Исследование и разработка структур баз геоданных информационно-телекоммуникационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Краснобородько, Александр Владиславович

• Краснобородько, Александр Владиславович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Краснобородько, Александр Владиславович

Введение

ГЛАВА 1. Анализ баз геоданных информационно-телекоммуникационных систем

1.1. Классификация баз данных распределенных информационно-телекоммуникационных систем

1.2. Определение и структура информационно-телекоммуникационной системы

1.3. Задачи представления геопространственной информации в распределенных информационно-телекоммуникационных системах

1.4. Классификация моделей геопространственных данных

1.5. Классификация информационно-телекоммуникационных систем, обслуживающих геопространственные данные

1.6. Метаданные геоинформационных систем

1.7. Выводы по главе

ГЛАВА 2. Моделирование базы геоданных распределенной информационной системы, содержащей сетевые ресурсы геопространственных данных

2.1. Иерархические структуры представления геоданных

2.2. Математическая модель иерархической структуры базы геоданных информационно-телекоммуникационной системы

2.3. Представление иерархической структуры модели базы геоданных информационно-телекоммуникационной системы

2.4. Иерархический каталог информационно-телекоммуникационной системы

2.5. Преобразование моделей геопространственных и атрибутивных данных

2.6. Отображение объектов через Интернет

2.7. Выводы по главе

ГЛАВА 3. Разработка структуры базы геоданных и архитектуры распределенной информационно-телекоммуникационной системы

3.1. Задачи информационно-телекоммуникационной системы

3.2. Возможности распределенной информационно-телекоммуникационной системы

3.3. Модель структуры базы геоданных информационно-телекоммуникационной системы

3.3. Архитектура распределенной информационно-телекоммуникационной системы

3.5. Логическая схема работы системы

3.6. Алгоритм работы системы

3.7. Технические характеристики системы

3.8. Функциональная схема работы системы

3.9. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований информационно-телекоммуникационной системы на основе разработанной структуры базы геоданных

4.1. Описание экспериментальной системы

4.2. Структура базы геоданных экспериментальной системы

4.3. Описание портала

4.4. Визуализация организационной структуры

4.5. Работа с картами

4.6. Результаты эксперимента

4.7. Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка структур баз геоданных информационно-телекоммуникационных систем»

Современное развитие информационных технологий способствовало накоплению организациями и ведомствами большого количества геопространственной информации, которая представлена в различных видах и системах. Существующие информационно-телекоммуникационные системы позволяют оперировать данными, но в недостаточной степени геопространственными. Построение таких систем на основе распределенных баз данных позволяет повысить эффективность и управляемость данными, а также простоту их получения и обработки.

Геоинформационная система - это, в первую очередь, данные, которые хранятся в базах данных, базах геоданных, отдельных файлах. Существует множество различных форматов и принципов описания данных. Существуют методы, которые позволяют консолидировано хранить эти данные, описывать их единым образом для потребления ГИС.[1]

Бурное развитие сетевых технологий и методов, особенно развитие Интернета, способствует выводу «в сеть» различных вариантов систем. Это сводится как к простому разрешению доступа к данным через Интернет, так и к более сложному использованию специальных приложений для работы через сеть. Готовые решения ведущих производителей программного обеспечения ГИС позволяют создать практически полную функциональность ГИС. Использование различных программ для организации работы через сеть позволяет не только получать геопространственную информацию, но и модифицировать ее, обновлять и т.д., в общем, работать с ней как в обычной настольной ГИС. [2]

В настоящее время идет поиск наиболее интересного, с точки зрения организации системы, метода, позволяющего легко и эффективно использовать глобальные и локальные сети для объединения данных и их использования в распределенных информационных системах. [8] Последние исследования в области применения единых хранилищ данных для геопространственной и атрибутивной информации позволяют сделать дополнительные шаги к единому представлению данных, методам эффективной обработки, использования информации, а также простого доступа к получению необходимых сведений.

Все географические информационные системы строятся на основе формальных моделей, описывающих размещение в пространстве объектов и процессов. [3] Формальная модель представляет собой обобщенную и четкую систему понятий, она задает тот лексикон, который может быть использован для описания и объяснения объектов и процессов. Географическая модель данных определяет лексикон для описания и объяснения объектов и процессов, находящихся на земле. Географические модели данных являются тем основанием, на котором строятся все географические информационные системы. Точно также географические модели данных определяют собственный набор понятий и отношений, которые должны быть понятны. Эти понятия определяют возможности воспроизведения географической информации средствами компьютерной системы.

