CC BY
45
Заставной Дмитрий Александрович
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет».
E-mail: pilidi@math.sfedu.ru.
344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Мильчакова, 8а.
Тел.: +78632975111; факс: +78632975113.
Кафедра информатики и вычислительного эксперимента; к.т.н.; ассистент.
Zastavnoy Dmitry Aleksandrovich
Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: pilidi@math.sfedu.ru.
8a, Milchakova Street, Rostov-on-the-Don, 344090, Russia.
Phone: +78632975111; fax: +78632975113.
The Department of Informatics and Computing Experiment; Cand. of Eng. Sc.; Assistant.
УДК 004.932.72'1
M.C. Соколов
ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА ТОПОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА В МГИС
Статья посвящена вопросам автоматизации решения задач городского хозяйства. Дано определение роли муниципальных и геоинформационных систем в составе единой информационной системы управления муниципалитетом. Сформулировано обоснование необходимости наличия конкретно двух этих подсистем и обосновано разграничение в обслуживании типов информации. Рассмотрен подход к применению топологических отношений при выполнении группового пространственного анализа картографических объектов. Предложено ввести понятие массива из матриц топологических отношений, хранящих взаимосвязи между объектами. Это описание позволяет выполнять быстрый отбор картографических объектов в соответствии с заданными пользователем правилами.
Топологическое отношение; муниципальная геоинформационная система; матрица ; ; .
M.S. Sokolov
APPLICATION OF THE TOPOLOGICAL ANALYSIS ALGORITHM AT THE DECISION OF MUNICIPAL ECONOMY PROBLEMS IN MGIS
Article is devoted questions of automation for the decision of municipal economy problems. Definition of a role of municipal and geoinformation systems as a part of a uniform information control system of municipality is made. The substantiation of presence necessity two these subsystems is formulated and differentiation in service of types of the information is proved. The approach to application of topological relations is considered at performance of the group spatial analysis of cartographical objects. It is offered to enter concept of a file from matrixes of the topological relations storing interrelations between objects. This description allows to carry out fast selection of cartographical objects according to the rules set by the user.
The topological relation; municipal geoinformation systems; matrix of topological relations; selection rule; cartographical object.
Современные геоинфомационные (ГИС) технологии находят применение в самых различных сферах деятельности человека, как в связи с его профессиональными потребностями в пространственной информации, так и познавательными потребностями [1,2].
Интеграция геоинформационных и муниципальных информационных систем (МИС) является важной задачей, поскольку от нее зависит эффективность принятия решений в управлении городским хозяйством. При рассмотрении ГИС как электронной службы тематических атласов, содержащих большой комплекс взаимосвязанной графической информации, появляется возможность группового пространственного анализа содержащихся в них объектов. Например, проанализировать все строения, которые могут оказаться в опасной зоне расположения химиче-, , определенном расстоянии от заданного объекта.
Под муниципальной геоинформационной системой (МГИС) следует понимать совокупность программных систем, предназначенных для доступа к муници-, , , -тую требуется принципиальная возможность комплексного и эффективного дос,
.
Эффективность в данном случае следует понимать как скорость получения , , , к конкретному муниципальному объекту, представление их в максимально полной и доступной форме.
При этом уровень сложности картографической информации довольно вы, -зования специальных средств:
1) имеется большой объем распределенных по слоям объектов;
2) в результате оверлея информация из разных слоев представляется комплексно в наложенном друг на друга виде, что зачастую приводит к громоздким вариантам отображения;
3) для пространственного анализа часто важна информация как можно большего числа слоев, таким образом, поочередное отключение тех или иных слоев не является правильным подходом к решению вышеуказанной задачи.
В свою очередь для каждого муниципального объекта имеется свой набор сложно-струк^рированных атрибутивных данных, обслуживание которых непосредственно программным обеспечением ГИС либо невозможно, либо нецелесообразно в виду больших затрат, которые все равно не приведут к созданию удобного доступа к этим данным.
Именно поэтому обслуживание семантической информации должна взять на ,
, -
формации. Совокупность этих двух подсистем можно назвать термином МГИС.
, , ,
должно иметь возможность легкого перехода к электронной карте. И наоборот, про-
, , ( ), иметь возможность для сформированного набора картографических объектов, получить всю интересующую его семантическую информацию в доступной форме.
