Динамическое формирование картографических слоев в информационно-аналитических системах

Картографические слои являются основными элементами организации и отображения информации в ГИС. Слои определяютспособы отображения наборов географических объектов на карте. При использовании тематических карт в информационно-аналитических системах информация об объектах слоя должна быть предварительно сформирована и сохранена в отдельных файлах. Пространственная информация (информация о расположении объектов) хранится в векторных файлах (с расширениями .shp, .mif и пр.), атрибутивная информация – в табличных файлах (с расширениями .dbf, .mid и пр.) [1; 2]. Данный вид представления картографических слоев назовем статическим. При использовании только ста- тического представления в информационно-аналитической системе невозможно сформировать наполнение картографических слоев, изменять географическое положе-ниеи содержание объектов на карте. Для внесения изменений о территориальных объектах необходимо редактировать статические картографические слои, используя инструментарий ГИС.

При геомоделировании сложных процессов, включая картографическое представление результатов логического вывода экспертной системы, OLAP-анализа или расчетной методики, помимо использования статических картографических слоев предлагается использовать методы динамического формирования объектов слоя [3].

Такой вид слоев соответствует представлению на карте объектов, существование, местоположение и форма которых определяется в зависимости от данных, принятых из управляющей системы, будь то экспертная или OLAP-система. В качестве примера можно привести формирование слоя, отображающего зоны заражения местности в результате химической аварии (рис. 1). Прозрачный площадной слой, соответствующий зонам заражения, формируется на карте города, состоящей из статических слоев, таких как «Реки», «Дома» и пр. Зоны заражения отображаются в виде секторов окружности, такой вид соответствует представлению зон химической аварии, рассчитанных по стандартной методике РД 52.04.253-90 [4].

Для реализации оперативной работы с изменяющимися территориально распределенными объектами разработаны методы динамического формирования картографических слоев, в управляющую систему предлагается добавить инструментарий, осуществляющий возможность настройки динамического формирования слоев средствами ГИС для дальнейшего геомоделирования результатов логического вывода экспертной системы, OLAP-анализа или модулей расчетных методик. При этом методы тематического картографирования с целью геомоделирования сложных процессов могутприменяться для формирования легенды не только статических, но и динамически сформированных картографических слоев.

Наполнение формируемого слоя, его пространственная и атрибутивная информация, создается на основе содержания выбранной таблицы источника данных управляющей системы. В частности, выбранной таблицей мо-жетявляться таблица агрегатов, содержащая агрегирован- ные данные, прошедшие предварительную обработку. Это позволяетсформировать новый слой не только на основе собранных статистических данных, но и на основе аналитических результатов. Использование таблиц агрегатов для динамического формирования картографических слоев является отличительной особенностью средств оперативного геомоделирования в информационно-аналитической системе по сравнению с традиционными геоинформаци-онными системами. Обозначим выбранную таблицу U, элементами которой являются uij, здесь i= 1,m–индекс строки таблицы; j= 1, n–индексстолбцатаблицы (поля); m, n – количество строк, столбцов соответственно.

Для решения задачи динамического формирования новых картографических слоев разработаны алгоритмы получения пространственной информации, позволяющие найти координаты точек для построения объектов нового слоя. Если географические координаты содержатся непосредственно в таблице U , то их можно использовать для формирования нового слоя. При отсутствии необходимой информации о местоположении объектов в таблицах источников данных управляющей системы предлагается формировать координаты точек нового слоя на основе картографической привязки к слоям из топографической основы карты. Для этого необходимо установить соответствие между полем таблицы U и полем атрибутивной таблицы A^* слоя L^* карты M . Для совпадающих значений объектнового слоя будет формироваться, используя координаты соответствующего ему объекта статического слоя. Атрибутивной информацией слоя является таблица, полученная из строк таблицы U , по которым сформированы объекты нового слоя. Отметим, для

Рис. 1. Отображение зон заражения при химической аварии

геомоделирования информации из экспертной или OLAP-системы можно динамически сформировать и визуализировать несколько картографических слоев.

Настройки по формированию нового слоя должны предшествовать установлению картографической привязки географического измерения гиперкуба данных со слоями карты. Данные настройки включают в себя определение типа слоя (формировать точечный, линейный или площадной слой), указание полей таблицы U и полей атрибутивной таблицы A^* статического слоя L^* .

Динамически сформированный слой является набором векторных данных, размещенных в оперативной памяти. Сформированный временный слой, соответствующий текущим значениям оперативных данных, может быть сохранен в картографическом формате, поддерживаемом ГИС. Необходимость в сохранении слоя возни-каетпри формировании линейного или площадного слоя, объекты которого могут состоять из десятков, сотен, а иногда и тысяч вершин.

