Комплексная разработка ГИС для социально-образовательной сферы

С.В. Смирнов

с.н.с., к.т.н.,

ИПУ им. В.А. Трапезникова, г. Москва

Введение

В настоящее время стало очевидно, что для принятия оптимальных управленческих решений в системе образования необходима информация о различных параметрах деятельности учебных заведений, муниципальных и региональных образовательных структур, об инновационном педагогическом опыте и т.д. Этому вопросу уделяется большое внимание в вузах. Научный и кадровый потенциал высших учебных заведений позволяет создать системы автоматизации различного назначения. Однако средние общеобразовательные учреждения остаются в стороне от своевременного обеспечения информационными данными, которые имеют серьёзное значение. Следствием этого является информационная необеспеченность принятия решений, что может быть серьезным фактором нестабильности отрасли, так как принимаемые решения подвергаются частой и радикальной коррекции, а также повышают уровень конфликтности [1- 2]. Информационная недостаточность приводит к следующим последствиям:

- делает невозможным мониторинг принятых решений;

- затрудняет создание и реализацию федеральных программ;

- ведет к уменьшению управляемости отрасли;

- не дает создавать карту реальных потребностей и возможностей, что заставляет руководство всех уровней (в отсутствии возможности прогнозирования) действовать в оперативном режиме;

- отсутствие единого информационного рынка образовательных услуг;

- слабая возможность прогнозирования рынка педагогических кадров.

Отсутствие надёжной, полной и доступной специализированной справочной информации стало намного более серьезной проблемой, чем в прошлом. Конечно, на сегодняшний день существует целый ряд систем, которые могут обеспечивать решение этой проблемы. Это в первую очередь ГИС-модель Москвы и ГИС-модель центральной части России, а также целый ряд систем, наводнивших современный рынок. Многие из них отвечают требованиям информатизации, однако исключают возможность получения какого-либо совета от системы, например расчёт кратчайшего пути для инспекции некоторых школ с учётом особенностей транспорта, который возможно проводить в специализированной справочной геоинформационной системе ((СС)ГИС). Представляемая на рассмотрение (СС)ГИС является новым видом справочных геоинформационных систем, наделённых правами систем-советчиков, адаптированной под спрос нынешнего обывателя. Далее будут рассмотрены этапы составлящие единую цепь технологического проектирования ГИС-системы:

Ø выбор системы условных знаков в ГИС;

Ø разработка модели графического слоя карты ГИС;

Ø разработка графо-аналитической модели тематического слоя ГИС.

Выбор системы геоинформационных (условных) знаков

Для выбора системы геоинформационных знаков необходимо рассмотреть следующее:

- выбор условных знаков при помощи семиотики (наука изучающая знаковые системы);

- критерии выбора конструкции, цвета и приоритета восприятия знака (объекта) на карте с позиции основных аспектов семиотики;

- представлены критерии выбора знаков при помощи цветоведения (наука о цвете);

- рассмотреть условия одинакового восприятия цвета изготовителем и потребителем карты для эргономичного проектирования системы.

Рассмотрим критерии выбора условных знаков с позиции семиотики, которая включает в себя следующие аспекты:

· синтаксический;

· семантический;

· прагматический.

С помощью картографической синтактики решаются следующие вопросы:

- построение и систематизация картографических знаков с помощью графических средств;

- исследование сочетаний графических средств в одном знаке;

- исследование комбинации знаков в пространстве, а также пути их рационального построения.

С позиции синтактики необходимо смоделировать условные знаки в ГИС таким образом, чтобы они имели некоторую общую систему по элементам их конструкции [3]. Объекты школьного и дошкольного образования являются родственными объектами по социально-образовательной тематике, и поэтому должны иметь знаки одинаковой конструкции, но с разным цветом (см. табл.2.3). Необходимо установить объекты, которые являются приоритетными и второстепенными, для того чтобы впоследствии определить для них форму и цвет условного знака объективно их назначению. Приоритетными объектами на карте будут следующие (пример из практики): общеобразовательные школы, детские сады, школы с углублённым изучением иностранного языка, национальные школы, вечерние сменные школы, государственные образовательные учреждения (начальная школа-детский сад), гимназии и лицеи (целесообразно представить одним условным знаком), дополнительное образование (центры внешкольного обучения), интернаты и детские дома (один условный знак), профтехучилища, негосударственные образовательные учреждения.

