ВЕСТНИК ОНЗ РАН, ТОМ 1, NZ3002, doi:10.2205/2009NZ000006, 2009

Интеллектуальная ГИС

А. Березко,1 А. Рыбкина,1 А. Соловьев,1 и Р. Красноперов1

Получено 10 ноября 2009; опубликовано 20 ноября 2009.

В работе рассматривается новая технология, соединяющая географическую информа-ционную систему (ГИС) и ГИС-ориентированные методы искусственного интеллекта(ИИ). Основными целями исследований являются разработка новых и адаптация ужесозданных участниками проекта методов ИИ и их интеграция в единой геоинформа-ционной среде с базами данных по наукам о Земле, природным процессам, явлениями объектам техносферы для решения фундаментальных задач, связанных с анализомприродных опасностей и рисков. Важнейшей задачей проекта является создание длятерритории Российской Федерации и смежных территорий логической модели и дей-ствующего прототипа системы оценки природного и техногенного риска. КЛЮЧЕВЫЕ

СЛОВА: геоинформационные системы, науки о Земле, метаданные, слой данных, базы данных.

Ссылка: Березко, А., А. Рыбкина, А. Соловьев, и Р. Красноперов (2009), Интеллектуальная ГИС, Вестник ОНЗ РАН, 1,NZ3002, doi:10.2205/2009NZ000006.

Геоинформационные системы (ГИС) – системы, пред-назначенные для сбора, хранения, анализа и графиче-ской визуализации пространственных данных и связан-ной с ними информации о представленных в ГИС объек-тах. ГИС является инструментом для работы с цифро-выми картами.

Технология ГИС объединяет традиционные операцииработы с базами данных, такими как запрос и стати-стический анализ, с преимуществами полноценной визуа-лизации и географического (пространственного) анализа[4], которые предоставляет карта.

Эти возможности отличают ГИС от других информа-ционных систем и обеспечивают уникальные возможно-сти для ее применения в широком спектре задач, связан-ных с анализом и прогнозом явлений и событий окружа-ющего мира, с осмыслением и выделением главных фак-торов и причин, а также их возможных последствий, спланированием стратегических решений и текущих по-следствий предпринимаемых действий.

Создание карт и географический анализ не являютсячем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предо-ставляет новый, более соответствующий современности,более эффективный, удобный и быстрый подход к анали-зу проблем и решению задач, стоящих перед организаци-ей или группой людей. Посредством обобщения и полно-ценного анализа географической информации, основан-ных на современных подходах и средствах, ГИС позво-ляет автоматизировать процедуру анализа и прогноза сцелью обоснованного принятия оптимальных решений.

1Геофизический центр РАН, Москва, Россия

c© 2009 Геофизический центр РАН.http://onznews.wdcb.ru/doi/2009NZ000006.html

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде на-бора тематических слоев, которые объединены на основегеографического положения.

Любая географическая информация содержит сведе-ния о пространственном положении, будь то привязка кгеографическим или другим координатам, или ссылки наадрес, почтовый индекс, избирательный округ или округпереписи населения, идентификатор земельного или лес-ного участка, название дороги и т.п. При использованииподобных ссылок для автоматического определения ме-стоположения или местоположений объекта (объектов)применяется процедура, называемая геокодированием. Сее помощью можно быстро определить и посмотреть накарте, где находится какой-либо объект или явление, гдепроизошло землетрясение или наводнение, и т.д.

ГИС может работать с двумя существенно отличаю-щимися типами данных – векторными и растровыми. Ввекторной модели информация о точках, линиях и по-лигонах кодируется и хранится в виде набора координатX,Y. Местоположение точки (точечного объекта) описы-вается парой координат (X,Y). Линейные объекты сохра-няются как наборы координат X,Y. Полигональные объ-екты хранятся в виде замкнутого набора координат. Век-торная модель особенно удобна для описания дискретныхобъектов и меньше подходит для описания непрерывноменяющихся свойств, таких как типы почв или доступ-ность объектов. Растровая модель оптимальна для ра-боты с непрерывными свойствами. Растровое изображе-ние представляет собой набор значений для отдельныхэлементарных составляющих (ячеек). Обе модели име-ют свои преимущества и недостатки. Современные ГИСмогут работать как с векторными, так и с растровымимоделями.

