Теоретические основы и методика создания локальной инфраструктуры пространственных данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат географических наук Осокин, Степан Артемович

• Осокин, Степан Артемович
• кандидат географических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат географических наук Осокин, Степан Артемович

Введение.

Глава 1. Научно-методические основы и технологии создания инфраструктур пространственных данных (ИПД).

1.1. Проблема систематизации географических информационных ресурсов и ИПД.

1.2. Анализ базовых понятий и компонентов ИПД.

1.2.1. Определение, компоненты и классификация ИПД.

1.2.2. Принципы выбора базовых пространственных объектов (БПО) и определения состава базовых пространственных данных (БПД).

1.2.3. Стандарты метаданных и принципы их использования.

1.2.4. Структура и стандарты геоинформационных узлов ИПД.

1.3. Информационные и сетевые технологии создания ИПД.

1.3.1. Серверные ГИС-технологии.

1.3.2. Инфраструктурные ГИС-технологии.

1.4. Особенности ИПД различных типов и уровней.

1.4.1. Общие черты и особенности Государственных ИПД.

1.4.2. Проект «Глобальная ИПД».

1.4.3. Принципы реализации отраслевых и корпоративных ИПД.

1.4.4. Основные функции и базовые составляющие ИПД, создаваемых для науки и образования, и их уровни.

1.4.5. Перспективы использования ИПД в географических исследованиях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы и методика создания локальной инфраструктуры пространственных данных»

Диссертационная работа посвящена решению проблемы систематизации и интеграции пространственно-определенной информации путем создания инфраструктур пространственных данных (ИПД) — систем для обеспечения широкого доступа к географическим информационным ресурсам и обмена географической информацией. В современных условиях географические исследования тесным образом связаны с использованием геоинформационных систем (ГИС) и накоплением различных видов цифровых географических информационных ресурсов: цифровых и электронных карт, наборов и баз пространственных данных, ГИС-сервисов и других. Особенно выражен этот процесс в исследованиях локального уровня, когда производится сбор первичных пространственных данных о географических объектах и формирование на основе данных производной информации. Для систематизации и организации процессов поиска, получения и предоставления географических данных и информации средств ГИС недостаточно - необходимо создание специальных локальных инфраструктур пространственных данных. Кроме этого, необходим особый подход к созданию ИПД, ориентированных на информационное обеспечение решения научно-исследовательских и образовательных задач в географии.

Примерами локальных географических исследований, для которых перспективно создание локальных ИПД, являются комплексные физико-географические исследования (стационарные и полустационарные), исследования особо охраняемых природных территорий (ООПТ), исследования эталонных географических участков экологического мониторинга.

Актуальность диссертационного исследования определяется необходимостью более глубокого внедрения инфраструктуры пространственных данных в методику географических исследований, а также недостаточной разработанностью теоретических и методологических принципов формирования локальных ИПД для использования в области наук о Земле.

Цель исследования - теоретическое обоснование и разработка методики создания локальной ИПД для обеспечения физико-географических исследований, а также апробация разработанной методики на примере территории Сатинского учебно-научного полигона.

Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи:

• Оценить состояние и обобщить методы формирования инфраструктур различных типов и уровней, проанализировать компоненты ИПД.

• Выявить направления географических исследований, для обеспечения которых перспективно создание локальных инфраструктур пространственных данных.

• Определить специфику и сформулировать требования к локальным ИПД, ориентированным на систематизацию физико-географических информационных ресурсов.

• Сформулировать основные принципы и разработать методику создания локальной инфраструктуры пространственных данных, включая методы формирования ее основных компонентов: наборов базовых пространственных данных, профиля метаданных и геопортала.

• Реализовать разработанную методику при создании локальной ИПД «Сатино» для территории Сатинского учебно-научного полигона.

Методологической базой для работы над диссертацией послужили труды представителей отечественных школ географической картографии и геоинформатики (А.М.Берлянт, А.В.Кошкарев, Ю.Ф.Книжников, И.К.Лурье, В.С.Тикунов), а также труды отечественных и зарубежных ученых по формированию ИПД и Интернет-ГИС (А.В.Кошкарев, Douglas D. Nebert, B.McLeod, B.Plewe, H.Brueggeman). Разработки выполнены на основе новейших компьютерных технологий и стандартов с использованием информационного и геоинформационного программного обеспечения (ESRI ArcGIS Server и UMN Map Server для создания геопортала; ESRI ArcGIS Desktop для работы с наборами пространственных данных). Исследование произведено на примере физико-географических информационных ресурсов, составляющих основу всех других географических исследований и отличающихся разнообразием и наибольшей сложностью организации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Предложен и обоснован особый вид инфраструктуры пространственных данных -локальная ИПД для информационного обеспечения решения научно-исследовательских и образовательных задач в области наук о Земле.

