Проблематика информационного обеспечения геоинформационных систем

§ 1. Выбор структуры и состава технических средств ГИС

При создании ГИС различного назначения в обеспечивающих подсистемах, кроме информационного обеспечения, важное значение имеют математическое, лингвистическое и техническое обеспечения.

Разработка технического обеспечения ГИС предусматривает максимальное использование комплекса технических средств. Выбор технических средств ГИС производится на основании анализа самой ГИС, ее функциональной структуры, перечня решаемых задач и их информационных характеристик, технико-эксплуатационных характеристик технических средств, вариантов технологических процессов обработки данных с учетом требований, связанных с обеспечением надежности и возможности развития ГИС, а также ограничений и условий, накладываемых на ГИС. С помощью комплекса технических средств реализуются логико-математические методы управления и использования ГИС и алгоритмы преобразования информации.

Комплекс технических средств в ГИС должен обеспечивать:

• решение всей совокупности функциональных задач, определяемых ГИС;

• своевременное получение, обработку и хранение, а также передачу информации для всех подсистем АСУ и других пользователей;

• подготовку и передачу необходимой информации в ГИС или АСУ более высокого ранга управления;

• достоверность получения, передачи и переработки информации;

• решение как периодических, так и разовых пользовательских задач в заданные сроки;

• эффективное функционирование ГИС в соответствии с определенными критериями эффективности.

Выбор технических средств ГИС осуществляется в несколько этапов. Прежде всего, на основе анализа системы и ее информационной модели определяются основные факторы, влияющие на выбор технических средств, разрабатываются технические требования к ним, устанавливаются критерии эффективности ГИС и осуществляется построение ряда вариантов структур комплексирования технических средств с учетом их номенклатуры и технических характеристик, производится анализ основных структур комплекса и взаимосвязи между различными элементами, а затем выбор вариантов с учетом ограничений и частных критериев эффективности. Далее определяются обобщенные параметры комплекса технических средств, осуществляется построение с учетом общего критерия эффективности ГИС.

Рассмотренные этапы выбора технических средств присущи для всех ГИС. Определение средств для каждой конкретной ГИС базируется на использовании количественных и объемно-временных характеристик геоинформационной системы.

При выборе комплекса технических средств целесообразно предусмотреть следующие средства:

• получения (сбора и регистрации) и передачи информации на расстояния;

• переноса данных с аналоговых первичных документов на машинные носители, а также для передачи с одного вида носителя на другой, обеспечивающий наиболее эффективный ввод в ЭВМ;

• предварительного формирования данных до ввода в компьютеры;

• ввода и обработки информации по заданным алгоритмам, а также ее хранение и накопление;

• отображения и вывода результатов обработки, передачи информации потребителям;

• копировально-множительной техники и подготовки выходных документов;

• диспетчеризации и регулирования процесса управления ГИС.

Информационная модель комплекса технических средств строится в виде обобщенного графа технических средств, который отражает способы выполнения технологических операций. При выборе конкретных технических средств каждая вершина графа может быть заменена несколькими вершинами, соответствующими конкретным устройствам, а любая дуга графа указывает направление передачи информации между вершинами.

В соответствии с учетом конкретных количественных характеристик ГИС и организационно-технических вариантов технологических процессов, строится конкретный вариант комплекса технических средств ГИС.

§ 2.Технологические процессы создания информационного обеспечения ГИС

При создании информационного обеспечения ГИС проблема проектирования технологических процессов обработки и картографической информации приобретает первостепенное значение.

Тенденции только одной замены менее совершенных вычислительных средств более совершенными существенно не сокращает сроки решения задач, почти не влияет на повышение достоверности информации, глубину и комплексность ее разработки. Сохранение большой избыточности и дублирования, параллельных потоков данных, неудобных форм представления информации, трудоемких процессов и др. не позволит даже самой совершенной ЭВМ существенно повысить эффективность функционирования ГИС. Поэтому необходима коренная перестройка не только процесса вычислений, но и всех технологических процессов, начиная от сбора и регистрации первичных (исходных) данных, их передачи и последующей обработки и, кончая выдачей результатной картографической информации, используемой в работе пользовательских задач, в выработке управляющих решений и других приложений ГИС. При этом важно обеспечить непрерывное прохождение информации по всем этапам процессов, а также комплексное использование информации, однажды введенной в ГИС, для многих задач.