NZ3002 1 of 7

NZ3002 березко и др.: интеллектуальная гис NZ3002

В настоящее время в России существует целый рядразработок в области ГИС, которые являются исключи-тельно проблемно-ориентированными. В качестве приме-ра можно привести ГИСМинистерства природных ресур-сов РФ (МПР). Основная цель создания такой системы –обеспечение непрерывного цикла подготовки и представ-ления данных для информационной поддержки плани-рования и принятия управленческих решений руковод-ством МПР России в сфере природопользования. Кро-ме того, по заказу Министерства РФ по делам граждан-ской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидациипоследствий стихийных бедствий (МЧС России) разрабо-тана специализированная ГИС. Несколько характерныхпримеров решения задач с помощью данной системы: мо-делирование развития и последствий ЧС; космическиймониторинг; совместное использование Территориально-го страхового фонда документации и территориальнойГИС в условиях ЧС.

Однако до сих пор по территории Российской Феде-рации не создана интегрированная геоинформационнаясистема, которая включала бы в себя БД с комплекснымнабором данных по РФ в области наук о Земле (геоло-гия, геофизика, геоэкология, экономическая география,дистанционное зондирование Земли из космоса и др.).Разрабатываемая в проекте ГИС является уникальной всвязи с наличием в ней геоинформации различных тема-тик для решения задач в науках о Земле для подготовкии принятия решений в различных областях [2].

В качестве фундамента интегрированной геоинфор-мационной среды используется семейства программныхпродуктов нового поколения ArcGIS 9, разработанногокомпанией Environmental Systems Research Institute (ESRI,США). В настоящий момент используется новейшая вер-сия ArcGIS 9.3.1, в которой повышена скорость публика-ции динамических карт и улучшен обмен географическойинформацией.

Одной из наиважнейших черт современной ГИС яв-ляется актуальность информации и источников данных.Для информационного обеспечения ГИС “Данные наук оЗемле по территории России” использовались интернет-ресурсы различных научных организаций, включая Ми-ровые Центры Данных (МЦД).

В мировых центрах по наукам о Земле, в частности,в системе МЦД, за 50 лет накоплены огромные масси-вы информации, измеряемые в терабайтах. РоссийскиеМЦД обладают уникальной и представительной коллек-цией отечественных данных по сейсмологии, современ-ным движениям земной коры, геоэкологии, тепловомупотоку, батиметрии, альтиметрии, гравиметрии, постоян-ному и переменному магнитным полям Земли, палеомаг-нитным исследованиям, по вертикальному зондированиюионосферы, данных о межпланетной среде, космическимлучам и солнечной активности. Эта информация полу-чена в результате наблюдений на российских обсервато-риях и станциях, в экспедиционных работах и различ-ных экспериментах, проводимых российскими научно-исследовательскими организациями.

Геофизический центр Российской Академии наук, име-ющий в своем составе Мировые Центры Данных по фи-зике твердой Земли (МЦД ФТЗ) и солнечно-земной фи-

зике (МЦД СЗФ), владеет обширными архивами данныхпо сейсмологии, гравиметрии, геомагнетизму, геотерми-ке, современным движениям, морской геологии и геофи-зике, топографии и т.д.

В созданную ГИС были включены также данные, со-бранные в рамках международного проекта “Земельныересурсы России” (Land Resources of Russia), участникамикоторого являлся Международный институт прикладно-го системного анализа (Австрия) (International Institutefor Applied Systems Analysis) и Российская Академия На-ук (Россия). Собранная в рамках проекта база данныхохватывает практически все области экономики и хозяй-ства России, содержит данные о ее географии, минераль-ных и земельных ресурсах.

Данные о почвенном покрове России были взяты изЕвропейской базы данных по почвам, созданной Инсти-тутом окружающей среды и экологической устойчивости(Institute for Environment and Sustainability) под эгидойЦентра объединенных исследований Европейской комис-сии (European Commission Joint Research Centre).

Кроме того, в ГИС были включены данные, собранныеИнститутом растительного покрова Геологической служ-бы США (The USGS Land Cover Institute).

Одним из ключевых этапов разработки ГИС “Данныенаук о Земле по территории России” является состав-ление метаданных, описывающих тематические слои [2].Основное назначение составляемых метаданных – датьобщую информацию о слое, его назначении и содержа-нии. Для решения этой задачи была разработана единаяунифицированная форма, в соответствии с которой вы-полняется описание всех слоев и дополнительных дан-ных. Данная форма включает в себя следующие строкисодержания:

1. Название

2. Дата внесения в систему

3. Проекция

4. Тип данных

5. Масштаб/разрешение

6. Покрываемая территория

7. Источник данных

8. Ссылка

9. Период сбора данных

10. Краткое описание

Последний пункт наиболее информативен – в нем мо-гут быть указаны дополнительные характеристики слоя,информация о способе его составления, могут быть да-ны рекомендации по использованию и визуализации дан-ных. Это наиболее значимый элемент описания слоя. Всоответствии с этой формой для каждого слоя вне за-висимости от данных, содержащихся в нем, создаетсяодин файл метаданных. Файлы метаданных представ-ляют собой простые текстовые файлы в формате XML(eXtensible Markup Language). Слой может представлятьсобой shape-файл, растровый файл, файл с векторнымиили grid-данными. Все метаданные хранятся в отдельной

2 of 7

NZ3002 березко и др.: интеллектуальная гис NZ3002

Рис. 1. Пример оформления топографической карты.

