Разработка геоинформационного программного обеспечения на базе открытых продуктов для целей кадастра

Разработка геоинформационного программного обеспечения на базе открытых продуктов для целей кадастра

Содержание

Введение

. Обзор современных геоинформационных технологий

.1 Анализ ситуации на современном рынке ГИС

.2 Технологии разработки ГИС

.3 Открытые пакеты, предназначенные для разработки ГИС

.3.1 Настольные ГИС-приложения

.3.2 Сервера пространственных данных

.3.3 Интернет-картографические системы

.3.4 ГИС-компоненты

. Разработка структуры ГИС-проекта

.1 Разработка структуры базы данных

.1.1 Система управления базами данных

.1.2 Логическая структура базы данных топографической основы

.1.3 Логическая структура базы данных поэтажных планов корпуса

.2 Разработка структуры приложения

.3 Разработка структуры интерфейса

. Реализация геоинформационной системы

.1 Выбор технологий и программных пакетов для реализации проекта

.1.1 СУБД

.1.2 Настольная ГИС

.1.3 Картографический веб-сервер

.1.4 Интерактивная карта

.2 Формирование основного программного приложения ГИС

.2.1 Установка программного обеспечения

.2.2 Установка пространственной базы данных

.2.3 Настройка связи QGIS - PostGIS

.2.4 Наполнение проекта данными

.2.5 Добавление хранилища данных в GeoServer

.2.6 Программирование интерактивной карты

.3 Расчет экономической эффективности разрабатываемого проекта

. Разработка экологических мероприятий

.1 Экология внутренней среды здания

.2 Расчет коэффициента естественного освещения

Заключение

Библиографический список

Приложения

Введение

Развитие информационных технологий позволило применять новые способы решения задач кадастра и землеустройства. Для этого используются современные программные инструменты, которые помогают значительно увеличить эффективность выполняемых работ, а также организовать хранение данных, оптимизировались процессы по их вводу, редактированию, анализу и наглядному представлению. Комплекс аппаратно-программных средств, предназначенных для хранения, использования и отображения пространственно соотнесенных данных, получил название геоинформационной системой.

Геоинформационные системы получают все большее распространение, так как, по сравнению с другими способами предоставления информации, обладают массой преимуществ. Из них можно перечислить следующие: наглядная визуализация данных, привязка данных к картографической информации, формирование запросов (в том числе пространственных), возможность синтеза карт из нескольких слоев, удобное хранение информации и т.д.

Рынок геоинформационных систем довольно обширен и предоставляет разнообразные программы с богатым набором функций. Однако, стоимость этих программ довольно высока, что снижает экономическую эффективность их использования. Также эти программы не обладают гибкостью в использовании, пользователь не может выбрать конкретный набор функций, необходимый ему для решения поставленной задачи. Поэтому зачастую пользователю совсем не выгодно покупать или использовать определенный геоинформационный продукт, так как приходится переплачивать за функционал, в чем, по сути, нет необходимости.

Кроме платных систем, существуют наборы открытых библиотек, которые позволяют создавать собственное высококачественное программное обеспечение. Используя их, можно обеспечить решение практически любой геоинформационной задачи. Таким образом, можно создать геоинформационную систему, которая будет обладать своими специфическими свойствами, будет удобна в использовании и экономически эффективна.

Цель работы - разработка геоинформационного программного обеспечения на базе открытых продуктов для целей кадастра.

В процессе работы будут решены следующие задачи:

1.   Выполнить обзор и анализ современных геоинформационных систем, выявить их преимущества и недостатки, учесть их в дальнейшей работе. Выбрать необходимые ГИС-компоненты.

2.      Разработать структуру ГИС-проекта.

.        Разработать структуру приложения.

.        Реализовать проект геоинформационной системы.

.        Разработать проект экологических мероприятий.

.        Выполнить экономическую оценку полученных результатов.

Объектом исследования являются здания и прилежащая территория студенческого городка Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета. Предмет исследования - геоинформационные технологии на базе открытых продуктов.

В первом разделе будет произведен комплексный обзор геоинформационных технологий, как платных, так и открытых. Будет положена основа для дальнейших исследований и разработок.

Во втором разделе будет разработана структура ГИС-проекта и его составных частей, в том числе база данных, интерфейс приложения, инструменты для ввода и оперирования географической информацией.

В третьем разделе будет реализована запроектированная геоинформационная система на основе выбранных технологий и методов. После этого система будет наполнена данными.

В четвертом разделе полученное приложение будет применено для экологического исследования и проектирования экологических мероприятий.

Пятый раздел будет содержать экономическую оценку ГИС-проекта, сравнение разработанной геоинформационной системы с уже существующими и оценку эффективности приложения в решении поставленных задач.

1. Обзор современных геоинформационных технологий

.1 Анализ ситуации на современном рынке ГИС

Первые общедоступные, полнофункциональные ГИС, способные работать на привычных персональных компьютерах, появились сравнительно недавно - в 1994-м году, бурное развитие области ГИС следует связывать именно с ними. В 1995-м году, когда мировые лидеры геоинформатики (ESRI, Intergraph, Siemens и др.) обратили внимание на рынок геоинформационных систем, произошло резкое обострение конкуренции и качественный скачок в развитии программного обеспечения ГИС для персональных компьютеров. В результате картографическое представление информации сегодня возможно даже в широко распространенных офисных пакетах и электронных таблицах Excel, Lotus. Ожидается, что в ближайшие годы тематическая карта станет такой же привычной формой представления итогов деятельности любого предприятия, как сегодня уже стали всевозможные столбчатые и круговые диаграммы. Высокая конкуренция на рынке настольных приложений и борьба за массового потребителя вызвали значительное снижение цен и создание новых подклассов программного обеспечения, сводящих стартовые затраты к минимуму и делающих возможным плавное наращивание объемов проектов по мере готовности к этому заказчика [3].

Программное обеспечение является неотъемлемой составляющей геоинформационной системы. Оно включает в себя функции и инструменты, необходимые для управления, анализа и визуализации пространственной информации, а также управления ГИС в целом. Ключевыми компонентами программных продуктов являются [17]:

-    система ввода и обработки географической информации;

-       система управления данными;

-       системы анализа, визуализации, а также системы пространственных и атрибутивных запросов;

-       графический пользовательский интерфейс для легкого и удобного доступа к инструментам;

-       встроенная среда разработки для создания программных приложений.

Можно выделить несколько классов программного обеспечения, различающегося по своим функциональным возможностям и технологическим этапам обработки информации [11]:

-    инструментальные ГИС;

-       ГИС-вьюверы;

-       средства обработки данных дистанционного зондирования;

-       векторизаторы растровых картографических изображений;

-       средства пространственного моделирования;

-       справочно-картографические системы.

Инструментальные ГИС - наиболее функционально полный класс программного обеспечения. Они могут быть предназначены для самых разнообразных задач: для организации ввода информации, ее хранения, отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач, построения производных карт и схем, и для подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции. Все это реализуется при помощи встроенного универсального инструментария или с помощью специальных языков для разработки приложений. Как правило, инструментальные ГИС поддерживают работу как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных для цифровой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных баз данных: Paradox, Access, Oracle и др.

ГИС-вьюверы - это программные продукты, обеспечивающие пользование созданными с помощью инструментальных ГИС базами данных. Как правило, ГИС-вьюверы предоставляют пользователю крайне ограниченные возможности пополнения баз данных. Во все ГИС-вьюверы включается инструментарий запросов к базам данных, которые выполняют операции позицирования и зуммирования картографических изображений. Естественно, вьюверы всегда входят составной частью в средние и крупные проекты, позволяя сэкономить затраты на создание части рабочих мест, не наделенных правами пополнения базы данных.

Справочные картографические системы сочетают в себе хранение и большинство возможных видов визуализации пространственно распределенной информации, содержат механизмы запросов по картографической и атрибутивной информации, но при этом существенно ограничивают возможности пользователя по дополнению встроенных баз данных.

Векторизаторы растровых картографических изображений предназначены для ввода картографической основы. Они применяются при обработке отсканированных растровых картографических изображений. Эти пакеты, как правило, снабжаются инструментарием автоматического или полуавтоматического распознавания картографических условных обозначений и способствуют увеличению точности и производительности труда при вводе цифровой основы.

Средства пространственного моделирования предназначены для создания моделей пространственно распределенных параметров (рельефа, зон экологического загрязнения, участков затопления при строительстве плотин и другие). Они опираются на средства работы с матричными данными и снабжаются развитыми средствами визуализации. Типичным является наличие инструментария, позволяющего проводить самые разнообразные вычисления над пространственными данными (сложение, умножение, вычисление производных и другие операции).

Специальные средства обработки и дешифрирования данных зондирований земли включают в себя пакеты обработки изображений, снабженные в зависимости от цены различным математическим аппаратом, позволяющим проводить операции со сканированными или записанными в цифровой форме снимками поверхности земли. Это довольно широкий набор операций, начиная со всех видов коррекций (оптической, геометрической) через географическую привязку снимков вплоть до обработки стереопар с выдачей результата в виде актуализированного топоплана.

Кроме упомянутых классов также существуют разнообразные программные средства, манипулирующие с пространственной информацией. Это такие продукты, как средства обработки полевых геодезических наблюдений, средства навигации и программное обеспечение для решения еще более узких предметных задач (изыскания, экология, гидрогеология и др.).

Среди большого множества компаний занимающихся разработкой программного обеспечения ГИС выделяются такие компании, как ESRI и Intergraph. Доля продаж ESRI на 2009 год составила 30%, а Intergraph - 14% [32]. Общий график продаж основных компаний представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Доходы ГИС-поставщиков в 2009 году

была основана в 1969 г. Джеком и Лорой Данжермонд. Уже в течение более 30 лет компания является ведущим разработчиком программного обеспечения ГИС и имеет более 300,000 клиентов во всем мире [28].rcInfo - это ведущий программный продукт ESRI. Он является высокоуровневой ГИС-системой с полным набором средств геообработки, включая сбор данных (растровый и векторный формат), их интеграцию, хранение, автоматическую обработку, редактирование, создание и поддержку топологии, пространственный анализ, работу с регулярной и нерегулярной моделями, связь с SQL DBMS, прямое взаимодействие с SDE, визуализацию и создание твердых копий любой картографической информации. К базовому пакету системы ArcInfo можно дополнительно приобрести ряд модулей расширения, предоставляющих пользователям много новых возможностей работы с геоданными [3].- наиболее быстро развивающийся, простой в обучении и работе продукт, предоставляющий конечному пользователю средства выбора и просмотра наборов разнообразных геоданных, их редактирования, создания макетов карт с легендами, графиками и диаграммами, связывания объектов карты с атрибутивной информацией в режиме hot links, адресного геокодирования, использования растровых изображений, распечатки картографических материалов [3].компании Intergraph - это и ГИС-технология, и семейство ГИС-продуктов. Технология GeoMedia является архитектурой ГИС нового поколения, позволяющая работать напрямую без импорта/экспорта одновременно с множеством пространственных данных в различных форматах. Это достигается применением специальных компонентов доступа к данным - Intergraph GeoMedia Data Server. На сегодняшний день пользователям GeoMedia доступны компоненты для всех основных индустриальных форматов хранилищ цифровых картографических данных, включая растровые, табличные и мультимедийные данные. При этом пользователи могут разработать собственный GeoMedia Data Server на основе шаблона для произвольного формата. Компоненты Intergraph GeoMedia Data Server позволяют на одной карте увидеть и одновременно проанализировать данные из произвольного количества источников, хранящихся в разных форматах, системах координат, имеющие различную точность. Такой подход позволяет сохранить инвестиции в уже существующие ГИС-решения, одновременно с этим перейдя на новый уровень интеграции информационных ресурсов предприятия. Семейство продуктов GeoMedia включает две базовые линейки продуктов - настольные и серверные, плюс дополнительные прикладные модули [15].