Причём степень понижения приоритета будет идти согласно перечисленным в списке объектам и выглядит следующим образом:

A₁={f(x₁), f(x₂), f(x₃),…,f(x_n)}, (1.1)

где x Î A1; A1 – множество знаков первостепенной группы,

с условием, что:

f(x₁) > f(x₂) > f(x₃) >… > f(x_n),

где f(x_n) – условный знак объекта; n – порядок приоритета объекта. Второстепенными объектами на карте будут следующие объекты: границы округов, парки, лесопарки (один знак), станции метро. жилые кварталы, платформы ж/д, реки, пруды (один знак), нежилые кварталы, надписи.

Во второстепенном списке объектов степень значимости будет следующей:

B ={f(y₁), f(y₂), f(y₃),…, f(y_n)}, (1.2)

где y Î B ; B – множество знаков второстепенной группы,

с условием, что:

f(y₁) ³ f(y₂) ³ f(y₃) ³…³ f(y_n),

где f(y_n) – условный знак объекта; n – порядок приоритета объекта.

Во второстепенной группе, как видно из формулы (2.2) допускается равенство знаков по части восприятия, то есть не имеет значения, что некоторые знаки этой группы могут одинаково зрительно восприниматься. Однако следует отметить, что:

yÏA и хÏB Þ A Ç B=Æ

Определив условные знаки по группам, приступим к их конструкции. Условные знаки в соответствии с характером распространения отображаемых объектов и явлений подразделяются на три группы следующим образом:

I={a,b,c}, (1.3)

где I - множество групп условных знаков: a, b, c подмножества I.

a – значковая группа;

b – линейная группа;

c – площадная группа.

В свою очередь каждая группа состоит из следующих элементов:

- a={K, L, C, Q, M};

- b={K, L, C, Q, M};

- c={K, L, C, Q, M};

буквенными обозначениями указаны следующие характеристики условного знака: К- форма, L- размер, C- цвет, Q- ориентировка, M- внутренняя структура.

Изменяя параметры в каждой группе условных знаков можно добиться не только решения поставленной задачи формирования очерёдности восприятия условных знаков, но и выбрать удачное расположение на карте, а также обеспечить их эстетичное восприятие.

По конструкции определяем, исходя из имеющихся групп условных знаков, что в первостепенной группе все условные знаки будут значковые геометрические. Во второстепенной группе знаков также значковые геометрические - это объекты станций метро и платформы ж/д. Линейными знаками будут границы округов, а площадными парки, лесопарки, жилые и нежилые кварталы. Надписи объектов входят в отдельную группу условных знаков и имеют следующие параметры:

F(x)={g, m, r, z}, (1.4)

где F(x) - множество параметров надписей объектов, g - картографический шрифт, m - размер, r - цвет, z - эффект для улучшения восприятия.

Форма и другие параметры условных знаков, спроектированных в разрабатываемой ГИС, представлены в табл. 2.3.

Вторым критерием семиотики при разработке знаков будет картографическая семантика, в которой выделяются следующие направления:

- изучение смыслового значения знаков;

- определение отношения знаков к действительности;

- выявление информационных свойств знаков.

Смысловое значение знаков заключается, прежде всего, в том, чтобы с помощью графического образа и соответственно составленной легенды карты попытаться передать, ту особенность, которая присуща объектам социально-образовательной сферы и остальным условным знакам. Отсюда делаем вывод, что необходимо установить родовые и видовые связи объектов. Несомненно, что образовательные и социальные объекты являются родственными в рамках социально-образовательной сферы и, следовательно, должны быть систематизированы, то есть приведены к каким-то общим критериям.

Родственные и видовые связи других объектов карты приведены в таблице

Можно записать табл.2.1 следующим образом:

Q₁={X₁₁, X₁₂, X₁₃, X₁₄, X₁₅, X₁₆}, (1.5)

где X Î Q₁; Q₁- фундаментальное множество знаков ГИС;

X₁₁, X₁₂, X₁₃, X₁₄, X₁₅, X₁₆ - множество знаков определённой группы видовой связи,

причём выражение (2.5) подразделяется далее:

X₁₁={Y₁₁, Y₁₂}, (1.6)

где Y₁₁, Y₁₂ - множество условных знаков, входящих в данную группу.

При составлении данной классификации упорядочивается чтение карты и облегчается поиск нужной информации.