Большинство современных программных средств ГИС определяют единую основу для представления географической информации в базе данных посредством нескольких наиболее обобщенных моделей данных.

Каждая из этих обобщенных моделей обладает собственным лексиконом, используемым для описания и объяснения географической информации. Представляя в ГИС различные объекты, прежде всего, необходимо решить, какую из указанных общих моделей использовать. Каждая модель данных определяет то, как именно будет отбираться и представляться географическая информация, как она будет визуализироваться, какие связи между элементами можно представить, и какие операции запросов и анализа можно будет адресовать к имеющимся данным.

Использование моделей данных для создания различных видов представления информации широко применимо и в информационных сетях.

Такой подход позволяет создать то представление данных, которое будет доступно для программного обеспечения пользователя.

Интернет возможности ГИС сейчас достаточно широки, но, в тоже время, использование это подхода для комплексной и широкой системы для хранения и отображения геопространственных данных затруднительно. Возникают трудности как технического, так и пользовательского характера, иногда существует избыточность функциональности веб-приложений для решения не очень сложных задач по выводу информации и ее интерпретации.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка структуры базы геоданных распределенной информационно-телекоммуникационной системы, содержащей ресурсы геопространственных данных, доступные через сеть. В работе проводится анализ эффективного представления каталога этих ресурсов в информационной системе, а также рассматривается функциональная схема такой системы.

В качестве направлений исследования были выбраны следующие:

1. Исследование структур баз геоданных современных систем для отображения геопространственной информации распределенной информационно-телекоммуникационной системы;

2. Определение путей представления распределенных источников геоданных в информационной системе для повышения эффективности работы с ней пользователей;

3. Разработка структуры базы геоданных информационно-телекоммуникационной системы;

4. Разработка функциональной схемы информационной системы для работы с удаленными источниками пространственных данных.

В качестве основы для построения базы данных современных систем используются два основных типа БД - единая БД, центральная БД. Создание единой базы данных путем копирования информации со всех источников в единое хранилище данных позволяет получать доступ к данным, независимо от доступности в данный момент времени удаленного источника. Отрицательной стороной подобного подхода являются большие объемы данных, которые необходимо хранить и передавать в единое хранилище. Такое количество информации требует дополнительных методов по обеспечению ее целостности и корректности.

Центральная база данных системы работает по принципу сбора некоторых заголовков системы и последующего получения информации непосредственно из удаленного источника. Такая конструкция позволяет представить базу данных в виде множества относительно небольших баз данных, интегрированных по средствам некоторого приложения или другой «обобщенной» базы данных.

В работе проводятся исследования организации центральной базы данных системы, которая позволяет представить записи о различных источниках данных в виде каталога метаданных системы, при этом каталог представляет собой иерархическую структуру.

В первой главе диссертационной работы приводится классификация баз данных распределенных информационно-телекоммуникационных систем, а также проводится сравнительный анализ существующих систем для работы с геопространственными данными, их характеристики, методы обеспечения данными пользователей сетей общего пользования. В заключение главы поставлены цели исследования.

Вторая глава посвящена аналитическому решению задачи создания структуры данных, построена математическая модель иерархической структуры, произведен анализ эффективного хранения иерархических моделей в реляционных базах данных, а также рассмотрены теоретические схемы преобразования моделей данных удаленных источников к единой модели базы геоданных.

В третьей главе приведены задачи и возможности распределенной информационной системы, приведена модель структуры базы геоданных, а также архитектура распределенной информационно-телекоммуникационной системы. Описаны алгоритмы основных действий системы и отражены технические требования и принципы работы системы.

В четвертой главе дано описание функционирующей системы, которая позволяет применить на практике все положения данной работы, приведены принципы ее работы, а также методы и способы решения задач.

В заключении работы приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.

На защиту выносится:

1. Разработанная модель и структура базы геоданных информационно-телекоммуникационных систем, позволяющая объединить геоданные, поступающие с различных источников;

2. Архитектура информационно-телекоммуникационной системы для работы с базой геоданных распределенных источников информации;

3. Алгоритмы и реализация модуля информационно-телекоммуникационной системы «Каталог Метаданных».

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Краснобородько, Александр Владиславович

4.7. Выводы по главе 4

На основе приведенных данных следует вывод, что проведенное экспериментальное исследование работы системы подтверждает теоретические расчеты и положения, приведенные в главах 1-3. Использование иерархического каталога позволяет повысить удобство работы системы. Применение методов преобразования данных - упростить доступ к специализированным данным. Использование центральной базы геоданных и применение каталога метаданных позволяет значительно сократить нагрузки на телекоммуникационные составляющие системы. В целом комплексная работа системы показала свою стабильность и эффективность.