Autodesk Map - высокоточное программное обеспечение для создания цифровых карт и осуществления геоинформационного анализа. Работает на базе векторно-растровой графики AutoCAD, но в дополнение ко всем функциональным возможностям и преимуществам, присущим AutoCAD, предоставляет мощные и эффективные средства, направленные на их специфические потребности. Содержит все необходимые средства и эффективные функции для изготовления картографической основы и обработки географической информации. Поддерживает любые графические форматы, осуществляет экспорт данных во все популярные программы обработки географической информации. Обеспечивает мгновенное получение дополнительных данных для геоинформационного проекта через сеть [3].Professional - географическая информационная система, предназначенная для сбора, хранения, отображения, редактирования и анализа пространственных данных. Первая версия ГИС MapInfo Professional была разработана в 1987 году компанией MapInfo Corp., и быстро стала одной из самых популярных ГИС в мире. Сейчас MapInfo Professional используется в 130 странах мира, переведена на 20 языков, включая русский, и установлена в десятках тысяч организаций. В России благодаря простоте освоения, богатым функциональным возможностям и умеренной стоимости MapInfo Professional стала самой массовой геоинформационной системой. В MapInfo имеется множество способов создания тематических карт: картограммы, круговые и столбчатые гистограммы, градуированные символы, плотность точек, отдельные значения, непрерывная поверхность, карта-призма, карта изолиний и т.д. В поставку MapInfo включено большое количество наборов условных обозначений и редактор стилей линий. С русской версией поставляется дополнительный набор условных знаков для различных масштабов, принятых в России и утвержденных ГОСТом [35].

Компания GTX является ведущим мировым разработчиком систем векторизации. Программное обеспечение GTX для векторизации включает две серии - одна для работы в качестве приложений к популярнейшей системе AutoCAD компании Autodesk (серия GTX Raster CAD), вторая в качестве самостоятельных программ (серия GTX Image CAD). Системы GTX обеспечивают прямую связь со сканером, автоматическое понижение цветности, очистку, восстановление и редактирование растра, растровые автопривязки, интеллектуальный выбор растровых объектов, преобразования растр-вектор (r2v) и вектор-растр (v2r), распознавание текста практически с любых исходных материалов (отсканированные чертежи и синьки, результаты аэрофотосъемки, карандашные наброски) [3].

Профессиональная ГИС Карта 2011 - универсальная геоинформационная система, имеющая средства создания и редактирования электронных карт, выполнения различных измерений и расчетов, оверлейных операций, построения 3D моделей, обработки растровых данных, средства подготовки графических документов в электронном и печатном виде, а также инструментальные средства для работы с базами данных. Имеет развитые средства редактирования векторных и растровых карт местности и нанесения прикладной графической информации на карту. Поддерживает несколько десятков различных проекций карт и систем координат, включая системы 42 года, ПЗ-90, WGS-84 и другие. Поддерживает весь масштабный ряд - от поэтажного плана до космонавигационной карты Земли. Объем одной векторной карты может занимать несколько терабайт [24].

ГИС ИнГЕО представляет собой комплекс программных продуктов, позволяющий формировать векторные топографические планы, с корректной топологической структурой, по результатам инвентаризации земель, топографическим планам населенных пунктов, генеральным планам предприятий, схемам инженерных сетей и коммуникаций, и т.п. Открытая архитектура ГИС ИнГЕО позволяет расширять ее функциональные возможности для конкретного заказчика, разрабатывать информационные системы, с использованием геоинформационных технологий, подключать компоненты ИнГЕО к уже существующим системам, организовывать доступ к картографическим данным через сеть Интернет [18].

ТопоКад - программа для работы с цифровыми моделями местности и топографическими планами, разработанная компанией ГеоКад. Программа ТопоКад является начальным звеном сквозной технологической линии ГИС. После посадки растра на координаты (например, с помощью Raster Transformer) ТопоКад может использоваться в AutoCAD, позволяющем работать с растровой подложкой, или совместно с программами векторизации, работающими в среде AutoCAD [3].

.2 Технологии разработки ГИС

Один из основных вопросов при выборе платформы проектируемого ГИС приложения, особенно при проектировании корпоративных систем, - как долго выбранная платформа будет удовлетворять растущим потребностям организации. Как правило, выбирая геоинформационную систему, планируется с ее помощью решать определенные задачи. Но позже может оказаться, что выбранная технология не во всем обеспечивает решение расширяющегося круга задач. Следствием этого является необходимость выбора: либо нужно отказаться от решения ряда задач, либо переходить на некую новую технологическую платформу. Таким образом затраты организации на приобретение программного продукта, его адаптацию, обучение персонала оказываются в определенном смысле потерянными. Кроме того, при переходе на новую платформу требуются определенные дополнительные ресурсы на преобразование данных, которые уже введены в используемую систему.

Описанный выше сценарий сегодня не безальтернативен. Использование для создания корпоративных ГИС приложений компонентного подхода, базирующегося на Component Object Model (COM), позволяет избежать многих трудностей на пути внедрения ГИС технологий.

Прежде чем определяться с необходимыми компонентами, следует определить тип приложения, покрывающего потребности организации. Все возможные геоинформационные системы можно разделить на три типа: персональные ГИС, приложения в архитектуре клиент-сервер, Internet приложения.

Персональная ГИС используется при небольших объемах данных и небольшом количестве пользователей. Выбор определяется сложностью запросов и размерами баз данных. Как правило, данные необходимо использовать не на одном компьютере. Обычно с ними работает группа пользователей. В этом случае система должна обеспечивать работу с данными с помощью монопольного или разделенного доступа к данным, опций блокировки, буферизации таблиц и записей, а также поддержки транзакций. База данных может располагаться на файл-сервере. Функции файл-сервера заключаются в основном в хранении базы данных и обеспечения доступа к ним пользователей, работающих на различных компьютерах.

Если при небольших объемах данных и небольшом количестве пользователей персональная ГИС еще как-то может обеспечить работу с корпоративной БД, то с увеличением числа компьютеров в сети, ростом объемов информации или при наличии территориально удаленных пользователей, начинают возникать проблемы, связанные с резким падением производительности. Это связано с увеличением объемов данных, передаваемых по сети, так как вся обработка производится на компьютере пользователя. Технология клиент-сервер разделяет приложение на две части, используя лучшие качества обеих сторон. Клиентская часть обеспечивает интерактивный, легкий в использовании, графический интерфейс - находится на компьютере пользователя. Сервер обеспечивает управление данными, разделение информации, администрирование и безопасность - находится на специально выделенных компьютерах. По технологии клиент-сервер клиентское приложение формирует запрос к серверу базы данных, на котором выполняются все команды. Результаты команд посылаются затем клиенту для использования и просмотра. Технологию клиент-сервер следует закладывать в основу корпоративной геоинформационной системы если в ней планируется использовать базы данных с большим объемом информации, с которыми одновременно может работать большое число пользователей.

Реализация клиент/сервер размещает презентационную и коммерческую логику на клиенте, а логику и массивы данных на сервере. Однако такая расстановка приводит к некоторым ограничениям:

-    сложность клиента, автоматическое обслуживание которого сложно и дорого;

-       коммерческая логика не может быть распределена между многими клиентами;

-       нет общей абстрактной логики, которая могла бы приспосабливаться к неоднородным средам хранения данных;

-       технология клиент-сервер в стандартном своем варианте не поддерживает сеть интернет.

Применение Web технологии снимает эти ограничение. При этом суть архитектуры клиент-сервер сохраняется, так как остаются клиентские и серверные процессы, но коммерческая и общая абстрактная логика находится на среднем уровне. Средний уровень работает как сервер, обычно называемый сервером приложения. Под Intranet понимается корпоративная сеть, в которой доступ к информации реализован средствами Internet. Эта частная сеть, доступная только сотрудникам данной организации. Интрасети быстро завоевывают признание как недорогой и высокоэффективный способ совместного использования информации в рамках автономной сети. Рекомендуется переходить к данному варианту при пространственно распределенной структуре предприятия для обеспечения распределенного ввода, хранения и доступа к информации.

Теперь представим набор отдельных функциональных модулей, покрывающий все три вида возможных ГИС приложений. У каждого поставщика ГИС решений могут быть свои модификации этого набора, но концептуально приведенная схема имеет достаточно общий характер.компонент - модуль, в котором должна быть сосредоточена вся алгебра графических объектов. GIS компонент не отвечает за хранение информации, но имеет ряд методов сохранения и восстановления объектов в бинарных массивах. Этот модуль включается во все модули, где необходимы операции с графическими объектами.приложение представляет собой HTML страницы, которые работают как механизм распределения остальной презентационной логики. Можно обобщить наиболее общие элементы презентационной логики ГИС компонента в отдельный модуль для многократного использования в различных приложениях. Это, например, интерфейс навигации по карте, интерфейс задания легенд и формирования картографических запросов.

Вся работа с картографической информацией должна быть реализована в виде картографического контроллера который инкапсулируется приложением. Картографический контроллер включает интерфейсы управления окном карты, манипуляции списком картографических слоев и агрегирует интерфейсы GIS компонента. Разумно иметь возможность расширения картографического контроллера до ГИС сервера. В этом случае клиент может обладать только интерфейсом управления графическим окном и задания запросов, а карта формируется на сервере и передается в виде изображения (GIF, JPG или внутренний формат). Размеры кода клиента в данном случае минимальны, что очень важно для Internet приложений.

Для полномасштабного использования ГИС-технологий в рамках отрасли необходима линейка решений, обеспечивающая возможность построения корпоративных геоинформационных систем. При этом предполагается, что в рамках системы требуется хранить и обрабатывать большие объемы информации и обеспечить одновременную работу многих территориально удаленных пользователей. Следовательно, требуемая технология должна обеспечивать возможность разработки Internet приложений, работающих с базами данных в архитектуре клиент-сервер. Это в свою очередь означает, что требуемая технологическая платформа должна поддерживать возможность использования всех перечисленных выше компонентов [8].

Среди средств полной или частичной разработки ГИС можно выделить несколько.- включенный в состав пакета ArcView объектно-ориентированный язык программирования и среда разработчика. С его помощью можно приспособить пользовательский интерфейс под свои задачи, создать, убрать или скрыть кнопки меню. Под каждой кнопкой можно задать выполнение имеющихся или новых, в том числе и написанных вами на Avenue, макрокоманд (скриптов). Используя Avenue, можно создать и собственные приложения. По сути, ArcView также является приложением, разработанным средствами Avenue [3].

MapBasic - язык программирования для ГИС MapInfo Professional. MapBasic позволяет адаптировать MapInfo для решения самого широкого спектра задач и разрабатывать приложения для специалистов различного профиля. MapBasic содержит около 400 операторов и функций. Поддерживает стандарт ODBC для связи с внешними базами данных. Используя OLE Automation и DDE, можно легко обмениваться информацией с другими Windows-приложениями. Например, несколько строчек кода на Visual Basic позволяют вставить окно карты MapInfo в другое приложение [34].- продукт для разработок на платформе Windows представляет собой набор инструментальных средств картографирования и ГИС. Он включает управляющие элементы ActiveX (технология программирования компонентных объектных приложений на основе модели COM) и набор программируемых ActiveX-объектов, предоставляющие разработчикам возможность добавлять в свои приложения многие возможности картографирования и средства ГИС. MapObjects состоит из управляющих элементов ActiveX (ActiveX control), включает более 50 программируемых автоматизированных объектов ActiveX (ActiveX automation objects). MapObjects можно применять в разнообразных средах разработчика, которые поддерживаются ActiveX. MapObjects предлагает широкий спектр описываемых далее возможностей для размещения динамических карт в ваших приложениях [36].

ГеоКонструктор представляет собой набор ActiveX-объектов, которые можно многократно использовать в своих программах. ГеоКонструктор предоставляет разработчикам мощный и надежный инструмент для создания прикладных геоинформационных систем самого различного профиля. Можно использовать при работе с Microsoft Visual Basic, Visual C++ или Delphi [3].

