Компьютерная технология распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Марков, Кирилл Николаевич

• Марков, Кирилл Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Марков, Кирилл Николаевич

Введение.

Глава 1. Анализ существующих средств и подходов к распределенной обработке пространственно привязанной информации на базе геоинформационных систем.

1.1. Анализ современных тенденций развития вычислительной техники, телекоммуникаций и программного обеспечения.

1.2. Обзор свободно распространяемых интернет-ГИС.

1.2.1. p.mapper.

1.2.2. OpenLayers.

1.2.3. MapFish.

1.2.4. KvwMap.

1.3. Обзор систем пространственного анализа и моделирования.

1.3.1. GRASS.

1.3.2. SAGA.

1.3.3. SavGIS.

1.3.4. ГИС INTEGRO.

1.4. Обзор методов приближения поверхностей.

1.4.1. В-сплайны.

1.4.2. Рациональные сплайны и NURBS-кривые.

1.4.3. Сглаживающий бикубический сплайн.

1.4.4. Функции радиального вида.

Выводы.

Глава 2. Разработка программно-технологической платформы многофункционального геоинформационного сервера в среде интернета.

2.1. Требования к разрабатываемой компьютерной технологии.

2.2. Архитектура программно-технологической платформы многофункционального геоинформационного сервера MGS-Framework.

2.3. Структура подсистем программно-технологической платформы многофункционального геоинформационного сервера MGS-Framework.

2.3.1. Подсистема объектно-ориентированного разграничения и управления доступом.

2.3.2. Подсистема пространственных метаданных.

2.3.3. Подсистема единых справочников, классификаторов и кодификаторов

2.3.4. Подсистема Интернет-ГИС.

2.3.5. Подсистема пространственного моделирования.

2.3.6. Подсистема распределенных вычислений.

2.4. Программная реализация программно-технологической платформы многофункционального геоинформационного сервера.

Глава 3. Разработка компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера.

3.1. Основные понятия и функциональная схема компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации на основе многофункционального геоинформационного сервера.

3.2. Программная реализация компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации.

3.3. Трехмерные двухпараметрические сплайны на неравномерных сетках для нерегулярных данных.

3.3.1. Трехмерный сглаживающий параметрический сплайн.

3.3.2. Контроль погрешности.

3.3.3. Алгоритмы получения составных сеток.

3.3.4. Сшивка трехмерного бикубического сглаживающего параметрического сплайна.

3.4. Программная реализация трехмерных двухпараметрических сплайнов на неравномерных сетках для нерегулярных данных.

Глава 4. Практическое применение разработанной технологии распределенной обработки пространственно привязанной геоинформации в природопользовании.

4.1. Примеры использования программно-технологической платформы ГуГСБ-Ргате\Уогк для построения отраслевых распределенных информационных систем в области геологического изучения недр.

4.1.1. Информационная система обеспечения работ по геологическому изучению недр и воспроизводству минерально-сырьевой базы.

4.1.2. Информационная система по сейсмической и буровой изученности

Российской Федерации и ее континентального шельфа.

4.2. Применение разработанной технологии распределенной обработки пространственно привязанной геоинформации в различных задачах природопользования.

4.2.1. Построение модели риска возникновения засухи для оценки состояния водных ресурсов территории Таиланда.

4.2.2. Оценка вариантов освоения газового месторождения Западной Сибири на основе геоэкологической модели территории.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерная технология распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера»

В современных исследованиях в области геологического изучения недр, геоэкологии и смежных областях природопользования задействованы большие массивы исходных, расчетных и результирующих данных, на основе которых решаются задачи оценки, прогноза и моделирования. Основными средствами обработки являются универсальные или специализированные географические информационные системы, а также функционирующие в их среде (либо в тесном взаимодействии с ними) пакеты прикладных программ. В подавляющем большинстве случаев указанные средства обработки функционируют на локальной персональной ЭВМ пользователя, либо реже - на более мощных вычислительных серверах.

