Cтатьи и комментарии

Научные труды Винницкого национального технического университета (р 1, 2007)

Новый подход к созданию унифицированной информационно-справочной подсистемы ГИС мониторинга окружающей среды

В.Б. Мокин, д. т. н., проф.;
Е. Н. Крыжановский, асп.;
Ю. М. Коновалюк; Д. Ю. Кулемин, студ.
http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/VNTU/2007-1/ru/07mvbfem_ru.pdf

Рассмотрено актуальную задачу создания унифицированной информационно-справочной подсистемы региональной геоинформационной системы мониторинга окружающей среды. На базе построенной оптимальной модели взаимодействия составных ГИС предложено новый подход к созданию такой подсистемы. Приведен пример программной реализации данного подхода для геоинформационной системы мониторинга окружающей среды Винницкой области.

Ключевые слова: геоинформационные системы, мониторинг окружающей среды, база данных.

1. Исходящие предусловия и постановка задачи

Для создания компьютерных систем мониторинга окружающей среды и антропогенного влияния на него традиционно используют геоинформационные технологии. В то же время практическая направленность создания геоинформационных систем (ГИС) требует создавать их для каждой составляющей мониторинга (поверхностные воды; обратные воды; выбросы; атмосферный воздух; грунты; места удаления отходов; природно-заповедный фонд и т. д.) индивидуально, что, как правило, связано с созданием отдельных специализированных баз данных и электронных карт ГИС. Опыт показывает, что унифицированные компьютерные системы мониторинга окружающей среды, которые не учитывают специфику отдельных составляющих окружающей среды и загрязняющего влияния на него, практического распространения не получили.

Традиционно информационно-справочные подсистемы геоинформационных систем мониторинга окружающей среды создают таким образом, чтобы в удобной форме можно было работать с объектами векторных карт, подключая информацию из баз данных. Например, в ГИС государственного мониторинга поверхностных вод Винницкой области этот подход реализован таким образом: в случае нажатия мышью на определенный объект карты, выделенный курсором, на монитор выводится удобное окно с данными об этом объекте (рис. 1).

Рис. 1. Справочная информация о речке Ров Винницкой области

В то же время существует необходимость сборки специализированных ГИС разных составляющих окружающей среды в единую систему для формирования комплексной картины о состоянии окружающей среды, региона и принятия интегральных решений, направленных на улучшение ее состояния согласно концепции постоянного развития.

Следовательно, возникает задача разработки нового подхода к созданию унифицированной информационно-справочной подсистемы геоинформационной системы мониторинга окружающей среды и загрязняющего влияния на нее, представленной комплексом специализированных систем разных составляющих мониторинга.

2. Построение модели взаимодействия составляющих ГИС

Для создания унифицированной информационно-справочной подсистемы ГИС предлагается новый подход, который состоит в том, что на основе баз данных и карт каждой специализированной ГИС формируется база метаданных (БМД) в формализированном виде. По этой базе и определяется состав и место расположения информации по каждому объекту в унифицированной информационно-справочной подсистеме.
База метаданных (с лат. «метаданные» – «данные о данных») содержит информацию о структуре и другие особенности хранения данных. Для построения модели базы метаданных следует сначала построить модель самой системы, где эти данные хранятся.

Введем обозначения:

S = {G}, (1)

которое обозначает, что компьютерная система мониторинга окружающей среды и антропогенного влияния на него S состоит из множества специализированных геоинформационных систем разных составляющих мониторинга G.

Геоинформационная система G представляет собой объединение базы данных В и электронной векторной карты М [1, 2]. В формализированном виде это объединение можно представить в виде:

G = [ B M ], (2)

в котором знак «» означает, что данные базы данных В отвечают объектам карты М.

Проведем формализацию взаимодействия (1).

Поскольку модель взаимодействия баз данных и карт в ГИС существенно зависит от программного обеспечения, которое при этом используется, сосредоточим внимание на системе управления базами данных MS Access и на геоинформационном пакете «Панорама» (http://www.gisinfo.ru). Обоснование целесообразности использования именно этих систем для реализации компьютерных систем мониторинга окружающей среды в Украине на региональном уровне приводится в работе [2].

