Анализ информационных технологий для веб-публикации пространственных данных



Введение

Поскольку большинство информации имеет пространственную привязку, то владение методами ее анализа и представления оказывается важным, а часто и ключевым при принятии решений и проведении исследовательских работ. Поэтому чем сложнее структура данных и больше их объем, тем нагляднее должно быть визуальное представление данных для пользователей. Различные виды данных, которые имеют некоторую координатную привязку, удобно представить средствами ГИС в виде тематических карт на фоне картографической основы. Данные, которые имеют координатную составляющую, привязывающую их к определенному месту на нашей планете, называют пространственными.

Использование пространственных данных и распределенных корпоративных ГИС необходимо для многих потенциальных пользователей пространственной информации. И большинству из них, прежде всего, требуется просмотр готовых карт, например, в окне обычного веб-браузера. Поэтому необходимым пользователю элементом является инструмент, осуществляющий веб-публикацию пространственных данных.

Объем доступных пользователю пространственных данных постоянно увеличивается. Большие объемы информации требуют дополнительных ресурсов, усложняя задачи хранения и поиска. Осуществлять поиск этих данных можно по разным параметрам: по типу и имени элемента, атрибутам (метаданным) объекта с возможностью указания сложных критериев (больше, меньше, указание интервала значений) и пространственному поиску объектов [1].

Метаданные представляют собой описания пространственных характеристик объектов. Они могут использоваться как в составе пространственных данных, так и отдельно от них. Способы работы с метаданными не связаны жестко со способами работы с пространственными данными. Для них могут использоваться отличные от пространст-венных данных специфические права доступа, способы организации хранения [2].

Используемые информационные технологии

Пространственные данные, публикуемые в сети Интернет, могут быть представлены в виде растровых и векторных изображений, обладающих атрибутивными данными. Консорциум OGC (OpenGeospatialConsortium) занимается разработкой стандартов, используемых при создании программного обеспечения, на котором основана работа картографических сервисов. Рассмотрим веб-картографические сервисы, которые используются для публикации пространственных данных:

Web Coverage Service (WCS) – определяет формат и протокол доступа к покрытиям (регулярное распределение любого параметра по площади); его можно представить как растровое изображение, в каждом пикселе которого произвольное значение;

Web Feature Service (WFS) – веб-сервис, предоставляющий данные в векторном виде в формате GML. Клиент получает как геометрию, так и атрибуты;

Web Map Service (WMS) – веб-сервис, предоставляющий данные в растровом виде в формате PNG, TIFF, JPEG и т.п.

Для публикации изображений поверхности Земли в соответствии со стандартами OGC нужно использовать веб-сервис, соответствующий стандарту WMS, в то время как для публикации изображений, содержащих информацию о поверхности Земли, используется веб-сервис WCS. Для публикации векторных данных используются веб-сервисы WFS. Векторные данные (точки, полилинии, полигоны) с точки зрения графики более предпочтительны для обозначения локальных объектов (дома, улицы, реки, озера и т.д.). Эти данные легче редактировать, поскольку они, как правило, связаны с базами данных, в которых может храниться подробная информация о векторном объекте (координаты, размер и другая атрибутивная информация) [3].

Векторный формат данных выгодно использовать, когда необходимо пометить какое-либо место на карте, например: отметить здание; создать схему зданий в городе; отобразить участки леса, подверженные пожарам, или потенциально опасные участки суши в период половодий.

Веб-публикация ГИС представляет собой распределённую информационную систему. Необходимым минимальным набором для функционирования такой ГИС в простейшем варианте являются два компонента клиента и сервер. Клиент отправляет на сервер HTTP запросы и получает ответы, в зависимости от параметров запроса сервер посылает клиенту ответы в различных форматах [4].

При работе с большими объемами данных простой архитектуры недостаточно, поэтому также, как и большинство современных веб-приложений, веб-публикация ГИС строится на основе трехуровневой архитектуры, которая предполагает наличие уровней:

 клиентское приложение (обычно говорят «тонкий клиент»);

 сервер приложений;

 сервер баз данных.

Основное отличие такой архитектуры от обычного веб-приложения заключается в наличии в ее составе дополнительного компонента, который условно можно назвать ГИС-сервер. Зачастую в реальных приложениях роль такого ГИС-сервера выполняют несколько программных продуктов. Одни служат для публикации векторных и растровых сервисов, другие для публикации сервисов метаданных, третьи обеспечивают возможность создания кэшей и т.д. [5].