Одновременно, в последние годы в результате бурного развития интернет-технологий, прежде всего, таких как динамическое управление интерфейсом в веб-броузере, асинхронное взаимодействие клиент-сервер, веб-службы, использование универсальных средств языка XML и его специализированных подмножеств, было создано второе поколение веб-приложений, реализующее ранее недоступные в среде интернета возможности, традиционно присущие локальным программным приложениям. Так, в области интернет-ГИС появилось большое количество отечественных и зарубежных, в том числе свободно распространяемых и с открытым кодом, программных решений, реализующих задачи по управлению визуализацией картографической информации, формированию пространственно-атрибутивных запросов и отображению их результатов, простейших пространственных измерений, ввода и редактирования данных. Уровень распространения интернет-технологий позволяет говорить об их доступности для широкого круга пользователей и наличии достаточного числа специалистов для их поддержки.

Однако, к настоящему времени практически отсутствуют программные решения, реализующие распределенную обработку пространственно привязанной геоинформации и решение на ее основе в среде интернета задач в области геологического изучения недр, геоэкологии и других сферах природопользования. Актуальность работы заключается в том, что создание таких средств позволит более эффективно использовать имеющиеся вычислительные мощности, обрабатывать большие объемы исходных, расчетных и результирующих данных, по-новому организовать рабочий процесс исследований в природопользовании.

Целью работы является разработка компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера.

Основными задачами работы являлись:

1) Анализ существующих средств и подходов к распределенной обработке пространственно привязанной информации на базе геоинформационных систем.

2) Разработка программно-технологической платформы многофункционального геоинформационного сервера в среде интернета.

3) Разработка компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера.

4) Разработка алгоритмов и программная реализация построения поверхностей на основе биквадратного и бикубического сглаживающего параметрического сплайнов, позволяющих адекватно воспроизводить геометрический образ исходных пространственных данных и обеспечивающих контроль точности получаемых результатов.

5) Апробация разработанной компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера при создании прикладных систем.

К научной новизне можно отнести следующие результаты:

1) Впервые разработана компьютерная технология распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера, позволяющая на единой программно-технологической платформе осуществлять решение прогнозно-диагностических задач методами пространственного моделирования, требующих оперативной обработки большого объема разнородных пространственных данных.

2) Разработаны новые алгоритмы построения поверхностей на основе биквадратного и бикубического сглаживающего параметрического сплайнов, позволяющих адекватно воспроизводить геометрический образ исходных пространственных данных и обеспечивающих контроль точности получаемых результатов.

В работе защищаются следующие положения:

1) Разработанная программно-технологическая платформа многофункционального геоинформационного сервера обеспечивает создание различных приложений в природопользовании и представляет собой средства распределенной обработки геоинформации с динамически настраиваемым интерфейсом пользователя в среде интернета.

2) Реализованная компьютерная технология распределенной обработки геоинформации в природопользовании обеспечивает основные этапы пространственного моделирования объекте в/процессов/ситуаций: формирование модели, наполнение ее данными на исследуемую территорию, расчет факторов и целевой функции, анализ и интерпретацию результатов.

3) Разработанные алгоритмы построения поверхностей на основе биквадратного и бикубического сглаживающего параметрического сплайнов позволяют воспроизводить геометрический образ исходных пространственных данных, обеспечивая заданную точность получаемых результатов.

Практическая значимость проведенного исследования определяется использованием разработанных программно-технологической платформы многофункционального геоинформационного сервера и на ее основе компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации в природопользовании при создании прикладных систем: информационной системы обеспечения работ по геологическому изучению недр и воспроизводству минерально-сырьевой базы, информационной системы сейсмической и буровой изученности территории Российской Федерации и ее континентального шельфа, картографической информационно-поисковой системы государственного банка цифровой геологической информации, а также при решении задач гидрологического и гидрогеологического районирования территории Таиланда.

Основные результаты работы докладывались на XXIII, XXIV и XXV Международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна-Пущино, 2006, 2007 и 2008), рабочем семинаре «Проблемы организации решения задач в области наук о Земле в распределенной среде: распределение данных, вычислений, использование сервисов» (ГГМ РАН, 2007), научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (ВИМС, 2008), отраслевых семинарах «Информационные технологии при производстве геологоразведочных работ» (ВНИИгеосистем, 2007 и 2009), XXII Международном симпозиуме по электронике в ядерных исследованиях и распределенным вычислениям (Варна, 2009).

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в 2003-2010 годах.