файловой базе данных. Они распределены по каталогамв соответствии с тематическими категориями.

Картографической основой ГИС была принята цифро-вая топографическая карта (ЦТК) масштаба 1:1000000,предоставленная государственным научно- внедренческимцентром геоинформационных систем и технологий ФГУП“ГОСГИСЦЕНТР”.

ЦТК включает в себя 9 групп слоев (71 слой):

• Рельеф

• Растительный покров и грунты

• Прочие элементы содержания

• Промышленные, сельскохозяйственные и социально-культурные объекты

• Железные дороги

• Границы

• Автомобильные и грунтовые дороги, тропы

• Населенные пункты

• Гидрография

Пример оформления топографической карты представ-лен на Рис. 1.

Помимо метаданных категории Геодезия и картогра-фия – Топографическая карта, в данной системе выделе-но еще 17 категорий:

I. Биогеография – География организмовII. Биогеография – География растительного

покроваIII. Вечная мерзлотаIV. Геодезия и картография – РельефV. ГеологияVI. ГидрологияVII. Глобальные навигационные спутниковые

системыVIII. Дистанционное зондирование Земли

3 of 7

NZ3002 березко и др.: интеллектуальная гис NZ3002

Рис. 2. Пример оформления категории “Вечная мерзлота”.

IX. КлиматX. НаселениеXI. Полезные ископаемыеXII. Политическая географияXIII. ПочвоведениеXIV. ПромышленностьXV. Сельское хозяйствоXVI. ТранспортXVII. Экология – Деградация земельных ресурсов

Каждая категория представляет собой группу слоев,объединенных по тематическому признаку. К примеру,категория “Вечная мерзлота” подразделяется на четыреслоя: граница вечной мерзлоты, степень оледенения тер-ритории, среднее значение толщины льда и температур-ный режим в зоне вечной мерзлоты (в градусах Цельсия)(Рис. 2).

В сумме 17 категорий подразделяются на 69 слоев.Общий объем данных по ГИС Россия составляет более

400 Гб и база данных постоянно расширяется.Следующий этап – это визуализация данных. Каж-

дый слой должен быть оформлен в соответствии с приня-той системой условных обозначений. Существуют опре-деленные нормативные документы Федерального агент-ства геодезии и картографии (Роскартография), регла-ментирующие оформление бумажных и, соответствен-но, цифровых карт. Используемая в ГИС “Данные науко Земле по территории России” система условных обо-значений была максимально приближена к требованиямэтих документов, но соблюсти это соответствие в полномобъҷме оказалось невозможным.

Специализированная нормативная документация су-ществует в первую очередь для топографической, геоло-гической и географической карт. Обрабатываемая ГИС“Данные наук о Земле по территории России” информа-ция выходит за эти рамки. Помимо вышеперечисленных,имеются данные по картам климатическим, геодезиче-ским, политическим и др. В этом случае оформление дан-ных производилось по принципу наибольшей представи-тельности.

Основное отличие (и в то же время преимущество)цифровых карт от бумажных заключается в разномас-

4 of 7

NZ3002 березко и др.: интеллектуальная гис NZ3002

Рис. 3. Интерфейс раздела “Метаданные” на веб-портале ГИС “Россия”. Метаданные слоя “Квар-талы” из категории “Топографическая карта”.

штабности. Если бумажные карты и, соответственно, при-нятые правила оформления существуют только в строгоопределенном масштабе, то цифровые карты с помощьюпанели инструментов ArcMap меняют масштаб при уве-личении/уменьшении. Т.е., использование правил и стан-дартов при оформлении цифровых карт, с одной сторо-ны, невозможно в полной мере, с другой, не является аб-солютной необходимостью.

Таким образом, все слои данных собраны в один ГИС-проект, в котором создан и оформлен соответственносвод условных знаков.

Для организации интерактивного доступа к базе ме-таданных через Интернет, были использованы техноло-гии JavaServer Pages (JSP) и JavaScript. Чтобы конеч-ный пользователь мог получить описание интересующегослоя, необходимо выполнить следующие действия. Зайдяна веб-портал, пользователь переходит в раздел “Мета-данные” (Рис. 3).

