Разработка электронного банка данных картографической информации для работы с геоинформационными системами военного назначения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Одной из существующих и перспективных областей применения ГИС является военная область, под которой подразумеваются приложения не только для частей МО, но и для других силовых структур. Несмотря на разницу в задачах этих организаций, их организационной структуры и т.д., все они работают с картографической информацией, причем не только с целью просмотра, но и ее анализа. Топографическая служба, кроме того, занимается еще созданием и обновлением самой картографической основы.

Необходимость проанализировать географическое расположение явлений и объектов, их количественные и качественные характеристики при помощи карты возникает у различных ДЛ органов военного управления. Прежде всего, это, конечно, управляющие структуры, владеющие большими массивами информации, на основе которой принимаются решения. Круг возможных потребителей цифровой картографической информации чрезвычайно широк, что является одной из причин резко возросшего спроса на географические информационные системы - ГИС.

Значительная часть географических данных быстро меняется с течением времени и поэтому неприемлемым становится использование бумажных карт: быстроту получения информации и её актуальность может гарантировать только автоматизированная система. Первыми попытками применения автоматизации в географии стали банки географической информации. Однако с течением времени накапливался опыт сбора, хранения и управления данными, нарабатывались библиотеки программ, решающих стандартные задачи. Современная ГИС - это автоматизированная система, имеющая большое количество графических и тематических баз данных, соединенная с модельными и расчётными функциями для манипулирования ими и преобразования в пространственную картографическую информацию для принятия на её основе разнообразных решений и осуществления контроля [1].

Современные ГИС в вооруженных силах также должны найти широкое применение в оперативной подготовке органов военного управления, информационном обеспечении боевых действий, уточнении топографических карт, определении места положения войск и отдельных военнослужащих, а также в других областях деятельности войск.

Решение этих задач неразрывно связано с использованием картографической информации в реальном масштабе времени. ГИС обеспечивают наиболее полное создание и своевременное обновление картографической основы. Прежде всего, это касается различных типов карт. Кроме того, уже сейчас имеется возможность получать аэрофото - и космические снимки объектов местности с минимальной задержкой по времени, с возможностью получения их специфических характеристик.

В настоящее время значительная часть географической информации быстро меняется с течением времени, что делает не актуальным использование традиционных карт.

1. Анализ электронных карт и геоинформационных систем военного назначения

1.1 Анализ структуры электронных карт, использующихся в геоинформационных системах военного назначения

В ГИС военного назначения можно создать следующие виды карт [2]:

- карта, состоящая из набора номенклатурных листов международной разграфки (стандартного размера), или листов произвольного размера,

- карта, состоящая из одного листа стандартного или произвольного размера,

- карта, имеющая произвольные границы (весь Мир, регион, населенный пункт), изменяющиеся в соответствии с текущим составом объектов.

В одном окне карты обычно открывается многолистовая карта местности , а поверх нее могут открываться карты, имеющие произвольные границы и содержащие различную тематическую информацию. Карты с произвольными границами называются пользовательскими. Тематическая информация зависит от сферы применения ГИС. Например, состояние коммуникаций, демография, экономика, экология, военное дело и так далее.



Рис. 1. Пример многолистовой топографической карты

Рис. 2. Пример карты оперативной обстановки

В качестве карты местности может быть и карта произвольной территории, представленная одним единым листом. Например, карта области, карта региона, карта страны.

Многолистовая карта быстрее отображается, чем карта, хранящая объекты водном листе. Деление объектов по листам не влияет на точность координат, определение характеристик протяженных объектов (рек, дорог), решение специальных задач (транспортных, навигационных).

Для обмена цифровыми картами могут применяться форматы SXF, GML, MIF,SHP, DXF, KML, MP и другие.

Техническое описание формата SXF приведено в документе «Открытый формат цифровой информации о местности (Код формата-SXF). Структура формата. Редакция 4.0».

Состав данных цифровых карт [2]:

Данные цифровых векторных карт имеют следующую логическую структуру:

- паспортные данные о листе карты (масштаб, проекция, система координат, прямоугольные и геодезические координаты углов листа и так далее);

- метрические данные объектов карты (координаты объектов на местности);

- семантические данные объектов карты (различные свойства объектов).

Объектом цифровой карты является совокупность цифровых данных: метрики и семантики. Объекту карты может соответствовать реальный объект на местности (мост, река, здание и т.д.), группа объектов (квартал - группа домов и т.п.) или часть объекта. Объект сложной конфигурации может быть разделён на несколько объектов. Например: крыльцо здания, отдельные корпуса. Некоторым объектам карты не имеется соответствия: поясняющие подписи, горизонтали, километровая сетка и тому подобное.

Отдельные объекты векторной карты могут логически объединяться по слоям, характеру локализации и признакам, устанавливаемым пользователями.

Описание видов объектов векторных карт, семантических характеристик (свойств, атрибутов) объектов, слоев, в которые объединяются объекты, условных знаков, используемых при отображении и печати карты, хранится в цифровом классификаторе карты.

На цифровой карте может быть до 65536 видов объектов, которые могут объединяться в 255 слоев и иметь до 65536 видов характеристик.

Многолистовые карты содержат листы одного масштаба, проекции, системы координат. Данные об отдельном листе хранятся в следующих файлах:

- метрика (координаты объектов, *.DAT),

- семантика (характеристики объектов, *.SEM),

- справочные данные (индексы для быстрого поиска объекта или его описания, *.HDR).

На все листы карты создается один файл-паспорт формата MAP. На каждый лист в паспорте содержится отдельная запись.

Библиотека условных знаков, список кодов объектов и их названий, описание слоёв и семантических характеристик хранятся в цифровом классификаторе формата RSC.

Формирование многолистовой карты может быть выполнено при импорте данных из формата SXF с применением файла формата DIR.

Благодаря тому, что каждый лист многолистовой карты физически отделен от остальных листов, он может быть самостоятельно обновлён, отображён, отредактирован и передан от одного пользователя другому, не затрагивая всей многолистовой карты.