Основные теоретические, методические и технологические результаты получены непосредственно автором. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 105 страниц текста, включая 35 иллюстрации. Список литературы содержит 84 наименования.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Марков, Кирилл Николаевич

Заключение

В результате проведенных исследований разработана компьютерная технология распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера.

В работе получены следующие результаты:

1) В результате проведенного анализа сформулированы требования к разрабатываемой компьютерной технологии распределенной обработки геоинформации в природопользовании на основе многофункционального геоинформационного сервера.

2) Разработана программно-технологическая платформа многофункционального геоинформационного сервера, обеспечивающая конфигурацию модулей подсистем для создания различных приложений в природопользовании и предоставляющая средства распределенной обработки геоинформации с динамически настраиваемым интерфейсом пользователя в среде интернета.

3) Реализована компьютерная технология распределенной обработки геоинформации в природопользовании, обеспечивающая основные этапы пространственного моделирования объектов/процессов/ситуаций: формирование модели, наполнение ее данными на исследуемую территорию, расчет факторов и целевой функции, анализ и интерпретацию результатов.

4) Разработаны алгоритмы и программная реализация построения поверхностей на основе биквадратного и бикубического сглаживающего параметрического сплайнов, позволяющие адекватно воспроизводить геометрический образ исходных пространственных данных и обеспечивающие контроль точности получаемых результатов.

5) Разработанная технология распределенной обработки геоинформации в природопользовании апробирована при создании ряда действующих информационных систем и решении задач в области геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы, а также в других задачах природопользования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Марков, Кирилл Николаевич, 2010 год

1. Балашов В. ГИС-технологии: причины и следствия // ГИС-Обозрение. 2000. №2. с. 8-11.

2. БлинковаО. Универсальные отечественные ГИС. PCWeek/RE №13, М., 2007.

3. Блискавицкий А. А., Боголюбский А. Д., Марков К. Н., Суханов М. Г., Юон Е. М. Веб-доступ к картографической информационно-поисковой системе (КИПС) ГБЦГИ. // Геоинформатика: журнал. М., 2009. № 4. с. 17-28.

4. Блискавицкий А. А., Марков К. Н., Суханов М. Г. Интеграция веб-приложений и реализация поисково-запросных веб-сервисов в Картографической информационно-поисковой системе (КИПС) ГБЦГИ. // Геоинформатика: журнал. М., 2010. № 1. с. 8-21.

5. Вавилов К., Щербина С. Web-интеграция //Открытые системы. №1. 2001.

6. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. СПб.: Питер, 2003. 368 с.

7. ГИС «Карта». URL: http://www.gisinfo.ru/ (дата обращения: 07.04.2010).

8. Гранд М. Шаблоны проектирования в Java (пер. с англ. Беликовой С.). — М.: Новое знание, 2004. 559 с.

9. Деев К. В., Эпштейн JI. Д., Спиридонов В. А., Финкелынтейн М. Я., Блискавицкий А. В. Инструкция по представлению, выводу и преобразованию цифровых моделей карт в среде ГИС INTEGRO. Методическое пособие. 2001. М., 172 с.

10. ДеМерс М. Географические информационные системы: Основы. М.:Дата+, 1999.

11. Джеймс Д. Ajax в действии (пер. с англ., под ред. ВейтманаВ. В., Назарен-ко А. В.). М.: ИД «Вильяме», 2006. 640 с.

12. Завьялов Ю. С., Квасов Б. И., Мирошниченко В. JI. Методы сплайн-функций. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980.

13. Калиткин Н. Н. Численные методы. М.: Наука, 1978.

14. Калиткин Н. Н., Альшин А. Б., Альшина Е. А., Рогов Б. В. Вычисления на квазиравномерных сетках. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005.

15. Кузнецов О. Л., Никитин А. А., Черемисина Е. II. Геоинформационные системы. Учебник для вузов. М.: Государственный научный центр Российской Федерации - ВНИИгеосистем, 2005. - 346 с.

16. Любимова А. В., Марков К. Н., Суханов М. Г., Толмачева Е. Р. Многофункциональный геоинформационный сервер: архитектура, возможности, применение. / Изд. 3-е, испр. и доп. М.: ВНИИгеосистем, 2009. 24 с.

