Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле

The systematic approaches to the organization of a structure of the many-level processes of standardization of a simulation and a use of the geospatial information are considered and generalized. The sequence of stages and elements underlying the development, construction, and use of models of the g...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2007
Main Authors: Пивняк, Г.Г., Бусыгин, Б.С., Коротенко, Г.М.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1834
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле / Г.Г. Пивняк, Б.С. Бусыгин, Г.М. Коротенко // Доп. НАН України. — 2007. — N 6. — С. 117–124. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859717461661712384
author Пивняк, Г.Г.
Бусыгин, Б.С.
Коротенко, Г.М.
author_facet Пивняк, Г.Г.
Бусыгин, Б.С.
Коротенко, Г.М.
citation_txt Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле / Г.Г. Пивняк, Б.С. Бусыгин, Г.М. Коротенко // Доп. НАН України. — 2007. — N 6. — С. 117–124. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection DSpace DC
description The systematic approaches to the organization of a structure of the many-level processes of standardization of a simulation and a use of the geospatial information are considered and generalized. The sequence of stages and elements underlying the development, construction, and use of models of the geospatial data in geoscience and in various applications is analyzed.
first_indexed 2025-12-01T08:20:50Z
format Article
fulltext УДК 361.01.37+361.16.43.25.17.19 © 2007 Академик НАН Украины Г. Г. Пивняк, Б. С. Бусыгин, Г.М. Коротенко Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле The systematic approaches to the organization of a structure of the many-level processes of standardization of a simulation and a use of the geospatial information are considered and generalized. The sequence of stages and elements underlying the development, construction, and use of models of the geospatial data in geoscience and in various applications is analyzed. Научные и технологические инновации в сферах информационных технологий (ИТ) продол- жают инициировать прогрессирующие темпы развития геоинформационных систем (ГИС) и специфичных для них технологий (ГИС-технологий). В триаде данные — информация — знания пространственная компонента приобретает все более существенную роль. Естественным развитием процесса интеграции географической и атрибутивной инфор- мации с ИТ является разработка техническим комитетом ISO/TC 211 гармонизированной системы стандартов, направленных на совершенствование организации сбора, накопления, анализа, унифицированного доступа, представления и передачи геопространственной ин- формации в цифровой форме между различными пользователями, системами и адреса- тами. Назначение эталонной модели (Reference Model) ISO/TC 211 (систематизированной в более чем сорока документах серии ISO 19 100 [1]) состоит в локализации основных элемен- тов географической информации, являющихся предметом стандартизации и представлении взаимосвязи между разработанными и разрабатываемыми стандартами (рис. 1). В структу- ре разнообразных целей и задач, ставящихся и решаемых в вышеуказанных документах, особняком стоит задача обобщения данных в соответствии с многочисленными, разнопла- новыми моделями различных предметных областей, трансформация данных на различных уровнях иерархии взаимодействия моделей, а также манипуляции с данными при их нако- плении и использовании [2, 3]. Анализ последних достижений. Понятно, что географические объекты обладают значительно более сложным комплексом информационных компонент по сравнению с не- пространственными. Это и отражается в эталонных моделях (reference models), разработан- ных в функциональных стандартах, актуальных для различных областей применения ГИС. Среди наиболее известных функциональных стандартов представления геопространствен- ных данных для решения различных задач следует выделить [4]: DIGEST (Военная геодезия, NATO. Завершен в середине 1980-х); BURF/GRIB (Метеорология, NOAA/WMO. Завершен в конце 1980-х); SDTS (Национальная стандартизация в геодезии США, FGDC/USGS. Завершен в конце 1980-х); GDF (Моделирование дорожного движения в информационных системах, CEN. Завер- шен в начале 1990-х); S-57 (Геодезия, IHO. Завершен в начале 1990-х); SAIF (Моделирование проблем лесного хозяйства в информационных системах, BC ME, Canada. Завершен в начале 1990-х); ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №6 117 Рис. 1. Схема процесса интеграции географической информации и ИТ, структурированного в стандартах ISO 19 100 SQL-3/MM (Геоматика, базы данных, мультимедиа, ISO/IEC. Завершен в середине 1990-х); Epicentre (Моделирование проблем нефтяной промышленности, POSC. Завершен в се- редине 1990-х); ISO/TC211 (Международная стандартизация моделирования проблем геодезии в ин- формационных системах, ISO. Завершен в конце 1990-х); OGIS (Промышленная