Шаммазов А.М., Президент Академии наук Республики Башкортостан, ректор Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГАТУ), г.Уфа, Бахтизин Р.Н., зав. кафедрой математики УГАТУ, e-mail ramil_bahtizin@mail.ru, Павлов С.В., зав. кафедрой геоинформационных систем УГАТУ, e-mail psvgis@mail.ru
Большая часть информации, необходимая для управления экономикой и жизнедеятельностью государства и его территориальных образований, в том числе Республики Башкортостан (РБ), характеризует географически распределенные объекты. Существующие на сегодняшний день в организациях и на предприятиях автоматизированные системы, с одной стороны, не обеспечивают решение всего круга производственных задач на основе использования пространственных данных и, с другой стороны, создают для решения этих задач избыточные данные (например, цифровые карты определенной территории создаются и поддерживаются в актуальном состоянии, как правило, самостоятельно в каждой организации).
В Российской Федерации цифровые картографические данные и геоинформационные технологии активно используются практически в каждом министерстве и ведомстве – от управления чрезвычайными ситуациями и обеспечения национальной безопасности до изучения окружающей среды, охраны природы и здравоохранения. Применение геоинформационных систем (ГИС) и преимущества их использования в этих и многих других областях хорошо описаны, а количество положительных примеров продолжает расти [1, 2]. Традиционно, многие из этих применений ГИС были сфокусированы на конкретном проекте. Однако, по мере того как администрации городов, областей, краев, республик и районов расширяли использование этой технологии, стала вырисовываться необходимость реализации всеобъемлющего, корпоративного подхода и создания национальной системы использования пространственных данных.
Для обеспечения эффективного управления жизнедеятельностью и экономикой Республики Башкортостан необходимо наличие полной, достоверной и согласованной пространственной информации обо всех сферах деятельности. Поэтому разработка механизмов взаимодействия между правительством, органами исполнительной власти и предприятиями (организациями) республики на основе геоинформационных технологий приобрела особую актуальность. Они позволят согласовать и автоматизировать процесс приема и обработки пространственной информации, решать функциональные задачи, такие как пространственное моделирование техногенных процессов, влияющих на жизнедеятельность населения республики, зонирование территории, отслеживание паводковой ситуации с учетом характеристик местности, погодных условий и пр., а также представлять результаты в удобном картографическом виде лицам, принимающим дальнейшее решение. Геоинформационная система должна интегрировать управление ключевыми наборами географических данных республики, обеспечивать различные министерства и ведомства геоинформационными услугами и приложениями на их основе.
Международный опыт показывает, что интеграция разрозненных пространственных данных на государственном уровне в единую инфраструктуру посредством ГИС-технологий позволяет осуществить кардинальный прорыв в своевременном обеспечении органов власти, научных исследований, потребностей промышленности и населения достоверной и непротиворечивой пространственной информацией о своей территории. В последние годы все более привлекательной становится идея создания общемировой Инфраструктуры пространственных данных (ИПД, англ. SDI – Spatial Data Infrastructure), путь к которой – объединение самих информационных ресурсов и метаданных («информации об информации») в форме ГИС-портала [3], обеспечивающего доступ к наборам и источникам пространственных данных. В США подобные работы начались еще в конце 20 века, и сейчас прототипы создаваемой национальной ИПД США (NSDI – National Spatial Data Infrastructure) могут служить наглядным примером того, к чему имеет смысл стремиться [4]. Европейская ИПД активно разрабатывается в рамках инициативы INSPIRE Евросоюза. Существенные достижения в подобных разработках имеются в ряде стран мира, уже действуют и развиваются ИПД регионального и территориального уровня.
Российская Федерация также приступила к созданию инфраструктуры пространственных данных на основе ГИС-технологий. ИПД призвана объединить и обеспечить коллективный доступ к пространственным данным на трех уровнях: федеральном, территориальном (уровень субъектов РФ) и муниципальном [5]. Естественным образом из этого вытекает актуальность создания инфраструктуры пространственных данных Республики Башкортостан. В настоящее время эти задачи представляются недостаточно исследованными как с точки зрения технологических решений, так и с точки зрения методов проектирования, поэтому разработка моделей и методов интеграции разнородных данных – как пространственных, так и атрибутивных – является актуальной [6].