В ГИС первого поколения все пространственные данные хранились в файлах, требовавших специального программного обеспечения ГИС для их интерпретации, которое разрабатывалось для удовлетворения нужд пользователей, работающих с данными, доступными только в рамках одной организации. В большинстве своем это программное обеспечение разработано под конкретную задачу и не способно решать задачи, выходящие за границы.

В ГИС следующего поколения отошли от принципа хранения пространственных данных в файлах. В ГИС этого поколения отдавали предпочтение хранению атрибутики в реляционных базах данных, но геометрическая составляющая по-прежнему хранилась в файлах или базах данных в виде объектов.

В современных ГИС пришли к тому, что эффективнее хранить как атрибутику, так и геометрии в реляционной базе, тогда структура хранения пространственных данных не зависит от разработчика конкретной ГИС, что резко расширяет возможности по работе с пространственными данными и обмену ими, интеграции с другими системами, использованию программного обеспечения сторонних разработчиков. При использовании данных решений пользователь ГИС в гораздо меньшей степени зависит от конкретного поставщика, может сменить используемую ГИС или расширить имеющийся функционал за счет использования других ГИС, работающих с тем же хранилищем пространственных данных. Эти решения позволяют также реализовывать распределенные ГИС, когда с одним общим хранилищем пространственных данных работают несколько различных ГИС разных организаций, в том числе территориально находящихся в разным местах и объединенных каналами передачи данных [6].

Еще одной тенденцией является переход к использованию в качестве рабочего места конечного пользователя ГИС приложения на основе веб-браузера, а также встраивания необходимого набора скриптов для работы с системой в геопорталы. В некоторых случаях данные решения являются вспомогательными и выполняют в основном функции просмотра пространственных данных, а в качестве редактора используется обычная программа, но также имеются решения, когда весь функционал по работе с ГИС, включая её администрирование и ввод пространственных данных, реализован в виде веб-приложения работающего через веб-браузер [7].

Системная архитектура прикладной геоинформационной веб-системы

Современные программно-технологические решения в области ГИС все чаще используют сервис-ориентированную архитектуру (SOA – service-orientedarchitecture), и в этом смысле они становятся похожими на корпоративные информационные системы. SOA – это парадигма, предназначенная для проектирования и разработки приложений набора взаимосвязанных сервисов в вычислительной среде; модульный подход к разработке программного обеспечения, основанный на использовании распределенных слабо связанных заменяемых компонентов, оснащенных интерфейсами для взаимодействия по стандартизированным протоколам.

Концепция SOA нашла отражение в картографических веб-сервисах Консорциума OGC. Хорошей иллюстрацией этого является использование картографических и спутниковых данных Google (а также Яндекс, и проч.) как составной части приложений различного назначения: с оперативными данными по пробкам на дорогах и движению автобусов, в приложениях социальных сетей с функциями геопозиционирования и т.д. [8].

Можно выделить несколько основных принципов сервис-ориентированной информационной системы:

 Система строится на основе набора сервисов – независимых компонентов с опубликованными стандартизированными интерфейсами. Внутренняя реализация сервисов может быть выполнена на любом языке программирования, платформе, операционной системе. Сервисы взаимодействуют между собой и вспомогательными службами посредством открытых стандартов.

 Каждый сервис информационной системы реализует отдельную функцию, которая является логически обособленной повторяющейся задачей.

 Сервисы могут быть реализованы в независимости от других элементов системы, необходимо только знание интерфейсов других сервисов.

Применение на практике основных принципов SOA повышает эффективность процесса разработки и внедрения приложений, обеспечивает повышение производительности и сокращение времени реализации, более быструю и менее дорогую интеграцию приложений.

Большинство современных геоинформационных систем корпоративного уровня разрабатываются на основе рассматриваемого подхода – концепции SOA. При этом одна часть функций – задачи визуализации карты и формирования запросов к пространственным данным – обеспечивается веб-приложениями (веб-ГИС), а другая – традиционными средствами для Windows/Unix, например, сбор, хранение и предварительная обработка геопространственных данных. Веб-ГИС – это геоинформационная система в сети Интернет/Интранет, в которой могут быть реализованы практически любые функции, доступные в настольной ГИС – навигация по карте, редактирование данных, пространственный анализ, поиск, геокодирование. Для работы в веб-ГИС пользователю не требуется специализированное программное обеспечение или квалификация ГИС-специалиста, достаточно наличие веб-браузера.