стандартизация де-факто проблем картографии в ГИС, OGC. Завершен в конце 1990-х); Основная направленность данных стандартов состоит в определении, описании и управ- лении географической информацией (рис. 2) для обеспечения необходимых географических служб (сервисов). Это позволяет стандартизировать использование цифровых географиче- ских данных разрабатываемыми и существующими приложениями. Следует отметить, что языком концептуальных схем описания взаимосвязи структурных составляющих геогра- фических элементов и их моделей в большинстве указанных функциональных стандартов является язык синтропии [5], замененный в дальнейшем на язык UML [6]. Разрабатываемые под эгидой ISO стандарты дали толчок к созданию целой группы международных и национальных документов, в которых унифицируются модели стандар- тизации структуры и взаимодействия сложных геоинформационных и информационных составляющих, а также методологии их использования [2, 3]. Разработчики ГИС уже актив- но используют не только систему организации разнообразных пространственных данных, 118 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №6 Рис. 2. Общая модель описания географической информации но и систему открытых абстрактных спецификаций, описывающих особенности реализации алгоритмов их обработки в структуре моделей разного назначения [7–10]: Эталонная модель цифровой Земли (The new Digital Earth Reference Model (DERM) [7], NASA, USA. Представлена в 2001 г.); Географическая информация — эталонная модель (ISO 19101 : 2002 “Geographic infor- mation — Reference model” [8], ISO. Представлена в 2002 г.); Геопространственная интероперабельная эталонная модель (A Geospatial Interoperability Reference Model (G. I. R.M.) [9], FGDC, USA. Представлена в 2003 г.); Эталонная модель OGC (OGC Reference Model (ORM) [10], Open Geospatial Consortium Inc. Представлена в 2003 г.). Вместе с тем одной из ключевых продолжает оставаться проблема построения, хране- ния и использования геопространственных моделей данных, а также анализа их средствами геоинформационных систем. Это тем более важно, что в структуре групп лиц, участвую- щих в накоплении и использовании географической информации происходят существенные изменения. Сформировалась новая общность поставщиков (провайдеров) пространствен- ных данных: провайдеры данных (data provider), провайдеры контента (content provider), провайдеры информации (information provider) и провайдеры сервисов (service provider). Приложения и сервисы, осуществляющие обработку географических данных, встраивают- ся во все большее число различных устройств: бортовые системы автомобилей, справочные системы для населения, мобильные персональные компьютеры (ПК) и мобильные телефо- ны. Таким образом, в сферу использования географических данных вовлекается все но- вые и новые группы не только специалистов, но и пользователей, которые манипулируют пространственным контентом в разных контекстах и в структуре разноуровневых моделей представления, хранения и отображения географических данных средствами ГИС. Целью нашей работы является рассмотрение и обобщение систематических подходов к организации структуры многоуровневых процессов стандартизации моделирования и ис- пользования геопространственной информации. Учитывая тот факт, что в области разра- ботки и реализации моделей разных уровней абстракции Институт исследования систем ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №6 119 окружающей среды (ESRI) занимает одно из ведущих мест, ряд основополагающих терми- нологических понятий в данном сообщении используется в их трактовке [11]. Структуризация моделей данных. Согласно стандартам ISO 19 100 важным ком- понентом представления информационных и вычислительных уровней компьютерных сис- тем является концептуальное моделирование (Conceptual modeling), представляющее собой процесс создания абстрактных описаний части окружающего мира и относящихся к ней онтологических понятий. Например, могут моделироваться такие элементы, как каналы, озера и острова. Для их записи и дальнейшего использования применяются так называе- мые языки концептуальных схем, которые обеспечивают семантические и синтаксические элементы для описания концептуальной модели. Кроме того, стандарты используют кон- цептуальное моделирование не только для максимально строгого описания географической информации, но и сервисов географической информации. Подход в использовании конце- птуального моделирования в стандартах ISO 19 100 основывается на концепциях Эталонной модели Открытой Распределенной Обработки (Open Distributed Processing (ODP) Reference Model (RM), RM ODP, которая описана в ISO/IEC 10746–1 : 1995) и принципах, обобщенных в Средствах Моделирования Концептуальных Схем (Conceptual Schema Modeling Facilities, CSMF, описаны в ISO/IEC 14 481) [1]. Подходы к рассмотрению информационных элементов. Широко используемая в серии стандартов ISO 19 100 модель RM ODP, описывает пять подходов к рассмотрению и моделированию элементов