Инфраструктура пространственных данных не является самоцелью, она нужна для решения двух задач: электронного обмена пространственными данными между организациями и компаниями разных профилей и видов собственности, а также для обеспечения массового доступа к картографическим продуктам на основе современных информационно-коммуникационных технологий (проще говоря, через Интернет и Интранет). Следствием развития этих двух направлений является снижение дублирования работ (за счет лучшей информированности и возможности автоматизации координации участников) и более широкое использование геоданных непрофессиональными пользователями, то есть повышение их экономической эффективности. Эти задачи аналогичны тем, что стоят перед распределенными корпоративными информационными системами, которые должны обеспечить обмен информацией между подразделениями компании и/или предприятиями холдинга, а также дать возможность доступа к ней большому числу сотрудников с минимальными затратами на обучение и поддержку. По этой причине создание инфраструктуры пространственных данных можно рассматривать как общую задачу для государства и для крупных компаний.
При проектировании инфраструктуры пространственных данных (включая разработку программного обеспечения для ее использования) первоначально возникает ряд научно-прикладных задач, решение которых является необходимым условием создания любой автоматизированной информационной системы.
Во-первых, необходимо выполнить семантический и структурный анализ всей пространственной информации, используемой (реально и в перспективе) органами государственной власти, крупными предприятиями и другими пользователями, а также проанализировать источники ее возникновения и потребления, установить основные взаимосвязи и характеристики этой информации. Сложность решения этой задачи обусловлена тем, что способы, формы и форматы получения, хранения и использования пространственной информации в различных организациях существенно различаются.
Во-вторых, необходимо формализовать описание всех полученных в результате анализа пространственных данных, их взаимосвязей и использования. При этом возникает самостоятельная научная задача интеграции и генерализации разнородной (по типу, формату, способу описания) пространственной информации, распределенной по территориальному месту хранения (в различных организациях) и по принадлежности к действующим информационным системам.
В настоящее время в Республике Башкортостан пространственные данные достаточно широко используются многими органами государственной власти и предприятиями различной формы собственности. Для органов государственной власти характерной задачей является пространственный анализ расположения и взаимодействия техногенных и природных объектов, относящихся к сфере ответственности соответствующего министерства или ведомства. Причем, одни и те же реальные объекты для различных организаций представляют различный интерес и, как следствие, характеризуются различными наборами информации. Поэтому наряду с изучением и анализом пространственных данных, необходимых отдельным организациям и предприятиям, следует выделять ту часть этих данных (базовые пространственные данные), которая требуется всем или многим пользователям.
Чаще всего базовые пространственные данные представляют собой цифровые топографические карты и планы различных масштабов соответствующих территорий и населенных пунктов.
Дополнительные слои цифровых топографических карт (базовых пространственных данных) будут появляться по мере расширения использования пространственных данных и технологий их обработки (ГИС) во всех сферах экономики и жизнедеятельности. В качестве примеров дополнительных слоев, включаемых в базовые пространственные данные и отсутствующих на цифровых топографических картах, можно привести: осевые линии полигональных водных объектов (рек); километровые отметки на транспортных коммуникациях (автомобильные и железные дороги, трубопроводы).
При анализе пространственных данных изучены доступные источники информации а также использован опыт авторов, принимавших участие в разработке и внедрении ГИС и их составных частей – баз пространственных данных – в Минприроды РБ, Управлении (ранее Министерстве) по чрезвычайным ситуациям, Башкирском территориальном отделе Камского бассейнового водного управления, ОАО Уралсибнефтепровод, Уфимском государственном авиационном техническом университете. В результате этого анализа предложена группировка специальной пространственной информации по основным отраслям экономики и жизнедеятельности РБ (рис. 1): транспорт, экономика, образование, промышленность, энергетика, здравоохранение, сельское хозяйство, муниципальные образования, служба по чрезвычайным ситуациям, природопользование, лесные ресурсы и охрана окружающей среды.
Рис. 1. Структура пространственных данных Республики Башкортостан.
