом запроса (рис. 15).
Рис. 15. Реализация запросов к карте.
В результате выводится форма, содержащая агрегированные данные по указанной территории. Из каждой формы запроса к карте можно перейти к соответствующему отчету, который можно вывести на бумагу. При этом в печатаемый отчет обязательно включается выкопировка исходной карты, по которой проводился запрос.
Прикладные задачи расчета ущербов
Идея реализации агрегированных запросов к карте нашла дальнейшее развитие в решении прикладных задач расчета ущербов. Очень часто возникает необходимость получения данных по набору географических объектов: автодорогам, трубопроводам, кустовым площадкам, линиям электропередачи, карьерам и т.д. Для организации запросов к карте для такой сложной структуры коммуникаций был создан специальный инструмент (рис. 16). Он позволяет после выбора набора объектов запроса выполнить задачи расчета ущербов. Задачи по расчету ущербов, реализованные в пилотном проекте, могут быть представлены следующим списком:
- Расчет ущерба охотничье-промысловому хозяйству при антропогенном воздействии.
- Расчет ущерба оленьим пастбищам.
- Расчет ущерба лесному фонду.
Рис. 16. Прикладные задачи расчета ущербов.
С формы расчета ущербов существует возможность перейти к общему дереву запросов к карте и выполнить любой предусмотренный в системе алгоритм запроса по территории.
В заключении следует упомянуть, что программная система пилотного проекта позволяет формировать большое количество разнообразных отчетов (рис. 17).
Рис. 17. Формирование и печать отчетов.