Большинство современных ГИС обладают собственным API, что позволяет использовать их компоненты в своих программах. API - это интерфейс программирования приложений, набор готовых классов, процедур, функций, структур и констант, предоставляемых приложением для использования во внешних программных продуктах.

.3 Открытые пакеты, предназначенные для разработки ГИС

Определение открытого программного обеспечения разработано организацией Open Source Initiative и используется для определения соответствия лицензий. Основные особенности открытого программного обеспечения включают свободное распространение, доступный исходный код, разрешение на модификацию этого исходного кода. Открытое программное обеспечение обязано своим бурным ростом развитию сети Интернет, инструментов разработки и компьютерной грамотности в целом. Ключевую роль в развитии открытого программного обеспечения играют, как правило, сообщества разработчиков, формирующиеся вокруг отдельных программных продуктов. Открытые ГИС создаются и поддерживаются различными сообществами и организациями: коммерческими компаниями, группами энтузиастов или исследовательскими организациями.

В 2006 году с целью поддержки и содействию разработке проектов открытых геопространственных технологий и баз данных появилась некоммерческая организация Open Source Geospatial Foundation (сокращенно OSGeo). Кроме поддержки открытых проектов, под эгидой OSGeo выпускается журнал, ведется разработка и распространение учебных материалов, проводятся ежегодные международные конференции, посвященные открытому программному обеспечению ГИС.

Еще одна организация, играющая важную роль в развитии открытых ГИС - Open Geospatial Consortium (OGC). Она ответственна за разработку стандартов взаимодействия и обмена данными между различными ГИС-платформами. Помимо университетов и административных органов, членами OGC являются в том числе и разработчики коммерческих ГИС-платформ и баз данных. Например стандарт, описывающий интерфейс доступа к географическим данным, хранящимся в базе данных был реализован как в открытых базах данных, так и в коммерческих.

.3.1 Настольные ГИС-приложения

Фондом OsGeo поддерживаются некоторые открытые приложения ГИС.

Geographic Resources Analysis Support System (GRASS) - программное обеспечение для проведения пространственного анализа. Последняя версия GRASS 6.4 является модульной системой, предоставляющей доступ к более чем 300 модулей для работы с двухмерными и трехмерными растровыми и векторными данными и по функциональным возможностям сравнима с продуктом ESRI ArcGIS уровня ArcInfo. По причине отсутствия удобного пользовательского графического интерфейса распространенность GRASS ограничена и она используется преимущественно исследовательскими институтами и университетами [7].GIS (QGIS) - удобная ГИС с открытым исходным кодом. Разработка QGIS началась в 2002 году группой энтузиастов. Целью разработки было создание простого в использовании и быстрого вьювера географических данных для операционных систем семейства Linux. Однако, с ростом проекта появилась идея использовать QGIS как простой графический интерфейс для GRASS, получая таким образом в свое распоряжение его аналитические и другие функции. На сегодняшний момент группа разработчиков QGIS решила первоначальные задачи и работает над расширением функциональных возможностей, давно вышедших за рамки простого вьювера. QGIS доступна для большинства современных платформ (Windows, Mac OS X, Linux) и совмещает в себе поддержку векторных и растровых данных, а также способна работать с данными, предоставляемые различными картографическими веб-серверами и многими распространенными пространственными базами данных. Функциональность QGIS может быть развита посредством создания модулей расширения на C++, или Python. QGIS имеет одно из наиболее развитых сообществ в среде открытых ГИС, при этом количество разработчиков постоянно увеличивается, чему способствует наличие хорошей документации по процессу разработки и удобная архитектура [7].Valenciana, Sistema d'Informaciу Geogrаfica (gvSIG) - свободная геоинформационная система с открытым исходным кодом, появившаяся в конце 2006 года. Вероятно, самый крупный проект, если измерять размерами финансовых вложений. Цель разработки - создание системы, способной заменить ESRI ArcView GIS 3.x в органах муниципальной власти. Инициатор создания - министерство транспорта Валенсии (Испания), начавшее разработку в связи с принятием решения о переводе всех органов региональной власти на компьютеры под управлением ОС Linux. Разработка gvSIG началась в конце 2003 года, основной разработчик - компания IVERA S.A. (Испания). В работу над проектом также включены несколько университетов и другие компании. gvSIG поддерживает работу с растровыми и векторными данными, а также способен работать с геоданными, хранящимися в различных базах данных. Функции по работе с растровыми данными построены на основе алгоритмов проекта SAGA. Язык программирования - Java. Цель создания ПО с функциональными возможностями, сравнимыми с ESRI ArcView (3.X), была полностью выполнена, причем местами gvSIG превзошел ArcView. Для данной ГИС существует русскоязычная пользовательская документация. Однако, существует ряд минусов: нет документации для разработчиков и массивная зависимость от более чем ста C++ и Java библиотек [7].

Кроме систем, поддерживаемых OsGeo, существуют и другие.

User-friendly Desktop Internet GIS (uDig) - полнофункциональная геоинформационная система с открытым исходным кодом, настольным приложением, построенном на Eclipse Rich Client (RCP) технологии. Основной целью создания uDig была разработка программного обеспечения, позволяющего просматривать и редактировать данные, хранящиеся в базе данных напрямую или через интернет. Разработка uDig началась между 2004 и 2005 по инициативе канадской компании Refractions Research Inc. uDig написана на Java (с использованием платформы Eclipse) и изначально была сфокусирована на работе с векторными данными. Однако, в 2007 году команда разработчиков uDig присоединилась к команде разработчиков Jgrass, которая занялась работой по реализации в uDig возможности работы с растровыми данными. Очень часто uDig используется в качестве интерфейса доступа к базе данных PostGIS. Существует 2 основных недостатка, связанных с использованием Eclipse. Первый - это размер приложения и второй - это то, что графический интерфейс очень схож со средой разработки для программирования, поэтому может быть очень сложным для конечных пользователей [7].

System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) - гибридная геоинформационная система. Данная ГИС имеет научные корни. Первый модуль для SAGA был разработан в 2001 году в Департаменте Географии Геттингемского Университет (Германия) и был предназначен для работы с растровыми данными. Основным предназначением SAGA является анализ рельефа, почвенное картирование и решение задач по визуализации данных. SAGA написана на C++ и предоставляет сторонним разработчикам удобный API. Основной разработчик, а чуть позже и сам проект недавно переместились в Гамбургский Университет. Пользовательская документация очень хорошая, что способствует постоянному росту международного пользовательского сообщества [7].

Integrated Land and Water Information System (ILWIS) - пакет, предназначенный для Гис-анализа и задач дистанционного зондирования. Разработка ILWIS начиналась в компании ITC, г. Энсхеде (Голландия) в 80-х годах. Сочетает в себе функциональность векторной и растровой ГИС предназначенной для решения широкого диапазона задач, от анализа изображений до моделирования эрозионных процессов. Версия 3.0 продукта очень хорошо документирована (релиз 2001 года. В 2007 году исходный код, написанный на языке (MS Visual) C был выпущен под открытой лицензией GPL. В настоящее время основным координатором проекта является немецкая компания 52° North GmbH и в противоположность gvSIG - репозиторий с исходными кодами свободно доступен. ILWIS работает только в ОС семейства MS-Windows [7].GIS - настольная ГИС, просмотрщик и редактор геоданных с модульной архитектурой и набором средств для разработки собственных ГИС. Данная ГИС была создана в 1998 году членами Водной Исследовательской Лаборатории в Университете штата Юта (США). Основной целью была разработка «ядра ГИС», которое бы предоставляло необходимую функциональность ГИС-разработчикам. MapWindow GIS ActiveX control написан на MS Visual C и реализовывал функции отображения, поиска и управления пространственными данными. Позже был разработан графический интерфейс, названный MapWindow GIS Desktop и реализована возможность расширения функциональности путем использования системы расширений. Проект возглавляет команда разработчиков Университета штата Айдахо. С недавнего времени разработка базируется на основе Microsoft. Net Framework, в связи с чем MapWindow доступна только для ОС семейства MS-Windows [7].

Сравнительный обзор всех вышеперечисленных открытых ГИС приведен в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 - Сравнение основных открытых пользовательских ГИС

		GRASS 6.4.0	QGIS 1.4	uDig 1.1	gvSIG 1.9	SAGA 2.0.4	MapWindow 4.7	ILWIS 3.4
Лицензия		GPL	GPL	LGPL	GPL	MPL	GPL	GPL
Чтение векторных данных	SHP	+	+	+	+	+	+	+
	GML	+	+	+	+	-	-	-
	DXF	+	+*	-	+	+	+**	+
Запись векторных данных	SHP	+	+	+	+	+	+	+
	GML	+	+*	+	+	-	-	-
	DXF	+	-	-	+	-	-	+
Чтение растровых данных	JPEG	+	+	+	+	+	+	+
	GeoTIFF	+	+	+	+	+	+	+
	ECW	+	-	-	+	+	+	+
	Arc/info GRID	+	+	-	-	+	+	+
Запись растровых данных	JPEG	+	+	+	+	+	+	+
	GeoTIFF	+	+	+	+	+	+	+
	ECW	+	+	-	-	+	-	-
	Arc/info GRID	-	-	-	-	-	-	-
Базы данных Ч = чтение З = запись	PostGIS	З+Ч	З+Ч	З+Ч	З+Ч	-	З+Ч	-
	ArcSDE	-	-	З+Ч	З+Ч	-	-	-
	Oracle	Ч	-	З+Ч	З+Ч	-	-	-
Поддержка стандартов OGC		WMS WFS SFS GML	WMS WFS WFS-T SFS GML	WMS WFS WCS CSW WFS-G	WMS WFS WCS	WMS WFS	WFS WCS	WMS WFS SFS GML
Русскоязычный интерфейс		+	+	-	+	-	-	-
Русскоязычная документация***		+	-	-	+	-	-	-
Примечания: * - реализуется за счет использования GRASS; ** - через дополнительное расширение; *** - руководство пользователя.

Таблица 1.2 - Сравнение основных открытых пользовательских ГИС и некоторых проприетарных аналогов в части функциональности по созданию простых проектов

	GRASS	QGIS	uDig	gvSIG	SAGA	MapWindow	Mapinfo	ArcView
Версия	6.4	1.5	1.2	1.9	2.0.4	4.7	10.0	9.3
Работа в Windows	+	+	+	+	+	+	+	+
Работа в Linux	+	+	+	+	+	-	-	-
Единый файл проекта	+	+	-	+	+	+	+	+
Относительные ссылки	-	+	-	+	+	+	+
Поиск потерянных источников данных	-	+	-	+	-	+	+	+
Несколько видов данных (карт) в одном проекте	-	-	+	+	+			-
Условные обозначения
Условные обозначения во внешнем файле - вектор	-	+	-	+	+	+	+	+
Условные обозначения во внешнем файле - растр	-	+	-	+	+	-	-	+
Группы слоев	+	+	-	+	-	+	-	+
Полные условные обозначения в списке слоев	-	+	-	-	-	+	-	+
Прозрачность - вектор	+	+	-	-	+	+	+	+
Прозрачность - растр	+	+	+	+	+	+	+	+
Тип легенды: цветовая карта (классификация) для растров	+	+	-	-	+	-	-	+
Тип легенды: уникальное значение - вектор	+	+	+	+	+	+	+	+
Обзорная карта
Обзорная карта с векторными слоями	+	+	-	+	+	+	-	+
Обзорная карта с растровыми слоями	+	+	-	+	+	+	-	+
Сохранение настроек обзорной карты в проекте	+	-	-	+	+	+	-	+
Работа с кириллицей
Использование кириллицы в название слоев	-	+	+	+	+	+	+	+
Запуск проекта из папки с кириллицей в названии	+	+	+	+	+	+	+	+
Добавление данных из папки с кириллицей в названии	+	+	+	+	+	+	+	+

Выявлено, что о многих аспектах открытые пользовательские ГИС могут заменить аналогичные проприетарные, а в некоторых - даже превзойти их по своему функционалу. Особенно выделяется ГИС gvSIG, написанная на языке программирования Java. Программа создавалась, чтобы заменить платные продукт ArcView, и эта цель была достигнута, и даже перевыполнена. Программа gvSIG работает с основными векторными и растровыми форматами данных, работает с серверами пространственных данных и поддерживает все стандарты OGC. Кроме того, gvSIG обладает русскоязычным интерфейсом и имеет руководство пользователя, написанное на русском языке. Эта программа будет использована как прототип для разрабатываемой системы.

