CC BY
16
ТЕОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ
УДК 91(075.8)
Ю.Ф. Книжников, О.В. Вахнина
ИНФРАСТРУКТУРА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ
НА ПРИМЕРЕ УНИВЕРСИТЕТСКОГО УЧЕБНО-НАУЧНОГО ПОЛИГОНА "САТИНО"1
Введение. В 2006 г. Правительство РФ своим распоряжением № 1157-р от 21.08.2006 г. одобрило Концепцию создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации [2], что оценено геоинформационной общественностью как знаковое событие, наметившее вектор развития геоинформатики у нас в стране на ближайшее десятилетие, так как теперь создание инфраструктуры пространственных данных считается заботой государства, а производство самих весьма разнообразных пространственных данных (геоинформации) предоставлено рыночным структурам.
Предпосылками создания инфраструктур пространственных данных являются три основных фактора: достижения научно-технического прогресса (прежде всего в области компьютерных и телекоммуникационных технологий), развитость рыночных отношений в стране и прогрессирующий рост спроса на геоинформацию.
Инфраструктура пространственных данных — информационно-телекоммуникационная система для легкого и массового доступа к имеющимся геоинформационным ресурсам [3, 6]. Недавно появившийся у нас американский термин "инфраструктура пространственных данных" (ИПД), который сложен для понимания, пока еще не получил распространения в географической литературе. Однако система, которую он обозначает, должна решать традиционные задачи — информировать потребителя о наличии разнообразной геоинформации на определенную территорию и обеспечить ее согласование. В соответствии с этим ИПД включает две основные части, имеющие специальные названия. Одна часть — метаданные геопространственной информации — отвечает на вопросы: какая и где находится информация и на каких условиях ее можно получить. В качестве бумажного аналога метаданных можно рассматривать хорошо известные библиографические карточки, тематически сгруппированные в библиотечные каталоги. Другая часть ИПД — базовые данные — призвана решить задачу компьютерной и содержательной совместимости разнообразных пространственных данных и их координатной привязки (позиционирования). Простейшим прототипом базовых данных может служить традиционная картографическая основа, всегда ис-
пользуемая при комплексном тематическом картографировании. Современные базовые данные включают ограниченное число (7—12) тематических слоев (геодезическая основа, топографические объекты, земельный кадастр, адреса и т.д.), которые используются производителями отраслевой геоинформации. Важной задачей национальных ИПД является стандартизация создаваемых в стране пространственных данных. Поэтому стандарты, которым должны следовать производители геоинформации, часто относят к третьей составной части развитой ИПД.
Первые разработки инфраструктур пространственных данных выполнены в 1990-х гг. в США, Австралии, Новой Зеландии. К настоящему времени почти все страны с развитой рыночной экономикой уже завершили проекты по созданию своих национальных инфраструктур пространственных данных. В 2007 г. после предварительных разработок приступили к работам по европейской инфраструктуре пространственных данных (проект INSPIRE), которая рассматривается как общая архитектура существующих геоинформационных ресурсов Евросоюза. Предусматривая широкое информирование общественности, она должна на основе компьютерных технологий обеспечить массовый доступ к взаимосовместимой геоинформации любой из стран Евросоюза. В итоге по замыслу проект INSPIRE ориентирован на проблемы окружающей среды, на устойчивое экономическое развитие стран-участниц.
Итак, национальные и межнациональные ИПД нацелены на эффективное обеспечение общественных потребностей в общедоступной (несекретной) геопространственной информации. Любая инфраструктура всегда должна поддерживаться на современном уровне. Это касается не только регламента актуализации базовых данных, но и обновления используемых программно-технических средств, которые требуют практически непрерывной модернизации.
О терминологии. В словосочетании инфраструктура пространственных данных обычно используется термин данные, который разные авторы определяют неоднозначно. В свое время даже шла дискуссия о содержании понятий данные, информация и знания, носившая, правда, в значительной мере наукообразный характер. Будем придерживаться трактовки по-
1 В основу статьи, подготовленной по гранту НШ N° 171.2008.5 (научный руководитель Д.VI. Берлянт), положен доклад авторов, сделанный 12 марта 2007 г. на общефакультетском методическом семинаре.