Выявление информационных свойств знаков необходимо для того, чтобы знать какой знак лучше поможет отобразить объект или изображаемое явление. Знаки позволяют характеризовать качественные и количественные особенности объектов, а также их внутреннюю структуру. В разрабатываемой ГИС в качестве знаков, отображающих объекты социально-образовательной сферы, будут использоваться абстрактные геометрические знаки: квадраты, ромбы, треугольники. Однако эти знаки будут являться внемасштабными (размер знаков будет неизменен при увеличении или уменьшении масштаба), и, следовательно, размер знака не отражает количественную характеристику, а цвет – качественную. Выяснив все направления семантики, перейдём к третьему критерию семиотики, а именно к картографической прагматике.

Картографическая прагматика помогает рассмотреть отношения знаков к изготовителям и потребителям карт, при построении системы картографических знаков [4]. Эти отношения выражаются в следующих моментах:

- изготовители карт должны при проектировании условных знаков, на основе знания процессов и законов зрительного восприятия, обеспечить хорошую читаемость знаков с учётом считывания знаков автоматическими системами;

потребители карт должны уметь анализировать карту и понимать сущность представленных объектов и отображаемых явлений.

Разработка модели графического слоя карты.

Модель графического слоя карты геоинформационной системы будет разрабатываться с помощью автоматизированной картографической системы (АКС). АКС - это комплекс приборов и программных средств, обеспечивающих создание и использование карт. Технология создания электронных карт зависит от следующих факторов:

P₁={A₁₁, A₁₂, A₁₃, A₁₄, A₁₅, A₁₆, A₁₇, A₁₈}, (1.10)

где P₁ - множество факторов технологии создания электронных карт;

A₁₁ - вид карты;

A₁₂ - требования, предъявляемые к точности карты;

A₁₃ - содержание карт;

A₁₄ - условные знаки;

A₁₅ - исходные картографические данные;

A₁₆ - исходные снимки для оцифровки местности;

A₁₇ - структура входных данных;

A₁₈ - структура выходных данных.

Рис.1.1. Структура процесса создания графического слоя карты.

Информационный слой графической информации составляют объекты, объединённые одной темой, к примеру, жилые и нежилые кварталы. Объединение всех геометрических объектов в один информационный слой приведёт к уменьшению быстродействия визуализации ГИС, а разбиение на логические группы приводит к обратному результату. В разрабатываемой (СС)ГИС карта будет выглядеть следующим образом:

M₁={F₁, F₂, F₃, F₄... F_n}, (1.15)

где M₁ – множество слоёв графических объектов;

F₁, F₂, F₃, F₄... F_n – слои графических объектов.

Иными словами, все объекты социально-образовательной сферы будут представлены отдельными слоями, что поможет разгрузить карту и значительно сэкономить время визуализации графической информации. Однако в целях генерализации информационного слоя может происходить объединение нескольких слоёв в одном:

M₁={C₁, C₂, C₃, C₄... C_n}, (1.16)

где C₁, C₂, C₃, C₄... C_n – слои, образованные при генерализации информации,

причём C₁= {F₁, F₂}, C₂={F₃, F₄} ... C_n={F_n, F_n+1}, (1.17)

F₁, F₂, F₃, F₄... F_n – слои графических объектов.

После рассмотрения этой важной части компонентов векторной карты переходим ко второй составляющей.

Рис.1.2. Форматы хранения геометрических объектов

и атрибутивных данных.

Системой согласования графических и тематических форматов является система управления базой данных (СУБД), которая является встроенной в ГИС. Именно СУБД обеспечивает связь между геометрическими объектами и их атрибутами в ГИС. СУБД – это комплекс программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных [5].

В процессе функционирования ГИС всё многообразие входных данных: информация об объектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами, различные описательные сведения – преобразуются в единую модель (набор моделей), хранимую в базе данных [6]. Эти данные формируют совокупно различные модели объектов, создающих информационную основу базы данных и идентифицирующих методы обмена данными в процессе эксплуатации ГИС. Число объектов, представляемых в ГИС, является большим, поэтому сложно представлять каждый объект отдельной моделью. Поэтому объекты объединяются по общим наборам признаков, по выполняемым функциям. Типизация объектов существенно разгружает проблему представления в ГИС информации разного назначения.

Разработка модели тематического слоя ГИС

Разработка необходимой графо-аналитической модели данных тематического слоя – одна из важнейших задач при построении ГИС [7]. Основные проблемы обработки, эффективности, хранения и удобства использования остаются в силе в связи с наличием векторных и растровых моделей данных [86]. Решение данных проблем достигается созданием мозаичных иерархических моделей. Мозаичность моделей, получается, из-за разделения плоскости данных на многоугольники, которые могут быть квадратами, треугольниками и т.п. В основе разделения данных лежит способ рекурсивного разделения: клетки большого размера делятся на меньшие, но с соблюдением формы. К мозаичным иерархическим моделям принадлежат пирамида и квадратомическое дерево.