Файлы данных одной многолистовой карты должны находиться в одной директории. Не рекомендуется в одной директории размещать несколько многолистовых карт. Пользовательская векторная карта состоит только из одного листа карты, который не имеет постоянных размеров. При добавлении или удалении объектов его габариты и расположение будут меняться. Пользовательская карта может отображаться совместно с векторной картой местности, а также растровыми и матричными картами. Одна и та же пользовательская карта может одновременно отображаться на разных картах местности и редактироваться разными пользователями. Результаты редактирования у разных пользователей будут выглядеть одинаково.

Пользовательская карта имеет свой классификатор, который не зависит от классификатора карты местности.

Совместно с одной картой местности может одновременно отображаться любое количество различных пользовательских карт со своими классификаторами.

Создание, обновление и распространение карт местности и пользовательских карт может выполняться независимо разными службами из разных источников.

Обмен пользовательскими картами может выполняться в формате SXF двоичного или текстового вида.

Объекты пользовательской карты могут не иметь связи с пользовательским классификатором. Графическое представление объекта может храниться в записи объекта, что облегчает конвертирование данных из форматов DXF, MIF/MID. Такие объекты называются графическими. Атрибутивные данные могут храниться во внешней реляционной базе данных. Связь с базой данных выполняется по уникальному номеру объекта на карте.

Данные о листе пользовательской карты хранятся в следующих файлах:

- метрика (координаты объектов, *.SDA);

- семантика (атрибуты объектов, *.SSE);

- справочные данные (индексные записи, *.SHD);

- графические данные (условные знаки графических объектов, *.SGR);

- файл паспорта карты (*.SIT).

Библиотека условных знаков, список кодов объектов и их названий, описание слоёв и семантических характеристик хранятся в цифровом классификаторе формата RSC.

Растровые данные.

ГИС позволяет отображать и обрабатывать данные ДЗЗ различных видов. Например, данные космической и воздушной съёмки в оптическом диапазоне, мультиспектральные снимки. Эти данные могут импортироваться из различных форматов: GeoTIFF, JPEG, форматы MrSID, BMP и другие. Формат GeoTIFF может отображаться без преобразования во внутренний формат ГИС. Остальные форматы преобразуются в формат RSW, имеющий тайловую структуру из нескольких уровней и поддерживающий сжатие по алгоритмам JPEG и LZW.

Размер одного растрового изображения может быть до 8 Гбайт. При превышении размера в 4 Гбайта создаётся дополнительный файл с тем же именем и добавлением расширения “.01” в конце.

Одновременно вместе с векторными картами могут быть открыты тысячи растров общим объёмом десятки Гигабайт на 32-ух разрядной платформе.

Матричные данные о местности (покрытия).

ГИС обрабатывает матричные данные о местности, представленные в форматах MTW, MTQ, MTL. Файлы указанных форматов являются дополнением к данным в формате SXF для представления различных свойств местности в матричной форме.

Существуют следующие виды матриц свойств местности:

- матрица высот;

- матрица качеств;

- матрица слоёв.

Матрицы высот (MTW) могут быть построены по данным векторной карты. Они могут содержать абсолютные высоты рельефа местности или сумму абсолютных и относительных высот объектов. Матрицы высот описаны в документе «Обработка матриц высот и TIN-моделей. Руководство пользователя». Матрицы качеств (MTQ) могут быть получены путем поиска заданных видов объектов карты, имеющих требуемые характеристики. В матрице заполняются соответствующими весовыми коэффициентами те ячейки, координаты которых относятся к объекту. Матрицы качеств и матрицы высот имеют единую структуру.

Форматы MTW и MTQ имеют файловую структуру из нескольких уровней и поддерживают сжатие данных по оригинальному алгоритму. Размер одной матрицы может быть до 8 Гбайт. При превышении размера в 4 Гбайта создаётся дополнительный файл с тем же именем и добавлением расширения “01” в конце.

Матрица слоёв (MTL) представляет собой регулярную 3D-модель геологических тел (пластов земной коры) и содержит регулярные массивы значений абсолютных высот и мощностей слоёв. Матрицы слоёв описаны в документе «Обработка матриц слоёв. Руководство пользователя».

Структура TIN-моделей рельефа местности.

ГИС обрабатывает TIN-модели рельефа местности, представленные в формате TIN.

TIN-модель представляет собой многогранную поверхность - нерегулярную сеть треугольников, вершинами которых являются исходные опорные точки, а также точки метрики структурных линий и площадей заполнения.

TIN-модель строится по данным исходной векторной карты в пределах полигона триангуляции, включающего точечные, линейные и площадные объекты, с характеристикой "абсолютная высота" или с трёхмерной метрикой.

Более подробно TIN-модели описаны в документе «Обработка матриц высот и TIN-моделей. Руководство пользователя».

Структура MTD-моделей поверхности местности

ГИС обрабатывает MTD-модели рельефа местности, представленные в формате MTD.

Цифровая нерегулярная точечная MTD-модель или «облако точек» представляет собой точечные данные, сгруппированные с привязкой к регулярным фрагментам местности квадратной формы. Другими словами, MTD-модель - это совокупность блоков нерегулярно расположенных точек. Блочная структура модели обеспечивает эффективный доступ к каждой точке. MTD-модель строится по данным точечных измерений, получаемых из различных источников. Такими данными являются, например, результаты воздушного лазерного сканирования и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), результаты сканирования морского дна методом эхолокации, а также любые другие точечные измерения, сформированные специальными методами.

Проект набора карт.

В окне карты может быть открыт набор различных данных, состоящих из векторной карты местности, произвольного количества пользовательских карт, растров и матриц.

Пользователь может установить порядок отображения данных, палитру, яркость, контрастность, признак отображения (с матрицей высот можно работать, не отображая ее), признак редактирования и т.д.