геоинформационных технологий, к которым относятся: про- мышленный подход, информационный подход, вычислительный подход, проектный подход и технологический подход. Важно отметить то, что информационный и вычислительный подход в серии географических стандартов ISO 19100 имеют первостепенное значение. Про- мышленный подход включает рассмотрение назначения, целей создания и использования разрабатываемых ГИС. В круг организаций данного уровня входят крупные корпорации, правительственные агентства и образовательные институты. Информационный подход со- средоточен на семантических особенностях информации и обработке данных. Специфи- кации, разрабатываемые на основании данного подхода, подробно описывают модели ин- формации в ГИС и определяют операции обработки, выполняемые ими. Информационный подход является важнейшим для серии стандартов ISO 19 100. Вычислительный подход относится к сфере взаимодействия между сервисами, являющимися составляющими кру- пных компьютерных систем. Спецификация сервиса является моделью, рассматривающей его в качестве клиента или набора других сервисов, с которыми взаимодействует данный сервис. Вычислительный подход является вторым важнейшим подходом к рассмотрению взаимодействующих компонентов в стандартах ISO 19 100. Проектный подход обеспечивает рассмотрение процессов проектирования приложений в распределенных, сетевых вычисли- тельных системах, поддерживаемых спецификациями, разрабатываемых на основе исполь- зования информационного и вычислительного подходов. Технологический подход включает рассмотрение базовой инфраструктуры программных и аппаратных компонентов, в кото- рой взаимодействуют сервисы. При решении прикладных задач с использованием ГИС, основной и первостепенной за- дачей является создание модели данных в структуре используемых целевых компьютерной и программной систем. Наиболее полно их структура и взаимодействие описаны в базовой информационной модели OpenGIS. Здесь геопространственные информационные сущности представляются на уровне описательных компонентов и на уровне исходных данных в сле- дующих моделях [10]. 120 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №6 Simple Feature Model (Модель простых элементов — общая, описательная модель средств представления объектов Земной поверхности векторными объектами, т. е. точками, линия- ми и полигонами). Coverage Model (Модель покрытий — основная модель для представления информации о Земле в виде растровых или сеточных покрытий, т. е. модели изображений или цифровых моделей местности). Observation Model (Модель наблюдений — основная модель для представления исследу- емых объектов Земной поверхности). Location Organizer Folder (LOF) (Контейнер для сбора адресных данных — общая, интег- рированная, информационная модель контейнера, содержащего пространственно-времен- ную информацию из разных источников, включающую изображения, карты, географичес- кие элементы, аудио- и видеоданные и т. д). Registry Model (Модель регистрации — общая модель для онлайновой регистрации про- странственных данных). Service Model (Модель сервисов — общая модель онлайновых сервисов). Sensor Model (Модель сенсоров — общая модель для описания известных датчиков ис- следования Земли). Data Catalog Model (Модель каталогов данных — общая модель описания каталогов данных, принадлежащих крупным промышленным хранилищам данных). Dictionary Model (Модель словарей — общая модель для представления онлайновых словарей, составленных по общим схемам классификации). Directory Model (Модель каталогов — общая модель для представления онлайновых, систематизированных каталогов, например, Yellow Pages). Gazetteer Model (Модель географических справочников — общая модель для представ- ления интерактивных систематизированных географических справочников, например, гео- графический справочник NIMA). Учитывая тот факт, что большинство вышеуказанных моделей в той или иной степени реализуются средствами развитых ГИС, представляет интерес представить возможный ха- рактер взаимодействия элементов информационной модели в виде конкретного профиля1. Поскольку фундаментальными структурами описания пространственных элементов явля- ются векторные и растровые данные, все ГИС строятся на основе формальных моделей, описывающих размещение в пространстве объектов, полей и процессов [11]. Следует отме- тить, что при рассмотрении пространственных явлений под объектами понимаются сущнос- ти, имеющие четко очерченные границы. Поле представляет собой пространство, в каждой точке которого имеет место определенное значение некоторой физической величины, за- фиксированной в определенный момент времени. Таким образом, событие, происходящее с некоторой материальной частицей, определяется тремя координатами этой частицы и мо- ментом времени, когда происходит событие [12]: zf = f(x, y, z, t). 