Заключение

В работе выполнен анализ существующих информационно-телекоммуникационных систем, работающих с геопространственными данными, определена классификация их основных типов, а также пути повышения их качества на основе анализа известных исследований и практики использования.

Разработана модель представления данных в виде древовидной иерархической структуры каталога метаданных геопространственной информации. Получены модель структуры базы геоданных информационно-телекоммуникационной системы, модель доступа к данным и их обработки, а также функциональная схема информационно-телекоммуникационной системы для работы с геопространственными данными.

Предложены и конструктивно проработаны технические решения, связанные с разработкой иерархической структуры базы геоданных для отображения каталога данных геопространственной информации информационно-телекоммуникационной системы. Организация древовидного каталога позволяет повысить производительность поиска данных путем последовательного сокращения области поиска рядом итераций, а также снизить нагрузку на центральные сервера системы, которым не потребуется хранить большие объемы данных и поисковых индексов. Организация центральной базы данных путем сбора ссылок на источники данных позволяет значительно сократить нагрузки на каналы связи и повысить общую производительность системы.

Разработаны принципиальные схемы и алгоритмы работы информационно-телекоммуникационной системы, на основе которых произведена реализация модулей этой системы.

Создана функционирующая информационно-телекоммуникационная система, обслуживающая разработанную структуру базы геоданных. В ее основе положен метод центральной базы данных, который позволяет внутри базы геоданных системы хранить не полный набор всех данных, а только метаданные всей системы со ссылками на соответствующие источники данных. Применение такого метода позволило сократить затраты на использование аппаратных средств, а также сократить нагрузку на сеть передачи данных.

Разработка теоретических положений и создание на их основе модели структуры базы геоданных стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение задач, поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический и системный анализ.

Разработанные теоретические положения и новые технические решения подтверждены экспериментально. Исследования проводились на экспериментальной базе Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) и внедрены при создании портала Морской коллегии при Правительстве РФ.

Полученное решение задачи представления геопространственных данных посредствам применения структурированных каталогов метаданных позволяет повысить эффективность работы распределенных информационно-телекоммуникационных систем путем повышения производительности системы в области обработки и хранения данных и снижения нагрузки на каналы связи, а также повысить удобство эксплуатации и поиска нужной информации.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях Московского государственного университета геодезии и картографии, а также на Международных конференциях пользователей программных продуктов ESRI, проводимых компанией «Дата+».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Краснобородько, Александр Владиславович, 2007 год

1. Иванников А. Д., В.П. Кулагин, А.Н. Тихонов, В .Я. Цветков, Геоинформатика, М:МаксПресс, 2001 - 349 с.2. «What is ArcGIS?», ESRI, USA, 2002

2. Майк Зейлер, «Моделирование нашего мира», Дата+, М, 1999

3. Цветков В.Я. Основы геоинформационного моделирования // Геодезия и аэрофотосъемка 1999 №4, с.147 -157

4. Бугаевский JI.M., Цветков В.Я. Геоинформационные системы. М.: "Златоуст", 2000. - 214 с.

5. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии/ Учебное пособие. М.: МГУГиК, 2000. - 69 с.

6. Справочник по математике для научных работников и инженеров, Г.Корн, Т.Корн пер. с англ. под реакцией Араманович И.Г., М.:Наука, 1984-831 с.

7. Распределенные информационные системы и базы данных, Глеб Ладыженский, http://www.citforum.ru/database/kbd96/45.shtml

8. Autodesk MapGuide 6 и ArcIMS 4. Сравнение инструментов и возможностей, Алекс Фордис, пер. Андрея Макурина, http://www.sapr.rU/Archive/SG/2005/3/13/

9. Ю.Саати Т.Л. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.:Радио и связь, 1993.-320 с.

10. Объектно-ориентированная ГИС в сети INTRANET, http://www.gisa.ru/841 .html

11. Краак Менно-Ян, Ферьян Ормелинг, Картография. Визуализация геопространственных данных, М.:Научный мир, 2005.

12. Харрингтон Дж.Л., Проектирование реляционных баз данных, М.: Лори, 2006

13. Ван Стеен М., Распределенные системы. Принципы и парадигмы, Спб.Литер, 2003.-887 с.

