Программные средства ведения электронного генерального плана КМК

В силу сложности производства на комбинате присутствует большая  концентрация элементов различных инженерных коммуникаций на единице площади, что требует существенных временных затрат на согласования при проведении ремонтных и строительных работ со службами эксплуатации различных сетей. Длительный срок эксплуатации инженерных сетей обусловил утрату части информации о местоположении отдельных элементов и их характеристиках.

Большое количество и разнообразие документов на бумажных носителях, содержащих информацию о характеристиках и состоянии элементов инженерных сетей, затрудняет анализ их технического состояния и планирование ремонтно-профилактических работ.

Моделирование динамики потокораспределения  в водопроводных сетях не производится в силу отсутствия, как необходимых  программных средств, так и выверенного  описания сетей водоснабжения.

 

Для повышения эффективности эксплуатации инженерных коммуникаций ОАО КМК необходимо внедрение новой геоинформационной технологии в процесс ведения генерального плана ОАО КМК.

 

3 Анализ и выбор  программной платформы

Электронную версию генерального плана  в общем случае можно вести в любом пакете позволяющем работать с графическим изображением. Проведём анализ и выбор средства реализации поставленной задачи.

3.1 Графические редакторы

Основные функции типичного  графредактора можно просмотреть  на примере программы Adobe Photoshop – одного из многочисленных пакетов для обработки, изменения, сохранения графических объектов.

Этот пакет позволяет работать с палитрой; калибровать; сканировать; импортировать и экспортировать; выделять области, контуры; рисовать и редактировать; выбирать цвета, слои, каналы и маски, фильтры, размер изображения и его разрешение; выполнять функции цветокоррекции и цветоделения; преобразовывать изображение; печатать изображение.

Рассмотрим отрицательные стороны  использования графических редакторов для решения поставленной задачи:

• отсутствие возможности работать с атрибутными данными объекта генерального плана;
• отсутствие разделения объектов по слоям, так необходимое для подчёркивания принадлежности того или иного объекта к определённому типу инженерной сети;
• невозможность манипулировать пространственными данными, делать запросы на выборку (выделение) графических объектов;
• полное отсутствие средств анализа топологической привязанности элементов инженерной сети и др.

Приведённые выше недостатки использования графических редакторов говорят за себя.

3.2 Системы автоматизированного  проектирования

САПР (CAD) – системы для автоматизированного  проектирования с использованием средств  машинной графики. Такого рода системы  работают как правило только с техническими чертежами. Применение CAD имеет большие преимущества перед традиционным черчением. Это быстрое выполнение чертежей, в среднем в 2.5 – 3 раза быстрее, чем при работе с кульманом; повышение точности их выполнения за счёт того, что CAD позволяет быстро вносить исправления без ухудшения качества конечного продукта. Кроме того, возможно многократное копирование, так как любой чертеж или его часть могут быть сохранены и затем, при необходимости, повторно использованы. Значительное количество CAD для ПК позволяет применять их в различных областях промышленности, делает CAD привлекательными для использования. Например, для ПК разработаны такие системы, как AutoCAD, CADdy, BENTLY, DataCAD, CAD-KEY-3, DesignCAD 3D, Anvil 1000, MaxiCAD, Mega Model, MicroStation PC, CAD-One, ModelMate Plus, VersaCAD DESIGN и др.

Первоначально CAD использовались как  двумерные системы, обеспечивающие только автоматизацию выпуска конструкторской документации на изделия. Дальнейшая эволюция систем связана с введением трехмерных моделей объектов и операций над ними (таких, как перенос, поворот, масштабирование, удаление скрытых линий, визуализация модели трехмерного объекта и т.д.)

CAD поддерживают большой список  устройств ввода/вывода, позволяют работать со слоями, имеют множество достоинств, но неспособны обеспечить работу с пространственной информацией и в частности с картой [4].

