Аляутдинов А.Р., Лурье И.К., Осокин С.А.
Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра картографии и геоинформатики

Вопросы, связанные с формированием и использованием инфраструктуры пространственных данных (ИПД), являются актуальными во многих сферах научной и производственной деятельности. Вопросы, связанные с разработкой и внедрением ИПД, в большей степени относятся к областям картографии и геоинформатики, однако использование ИПД актуально для всех географических наук, поскольку предоставляет мощные и универсальные средства повышения эффективности. решения научных и прикладных задач в различных областях географических знаний.

Согласно официальному определению, ИПД это система базовых пространственных данных и метаданных, организационных структур, механизмов правового регулирования, методической базы, технологий и технических средств, обеспечивающая широкий доступ и эффективное использование пространственных данных гражданами, организациями и органами власти (Геоинформатика, 2005). В большинстве случаев основным стимулом создания ИПД является необходимость обеспечения широкого доступа к наборам пространственных данных, и в первую очередь к государственным цифровым топографическим картам. Поэтому стоит говорить о формировании структурированных и стандартизированных географических информационных ресурсов, входящих в состав ИПД и представляющих интерактивные географические информационные системы (ГИС), электронные карты, веб-карты, картографические веб-сервисы и веб-сервисы геообработки, сетевые каталоги метаданных, веб-сервисы геоданных и ГИС-серверы.

Как известно, еще только начинаются работы по созданию Российской ИПД. В тоже время в стране накоплены и используются огромные объемы цифровой пространственной тематической информации разных масштабов и пространственного разрешения. Существуют корпоративные базы пространственных данных на территории от региональных до локальных. Но зачастую, даже в пределах одной организации, не отлажены способы общего доступа к централизованным хранилищам пространственных данных и геоинформационных ресурсов, не исследуются возможности встраивания таких ресурсов в инфраструктурные системы более высокого уровня, не определяются четко базовые пространственные данные, базовые пространственные объекты и структуры метаданных. Многие потенциальные пользователи георесурсами еще не владеют знаниями преимуществ ИПД, не владеют технологиями ее использования. Анализ сложившейся ситуации и привел к идее создания локальной ИПД.

Особенности локальных ИПД
Локальная ИПД это ИПД низшего масштабного уровня, рамки которой определяются локальной территорией и/или задачами отдельной организации. Так, например, важнейшим компонентом географических исследований являются комплексные исследования локальных территорий, территорий ключевых участков. В процессе таких исследований накапливается большой объем данных, и важнейшей задачей является их интеграция на единой пространственной основе, а также тематическое согласование данных и возможность их оценки перед использованием. Для оптимизации работы с географическими информационными ресурсами в таких исследованиях и целесообразна разработка локальной инфраструктуры пространственных данных. Однако, в отличие от национальной ИПД Российской Федерации, концепция проектирования и создания которой определены на государственном уровне, методы проектирования и использования локальных ИПД практически не разработаны. Разработка методики проектирования локальной ИПД должна занять свое место в создании единой многоуровневой системы ИПД. Локальные ИПД востребованы также в образовательных целях для обучения студентов и подготовки квалифицированных специалистов географов.

Локальные ИПД имеют три характерные особенности, отличающие их от ИПД более высокого уровня и влияющие на принципы их проектирования.
Первая особенность возможность ее разделения на два сегмента: внутренний, предназначенный для использования в пределах соответствующей организации, и внешний, предназначенный для взаимодействия с ИПД более высокого уровня. Внутренний сегмент может основываться на более производительном, с точки зрения передачи информации, ресурсе локальных компьютерных сетей, в то время как внешний основан на принципах работы глобальной сети Интернет. В рамках внутреннего сегмента возможно использование собственных стандартов, а внешний сегмент должен соответствовать международным стандартам. Разделение локальной ИПД на внутренний и внешний сегмент также позволяет ограничить доступ к данным, представляющим научную или производственную ценность.