• Сформулированы требования к локальной ИПД, включающие: территориальную привязку к участку исследования, обеспечение пользователей общегеографическими и тематическими данными высокой детальности, два уровня информационного обмена -между участниками исследования и между всеми пользователями Интернета, единую географическую привязку ресурсов и интеграцию с ГИС-пакетами программного обеспечения.

• Разработана оригинальная методика создания локальной ИПД, предназначенной для информационного обеспечения географических исследований локального уровня. Методика определяет этапы формирования системы, а также специфику и методы формирования ее компонентов: базовых пространственных данных, профиля метаданных, и геопортала.

• С помощью разработанной методики реализованы компоненты локальной ИПД «Сатино»: базовые пространственные данные на основе содержания базы данных учебной ГИС «Сатино», профиль метаданных на основе стандартов ISO 19115:2003 и ISO 19139:2007, геопортал «Сатино».

На защиту выносятся следующие положения:

• Создание локальных инфраструктур пространственных данных решает задачи систематизации и оптимизации использования географических информационных ресурсов при проведении долговременных географических исследований локального уровня. Наиболее перспективно внедрение локальных ИПД для обеспечения стационарных и полустационарных комплексных физико-географических исследований, а также исследований особо охраняемых природных территорий.

• Выделение в структуре наборов базовых пространственных данных (БПД) локальной ИПД общегеографического и тематического блоков, а также дополнение состава базовых пространственных объектов (по сравнению с государственным стандартом) включением рельефа и растительного покрова позволяет осуществить информационное обеспечение географических исследований в соответствии с их спецификой. Общегеографический блок содержит наборы данных, входящие в цифровую модель местности, а состав тематического блока определяется на основе существующих методов составления тематических физико-географических атласов.

• Определение в профиле метаданных локальной ИПД двух структур: хранения метаданных в памяти компьютера и представления метаданных пользователям инфраструктуры позволяет обеспечить одновременно соответствие международным стандартам (за счет структуры хранения) и специфике географических информационных ресурсов и исследуемой геосистемы (за счет структуры представления).

• Предлагаемое выделение в структуре геопортала локальной ИПД внешнего и внутреннего сегментов обеспечивает два уровня информационного обмена, соблюдение авторских прав и разграничивает доступ к ресурсам при обмене информацией о результатах исследований.

Практическая значимость исследования заключается в том, что разработанная методика может быть применена при создании специализированных систем для доступа и обмена различными видами географических информационных ресурсов в рамках физико-географических исследований локальных территорий, а также при создании подобных систем более высокого уровня, но физико-географической направленности. Созданная в рамках исследования локальная ИПД «Сатино» позволит существенно оптимизировать использование географических информационных ресурсов, формируемых в ходе многочисленных исследований территории Сатинского учебно-научного полигона, проводимых специалистами различных географических направлений.

Фактический материал. В качестве материалов для создания локальной ИПД использованы слои базы данных ГИС «Сатино. База данных состоит из базовых слоев и тематических блоков, отражающих общую и природно-географическую характеристику территории Сатинского учебно-научного полигона. В основу базы данных положены материалы многолетних полевых исследований, серия фотопланов, серия бумажных карт, почвенно-геохимическая база данных, база геологических данных. Слои базы данных ГИС «Сатино» послужили основой для формирования базовых пространственных данных локальной ИПД «Сатино».

Основные результаты работы докладывались на международных и российских конференциях: 14 Международная конференция пользователей ESRI и ERDAS в России и СНГ - Голицыно, 2008; Семинар «Пространственные метаданные и геопорталы как средства интеграции геоинформационных ресурсов и сервисов» - Москва, ИГ РАН, 27.02.2008; Intercarto InterGIS - Саратов, 2008; Intercarto InterGIS - Пермь, 2009. По теме исследования опубликовано 8 статей, том числе 1 в рекомендуемом ВАК издании.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.г.н., профессору, заведующему кафедрой картографии и геоинформатики Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова И.К.Лурье, д.г.н., профессору А.М.Берлянту, д.г.н., профессору Ю.Ф.Книжникову за поддержку на всех этапах выполнения исследований; д.г.н., профессору Б.Б.Серапинасу, к.г.н., доценту, С.В.Чистову, ст. преп. А.А.Сучилину, н.с. А.Р.Аляутдинову и всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики за ценные замечания при обсуждении работы; сотрудникам кафедр Географического факультета МГУ, участвовавшим в сборе материалов для подготовки слоев базы данных ГИС «Сатино»; ООО «ДАТА+» за предоставленное лицензионное программное обеспечение и оборудование.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Осокин, Степан Артемович