1.2 Анализ геоинформационных систем военного назначения

Анализ ГИС-Интеграция 8.5.

В качестве базового программного продукта в вооруженных силах РФ используется ГИС «Интеграция 8.5» принятая на вооружение приказом МО РФ № 772 от 15 июля 2009 года. В качестве прикладных программных модулей используются программы, работающие под оболочкой ГИС «Интеграция» Рис. 3.



Рис. 3. Диалоговое окно ГИС Интеграция

ГИС ВН «Интеграция» - геоинформационная система, предназначенная для решения следующих задач:

- комплексная обработка различной цифровой информации о местности;

- выполнение измерений и расчетных задач, нанесение результатов на карту;

- создание карт с ОТО, создание БГД;

- отображение и печать карт в стандартных условных знаках, добавление новых знаков в растровом (BMP) или векторном (TrueType) виде;

- поддержка внешних баз данных разнообразных форматов, различные способы связи объектов карт с записями баз данных;

- формирование тематических карт для отображения прикладной информации;

- построение диаграмм по семантическим характеристикам объектов или выбранным полям таблиц баз данных;

- нанесение на карту легенды, формирование зарамочного оформления по заданным шаблонам, подготовка карт к изданию;

- построение трехмерных моделей, профилирование местности, построение зон видимости, создание различных матриц;

- поддержка различных проекций, систем координат, многослойных карт;

- обмен данными в стандартных форматах - SXF, DXF/DBF, MIF/MID, Shape, S57/S52, GRD, TIFF, PCX, BMP и других;

- разработка прикладных задач на C, C++, Pascal; исходные тексты системы, документация для разработчика;

- поддержка многопользовательской работы в сети с одним экземпляром карт, ведение журнала транзакций.

База данных электронных карт имеет иерархическую структуру [2, 7, 8]. На нижнем уровне хранится информация об отдельных объектах карты. Объекты могут объединяться в группы, слои и листы карт. Совокупность листов карт одного масштаба и вида составляет район работ - отдельную базу данных электронных карт. Описание отдельного объекта состоит из метрических данных (координат на местности), семантических данных (свойств объекта), текстовых справочных данных, иллюстративных графических данных и других данных, включая уникальный номер объекта, через который осуществляется логическая связь с внешними реляционными базами данных (БД).

Программное обеспечение системы Интеграция имеет модульную многозадачную структуру. Все модули вызываются из общей управляющей оболочки.

В состав программного обеспечения входят:

- система управления электронными картами;

- управляющая оболочка;

- сервисные модули.

Управляющая оболочка реализована в виде выполняемого файла - OPERATOR.EXE. Она отвечает за пользовательский интерфейс (работу оператора) [2, 6].

Система управления электронными картами реализована в виде динамической библиотеки (DLL). Она выполняет функции специализированной СУБД электронных карт.

Сервисные модули (конвертеры, редактор векторного и растрового изображения, модуль вывода на внешние устройства, модуль расчетов и статистического анализа, модуль взаимодействия с внешними СУБД и другие) реализованы в виде динамических библиотек (DLL).

Такая структура программного обеспечения позволяет пользователям разрабатывать собственные задачи путем замены управляющей оболочки графической среды на программу пользователя и вызова соответствующих функций из динамических библиотек через интерфейс прикладного программирования Рис. 4 [7].

Система электронных карт позволяет обрабатывать следующие виды цифровых картографических данных:

- векторные карты;

- растровые изображения местности (растровые карты);

- матричные данные о местности.

Рис. 4. Загрузка карты по слоям

Различные виды цифровых данных могут обрабатываться совместно или отдельно. Цифровые данные могут конвертироваться в разные форматы, преобразовываться из одного вида в другой, отображаться на графических дисплеях, выводиться на внешние печатающие устройства, редактироваться, трансформироваться и так далее.

Электронная карта в системе «Интеграции» - это скомпонованный пользователем набор различных цифровых данных о местности, относящийся к определенной территории.

В основе электронной карты может быть векторная карта местности, растровая карта или матричная.

После открытия основного вида данных, имеющегося для выбранной территории, пользователь может дополнить его другими видами данных (скомпоновать электронную карту).

Дополнительно могут быть открыты в любом количестве и составе пользовательские векторные карты, растровые изображения и матрицы. С этой целью применяются пункты меню «Файл» и диалоги списков пользовательских карт, списков растров, списков матриц [2, 6].

При закрытии электронной карты описание состава скомпонованных данных сохраняется в текстовом файле с расширением INI. Поэтому, при следующем открытии пользователем базовой карты (векторной, растровой или матричной) будет восстановлен весь состав электронной карты.

Расположение различных видов данных относительно друг друга и масштабирование выполняется автоматически на основе паспортных данных соответствующих видов карт. Паспортные данные заполняются на этапе создания карт (для растровых - на этапе конвертирования из обменных форматов) и в дальнейшем могут уточняться.

Комбинирование различных видов данных и изменение их свойств (позиционирование на местности, масштабирование, порядок отображения на экране, цветовая палитра, яркость, контрастность, состав отображаемых объектов и т.д.) позволяет создавать карты различных характеристик местности для решения широкого круга задач.

Из набора отдельных снимков местности разного масштаба и вида могут создаваться электронные ортофотопланы на большие территории с постепенным наполнением векторными данными (в виде пользовательских карт), привязкой к внешним базам данных. При совместном применении ортофотопланов и матриц высот рельефа могут решаться большинство задач планирования, оперативного управления на местности.

Система Интеграция обрабатывает векторные карты, представленные в открытом формате SXF. Данные из других форматов (S57, MIF / MID, DXF и других) могут быть конвертированы в формат SXF и обратно [2, 6, 7].

Техническое описание формата SXF приведено в документе «Открытый формат цифровой информации о местности (Код формата-SXF). Структура формата. Редакция 4.0»(смотри файл \DOC\SXF4BIN.DOC и DOC\SXF4TXT.DOC) [2, 8].