Вторая характерная особенность локальной ИПД связана со спецификой потребностей организации или особенностями территории, для которых создается ИПД. Локальные ИПД не обязательно должны полностью встраиваться в глобальную ИПД, и поэтому для внутренних сегментов локальных ИПД могут создаваться собственные структуры метаданных, состав базовых пространственных данных (БПД) и базовых пространственных объектов (БПО), а также и собственные принципы организации узлов ИПД. Локальные ИПД менее подвержены влиянию принимаемых на государственном уровне правил и стандартов. В тоже время , зависимость от особенностей территории определяет необходимость специального подхода при проектировании каждой локальной ИПД.
В методике, разработанной на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ определены три уровня проектирования локальной ИПД концептуальный, содержательный и технологический; сформирована структура географических информационных узлов каталога метаданных и геопортала; определен ряд технических и программных аспектов локальных ИПД.

Уровни проектирования локальной ИПД
Для лучшей систематизации работы по проектированию локальной ИПД необходимо выделить три уровня проектирования: концептуальный, содержательный и технологический.
Первый уровень, концептуальный, заключается в определении общей структуры создаваемой системы. На данном этапе определяются принцип организации инфраструктуры, основные компоненты системы, ее сегменты и принцип взаимодействия пользователя с геоинформационными узлами и наборами данных. Например, определяется иерархичная структура информационных узлов-геопорталов, содержащих в себе каталоги метаданных и связанные с общими или отдельными хранилищами метаданных или пространственных данных. Определяется роль, отводимая в системе данным и метаданным. Также определяется характер самих узлов: основные функции, содержание и связь между собой. Определяется также принцип работы с информационными ресурсами например, путем публикации метаданных на геопорталах или передачи данных по сети. Важной частью концептуального уровня проектирования локальной ИПД является определение системы доступа пользователя к распределенным по разным источникам пространственным данным. В основу ее разработки положен пример определения этой системы для ИПД глобального уровня, приведенный в статье «Доступ и получение пространственных данных» («Пространственные данные», №1, 2006), схематически показывающий основные компоненты системы: шлюз, картографический Интернет-сервер, магазин данных, клиентский каталог, справочник, тезаурус, метаданные, служба каталога метаданных, наборы данных, реестр каталога, Интернет-клиент. Это достаточно сложная схема, но она полностью охватывает концептуальный уровень проектирования ИПД.

Второй уровень проектирования локальной ИПД, содержательный, заключается в определении содержания ИПД и используемых в ИПД стандартов. На этом уровне определяется состав и характер базовых пространственных данных и базовых пространственных объектов, варианты содержания ИПД пространственные данные, карты, веб-сервисы, описания. ИПД обычно является централизованной или полицентрализованной системой, и поэтому на содержательном уровне проектирования определяются стандарты метаданных или данных, используемых в ней, в зависимости от результатов концептуального проектирования. Этот уровень тесно связан с концептуальным уровнем, так как определяет, с чем будет работать система и на основе каких стандартов будет осуществлена универсальность и централизованность.

Третий уровень проектирования ИПД, технологический, заключается в определении технологий, используемых для внедрения ИПД, и окончательный вид системы. На данном этапе определяется, например, какой язык веб-программирования будет использоваться для создания геопорталов, какие существующие готовые технологии можно привлечь для реализации системы, на основе каких протоколов передачи данных будет осуществляться взаимодействие субъектов ИПД, в каком виде географические информационные узлы будут представлены пользователю.

Важно отметить, что на всех уровнях проектирования необходимо участие разных специалистов специалистов в предметной области исследования, картографы, геоинформатики. Это объясняется как тем, что именно первые являются основными пользователями системы, и им необходимо понимать принцип ее работы, так и тем, что в ИПД существует множество аспектов, имеющих прямое отношение к разным специализациям. Так, содержание тематического геопортала должны определять специалисты, занимающиеся исследованиями в предметной области (например, географы), картографы должны осуществлять контроль картографического содержания ИПД, а специалисты в области геоинформатики оптимизировать процессы работы с пространственными данными.