17. Марков К. Н. Структура, функциональные возможности и особенности реализации распределенных геопространственных вычислений в среде разработки MGS-Framework. // Геоинформатика: журнал. М., 2010. № 1. с. 22-29.

18. Марков К. Н., Ширков П. Д. Алгоритмы сглаживания поверхностей, заданных на нерегулярных сетках. // Математическое моделирование: журнал. М., 2009. т. 21, №6. с. 69-78.

19. Марков К. Н., Ширков П. Д. Двумерный сглаживающий параметрический сплайн. // Математика. Компьютер. Образование: сборник научных трудов. / Под ред. Ризниченко Г. Ю. М.; Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. т. 2. с. 249-260.

20. Менаске Д., Алмейда В. Производительность Web-служб. Анализ, оценка и планирование. СПб.: ООО «ДиаСофтЮП», 2003. 480 с.

21. Научно-образовательный сетевой журнал, посвященный компьютерной графике, машинному зрению и обработке изображений. URL: http://cgm.graphicon.ru (дата обращения: 07.04.2010).

22. Носач В. В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. М. МИКАП, 1994.

23. Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия: Введение. Мир, Москва, 1989.

24. Пржиялковский В. В. Сложный анализ данных большого объема: новые перспективы компьютеризации // СУБД. 1996. № 4. с. 71-83.

25. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики: Пер. с англ. -М.: Мир, 2001.

26. Таненбаум Э., Ван Стеен М. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. СПб.: Питер, 2003.

27. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979.

28. Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений. М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. 544 с.

29. Финкельштейн М. Я., Деев К. В. ГИС-INTEGRO инструмент для создания прикладных технологий в природопользовании. // Геоинформатика: журнал. М., 1999. №3.

30. Финкельштейн М. Я., Деев К. В. Развитие инструментальных средств ГИС INTEGRO. // Геоинформатика: журнал. М., 2003 № 2.

31. Хилл Ф. OpenGL. Программирование компьютерной графики. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2002.

32. Цветков В. Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. 288 с.

33. ЧеремисинаЕ. Н., Митракова О. В., Финкельштейн М. Я. ГИС ИНТЕГРО -инструмент постановки и решения природопользовательских задач — ГИС-ассоциация, инф.бюллетень, №3 (15), 1998 г.

34. Черемисина Е. Н., Финкельштейн М. Я., Митракова О. В., Спиридонов В. А., Деев К. В., Попов А. С. Решение задач прогноза полезных ископаемых с применением ГИС INTEGRO. Руководство пользователя. 2001. М., ПО с.

35. Шикин Е. В., Плис JI. И. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователей. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.

36. Щербина С. Web-интеграция: новый взгляд на построение корпоративных информационных систем // Информационные ресурсы России. 2001. №5.

37. ARANZ Applied Research Associates NZ Limited. URL: http://aranz.com (дата обращения: 07.04.2010).

38. AkimaH., A method of bivariate interpolation and smooth surface fitting for irregularly distributed data points. ACM Transactions on Mathematical Software, №4, 1978. pp. 148-159.

39. Akima H., A new method of interpolation and smooth curve fitting based on local procedures. Journal of the ACM, №17, 1970. pp. 589-602.

40. Arc/INFO Data Management. USA, California, Redlands: ESRI, 1994.

41. ArcGIS: The Complete Enterprise System. URL: http://esri.com/software/arcgis/index.html (дата обращения: 07.04.2010).

42. ArcIMS Publish Maps, Data, and Metadata on the Web. URL: http://www.esri.com/software/arcgis/arcims/index.html (дата обращения: 07.04.2010).

43. ArcView GIS. User guide. USA, California, Redlands: ESRI, 1996.

44. AutoCAD Map 3D 2010. URL: http://www.tritec.ru/sapr/katalog/katautodesk/autocadmap3d2010/default.aspx (дата обращения: 07.04.2010).

45. Bentley Map Advanced GIS for the World's Infrastructure. URL: http://www.bentley.com/en-US/Products/Bentley+Map/ (дата обращения: 07.04.2010).

46. Dai К. Y., Liu G. R., Lim К. M, Gu Y. Т., Comparison between the radial point interpolation and the Kriging interpolation used in meshfrce methods. Computational Mechanics, Volume 32, Issue 1-2, 2003. pp. 60-70.

