Система хранения и межведомственного обмена

УДК 528.9:681.3
ББК 26.17
П 32
С.Ф. Пикин, А.Ф. Кизянов, А.В. Пикина
Система хранения и межведомственного обмена
пространственной информации – TERRAIN SERVER
(Рецензирована)
Аннотация:
Работа посвящена обоснованию актуальности создания централизованного хранилища
геопространственной информации и краткому описанию предлагаемой системы Terrain
server. Эта система позиционируется как региональная система оперативного
моделирования рельефа с возможностью хранения и анализа геопространственных
данных. Описаны возможность гравитационно-динамической модели рельефа,
используемой в предлагаемой системе. Так же, рассмотрены основные требования к
аппаратному и программному обеспечению системы.
Ключевые слова:
Гравитационно-динамическая
модель
рельефа,
региональное
хранилище
геопространственных данных.
В субъектах Российской Федерации накапливаются цифровые топографо-геодезические
материалы, разномасштабные общегеографические и тематические карты, аэрофотоснимки и
космоснимки различного разрешения. Перечисленные материалы вследствие высокой
стоимости разрабатываются на отдельные участки территорий по мере возникновения
насущных задач регионального управления и хранятся в ведомственных базах данных.
Сложившееся положение препятствует решению проблем системного представления
пространственных данных территории и их совмещенного анализа, так необходимых при
текущем и перспективном планировании социально-экономического развития субъекта.
Обозначенные проблемы решает система хранения и межведомственного обмена
пространственными данными, проект которой предложен ГИС-центром Адыгейского
госуниверситета правительству республики для рассмотрения.
Из зарубежных аналогов предлагаемого проекта можно выделить программные системы
GoogleEarth и NASA WorldWind. Данные системы поддерживают представление данных в
виде пирамиды с переменной детализацией и добавление пользовательских данных, однако
они не имеют встроенных средств построения цифровой модели рельефа (ЦМР), а,
следовательно, не гарантируют качества и единообразия представления земной поверхности.
Кроме того, они не поддерживают функций анализа рельефа местности.
Похожий проект ведёт национальный географический институт Франции. Национальное
картографическое агентство Франции, при его участии, осуществляет работу с более чем
100 млн. топографическими объектами. Эти данные предоставляются на чтение/запись более
чем ста полевым исследователям. Проект ведётся с использованием существующих средств
связи, закрыт для публичного доступа, доступ к переданным данным регламентируется
потребителем.
Примером действующей и развивающейся системы городского масштаба и сходного
назначения за рубежом является ГИС-портал города Оркхард Парк, штат Нью-Йорк (Orchard
Parck, st. New York). ГИС-портал города Оркхард Парк является публичным и информация на
нём – открытой. Работу с данными обеспечивает сетевой сервис Cartoweb.org.
Геопространственные данные предоставляются в растровом и векторном виде, путём
скачивания файлов с информацией на пользовательскую машину с последующим открытием
их в соответствующих локально установленных программах. Данный способ обусловлен не
только удобством для конечного пользователя, высокой степенью компьютеризации и
доступностью соответствующего программного обеспечения, но и особенностями местного
законодательства.
В качестве отечественного аналога также можно рассмотреть городскую информационную
систему ДубльГИС (компания Дата Ист, г. Томск). Проект ДубльГИС и разработчик
программного обеспечения проекта представляет профессиональную полнофункциональную
ГИС для создания, редактирования и анализа карт городов. Компания-разработчик уже
подготовила, регулярно обновляет и бесплатно распространяет план-схемы более 10 городов
РФ. Система ДубльГИС имеет распространяется в виде файлов с данными и программы для их
просмотра. Актуализация имеющейся информации может быть осуществлена только путём
скачивания/установки обновлённого массива данных. План-схемы городов на основе
ДубльГИС не предназначены для проведения точных контрольно-измерительных работ.
Средняя точность измерений расстояния между объектами по такой план-схеме составляет
около 30м.
Проект Terrain server ГИС-центра АГУ обеспечивает реализацию возможностей
перечисленных систем, но главным достоинством и отличием разрабатываемой системы
является то, что она позволяет строить и хранить ЦМР на территорию масштаба города,
региона или государства. Terrain server – отечественная распределённая геопространственная
база данных, содержащая трёхмерную ЦМР и включающая координированные данные, как
растровые, так и векторные. При этом ЦМР обеспечивает точность передачи формы земной
поверхности, адекватную любым задачам от авиационной навигации до архитектурного
проектирования. Предельное разрешение модели может быть достаточным для архитектурного
проектирования и проектирования коммуникаций (порядка 10 см). Это достигается за счёт
применения модели хранения данных в виде пирамиды детализации, предельный уровень
детализации которой может различаться на разных участках в зависимости от потребности и
наличия данных.