Данные о цифровых векторных картах имеют следующую структуру:

- паспортные данные о листе карты (масштаб, проекция, система координат, прямоугольные и геодезические координаты углов листа и так далее);

- метрические данные объектов карты (координаты объектов на местности);

- семантические данные объектов карты (различные свойства объектов).

Данные о листе пользовательской карты хранятся в следующих файлах:

- метрики (координаты объектов, *.SDA);

- семантики (атрибуты объектов, *.SSE);

- справочные данные (индексные записи, *.SHD);

- графические данные (условные знаки графических объектов, *.SGR).

На лист создается один файл - паспорт (*.SIT).

Анализ ГИС-Оператор КБ «ПАНОРАМА».

ГИС «Оператор» предназначена для создания (нанесения) и редактирования (обновления) условных знаков (УЗ) оперативной обстановки (ОО) [2].

Основные направления использования ГИС Оператор:

- топогеодезическое обеспечение войск, автоматизация учета и хранения данных, расчет запасов карт;

- ведение дежурных и оперативных карт и схем, автоматизация формирования графических документов;

- инструментальное и информационное обеспечение учений и командно- штабных тренировок;

- автоматизация процессов управления войсками, обеспечение развития концепции сетецентрических войн;

- объемное моделирование местности и оперативной обстановки, создание виртуальных макетов местности;

- информационное обеспечение боевого применения высокоточного оружия;

- оперативный поиск и обеспечение картографическими материалами на требуемый район;

- анализ и прогнозирование оперативной обстановки;

- информационное обеспечение принятия оперативных решений;

- обработка, визуальный анализ тематических справочных данных, формирование наглядных графических документов с использованием цифровой картографической основы, автоматизированная обработка и отображение данных, результатов расчетов и прогнозов;

- бортовая навигация и диспетчерское сопровождение транспортных средств. ГИС Оператор содержит средства редактирования оперативной обстановки, разнообразные классификаторы и библиотеки условных знаков оперативной обстановки, принятые в РФ и НАТО.

Поддерживаются современные протоколы стандарта OGS WebMap Service Interface (WMS) и OGS Web Feature Service I mplementation Specification (WFS), а также протоколы подключения к ресурсам Digital Globe и Google. Обеспечивается многопользовательская работа с картами и базами данных с контролем доступа.

Основной прикладной задачей ГИС Оператор является редактор оперативной обстановки. Редактор оперативной обстановки (далее - Редактор) управляется с помощью инструментальной панели, размещаемой при старте в левой части главного окна ГИС (далее - главная панель Редактора).

Выбор состава технических средств обусловлен возможной обработкой данных большего объема. Векторная электронная карта может содержать несколько тысяч листов электронных карт. Один лист может содержать до 4 млрд. объектов. На карте может быть 65 тысяч видов объектов. Объекты могут объединяться в 256 видов слоев, c учетом локализации объектов более 1000 слоев. Размер отдельного листа (площадь покрываемой территории) не ограничен.

Объем векторной карты может достигать нескольких терабайт.

Объем одной растровой или матричной карты может быть до 8 Гбайт.

ГИС Оператор написана на языке С++ стандарта ANSI ISO/IEC 9899:1999(E).

ГИС Оператор должна функционировать в 32-х и 64-х разрядной операционной среде Windows (7, Vista, 2008 Server, 2003 Server, XP, 2000) на компьютерах с архитектурой процессов Intel (Pentium 4, Core 2 Duo, Core i3 и старше).

Для сборки ГИС Оператор применяются пакеты: “Интегрированная Среда Разработки Borland C++ Builder 6.0”, “Интегрированная Среда Разработки Borland Delphi 6”, “SmartInstall Maker 5.02”.

ГИС Оператор устанавливается в директорию, выбранную пользователем при установке программы.

В состав программного обеспечения ГИС входит модуль Operator.exe, набор DLL-библиотек и файлы оперативной подсказки с расширением CHM. Для подключаемых к ГИС задач, реализованных в виде отдельных DLL, дополнительно присутствуют файлы ICO, содержащие пиктограммы задач. Имя файла ICO совпадает с соответствующим файлом DLL.

Документация для пользователей ГИС, включая учебные материалы и описание прикладных технологий, содержится в поддиректории \DOC.

В поддиректории \DATA содержатся примеры электронных карт и классификаторов.

К использованию ГИС Оператор допускается только квалифицированный персонал, ознакомленный с соответствующей технологической и эксплуатационной документацией.

Программное обеспечение ГИС Оператор имеет модульную многозадачную структуру. Все модули вызываются из общей управляющей оболочки.

В состав программного обеспечения входят:

- система управления электронными картами;

- управляющая оболочка;

- сервисные модули.

Управляющая оболочка реализована в виде выполняемого файла.

OPERATOR.EXE. Она отвечает за пользовательский интерфейс (работу оператора). Система управления электронными картами реализована в виде динамической библиотеки (DLL). Она выполняет функции специализированной СУБД электронных карт.

Сервисные модули реализованы в виде динамических библиотек (DLL). ГИС.

Дополнительные сервисные модули запускаются через меню: Задачи - Запуск приложений. В состав дополнительных модулей входят модули формирования тематических карт и диаграмм, обработки матриц высот и обработки классификатора.

Такая структура программного обеспечения позволяет пользователям разрабатывать собственные задачи и интегрировать их с управляющей оболочкой.

Через интерфейс прикладного программирования MAPAPI 4 входные и выходные данные.

Виды обрабатываемых пространственных данных.

ГИС Оператор обеспечивает автоматизированную обработку различных видов пространственных данных, в частности:

- векторные карты и планы в различных проекциях и системах координат, включая морские карты, радионавигационные (воздушные), навигационные и другие;

- данные ДЗЗ, включая космические снимки в оптическом диапазоне, мультиспектральные снимки, данные лазерного сканирования, данные эхолокации и другие;

- регулярные матрицы высот, матрицы качественных характеристик (покрытия), TIN-модели;

- 3D-модели.

