Интеллектуализация формирования ресурсов геоинформационного портала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интеллектуализация формирования ресурсов геоинформационного портала

С.К. Дулин (s.dulin@gismps.ru)

ОАО «НИИАС», Москва

Н.Г. Дулина (ngdulina@mail.ru)

Учреждение Российской академии наук Вычислительный центр им. А. А. Дородницына РАН, Москва

В.И. Уманский (V.Umansky@gismps.ru)

ЗАО «ИнтехГеоТранс», Москва

Аннотация

В работе рассматриваются проблемы интеграции пространственно-распределенной информации применительно к организации геоинформационного портала. На основе логико-семантического анализа раскрываются отличительные особенности ресурсов геоинформационного портала. Обосновывается необходимость реализации процедуры группируемости геоданных для реструктуризации базы геоданных с целью поддержки согласованности ресурсов геоинформационного портала.

Введение

ГИС и анализ пространственных данных сформировались как две более или менее отдельные области научного исследования, однако последние десятилетия они демонстрируют заметное сближение друг к другу, так что сегодня уже можно утверждать, что эти две области включаются в географическую информатику, поддерживая и дополняя друг друга. Тем самым, развитие географической информатики опирается на разработки, как в области ГИС, так и в области анализа пространственных данных. Программные средства ГИС по обработке пространственно распределенных данных стимулировали реализацию гомоморфного отношения между географической реальностью и концептуальным представлением этой реальности в конечных цифровых формах, то есть в виде исчисляемого количества точек, линий, и областей в двумерном пространстве.

Анализ пространственных данных, будучи самым сложным из приложений ГИС, представляет собой коллекцию методик и моделей, которые явно используют пространственное соотнесение элементов данных и взаимодействия между ними. К истории развития анализа пространственных данных имеет отношение большое число научных дисциплин, в основном абстрактного математического характера: геометрия, топология, линейная алгебра, функциональный анализ, математическая статистика и др. В рамках анализа пространственных данных проводятся: исследования распределения данных, поиск глобальных и локальных изменений, поиск глобальных трендов, проверки пространственной автокорреляции и выявление ковариаций между несколькими наборами данных.

1. Создание геоинформационного портала

В настоящее время ГИС все более вовлечены в процессы, основанные на логическом выводе и принятии решений с учетом пространственных особенностей объектов. Ценность географической информации становится особенно значимой, когда ГИС оснащается программными средствами, базирующимися на технологиях и методах искусственного интеллекта, которые существенно расширяют круг практически значимых задач.

Ключевой задачей интеллектуализации средств обработки геоинформационного контента является создание геоинформационного портала [Розенберг, 2010], позволяющего осуществить интеграцию пространственно-распределенной информации (семантической, метрической и топологической), хранящейся в базе геоданных (БГД) ГИС (рис. 1), с данными высокоточного спутникового позиционирования, объединив их в единой базе геоданных (ЕБГД) геоинформационного портала.

Рис. 1. Категории геоданных

Это позволит представить все виды геоинформационных ресурсов отрасли в виде геореляционных структур, рассматривать их во взаимосвязи и оперативно обеспечивать многочисленных пользователей информацией необходимого вида и содержания (рис. 2).

Создание геоинформационного портала с концептуальной точки зрения может быть разделено на два основных направления:

разработка принципов интеграции геопространственной информации на растровой и/или векторной основе с присоединенными базами фактографических данных, метаданных, данных высокоточного спутникового позиционирования, а также пространственно-определенной вербальной информации;

разработка принципов и подходов к многоуровневому семантическому моделированию и согласованной интеграции геопространственной и пространственно-определенной вербальной информации с одновременным использованием электронных знаковых форм представления геотекстов, а также растровой и/или векторной форм их представления.

Рис. 2. Схема функционирования геоинформационного портала

Таким образом, состав информационных ресурсов ГИС представляется как семиотически неоднородный по языковой принадлежности его составляющих. Это обстоятельство выдвигает на передний план исследований создание интерфейса нижнего уровня на основе абстрактной модели геоданных, включающей, прежде всего, структуризацию взаимосвязей между компонентами различных семиотических пространств.

Все процедуры установления топологических отношений и группировки геоданных в существующих ГИС предназначены для использования специалистом в процессе настройки ГИС на решение определенного класса задач. Для реализации в ГИС автоматической адаптации к изменению параметров взаимодействия пользователя с предметной областью был разработан принципиально новый инструмент поддержки согласованности структуры топологических отношений и группируемости в динамическом режиме [Дулин, 2007].