.3.2 Сервера пространственных данных

Технология сервера пространственных данных была впервые представлена ESRI в 1995 году, когда появилась первая версия программного продукта SDE. В то время ни одна из систем управления базами данных не предоставляла возможности управления пространственной информацией, и простое хранение векторных данных в реляционной системе управления базами данных представлялось громадным шагом вперед.

Сервер пространственных данных позволяет объединять пространственные и иные данные, различные документы и изображения. Он предназначен для создания централизованной информационной среды, обеспечивающей управление, индексирование, редактирование и графическое отображение больших объемов структурированных и неструктурированных данных [14].

Среди открытых серверов пространственных данных можно выделить PostGIS. PostGIS - это расширение объектно-реляционной системы управления базами данных PostgreSQL предназначенное для хранения в базе географических данных. Разрабатывается консалтинговой компанией Refractions Research Inc как проект в области изучения технологий пространственных баз данных.

.3.3 Интернет-картографические системы

Веб-картография - это область компьютерных технологий, связанная с доставкой пространственных данных конечному пользователю через интернет.

Инструменты разработки веб-картографических приложений можно классифицировать следующим образом:

-    виртуальные глобусы;

-       пользовательские ГИС, интегрируемые с виртуальными глобусами;

-       картографические веб-серверы.- программа для доступа, анализа, обработки и размещения источников данных. Позволяет работать с WMS, WFS, WPS и CSW спецификациями.является комплексным ГИС-решением на основе Java. Благодаря использованию Google Web Toolkit (GWT), Hibernate, GeoTools и Spring, Geomajas предлагает корпоративную среду для создания веб-картографических приложений. Geomajas может быть использован для запуска корпоративной или правительственной инфраструктуры пространственных данных. Программное обеспечение позволяет разработчикам создавать комплексные ГИС-решения для интеграции пространственных данных на стороне сервера, встроенные технологии для веб-картографии позволяют на стороне клиента (через простой веб-браузер) развернуть интерактивные и удобные ГИС приложения. Все это можно сделать без отказа от целостности логики программного обеспечения, предоставляя взамен мощные возможности для обновления и поддержания ГИС-данных в среде тонких клиентов.является картографическим сервером с открытым исходным кодом, который среди многих прочих возможностей, реализует следующие спецификации OGS: WMS, WFS, WCS. Позволяет не только получать данные для построения на их основе собственных карт, но также редактировать полученные данные с последующим автоматическим обновлением исходной информации на сервере. С GeoServer поставляется визуальная система управления файлами настроек и описания данных для проектов. Эта система реализована в виде веб-интерфейса и предоставляет пользователю возможность интерактивного создания и изменения разрабатываемого картографического ресурса.- Фреймворк для создания веб-порталов для работы с картографическими сервисами OGC. Разрабатывается на языках PHP, JavaScript и XML.представляет собой гибкую и полную основу для создания многофункциональных веб-картографических приложений, основанных на языке Python. Например, MapFish предоставляет специальные инструменты для создания веб-сервисов, которые позволяют создавать запросы и редактировать географические объекты. MapFish также предоставляет полный JavaScript инструментарий, необходимы для веб-картографирования.Open Source это веб-платформа, которая позволяет пользователям разрабатывать веб-картографические приложения и пространственные службы. MapGuide предоставляет функции интерактивного просмотра, которые включают в себя поддержку выбора атрибутов, свойств, и такие операции, как создание буферной зоны, выбор внутри области, и измерения. MapGuide включает в себя XML-базу данных для управления содержимым, и поддерживает большинство популярных форматов пространственных файлов, баз данных и стандартов. MapGuide может быть использован на Linux или Windows, поддерживает Apache и IIS веб-серверы, и предлагает обширные PHP,.NET, Java, JavaScript и API-интерфейсы для разработки приложений.- одна из самых популярных сред создания картографических веб-сервисов с открытым кодом. Исходно, MapServer разрабатывался Университетом Миннесоты совместно с Департаментом Природных Ресурсов Штата Миннесота и NASA, а в настоящее время поддерживается как один из проектов ассоциации OSGeo. Возможность работы MapServer практически на любых платформах (в том числе Windows, Linux, Mac OS, Solaris), широчайшие функциональные возможности, легкость интеграции с различными системами управления базами данных и открытость кодов предопределила популярность программы. MapServer позиционируется не как конечное приложение, а как среда разработки.

GeoNetwork opensource - это стандартизированная и децентрализованная среда управления пространственной информацией, разработанная для доступа к базам пространственных данных, картографическим продуктам и связанным с ними метаданным из различных источников, облегчающая обмен пространственной информацией между организациями и ее совместное использование посредством интернета. Этот подход к управлению географической информацией имеет целью предоставить широкому сообществу пользователей средства для беспрепятственного и своевременного доступа к имеющимся пространственным данным и существующим тематическим картам, которые могут оказаться полезными для принятия обоснованных решений. Главная цель GeoNetwork opensource заключается в повышении доступности широкого спектра данных вместе с сопутствующей информацией. FAO и WFP, а в последнее время и UNEP, объединили свой исследовательский и картографический опыт для разработки GeoNetwork opensource как общей стратегии для эффективного совместного использования баз пространственных данных, включая цифровые карты, спутниковые изображения и соответствующие статистические данные. Эти три организации широко используют геоинформационные системы и программное обеспечение для обработки данных дистанционного зондирования Земли в основном для создания карт и комбинирования различных слоев информации. GeoNetwork opensource предоставляет им возможность доступа к широкому спектру карт и другой пространственной информации, хранящейся в различных базах данных по всему миру из единой точки входа [22].

.3.4 ГИС-компоненты

FDO Data Access - это комплекс решений от компании Autodesk, разработанный на основе библиотек GDAL и OGR, предоставляющий возможность создания прикладных программ для географических информационных систем с эффективными инструментами для преобразования, хранения и изменения пространственных данных. FDO - создан для разработчиков приложений ГИС в виде продуманного API, функционал которого может быть расширен при помощи таких языков программирования как Microsoft C#.NET, Microsoft Visual Basic.NET и Microsoft Visual C++.NET. Все структуры данных соответствуют стандартам Open Geospatial Consortium (OGC).

GDAL - библиотека для чтения и записи растровых геопространственных форматов данных, выпускаемая организацией OSGeo. Библиотека предоставляет вызывающим приложениям единую абстрактную модель данных для всех поддерживаемых форматов. При сборке можно также включить дополнительные утилиты. С помощью этих утилит можно выполнять конвертацию и обработку данных, используя интерфейс командной строки. Сопутствующая библиотека OGR, являющаяся частью дерева исходных кодов GDAL, предоставляет похожие возможности для векторных данных. Первоначально GDAL разрабатывался Фрэнком Вармердамом вплоть до выпуска версии 1.3.2, после которого поддержкой проекта стал заниматься комитет GDAL/OGR Project Management Committee под контролем OSGeo. Пакет GDAL/OGR считается важным проектом в Open Source, а также и в коммерческих кругах ГИС в связи с широким распространением и обширным набором функциональности.- это библиотека с открытым исходным кодом для проведения геометрических и топологических операций над фигурами. GEOS используется в GDAL и PostGis.

GeoTools - свободно-распространяемая библиотека для Java с открытым исходным кодом, предоставляющая набор удобных методов для работы с пространственными данными. GeoTools как основу используют такие известные проекты как картографический веб-сервер GeoServer и пользовательская ГИС uDig. GeoTools умеет работать с векторными и растровыми данными. Работает с базами данных MySQL, ArcSDE, PostGIS. Библиотека умеет осуществлять проекционные преобразования, в том числе переходы между системами координат, умеет работать с условными обозначениями, делать выборки, создавать графики и многое другое [31].это проект, собравший в себя несколько проекций и систем координат. Целью проекта является обобщение различных видов систем координат в одну совокупность. Включает в себя такие возможности, как координатные словари, системы тестирования и математический инструментарий [37].предназначен для обработки данных дистанционного зондирования, фотограмметрии и ГИС. Принцип работы основан на составлении цепочек действий над исходным изображением, таких как выбор канала, регулировка гистограммы, фильтры резкости, перепроецирование, обрезка по контуру и т.п., что позволяет свободно изменять параметры каждого звена цепочки действий в произвольном порядке [16].

2. Разработка структуры ГИС-проекта

.1 Разработка структуры базы данных

.1.1 Система управления базами данных

Важнейшей задачей разработчиков геоинформационных систем (ГИС) является организация хранения пространственных данных и эффективного доступа к ним. Традиционным является файловый способ хранения данных, но каждая ГИС имеет собственные форматы, и для переноса данных из одной системы в другую приходится использовать специальные программы конверторы или обменные, часто текстовые, форматы. Однако в настоящее время файловый способ хранения информации ГИС стал неэффективным в связи с:

-    ростом объема и усложнением структуры пространственных данных в корпоративных информационных системах;

-       необходимостью многопользовательского доступа к пространственной информации;

-       широким применением Интернет/Интранет-технологий и распределенных (клиент-серверных, трехзвенных и др.) архитектур при разработке ГИС;

-       необходимостью централизации источников данных.

Наиболее логичным решением проблемы является использование СУБД (систем управления базами данных) для хранения пространственных данных. Таким образом становится возможным:

-    использовать механизм транзакций, что обеспечивает целостность и корректность данных при многопользовательской работе;

-       совместно хранить пространственные и связанные с ними атрибутивные данные в единой СУБД, что снижает накладные расходы по поддержанию целостности информации;

-       организовать взаимодействие промышленных РСУБД друг с другом в рамках единой распределенной среды, использовать механизмы репликации и обновления данных.

Существует два основных подхода к хранению пространственных данных в СУБД [1]:

-    дополнительные модули, обеспечивающие связь ГИС и СУБД (например, ESRI ArcSDE, MapInfo SpatialWare);

-       внутренние механизмы самой СУБД (например, Oracle Spatial).

В разрабатываемой ГИС будет использоваться первый метод, то есть СУБД будет реализована в виде отдельного компонента.

Базы данных предназначены для хранения и обработки большого количества однородной информации. Системы управления базами данных реализуют хранение данных в соответствии с одной или несколькими моделями данных, выполнение стандартных операций обработки данных, таких как внесение новой информации или корректировка уже введенной, поиск данных, удовлетворяющих заданным критериям, упорядочение данных и другие, а также поддерживают один или несколько языков баз данных. Наиболее популярными сейчас являются реляционные СУБД, в которых данные хранятся в реляционных таблицах, и для них разработан стандарт языка обработки - SQL.

Предметная область разрабатываемой базы данных - это геопространственная информация об объектах, находящихся на территории ННГАСУ.

.1.2 Логическая структура базы данных топографической основы

В концепции базы данных выделяются три уровня представления информации: инфологический, даталогический и физический. На каждом уровне проводится структуризация информации таким образом, чтобы на третьем уровне информация могла быть представлена в виде структур данных, реализуемых в памяти ЭВМ.

На первом уровне, который называется инфологическим, определяется, какая информация о предметной области будет храниться и обрабатываться в компьютере, и в результате исследования предметной области строится ее инфологическая модель. Информация в инфологической модели представляется вне зависимости от того, какие программные и технические средства будут использованы в дальнейшем для ее хранения и обработки. На этом уровне предметная область описывается в терминах классов объектов и их взаимосвязей, которые являются понятными конечным пользователям.