1Профиль (Profile) — совокупность одного или нескольких базовых стандартов, а также выбранных предложений, классов, опций и параметров, чьи базовые стандарты необходимы для выполнения специфи- ческих или конкретных функций. К базовым стандартам относятся все стандарты ISO/TC 211 или любой другой стандарт в сфере ИТ, который может служить источником компонент, из которых могут быть по- строены профили или спецификации продукта [ISO/IEC 10000–1]. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №6 121 Рис. 3. Общая архитектура представления моделей пространственных данных в геоинформационных си- стемах nD-объекты — 0D-точка, 1D-линия, 2D-полигон, 3D-объемные тела (TIN, DEM и др.) Модели представления являются средством описания объектов на местности, таких, как здания, возвышенности или леса. Одним из способов создания моделей представления в ГИС является проектирование и реализация наборов растровых слоев данных, которые обычно представляются прямоугольными ячейками (клетками) или сетками (grid cell). Модели процессов предназначены для описания взаимодействия объектов, реализуемых в моделях представления и поэтому моделирование процессов часто относят к картографи- ческому моделированию [13, 14]. С учетом всего вышесказанного на рис. 3 представлен один из обобщенных подходов (профилей) представления концептуальной трансформации и взаимодействия компонентов пространственных объектов в геоинформационных системах на современном этапе. Языки концептуальных схем здесь представляются метаязыками, являющимися средствами опи- сания метамоделей [6]. 122 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №6 Обычно профили, создаваемые для решения определенной задачи отражаются в эта- лонных моделях (reference models), разработанных в функциональных стандартах, акту- альных для различных областей применения ГИС [7–10]. Их основная направленность со- стоит в определении, описании и управлении географической информацией для обеспечения необходимых географических служб (сервисов). Это позволяет стандартизировать исполь- зование цифровых географических данных разрабатываемыми и существующими прило- жениями с использованием объектного подхода [5, 6]. С использованием данного подхода, при участии государственных, научных и коммерческих организаций мирового сообщества разработан целый ряд обобщенных объектных моделей (табл. 1). Каждая из этих обобщенных моделей обладает собственной понятийной базой для опи- сания и объяснения географической информации. Поэтому, представляя в ГИС географи- ческие объекты, требуется решать какую из моделей целесообразнее использовать. Вместе с тем важным фактом представляется то, что на данном этапе развития ГИС усилиями информационного сообщества разработаны и готовы для применения геоинформационные модели, описывающие предметные области, соответствующие большинству наиболее при- оритетных наук о Земле — геологии, гидрогеологии, экологии и ряде других. Таким образом, рассмотрены, проанализированы и обобщены систематические подхо- ды к организации структуры многоуровневых процессов стандартизации моделирования и использования геопространственной информации; рассмотрено взаимодействие моделей в структуре существующих стандартов, предна- значенных для моделирования и эффективной обработки геопространственных данных средствами ИТ; на основе стандартов ISO/TC211, OpenGIS (OGC) и других функциональных стандар- тов систематизирован один из возможных профилей (profile) структурирования информа- ционных моделей для решения некоторых прикладных задач средствами ГИС; увеличение объема документации, разрабатываемой организациями разных уровней для стандартизации процессов обработки геопространственной информации, существенное по- вышение уровня абстрактности представляемых в ней понятий, а также сложность досту- па ко многим, входящим в ее структуру документам, затрудняет освоение ее широкими кругами пользователей. При этом, часть основополагающих стандартов доступна только Таблица 1. Обобщенные объектные модели предметных областей Address — Адреса Agriculture — Сельское хозяйство Archiving — Архивирование Atmospheric — Метеорологические модели Basemap — Базисная карта Biodiversity — Биологическое разнообразие Census-Administrative Boundaries — Границы адми- нистративной переписи Water Utilities — Коммуникации и оборудование си- стемы водоснабжения Energy Utilities — Энергетические ресурсы (водо- снабжение, теплоснабжение, энергоснабжение) Environmental Regulated Facilities — Средства управления окружающей средой Forestry — Лесное хозяйство Geology — Геология GIS for the Nation — ГИС для государства Groundwater — Подземные воды Health — Здравоохранение Historic Preservation and Archaeology — Историче- ские заповедники и археология Homeland Security — Безопасность страны Hydro — Гидрогеология Land Parcels — Земельные участки Local Government — Местное управление Marine — Морская модель National Cadastre — Национальный кадастр Petroleum — Нефтяные месторождения Pipeline — Трубопроводы Transportation — Транспортные коммуникации Telecommunications — Телекоммуникации ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №6 123 участникам групп разработки, а другая часть распространяется среди пользователей на платной основе. В частности, только один стандарт ISO 19101 : 2002 “Geographic informati- on — Reference model”, на 12.03.2006 г. распространяется в Интернете по цене 122 долл. Если учесть, что в группе стандартов ISO–19100 на настоящее время насчитывается более 40 до- кументов, то данные материалы будут освоены не скоро; очевидно, необходимо предпринять ряд мер, в том числе и на уровне государства, по внедрению современных стандартизированных подходов по использованию геопространс- твенной информации не только в процессе обучения, но и в процессе ее использования. 