ГИС позволяетпроизводить с динамически сформированными слоями те же операции, что и со статическими слоями, включая применение методов тематического картографирования. Это позволяет визуализировать на карте результаты логического вывода экспертной системы, OLAP-анализа или модуля расчетной методики, разбив динамически сформированный слой на классы по географическому измерению гиперкуба данных.

Поскольку процесс формирования слоя автоматизирован, временные затраты на составление слоя значительно сокращаются по сравнению с «ручным» редактированием слоя в ГИС-среде. Необходимо только указать пространственные координаты и ввести атрибутивную информацию, соответствующую добавляемым объектам. Можно построить точечный, линейный или площадной слой на основе значений координат из таблицы U источника данных управляющей системы или соответствия записей таблицы U объектам точечного или линейного слоя топографической основы карты M .

Алгоритмы формирования картографических слоев на основе таблицы источника данных. Для формирования точечного слоя в таблице источника данных OLAP-системы U указываются два поля, содержащие долготу и широту. Обозначим индексы полей, где хранятся долгота и широта, x и y соответственно. Каждой i -й записи таблицы U , i = 1, m , с непустыми значениями координат будет соответствовать точечный объект с координатами u_ix и u_iy (рис. 2).

Для пересчета координат возможен выбор картографической проекции. При помощи инструментов ГИС можно редактировать новый слой: изменять местоположение точечного объекта, удалять или добавлять новый объект. При модификации слоя внутри ГИС осуществляется обратная связь: автоматически происходит редактирование таблицы источника данных OLAP-системы, по которой данный слой был сформирован.

В качестве примера применения данного метода приведем формирование точечного слоя, отображающего метеостанции на территории Красноярского края. Точно известны координаты всех метеостанций, при этом часть из них может быть закрыта, или могут появиться новые, чем объясняется формирование слоя динамическим методом вместо использования статического слоя.

Рис. 2. Алгоритм формирования точечного слоя на основе координатиз таблицы источника данных

Для формирования линейного слоя необходимо выполнить те же настройки, что и при формировании точечного слоя. По координатам из таблицы U формируется набор точек, по которым строится трек – ломаная, соединяющая точки в порядке их перечисления. Сформированный линейный слой состоит из одного объекта (рис. 3).

Рис. 3. Алгоритм формирования линейного слоя на основе координаттаблицы источника данных

Алгоритмы формирования картографических слоев с применением топографической основы. Алгоритмы применяются, если можно выполнить картографическую привязку к объектам существующих статических слоев – например, если необходимо сформировать слой медицинских учреждений для заданной территории, для которой построен слой населенных пунктов и существует информация о принадлежности медицинских учреждений населенным пунктам (рис. 4).

При формировании нового слоя L_d используются координаты объектов слоя топографической основы L^* . В таблице U выбирается поле привязки под индексом х . В атрибутивной таблице A^* слоя L^* выбирается поле привязки под индексом y . Ес ли i -му элементу из поля привязки u_ix таблицы U , i = 1, m , будет соответствовать j -й элемен т из поля привязки a_jy атрибутивной таблицы A^* , j = 1, g * , то строится новый точечный объект в слое L_d , наследующий координаты объекта o_j слоя L^* .

В случае соответствия нескольких записей из таблицы U одному точечному объекту слоя L^* , объекты нового слоя наследуютобщую пару координат. При визуализации возникаетпроблема наложения условных обозначений нескольких объектов. Разрешить проблему наложения возможно отображением условных отображений в ряд (рис. 5). Для этого при формировании объектов нового слоя необходимо сохранять для каждого объекта порядковый номер, равный количеству уже сформированных объектов, соответствующих идентичному объекту слоя L^* .

Рис. 4. Алгоритм формирования точечного слоя на основе координат объектов точечного слоя топографической основы

Таким образом, для указания местонахождения объектов слоя осуществлена привязка каждого медицинского учреждения к населенному пункту. Для организации привязки в таблице-перечне всех медицинских учреждений отведено поле со значениями идентификаторов населенных пунктов размещения медицинских учреждений. Слой «Населенные пункты» является статическим. Медицинские учреждения могут изменять свой статус, появляться новые или закрываться старые. Объекты слоя медицинских учреждений наследуют координаты соответствующих им населенных пунктов. В результате наследования динамически формируется слой медицинских учреждений края.

Рис. 5. Отображение точечных объектов вряд

Рассмотрим алгоритм формирования точечного слоя с использованием координат объектов линейного слоя топографической основы (рис. 6). Формирование пространственной информации происходит путем нахождения координатточек, лежащих на заданном объекте линейного слоя (ломаной) на определенном расстоянии от начальной точки объекта. Значения расстояний определяются значениями поля под индексом x таблицы U .