Рис. 5. Виды данных, обрабатываемых в ГИС Оператор

Для автоматизации обработки геоданных, полученных из других ГИС, а также из:

- различных web-сервисов, ГИС Оператор позволяет обрабатывать несколько десятков

- различных форматов данных, в том числе, являющихся международными стандартами.

Использование стандартов WMS (WebMapServiceInterface), WMTS (WebMapTileService), TMS (TileMapService) обеспечивает единый доступ для поиска, обмена и предоставления геопространственных данных, создает возможности для взаимодействия ГИС-приложений и веб-сервисов Рис. 6.

Рис. 6. Отображение карты с геопортала «Yahoo!» в ГИС Оператор с использованием интерфейса TMS

Поддерживаются классификаторы аэронавигационной информации, разработанные согласно рекомендаций ИKAO - Приложение 4 "Руководство по аэронавигационным картам" и Руководство по аэронавигационным картам, Doc 8697- AN/889/2.

Морские карты формируются в соответствии с требованиями Международной гидрографической организации IHO (International Hydrographic Organization) стандартах S57\S52.

Анализ ГИС-Сервер КБ «ПАНОРАМА».

ГИС Сервер - программа, предназначенная для обеспечения удаленного доступа к картографическим данным пользователей программ ГИС "Карта 2011", Панорама-Редактор, ГИС Навигатор 2011, ГИС-вьюер и других программ, разработанных в среде GIS ToolKit версии 11 и новее [2, 3].

Сервер предоставляет удаленный доступ к векторным картам, растрам и матрицам. Соединение с сервером устанавливается по протоколу TCP/IP с использованием механизма сокетов. Рис. 7.

Рис. 7. Порядок взаимодействия с ГИС Сервером

ГИС Сервер - основа построения информационной системы, основанной на сетецентрической системе управления данными.

Между клиентом и сервером передаются двоичные данные - координаты объектов, атрибуты, блоки данных растров и матриц. Поэтому для нормальной работы требуется высокоскоростное соединение клиента и сервера, например, по сети Ethernet 100 Мбит/сек.

Размещение данных на сервере обеспечивает защиту данных от нелегального копирования и изменения. Пользователь выбирает данные для работы по их условным именам. Векторные карты могут быть открыты для просмотра или для просмотра и редактирования. Растры и матрицы доступны только для просмотра и выполнения расчетов. Кроме того, все данные могут быть закрыты или открыты для копирования с сервера - в обменные форматы, в буфер обмена или на другие карты.

Программа ГИС Сервер может быть установлена на любом компьютере в локальной сети с OC Windows XP, Windows 2008 (2003), Windows 7 и выше. Для ОС типа Linux применяется программа GIS Serverfor Linux.

На каждого клиента выделяется в пределах 1,5 Мбайта оперативной памяти. Число открытых векторных карт, растров и матриц существенно не влияет на размер выделяемой памяти. На подключение 100 клиентов необходимо порядка 1,5 Гигабайта оперативной памяти на компьютере, где установлен ГИС Сервер. Число подключаемых клиентов программно не ограничено.

Администратор - программа, предназначенная для настройки параметров работы ГИС СерверРис.8. Программа позволяет определять список пользователей, список данных и их свойства, что позволяет настраивать ГИС Сервер для конкретного применения. Список доступных данных формируется для каждой группы пользователей свой. Доступ пользователя к данным производится по имени пользователя и паролю.

Рис. 8. Диалоговое окно администратора ГИС Сервером

В программе ГИС Администратор проект представлен в виде дерева, включающего в себя:

- список пользователей;

- список групп с указанием разрешенных данных;

- список карт, растров и матриц.

пользователей, список данных и их свойства хранятся на сервере в файле параметров GISSERVER.XML. Создание и редактирование файла параметров выполняется администратором сервера. Списки паролей хранятся в файле параметров в зашифрованном виде по алгоритму MD5.

Для настройки проекта рекомендуется сначала отобрать картографическую информацию. Пользователь может создавать иерархически устроенное дерево карт, растров и матриц, объединять данные в разделы. Для карт, растров и матриц пользователь назначает для работы условные имена (алиасы).

Все пользователи системы должны быть занесены в список пользователей с назначением логина и пароля. Для разграничения доступа к данным администратор должен вести список групп пользователей. Для каждой группы назначаются права на редактирование, просмотр и копирование данных. Права пользователя определяются группой, к которой он принадлежит.

Данные, размещаемые на ГИС Сервере, защищаются от несанкционированного чтения, редактирования, копирования, печати и подмены. При выполнении авторизации пользователя с вводом имени и пароля применяется алгоритм дайджест-авторизации данных для предотвращения перехвата пароля пользователя при подключении к ГИС Серверу. При этом на Сервер передается случайная строка, закодированная ключом, созданным на основе пароля пользователя. Если результат кодирования строки на клиенте и сервере одинаков, то авторизация завершается успешно.

Все данные, сохраняемые на клиентском компьютере в кэш для ускорения работы, всегда шифруются 256-битным ключом, формируемым из ключа сервера и ключа клиента. Если при подключении к данным на сервере ключи изменились, то кэш автоматически очищается и заполняется заново по мере обращения к данным.

Анализ GIS Web-Server КБ «ПАНОРАМА».

GIS Web-Server предназначен для публикации в сетях Интернет/Интранет всего спектра геопространственных данных - электронных карт, данных ДЗЗ и информации из Баз Данных (БД). Обеспечивается работа с атласом карт, позволяющим интегрировать различные пространственные данные [6]. Приложение использует технологию комплексной обработки статических (фоновые карты, растры, матрицы, космические снимки) и динамических данных (навигация и мониторинг в режиме реального времени, банк пространственных данных, оперативная обстановка). Статическая информация выводится в браузер при первом обращении к ней и кэшируется. При дальнейшей работе клиент получает только динамические данные

GIS Web Server - серверное Web-приложение, предназначенное для публикации и интеграции в Интернет/Интранет пространственных информационных ресурсов - различных видов электронных карт, как источников информации о пространственных объектах, информации из логически связанных баз данных, баз метаданных пространственных объектов и различной справочной информации. Данное приложение предназначено для доступа к инфраструктуре пространственных данных (векторных, растровых, матричных карт, данных ДЗЗ и информации баз данных).