Использование механизма структурной согласованности позволило управлять распределением данных по группам в динамическом режиме, учитывая все возможные взаимосвязи и изменения параметров настройки предметной области. Для более точного и обоснованного группирования применялся многопараметрический механизм структурной согласованности, позволяющий управлять разбиением на группы по ряду выбранных атрибутов, учитывая все их взаимосвязи и взаимное влияние.

Для реализации механизма структурной согласованности использовалось специальное программное средство, предназначенное для решения задач аналитической обработки массивов, представленных в виде атрибутивных данных. Ядром системы является интерактивный алгоритм поиска согласованной структуры множества взаимосвязанных объектов [Дулин, 2007].

Задача поиска согласованной структуры геоданных всегда связана с организацией этих геоданных адекватно решаемым задачам. Такая организация, являясь одновременно и инструментом поиска геоданных, релевантных поставленной задаче, должна обладать определенной гибкостью, что обусловлено необходимостью пополнения ее новыми геоданными и динамизмом изменения параметров задачи. Изменения состава БГД влекут за собой переустановление взаимосвязей между отдельными элементами в БГД и последующие целенаправленные структурные преобразования, направленные на согласование ее отдельных компонентов в смысле взаимоотношений и взаимосоответствий ряда параметров.

В большинстве случаев экспертные знания специалистов по сопровождению геоинформационных ресурсов отличаются большой динамичностью, что связано с постоянным пополнением и обновлением системы геоданных. На это и было направлено создание модели [Дулин, 2005], обеспечивающей интерактивную корректировку геоданных при условии сохранения целостности и согласованности, для расширения возможности контроля релевантности геоинформации на основе результатов обработки геоданных.

2. Логико-лингвистические аспекты формирования геоинформационных ресурсов

Общепринятое кодирование геопространственной информации в цифровой растровой и/или векторной форме с ограниченным использованием знаковых представлений влечет за собой ограничения в части организации семантического поиска геоданных, обусловленные отсутствием унификации описания единой модели для вербальной и невербальной информации, а с другой стороны, сложностью структуризации системы геоязыков, используемых для формирования геоинформационных ресурсов. Знания о пространственных объектах не могут быть достаточно адекватно переданы только в лингвистической и/или формально-логической формах, о чем говорит использование широкого спектра геоописаний разной геоязыковой принадлежности - невербальных средств описания научных знаний.

Геоинформационные описания должны основываться на трех основных сферах представления геознаний: невербальные знания, которые не могут быть представлены в лингвистической форме, вербальные знания, которые не могут быть адекватно переведены в невербальную форму, и та часть знаний, которая может быть представлена и в вербальной, и в невербальной формах. В комплексе проводимых исследований карты, аэрофотоснимки, литологические и стратиграфические колонки, картоподобные диаграммы, палеотектонические схемы, геохимические диаграммы, схемы корреляции и так далее, должны рассматриваться как соответствующим образом оформленные геотексты.

На стыке картографии и семиотики сформировался особый раздел -- картографическая семиотика (картосемиотика), в рамках которой разрабатывается общая теория систем картографических знаков. В ней изучаются проблемы, касающиеся происхождения, классификации, свойств и функций картографических знаков и способов картографического изображения.

Основная задача картографической семиотики -- разработка языка карты, т.е. знаковой системы, включающей условные обозначения, способы изображения, правила их построения, употребления и чтения при создании и использовании карт. Именно язык карты определил современные особенности картографической визуализации. Наибольший вклад в развитие теории картографической семиотики внес А.А. Лютый, считавший, что язык карты составляет главный предмет исследования картографии. Он впервые выдвинул идею о существовании в языке карты двух подъязыков [Лютый, 2002]: один обеспечивает отображение содержательной (сущностной, субстанциональной) определенности картографируемых объектов, другой позволяет передать информацию о взаимном размещении объектов, их форме и ориентации в пространстве.

Язык карты -- это объектный язык картографии. Его главными функциями (как и картографии вообще) являются коммуникативная функция, т.е. передача некоторого объема информации от создателя карты к пользователю, и познавательная функция -- получение новых знаний о картографируемом объекте. С развитием новых технологий, методов моделирования и с появлением множества новых геоизображений возникает проблема распространения понятий картографической семиотики на всю систему геоизображений.