нятия данные, которая приведена в фундаментальной и получившей мировое признание монографии2: средства представления и передачи информации.
Геоинформационный термин данные достаточно широко распространен, он потеснил (не всегда оправданно) более привычный термин информация. В свое время его употребление свидетельствовало о приверженности автора новым компьютерным технологиям. Сейчас, когда цифровые технологии, компьютер и Интернет незыблемо утвердились в науке и практике, такая необходимость отпадает. Поэтому в последнее время наблюдается положительная тенденция: вернуться в ряде случаев к общенаучному термину информация, как, например, это сделано в Директиве руководящих органов Европейского союза по проекту INSPIRE, где применен термин инфраструктура пространственной информации. На наш взгляд, здесь следует сделать уточнение и употреблять термин геопространственная информация и даже географическая информация, имея в виду как физико-географическую, так и социально-экономическую информацию. Новый вариант термина свидетельствует о более широком подходе к проблеме, косвенно указывая на необходимость привлечения для ее разработок специалистов не только в компьютерных и телекоммуникационных технологиях, но и в других областях, прежде всего природоведческих и социально-экономических. На целесообразность такого подхода указывает нам пробел в концепции российской ИПД (РИПД), касающийся оценки возможностей ее использования для характеристики временной динамики, для изучения территориальных изменений, что имеет существенное значение для решения проблем устойчивого развития регионов.
Положительно оценить предложенное уточнение термина следует еще и потому, что инфраструктура пространственной информации понятнее широкой общественности. Это немаловажно в демократическом государстве. Вспомним случаи из истории аэрокосмического зондирования, когда первые ресурсные спутники США ERTS (Earth Resources Technology Satellite), уже работавшие на орбите, были быстро переименованы в Landsat (Land Satellite), а спутники двойного назначения для определения пространственных координат и скорости движения носителей, запущенные по проекту NAVSTAR (Navigation Satellite Providing Time and Rame), — в GPS (Global Positioning System), в частности для того, чтобы рядовой американский налогоплательщик лучше понимал назначение дорогостоящих космических систем.
Какой из двух терминов получит наиболее широкое признание — покажет время. Мы будем пока пользоваться ими как синонимами.
Учебная инфраструктура геопространственной информации (ИГИ) "Сатино". В соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации поэтапная работа по созданию национальной инфра-
структуры пространственных данных, начатая в стране в 2006 г., продлится до 2015 г. В тексте концепции РИПД содержатся прямые указания на необходимость подготовки соответствующих кадров. Естественно возникает учебная задача — сформировать у выпускников факультета геоинфраструктурные компетенции, которые можно разделить на три группы. Первая группа компетенций охватывает принципы новой организации цифровой пространственной геоинформации в стране, общие концептуальные вопросы инфраструктуры и т.д. Вторая группа касается географов — производителей геоинформации, которые в своей работе должны учитывать новые инфраструктурные требования, а третья связана с практическим использованием ИПД в профессиональной деятельности географа.
Первые сведения о ИПД будущие географы могут получить в общих разделах базовых дисциплин, а затем углубить их в кафедральных курсах, как это, например, планируется на кафедре картографии и геоинформатики, где спецкурс "Инфраструктура пространственных данных" будет читать один из разработчиков концепции национальной ИПД, выпускник кафедры, A.B. Кошкарев. Однако особо действенную роль здесь сможет играть практическое использование первокурсниками ИГИ во время летней практики. Поэтому разработку инфраструктуры геопространственной информации на учебно-научный полигон "Сатино" следует рассматривать как важную межкафедральную, общефакультетскую задачу. Ее решение не только поднимет на более высокий уровень геоинформационное обеспечение учебных практик в Сатине, но и откроет определенные перспективы для того, чтобы повысить статус факультетского учебно-научного полигона до межуниверситетского, что, как отмечает ректор МГУ им. М.В. Ломоносова академик В.А. Садовничий, соответствует инновационной программе развития Московского университета [7]. Кроме того, можно надеяться, что участие ученых различных кафедр и лабораторий факультета в разработке учебной ИГИ позволит создать ее в качестве инфраструктуры пространственных данных локального уровня на высоком научном географическом уровне.