Каждый из этих блоков содержит большое количество пространственных объектов, их атрибутивных характеристик и связей между ними и отражает потребности в пространственной информации государственных органов и предприятий в соответствующей отрасли. Детальный состав пространственных данных по каждому блоку нуждается в специальном исследовании и постоянном отслеживании его актуального состояния. Результаты этих исследований позволят:
- обеспечить совместное использование информационных ресурсов, в том числе космических и авиационных снимков, создание и внедрение специализированных и интегрированных баз первичной информации, разработку единой системы классификации и кодирования информации (в том числе пространственной);
- организовать распределенную систему сбора и хранения пространственной информации, ведения аналитической работы с первичными и агрегированными данными;
- обеспечить пространственный и статистический анализ данных (поиск объектов по пространственным и семантическим данным, анализ информации путем выбора объектов на основе их близости к другим объектам, статистический анализ данных, связанных с тематическими картографическими слоями, и др.);
- создать систему классификации информации об объектах и территориях по предметным областям, функциональным направлениям использования, уровням административно-территориального деления и другим признакам.
Для некоторых блоков специализированной пространственной информации, таких как «трубопроводный транспорт», «водные ресурсы», «высшее образование» и некоторые другие, подобные исследования выполнены, доведены до практической реализации и опубликованы [7,8,2]. Но для большинства блоков эта сложная и очень большая по требуемым затратам временных и финансовых ресурсов работа еще впереди.
Исходя из разделения всех пространственных данных на две части: общие (или базовые) пространственные данные (БПД) и специализированные пространственные данные (СПД), а также учитывая опыт создания и использования пространственных данных в различных организациях и на предприятиях на основе ГИС-технологий, можно предложить схему организации ИПД РБ, приведенную на рис. 2.
Рис. 2. Схема организации инфраструктуры пространственных данных Республики Башкортостан.
Основная идея практического создания, развития и использования ИПД РБ заключается в согласованном развитии геоинформационных систем (ГИС) предприятий и организаций и создании подсистемы использования БПД в виде некоторой единой ГИС РБ (рис. 3), которая, с одной стороны, осуществляла бы интеграцию (объединение) в единую систему всех пространственных данных РБ и, с другой стороны, позволяла бы осуществить доступ всем заинтересованным пользователям к этим пространственным данным. Для реализации этой возможности необходимо, наряду с разработкой качественных информационных моделей и созданных на их основе баз пространственных данных, разработать программные средства двух интерфейсов: интерфейс для доступа пользователей ко всем пространственным данным и интерфейс взаимодействия ГИС БПД с ведомственными СПД (с ведомственными ГИС).
Рис. 3. Логическая структура ГИС РБ.
Исходя из необходимости распределения пространственных данных по различным организациям и учитывая возможность программного комплекса ArcGIS осуществлять интеграцию этих распределенных данных в единую систему и обеспечивать локальный и удаленный доступ к ним большого числа удаленных пользователей (в соответствии с их правами доступа), можно порекомендовать для практического создания ИПД РБ структуру программно-аппаратного комплекса ГИС РБ, представленную на рис. 4.
Рис. 4. Структура программно-аппаратного комплекса ГИС РБ.
При этом недостающим компонентом ГИС РБ, нуждающимся в первостепенной разработке, является создание базы общих пространственных данных, установленной на мощном сервере (серверах). Для эксплуатации и администрирования этой компоненты ГИС необходимо формирование некоторой организационной структуры, названной на рис. 2 центром ИПД РБ, или наделение этими функциями одной из ведомственных подсистем. Учитывая вневедомственный характер общих пространственных данных, представляется перспективным создание центра ИПД РБ в составе Академии наук Республики Башкортостан (АН РБ).
Необходимо отметить, что в АН РБ уже проведена определенная работа по созданию ИПД РБ в рамках государственных контрактов, выполненных в 2007-2009 годах:
- «Анализ пространственной информации, используемой органами государственной власти и крупными предприятиями Республики Башкортостан при осуществлении основных видов деятельности»;
- «Разработка функциональной модели использования пространственной информации органами государственной власти и крупными предприятиями Республики Башкортостан»;
- «Построение информационной модели пространственных данных, необходимых для деятельности органов государственной власти и крупных предприятий Республики Башкортостан»;
- «Создание прототипа геоинформационной системы Республики Башкортостан»;
- «Методы структурного семантического анализа пространственных данных, используемые при разработке геопортала Республики Башкортостан».