1. ISO – 19100 “Geographic information / Geomatics”. WEB-сайт (Электронн. ресурс) / Способ доступа: URL: http: // www.agi.org.uk/bfora/systems/xmlviewer. 2. Карпiнський Ю.О., Лященко А.А., Волчко Є.П. Стандартизацiя географiчної iнформацiї: Мiжна- родний досвiд та шляхи розвитку в Українi // Вiсн. геодезiї та картографiї. – 2002. – № 3. – (26). – С. 32–38. 3. Бусыгин Б.С., Коротенко Г.М. Стандартизация и ГИС. Состояние и пути развития // Сб. науч. тр. – Нац. горн. академия Украины. – 2001. – 1, № 12. – С. 5–17. 4. Albrecht J. Towards interoperable geo-information standards: A comparison of reference models for geospati- al information // The Annals of Regional Science. – Berlin: Springer, 1999. – P. 151–169. 5. Cook S., Daniels J. Designing objects systems: object-oriented modeling with syntropy. – New York: Prenti- ce Hall, 1994. – 389 p. 6. Рамбо Дж., Якобсон А., Буч Г. UML: Спец. справочник. – Санкт-Петербург: Питер, 2002. – 656 с. 7. The new digital Earth reference model. 2001. – 14 p. WEB-сайт (Электронн. ресурс) / Способ доступа: URL: http: // www.digitalearth.gov/derm/v05/. 8. ISO 19101: 2002. – “Geographic information – Reference model”. WEB-сайт (Электронн. ресурс) / Способ доступа: URL: http: // www. agi. org. uk/bfora/systems/xmlviewer. 9. A Geospatial interoperability reference model (G. I. R.M.). FGDC. 2003. – 27 p. WEB-сайт (Электронн. ресурс) / Способ доступа: URL: http://gai.fgdc.gov/girm/v1.0/. 10. OGC Reference model. Open Geospatial Consortium Inc. 2003. – 108 p. WEB-сайт (Электронн. ресурс) / Способ доступа: URL: http: // www. opengis. org/. 11. Data models introduction. WEB-сайт (Электронн. ресурс) / Способ доступа: URL: http://support.esri. com/datamodels. 12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. – Т. 2: Теория поля. – Москва: Гос. изд-во физ-мат. лит-ры, 1960. – 400 с. 13. Зейлер М. Моделирование нашего мира: Руководство ESRI по проектированию базы геоданных. – Москва: Изд-во DATA+, 1999. – 254 с. 14. Митчелл Э. Руководство ESRI по ГИС анализу. Т. 1: Географические закономерности и взаимодей- ствия. – Москва: Изд-во DATA+, 1999. – 190 с. Поступило в редакцию 25.01.2007Национальный горный университет, Днепропетровск 124 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №6
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1834
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-01T08:20:50Z
publishDate 2007
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Пивняк, Г.Г.
Бусыгин, Б.С.
Коротенко, Г.М.
2008-09-02T17:58:33Z
2008-09-02T17:58:33Z
2007
Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле / Г.Г. Пивняк, Б.С. Бусыгин, Г.М. Коротенко // Доп. НАН України. — 2007. — N 6. — С. 117–124. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1834
361.01.37+361.16.43.25.17.19
The systematic approaches to the organization of a structure of the many-level processes of standardization of a simulation and a use of the geospatial information are considered and generalized. The sequence of stages and elements underlying the development, construction, and use of models of the geospatial data in geoscience and in various applications is analyzed.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Науки про Землю
Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле
Article
published earlier
spellingShingle Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле
Пивняк, Г.Г.
Бусыгин, Б.С.
Коротенко, Г.М.
Науки про Землю
title Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле
title_full Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле
title_fullStr Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле
title_full_unstemmed Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле
title_short Развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о Земле
title_sort развитие, иерархия и взаимодействие геоинформационных моделей в структуре наук о земле
topic Науки про Землю
topic_facet Науки про Землю
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1834
work_keys_str_mv AT pivnâkgg razvitieierarhiâivzaimodeistviegeoinformacionnyhmodeleivstrukturenaukozemle
AT busyginbs razvitieierarhiâivzaimodeistviegeoinformacionnyhmodeleivstrukturenaukozemle
AT korotenkogm razvitieierarhiâivzaimodeistviegeoinformacionnyhmodeleivstrukturenaukozemle