Из материалов международной конференции " Интеркарто - 6 " ( г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г.).


Калантаев П.А., Пяткин В.П.
Институт вычислительной математики и математической геофизики
Сибирского отделения Российской Академии наук
e-mail: pvp@ooi.sscc.ru

Absract. Modern network GIS enables many users to manipulate with one set of space data simultaneously. The application of Intranet-technology «client-server» and the object-oriented approach gives the effective solution of this problem. The advantages of object-oriented technology «client-server» are especially shown in the solution of such problems as network analysis, cartographic generalisation and the maintenance of the integrity of large complex topographic databases.
It looks promising to use GIS ArcInfo 8.0 tools for the development of municipal GIS applications. The object-component model of data is one of the most important features of ArcInfo 8.0. Such model gives more close connection of GIS with the real world and ensures the functional extension of the system. The object-component model of data assumes the application of software modern technologies of higher quality.
The implementation of the second phase of Novosibirsk Academgorodok municipal GIS is oriented to the use of object-component GIS ArcInfo 8.0. Moreover, the municipal GIS is convenient in use, the software works with the concepts which are natural to the user such as a road, a block of buildings, a street, a pipeline, but not with such system concepts as points, lines, polygons. Municipal GIS is becoming more scaled. The user can easily add new components to the system.

Современные сетевые ГИС [2-5, 6, 8], применяемые в сфере управления, дают возможность многим пользователям одновременно манипулировать с одним набором геоинформационных пространственных данных, что предполагает системные решения таких проблем, как обеспечение целостности базы данных; согласованное внесение одновременных изменений в данные различными пользователями; сквозное применение системы уникальных имен и идентификаторов создаваемых объектов. Эффективное решение этих проблем лежит в русле применения Intranet-технологии «клиент/сервер» и объектно-ориентированного (ОО) подхода. В статье [1] приводится важнейшее, на наш взгляд, требование к современным ГИС, для которых «должен быть первичен объектно-ориентированный (ООП), а не картографический (топографический, топологический и т.п.) подход к описанию городской территории и объектов на ней». Должны быть реализованы поддержка сложных объектов, наследование свойств классов, инкапсуляция, полиморфизм, перекрытие, перегрузка функций (моделей объекта) и т.д. Объектная ориентированность понимается здесь не в том смысле, что муниципальная ГИС (МГИС) написана на объектно-ориентированных средствах, а в том, что те же механизмы должны быть предоставлены пользователю системы в интерактиве для организации данных о городской территории.
Преимущества ОО клиент-серверной технологии особенно проявляются при решении таких проблем, как сетевой анализ, картографическая генерализация, поддержание целостности больших сложных топографических баз данных. В такой технологии основа ГИС - геоинформационный сервер (ГИС-сервер) исполняет основные функции обработки геопространственных данных с использованием Web-интерфейса (передача запросов и результатов их выполнения), обеспечиваемого, со стороны клиентов сети Intranet, обыкновенным Web-броузером. До недавнего времени сетевые решения ГИС имели ряд функциональных ограничений, однако уже имеются новые версии ОО полнофункциональных ГИС, таких как ArcInfo 8.0. Одной из наиболее важных особенностей ArcInfo 8.0 является объектно-компонентная модель данных [5]. Такая модель дает более тесную связь ГИС с реальным миром и существенно расширяет возможности по наращиванию функций системы, ее настройке и поддерживает собственные модели данных со специфическими объектами. Объектно-компонентная модель данных предполагает применение современных технологий разработки программного обеспечения более высокого качества.

Модели данных ГИС

Модели данных ГИС описывают цифровое представление и взаимосвязи географических объектов, что является логическим описанием выбранных объектов реального мира. Логическим в смысле адекватного структурированного восприятия объектов как человеком, так и компьютером, то есть модели данных ГИС описывают также служебную информацию, необходимую для эффективной компьютерной обработки географических объектов. До последнего времени в ГИС наиболее употребительны были несколько различных моделей данных для определенных областей применения, например, векторные, растровые, триангуляционные и другие модели данных (табл. 1).