На втором уровне, который называется даталогическим, или концептуальным, информация представляется в виде данных и логических связей между данными вне зависимости от того, что представляют собой данные и какие технические средства будут использованы для хранения данных, но с учетом программных средств (СУБД).

На третьем, физическом, уровне определяется, как и где на физическом носителе будут храниться данные [3].

В геоинформационных системах реализуется удобная взаимосвязь: каждой таблице в базе данных соответствует определенный слой графических объектов. Объекты, как и слои, бывают трех типов: точечные, линейные и полигональные.

В разрабатываемом проекте база данных делится на два блока: «Территория ННГАСУ» и «Корпуса». Блок «Территория ННГАСУ» также делится на два блока: «Картографическая основа» и «Коммуникации». Блок «Корпуса» делится на блок «Поэтажные планы» и «Тематические объекты».

Организация графических данных представлена в таблицах 2.1 - 2.3.

Таблица 2.1 - Организация графических данных для точечных слоев

Название слоя	Условный знак	Цвет	Примечание
Trees		Черный	Деревья
Grid	+	Голубой	Координатная сетка
Elevation	точка с отметкой	Коричневый	Высотные отметки

Таблица 2.2 - Организация графических данных для линейных слоев

Название слоя	Тип линии	Толщина линии в точках	Стиль линии	Цвет	Примечание
Border	Одна линия	0,5	Сплошная	Красный	Граница квартала
PTL	Двусторонние стрелки	0,2	Прерывистая	Черный	ЛЭП
Plumbing	Одна линия и символ «В»	0,2	Пунктирная	Темно-зеленый	Водопровод
Thermal	Одна линия и символ «Т»	0,2	Пунктирная	Синий	Теплопровод
Sewerage	Одна линия и символ «К»	0,2	Пунктирная	Коричневый	Канализация
Telecommunication	Одна линия с точкой	0,2	Пунктирная	Оранжевый	Линии связи
Fences	Зависит от типа	0,2	Сплошная	Черный	Ограждения
Сontour	Одна линия	0,2	Сплошная	Коричневый	Горизонтали

Таблица 2.3 - Организация графических данных площадных слоев

Название слоя	Тип линии границы	Толщина линии в точках	Стиль линии границы	Цвет границы	Цвет заливки	Примечание
Buildings	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Светло-желтый	Здания
Greenery	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Светло-зеленый	Растительность
Coverage	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Светло-серый	Покрытия

Логическая структура базы данных топографической основы выглядит следующим образом (Приложение А):

1.     Слой «Здания»

В этом слое отображаются все строения, находящиеся на исследуемой территории: учебные корпуса, хозяйственные корпуса, гаражи, жилые здания и другие. Слой зданий полигонального типа. В базе данных содержится такая информация о зданиях, как название, адрес, тип, материал, этажность и площадь. Структура таблицы «Здания» представлена в таблице 2.4. Поля «Тип» и «Материал» принимают целые значения. Описание значений поля «Тип» приведено в таблице 2.5, а поля «Материал» - в таблице 2.6.

Таблица 2.4 - Структура таблицы «Здания»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Name	Символьное	30	-	Название
Address	Символьное	50	-	Адрес
Type	Целое	1	-	Тип
Material	Целое	1	-	Материал
Floors	Целое	2	-	Этажность
Area	Десятичное	7,2	-	Площадь, м2
Notes	Символьное	100	-	Примечание

Таблица 2.5 - Значения поля «Тип» слоя «Здания»

Тип	Значение	Примечание
1	Учебное	Учебные корпуса университета
2	Жилое
3	Техническое	Котельная и технические вспомогательные корпуса
4	Хозяйственное	Гаражи, хозяйственные постройки
5	Спортивное	Спортзал
6	Общественное	Клуб

Таблица 2.6 - Значения поля «Материал» слоя «Здания»

Материал	Значение	Примечание
1	Кирпичное	Здания из кирпичной, котельцовой и т.п. кладки
2	Железобетонное	Каркасные здания с железобетонными плитами
3	Металлическое	Металлические гаражи

.       Слой «Растительность»

Данный слой содержит в себе информацию о площадном пространстве, занятом природной растительностью. Слой полигонального типа. В базе данных слоя содержится информация о типе и площади растительного покрытия. Структура таблицы «Растительность» представлена в таблице 2.7. Значения поля «Тип» представлены в таблице 2.8.

Таблица 2.7 - Структура таблицы «Растительность»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Type	Целое	1	-	Тип
Area	Десятичное	7,2	-	Площадь, м2
Notes	Символьное	100	-	Примечание

Таблица 2.8 - Значения поля «Тип» слоя «Растительность»

Тип	Значение	Обозначение на карте	Примечание
1	Газон		Травяные газоны и цветники
2	Луг		Луговые территории
3	Кустарник		Площади, заросшие кустарниковой растительностью

.       Слой «Покрытия»

Данный слой содержит в себе информацию о площадном пространстве, занятом искусственным покрытием. Слой полигонального типа. В базе данных слоя содержится информация о типе и площади искусственного покрытия. Структура таблицы «Покрытия» представлена в таблице 2.9. Значения поля «Тип» представлены в таблице 2.10.

Слои «Здания», «Растительность» и «Покрытия» должны полностью покрывать топографическую основу, так как они являются площадными.

Таблица 2.9 - Структура таблицы «Покрытия»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Type	Целое	1	-	Тип
Area	Десятичное	7,2	-	Площадь, м2
Notes	Символьное	100	-	Примечание

Таблица 2.10 - Значения поля «Тип» слоя «Покрытия»

Тип	Значение	Обозначение на карте	Примечание
1	Асфальтовое покрытие	А	Территории, покрытые асфальтом
2	Брусчатка	Бр.	Пешеходные тротуары, покрытые брусчаткой
3	Цемент	Ц	Цементное покрытие

4.     Слой «Граница»

Слой «Граница» предназначен для обозначения границы исследуемой области, является линейного типа. Этот слой не содержит атрибутивной информации.

5.     Слой «ЛЭП»

Данный слой содержит информацию о линиях электропередач различного напряжения. Тип слоя - линейный. Структура таблицы «ЛЭП» представлена в таблице 2.11.

Таблица 2.11 - Структура таблицы «ЛЭП»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Leigh	Десятичное	6,2	-	Протяженность, м
Voltage	Целое	6	-	Напряжение, кВт
Notes	Символьное	100	-	Примечание

6.     Слой «Водопровод»

Данный слой содержит информацию о водопроводных коммуникациях. Тип слоя - линейный. Структура таблицы «Водопровод» представлена в таблице 2.12.

Таблица 2.12 - Структура таблицы «Водопровод»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Leigh	Десятичное	6,2	-	Протяженность, м
Notes	Символьное	100	-	Примечание

7.     Слой «Теплопровод» Данный слой содержит информацию о теплопроводных коммуникациях. Тип слоя - линейный. Структура таблицы «Теплопровод» представлена в таблице 2.13.

Таблица 2.13 - Структура таблицы «Теплопровод»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Leigh	Десятичное	6,2	-	Протяженность, м
Notes	Символьное	100	-	Примечание

8.     Слой «Канализация»

Данный слой содержит информацию о подземных канализационных коммуникациях. Тип слоя - линейный. Структура таблицы «Канализация» представлена в таблице 2.14.

Таблица 2.14 - Структура таблицы «Канализация»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Leigh	Десятичное	6,2	-	Протяженность, м
Notes	Символьное	100	-	Примечание

9.     Слой «Линии связи»

Данный слой содержит информацию о телефонных линиях связи. Тип слоя - линейный. Структура таблицы «Линии связи» представлена в таблице 2.15.

Таблица 2.15 - Структура таблицы «Линии связи»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Leigh	Десятичное	6,2	-	Протяженность, м
Notes	Символьное	100	-	Примечание

10.   Слой «Деревья»

Данный слой содержит в себе информацию об отдельно стоящих деревьях. Слой точечного типа. В базе данных слоя содержится информация о типе деревьев. Структура таблицы «Деревья» представлена в таблице 2.16. Поле «Тип» может содержать следующие значения: «1» - лиственные деревья; «2» - хвойные деревья.

Таблица 2.16 - Структура таблицы «Деревья»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Type	Целое	1	-	Тип
Notes	Символьное	100	-	Примечание

11.   Слой «Ограждения»

Данный слой содержит в себе информацию об ограждениях и заборах. Слой линейного типа. В базе данных слоя содержится информация о типе и протяженности ограждения. Структура таблицы «Ограждения» представлена в таблице 2.17. Поле «Тип» может содержать следующие значения: «1» - металлические; «2» - каменные, «3» - деревянные.

Таблица 2.17 - Структура таблицы «Ограждения»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Type	Целое	1	-	Тип
Leigh	Десятичное	6,2	-	Протяженность, м
Notes	Символьное	100	-	Примечание

12.   Слой «Координатная сетка»

Слой содержит точечные объекты, которые представляют собой кресты координатной сетки. В базе данных слоя содержатся координаты X и Y крестов сетки. Структура таблицы «Координатная сетка» представлена в таблице 2.18.

Таблица 2.18 - Структура таблицы «Координатная сетка»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
X	Десятичное	11,3	-	Координата X
Y	Десятичное	11,3	-	Координата Y

13.   Слой «Горизонтали»

В данном слое содержится информация о горизонталях, их отметки хранятся в базе данных. Структура таблицы «Горизонтали» представлена в таблице 2.19.

Таблица 2.19 - Структура таблицы «Горизонтали»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Целое	4	-	Отметка
Notes	Символьное	100	-	Примечание

14.   Слой «Отметки». В данном слое содержится информация об отметках. Структура таблицы «Горизонтали» представлена в таблице 2.20.

Таблица 2.20 - Структура таблицы «Отметки»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Десятичное	7,3	-	Отметка
Notes	Символьное	100	-	Примечание

 

2.1.3 Логическая структура базы данных поэтажных планов корпуса

Организация графических данных слоев поэтажных планов корпуса представлена в таблице 2.21.

Таблица 2.21 - Организация графических данных слоев поэтажных планов корпуса

Название слоя	Тип линии границы	Толщина линии в точках	Стиль линии границы	Цвет границы	Цвет заливки	Примечание
Rooms	Одна линия	0,2	Сплошная	Белый	Помещения
Walls	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Красный	Стены
Windows	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Голубой	Окна
Doors	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Фиолетовый	Двери
Elevators	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Темно-серый	Лифтовые шахты
Stairs	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Светло-серый	Лестницы
Trunks	Одна линия	0,2	Сплошная	Черный	Синий	Вентиляционные шахты

Логическая структура базы данных поэтажных планов корпуса выглядит следующим образом:

1.     Слой «Помещения».

В этом слое отображаются все помещения, находящиеся на этаже, вне зависимости от их функционального назначения. Слой полигонального типа. В базе данных содержится такая информация о помещениях, как номер аудитории, площадь, высота помещения, функциональное назначение, принадлежность кафедре, количество розеток, радиаторов и ламп, а также фотографии помещения. Фотографии представлены в отдельной таблице. Структура таблицы «Помещения» представлена в таблице 2.22. Значения поля «Функциональное назначение» представлены в таблице 2.23.

Таблица 2.22 - Структура таблицы «Помещения»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Number	Целое	4	-	Номер аудитории
Area	Вещественное	7,2	-	Площадь, м2
Height	Вещественное	4,2	-	Высота, м
Usage	Целое	2	-	Функциональное назначение
Department	Символьное	30	Необяз.	Кафедра
Sockets	Целое	2	-	Количество розеток
Radiators	Целое	2	-	Количество радиаторов
Lamps	Целое	2	-	Количество ламп
Notes	Символьное	100	-	Примечание

Таблица 2.23 - Значения поля «Функциональное назначение» таблицы «Помещения»

Тип	Значение	Примечание
1	Учебное	Учебная аудитория
2	Лаборатория	Аудитория для проведения практических и лабораторных занятий
3	Кафедра	Помещение кафедры
4	Компьютерный	Компьютерный класс
5	Административное	Административно-хозяйственный блок
6	Кладовая	Подсобное помещение
7	Уборная	Помещения уборных
8	Коридор	Коридорные помещения, холлы
9	Мастерская	Помещение мастерской
10	Другое	Иное функциональное назначение

2.     Слой «Стены»

Слой, необходимый для создания целостного представления поэтажного плана. Слой является площадным, его структура приведена в таблице 2.24.