Сервис-ориентированная архитектура геопространственного веб-приложения основана на модели клиент-сервер, где клиентское приложение (интерфейс веб-сайта) предоставляет пользователю доступ к геоданным, которые, в свою очередь, размещены на одном или нескольких серверах пространственных данных. Интерфейс пользователя может предусматривать доступ к различным представлениям данных, для реализации которых может потребоваться создание отдельных самостоятельных сервисов приложения [9].

Будем рассматривать технологии картографических веб-сервисов как системообразующий элемент программного обеспечения прикладной ГИС на основе технологий геопортала. Анализ возможностей существующих программных систем и тенденций в развитии технологий в рассматриваемой предметной области позволил выделить несколько актуальных задач и направлений в разработке программно-технологического обеспечения, решение которых может заметно повысить эффективность выполняемых работ по созданию прикладных региональных геоинформационных систем, обеспечить тиражируемость отдельных компонент между различными системами. Было выделено четыре основных блока:

 подсистема ведения архива базовых геопространственных данных;

 система прикладных программных (картографических) веб-сервисов;

 подсистема управления пространственными метаданными;

 веб-портал.

Автоматизация решения этих задач позволяет заметно сократить время разработки систем для конечных пользователей.

Программные инструменты геопортала для создания веб-ГИС

В Институте вычислительного моделирования СО РАН на протяжении нескольких последних лет ведутся исследования, посвященные проектированию и разработке математического и информационно-вычислительного обеспечения для распределенных геоинформационных аналитических систем на основе веб-технологий. Результатом этих работ стал комплекс программно-технологических решений для построения прикладных геоинформационных веб-систем (геопорталов) – система управления пространственными данными и связанный с ней программный инструментарий [10, 11].

В первое время существования геопортала технологии в части веб-картографии были сконцентрированы и, в определенном смысле, ограничены технологической платформой ГИС MapGuide Open Source. Последующая модернизация расширила функциональные возможности геопортала, были добавлены новые функциональные модули – веб-ГИС собственной разработки на основе технологической платформы UMN Mapserver, подсистема документирования на основе вики Dokuwiki, система управления веб-контентом геопорталом на основе CMS Drupal. Были созданы дополнительные модули, среди которых – система управления метаданными с соответствующими интерфейсами навигации и поиска, администрирования. Ядром геопортала стала база данных, построенная на основе PostgreSQL/PostGIS [9].

В состав разработанного программно-технологического обеспечения входит набор инструментальных библиотек и компонентов, прикладных веб-сервисов, картографических интерфейсов, веб-приложение для навигации по пространственным метаданным, веб-система управления данными, подсистема картографической веб-визуализации и т.д. [12].

Центральным звеном системы управления пространственными данными с точки зрения доступа пользователей к ее функциональным модулям является геопортал, представляющий собой веб-сайт (Интернет-портал). Функциональные модули – это различные веб-сервисы и веб-приложения, предоставляющие средства для работы с пространственными данными, зарегистрированными в каталоге ресурсов системы. Поскольку архитектура системы управления была разработана с расчетом на гибкое расширение функциональных возможностей, в состав системы могут быть внедрены совершенно различные функциональные модули, которые могут быть разработаны с применением самых разнообразных систем и средств [13–15].

Примеры реализации

Рассмотрим несколько прикладных геоинформационных веб-систем, разработка которых была выполнена с использованием программно-технологического обеспечения геопортала ИВМ СО РАН.

В разделе геопортала, посвященном исследованию водных экосистем в ИВМ СО РАН, представлены результаты анализа особенностей пространственного распределения байкальских амфипод в р. Енисей, полученные в результате использования методов геоинформационного моделирования. Здесь доступен сформированный набор картографических данных, обобщающий многолетние экспедиционные исследования. Диаграммы и общая информация по исследованию представлена на геопортале как веб-страница (рис. 1).

Рис. 1. Тематический раздел по водным экосистемам ИВМ СО РАН

Стандартный веб-браузер обеспечивает возможность интерактивной навигации по картографическому изображению с изменением масштаба; построение запросов по объектам карты щелчком мыши; управление видимостью слоев карты в легенде; выбор картографической основы (подложки) – карты различных поставщиков, мозаики спутниковых снимков, цифровой рельеф и т.д. На рис. 2 представлен общий вид тематической карты.