Рассмотрим возможный облик основных компонентов (частей) учебной ИГИ "Сатино" — базовой геоинформации и метаданных тематической кафедральной геоинформации (геоинформационных продуктов) на территорию полигона.
Базовая геоинформация, будучи многоцелевой и многократно используемой, должна иметь наивысшие показатели по точности, полноте и актуальности. Важнейшим моментом любой ИПД является состав базовых данных, которые в нашем случае необходимы для создания сопоставимых между собой кафедральных геоинформационных продуктов. Для учеб-
2 См.: Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. VI.. 2005.
ной инфраструктуры можно предложить к обсуждению набор из 7 тем базовой геоинформации.
1. Геодезическая основа. Вся геоинформация учебного полигона создается в открытой местной системе геодезических координат, которая должна иметь простой переход к системе координат области. На полигоне достаточно иметь одну референционную станцию для спутниковых систем позиционирования (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) с целью получения дифференциальных поправок, необходимых для точных измерений на местности при изучении динамики.
2. Разносезонные ортофотопланы. Для получения ортофотоизображений целесообразно использовать космическую съемку сверхвысокого разрешения, которая служит источником комплексной информации о территории полигона. Тематически подобранные на хорошо известную территорию полигона типичные примеры разносезонных космических изображений упростят первокурсникам освоение чтения аэрокосмических снимков.
3. Цифровая модель рельефа. Рельеф полигона характеризуется стандартной топографической картой масштаба 1:10 ООО с сечением горизонталей через
2 м, которая изготовлена еще в 1986—1988 гг. и по точности и правильности отображения рельефа на залесенных участках не полностью удовлетворяет отраслевых специалистов. В настоящее время в дистанционном зондировании быстро развивается новый метод — лазерно-локационная аэросъемка, когда снимаемая местность представляется в виде густого массива точек, три пространственные координаты каждой из которых измерены с дециметровой точностью [5]. Эти цифровые данные служат надежной основой для создания высокоточной цифровой модели рельефа полигона. Важное дополнительное свойство лазерно-локационной аэросъемки — возможность получать информацию о высоте растительности разных ярусов.
4. Населенные пункты и дорожная сеть. Помимо основного назначения информация этого слоя традиционно выполняет функции ориентиров. К ней могут быть добавлены названия объектов местности, форм рельефа, отдельных участков территории, используемые местным населением (Бутовский холм, Сенокосная балка и т.д).
5. Учебные объекты на местности. Специальная информация, характеризующая территорию как учебно-научный полигон: профили, буровые скважины, важнейшие шурфы и др.
6. Фотовиды, отображающие внешний облик территории полигона, работу и быт студентов. Систематизированные, специально отобранные и регулярно пополняемые цифровые фотографии можно вызывать на экран монитора. Местоположение съемочных точек и направление фотографирования отображается на специальной основе.
7. "Брызги" Сатино. К базовой геоинформации следует также отнести характеристики учебных объектов вне территории основного полигона, которые
названы выразительным термином, заимствованным у экономикогеографов.
Конечно, учебно-научный полигон — это не только территория площадью 20—25 км2, но и ее окрестности, которые также должны получить базовую геоинформационную характеристику, хотя и менее разнообразную и детальную. Речь идет прежде всего о космических снимках, причем разрешение снимков на окрестности полигона может быть в 4—5 раз ниже, чем на сам полигон.
При формировании базовой пространственной геоинформации целесообразно максимально использовать наработки по распределенным базам данных учебной ГИС "Сатино" [4].
Метаданные геопространственной информации. Для ускорения поиска геоинформации метаданные о ней, размещенные в интернете, и их цифровое описание должны быть унифицированы путем использования международного (КО 19115) и национального (ГОСТ Р 52573-2006 "Географическая информация. Метаданные") стандартов.
Обычно метаданные включают несколько десятков и даже сотен стандартизированных элементов ме-таописания, которые распределяются по 10—15 разделам (качество данных, пространственная привязка, контактная информация и т.д.).