3.5. Основные выводы главы 3

В результате апробации разработанной методики создания локальной ИПД для обеспечения физико-географических исследований на примере территории Сатинского учебно-научного полигона, была сформирована локальная ИПД «Сатино». Для создания ИПД были собраны и обработаны базовые пространственные данные (БПД), разработан профиль метаданных для описания географических информационных ресурсов, а также спроектирован и реализован геопортал «Сатино», состоящий из внешнего и внутреннего сегментов. В качестве основы для формирования БПД были использованы слои БД ГИС «Сатино». В составе БПД выделены общегеографический и тематический блоки, в полной мере отражающие географическую изученность территории полигона. Профиль метаданных ИПД «Сатино» разработан на основе международного стандарта метаданных ISO 19115/19139, что обеспечивает возможность взаимодействия системы с ИПД других уровней и типов. Геопортал «Сатино» разработан с использованием серверных ГИС-технологий, внешний сегмент геопортала доступен всем пользователям интернета по адресу http://sedgeroid.dataplus.ru/geoportal в виде веб-сайта. Внутренний сегмент геопортала (раздел «БД ГИС "Сатино"»), через который можно получить непосредственный доступ к данным, доступен только с компьютеров, находящихся внутри локальной компьютерной сети Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

С помощью локальной ИПД «Сатино» можно решать следующие задачи:

1) Поиск географических информационных ресурсов, описывающих территорию Сатинского учебно-научного полигона;

2) Анализ пригодности найденных ресурсов для решения различных задач на основе информации, представленной в метаданных;

3) Доступ к базовым пространственным данным на территорию УНП (общегеографическим и тематическим слоям БД ГИС «Сатино»), собранным в централизованную серверную базу пространственных данных;

4) Обмен географическими информационными ресурсами с другими участниками исследований на территории УНП путем публикации метаданных в каталоге геопортала;

5) Использование слоев БД ГИС «Сатино» в ГИС-пакете или веб-браузере посредством специальных геоинформационных веб-сервисов или копий цифровых пространственных данных, полученных через геопортал «Сатино».

Апробация показала достоверность исследования, так как разработанная методика была применена для создания компонентов локальной ИПД «Сатино».

Заключение

В результате исследования достигнута его основная цель - теоретически обоснована, разработана и апробирована методика создания локальной инфраструктуры пространственных данных для информационного обеспечения физико-географических исследований, а также систематизации географических информационных ресурсов при применении геоинформационного метода географических исследований. В процессе исследования получены следующие результаты:

1. Выполнен анализ научных основ, методов и технологий формирования инфраструктур пространственных данных различного уровня и их компонентов. Обобщена классификация ИПД. Произведено сравнение существующих инфраструктур, проанализированы ИПД, создаваемые в различных странах.

2. Обосновано создание специальных локальных ИПД для информационного обеспечения решения научно-образовательных задач при проведении стационарных и полустационарных комплексных физико-географических исследований, изучении особо охраняемых природных территорий.

3. На основе анализа научных основ и методов создания ИПД различных типов и особенностей физико-географических исследований определена специфика и сформулированы требования к локальным ИПД, ориентированным на систематизацию географических информационных ресурсов: территориальная привязка к участку исследования, обеспечение пользователей общегеографическими и тематическими данными высокой детальности, два уровня информационного обмена - между участниками исследования и между всеми пользователями Интернет, единая географическая привязка ресурсов, интеграция с ГИС-пакетами программного обеспечения.

4. С учетом выявленной специфики разработана методика создания локальной ИПД, в рамках которой:

• Определены этапы формирования инфраструктуры (подготовительный, концептуальный, содержательный, технологический);

• Разработаны методы формирования ее компонентов;

• Обосновано выделение в структуре базовых пространственных данных общегеографического и тематического блоков;

• Для профиля метаданных предложено разделение структуры хранения метаданных в памяти компьютера и структуры представления пользователю;

• Для геопортала локальной ИПД разработаны двухсегментная структура и технологическая схема.

5. Разработанная методика применена на примере локальной ИПД «Сатино» для территории Сатинского учебно-научного полигона. Реализованы компоненты ИПД: на основе слоев базы данных учебной ГИС «Сатино» сформированы базовые пространственные данные; разработан профиль метаданных, соответствующий международным стандартам и отражающий специфику географических информационных ресурсов; осуществлена разработка структуры и интерфейса геопортала «Сатино» (URL: http://sedgeroid. dataplus.ru/geoportal).

Представленная в диссертации методика может быть использована при создании локальных тематических ИПД при проведении комплексных физико-географических исследований для решения задач систематизации географических информационных ресурсов, обеспечения доступа и обмена пространственными данными на исследуемую территорию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Осокин, Степан Артемович, 2010 год

1. Аляутдинов А.Р., Лурье И.К., Осокин С.А. Проектирование и использование локальной инфраструктуры пространственных данных. // XIV Всероссийский форум «Рынок геоинформатики в России. Современное состояние и перспективы развития». М.: ГИС-ассоциация, 2007.