14. Проект Концепции формирования Российской инфраструктуры пространственных данных (РИПД), http://www.elrussia.ru/files/37263/npoeKT концепции РИШЫос

15. Е.Л.Китаев, Д.Л.Кузьмичев, М.И.Слепенков, Проблемы технологического обеспечения многоцелевого режима эксплуатации каталогов метаданных Интернет, http://ict.edu.ru/ft/004315/ргер2003 01 .pdf

16. А.В.Ребрий, Я.В.Степанова, Стандарт ISO/TC211 №19115 «Географическая информация. Метаданные»: перспективы практического применения, http://www.ggc.ru/docs/ISQ%2019115%20статья.Ыш

17. А.А.Кубенский, Структура и алгоритмы обработки данных. Объектно-ориентированный подход и реализация, Киев:ВНУ, 2004,- 464 с.

18. Д, Кузьменко, Древовидные (иерархические) структуры данных в реляционных базах данных, http://www.ibase.ru/devinfo/treedb2.htm

19. С.Виноградов, Моделирование иерархических объектов, http://www.rsdn.ru/article/alg/dbtree.xml2106 SGML и HTML,http://athena.wsu.ru/docs/www/html40/intro/sgmltut.html

20. Б.Тоботрас, SGML: с чем это едят?, http://www.linuxshop.ru/lib/text/SGMLwh.html

21. Andrew McDonald, «Building a Geodatabase», ESRI Press, USA, 2001

22. А.Б. Семенов, «Структурированные кабельные системы», Лайн Лтд, М, 200125.www.gisa.ru сайт ГИС-Ассоциации26.http://giscenter.icc.ru ГИС-центр

23. Г.А. Сырецкий, Информатика. Фундаментальный курс. Том 1. Основы информационной и вычислительной техники, Спб:БХВ-Петербург, 2005

24. Краснобородько А. В., Зайцев В. В., Майоров А. А. Справочно-информационная система ВУЗа на основе ГИС-технологий. ArcReview. 2003, №2, стр. 20.

25. Цветков В.Я. Модели и моделирование/ Учебное пособие. М.: МГУГиК, 2006.-94 с.

26. Арнольд В.И. «Жесткие» и «мягкие» математические модели. Дубна. 2000

27. Поляков А.А., Цветков В.Я. Прикладная информатика. М.:Янус-К, 2002.-392 с.

28. Цветков В.Я., Кулагин В.П., Введение в геоинформатику. М.:Макс Пресс, 2005-99 с.

29. Цветков В.Я. Информационные модели и информационные ресурсы // «Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка», Москва, 2005. №3, стр. 85-91.

30. Сиха Багуи. Объектно-ориентированные базы данных: достижения и проблемы // Открытые системы, 2004, №03.

31. The Object Data Standard: ODMG 3.0. R.G.G. Cattel, D.K. Barry, eds., Morgan Kauffmann, 2000.

32. J1.A. Калиниченко, «Стандарт систем управления объектными базами данных ODMG-93: краткий обзор и оценка состояния». // СУБД, № 1, 1996.

33. С.Д. Кузнецов. «Три манифеста баз данных: ретроспектива и перспективы». Доклад на конференции «Базы данных и информационные технологии XXI века», Москва, сентябрь 2003, http://www.citforum.ru/database/articles/manifests.

34. М. Аткинсон и др., «Манифест систем объектно-ориентированных баз данных», // СУБД, № 4, 1995.

35. Арк Андреев, Дмитрий Березкин, Роман Самарев, «Внутренний мир объектно-ориентированных СУБД». // Открытые системы, № 3,2001.

36. С.Д. Кузнецов. Объектно-ориентированные базы данных основные концепции, организация и управление: краткий обзор. // http://www.citforum.ru/database/articles/art 24.shtml

37. Рэнди Джей Яргер, Джордж Риз, Тим Кинг. MySQL и mSQL. Базы данных для небольших предприятий и Интернета. СПб.'.Символ-Плюс, 2000 - 560 с.

38. GIS In Telecomminications, USA, ESRI Press, 2001 120 с.

39. GIS For Everyone, USA, ESRI Press, 2003 160 c.

40. Designing Geodatabases, USA, ESRI Press, 2006-408 c.

41. Using ArcGIS Desktop, USA, ESRI Press, 2006 452 c.

42. Roger Tomlinson, Thinking about GIS: Geographic Information System Planning for Managers, USA, ESRI Press, 2007, 320 c.

43. George Korte, The GIS Book, USA, On Word Press, 2000 400 c.

44. Philippe Kruchten, The Rational Unified Process: An Introduction, Third Edition, USA, Addison-Wesley Professional, 2003 320 c.

45. Kurt Bittner, Use Case Modeling, USA, Addison-Wesley Professional, 2002-368 c.