Таблица 2.24 - Структура таблицы «Стены»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Material	Целое	1	-	Материал стен (1 - кирпич, 2 - железобетон, 3 - дерево)
Purpose	Целое	1	-	Назначение (1 - несущая, 2 - перегородка)
Notes	Символьное	100	-	Примечание

3.     Слой «Окна»

В слое хранится информация обо всех окнах этажа. Структура слоя приведена в таблице 2.25.

Таблица 2.25 - Структура таблицы «Окна»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Десятичное	4,2	-	Высота окон
Area	Десятичное	4,2	-	Площадь оконного проема
Material	Целое	1	-	Материал окон (1 - дерево, 2 - пластик)
Notes	Символьное	100	-	Примечание

4.     Слой «Двери»

В слое хранится информация о дверях. Структура слоя приведена в таблице 2.26.

Таблица 2.26 - Структура таблицы «Двери»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Десятичное	4,2	-	Высота дверей
Material	Целое	1	-	Материал дверей (1 - дерево, 2 - пластик, 3 - металл)
Notes	Символьное	100	-	Примечание

5.     Слой «Лифтовые шахты»

В слое хранится информация о лифтовых шахтах. Структура слоя приведена в таблице 2.27.

Таблица 2.27 - Структура таблицы «Лифтовые шахты»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Десятичное	5,2	-	Высота шахты
Area	Десятичное	6,2	-	Площадь лифтовой шахты
Notes	Символьное	100	-	Примечание

6.     Слой «Лестницы»

В слое хранится информация о лестничных пролетах. Структура слоя приведена в таблице 2.28.

Таблица 2.28 - Структура таблицы «Лестницы»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Area	Десятичное	6,2	-	Площадь
Notes	Символьное	100	-	Примечание

7.     Слой «Вентиляционные шахты»

В слое хранится информация о лестничных пролетах. Структура слоя приведена в таблице 2.29.

Таблица 2.29 - Структура таблицы «Вентиляционные шахты»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Area	Десятичное	6,2	-	Площадь
Notes	Символьное	100	-	Примечание

8.     Слой «Розетки»

В слое хранится информация о розетках. Структура слоя приведена в таблице 2.30.

Таблица 2.30 - Структура таблицы «Розетки»

Название поля	Тип	Размер	Параметр	Примечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Десятичное	3,1	-	Превышение над уровнем пола
Notes	Символьное	100	-	Примечание

9.     Слой «Выключатели»

В слое хранится информация о розетках. Структура слоя приведена в таблице 2.31.

Таблица 2.31 - Структура таблицы «Выключатели»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Десятичное	3,1	-	Превышение над уровнем пола
Notes	Символьное	100	-	Примечание

10.   Слой «Радиаторы»

В слое хранится информация о радиаторах. Структура слоя приведена в таблице 2.32.

Таблица 2.32 - Структура таблицы «Радиаторы»

Название поляТипРазмерПараметрПримечание
ID	Целое	8	Счетчик	Идентификатор
Height	Десятичное	3,1	Превышение над уровнем пола
Sections	Целое	1	-	Количество секций
Notes	Символьное	100	-	Примечание

.2 Разработка структуры приложения

Приложение будет реализовано при помощи технологии «клиент-сервер» и состоит из трех частей:

1)   система управления базами данных;

2)      Web-серверная часть;

)        клиентская часть.

Кроме этого, приложение взаимодействует со следующими внешними модулями:

1)   настольная пользовательская ГИС;

2)      WMS и WFS-слои картографических серверов;

)        данные дистанционного зондирования территории.

Все структурные части приложения разрабатываются на базе открытых программных продуктов и являются некоммерческими.

Настольная пользовательская ГИС используется для внесения графической и атрибутивной информации в базу данных. Исходной информацией служат векторные планы и таблицы с данными. После компоновки исходной информации в слои производится подключение к базе данных и экспорт пространственной информации.

Функции Web-серверной части приложения заключаются в получении данных из СУБД, их обработке, подготовке информации для интерактивной карты, составлении самой интерактивной карты и передаче данных клиенту. Таким образом, серверная часть состоит из четырех взаимосвязанных компонентов:

1)   картографический сервер;

2)      Web-сервер;

)        интерактивная карта;

)        веб-страница.

Схема взаимодействия компонентов ГИС представлена на рисунке 2.1

Картографический сервер - приложение, позволяющее получать данные из СУБД и преобразовать их в любой графический и векторный формат. Картографический сервер работает по трем стандартам: WCS, WFS и WMS. Эти стандарты были разработаны и опубликованы международной организацией Open Geospatial Consortium в 1999 году [25].(Web Map Service) - сервис веб-карт - стандартный протокол для обслуживания через Интернет географически привязанных изображений, генерируемых картографическим сервером на основе данных из базы данных. Растровые изображения, передаваемые сервером, получены путем конвертации векторных слоев [46].

WCS (Web Coverage Service) - сервис веб-покрытий - стандартный протокол, позволяющий передавать запрашиваемые географические покрытия. Покрытия - это объекты (или образы) географических областей. Отличие от WMS состоит в том, что объекты обладают атрибутивной информацией, которая может быть использована для анализа [44].

WFS (Web Feature Service) - сервис веб-атрибутов - стандартны протокол, позволяющий передавать векторную информацию, в том числе и атрибутивную. Данные передаются в XML-кодировке. Некоторые картографические серверы поддерживают протокол WFS-T, который позволяет редактировать векторную информацию и отправлять её на сервер [45].

Рисунок 2.1 - Схема взаимодействия компонентов ГИС

Веб-сервер - это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов, обычно веб-браузеров, и выдающий им HTTP-ответы, обычно вместе с HTML-страницей, изображением, файлом, медиа-потоком или другими данными. Данные могут передаваться по POST и GET протоколам.

Для удобного предоставления данных используется интерактивная карта, которая подсоединяется к картографическому серверу в режиме реального времени и подгружает информацию в зависимости от запросов пользователя. Растровые изображения могут подгружаться как полностью (одно изображение на окно), так и тайлами (несколько изображений на окно). Атрибутивные данные передаются по запросу пользователя.

.3 Разработка структуры интерфейса

Интерфейс приложения реализован в виде веб-страницы. Веб-страница служит контейнером для интерактивной карты. На ней может находиться дополнительная информация по предоставляемому материалу. Кроме функции отображения, веб-страница содержит функции переключения между различными интерактивными картами.

Схема интерфейса приложения представлена на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 - Структура интерфейса приложения

Интерфейс состоит из следующих составных частей:

1.   Интерактивная карта.

Карта является основой интерфейса и представляет собой изображение данных, полученных с сервера в результате текущего запроса. Интерактивный режим позволяет перемещать изображение, увеличивать и уменьшать масштаб, используя мышь. Щелчок по карте реализует запрос на получение атрибутивных данных об объекте. В режиме редактирования интерактивная карта служит основой для создания новых объектов.

.     Ссылки для навигации между планами.

Эта часть интерфейса представлена набором ссылок. При нажатии на ссылку страница обновляется, в интерактивную карту загружается другая картографическая информация, соответствующая выбранному разделу.

3.   Область вывода атрибутов.

В этой области отображаются атрибутивные данные, получаемые с сервера при щелчке на интерактивной карте. Информация предоставляется в табличном виде. В заголовке таблицы отображаются поля данных. Если щелчок был произведен по нескольким объектам одновременно, то информация о них отображается строками. Если объекты находятся в разных слоях, то отображается несколько таблиц, в зависимости от количества слоев.

4.   Панель навигации и масштабирования.

Эта панель состоит из кнопок, реализующих интерактивные функции карты. Панель навигации и масштабирования представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Панель навигации и масштабирования

В панели присутствуют следующие элементы:

1)   кнопка «Север» - перемещение фокуса карты севернее;

2)      кнопка «Восток» - перемещение фокуса карты восточнее;

)        кнопка «Запад» - перемещение фокуса карты западнее;

)        кнопка «Юг» - перемещение фокуса карты южнее;

)        масштабная линейка - позволяет оперировать с масштабом; при нажатии устанавливает определенный масштаб;

)        ползунок масштабной линейки - позволяет плавно изменять масштаб путем передвижения вертикально вверх для его увеличения и вертикально вниз для его уменьшения;

)        кнопка «Увеличение масштаба» - увеличивает масштаб карты;

)        кнопка «Уменьшение масштаба» - уменьшает масштаб карты.

5.   Панель информации.

Панель информации предоставляет текущие свойства интерактивной карты. Слева отображается текущий масштаб картографического изображения. При масштабировании изображения масштаб меняется интерактивно.

Справа на панели отображаются координаты X и Y текущего положения курсора. При перемещении курсора координаты изменяются.

3. Реализация геоинформационной системы

.1 Выбор технологий и программных пакетов для реализации проекта

После того, как составлена структура ГИС-проекта, необходимо выбрать конкретные программные продукты, которые будут соответствовать определенным требованиям. Основное требование ко всем технологиям и программным пакетам - открытость и бесплатность.

.1.1 СУБД

СУБД должна соответствовать следующим требованиям [26]:

-      позволять записывать, хранить, находить, редактировать и считывать данные;

-       поддерживать хранение больших массивов данных в течение долгого времени, защищая их от системных сбоев и случайной порчи;

-       обеспечивать модификацию базы данных;

-       обеспечить контроль достоверности вводимых данных в каждом поле таблиц базы данных;

-       обеспечивать нахождение слов, выделение, просмотр и редактирование таблиц базы данных с удобным графическим интерфейсом;

-       обеспечивать хранение пространственной информации;

-       осуществлять многочисленные операции над геоданными;

-       поддерживать язык SQL.

Исходя из вышеперечисленных требований, была выбрана СУБД PostgreSQL с надстройкой PostGIS. PostgreSQL - мощная открытая объектно-реляционная СУБД, базируется на языке SQL, может поддерживать базы данных неограниченного размера. Добавочный модуль PostGIS позволяет хранить в базах данных PostgreSQL пространственную информацию [42].

Как PostGIS, так и PostgreSQL - программное обеспечение, распространяемое с открытым исходным кодом. Использование PostgreSQL и PostGIS позволяет хранить данные в виде пространственных объектов, делать пространственные запросы и применять пространственные индексы. Кроме того, PostGIS обладает широким набором функций обработки данных.

Поддержка пространственных моделей на уровне СУБД обеспечивает возможность оперировать такими объектами, как точки, линии и многоугольники, а также определять расстояния и пересечения. При работе с большими массивами данных предоставляется возможность индексации. Модель данных состоит из базового класса Geometry, от которого наследуются четыре основных класса: Point (простые 0-мерные объекты), Curve (простые 1-мерные объекты), Surface (простые 2-мерные объекты) и GeometryCollection (составные объекты). Эти классы позволяют проводить различные операции со своими экземплярами [12].

.1.2 Настольная ГИС

Для наполнения проекта данными необходимо использовать пользовательскую настольную ГИС. Она должна обеспечивать:

-      импорт информации из различных типов файлов;

-       редактирование пространственной информации;

-       работу с проекциями;

-       подсоединение к СУБД PostGIS и импорт/экспорт данных;

-       ввод и изменение атрибутивной информации.

В качестве настольной ГИС для ввода и редактирования данных выбрана программа Quantum GIS.

Целью создания QGIS было сделать использование геоинформационных систем легким и понятным для пользователя. Изначально QGIS создавался как программа-обозреватель пространственных данных PostGIS. Позже эта программа переросла в полноценную ГИС. Возможности импорта и экспорта в СУБД были заложены в программу изначально, также QGIS поддерживает большинство векторных и растровых форматов [9].