Технические и программные аспекты проектирования локальной ИПД
Определение функций и проектирование метаданных в локальных ИПД. Одним из неотъемлемых принципов ИПД является распределенность объединяемых в единую систему ресурсов. Это означает, что геоданные и географические информационные ресурсы могут храниться в разных местах (на разных компьютерах). Для создания централизованных географических информационных узлов и встраивания локальной ИПД в ИПД более высокого уровня необходима строгая стандартизация их содержимого для обеспечения возможностей поиска по специфическим географическим параметрам, добавления на карту и других функций. Однако, очевидны два больших недостатка такой схемы. Во-первых, невозможна полная стандартизация абсолютно всех форматов географических данных. Это объясняется как разнообразием их производителей, так и разнохарактерностью (карты, описания, веб-сервисы и др.).

Создание на географических информационных узлах универсальных систем распознавания всех возможных форматов также практически невозможно, так как форматов очень много и их количество постоянно увеличивается. Второй большой недостаток такой схемы вызван другой особенностью географических информационных ресурсов иногда они достигают очень большого объема и тем самым при такой схеме очень сильно перегрузят систему. Оптимальным выходом из такой ситуации представляется использование для реализации ИПД другой схемы. В такой схеме для каждой единицы ГИС-ресурсов создается отдельный файл метаданных, подчиненный единому стандарту. Стандартизовать метаданные гораздо проще, потому что они представляют малый по объему текстовый файл, изначально нацелены на содержание сходной информации, гораздо проще организованы и менее подвергнуты процессам дивергенции стандартов между различными организациями. Таким образом, на географических информационных узлах будут содержаться уже не сами данные, а их метаданные, содержащие в себе подробную информацию о характерных географических параметрах самих ресурсов, физическом местонахождении данных, условиях их получения и т.д. Метаданные объединяются в каталоги метаданных и поиск данных (ГИС-ресурсов) проводится по этим каталогам, то есть по метаданным. К примеру, если в метаданные включать информацию о пространственном географическом охвате данных, то станет возможным поиск данных по карте. Такая схема признана уже в большинстве стран, используется на многих геопорталах и должна использоваться при проектировании геопорталов для локальных ИПД.

Основное предназначение каталогов метаданных создание общедоступного реестра метаданных, снабженного пользовательским интерфейсом и предоставляющим инструменты поиска метаданных (т.е. поиска геоданных по метаданным) по географическим параметрам. Публикация метаданных в каталог метаданных обычно осуществляется с использованием дополнительного программного обеспечения. При проектировании каталога метаданных кроме выполнения определенного набора требований необходим учет технологических аспектов. Требуется определить механизм взаимодействия базы метаданных и службы каталога, способ представления каталога пользователю, схему взаимодействия каталога с пользователем (вариант взаимодействия пользователя и геонформационного узла ИПД). На сегодняшний момент оптимальными готовыми технологиями взаимодействия СУБД, управляющей базой метаданных, со службой каталога, предоставляющей пользовательский интерфейс, является создание веб-сервиса метаданных, то есть программы, работающей на сервере и передающей метаданные в формате XML по HTTP-запросам, содержащим географические параметры.

Каталоги метаданных являются оптимальным решением при создании локальных ИПД, так как относительно просты в реализации и содержат все необходимые для локальной ИПД функции публикация метаданных и их поиск. Существует ряд готовых программных продуктов для создания готовых каталогов метаданных. Каталоги метаданных позволяют осуществить эффективное взаимодействие между подразделениями организации, работающими с геоданными, упростить их поиск и обмен ими.

Проектирование геопортала. Геопортал является более универсальным узлом ИПД, чем каталог метаданных. Часто геопортал понимается как система, позволяющая объединить в себе несколько каталогов метаданных и осуществить их взаимодействие. Геопортал это шлюз к распределенным географическим информационным ресурсам. Геопортал может создаваться для ИПД любого уровня, поэтому понимание принципов его работы необходимо при проектировании локальных ИПД. В составе геопортала так же, как и каталога метаданных, должно быть хранилище база метаданных, но в отличие от каталога метаданных геопортал обладает возможностью двустороннего взаимодействия с базой метаданных, то есть для публикации метаданных (пополнения базы метаданных геопортала) не нужно дополнительных средств. Важное требование к геопорталу возможность автоматизированного сбора метаданных из других источников, в том числе с других геопорталов или отдельных каталогов метаданных, и включение их в свой каталог метаданных. Это обеспечивает инфраструктурный характер системы.