В качестве метода построения ЦМР предполагается авторская (оригинальная)
гравитационно-динамическую модель, имитирующую гравитационный перенос потенциала в
поверхностном слое земной коры. Модель рассматривает подстилающую породу как вязкую
жидкость, позволяя учесть не только геометрическую составляющую данных о рельефе, но и
текучесть геологического субстрата в каждой точке пространства. Для численного
моделирования процесса используется GRID модель с регулярной структурой, в которой
размер ячейки настолько мал, что все параметры внутри неё можно считать постоянными для
данного уровня детализации.
Гравитационно-динамическая модель рельефа является естественной моделью процесса
образования поверхности рельефа. Следовательно, она может использоваться не только для
получения статической модели земной поверхности, но и для моделирования различных
экзогенных процессов. Например, представляется возможным моделирование оползневых
процессов с использованием данных космической съёмки местности. В силу того, что данная
модель позволяет добиться гидрологической корректности ЦМР, она может эффективно
применяться при выделении линий тока, бассейнов рек, а также структурных линий рельефа.
Авторская программа построения гравитационно-динамической модели рельефа
«Gravity» предназначена для создания регулярной ЦМР по данным цифровой
топографической карты или других источников, например GPS, ГЛОНАСС и т.д. «Gravity»
представляет собой инструмент построения модели рельефа любой сложности при
минимальных требованиях к топологической структуре исходных данных. Хотя, конечно, для
корректной структуры точность получаемой модели повышается. Программа «Gravity» была
опробована при построении ЦМР на различные участки территории Республики Адыгея и
Краснодарского края с использованием карт масштабов 1:200000 — 1:10000. Полученная ЦМР
была использована при моделировании катастрофического паводка 2002г. на р. Белой.
Построенная модель паводка адекватно отражала известную ситуацию, наблюдавшуюся во
время паводка.
Клиентская часть системы обеспечивает:
- просмотр модели рельефа в режиме симуляции полёта над местностью;
- возможность выполнения некоторых аналитических вычислений в том числе:
- экспозиция, уклон и др. дифференциальные параметры поверхности рельефа, как в точке,
так и средние на заданную территорию;
- построение профилей высот вдоль произвольной линии, например проектируемого
газопровода;
- выполнение пользовательских алгоритмов;
- редактирование исходных данных модели (при наличии соответствующих прав доступа к
системе) путём добавления координированных данных с указанием уровня детализации:
- линейных или точечных векторных примитивов, описывающих базис ЦМР;
- готовых ЦМР участков местности в виде регулярной сетки высот (GRID данных).
В целом система Terrain server предназначена для предоставления удалённого доступа ко
всему спектру геопространственной информации по региону, в соответствии с потребностями
ведомств, включённых в систему. Актуализация и наполнение базы данных осуществляется
заинтересованными ведомствами.
В структуре Terrain Server — центральный сервер (кластер серверов) отвечает за хранение
и обработку основного массива данных. Центральный сервер выполняет построение и
обновление данных в соответствии с имеющимися и вновь получаемыми данными. Вторичные
серверы кэшируют информацию с центрального сервера и предоставляют её конечному
пользователю.
В качестве программной платформы для создания серверной части системы предлагается
использовать
открытую
объектно-реляционную
СУБД
PostgreSQL.
Главными
преимуществами данной платформы являются:
- свободное распространение по лицензии GNU GPL;
- поддержка операционных систем Windows, Unix/Linux, MacOS;
- открытая расширяемая архитектура, позволяющая разработку высоко эффективных
пользовательских функций на языке C;
- полноценная поддержка геопространственнх данных, при условии использования
PostGIS.
Разработка клиентской части приложения предлагается с использованием собственной
открытой разработки – OpenGISCore (распространяется по лицензии GNU LGPL)
- поддержка сетевой пространственной СУБД позволяет эффективно работать с большими
массивами данных;
- поддержка пространственных операций над геометрическими объектами;
- высокопроизводительная визуализация 2D/3D пространственных объектов с
использованием OpenGL;
- каждый тип объекта обрабатывается своим собственным классом-обработчиком. Это
позволяет обрабатывать специфичные для объекта свойства и связи, а также повысить
эффективность визуализации объектов;
- при разработке системы используются только бесплатные (open source) сторонние
компоненты, что избавляет потенциальных пользователей от необходимости приобретения
дорогостоящих программных продуктов.
Региональная система Terrain server при внедрении в рамках системы Электронного
правительства Адыгеи не только обеспечит эффективным инструментом целый ряд
заинтересованных служб (занимающихся топосъемкой, кадастровой оценкой, архитектурным
проектированием, территориальным планированием и т.д.), но и станет единым хранилищем
геопространственной информации в масштабах региона.