В этой программе можно просматривать и накладывать друг на друга векторные и растровые данные в различных форматах и проекциях без преобразования во внутренний или общий формат. Поддерживаются следующие основные форматы:

-      пространственные таблицы PostgreSQL с использованием PostGIS, векторные форматы, поддерживаемые установленной библиотекой OGR, включая shape-файлы ESRI, MapInfo, SDTS (Spatial Data Transfer Standard), GML (Geography Markup Language) и др.;

-       форматы растров и графики, поддерживаемые библиотекой GDAL (Geospatial Data Abstraction Library), такие, как GeoTIFF, Erdas IMG, ArcInfo ASCII Grid, JPEG, PNG и др.

Особенность QGIS состоит в возможности обзора и редактирования слоев shape и PostGIS.предоставляет следующие возможности работы с данными:

-      инструменты оцифровки для форматов, поддерживаемых библиотекой OGR, и векторных слоев GRASS;

-       создание и редактирование shape-файлов и векторных слоев GRASS;

-       геокодирование изображений с помощью модуля пространственной привязки;

-       инструменты GPS для импорта и экспорта данных в формате GPX, преобразования прочих форматов GPS в формат GPX или скачивание/загрузка непосредственно в прибор GPS (в Linux usb: был добавлен в список устройств GPS);

-       визуализация и редактирование данных OpenStreetMap;

-       создание слоёв PostGIS из shape-файлов с помощью плагина SPIT;

-       обработка слоёв PostGIS;

-       управление атрибутами векторных данных с помощью новой таблицы атрибутов или модуля Table Manager;

-       сохранение снимков экрана как изображений с пространственной привязкой.

Во многих отношениях QGIS превосходит проприетарные системы.

.1.3 Картографический веб-сервер

Картографический веб-сервер должен соответствовать следующим требованиям:

-      возможность работы в WMS, WFS, WCS и WFS-T режимах;

-       возможность получения данных из PostGIS;

-       возможность стилизации слоев;

-       возможность работы с проекциями;

-       наличие интерфейса для управления загружаемыми данными.

В качестве картографического веб-сервера выбран продукт GeoServer. К основным достоинства программы можно отнести следующие [9]:

-      возможность работы на любых платформах;

-       поддержка большого числа растровых и векторных форматов данных;

-       поддержка WMS, WFS, WCS и WFS-T стандартов;

-       возможность интеграции с Oracle, MySQL, PostgreSQL и другими СУБД;

-       создание высококачественного картографического результата (поддержка масштабируемых подписей, раскрасок, экспорт в png, tiff, gif, jpeg форматы);

-       полностью открытый бесплатный компилируемый код на Java.

3.1.4 Интерактивная карта

Интерактивная карта необходима для визуализации данных, сгенерированных сервером и для взаимодействия с ним. Интерактивная карта должна обладать удобным интерфейсом, работать в режиме реального времени (без обновлений и задержек).

Для интерактивной карты выбрана OpenLayers. Библиотека OpenLayers позволяет очень быстро и легко создать web-интерфейс для отображения картографических материалов, представленных в различных форматах и расположенных на различных серверах. Благодаря OpenLayers разработчик имеет возможность создать собственную карту, включающую слои, предоставляемые WMS (и WFS) серверами и данными картографических сервисов. Библиотека является разработкой с открытым исходным кодом и разрабатывается при спонсорской поддержке проекта MetaCarta, который использует OpenLayers в своих разработках. Тем не менее, OpenLayers является независимым свободно распространяемым продуктом. OpenLayers написан на языке JavaScript [40].

Помимо собственно визуализации WMS и WFS слоев на единой web-карте, а также редактирования предоставляемых данных, OpenLayers обладает следующими возможностями:

-      добавление на карту панели навигации (на панели находятся кнопки сдвига карты, увеличения и уменьшения масштаба);

-       панорамирование карты при помощи мыши;

-       изменение масштаба карты при прокрутке среднего колеса мыши;

-       получение координат точки, над которой находятся указатель мыши;

-       добавление панели управления видимостью слоев карты;

-       выбор произвольного объекта и получения атрибутивной информации о нем;

-       управление прозрачностью используемых слоев карты;

-       добавление к карте определяемых пользователем элементов (точек, линий, полигонов).

.2 Формирование основного программного приложения ГИС

Формирование программного приложения ГИС происходит в следующем порядке:

1)   установка программного обеспечения;

2)      установка пространственной базы данных;

)        настройка связи QGIS - PostGIS;

)        наполнение проекта данными;

)        добавление хранилища данных в GeoServer;

)        программирование интерактивной карты;

.2.1 Установка программного обеспечения

На сервер устанавливаются:

-    СУБД PostgreeSQL;

-       настольная ГИС QGIS;

-       веб-сервер GeoServer.

Все программы устанавливаются в соответствии с прилагаемой документацией.

Установка программ производится через диалоговые приложения.

При установке GeoServer задаются основные параметры сервера: логин и пароль доступа, порт доступа к серверу, каталог с установленным пакетом Java.

геоинформационный база данные интерфейс

3.2.2 Установка пространственной базы данных

Установка PostGIS производится путем вызова готовых SQL-запросов из окна управления СУБД. Окно со SQL кодом отображено на рисунке 3.1.

После вызова запроса автоматически создаются две таблицы метаданных OpenGIS: spatial_ref_sys и geometry_columns. Таблица spatial_ref_sys содержит числовые идентификаторы и текстовые описания систем координат, используемых в пространственной базе данных [19].

Каждому пространственному слою, созданному в PostGIS, выделяется строка в таблице geometry_columns, где хранятся следующие данные:

-      имя столбца геометрии в таблице объектов;

-       пространственная размерность столбца (2, 3 или 4 измерения);

-       идентификатор системы координат, используемой для геометрии в этой таблице (он является внешним ключом для таблицы SPATIAL_REF_SYS);

-       тип пространственного объекта.

Рисунок 3.1 - Окно вызова SQL-запроса для установки модуля PostGIS

.2.3 Настройка связи QGIS - PostGIS

Для наполнения базы данных информацией необходимо настроить подключение QGIS к базе данных PostGIS. Подключение необходимо настраивать дважды: для импорта данных и для экспорта. Окно создания подключения отображено на рисунке 3.2. В окне задаются требуемые настройки: имя подключения, узел, порт, название базы данных, параметры доступа. После настройки подключения можно получить данные путем нажатия кнопки «Подключиться». На рисунке 3.3 отображено окно выбора загружаемых из базы данных слоев. Экспорт пространственных данных в PostGIS производится через дополнительный модуль SPIT.

Рисунок 3.2 - Окно создания подключения к PostGIS из QGIS

Рисунок 3.3 - Окно выбора слоя из базы данных PostGIS

.2.4 Наполнение проекта данными

Внесение данных в проект производится через настольную пользовательскую ГИС Quantum GIS.

Импорт данных

Импорт данных производится путем вызова операции «Добавить векторный слой». После вызова операции открывается окно «Добавить векторный слой» (рисунок 3.4), в котором указываются необходимые параметры. Сначала выбирается тип источника (в нашем случае - файл) и кодировка. Для совместимости с PostGIS русских символов в атрибутивно информации, кодировка выбирается UTF-8. После этого указывается путь, где расположен файл. По нажатию на кнопку «Open» слой добавляется в QGIS.

Рисунок 3.4 - Окно «Добавить векторный слой»

 

Регистрация растра

Регистрация растра производится путем вызова модуля «Привязка растров». Вызов происходит при выполнении команды «Растр» - «Привязка растра» - «Привязка растра». Окно модуля отображено на рисунка 3.5. Инструментом «Добавить точку» указываются центры координатной сетки и задаются их координаты X и Y. В меню «Параметры трансформации задается тип и метод трансформации, а также другие настройки. По нажатию на кнопку «Начать привязку» растр преобразуется и добавится как новый слой в QGIS.

Рисунок 3.5 - Окно «Привязка растра»

Векторизация и ввод атрибутивной информации

Векторизация производится в следующем порядке:

1)   создается новый слой;

2)      слой переключается в режим редактирования;

)        выбирается инструмент «Add feature»;

)        объект векторизуется выбранным инструментом;

)        слой переключается из режима редактирования и сохраняется.

Результат векторизации отображен на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Векторизация по растровому слою

 

Экспорт данных

Для экспорта информации в базу данных используется утилита SPIT. Интерфейс утилиты представлен на рисунке 3.7. Предварительно создается подключение к базе данных, потом выбирается shape-файл, который необходимо экспортировать. После нажатия кнопки «ОК» произойдет экспорт данных. Результат экспорта представлен на рисунке 3.8

Рисунок 3.7 - Утилита SPIT для экспорта данных в PostGIS

Рисунок 3.8 - Таблица загруженных данных слоя «Растительность» в PostGIS

.2.5 Добавление хранилища данных в GeoServer

Запуск сервера GeoServer производится путем вызова команды «Start GeoServer» из меню Пуск или с рабочего стола. После того, как сервер будет запущен, в командной строке браузера набирается адрес для доступа к системе управления сервером. Производится вход в систему (используются логин и пароль, указанные при установке). В левой панели выбирается пункт «Stores», потом ссылка «Add new Store» и пункт «PostGIS Database». Откроется окно создания нового подключения к хранилищу данных (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 - Добавление нового источника данных в GeoServer

В окне указываются основные параметры подключения: узел, данные входа, схема подключения, количественные характеристики подключения. После задания этих параметров можно выбрать слои в меню «Layers - Add new layer». Предварительный просмотр слоев можно сделать в меню «Layer Preview».

.2.6 Программирование интерактивной карты

Библиотека OpenLayers находится в открытом доступе по адресу #"551907.files/image018.gif">

Рисунок 3.10 - Код загрузки слоя «Здания»

Рисунок 3.11 - Результат работы кода, интерактивная карта

.3 Расчет экономической эффективности разрабатываемого проекта

Экономическая эффективность - это соотношение полезного результата и затрат факторов производственного процесса. Для количественного определения экономической эффективности используется показатель эффективности. Показатель эффективности - относительный показатель эффективности операции, проекта или процесса. Определяется как частное от деления потенциального эффекта к её ресурсоемкости [5, 12].

Потенциальный экономический эффект измеряется максимальной экономией затрат совокупного общественного труда, которая может быть достигнута на основе применения определенной технологии. Реальный экономический эффект измеряется той экономией затрат труда и средств, которая может быть получена при применении альтернативных технологий.

Разрабатываемый проект состоит из отдельных программных компонентов. Каждый компонент распространяется бесплатно со свободной лицензией. Чтобы рассчитать потенциальный экономический эффект, необходимо сравнить стоимость разработки проекта при применении аналогичных проприетарных компонентов.

1.   СУБД.

В проекте используется СУБД с открытым исходным кодом PostGIS. На рынке имеется несколько альтернативных серверов пространственных данных, они приведены в таблице 3.1 [28, 31, 42].

Таблица 3.1 - Альтернативные проприетарные СУБД

Производитель	Продукт	Стоимость, тыс. руб.
Oracle	Oracle Spatial 11	» 550
Microsoft	SQL Server	» 110
ESRI	ArcSDE	» 300
	Интервал стоимости	110-550

2.   Настольная ГИС.

Для наполнения проекта данными и их редактирования используется программное обеспечение QGIS. В качестве альтернативных программ могут использоваться некоторые проприетарные ГИС (таблица 3.2) [20, 21, 23, 30]

Таблица 3.2 - Альтернативные проприетарные настольные ГИС

Производитель	Продукт	Стоимость, тыс. руб.
Pitney Bowes	MapInfo Professional	75,5
Autodesk	AutoCAD Map 3D 2012	142,7
Autodesk	AutoCAD Civil 3D 2012	161,8
ESRI	ArcView 10.0	126,0
	Интервал стоимости	75,5-161,8

3.   Картографический веб-сервер.

Кроме используемого в проекте GeoServer, существуют проприетарные серверы. Основные из них приведены в таблице 3.3 [23, 31].