Поскольку геопортал является общим географическим информационным шлюзом, он не обязательно должен ограничиваться работой только с метаданными. В составе геопорталов могут находиться веб-приложения, позволяющие составлять карты в интерактивном режиме на основе картографических веб-сервисов. Также геопортал может предоставлять собственные картографические веб-сервисы, веб-сервисы геообработки и веб-сервисы геоданных. Возможности поиска геоданных в геопорталах обычно более расширенные, чем в каталогах метаданных например, для поиска по карте может использоваться не только встроенная поисковая карта, но и карта, составленная во встроенном картографическом приложении геопортала из получаемых из различных источников данных (картографических веб-вервисов).

При проектировании геопортала важно помнить о необходимости распределения доступа к его возможностям. Геопортал это чаще всего система, доступная всем пользователям Интернета, и поэтому предоставление, например, всем желающим возможности публиковать метаданные приведет к перегрузке и насыщению информационным шумом. Распределение доступа означает необходимость получения соответствующего статуса для доступа к определенным функциям. Обычно это делается путем создания системы регистрации (список учетных записей пользователей).

Проектирование геопорталов и каталогов метаданных тесным образом переплетается со всеми тремя уровнями проектирования локальных ИПД, так как содержит в себе концептуальные, содержательные и технологические аспекты.

Сетевые и серверные технологии, применяемые при создании локальных ИПД. Основой реализации любой распределенной системы, какой является ИПД любого уровня, в современных условиях являются сетевые и серверные технологии. Существование географического информационного узла тождественно существованию поддерживающего его работу сервера (компьютера, обрабатывающего запросы пользователей, поступающие по сети). Геопортал является компонентом локальной ИПД, и поэтому необходим анализ принципа его работы. Общепризнанной схемой реализации геопортала (географического информационного узла ИПД) является другая схема. При такой организации системы на сервере геопортала формируется база метаданных, управляемая СУБД. Также на сервере геопортала устанавливается специализированное программное обеспечение, с помощью которого создаются ГИС-сервер и WEB-сервер. ГИС-сервер осуществляет взаимодействие с СУБД и проводит работу с географическими метаданными при отработке запросов по их поиску и изменению. В связке с ГИС-сервером работает WEB-сервер, переводящий результаты запросов на язык протокола HTTP и передающий результаты WEB-клиенту. Важным моментом является понимание сути распределенности этой системы: хранилище метаданных централизовано, но описанные в них данные распределены по различным источникам. Для поиска нужных геоданных пользователь системы с помощью WEB-интерфейса проводит быстрые поиск и обработку метаданных, находит метаданные от нужных ему данных, а затем по информации, предоставленной в метаданных, осуществляет доступ к данным. Использование формулировки «WEB-интерфейс» означает, что программа доступна для использования любым пользователем через Интернет с помощью обычного веб-браузера (например, Internet Explorer).

Создание локальной ИПД УНС «Сатино»
Разработанная методика проектирования локальной ИПД реализована при создании локальной ИПД территории учебно-научной станции географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова «Сатино». Созданная система позволяет осуществлять общий доступ к централизованному хранилищу пространственных данных в рамках факультета, а также встраивается в ИПД более высокого уровня за счет создания специального раздела на геопортале компании ДАТА+. Схема локальной ИПД УНС «Сатино» представлена на рис. 1.
Внешний сегмент позволит обеспечить общий доступ к созданной ИПД через Интернет, в том числе с территории УНС «Сатино», в то время как внутренний сегмент обеспечивает внутренние функции, включающие доступ к данным; он ограничен компьютерной сетью географического факультета МГУ.