Причины не использования САПР –  систем для решения задач по ведению электронной версии генерального плана:

• Главной причиной этого является использование условной декартовой системы координат для описания элементов чертежа и манипуляция только с геометрическими объектами: кругами, эллипсами, цилиндрами, кубами и т.п., а не с реальными объектами.
• Второй существенной причиной, по которой CAD системы малопригодны для решения поставленных задач – это отсутствие семантической или тематической части в описании объектов. Без этой части решение задач анализа данных генерального плана практически невозможно.

3.3 Геоинформационные системы

3.3.1 Функции и классификация  ГИС

Несмотря на все многообразие операций, целей, областей информационного моделирования, проблемной ориентации и иных атрибутов, характерных для создаваемых и действующих ГИС, логически и организационно в них можно выделить несколько конструктивных блоков, называемых также модулями или подсистемами, выполняющими более или менее четко определенные функции. Функции ГИС в свою очередь вытекают из четырех типов решаемых ею задач: 1) сбора, 2) обработки, 3) моделирования и анализа, 4) их использования в процессе принятия решений.

 

Рисунок 3.1 – Функции геоинформационной  системы

Более развернутая характеристика функциональной структуры ГИС, состоящей  из четырех компонентов (подсистем): управления, обработки, анализа и  использования данных представлена на рисунке 3.2.

 

Рисунок 3.2 – Развернутая характеристика структуры ГИС

Приведенные схемы соответствуют  современным полномасштабным многофункциональным  и универсальным ГИС, хотя в конкретных реализациях возможно изменение баланса между их отдельными блоками или редуцирование отдельных подсистем (модулей) [3].

ГИС можно классифицировать с точки  зрения проблемной ориентации, выделяя:

1. инженерные;
2. имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных;
3. ГИС для тематического и статистического картографирования;
4. библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множествах картографических документов;
5. географические файлы с данными о функциональных и административных границах;
6. системы обработки изображений.

Классификация, учитывающая архитектуру  и структуру ГИС, выглядит следующим образом:

1. характер проблемно-процессорной модели;
2. структуре модели базы данных;
3. особенности модели интерфейса.

Возможно разделение ГИС по территориальному охвату (общенациональные и региональные ГИС); по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе информационно – справочные, инвентаризационные, для нужд планирования, управления); по тематической ориентации (общегеографические, отраслевые).

3.3.2 Данные и их типы

Одним из главных источников данных, широко применяемых в геоинформатике, наиболее часто привлекаются картографические, статистические и аэрокосмические материалы. Помимо указанных материалов гораздо реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также литературные (текстовые) источники.

Использование географических карт, как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных, удобно и эффективно по ряду причин. Прежде всего, сведения, считанные с карт, имеют четкую территориальную привязку, во-вторых, в них нет пропусков, "белых пятен" в пределах изображаемой территории и, в-третьих, они в любой своей форме возможны для записи на машинные носители информации. Можно охарактеризовать ряд блоков картографических источников.

Одним из основных источников данных для ГИС являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей космического и авиационного базирования, и составляют значительную часть дистанционных данных.

3.3.3 Технические средства ввода  и вывода данных

Технические средства геоинформатики можно условно разделить на три  группы, каждая из которых содержит как универсальные, так и специфичные для нее приборы и оборудование. Для кодировки данных и прежде всего аналого-цифрового преобразования картографических материалов используют средства цифрования; для обработки преобразования данных – вычислительную технику, а при визуализации данных, что выражается главным образом в построении графических изображений, применяют автоматизированные устройства графопостроения.

Средствами кодирования пространственных данных для ввода их в ЭВМ, начиная  с ранних стадий развития геоинформатики, были цифрователи двух основных видов:

• полуавтоматические цифрователи (дигитайзеры) с ручным обводом и автоматической регистрацией координат на носитель данных;
• автоматические, фиксирующие элементы рисунка построчно при перемещении сканерного луча (сканеры, сканирующие устройства).