Таблица 1.

Модели данных для различных областей применения
Модель данных	Применение
САПР (CAD)	Инженерное проектирование
Графическая (нетопологическая)	Простое картирование
Растровые изображения	Обработка изображений
Растровая / ГРИД	Пространственный анализ и моделирование
TIN	Анализ и моделирование местности/ поверхности
Геореляционная	Обработка геоданных по геометрическим объектам
Объектная	Обработка геоданных по настроенным объектам с "поведением"
Объектно-компонентная ("геобаза данных")	Расширяемые средства обработки геоданных по настроенным объектам с "поведением"

В ГИС, ориентированных на работу с базами данных (БД) (в частности, в ARC/INFO), успешно применяется геореляционная модель данных. Суть этой модели в раздельном хранении данных о геометрии и топологии - в системе файлов, и атрибутивных данных - в БД. При этом ГИС осуществляет совместное согласованное управление целостной информацией объектов, распределяемой между файловой системой и БД. Эта модель основана на геометрическом типе объекта и отображает мир в виде наборов точек, линий и полигонов, а операции с геометрическими свойствами организованы как отдельные процедуры. Однако геореляционная модель не способна моделировать все разнообразие географических объектов для конкретной области пользователя. Для этого были предложены ОО модели данных, позволяющие одновременно моделировать в ГИС состояние и «поведение» объектов. ОО модель данных может обеспечивать такие специальные типы, как геометрический, растровый, табличный. Объект может быть ни растровым, ни векторным, он может представлять оба или ни одного из этих типов значений.

Объектный подход обеспечивает естественное решение интеграции растр/вектор, в нем нет различий между геометрическими и атрибутивными данными. В центре моделирования не геометрия, а объект, который может поддерживать множественные геометрии. Объектная технология функционирует на основе концепции сообщений, которые могут быть посланы/приняты объектами. Класс объекта определяет как возможность получения сообщения, так и характер ответа. Во многих OO системах сообщения называются методами, а ответы называются поведениями. Методы обеспечивают совершенный механизм для записи универсальных приложений. Частный метод может применяться ко многим различным классам объектов и может приводить к различным поведениям, это свойство называется полиморфизмом. Например, объект «дорога» может ответить на метод «показать», рисуя красную линию, в то же время объект «река» может рисоваться синей линией. Другие методы могут возвращать значение, которое может быть просто чтением атрибута или результатом вычисления, например, площади области по ее геометрии.

Удачный симбиоз моделей данных представлен в ArcInfo 8.0, поддерживающей две основные географические модели данных, геореляционную модель и новую объектно-компонентную модель, которая называется «геобаза данных». Дополнение геореляционной модели объектно-ориентированной моделью позволяет пользователям добавить действия, свойства и связи к их данным. Эта новая модель данных выполнена как расширение к стандартной реляционной базе данных и поддерживает топологически интегрированные по свойствам классы.

Модель геоданных - это инструментальная основа для конструирования пользовательской модели ГИС (рис. 1) с использованием объектных компонентов, ориентированной на большое количество пользователей и применение специальных моделей (например, сеть водных объектов, электросеть, данные о коммуникациях и др.).