В таблице U выбирается поле привязки под индексом х . В линейном слое L^* фиксируется объект o^* , по которому будетидти построен ие точечного слоя. Если i -й элемент u_ix таблицы U , i = 1, m , являетсянепустым, то строится новый точечный объект в новом слое, находящийся на расстоянии u_ix отначальной точки объекта o^* слоя L^* . Для определения координатточки используются операторы R_x , R_y , которые возвращают координаты точки, находящейся на заданном расстоянии от начальной точки линейного объекта.

Рассмотрим пример: пусть необходимо сформировать точечный слой, отображающий динамику движения кромки ледостава на реке Енисей по датам, на основе данных таблицы (рис. 7). В поле Distance хранятся расстояния отметок кромки льда от начальной отметки (Красноярская ГЭС) [5].

В результате формирования точечного слоя (рис. 8), каждой точке будет соответствовать временная отметка кромки ледостава. Для формирования нового слоя используется объект «Енисей» линейного слоя «Реки». Слой «Водоемы» является площадным и, следовательно, не можетбыть использован для динамического формирования нового слоя рассматриваемым методом. В качестве подписей отметок кромки ледостава используется поле Date2 таблицы U, которая является образом атрибутивной таблицы динамически сформированного слоя.

Рис. 6. Алгоритм формирования точечного слоя на основе координат объектов линейного слоя топографической основы

ID |Date2 I Distance I Descript

285	03.30.06	342	58 км выше г.Лесосибирска
286	03.31 06	345	55 км выше г.Лесосибирска
287	04.01.06	350	50 км выше г.Лесосибирска
288	04.02.06	352	48 км выше г.Лесосибирска
288	04.03.06	370	30 км выше г.Лесосибирска
280	04.04.06	372	28 км выше г.Лесосибирска
281	04.05.06	373	27 км выше г.Лесосибирска
282	04.06.06	385	15 км выше г.Лесосибирска

Рис. 7. Фрагменттаблицы из источника данных OLAP-системы

Алгоритм формирования точечного слоя с использованием координатобъектов линейного слоя топографической основы применим для построения временных отметок нахождения в пути при известном пройденном расстоянии от некоторой начальной точки.

Рассмотрим алгоритм формирования площадного слоя с использованием координат объектов точечного слоя топографической основы. Для построения алгоритма предлагается формировать площадной слой из геометрических фигур (например окружностей, секторов окружностей), геометрические параметры которых задаются в таблице U , а местоположение определяется привязкой к объектам точечного слоя топографической основы L^* .

Картографический пример формирования площадного слоя был приведен выше (см. рис. 1).

Рис. 8. Отображение динамики кромки ледостава на реке Енисей за 2006 г.

В атрибутивной таблице A^* слоя L^* выбирается поле привязки под индексом y . В таблице U выбирается поле привязки под индексом х . Далее необходимо задать геометрические параметры площадных объектов: α , β – угол сектора и его направление (в градусах), соответственно, при α = 0°или α = 360° строится окружность. В таблице U выбирается поле под индексом r , в котором хранятся радиусы объектов . Е сли i -му элементу из поля привязки u_ix таблицы U , i = 1, m , будетсоответствовать j -й элеме нти з поля привязки a_jy атрибутивной таблицы A^* , j = 1, g * , тогда строится новый площадной объект слоя L_d , центр которого определяется координатами точечного объекта o_j слоя L^* , а радиус определяется значением поля u_ir . При необходимости можно заново указать поле, содержащее радиус, и построить площадные объекты с центрами в тех точках и теми же параметрами α и β . В примере, приведенном выше, из точечного объекта построено два сектора разных радиусов, соответствующих площади заражения первичным и вторичным облаками, возникшими в результате химической аварии.

Итак, в работе предложены методы динамического формирования картографических слоев на основе содержимого топографических картографических слоев и многомерных данных OLAP-системы, результатов логического вывода экспертной системы или модулей расчетных методик. Для формирования новых слоев могут быть использованы таблицы агрегатов, содержащие агрегированные данные, прошедшие предварительную обработку. Это позволяет сформировать новый слой не только на основе собранных статистических данных, но и на основе аналитических результатов. Использование таблиц агрегатов для динамического формирования картографических слоев является отличительной особенностью средств оперативного геомоделирования, взаимодействующих с экспертными или OLAP-системами, по сравнению с традиционными геоинформационными системами. Разработаны алгоритмы формирования точечных, линейных и площадных слоев с использованием значений координаттаблицы из источника данных управляющей системы либо соответствия объектам точечного или линейного слоя топографической основы карты.