Рис. 2. Тематическая карта Исследования зообентоса в р. Енисей

Другим успешным примером внедрения разработанных технологий геопортала стала реализация программного обеспечения ведомственной геоинформационной аналитической веб-системы «Карта здравоохранения Красноярского края» министерства здравоохранения Красноярского края. Она связана с централизованным хранилищем медицинских данных министерства, получает из него агрегированные сведения по муниципальным образованиям и медицинским учреждениям; краевой геопортал обеспечивает актуализацию топоосновы (рис. 3).

Рис. 3. Геоинформационная веб-система «Карта здравоохранения Красноярского края»

Заключение

Развитие веб-публикаций является следствием большого интереса к пространственным данным и результатам их анализа и обработки. Такое представление данных удобно для пользователей с разным уровнем подготовки. Геопорталы являются универсальным инструментом для веб-публикации различных пространственных данных. Эти технологии особенно эффективны для таких исследований как экологический мониторинг с применением данных дистанционного зондирования.

Литература:

1. Матузко А.К. Геопортал – современный инструмент для органов административного управления // Проблемы информатизации региона. ПИР-2015: Материалы XIV Всероссийской научно-практической конференции / под ред. Л.Ф. Ноженковой; отв. за вып. А.А. Евсюков. – Красноярск: ИВМ СО РАН, 2015.
2. Кошкарев А.В. Геопортал как инструмент управления пространственными данными и геосервисами // Пространственные данные. – 2008. – № 2. – С. 6–14.
3. Рогачев С.А. Веб-картография. Представление разнородной пространственной информации // Труды СПИИРАН. – 2013 – № 29. – С. 132–143.
4. Якубайлик О.Э., Попов В.Г. Технологии для геоинформационных Интернет-систем // Вычислительные технологии. – 2009. – Т. 14, № 6. – С. 116–126.
5. Кадочников А.А., Попов В.Г., Токарев А.А., Якубайлик О.Э. Формирование геоинформационного Интернет-портала для задач мониторинга состояния природной среды и ресурсов // Журнал СФУ. Серия: Техника и технологии. – 2008. – Т. 1, № 4. – С. 377–386.
6. Мыльников Д.Ю. Геоинформационные платформы, третья редакция // 2012 [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. – URL: http://www.politerm.com.ru/articles/obzor_gis.pdf (дата обращения: 20.02.2016).
7. Якубайлик О.Э. Геоинформационная Интернет-система мониторинга состояния природной среды в зоне действия предприятий нефтегазовой отрасли // Вестник СибГАУ. – 2010. – Т. 1, № 27. –С. 40–45.
8. Кадочников А.А., Якубайлик О.Э. Разработка программных средств сбора и визуализации данных наблюдений для геопортала Института вычислительного моделирования СО РАН // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. – 2014. –Т. 12, № 4. – С. 23–31.
9. Якубайлик О.Э. Проблемы формирования информационно-вычислительного обеспечения систем экологического мониторинга // Вестник СибГАУ. – 2012. – Вып. 3(43). – С. 96–102.
10. Якубайлик О.Э., Гостева А.А., Ерунова М.Г., Кадочников А.А., Матвеев А.Г., Пятаев А.С., Токарев А.В. Разработка средств информационной поддержки наблюдений за состоянием окружающей природной среды // Вестник КемГУ. – 2012. – № 4/2(52). – С. 136–142.
11. Yakubailik O., Kadochnikov A., Tokarev A. Applied software tools and services for rapid Web GIS development // 15th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2015, www.sgem.org, SGEM2015 Conference Proceedings, June 18-24, 2015. Bulgaria, Book 2. – Vol. 1. – P. 487–494.
12. Yakubailik O.E. Web mapping applications and geo-portals as the basis of modern software and technological support for environmental monitoring tasks. ENVIRONMIS-2014: International Conference on Measurement, Modeling and Information Systems for Environmental Studies, Tomsk, June 28 – July 5, 2014. Tomsk, PublishingHouseofTomskCSTI. – 2014. – P. 173–176.
13. Токарев А. В., Якубайлик О. Э. Каталог ресурсов для ГИС мониторинга состояния окружающей природной среды в зоне действия предприятий нефтегазовой отрасли // Горный информ.-аналит. бюл. – 2009. – Т. 18, № 12. – С. 215–219.
14. Матвеев А.Г., Якубайлик О.Э. Проектирование и разработка программно-технологического обеспечения для геопространственных веб-приложений // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – С. 3358–3362.
15. Кадочников А.А., Якубайлик О.Э. Сервис-ориентированные веб-системы для обработки геопространственных данных // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. – 2015. – Т. 13, № 1. – С. 37–45.