Компонент программы - это двоичный код, который может использоваться многократно. Компоненты, поддерживающие наследование и полиморфизм, являются строительными блоками, обеспечивающими структурированную разработку системы. Наследование - это возможность использовать существующий код в других компонентах, включая ссылки на «состояние» и «поведение» другого объекта. Например, можно просто описать новый тип водопроводной задвижки, переписав описание похожего существующего типа задвижки и добавив к нему несколько новых свойств или методов. Tехнологические программные средства ГИС позволяют пользователю расширять объектно-компонентную модель. При этом созданные пользователем объекты технологически неотличимы от объектов, поставляемых разработчиком ГИС. Разработка и применение компонентов поддерживается соответствующими стандартами. Для построения интерактивных приложений стандартом де-факто является Объектно-компонентная модель фирмы Microsoft (Component Object Model - COM). В среде Internet/Intranet наиболее развитой является технология Java Beans фирмы Javasoft. На более высоком уровне, соответствующем уровню взаимодействия приложений, группа OMG (Object Management Group) определила стандарт CORBA (Common Object Request Broker Architecture). Для ARC/INFO компанией ESRI определен стандарт COM. Современное системное ПО, броузеры для Internet, Microsoft Office и другие обеспечивают поддержку режима «run-time» («период прогона программы») для компонентов, что означает возможность расширения системы во время сеанса ее работы. Большинство интегрированных сред программирования (IDE- Integrated Development Environment) поддерживают разработку компонентов COM и Java. Появившийся недавно универсальный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) сочетает в себе подход «entity-relationship» («взаимосвязи реальных объектов») к созданию модели и объектно-компонентную архитектуру. UML используется для описания взаимодействия и взаимосвязей различных компонентов.



Рис.1. ГИС-моделирование


Реализация ОО МГИС в Intranet-сети Академгородка

Реализация второй очереди МГИС Новосибирского Академгородка ориентирована на использование объектно-компонентной ГИС ArcInfo 8.0 [5,7]. При этом МГИС становится проще в использовании, программное обеспечение будет работать с естественными для пользователя понятиями типа дорога, квартал, улица, трубопровод, а не с системно ориентированными понятиями, такими как точки, линии, полигоны. МГИС станет более масштабируемой, причем делаться это будет пользователями сети Intranet муниципальных служб. Новые компоненты могут быть легко встроены в систему каждым, освоившим технологию программирования. Эффективность МГИС, основанной на применении стандартов, базируется на однозначном, универсальном применении пользователями языков программирования, CASE-инструментов, БД, а также на открытости и взаимодействии программных продуктов. При этом становится возможным моделирование сложных сетевых объектов, таких как устройства в сети инженерных коммуникаций, имеющие внутреннюю структуру, не представленную дискретными объектами. В МГИС будет использована система управления версиями данных, которая, например, реализует процесс работы с паспортами объектов водо-канализационного хозяйства и позволяет многим пользователям одновременно редактировать одни и те же данные. Будут возможны несколько представлений объекта, реализованные в исходной программе (например, методы изображения объектов для различных муниципальных служб могут определять их представление в виде контуров, полигонов с заливкой, с надписью, стилизованных знаков и с учетом масштаба). Реализация ОО МГИС нового поколения, основанной на стандартах взаимодействия, расширяемости, открытости и ОО моделей данных, позволяет предположить значительное расширение области применения ГИС.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 99-07-90422.

Литература

1. Горбачев В.Г. Какая ГИС нужна городу? // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации, 1997.
2. Власов М.Ю., Горбачев В.Г. Геоинформационные системы // «Byte Россия» - №6 - 1999.
3. Андреев А.М., Березкин Д.В., Куликов Ю.В., Смагин А.Ю., Смелов А.В. Геоинформационные cистемы, объектно-ориентированный подход к проектированию. Объектные ГИС // «Геодезия и картография» - №9 - 1995.
4. Гераськин С., Назаренко Н. Публикация геоданных в Интернете // PC Magazine/RE. - N3. - 1999.
5. ARC/INFO Версии 8: Объектно-компонентная ГИС (по статье Дэвида Дж. Магвайера в ARC News, Vol. 20 № 4) // ARCREVIEW - №3(10). - 1999.
6. Алексеев А.С., Калантаев П.А., Пяткин В.П. Новые информационные технологии в дистанционных исследованиях Земли из Космоса // Труды ХХVI Международной конференции IT+SE 99 «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе и охране природных ресурсов». Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая - 1999. - С. 317-320.
7. Калантаев П.А., Пяткин В.П. Интранет-архитектура муниципальной геоинформационной системы // материалы международной конференции «ГИС для устойчивого развития территорий». - Ч. 2. - Якутск, 1999. - С. 96-102.
8. Ладыженский Г.М. Архитектура корпоративных информационных систем // СУБД - N 5-6/97 - С. 18-24.