В настоящее время в качестве технических средств машинной обработки данных и информации в ГИС широко применяются электронные вычислительные машины (компьютеры), вычислительные системы, рабочие вычислительные станции с развитой внешней периферией. В качестве периферийных устройств используются дигитайзеры, сканерные устройства ввода, электронные приемники, графические плоттеры, устройства вывода на твердые основы и многое другое. Все эти устройства совместно с компьютерами составляют единую технологическую цепочку. Поэтому при проектировании технологической схемы обработки данных в условиях ГИС необходимо определить, в первую очередь, с помощью каких средств вычислительной техники возможно и целесообразно выполнение отдельных технологических процессов и технологии в целом.

Алгоритмы преобразования информации разрабатываются таким образом, чтобы обеспечивалось комплексное многократное использование одних и тех же выходных данных для различных расчетов в ГИС.

Разрабатывая технологический процесс обработки информации, одновременно проектируют всю систему получения, сбора, переработки и передачи данных, моделируют и увязывают отдельные звенья между собой.

При проектировании технологий получения и сбора картографических данных должны быть учтены источники информации о местности. В настоящее время в качестве источника могут быть использованы непосредственные измерения на местности, материалы дистанционных измерений и зондирования Земли или аналоговые картографические документы.

Все множество технологий картографической обработки можно разделить на технологии получения данных о местности и геоинформационные технологии. Первая группа, по существу, включает технологии кодирования картографических документов по первичным источникам. Информационные технологии имеют дело, прежде всего, с картографической информацией, которая может содержаться в картографических документах, а может и нет.

ГИС предполагает не только широкое использование средств получения информации, но и средств дистанционной передачи данных. При проектировании процессов обработки данных на разных уровнях решения задач пользователя выбираются способы передачи картографической информации, которые должны соответствовать уровню автоматизации процессов получения, а также обработки информации. Способы обмена между подсистемами ГИС выбираются с учетом объема передаваемых данных, достоверности, срочности, способа их подготовки для обработки, территориального размещения подсистем ГИС и АСУ в целом и других факторов.

При проектировании процессов передачи информации должны быть учтены не только способы ее получения от первичных источников — геодезических измерений, фотосъемки, топографических карт и т. д., но и способы формирования результатной информации, отображения и использования информации потребителями. Рациональное построение процессов получения и передачи информации во многом определяет производственную эффективность автоматизированной обработки данных.

При проектировании технологических процессов обработки данных учитываются следующие основные требования:

• технологический процесс обработки информации должен обеспечивать решение задач и выдачу результатов в установленные сроки. При этом определяются объемы перерабатываемой информации в ГИС, виды машинных носителей, способы обмена информации между подсистемами ГИС, способы передачи выходной информации в АСУ или потребителям и др.;

• процесс обработки информации должен быть надежным, т. е. обеспечивать бесперебойное выполнение задач по графику их решения;

• в процесс обработки обязательно входят контрольные операции, исключающие возможность появления «сбоев» в работе компьютера и оператора;

• технологический процесс обработки картографической информации должен обеспечивать получение заданной достоверности получаемых данных. Допускаемая вероятность появления ошибок в выходных показателях для различных задач обычно находится в пределах 10^-5 — 10^-7 и ниже, для картографических задач — 10^-8 (т. е. одна ошибка на 10 000 000 знаков);

• для получения необходимой достоверности результатных показателей предусматриваются контрольные операции на этапах подготовки, передачи и обработки информации. При проектировании информационного обеспечения ГИС большое внимание уделяется организации контроля первичной информации о местности, а также разработке программных методов контроля непосредственно на ЭВМ;

• технологический процесс обработки информации должен быть простым и содержать минимум технологических операций. Кроме того, следует стремиться к разработке однотипных технологических процессов для решения комплексов задач, а также к созданию комплексных программ для компьютера, позволяющих при однократном вводе информации получить несколько различных решений и документов. Технологический процесс обработки информации должен быть спроектирован с учетом использования условно-постоянной информации;

• проектирование технологических процессов должно базироваться на использовании современных технических средств получения данных, дистанционной передачи информации, совершенных ЭВМ и ее периферийных устройств и др. Технические средства прогресса в ГИС должны обеспечить реализацию функций системы с минимальными трудовыми, материальными и денежными ресурсами.