GIS Web Server является основой корпоративной ГИС-платформы для совместной работы web-клиентов и настольных приложений. В рамках системы пользователи настольных приложений (ГИС "Карта 2011", ГИС "Оператор", ГИС Панорама Мини и другие) и пользователи web-приложений могут одновременно работать с одними и теми же источниками данных, выполнять их согласованное изменение и просмотр. Платформа внедряется в компаниях, работающих в ресурсодобывающей, энергетической и сельскохозяйственной сферах, а также в органах государственного управления.

Рис. 9. Диалоговое окно серверной программы GIS Web Server.

КБ "Панорама" получен сертификат соответствия на ГИС Web Server в системе сертификации средств защиты информации по требованиям безопасности информации в МО РФ. Сертификат подтверждает возможность использования ГИС Web Server для обработки закрытой информации в различных АСУ и информационных системах.

Приложение разработано по технологии ASP.NET, функционирует в среде .NET Framework 3.5 под управлением Internet Information Services (IIS). Картографические данные приложения GIS WebServer представляются в форматах электронных карт ГИС "Карта 2011". Приложение защищено от несанкционированного использования при помощи электронного ключа, который подключается к USB-порту компьютера.

Для запуска GIS Web Server достаточно ввести его URL в Web-браузере. Число подключаемых клиентов неограниченно. Поддерживается работа со всеми основными типами браузеров на операционных системах Windows, Linux, Solaris и других [6].

Возможности GIS Web Server:

- автоматическое изменение размера рисунка карты;

- изменение состава отображаемых карт;

- использование изображений карты с WMTS-серверов и популярных геопорталов (Open Street Map, Яндекс, Google);

- печать карты, в том числе с комбинированием данных из различных источников;

- информация об объекте карты;

- различные виды поиска (поиск по расстоянию; поиск по области, заданной объектом карты; поиск объектов по названию);

- работа с всплывающими подсказками и гиперссылками;

- изменение параметров выделения объектов карты;

- слежение за объектами карты;

- периодическое обновление изображения карты (позволяет создавать системы слежения за подвижными объектами);

- создание и использование пользовательских закладок на картах;

- работа с картой ссылок;

- маршруты проезда;

- измерение расстояния по карте;

- публикация новостей в формате RSS;

- взаимодействие с внешними веб-приложениями через раcширенный набор HTTP-запросов при формировании геопорталов различного назначения;

- настраиваемый интерфейс пользователя;

- легенда карты;

- поддержка протоколов OGC;

- генерирование ссылки на текущую страницу;

- выбор языка интерфейса;

- работа с атласом карт;

- редактирование карты;

- работа с базой данных;

- различные виды поиска (поиск объектов карты по адресу; поиск перекрестков; поиск записи таблицы базы данных, связанной с объектом карты);

- авторизация пользователей и разграничение доступа к наборам данных карты;

- удаленная настройка файла параметров при помощи программы GIS Web Administrator.

GIS Web Server автоматически управляет размером окна карты в соответствии с размером окна Web-браузера. Для просмотра карты во весь экран пользователь имеет возможность скрыть панель базы данных. Могут использоваться различные базы данных: MS SQL Server, Oracle, MS Access и другие.

Рис. 10. Пример встраивания GIS Web Server в существующий сайт

Основными источниками данных служат WMTS-сервисы и популярныегеопорталы (Open Street Map, Yandex, Google). Обеспечивается поддержка кроссплатформенных WMTS-сервисов. Для их организации может использоваться как GIS WebService, функционирующий на платформе IIS (Windows), так и программа Open GIS Web Service, работающая на платформе Apache (Linux, BSD, OS X, MicrosoftWindows). В состав GIS WebServer интегрирован картографический веб-сервис GIS Web Service. Сервисы поддерживают протокол передачи данных OGC Web Map Tile Service (OGC WMTS) - OGC 07-057r7 версии 1.0.0. Использование стандарта OGC WMTS обеспечивает максимальную скорость просмотра пространственных данных. Высокая скорость отображения карты достигается за счет использования механизма кэширования на клиенте средствами веб-браузера.

Режим печати карты позволяет печатать многослойное картографическое изображение, сформированное на основе данных полученных из нескольких веб-сервисов.

В приложении применяется продвинутая технология проверки достоверности пользователя для защиты информации и обеспечения безопасности данных - дайджест аутентификация. Дайджест аутентификация представляет собой механизм шифрования с использованием случайных значений для затруднения криптоанализа (взлома пароля). Пароль всегда кэшируется с добавлением произвольной строки символов, которая генерируется на каждый сеанс работы заново. Таким образом при каждом соединении генерируется новый хэш пароля и перехват его ничего не даст.

Использование GIS Web Server во внешних порталах.

GIS Web Server можно встраивать в страницы внешнего сайта или портала, используя фреймы. Для этих целей приложение имеет набор параметров HTTP-запроса, передаваемых в URL. С помощью параметров можно открыть необходимые карты и таблицы базы данных, установить масштаб отображения карты и размер окна, выбрать положение отображаемого в окне фрагмента карты, найти на карте объекты, управлять составом отображаемых карт и слоев карты.

Для организации обратного взаимодействия с внешней базой данных в GIS Web Server предназначен режим "Данные по списку объектов". При его использовании выполняется вызов javascript-функции, расположенной во внешнем ресурсе. В качестве параметра функция принимает xml-данные о выделенных объектах карты. Это позволяет использовать данные карты в бизнес-логике портала, например, для фильтрации или поиска в таблице.