Задача доступа к муниципальной информации может решаться несколькими :
1) , выбираются по отдельности;
2) связанная работа - отбирая пространственные объекты, ЛПР может при желании получить любую связанную с ними атрибутику из МИС, и соответственно наоборот (найти интересующую его семантику и показать свя-
);
Известия ЮФУ. Технические науки
3) -
,
по заданным правилам, с последующим переходом к связанной атрибу-, .
, .
,
работы особенностей БрЬ-кода, представляющего доступ к сложно. -ра объектов будет характеризоваться алгоритмом отбора. Для связанной работы мы имеем взаимное влияние перечисленных выше факторов. При этом одним из аспектов, влияющих на эффективность принятия решений, оператором, работающим с ГИС-подсистемой, остается скорость поиска нужных ему картографических объектов. Поскольку, делая обоснованный вывод о целесообразности того или ,
, .
То есть поиск муниципальной информации носит итеративный характер, и эффективность работы каждого шага в конечном итоге влияет на общую продолжительность выборки данных, а в конечном итоге и на эффективность принимаемых управленческих решений.
Работая с картой и отбирая нужные элементы, у пользователя появляется возможность сразу получить целостный спектр связанных атрибутивных данных,
( ), -литета имеет очень большой объем записей таблиц.
, ,
,
работы алгоритмов решения вышеперечисленных задач. Важной подсистемой является реализация метода топологического отбора.
Анализ топологических отношений - это наиболее естественное средство отбора графических объектов, представленных на карте в векторной форме [3].
Предлагаемый алгоритм топологического отбора основан на организации матричного хранения топологической информации, когда матрицы представляют , . , -ряет поиск информации в них.
Элементами матриц являются бинарные значения, указывающие наличие “1” или отсутствие “0” одного из отношений между объектами, определяемыми порядковыми номерами столбца и строки.
Пространственный запрос формирует выборку из объектов, топологические отношения между которыми удовлетворяют указанным в правиле отбора. Для конкретного класса картографических объектов задается бинарная структура от,
.
Исследование алгоритма топологического анализа (рис. 1-6) проводилось на тестовых и реальных городских картах, основное различие между ними состоит в разнообразии как объектов, так и топологических отношений между ними.
Вначале изучалась работа отдельных расчетных топологических процедур -поиск объектов по простым топологическим правилам, поскольку это позволяет выявить наиболее трудоемкие этапы работы алгоритма для тех случаев, когда задается комплексное правило.
Как видно из графиков, рост сложности выполнения носит практически ли, , разнообразия на тестовой карте.
График для тестовой карты
Число объектов, шт
Рис. 1. Алгоритм отбора (отдельные правіша, тестовая карта)
График для реальной городской карты
Число объектов, шт.
Рис. 2. Алгоритм отбора (отдельные правила, реальная карта)
Как видно из данного рисунка, рост сложности в зависимости от объема не линейный и носит экспоненциальный характер. Это связано со значительным разнообразием в структуре объектов и связей между ними. Этим же объясняется некоторая изломанность кривых роста сложности - на некоторых участках карты, даже содержащих значительное количество объектов, рост этого времени несколько замедляется в сравнении с другими. Это может происходить в связи с простой конфигурацией объектов - число сегментов, взаимное расположение. Обобщая графики, можно указать на тотальное превосходство отбора по матрицам - мас-
1 000 .
Рис. 3. Алгоритм отбора на типовых запросах, реальная карта
Исследование типовых запросов показало связь времени их выполнения с быстротой расчетов (определения) простых топологических процедур. Результаты аналогичны предыдущим - на тестовых картах сложность близка к линейной, на реальных рост имеет экспоненциальный характер. Матричный отбор имеет схожую конфигурацию во всех случаях, что связано с особенностями сканирования , ,
103,
при повторении множества запросов на отбор картографических объектов.
Рис. 4. Алгоритм отбора на типовых запросах, тестовая карта
Обобщенные выводы по графикам:
1)
и в пределах границы работают довольно медленно как на реальной, так и на тестовой карте. Преимущество поиска в пределах границы обуславливается большей простотой определения вложенности, а не удаленности;
2) -
-
сложность. Это позволяет сделать вывод о необходимости упорядочивания вызовов расчетных топологических процедур для оптимизации вре-;
3) ,
векторное представление топологических межобъектных отношений на основе предварительно формируемых матриц. Отбор происходит за считанные секунды даже для нескольких тысяч объектов.