Каждая база данных B в MS Access как один компьютерный файл *.mdb характеризируется названием этого файла NB и хранит множество значений таблиц Т:

B = [ NB, {T} ]. (3)

Каждая из таблиц Т имеет свое название NT и является множеством полей, каждое из которых имеет свое название Р, уникальное только для данной таблицы, причем допускаются одинаковые названия полей в разных таблицах, тип данных D (числовой, текстовый, дата и т. д.) и комментарий R, который выводится пользователю как подсказка, касающаяся данных, которые находятся в данном поле.

T = [ NT, {[P, D, R]} ]. (4)

Рис. 2. Классификатор ГИС-пакета «Панорама»

Основой каждой карты М в ГИС-пакете «Панорама» является классификатор. Классификатор хранит все множество объектов К, которое может быть отображено на карте (рис. 2).

Таким образом, каждая карта М в ГИС-пакете «Панорама» представляет собой множество объектов К из классификатора с названием NK:

M = [ NK, {K} ]. (5)

Учитывая вышеизложенные обозначения, построим модель взаимодействия баз данных и карт геоинформационной системы мониторинга окружающей среды и загрязняющего влияния на неё. Для этого последовательно подставляем модели (2)-(5) в (1):

S = {G} = {[B M]} = {[[NB, {T}] M]} == {[[NB, {[NT, {P, D, R}]}] [ NK, {K}]]}. (6)

Для увеличения функциональности информационно-справочной подсистемы ГИС следует учесть в модели (4), а соответственно и в модели (6), параметр b = {0, 1}, который принимает только одно из двух значений: b = "1" – поле P следует показывать пользователю информационно-справочной подсистемы ГИС (например, выводить на экран), b = "0" – поле P не показывать.

Тогда модель (6) перепишется в виде:

S = { [ [NB, {[NT, {P, D, R, b}]}] [NK, {K}] ] }. (7)

3. Оптимизация модели взаимодействия составляющих ГИС

Осуществим оптимизацию модели (7) по критерию минимума количества элементов модели, учитывая особенности их использования для поставленной задачи. Прежде всего, исходя из назначения модели (7), параметр D (тип данных поля таблицы базы данных) в ней не является необходимым, так как он не дает полезной информации ни для базы метаданных о расположении данных в системе, ни пользователю информационно-справочной подсистемы о состоянии окружающей среды. Перепишем модель (7) с учетом этого замечания:

S = {[[NB, {[NT, {P, R, b}]}] [NK, {K}]]}. (8)

Сформируем множество таблиц параметров А, каждая из которых отвечает определенной таблице Т, содержит параметры P, R и b этой таблицы, а ее название NA формируется по правилу:

NA = "Admin_" + NT, (9)

тогда имеет место модель:

S = {[[NB, {A}] [NK, {K}]]}. (10)

A = [NA, {P, R, b}]. (11)

Так как во время компьютерной реализации название файла обозначает сам файл, то есть в модели А и NA имеют одно и то же значение, то имеет место модель:

S = {[[NB, {NA}] [NK, {K}]]}. (12)

Еще одно упрощение модели можно осуществить, если все карты системы мониторинга S построить на основе единого классификатора. Такая ситуация очень распространена на практике. Исключением являются случаи, когда одна ГИС строится и для регионального, и для локального видов мониторинга с картами разного масштаба, но такой подход является не совсем корректным.

В таком случае не следует в модели (12) учитывать название классификатора NK – он один, а поэтому модель упрощается до такой:

S = {[[NB, {NA}] {K}]}. (13)

Еще одно упрощение можно сделать, если учесть, что большое количество карт на основе единого классификатора – это фактически одна карта. И в этом случае соотношение (2) – это соответствие записей множества баз данных не большому количеству карт, а только одной карте, значит:

S = [[NB, {NA}] {K}], (14)
A = [NA, {P, R, b}]. (15)

Компьютерная реализация моделей (13) и (14) в MS Access отличается тем, что модель (13) означает множество таблиц [[NB, {NA}] {K}], а (14) – только одну такую таблицу.