Геоинформационные описания должны основываться на трех основных сферах представления геознаний: невербальные знания, которые не могут быть представлены в лингвистической форме, вербальные знания, которые не могут быть адекватно переведены в невербальную форму, и та часть знаний, которая может быть представлена и в вербальной, и в невербальной формах. В комплексе проводимых исследований карты, аэрофотоснимки, литологические и стратиграфические колонки, картоподобные диаграммы, палеотектонические схемы, геохимические диаграммы, схемы корреляции и т.д. должны рассматриваться как соответствующим образом оформленные геотексты, а геоинформационный портал можно рассматривать как электронную библиотеку, которая включает геотексты на разных геоязыках.

геоинформационный портал ресурс

При размещении геоданных, представленных средствами разной геоязыковой принадлежности, особый интерес вызывает проблема группируемости данных в наборы, классы, категории, проекты и другие классификации, соответствующие однородности (достаточной близости) геоданных, дающей основание для помещения их в одну и ту же таблицу [Дулин, 2007]. Набор «похожих» пространственных объектов, таких как участки или реки, хранится в таблице и называется классом объектов (рис. 3). Наборы связанных классов объектов, имеющих одинаковую пространственную привязку, могут быть организованы в более крупную структуру, называемую набором классов объектов. Каждый пространственный объект в базе геоданных содержит форму (геометрию) и может участвовать в топологических отношениях. Способность хранения геометрии объекта является одним из обязательных условий существования БГД, поскольку каждый пространственный объект всегда должен быть доступен для отображения и анализа.

Наборы связанных классов объектов, имеющих одинаковую пространственную привязку, могут быть организованы в более крупную структуру, называемую набором классов объектов.

Что касается отношений, то помимо типичных (общих) для реляционной БД «родо-видовых» отношений или отношений типа «часть-целое» необходимо позаботиться об отображении топологических
(соединение, узел пересечения и др.) и пространственных (касание, внутри, снаружи и др.) отношений. Можно заметить, что в действительности пространственные отношения могут быть представлены в рамках реализации топологических отношений заданием соответствующей топологии.

Рис. 3. Группируемость геоданных

Проблема группируемости данных в наборы (кластеризация, классификация) предполагает разработку соответствующих критериев и методов оценивания степени близости (сходства) помещаемых в набор геоданных [Дулин, 2007]. Выбор критериев и оценок в задаче группируемости данных является едва ли не решающим элементом эффективности этой процедуры.

От принадлежности к определенной категории зависит участие векторного объекта в топологических отношениях. Топология, устанавливающая топологические отношения между географическими объектами, делает возможным проведение расширенного пространственного анализа и играет фундаментальную роль в обеспечении качества БГД.

В одних и тех же топологических взаимоотношениях могут участвовать несколько классов полигональных, точечных и линейных объектов. Топология обычно реализуется в виде набора правил целостности, определяющих поведение пространственно взаимосвязанных геоданных и объектных классов. Топологические правила могут быть заданы для объектов внутри объектного класса или для объектов, принадлежащих двум или более объектным классам. Они позволяют моделировать пространственные отношения связности, смежности, близости и совпадения, а также контролировать целостность совпадающей геометрии у различных классов объектов.

Использование механизма структурной согласованности [Дулин, 2007] позволяет управлять распределением геоданных по наборам в динамическом режиме, учитывая все возможные взаимосвязи и изменения параметров настройки предметной области. Кроме этого, можно решать задачи на множестве объектов с фиксированным списком атрибутов, таких как населенные пункты, группируя их с целью выполнения определенного мероприятия, например, для помещения внутри каждой группы центра обслуживания.

Выводы

Опыт предыдущих лет показал, что ГИС должна быть исследовательской или проектной средой, а карты в ГИС должны использоваться как динамические модели пространственной среды, в которой каждому элементу поставлен в соответствие конкретный набор данных.

Отсюда следует, что если рассматривать карту как активный информационный ресурс установления соответствия пространственной среде, то в рамках прагматики ГИС она будет не столько изображением реальности, сколько визуализацией наборов данных.

Список литературы

1. Конон Н.И. Введение в проблематику информационного обеспечения геоинформационных систем. - М.: Недра, 2000.

2. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. - СПб.: Питер, 2001.

3. Розенберг И.Н., Дулин С.К. Геоинформационный портал отрасли. Гарантировать достоверность данных // Железнодорожный транспорт, 2010.

4. Дулин С.К., Дулина Н.Г. О проблеме согласованности базы геоданных. - М.: ВЦ РАН, 2007.

5. Дулин С.К., Духин С.В. Множественно-реляционная модель данных геоинформационной системы // Сб. научных трудов III-го Международного научно-практического семинара «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте». - М.: Физматлит, 2005.

6. Лютый А.А. Язык карты: сущность, система, функции. - М.: ГЕОС, 2002.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-07-00226).

Размещено на Allbest.ru