В основе пирамидальной модели лежит использование экспоненциально растущих блоков дискретных массивов, которые каждый последующий представляют одной четвёртой размера предыдущего уровня. Пирамидальную модель эффективно использовать в тех случаях, когда для получения изображения необходимо увеличить скорость для операции оконтуривания и получения отдельных объектов.

Теперь рассмотрим квадратомическое дерево, модель которого основана на рекурсивной декомпозиции квадратной сетки, где разрешение определяется данными, имеющими пространственную однородность. Отличие модели квадратомического дерева от пирамиды в том, что у первой разрешение переменное, а у второй составное.

Преимущества модели квадратомического дерева [8-10]:

- пространственные связи закодированы в самой модели;

- осуществляют быстрый поиск;

- при увеличении однородности данных они формируются в более компактном варианте.

- разрешение в стандартных данных уменьшается на высоких уровнях дерева;

- хранение и доступ к данным происходит в более эффективном варианте из-за свойства структуры декомпозиции дерева.

Наряду с преимуществами такой модели представления данных встречаются, конечно, и недостатки, которые также необходимо рассмотреть для составления более объективного мнения.

Недостатки модели квадратомического дерева также рассмотрены в работе. Обобщённом вариант недостатков выглядит следующим образом:

- квадратомические деревья трудоёмки при создании;

- при каком-либо изменении в плоскости данных требуется пересчёт всего дерева;

- эти модели не всегда эффективны при хранении спутниковых данных и сведений о цифровании территорий.

- Из вышеперечисленного оптимально предположить, что разработка графо-аналитической модели тематического слоя ГИС будет проходить с помощью организации иерархической структуры данных, то есть квадратомического дерева.

Вследствие этих и других преимуществ целесообразно использовать квадратомическое дерево, как графо-аналитическую модель для хранения географических данных. Была проделана работа по развитию процедуры для преобразования растровых данных в формат квадратомического дерева путём использования техники линейного кодирования.

Отметим, что время поиска необходимой информации в ГИС зависит от разработки графо-аналитической модели тематического слоя, которая в свою очередь зависит от выбора способа организации информационных данных в системе.

Таким образом были рассмотрены этапы составлящие единую цепь технологического проектирования ГИС-системы для принятия оптимальных управленческих решений в системе образования и обеспечения административного звена необходимой информацией о различных параметрах деятельности учебных заведений, муниципальных и региональных образовательных структур, об инновационном педагогическом опыте и т.д.

Литература

1. Методы повышения эффективности поддержки управленческой деятельности в системе повышения квалификации на примере изучения темы "Мотивация персонала" в современных условиях. // Материалы междисциплин. науч. конф. асп. и соискат. АПК и ПРО 5-6 апреля 1999 г. М.: ПАИМС, 1999.- ч. 1. - С. 7-10.

2. Жилина Л.В. Программа информатизации школьного образовательного пространства // Информатика и образование. – М., 2002. - №11. - С. 15-17

3. Ширяев Е.Е. Картографическое отображение, преобразование и анализ геоинформации. - М.: Недра, 1984. - 248 с.

4. Биктимирова Н.М., Лосяков Н.Н., Нырцова Т.П. Штриховое и шрифтовое оформление карт (картограф. услов. знаки). - М.: Изд-во МИИГАиК, 1992. - С. 55.

5. Топографо-геодезические термины: Справочник / Сост.: Кузьмин Б.С., Герасимов Ф.Я., Молоканов В.М. и др. - М.: Недра, 1989. – 261 с.

6. Bracken I., Webster C. Information Technology in Geography and Planning. - London, 1990. - P.

7. Смирнов С.В., Тюкавкин Д.В. Разработка тематического слоя геоинформационной системы при помощи графо-аналитической модели // Объединённый научный журнал. - М., 2003. - №22. – С. 79-80.

8. Waugh T.C. A Response to Recent and Articles on the use of Quadtrees for Geographic Information Systems. Proceedings of the Second International Symposium on Spatial Data Handling. - Seattle, Washington, 1986. - P. 33-37.

9. Samet H. The Quadtree and Related Hierarchical Data Structures // Association for Computing Machinery Computing Surveys. – 1984. - June, №2. - P. 187-260.

10. Ranade S., Shneier M. Using Quadtrees to Smooth Images // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. – 1981. - May, №5. - P. 373-376.