Таблица 3.3 - Альтернативные проприетарные картографические веб-серверы

Производитель	Продукт	Стоимость, тыс. руб.
Pitney Bowes	MapXtreme 2005	1375,0
ESRI	ArcGIS Server 9.2	1955,6
	Интервал стоимости	1375,0-1955,6

4.   Интерактивная карта.

В проекте используется библиотека с открытым исходным кодом OpenLayers. Библиотека хорошо распространена, но существуют также и проприетарные аналоги (таблица 3.4) [34, 39].

Таблица 3.4 - Альтернативные проприетарные интерактивные карты

Производитель	Продукт	Стоимость, тыс. руб.
WebUnion Media	iMapBuilder	3,0
MosMap	MosMap Interactive	2,5
	Интервал стоимости	2,5-3,0

Расчет экономической эффективности приведен в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Расчет экономической эффективности

Потенциальный эффект		Ресурсоёмкость
Позиция	Стоимость, тыс. руб.	Позиция	Стоимость, тыс. руб.
СУБД	110 - 550	СУБД	-
Настольная ГИС	75,5 - 161,8	Настольная ГИС	-
Картографический веб-сервер	1375,0 - 1955,6	Картографический веб-сервер	-
Интерактивная карта	2,5 - 3,0	Интерактивная карта	-
Оплата труда	20,0	Оплата труда	50,0
Итого	1583,0 - 2690,4	Итого	50,0
Экономическая эффективность

Экономическая эффективность оценена как от 31,7 до 53,8 рублей на рубль вложений потенциально. Этот показатель очень высок, это говорит о рентабельности использования открытого программного обеспечения.

4. Разработка экологических мероприятий

.1 Экология внутренней среды здания

Здания являются искусственно созданной экосистемой. Эта система, с одной стороны, конструктивно замкнута, с другой, - не может существовать самостоятельно, поскольку экологически нерепродуктивна. Живучесть этой системы обеспечивается взаимодействием с окружением. Поэтому, связь между гигиеной помещений и воздушной средой города, а также с инсоляционным и шумовым режимами существенна.

У пользователя объектом образ здания формируется на базе осмысленной и даже интуитивной оценки параметров среды, потребностей и социальных стереотипов. Исходя из такой предпосылки, процесс формирования концепции замкнутой системы можно представить, как последовательное движение по следующим блокам: «фиксация целей - конкретизация видов деятельности - выявление параметров системы - определение методов инженерно-технического воплощения». Процесс этот можно представить в виде структуры, изображенной на рисунке 4.1, где дана некоторая определенная группа целей, состав которых может меняться в зависимости от назначения здания.

Из рисунка видно, что системы связаны с блоком окружающего пространства, которое воздействует не только на систему внутренней среды: от его параметров зависит выбор технических решений. Агрессивность грунтов, атмосферы и воды влияет на долговечность конструкций и инженерных систем зданий. Эти параметры опосредованно воздействуют и на формирование целей.

Первый блок - это система целей, на основе которых строится или реконструируется объект. Система требований, предъявляемых застройщиком, носит, прежде всего, психологический характер. Важную роль здесь играют мораль и эстетика. В зависимости от культуры и образования пользователь определяет формы выражения престижности и стабильности жизни в здании.

Рисунок 4.1 - Экосистема здания

Второй блок объединяет системы предполагаемой деятельности. Они также зависят от индивидуальных потребностей пользователя. Здесь детализируются цели, учитываются предназначение помещений и их антропогенные характеристики.

Третий блок - система требований, определяющих комфортность пребывания в здании. Она объединяет четыре группы факторов. Фактор капитальности как средство оценки рациональности внутренней среды рассматривают на самом раннем этапе изучения требований к этой среде. В этом понятии объединена престижность сооружения, зависящая от его внешнего вида, качества отделки и комфортности объемно-планировочного решения. Капитальность зависит также от долговечности и огнестойкости. Долговечность - это продолжительность периода нормального функционирования здания, по истечении которого настолько утрачиваются его основные свойства, что наступает предельное состояние, т.е. дальнейшая эксплуатация становится невозможной. Пожаробезопасные свойства характеризуют огнестойкость. Гигиеничность среды - наиболее традиционная составляющая комфортности. Поскольку этот фактор существенно влияет на здоровье людей, основные показатели жестко нормируются подзаконными актами государственного и регионального уровней: СНиП, СанПиН, ГОСТ, ОСТ, ТУ и пр.

Искусственную среду зданий отождествляют с микроклиматом, который трактуют, как совокупность тепловлажностного режима, экологической чистоты компонентов среды, звукового и зрительного комфорта; последние достаточно жестко нормируются. В таблице 4.1 в качестве примера приведены показатели комфортности помещения.

Таблица 4.1 - Показатели комфортности помещения

Показатель	Сезон года
	холодный	теплый
Температура воздуха,°C	20-22	22-25
Подвижность воздуха, м/с	0,1-0,15	0,15-0,25
Влажность воздуха, %	30-45	30-60
Перепад температур, °С:
между стеной и воздухом помещений	2-3	-
между полом и воздухом помещений	1,5	-
Объем воздуха на одного человека, м3/чел.,	60	60
Концентрация легких ионов в воздухе, ион/см	1000-3000	1000-3000
Концентрация озона в воздухе, мкг/м3	10-40	10-40

Тепловлажностный режим важен для ощущения комфортности пребывания в помещении, поскольку он связан с биологическими процессами в теле человека, протекающими с образованием и выделением тепла. Тепловой баланс с окружающей средой обеспечивается, когда выделенное тепло полностью рассеивается. Это происходит при температуре поверхности тела от 31 до 34°С и в помещении - от 18 до 19°С.

Однако ощущение комфортности зависит не только от температуры воздуха, показываемой «сухим» термометром, существенна и температура увлажненного воздуха, т.е. относительная влажность. Важны также скорость движения воздуха и лучистый теплообмен. Неблагоприятные сочетания перечисленных параметров вызывают усиление деятельности терморегуляции организма, что негативно сказывается на мышечном и психическом тонусах человека. Относительная влажность воздуха влияет на скорость испарения. В сухой атмосфере влага с кожи испаряется значительно быстрее, чем во влажной. Однако при влажности менее 20% пересыхает слизистая оболочка и возрастает восприимчивость организма к инфекции. При влажности более 75%, считающейся очень большой, насыщенный парами воздух препятствует испарительным процессам, поэтому человек может выдерживать лишь кратковременное пребывание в такой среде. Относительную влажность воздуха задают в зависимости от назначения помещения и протекающих в нем технологических процессов.

От движения воздуха зависит теплообмен. При определенных скоростях за счет конвекции происходит рассеивание тепла и влаги с поверхности тела, если температура воздуха не достигает 40°С. В застойной атмосфере соприкасающийся с кожей воздушный слой быстро насыщается влагой и поэтому препятствует дальнейшему испарению. При скорости воздуха в помещении до 0,1 м/с человек испытывает чувство духоты. При более высокой скорости движения воздух сдувает влажный слой, чем обеспечивается непрерывное рассеивание тепла, однако сильный сквозняк может вызвать переохлаждение. Оптимальной скоростью перемещения воздушной массы в помещениях считается 0,25-1,5 м/с.

Влияние лучистого теплообмена на микроклимат помещений изучено недостаточно. Но непосредственное влияние лучистой энергии существеннее, чем средняя температура воздуха. Если тепловое излучение приборов центрального отопления, других разогретых тел или солнечных лучей повышает так называемую радиационную температуру на 0,5-0,7°С, то это может быть компенсировано понижением температуры воздуха, но уже на 1°С. Установлено, что радиационная температура является комфортной, если она превышает температуру воздуха примерно на два градуса. Если же она ниже, то вызывает ощущение холода и сквозняка, что часто испытывают люди, находящиеся у окна или наружной стены.

Звуковой комфорт является одним из ведущих факторов, определяющих гигиеническое состояние среды обитания: от того, какой звуковой режим в помещении, во многом зависит состояние находящихся там людей. В силу заложенных природой особенностей посторонние звуки, как правило, негативно воздействуют на нервную систему. Организм плохо адаптируется к этому раздражителю, поскольку ассоциируется с опасностью. Звук как физическое явление представляет собой центростремительное волновое движение упругой среды, как физиологический процесс, он является ощущением, возникающим при воздействии звуковых волн на органы слуха и организм в целом.

С физиологической точки зрения, звуковые волны делят на полезные звуки и шум. Шум вызывает раздражающее действие, предельный уровень звукового давления, длительное воздействие которого не приводит к долговременным повреждениям органов слуха, равен 80-90 дБ, если уровень звукового давления превышает 90 дБ, то это постепенно приводит к частичной или даже полной глухоте. Все источники имеют разную частоту, накладываясь друг на друга, они действуют в широком спектре. Причем, звуки высоких тонов человек воспринимает как более громкие.

Определение уровня звукового давления на разных частотах довольно сложно. На практике поэтому часто используют величину суммарного (эквивалентного) уровня звука. Таким образом корректируют звуки в части влияния низких частот. Величина применима для ориентировочной оценки, применяемой в градостроительстве. Именно ее используют в нормативных документах, где установлено, что на внутриквартальных территориях она не должна превышать 55 дБА. Уровень шума в помещениях зависит от интенсивности внутренних и внешних возбудителей. Внутренние шумы вызывает инженерное оборудование зданий. Оно является источником звуков разной частоты и иногда оказывает довольно неблагоприятное влияние на состояние людей. Внешние источники - это производственные шумы, возникающие в процессе работы близлежащих предприятий. Однако главной причиной шумового дискомфорта являются транспортные потоки, которые в крупных городах имеют тенденцию интенсивного развития.

Зрительному комфорту в настоящее время уделяется все большее внимание. В связи с этим возникло даже новое научное направление - видеоэкология. Актуальность его создания обусловлена активной урбанизацией общества, отдалившей человека от естественной визуальной среды и переместившей его в среду искусственную - городскую, зачастую враждебную, а иногда и агрессивную. Орган зрения является основным сенсорным каналом. Через него люди получают до 80% информации, поэтому естественно стремление создать среду как можно менее агрессивную. Во враждебной среде зрение как канал связи может частично отключаться, и человек не получит необходимой информации. Кроме того, поскольку движения человека в значительной степени связаны со зрительным восприятием, может быть нарушена его ориентация в пространстве. При обилии одинаковых объектов наблюдается явление раздражающей монотонности, нарушается фиксация на одном из них.

Некоторые ученые считают, что рост агрессивности человечества обусловлен ритмизацией сигналов, которые поступают на входы органов зрения. Ярко отделанные помещения с назойливо повторяющимися линиями, пятнами или другими рисунками вызывают неблагоприятный для глаза зрительный эффект. Такие же ощущения появляются при неблагоприятном виде из окон. Учитывая это, помещения стараются разместить со стороны фасада, открывающего обзор на среду с большим разнообразием элементов окружающей среды. К комфортной визуальной среде относится также озеленение: деревья и кустарники имеют неповторимый силуэт, богатство красок, где преобладает зеленый цвет, наиболее благоприятно и успокаивающе действующий на психику человека.

Зрительная изоляция помещений, особенно индивидуальных комнат, играет положительную роль, удовлетворяет естественную потребность человека в уединении. В целях обеспечения этого условия помещения стремятся делать не только звукоизолированными, но и зрительноизолированными. Архитектурно-пространственными средствами можно добиться зрительной изоляции.

Потребность в освещенности помещений зависит от функционального состояния человека. Для активной деятельности необходим свет значительной интенсивности, а для отдыха - мягкий рассеянный, чего можно достичь, используя шторы и жалюзи. Таким образом, исходной величиной следует считать освещенность, необходимую для активной деятельности. Естественное освещение в зданиях регламентируют, исходя из нормативной величины освещенности - коэффициента естественного освещения (КЕО). Его значение определяют с учетом светового климата в районе расположения здания и характера деятельности человека в данном помещении.