В качестве примера в таблице приведен существенно сокращенный фрагмент метаданных принадлежащего кафедральной лаборатории аэрокосмических методов фотоплана на жесткой основе на территорию учебно-научного полигона "Сатино", составленного с учетом российского национального стандарта (ГОСТ Р 52573-2006 "Географическая информация. Метаданные").
При разработке метаданных для учебно-научного полигона необходимо, учитывая принятые международные и национальные стандарты, отразить как географическую направленность, так и образовательный аспект создаваемой учебной инфраструктуры. Очевидно, для учебной ИГИ в дополнение к метаданным геопространственной информации должны быть добавлены метаданные книг и статей с картами, подготовленных на кафедрах и в лабораториях [8].
От сайта к геопорталу географического факультета. Любая ИПД должна иметь определенное место (чаще геопортал) в интернете. Знакомство с зарубежным опытом свидетельствует, что современные геопорталы, обеспечивающие получение необходимой геопространственной информации, по назначению и содержанию сродни традиционным региональным комплексным атласам. В нашем случае первоначальную роль геопортала может выполнять сайт факультета, оснащенный минимально необходимыми средствами визуализации (масштабирование, скроллинг, оверлей и др.) и, конечно, доступа к метаданным. Некоторые темы базовой геоинформации, например фотовиды, будучи привлекательными для школьников, соответствуют главной задаче сайта — рекрутировать абитуриентов, поступающих на факультет.
Фрагмент метаданных фотоплана 1:10 ООО на территорию учебно-научного полигона "Сатино"
Наименование сущности, элемента или роли Значение (для фотоплана)
+ identifîcationlnfo ---
MD Dataldentification ---
citation ---
. CI Citation* ---**
. title Фотоплан на жесткой основе
. date 7.10. 1986, создание
. presentation Form 004 // Фотоплан на жесткой основе™*
abstract Фотоплан на жесткой основе в масштабе 1:10 000, составлен по материалам аэрофотосъемки масштаба 1:10 000 АФА — ТЭ-350 с f- 349, 670
pointOfContact ---
. CI Responsible Party ---
. organisationName Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
. role 003 // владелец данных
contactlnfo: ---
CI Contactlnfo ---
phone: ---
... CI Telephone ---
... voice (095)9392238,(095)9393420
... facsimile (095)9328836
spatial Resolution ---
. MD Resolution ---
. denominator 10 000
Language Русский
characterSet 001 //Windows-1251
topicCategory 010 // Картография
extent ---
. X Extent ---
. description Характеристика EX_GeographicBoundingBox westboundLongitude описывает западную границу фотоплана Характеристика EX_TemporalExtent->Extent описывает дату аэрофотосъемки объекта
. +geographicElement ---
EX GeographicBoundingBox ---
westBound Longitude 36°19'36"
.. eastBound Longitude 36°24'47"
southBound Latitude 55°11'13"
north Bou nd Latitud e 55°13'49"
. +temporalElement ---
.. EX TemporalExtent ---
extent 7.10.1986
+ descriptive Keywords ---
. MD Keywords ---
. keyword Фотоплан
. keyword Учебно-научный полигон "Сатино"
. keyword Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
+ resourceConstraints ---
. MD SecurityConstraints ---
. classification 002 // Конфиденциально
* Точками помечен ранг заголовка; ** — прочерки в графе значений — отсылка к более низкому по рангу заголовку; ***
условный код, соответствующий значению элемента метаданных и комментарии к этому значению.
В перспективе возможно расширение геопортала факультета за счет геоинформации по другим учебно-научным базам факультета — Хибинской, Эльбрус -ской, Архангельской, Красновидовской, расположенным в разных природных зонах нашей страны [1, 9]. Конечно, организация геопортала — самостоятельная масштабная задача факультета. Однако его функцио-
нирование является показателем достигнутого уровня цифровизации факультета и использования интернета в качестве привычного средства коммуникации.