2. Алябьев A.A., Анисимова О.Л., Серебряков C.B., Цереня П.В. Геопортал Уральского федерального округа как прототип узла РИПД. // Пространственные данные. М.: 2009. №3. С. 18-24.

3. Андрианов В.Ю. Инфраструктура пространственных данных // ArcReview. M.: Совместное издание ООО ДАТА+, ESRI, Inc, и Leica Geosystems, 2006. № 2. С. 1-2.

4. Андрианов В.Ю. Метаданные // ArcReview. M.: Совместное издание ООО ДАТА+, ESRI, Inc, и Leica Geosystems, 2006. № 2. С. 8

5. Андрианов В.Ю. Неокартография // ArcReview. M.: Совместное издание ООО ДАТА+, ESRI, Inc, и Leica Geosystems, 2009. № 1. С. 2-3.

6. Анциферова А. А. Использование GPS и ГИС технологий для изучения особо охраняемых природных территорий (на примере анализа ландшафтной структуры Воронежского государственного природного биосферного заповедника). Тула: Гриф и К, 2006. 216 с.

7. Аш Е.В. Что называть геопорталом? // Пространственные данные. М.: 2008. № 2. С.36-38.

8. Баринов А.Ю., Гершензон В.Е. Космичекие снимки в инфраструктуре пространственных данных РФ // Пространственные данные. М.: 2009. № 3. С. 26-29.

9. Белякова Т.М., Павленко И.А. Полевая учебная практика по почвоведению. М.: Изд-во МГУ, 1987.

10. Берлянт A.M. Картоведение. М.: 2003. 477 с.

11. Берлянт A.M. Инфраструктура национальной картографии // Вестник Московского университета. Серия 5: География. М.: 2006. № 3. С. 90-91.

12. Берлянт A.M., Лурье И.К., Серапинас Б.Б., Сучилин A.A. Топографическая практика на Сатинском учебном полигоне (методическая разработка). М.: Географический ф-т, 2003.

13. Бугаевский Ю.Л. Формирование Роснедвижимостью инфраструктуры пространственных данных в 2006-2007 годах // Кадастр недвижимости. М.: 2007. № 1. С. 12-13.

14. Геоинформатика / Под ред. В.С.Тикунова. М.: Академия, 2005. 488 с.

15. Гневанов И.В., Гудзь Т.В., Кубышкин В.А. О построении муниципальных геоинформационных систем: пример города Пермь // ArcReview. М.: Совместное издание ООО ДАТА+, ESRI, Inc, и Leica Geosystems, 2008. № 3. С. 9-10.

16. ГОСТ Р 52573-2006 «Географическая информация. Метаданные». М.: Стандартинформ, 2006. 58 с. URL:http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=l28907 (дата обращения: 17.03.2010). ~

17. Гранберг А.Г. Основы региональной экономики. М.: ГУ ВШЭ, 2004. 495 с.

18. Директива 2007/2/ЕС Европейского парламента и Совета Европы от 14 марта 2007 г. по созданию инфраструктуры пространственной информации ЕС (INSPIRE) // Пространственные Данные. М.: 2008. № 1.

19. Дмитриева В.Т. и др. Неогеография: новые подходы к работе с географической информацией // География и экология в школе XXI века. М.: 2009. Вып. № 3. С. 916.

20. Добриденев А.И. ГИС «Заповедник». Справочно-методическое издание. М.: Экотерра, 2005. 93 с.

21. Дубинин М.Ю., Костикова A.M. Веб-ГИС // Компьютерра. М.: 2008. № 749.

22. Дубинин М.Ю., Рыков Д.А. Открытые настольные ГИС: обзор текущей ситуации // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. М.: 2009. № 5. С. 14-21.

23. Егорова H.A., Таскаева Н.Я. Флора и краткий обзор растительности района Сатинской географической станции МГУ. М.: Изд-во МГУ, 1972. 113 с.

24. Ерёмченко E.H. Неогеография: особенности и возможности // Материалы конференции "Неогеография XXI-2008" IX Международного Форума "Высокие технологии XXI века". М.: 2008.

25. Жучкова В.К., Раковская Э.М. Методы комплексных физико-географических исследований: Учеб. пособие для студ. вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 368 с.

26. Интернет для географов / Под ред. О.А.Блинковой. Харьков: Kharkiv University Press, 2003. 137 с.

27. Исаченко А.Г. Теория и методология географической науки. М.: Академия, 2003. 396 с.

28. Книжников Ю.Ф., Вахнина О.В. Инфраструктура пространственных данных на примере университетского учебно-научного полигона «Сатино» // Вестник Московского университета. Серия 5: География. М.: 2008. № 3. С. 39-42.

29. Книжников Ю.Ф. Инфраструктура пространственных данных: одно терминологическое замечание // Геодезия и картография. М.: 2008. № 2. С. 49-50.34.