1.3 Анализ программных средств, предназначенных для создания банка данных электронных карт

Для оформления любой web-страницы необходима как статичная графика, так и разнообразные анимационные и интерактивные элементы, которые, во-первых, обеспечивают большую привлекательность представленной на ней информации, а во-вторых, способствуют лучшему восприятию материала.

Графическая информация передается намного медленнее текстовой, а время загрузки изображений находится в прямой зависимости от размера их графических файлов, поэтому быстрая загрузка web-страниц предполагает небольшой размер внедренных в них графических изображений. Последнее достигается путем оптимального выбора формата графического файла, а также за счет оптимизации, задача которой -- найти компромисс между скоростью загрузки страницы и качеством представленных на ней изображений. Однако возможности оптимизации небезграничны, а высококачественные изображения, как правило, имеют внушительный объем, вследствие чего достижение высокого качества представленных в web изображений при их небольших размерах по-прежнему остается серьезной проблемой [4, 5].

Для статичной графики применяют форматы GIF, JPG или PNG, создавать которые можно в самых разных графических пакетах.

Для анимационных объектов используют форматы animation GIF и Flash, а разрабатывают такие объекты в специализированных программных приложениях (особых для каждого из названных типов форматов). Интерактивные элементы (ролловеры, карты ссылок Image Map и т.п.) тоже, как правило, создаются в специализированных приложениях и представляют собой набор графических изображений, связь между которыми устанавливается в дополняющем их файле с HTML-кодом.

Удачным решением названных проблем может стать переход на графический формат SVG (Scalable Vector Graphics -- масштабируемая векторная графика), основанный на языке XML, благодаря чему любое SVG-изображение можно представить набором командных строк, а сам SVG-файл можно открыть в любом текстовом редакторе, включая блокнот. Эта сравнительно новая технология изначально разрабатывалась компанией Adobe специально для web, а сегодня представляет большой интерес и для мобильных устройств, обеспечивая создание высококачественной статичной, анимационной и интерактивной графики. Поэтому нет ничего удивительного в том, что она активно поддерживается консорциумом W3C-- в 2003 году стандарт SVG 1.1 был принят в W3C в качестве рекомендации, а на данный момент идет разработка спецификации SVG 1.2.

Технология SVG позволяет объединить в одном формате текст, графику, анимацию и интерактивные компоненты и базируется на трех типах графических изображений: векторных формах, рисунках и тексте. Формы, как это принято в векторной графике, представлены либо прямолинейными и криволинейными контурами, либо графическими примитивами (прямоугольниками, эллипсами и др.), а рисунки представляют собой импортированные растровые изображения. Помимо этого формат SVG поддерживает различные виды анимационных (напоминающих GIF- и flash-анимацию) и интерактивных объектов, таких как ролловеры, карты ссылок и прочие элементы навигации. А поскольку данный стандарт основан на языке XML, то SVG-файл наряду с элементами, предназначенными для визуального отображения, может содержать также различные метаданные.

Использование формата SVG позволяет разрабатывать для Сети и мобильных устройств более компактную, быстро загружающуюся, высококачественную разноплановую графику, чего не может обеспечить никакой другой графический формат. К основным достоинствам графического формата SVG можно отнести следующие:

- высокое качество изображений независимо от их размеров, что объясняется векторной природой SVG-формата. Изображения могут неограниченно уменьшаться или увеличиваться без потери качества) в соответствии с размером дисплея, что позволяет получать качественное изображение графической информации на различных типах устройств (десктопах, карманных компьютерах и пр.), а также дает возможность более тщательно рассмотреть отдельные детали -- это важно, например, при работе с техническими рисунками;

- гораздо меньший размер файлов по сравнению с форматами GIF, JPG, PNG и animation GIF, а тем более с форматом Flash.

По сравнению с традиционными вариантами графического представления Сети применение SVG-формата имеет немало других неоспоримых преимуществ.

Так, для разработчиков важными плюсами являются:

- возможности совмещения в одном формате разработки статичных, анимационных и интерактивных элементов, а также сочетания векторных и растровых объектов;

- улучшенная работа с текстом, включая кернинг, текст по кривой и неограниченное использование шрифтов;

- более эффективное управление точностью передачи цветов и широчайшие возможности в плане использования в web-изображениях градиентных заливок высокого разрешения, теней, фильтров и т.п.;

- текстовая природа SVG-формата и поддержка им каскадных таблиц стилей, что значительно упрощает процесс обновления web-сайта и позволяет при необходимости вносить в него изменения без обращения к специальным программам;

- интеграция с построенными на стандартах XML (Extensible Markup Language) и CSS (Cascading StyleSheets) базами данных, что позволяет сохранять SVG-изображения в базе данных и создавать с их использованием динамические web-страницы -- различные для разных платформ, персональных настроек и т.д.;

- отсутствие проблем индексации -- SVG-файлы индексируются любыми поисковыми машинами (в отличие, например, от SWF-файлов).

Пользователей порадует высококачественный и быстро загружающийся SVG-контент. Кроме того, предусмотрена возможность копировать текст, находящийся на SVG-изображении, и тем самым сохранять некоторую полезную для себя информацию, а также проводить поиск текста в изображении, что в ряде случаев может оказаться крайне необходимым, например при поиске нужного названия на карте или чертеже.

Тем не менее, как водится, наряду с плюсами у технологии SVG имеются и минусы, причем весьма серьезные.