Реализация проекта. Разработка учебной ИГИ "Сатино" не одномоментная процедура, а скорее направление многолетней научно-учебной деятельности. Очевидны три этапа практической реализации проекта:
— первый этап. Разработка стартовой идеологии, принятие корпоративных стандартов и правил для участников работ. Создание пилотного варианта учебной ИГИ с приоритетом для базовой геоинформации;
— второй этап. Активное расширение ассортимента кафедральных геоинформационных продуктов, завершение создания всех элементов инфраструктуры, включая базу метаданных;
— третий этап. Интеграция учебных ИГИ и геопортала факультета, оснащенного новейшим инструментарием поиска и визуализации геопространственной информации. Гармонизация с региональной инфраструктурой пространственных данных и учебными ИГИ других, в частности зарубежных, университетов.
Исходя из факультетского опыта работы над учебной ГИС "Сатино" каждый из намеченных этапов займет 3—5 лет. В их разработке существенную роль следует отвести молодым исполнителям, выполняющим на кафедрах и в лабораториях диссертационные, дипломные и курсовые работы по инфраструктурной проблематике.
Первый практический шаг в этом направлении сделан в успешно защищенной в мае 2007 г. диплом-
СП ИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вахнина О.В., Чалова Е.Р. Проект аэрокосмического интернет-атласа территорий Московского университета // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2007. N° 3. С. 60—65.
2. Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации // Геодезия и картография. 2006. № 10. С. 1—6.
3. Кошкарев A.B. Директива Европейского парламента и Совета ЕС по созданию европейской инфраструктуры пространственной информации (INSPIRE) // Пространственные данные в информационных, кадастровых и геоинформационных системах. 2007. № 1. С. 16—21.
4. Лурье И.К., Михайлов Д.И. Система распределенных баз данных коллективного пользования для обеспечения полевых исследований территорий и практик студентов // Информ. бюл. ГИС-ассоциации. 2006. № 5 (57).
Лаборатория аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики
ной работе студента кафедры картографии и геоинформатики С.А. Осокина «Разработка инфраструктуры пространственных данных для УНС "Сатино"» (научный руководитель — проф. И.К. Лурье).
Создание и развитие учебной инфраструктуры на Сатинский полигон потребует определенных финансовых затрат. Здесь на учебную инфраструктуру целесообразно распространить принципиальный подход, принятый для национальной ИПД: финансирование работ по базовой геоинформации и базам метаданных должен обеспечить деканат, а создание тематической геоинформации на полигон и наполнение метаданных осуществляется самостоятельно кафедрами и лабораториями.
Заключение. Будущая университетская ИГИ "Сатино" станет одной из первых в стране инфраструктур пространственных данных локального уровня и учебно-географической направленности. В предлагаемой схеме реализации проекта работы по учебной ИГИ и национальной РИПД будут выполняться почти одновременно. Это позволит факультету выпускать географов, в определенной мере подготовленных "для участия в создании и развитии инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации" [2].
5. Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация земли и леса: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.; Красноярск, 2007.
6. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн. 2. Учеб. пособие для вузов / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, B.C. Тику-нов и др. М.. 2004.
7. Садовничий В.А. Соединить классический с корпоративным // Поиск. 2006. № 34-35 (900-901). 1 сент. С. 10.
8. Экосистемы широколиственно-хвойных лесов Южного Подмосковья / Науч. ред. Н.С. Касимов. М.. 2006.
9. Учебно-научные географические станции вузов России: Справочное пособие / Под ред. Г.И. Рычагова, С.И. Антонова. М.. 2001.
Поступила в редакцию 05.09.2007
Yu.F. Knizhnikov, O.V. Vakhiiina
INFRASTRUCTURE OF SPATIAL DATA FOR THE SATINO
RESEARCII-AND-TRAINING STATION
The RF Government Decision (2006) envisages the establishment of a national infrastructure of spatial data (ISD), i.e. the informational-telecommunication system capable to inform users about geoinformation available for a particular territory and provide for its coordination.
To provide faculty graduates with certain knowledge on how to "create and improve the infrastructure of spatial data of the Russian Federation" the authors suggest developing the Satino training ISD. Its possible design, set of basic spatial data, some institutional aspects and stages of the project realization are discussed.
4 ВМУ, география, № 3