Рис. 1. Схема ИПД УНС «Сатино»

Во внешнем и внутреннем сегменте ИПД УНС «Сатино» используется схема взаимодействия пользователя с геоинформационным узлом через веб-браузер. В дополнение к этому во внутреннем сегменте может быть реализована схема взаимодействия через «умного клиента».

Источником базовых пространственных данных является база данных созданной на географическом факультете МГУ учебной ГИС «Сатино». В соответствии со структурой БД ГИС «Сатино», в качестве базовых пространственных объектов выбраны рельеф, пункты геодезической сети, леса, дороги и объекты гидрографии. В качестве базовых пространственных данных использованы базовые слои тематических блоков БД ГИС: Геоморфология, Микроклимат, Гидрология, Почвы, Биота, Ландшафты, Использование земель, а также производные слои, аэро-космические снимки и автономные БД. Данные предоставлены в формате ESRI Shapefile ввиду его простоты и распространенности. Данные загружены в СУБД MySQL с помощью библиотеки OGR.

Для внешнего сегмента, находящегося в широком доступе через Интернет, при создании метаданных использован стандарт ISO19139, национальная версия которого была принята для формирования Инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации. Для внутреннего сегмента также возможно использования стандарта метаданных ISO, однако оно менее оправдано в силу сложности, обилия не столь необходимых для подобной ИПД обязательных параметров. Поэтому для внутреннего сегмента ИПД УНС «Сатино» создан собственный стандарт метаданных.

Для выполнения всех функций внутреннего сегмента ИПД УНС «Сатино» выбрано программное обеспечение Minnesota Map Server, свободно распространяемое через Интернет. Minnesota Map Server позволил создать картографический сервер, формирующий основу для создания веб-карты, входящей в интерактивный интерфейс базы данных ГИС «Сатино» во внутреннем сегменте ИПД. Основные функции интерфейса реализованы путем простого программирования на языке HTML и Java-Script. Хранение данных в MySQL позволяет использовать преимущества средств управления реляционной базой данных.

Интерфейс базы данных интерактивное средство доступа представляет собой веб-сайт, доступный внутри локальной компьютерной сети Географического факультета из окна обычного веб-браузера (например, Internet Explorer) по ссылке http://satinoserv.lan/satino. Внешний вид веб-страницы интерактивного доступа к базе данных в окне веб-браузера представлен на рис.2. В центральной части формы интерфейса находится электронная веб-карта, содержащая картографическое представление слоев базы данных. Размер изображения небольшой, что обусловлено возможностями компоновки страницы. Под картой указывается линейный масштаб. Легенда карты открывается в правой части экрана при клике левой кнопкой мыши на кнопке открытия легенды. В левой части интерфейса находится карта-навигатор, служащая для перемещения центра карты в указанную точку. Под навигатором находится переключатель режимов карты: режим просмотра, режим запроса к одному объекту и режим запроса к нескольким объектам. Под переключателем режима карты находится переключатель инструмента масштабирования, позволяющий приближать, удалять или переносить картографическое изображение, и строка указания масштабного коэффициента.

Рис.2. Интерфейс доступа к базе данных ГИС «Сатино»

Справа от карты расположены два списка слоев базы данных ГИС: базовые слои и тематические блоки. При выборе с помощью мыши и клавиши Ctrl одного или нескольких слоев в одном или обоих списках и щелчке мышью на кнопке Обновить карту выбранные слои активизируются и отображаются на карте. Ниже находится кнопка Открыть легенду, при щелчке мышью на которой в правой части страницы открывается легенда для активных слоев карты. Ниже находится строка выбора слоя для просмотра метаданных. Для просмотра метаданных необходимо выбрать в выпадающем списке слой и кликнуть кнопку просмотр. При этом в левой части страницы отобразятся метаданные для выбранного слоя. На рис. 2 отображены метаданные для слоя Контуры леса. С помощью карты возможно осуществление запроса к объекту для просмотра его атрибутов. Для этого необходимо перевести карту в режим запроса и кликнуть мышью на объекте на карте.