47. ExtJS JavaScript Framework and RIA Platform. URL: http://extjs.com/ (дата обращения: 07.04.2010).

48. Free and open source software. URL: http://freeopensourcesoftware.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

49. GDAL Geospatial Data Abstraction Library. URL: http://www.gdal.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

50. GeoExt JavaScript Toolkit for Rich Web Mapping Applications. URL: http://www.geoext.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

51. GeoJSON JSON Geometry and Feature Description. URL: http://geojson.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

52. GeoServer. URL: http://geoserver.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

53. GoogleMap API. URL: http://code.google.com/intl/ru/apis/maps/ (дата обращения: 07.04.2010).

54. GRASS GIS The World Leading Free Software GIS. URL: http://grass.itc.it/ (дата обращения: 07.04.2010).

55. Halliburton OpenWorks Geosciences Project Database Software. URL: hUp://www.hal.iburton.com/ps/dcfault.aspx?pagcid=852&navid=931&prodid=MS E:: 1055450533605512 (дата обращения: 07.04.2010).

56. Intergraph. URL: http://www.intergraph.com/ (дата обращения: 07.04.2010).

57. ISO 19115:2003/Cor. 1:2006. Geographic information. Metadata.

58. ISO/TS 19139:2007. Geographic information Metadata - XML schema implementation.

59. KvwMap. URL: http://kvwmap.geoinformatik.uni-rostock.de/index.php/Hauptseite (дата обращения: 07.04.2010).

60. Lee S., Wolberg G., Shin S. Scattered Data Interpolationwith Multilevel B-Splines. IEEE Transactions. Visualization and Computer Graphics, vol. 3, no. 3, july-september. 1997.

61. MapFish. URL: http://mapfish.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

62. MapFish Protocol. URL: http://trac.mapfish.org/trac/mapfish/wiki/MapFishProtocol (дата обращения: 07.04.2010).

63. MapGuide. URL: http://www.mapguide.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

64. Maplnfo Professional. URL: http://www.mapinfo.com/products/applications/mapping-and-analytical-applications/mapinfo-professional (дата обращения: 07.04.2010).

65. MSN Virtual Earth API. URL: http://www.microsoft.com/maps/developers/ (дата обращения: 07.04.2010).

66. OGR Simple Feature Library. URL: http://www.gdal.org/ogr/index.html (дата обращения: 07.04.2010).

67. OpenGIS Specifications. // OpenGIS Documents. OGC, 2005. Product Compliant to or Implementing OGC Specs or Interfaces. // OpenGIS Resources. OGC. 2005.

68. OpenLayers Free Maps for the Web. URL: http://openlayers.org/ (дата обращения: 07.04.2010).72. p.mapper A MapServer PHP/MapScript Framework. URL: http://pmapper.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

69. PostGIS. URL: http://postgis.refractions.net/ (дата обращения: 07.04.2010).

70. Pylons Lightweight web framework emphasizing flexibility and rapid development. URL: http://www.pylonshq.com/ (дата обращения: 07.04.2010).

71. SAGA System for Automated Geoscientific Analyses. URL: http://www.saga-gis.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

72. SavGIS Geographic Information System. URL: http://www.savgis.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

73. Schlumberger GeoFrame. URL: http://www.slb.com/ (дата обращения: 07.04.2010).

74. Shapely Geospatial geometries, predicates, and operations. URL: http://pypi.python.org/pypi/Shapely (дата обращения: 07.04.2010).

75. SqlAlchemy The Database Toolkit for Python. URL: http://www.sqlalchemy.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

76. TileCache Web Map Tile Caching. URL: http://tilecache.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

77. UMN Mapserver. URL: http://mapserver.org/ (дата обращения: 07.04.2010).

78. WFS OGC Web Feature Service. URL: http://www.opengeospatial.org/standards/wfs (дата обращения: 07.04.2010).

79. WMS OGC Web Map Service. URL: http://www.opengeospatial.org/standards/wms (дата обращения: 07.04.2010).

80. WxWidgets Cross-Platform GUI Library. URL: http://www.wxwidgets.org/ (дата обращения: 07.04.2010).