Общая схема технологических процессов обработки информации в ГИС представлена на рис. 2.

Геоинформационные технологии рассматривают технологический процесс в качестве процесса для переработки дискретной информации. В идеальном случае предполагается, что информация поступает на вход технологического процесса без искажений и ее переработка осуществляется в точном соответствии с назначением и технологией.

Однако в процессе хранения, передачи и переработки информации могут возникнуть ошибки. Поэтому для того, чтобы уменьшить или исключить их влияние, нужно уметь представлять информацию в таком виде, чтобы она была устойчивой к определенным искажениям. Особенно это важно в случаях преднамеренного внесения ошибок в картографическую информацию.

В общем виде информационную технологию можно трактовать «каналом» передачи информации от источника к адресату.

Под «каналом» можно понимать и любой источник погрешностей. Он может быть связан со средой, в которой осуществляется передача информации, либо со средой, где она хранится. Полученные результаты допускают распространение и на «вычислительные» каналы, т. е. на переработку информации.

Если использовать простейшую схему передачи от источника информации к адресату, то к адресату будет поступать искаженная информация.

Поэтому при проектировании обычно применяют более сложную схему: перед входом в канал ставится кодирующее устройство — кодер, которое путем введения в сообщение некоторой избыточности (удлинения кода) дает возможность впоследствии обнаруживать и исправлять ошибки определенного вида, происходящие в канале. Само исправление осуществляется декодером, помещаемым на выходе канала. Из декодера сообщение поступает к адресату.

При проектировании информационных технологий необходимо учитывать одно важнейшее свойство информации. Оно состоит в том, что в результате преобразования информация не увеличивается. Несмотря на это, обработка картографической информации имеет смысл, так как суть обработки заключается в таком преобразовании, которое позволило бы пользователю ГИС использовать ее для решения своих задач.

§ 3. Организация проектирования ГИС

Создание геоинформационной системы отличается сложностью проектирования. Поэтому к проектированию привлекаются многочисленные коллективы исполнителей, вкладывается значительное количество материальных и денежных средств.

Несмотря на различия в назначениях и в выполняемых функциях, ГИС различных АСУ имеют ряд общих свойств и принципов построения, которые являются основополагающими в организации проектировочных работ.

Во всех создаваемых ГИС имеют место процессы получения (сбор, регистрация и прием) информации о состоянии объектов местности, передачи информации, преобразования и запоминания (хранения) информации, приема и обработки запросов на выдачу информации на средствах машинной графики, организации баз данных, их ведение и обновление. В основу проектирования системы обработки картографической информации кладутся принципы системного подхода, комплексного охвата всех выполняемых в системе работ, интеграции источников данных, их хранения и поиска, операций обработки и функций управления.

Существенным для проектирования ГИС является то, что в ней может быть выделена собственно система картографических данных. С учетом этих особенностей ведется анализ и синтез системы в процессе проектирования, разрабатывается ее техническое, математическое и информационное обеспечение.

Кроме того, собственно система картографических данных подразделяется на функциональные подсистемы, выполняющие определенные функции по получению, обработке, хранению и передаче картографической информации. Это свойство функциональных подсистем лежит в основе создания для различных АСУ специализированных ГИС, отражающих функциональные особенности решения задач пользователей.

Такое расчленение позволяет дифференцировать весь комплекс работ при проектировании, проводить достаточно глубокий анализ задач по каждой подсистеме, выяснить состав и объем данных, алгоритмы и процедуры обработки информации, периодичность и состав результатных картографических данных, используемых для решения пользовательских задач. Оно позволяет также лучше организовать ведение проектировочных работ, закрепляя за отдельными подсистемами проектировщиков, математиков, картографов, специализирующихся на решении отдельных функциональных задач.

Наряду с проектами компьютерной обработки данных по отдельным функциональным подсистемам, создаются проекты информационного, математического, лингвистического и технического обеспечения ГИС.

Проектирование информационного обеспечения предусматривает создание и функционирование единой информационной базы данных. База данных включает всевозможную нормативно-правовую и техническую документацию, зафиксированную на машинных носителях и представленную в виде массивов данных, а также массивы переменной информации, содержащие сведения об объектах местности. Поэтому разработка информационного обеспечения непосредственно связана с проектированием документации, технологии ее получения и заполнения, классификацией и кодированием информации, подготовкой и формированием информационных массивов, их обновлением и поддержанием в рабочем состоянии, комплектацией массивов для решения конкретных картографических и других задач для каждой из функциональных подсистем.