Благодаря поддержке АН РБ, издана монография «Создание инфраструктуры пространственных данных Республики Башкортостан на основе геоинформационных технологий» (см. фото), в которой изложены основные научные и организационно-технические проблемы создания региональных ИПД и пути их решения. При Отделении наук о Земле и природных ресурсах АН РБ учрежден научный совет «Геоинформационные системы», который призван координировать фундаментальные и прикладные исследования по геоинформационным системам в Республике Башкортостан.
Начать создание БД общих пространственных данных можно с цифровых топографических карт территории РБ и прилегающих территорий крупных масштабов (1000 000, 200000 и 100000). За основу их структуры и тематического содержания можно взять пространственные данные, распространяемые компанией ДАТА+ (www.dataplus.ru). Первоначальная загрузка этих базовых пространственных данных в ArcGIS Server, установленный в центре ИПД РБ, позволит в кратчайшие сроки (примерно 1 месяц с момента принятия решения о создании ИПД РБ и выделении финансовых ресурсов на эти цели) создать прототип ГИС РБ. Прототип ГИС РБ будет осуществлять централизованное хранение этих данных и многопользовательский доступ к ним большого числа индивидуальных и корпоративных пользователей. Это позволит начать согласование структуры и содержания этой базы данных с ведомственными базами геоданных, отработать требования пользователей и администраторов к интерфейсам доступа и обмена данными и, одновременно, приступить к использованию общих пространственных данных для решения различных функциональных задач. В процессе опытной эксплуатации прототипа ГИС РБ, подключения к ней все большего числа пользователей появится возможность выявлять в ведомственных ГИС новые классы пространственных данных (тематических слоев цифровой карты), которыми необходимо дополнить БД БПД, а также отрабатывать методы и технологии интеграции ведомственных ГИС с ГИС РБ.
Данная статья не претендует на всесторонний и всеобъемлющий анализ проблемы создания и использования инфраструктуры пространственных данных в Республике Башкортостан – как с точки зрения полноты анализа пространственных данных, так и с точки зрения полноты предлагаемых технологических решений. В ней рассмотрены первоочередные этапы, выполнение которых необходимо для повышения эффективности использования пространственных данных в республике на основе геоинформационных технологий. При этом целый ряд проблем, таких как использование данных дистанционного зондирования Земли, специализированных систем позиционирования (ГЛОНАСС и GPS), защита пространственной информации в территориально распределенных компьютерных сетях, классификация и кодирование пространственной информации, нормативно-правовые аспекты ее использования остался за рамками данной статьи, поскольку каждая из них является предметом отдельного исследования и обсуждения.
Литература
- Арнаутов Г.С., Бахтизин Р.Н., Дунаев А.И., Павлов С.В. Продукты ESRI в нефтегазовом комплексе Республики Башкортостан // ArcReview. – 2002. – №4(23). – С. 12.
- Павлов С.В., Хамитов Р.З. Комплексное решение некоторых задач управления предприятиями нефтегазового комплекса Республики Башкортостан на основе ГИС // Нефтегазовое дело. – № 1 – Уфа: изд. УГНТУ, 2003.– С. 74-84.
- Лебедева Н.Я. Единая модель данных для цифровых топографических карт и планов, или как нам обустроить ЦММ // ArcReview. – 2006. – №2(37). – С. 7.
- Джек Данджермонд. Перспективы создания Национальной геоинформационной системы США // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации №2 (59) 2007г. – 44-47 с.
- Де Мерс Майкл М. Географические информационные системы. Основы: Пер. с англ. – М.: Дата+, 2006. – 490 с.
- Бахтизин Р.Н., Павлов С.В., Сайфутдинова Г.М. Построение обобщенной модели пространственных данных для деятельности органов государственной власти и крупных предприятий Республики Башкортостан // Компьютерные науки и информационные технологии: материалы IX Междунар. науч.-практ. конф. – Красноусольск, 2007. – Т.1. – С. 185-188.
- Павлов С.В., Горячев В.С., Абрамов С.А. Геоинформационная система водных ресурсов Башкортостана // Научно-практический экологический журнал «Табигат», №11 (70), 2007 г., С. 28-29.
- Павлов С.В., Хамитов Р.З., Никитин А.Б. Создание геоинформационной системы Федерального агентства водных ресурсов // ArcReview «Современные геоинформационные технологии». М. – 2005. – С. 6-7.