Рис. 5. Исследование поиска объектов на основе топологии и по БД
Информационная модель данных муниципалитета предполагает такую организацию данных об объектах, при которой обеспечивается простота доступа к комплексу атрибутивной информации, а также легкая модификация информаци-.
Простота доступа к информации позволяет быстро осуществлять переход от сведений по объекту к его графическому образу и наоборот. Таким образом, важными исследуемыми сторонами алгоритма являются эффективность при выполнении поиска по записям базы данных и проведении расчетов бизнес-логики (арендные начисления).
При исследовании характеристик отбора по БД и по карте, на основе тополо-, , -
.
Как видно из результатов исследования, отбор по базе носит линейный характер, по матрицам - экспоненциальный, однако эффективность обоих методов высока - несколько тысяч объектов отбираются за 1-1,5 секунды. В пределах запроса на выборку 10 000 объектов максимальное ускорение, достигаемое за счет топологического отбора, составляет ~50 %. В дальнейшем несколько более эффективным будет отбор по БД, однако на практике это не скажется слишком сильно ( ).
Конечное решение о том, какой способ предпочтительнее, остается за оператором, однако на практике эффективными будут оба метода, особенно на ранних этапах внедрения МГИС, когда привязка единой цифровой картографической основы и информационной модели на уровне сущностей БД осуществлена не полностью.
Похожий результат получается при исследовании характеристик скорости арендных начислений:
Рис. 6. Сравнение скорости арендных начислений при выборке по базе данных и на
основе топологии
Влияние на указанную конфигурацию кривых роста времени выполнения ,
- , ,
отборе записи БД определялись по привязке к картографическим объектам ГИС, что несколько разгружает сервер. Выигрыш может составлять до 20 %, однако на практике это не столь критично - групповые арендные начисления выполняются с периодичностью раз в месяц, а для повседневной работы редко требуются начисления более чем для десятка объектов.
В результате исследования основных потоков данных в МГИС были выявлены преимущества использования алгоритма топологического отбора в совокупности с реализацией единой информационной модели данных муниципалитета.
Преимущества в использовании алгоритма очевидны при выполнении множества процедур отбора по различным правилам - в этом случае используются однажды сформированные и сохраненные топологические матрицы, скорость сканирования которых не сопоставима со временем выборки объектов из ГИС. Несмотря на оптимальность расчетных топологических процедур, первоначальный этап формирования поисковых матриц является трудоемким - зависимость времени работы от количества объектов является параболической.
Трудоемкость работы алгоритма на первоначальном этапе и высокая потребность в оперативной памяти указывают на необходимость применения технологии, подобной OLAP. При этом можно обеспечить следующие преимущества:
1) пользователь сам осуществляет детализацию матриц топологических отношений, выбирая интересующие его классы объектов, которые и сформируют итоговые слои куба;
2) факты (межобъектные топологические отношения), представленные в многомерном матричном виде, легко обрабатываются как в соответствии с простыми, так и сложными правилами отбора (пространственными запро-
).
бинарные структуры данных;
3) учитывая многомерное послойное представление топологической инфор-
, -.
БИБИЛИОГРДФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Андрианов Д.Е., Соколов М.С Использование топологических правил при пространственном анализе картографических объектов // Известия вузов. Приборостроение. - 2010.
- Т. 53, № 9. - C. 14-19.
2. Соколов М.С., Булаев AM. Применение топологических отношений при обработке дан-
// : , обеспечения, благоустройства и экологии: сб. статей X Международной научнопрактической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - С. 197-200.
3. Садыков С.С, Андрианов Д.Е., Еремеев СВ. Формальное определение топологических
// : -: . - .: . - , 2003. - . 73-78.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., доцент Д.Е. Андрианов.
Соколов Михаил Сергеевич
Муромский институт (филиал) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет».
E-mail: acp-devel2008@yandex.ru.
602252, Владимирская область, г. Муром, ул. Серова, д. 30, кв. 7.
Тел.: +79209045640.
Кафедра информационных систем; аспирант; ассистент.
Sokolov Mikhail Sergeevich
Murom Institute (branch) of the State Educational Institution of the Higher Vocational Training «Vladimir State University».
E-mail: acp-devel2008@yandex.ru.
30, Serova Street, apt. 7, Murom, Vladimirskaya reg., 602252, Russia.
Phone: +79209045640.
The Department of Information Systems; Postgraduate Student, Assistant.