- SVG-изображения слабо поддерживаются производителями Интернет-браузеров. В результате для просмотра SVG-графики из браузера пользователи вынуждены дополнительно устанавливать обеспечивающий данную возможность плагин от сторонних производителей, например SVG Viewer от компании Adobe. Теоретически это несложно -- соответствующие плагины просты в установке, бесплатны, имеют небольшой объем и их можно быстро скачать по Сети. На практике все оказывается гораздо сложнее, поскольку большинство Интернет-пользователей не догадываются о существовании данных возможностей и потому не могут просматривать данный вид графики -- без плагина она просто не видна. Однако ситуация постепенно меняется, и в прошедшем году два ведущих разработчика web-браузеров внедрили поддержку формата SVG. Весной компания OperaSoftware выпустила 8-ю версию браузера Opera, поддерживающую SVG 1.0 Tiny; в появившейся чуть позже версии Opera 9.0 реализована частичная поддержка формата SVG 1.0 Basic. Вторым разработчиком, включившим поддержку SVG, стала The Mozilla Organization -- в состав выпущенного ею браузера Firefox 1.5 включен модуль Mozilla SVG project, обеспечивающий просмотр SVG-графики спецификации 1.1. Кроме того, в середине 2005 года активную работу по внедрению поддержки SVG 1.1 начали разработчики браузера Safari, функционирующего на компьютерах под управлением Mac OS X;

- в сравнении с другими графическими форматами формат SVG пока слабо поддерживается и разработчиками графического ПО, хотя такие ведущие графические пакеты, как Adobe Illustrator, Corel DRAW и др., позволяют экспортировать графику в SVG-файлы. Конечно, SVG-файлы могут быть созданы и в любом текстовом редакторе, однако это нецелесообразно в смысле быстроты и дешевизны разработки. В текстовом редакторе удобно подправить файл в случае необходимости (что, кстати, возможно только при наличии глубоких знаний о XML-технологии), но создавать его с нуля неразумно, поскольку это потребует чрезмерных затрат времени и сил.

Специализированные пакеты для создания SVG-графики.

Evol Grafi XXStudio 6.1.

Профессиональный пакет XStudio представляет собой удобный инструмент для создания разноплановой SVG-графики для Сети и мобильных устройств и обеспечивает полный контроль как над SVG-проектом в целом, так и над векторными изображениями, анимацией, скриптами [1, 4].

Приложение отличается удобным, интуитивно понятным и легко настраиваемым пользовательским интерфейсом, предоставляет широкий набор инструментальных средств, имеет высокую скорость работы, позволяет создавать SVG-графику всех существующих спецификаций и поддерживает все стилевые оформления Scalable Vector Graphics. Все это в сочетании с относительно невысокой для профессионального пакета ценой позволяет считать его лучшим профессиональным решением подобного плана.

Пакет XStudio поставляется с подробной документацией, дополненной серией уроков, и прост в освоении.

Рис. 11. Совмещение визуального создания изображения с правкой исходного кода в Evol Grafi XX Studio

Приложение обладает всеми необходимыми возможностями для создания и обработки векторных изображений и в этом плане очень напоминает пакет Adobe Illustrator. При этом XStudio ориентирован непосредственно на подготовку статичной, интерактивной и анимационной SVG-графики и потому наряду с классическими средствами работы с векторными объектами дополнен специфическими SVG-возможностями.

Встроенная инструментальная панель Document Object Model (DOM) обеспечивает иерархическое представление SVG-объектов, удобный XML-редактор позволяет исправлять исходный код на текстовом уровне, а скриптовой редактор -- дополнять его Java-скриптами. Работа с кодом организована очень удобно: автоматически выделяются фрагменты кода выбранного объекта, имеется возможность поиска текста и установки закладок и пр. Любые изменения кода мгновенно отражаются в визуальном окне просмотра, а визуальные изменения -- в окне редактора.

Inkscape.

Inkscape -- самый перспективный векторный редактор на базе модели Open Source, являющийся многоплатформенным и представляющим собой мощный инструмент для разработки графики в соответствии со стандартом Scalable Vector Graphics.

Рис. 12. Диалоговое окно редактора Inkscape

Этот редактор представляет собой мощный и удобный инструмент для создания художественных и технических иллюстрации в формате векторной графики [2, 5].

Программа кроссплатформенная, имеются версии для ОС Windows, Mac OS X и Linux. Также существует portable версия Inkscape. Интерфейс редактора поддерживает большое количество языков, включая русский.

Вектор и растр.

В компьютерной графике изображения могут быть представлены в двух видах -- растровом и векторном. Растровое изображение представляет собой двухмерную матрицу состоящую из элементарных точек (пикселей), каждая из которых имеет свой цвет. В нормальном масштабе эти отдельные точки воспринимаются как цельное изображение. Но, при значительном увеличении растрового изображения, мы можем наблюдать эти пиксели в виде равномерно окрашенных квадратов. Векторное изображение создаётся на основе набора так называемых «векторных примитивов» -- простейших геометрических фигур, линий, точек и тому подобного. А файл векторного изображения хранит в себе не сами эти фигуры в виде набора точек, как в растре, но лишь их описание. Так, например, для построения равномерно окрашенного круга необходима лишь информация о координатах его центра, диаметре, толщине и цвете контура, а также о цвете самого круга. Для треугольника достаточны координаты трёх его вершин, толщина и цвет контура, цвет треугольника. Таким образом можно компактно описать все фигуры и линии, а также отношения между ними, и, на основе этой информации, построить цельное изображение.

Ключевой особенностью векторных изображений является то, что в отличие от растровых, при увеличении масштаба не происходит «пикселизации» изображения. Программа в этом случае просто пересчитает координаты и размеры объектов и изображение останется таким же чётким, как и в меньшем размере.

Векторный графический редактор Inkscape.

Существенным недостатком векторных форматов являются значительные сложности получения фотореалистичных изображений. Такие изображения должны содержать огромное количество примитивных объектов со сложными градиентами (цветовыми переходами). Это приводит к трудностям при их создании и редактировании, а также к значительному увеличению объёма файла изображения. В этом случае может пригодиться функция векторизации (или трассировки, от англ. tracing), которая предназначена для создания в автоматическом режиме векторного изображения из растрового, с заданной степенью достоверности. Эта функция имеется в большинстве векторных редакторов, хотя результаты её работы часто оставляют желать лучшего. Гораздо удобнее в векторных редакторах создавать несложные рисунки, состоящие из простых геометрических форм.

...