Таким образом, база метаданных содержит главную таблицу (например, под названием "Admin"), построенную по модели (14), которая устанавливает соответствие объектов К классификатора карт ГИС названиям баз данных В и таблиц параметров А их таблиц. Также база метаданных хранит соответствующие таблицы параметров А с данными о полях таблиц баз данных В. Модель базы метаданных, построенная на основе модели системы (14), (15), в составе модели унифицированной информационно-справочной подсистемы ГИС приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Модель унифицированной информационно-справочной подсистемы ГИС мониторинга

Следует отметить, что предложенный подход можно использовать для проектирования не только геоинформационных систем мониторинга окружающей среды и антропогенного влияния на него, но и для ГИС другого назначения при аналогичных входящих данных, характерных особенностях и упрощениях.

4. Разработка программного обеспечения для ГИС государственного мониторинга окружающей среды и антропогенного влияния на него в Винницкой области

Разработанные теоретические основы нового подхода были успешно использованы во время разработки унифицированной информационно-справочной подсистемы для ГИС государственного мониторинга окружающей среды и антропогенного влияния на него в Винницкой области [3].

Разработана база метаданных в соответствии с моделью системы S в виде (14) (рис. 4) и множество таблиц параметров А (рис. 5).

Рис. 4. Главная таблица базы метаданныхРис. 5. Таблица Admin_Inform параметров таблицы Inform базы данных PZF.mdb, которая хранит описание полей основной информационной таблицы базы данных природно-заповедного фонда Винницкой области

Рис. 6. Результат работы информационно-справочной подсистемы (выбранный объект, который обозначается квадратиком, на карте выделен окружностью)

Поскольку для всех полей таблицы Admin_Inform параметров таблицы Inform базы дан-ных PZF.mdb параметр b = 1 (см. поле "Status") (см. рис. 5), то информационно-справочная система отображает информацию, которая хранится в этих полях таблицы (рис. 6).

На рисунке 7 приведен пример настройки параметров информационно-справочной подсистемы, когда нужно отображать не всю информацию об объекте (см. поле "Status" – b равняется как «1», так и «0»).

Рис. 7. Таблица Admin_Inform, в которой не все поля отмечены как такие, которые следует отображать информационно-справочной подсистемой

5. Выводы и преимущества разработанного подхода

Разработанный подход предоставляет такие основные преимущества перед другими вариантами реализации информационно-справочной подсистемы ГИС мониторинга окружающей среды:

1) универсальность, быстрота и удобство добавления произвольных специализированных геоинформационных систем мониторинга окружающей среды и антропогенного влияния на них;
2) возможность удобного управления составом данных, которые выводятся информационно-справочной системой.

Список литературы

1. Zeiler M. Modeling our World. – ESRI: Redlands, USA, 1999. – 2002 p.
2. Комп'ютеризовані регіональні системи державного моніторингу поверхневих вод: моделі, алгоритми, програми. Монографія / Під ред. В. Б. Мокіна. – Вінниця: Вид-во ВНТУ "УНІВЕРСУМ-Вінниця", 2005. – 315 с.
3. Розробка геоінформаційного банку екологічної інформації з можливістю наповнення даними різного характеру для державних та освітніх установ Вінницької області: Звіт про НДР / В. Б. Мокін, М. П. Боцула, Є. М. Крижановський, Ю. М. Коновалюк, Д. Ю. Кульомін та ін. / Вінниц. нац. техн. ун-т. –2808; № ДР 0106U011772; Інв. № 0207U002866. – К., 2006. – 136 с.

Мокин Виталий Борисович – заведующий кафедрой моделирования и мониторинга сложных систем;
Крыжановский Евгений Николаевич – аспирант кафедры моделирования и мониторинга сложных систем;
Коновалюк Юрий Михайлович – магистрант компьютерных наук;
Кулемин Дмитрий Юрьевич – студент.

Винницкий национальный технический университет