Технологии ввода данных являются альтернативными и конкурентными. Обладая специфическими достоинствами и недостатками, их применение в каждом конкретном случае должно опираться на анализ комплекса факторов, что позволяет оценить возможную эффективность, трудозатраты, стоимость и точность цифрования данных.

Результаты обработки данных, основные процедуры которой рассмотрены выше, покидая свою цифровую оболочку, должны неминуемо трансформироваться в ”человеко-читаемый” документ. Для визуализации данных, и прежде всего в картографическом форме, используются специальные технические средства: графопостроители для пассивной графики и дисплеи для интерактивной графики.

Графопостроитель – это устройство для цифроаналогово преобразования данных, т.е. перевода цифровой модели, заложенной в ЭВМ, в графическую форму. К картографическим приборам, используемым для графического воспроизведения цифровых данных, относятся автоматические координатографы, исполнительным инструментом которых служат специальные головки, устанавливаемые на одном из кареток прибора.

3.3.4 Представление пространственных  данных

Главным различием геоинформационной  системы и обычной СУБД является возможность, не только узнать какие  данные находятся в базе данных, но также определить местоположение этих данных на местности с помощью цифровых географических карт. Отсюда вытекает основное требование к ГИС – это возможность ввода и отображения пространственной информации и привязка к ней атрибутивных и тематических данных. Пространственные данные можно представить в виде следующей схемы:

 

Рисунок 3.3 – Представление пространственных данных.

Термин карта означает здесь набор географических слоев, каждый из которых привносит в карту информацию по какой-либо определенной теме. Например, на слой границ некоторой территории может быть нанесен слой рек, затем слой, отображающий количество атмосферных осадков в процентном отношении и т.д. Таким образом, манипулируя тематическими слоями, пользователь имеет возможность анализа информации в более естественном виде, чем голые колонки цифр. Это в свою очередь повышает эффективность и сокращает время принятия решений.

Слои в карте подразделяются на два основных вида – растровые и векторные.

Векторные слои – это совокупность простых геометрических объектов (точка, дуга, полигон), которые представляют те или иные объекты на местности. Векторные слои могут также хранить топологию, т.е. информацию о взаимном расположении объектов.

Растровые слои представляют из себя сплошные изображения. Они не могут содержать объекты. Однако, они могут служить фоном для векторных слоев. Это полезно, например, в фотограмметрии при преобразовании отсканированных аэрофотоснимков в векторный формат и т.п.

Каждому объекту векторного слоя может  соответствовать запись в базе данных, чем обеспечивается привязка информации к местности. Это соответствие может обеспечиваться в частности назначением каждому объекту соответствующего идентификатора.

Пространственные объекты разделяются на множество атомарных, элементарных объектов – примитивов. К ним принадлежат точки (точечные объекты), линии (линейные объекты), контуры (ареалы, полигоны), поверхности (рельефы), ячейки регулярных пространственных сетей и элементы разрешения изображений (пикселы).

3.3.5 Системы управления базами  данных

Для эффективного использования пространственных данных применяются программные средства, обеспечивающие функции их хранения, описания, обновления и т.д., а так же прикладной обработки (анализа, моделирования и т.п.). В зависимости от типов и форматов их представления, от уровня (класса) программных средств ГИС и некоторых характеристик среды и условий их использования могут быть предложены различные варианты их организации хранения и доступа к пространственным данным, причем способы организации различаются для позиционной и семантической их части.

Большинство же существующих программных  средств ГИС используют для этих целей достаточно изощренные и эффективные подходы, основанные на организации данных в виде баз данных (БД), управляемых программными средствами, получившими название систем управления базами данных (СУБД). Современные коммерческие СУБД, в том числе те, что использованы в программном обеспечении ГИС, различаются по типам поддерживаемых в них моделей данных, среди которых выделяются иерархические, сетевые и реляционные модели и соответствующие им программные средства СУБД. Последние из них – реляционные СУБД – нашли особо широкое применение при разработке программного обеспечения ГИС.