Далее необходимо выбрать интересующую тематиче-скую категорию. Из появившегося раскрывающегося спис-ка пользователь выбирает интересующий его тематиче-ский слой. Метаданные по выбранному слою отобража-

ются автоматически. В случае если поля атрибутивнойтаблицы имеют кодированные значения, то пользовательможет перейти к окну с расшифровкой значений по ссыл-ке “Возможные значения...” в соответствующем поле ат-рибутивной таблице.

Таким образом, пользователь, имея доступ только кбазе метаданных, может получить подробное представ-ление о наполнении ГИС, качестве и детализации предо-ставляемых данных. Изучив метаданные, пользовательделает вывод о целесообразности получения доступа ктем или иным информационным слоям.

Средства ArcGIS Server 9.2 Standard Edition позволя-ют строить индивидуальные веб-приложения на базе со-зданных в среде ArcGIS Desktop интерактивных карт дляих дальнейшей публикации в Интернет. При этом име-ется возможность добавлять стандартные инструментыдля манипуляций с данными:

• Манипуляции с самой картой:

– “Zoom In”

– “Zoom Out”

5 of 7

NZ3002 березко и др.: интеллектуальная гис NZ3002

Рис. 4. Пример удаленной интерактивной работы со слоями данных категории “Геодезия и карто-графия – Топографическая карта” на веб-портале.

– “Pan”

– “Full Extent”

– “Previous Extent”

– “Next Extent”

• Включение/отключение отображения выбранныхслоев;

• Построение SQL-запросов к атрибутивным даннымслоев;

• Поиск объектов на карте на базе SQL-запросов.

Доступ к метаданным является свободным и неогра-ниченным.

Средства ГИС позволяют строить индивидуальные веб-приложения на базе созданных в среде ArcGIS Desktopинтерактивных карт для их дальнейшей публикации вИнтернет. При этом имеется возможность добавлять стан-дартные инструменты для манипуляций с данными [3],представляющие собой сокращенную панель управленияArcGIS Desktop и обеспечивающие пользователю возмож-ность выделения только необходимых слоев, увеличе-ния/уменьшения масштаба, перемещения по карте, сор-тировки объектов по запрашиваемым свойствам и др. НаРис. 4 показан пример удаленной интерактивной работысо слоями данных категории “Геодезия и картография -Топографическая карта” на веб-портале.

Таким образом, создаваемая ГИС является уникаль-ной в связи с наличием в ней данных различной тема-тики (геология, геофизика, геоэкология, экономическаягеография, дистанционное зондирование Земли из космо-са и др.)„ что позволяет решать широкий спектр задачв области наук о Земле и делает возможным принятиеуправленческих решений в различных областях научнойи практической деятельности.

Благодарность. Настоящая статья была подготовленапри поддержке РФФИ в рамках проекта # 08-07-00106.

Литература

Соловьев, А. A., А. Е. Березко, А. Д. Гвишиани,Е. А. Жалковский, С. М. Агаян (2007), Разработка исоздание интегральной геоинформационной аналитическойсистемы “Данные наук о Земле по территории России”, Про-блемы рационального использования природного и техно-генного сырья Баренцева региона в технологии строитель-ных и технических материалов: Матер. III Межд. научн.конф., 247, Ин-т геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар.

Beriozko, A., A. Soloviev, R. Krasnoperov, A. Rybkina,E. Kedrov, E. Bolotsky (2009), Intellectual analyticalgeoinformation system “Earth sciences data for the territoryof Russia”, International Conference “Electronic GeophysicalYear: State of the Art and Results”, 27, GC RAS, Moscow.

6 of 7

NZ3002 березко и др.: интеллектуальная гис NZ3002

Березко, А. Е., А. A. Соловьев, А. Д. Гвишиани,Е. А. Жалковский, Р. И. Красноперов, С. А. Смагин,Э. С. Болотский (2008), Интеллектуальная географическаяинформационная система “Данные наук о Земле по терри-тории России”, Инженерная экология (in Russian), 32.

Gvishiani, A., J. Dubois (2002), Artificial Intelligence and

Dynamic Systems for Geophysical Applications, Springer-Verlag,Paris.

А. Березко, Р. Красноперов, А. Рыбкина, А. Соловьев, Гео-физический центр РАН, ул. Молодежная, 3, Москва, 119296,Россия (a.berezko@gcras.ru, a.rybkina@gcras.ru)

7 of 7