Проектирование и создание математического обеспечения ГИС включает создание и эксплуатацию всех алгоритмов и программ, используемых для обработки информационных массивов при решении пользовательских задач.

Проектирование лингвистического обеспечения ГИС заключается в выборе или разработке формализованных языковых средств и средств управления ГИС, обеспечивающих взаимодействие ее подсистем и оператора.

Оснащение геоинформационной системы техническими средствами получения, передачи, обработки и хранения данных, разработка условий нормальной их работы при решении функциональных задач ГИС является целью создания технического обеспечения, структура которого в значительной степени зависит от информационного содержания задач и оперативности их решения.

Таким образом, разработка проектов компьютерного решения функциональных задач в соответствии с проектированием и созданием систем информационного, математического, лингвистического и технического обеспечения позволяют решить проблему интегрированной обработки картографической информации.

Создание геоинформационной системы в составе АСУ имеет широкую программу работ и включает четыре основные стадии: предпроектную или системный проект, разработку технического и рабочего проекта, внедрение. Для экспериментальных ГИС, которые создаются с целью апробирования и выработки типовых решений, дополнительно выделяется стадия анализа функционирования ГИС.

Системный проект включает работы по тщательному и всестороннему обследованию и анализу АСУ, в которой будет функционировать ГИС, для нахождения решений по ее разработке. На этой стадии определяются основные данные, необходимые для разработки ГИС, формируются требования к реализуемым в ней задачам, информационному, математическому, лингвистическому и техническому обеспечению системы. Завершением работ является составление технического задания (ТЗ) на создание ГИС.

Техническое задание устанавливает последовательность проектирования и внедрения ГИС. Как правило, техническим заданием предусматривается проектирование и внедрение системы поэтапно, поэтому в задании на проектирование обосновывается очередность создания системы в целом, определяется перечень подсистем и задач, предусмотренных в составе ГИС каждой из намеченных очередей. ТЗ содержит предложения заказчика и организаций-разработчиков по организации работы, перечень предварительно выбранных технических средств, намечаемый размер затрат на создание системы и укрупненный расчет экономической эффективности. К техническому заданию на проектирование прилагается также отчет о выполнении работ по обследованию, сметно-финансовый расчет и справка об обеспечении финансирования работ.

Стадия разработки технического проекта (ТП) наступает после утверждения ТЗ. На этой, основной стадии проектирования, разрабатывается общая структура ГИС с выделением подсистем, устанавливаются общие принципы функционирования, ее взаимодействие с АСУ и другими ГИС.

Технический проект, документация, составляемая на этой стадии, содержит все необходимые материалы, обосновывающие выбор проектных решений, уточняющих смету затрат на создание ГИС и выявляющие ожидаемую экономическую эффективность от ее внедрения. ТП содержит полную характеристику каждой функциональной подсистемы с указанием состава баз данных, укрупненным описанием разделения функций управления между ними в связи с применением автоматизации, схемами информационных связей и увязкой задач. Применительно к проектированию технический проект включает описание состава функциональных подсистем, укрупненные схемы их внешних связей, описание состава документов и исходных данных, образующих эти связи и т. п.

По каждой пользовательской задаче дается изложение ее организационно-картографической сущности (наименование задачи, раскрывается ее назначение и использование, постановка, указывается периодичность решения, информационные связи задачи и ее место в комплексе пользовательских задач, сроки выдачи информации и т. п.), описание входной, нормативно-справочной и результатной информации. При этом дается полная характеристика и описание носителей различных видов информации по каждому носителю его кода, периодичность ориентировочных сроков поступления, количества содержащихся в нем данных, их разрядности, способа обнаружения ошибок и т. п. Особое значение придается описанию информации, хранимой в банках данных для связи с другими задачами, накапливаемой для последующих решений, а также информации по внесению изменений.

По каждой задаче в техническом проекте дается полное описание алгоритмов ее решения, включающее изложение сущности этапов расчетно-логических операций, указание на выполнение отдельных частей алгоритма в зависимости от конкретных условий, расчетные формулы, а также формулы, используемые при решении пользовательских задач. Большое значение придается контролю реализации компьютерного алгоритма, в частности, нахождению в каждом случае контрольных соотношений в виде равенств, которые позволяют в ходе решения задачи контролировать вычисления и возобновлять вычислительный процесс при его нарушении.

Технических проект включает также материалы, подготавливающие ГИС к внедрению в АСУ. Важными вопросами разработки ТП являются выбор технических средств и составление ТЗ на проект их монтажа.

Особое место занимает система математического обеспечения ГИС. Ее описание в проекте включает характеристику общего и специального математического обеспечения и их состава. Если возникает необходимость в дополнительной разработке программ, то указывается назначение и область применения новых программ, требования по увязке их с существующей системой математического обеспечения по функциям, методам реализации, структуре массивов и т. п., а также указываются возможные варианты реализации этих программ.

По всем перечисленным мероприятиям в техническом проекте указываются ориентировочные сроки внедрения, исполнители и формы завершения работ.

После утверждения ТП начинается рабочее проектирование. На стадии рабочего проектирования ведется подготовительная работа к практической реализации основных положений технического проекта. Результаты ее оформляются в виде рабочего проекта ГИС.

Рабочий проект содержит, наряду с копиями актов утверждения технического проекта и возможным дополнением к нему уточненной эффективности ГИС, разработку технологий получения, обработки, хранения и передачи картографической информации, форматы обработки и передачи данных, описание схем их движения, инструкции по управлению базами данных, программы организации и ведение массивов данных на машинных носителях, рабочие программы и инструкции по компьютерному счету и управлению, описание входных данных и результатов работы программ, распределение носителей данных и периферийных устройств, перечень используемых стандартных процедур, инструкции входного и выходного контроля и т. п.

По комплексу технических средств в рабочем проекте приводится спецификация оборудования ГИС, дается его характеристика и краткое описание устройств, схема функционирования связей и размещения периферийных устройств, оборудования, перечень стандартных процедур при работе с устройствами, приводится эксплуатационная документация, чертежи строительной части проекта и монтажа комплекса технических средств.

Стадия внедрения ГИС представляет процесс перехода и адаптации АСУ и ГИС. Основными этапами внедрения отдельных задач, подсистем и всей ГИС в целом являются: подготовка АСУ и ГИС к внедрению; опытная эксплуатация задач и сдача их в эксплуатацию; сдача ГИС приемочной комиссии. При необходимости может выполняться ее сопровождение в процессе эксплуатации.

Сдача законченных работ заказчику производится в соответствии с планом работ и в объеме, предусмотренном договорными обязательствами на разработку и внедрение, в строгой увязке со сроками выполнения мероприятий по подготовке ГИС и внедрению АСУ. Внедрение осуществляется заказчиком совместно с организациями-разработчиками частями, с совмещением по времени этапов внедрения и рабочего проектирования отдельных частей ГИС. Приемка ГИС в составе АСУ производится комиссией после сдачи в эксплуатацию всех задач, технических средств и подсистем, предусмотренных в техническом задании.

Выделение дополнительной стадии — сопровождения ГИС, на которой проводится анализ ее функционирования, диктуется необходимостью проверки в условиях эксплуатации эффективности ГИС, выработке рекомендаций по дальнейшему развитию и формированию типовых решений. При этом анализируется ход решения задач, действия персонала в условиях вновь созданной ГИС и АСУ в целом. Результаты анализа используются для оценки качества ГИС и ее эффективности, сопоставления результатов неоднократной реализации однотипных решений и представления в головные проектные организации предложений по автоматизации конкретных функций, разработки рекомендаций по дальнейшему развитию ГИС с учетом предложений, сделанных на основании проведенного анализа.

Разработка типовых решений, а также создание методики типового проектирования геоинформационных систем как автоматизированных интегрированных систем обработки данных на базе типовых проектов ГИС является в настоящее время чрезвычайно важной проблемой.

Для координации работ по созданию ГИС в составе АСУ различных уровней в каждой отрасли за последние годы созданы головные институты по системам управления, которые занимаются организацией разработки и внедрения ГИС в тесной координации с топографическими организациями.

Весь этот комплекс мер позволяет осуществить переход к типовому проектированию автоматизированных систем обработки картографической информации.