Модель и алгоритмы интегрированной обработки и анализа пространственной и атрибутивной информации в муниципальных ГИС для поддержки принятия управленческих решений

Актуальность темы

К настоящему времени в различных муниципальных службах накоплены большие объемы сложноструктурированной информации, которая имеет привязку к картографической основе. Правительство РФ требует перехода к оказанию услуг в электронном виде по принципу «одного окна». Причем прямо указывается задача сокращения времени реагирования муниципальных служб на обращения физических и юридических лиц для повышения эффективности их обслуживания. Следовательно, при решении муниципальных управленческих задач возникает необходимость в автоматизации процесса обработки и анализа данных о городском хозяйстве.

Таким образом, для принятия обоснованных управленческих решений используется информация, включающая в себя пространственную и атрибутивную составляющие. Помимо базовых характеристик муниципальных объектов используются взаимосвязанные данные о собственниках, арендаторах, их договорах и начислениях по ним, льготы по оплате, сведения о задолженностях, виды и категории использования, виды правообладания, оценки по датам, сопроводительная документация и прочее. В виду этого обработка обращений граждан и юридических лиц часто осуществляется за период времени, превышающий десять дней.

Можно укрупненно выделить ряд задач, решающихся в сфере управления городским хозяйством: анализ размеров земельных участков и их пространственного расположенияотбор пространственно-распределенных объектов по заданным параметрам, включая их пространственные и атрибутивные сведениясравнение характеристик объектов городского хозяйства на основе различных критериев, удельных значений и их визуального отображения на имеющейся картографической основепоиск муниципальных объектов по принадлежности к собственнику или арендатору с учетом движения имущества для контроля правил землепользования и планирования застройкипоиск объектов городского хозяйства, на которые у муниципального образования возникает, либо истекает право собственности.

В настоящее время информация, необходимая при решении вышеуказанных задач, организована в виде реестров. Эффективный доступ к таким сведениям возможен на основе интеграции этих реестров в единую систему, связанную с городской картографической основой.

Первые три задачи могут решаться на основе только геоинформационных систем (ГИС), без привлечения других информационных систем. Атрибутивные данные по пространственным объектам могут храниться во внешних системах, или во встроенных СУБД. Однако в этом случае акцент использования муниципальных сведений должен быть смещен в сторону картографической обработки. Но при этом возникают трудности с её реализацией, в виду большого количества взаимосвязей сущностей муниципальных данных.

Решение последних двух задач возможно через применение обособленных муниципальных информационных систем (МИС), не связанных с геоинформационными. Но при использовании только МИС в качестве СУБД, обрабатывающих сложно-структурированные данные о городском хозяйстве теряется возможность гибкой работы с картографическим материалом и принятия решений на его основе.

Таким образом, разносторонний анализ данных о городском хозяйстве является информационной основой для обоснованного принятия управленческих решений. Но его применение на основе обособленных ГИС и МИС увеличивает временные затраты на доступ к данным и, как следствие, затрудняет принятие оперативных управленческих решений в муниципальных службах. Поэтому необходима разработка и применение программных средств, повышающих скорость обработки и анализа пространственной и атрибутивной информации о городском хозяйстве, за счет ее интегрированного представления.

Вопросы использования пространственных и атрибутивных данных в ГИС рассмотрены в работах A.M. Берлянта, Л. С. Берштейна, Е. Г. Капралова, Н. И. Конона, A.B. Кошкарева, И. К. Лурье, А. Н. Пылькина, И. Н. Синицына, B.C. Тикунова, A.M. Трофимова, Д. Е. Андрианова, В. Я. Цветкова, E.H. Черемисиной, C.B. Абламейко. Но проблеме сокращения времени доступа к большим массивам сложно-структурированной, разнородной информации для поддержки принятия оперативных управленческих решений в них уделялось мало внимания.

В виду этого, актуальность работы обосновывается необходимостью разработки новой модели интегрированного описания данных, способа организации информации и алгоритмов оперативного анализа и обработки данных в муниципальной геоинформационной системе для поддержки принятия управленческих решений.

Объект исследования: принятие управленческих решений с использованием разнородной информации, хранящейся в муниципальных.

ГИС.

Предмет исследования: модели и алгоритмы обработки и анализа сложно-структурированных муниципальных пространственно-атрибутивных данных на основе их интеграции и применения геоинформационных технологий.

Цель и задачи исследования

.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмической поддержки направленной на сокращение временных затрат при принятии оперативных решений в муниципальных службах на основе интеграции пространственной и атрибутивной информации в муниципальных ГИС (МГИС). Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены научно-технические задачи.

1) Сравнительный анализ существующих автоматизированных систем управления городским хозяйством и подходов, применяемых к работе с данными в них, с целью определения путей сокращения времени необходимого для оперативного принятия управленческих решений.

2) Разработка теоретико-множественной модели, описывающей взаимосвязи объектов муниципальной ГИС, достаточных для интегрированного представления информации о городском хозяйстве в степени целесообразной решаемым в муниципалитетах задачам.

3) Разработка способа представления пространственно-атрибутивной информации в виде массива бинарных матриц для сокращения времени доступа к ней и алгоритмов оперативного анализа разнородных данных в муниципальных ГИС, представленных в интегрированном виде.

4) Применение алгоритмов в муниципальной ГИС на основе разработанных теоретико-множественной модели и способа организации доступа к данным, а также анализ достигнутых результатов.

Методы исследования. В работе использованы методы теории множеств, реляционной алгебры, методы структурного анализа и проектирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты.

1) Предложена теоретико-множественная модель взаимосвязей объектов муниципальной ГИС, позволяющая представлять атрибутивную информацию о пространственных объектах муниципальной ГИС в интегрированном виде.

2) Разработан новый способ интегрированного описания и обработки пространственно-атрибутивной информации об объектах городского хозяйства, в основу которого положены топологические характеристики, представленные в виде массива бинарных матриц.

3) Алгоритмы доступа к сложно-структурированной муниципальной информации, основанные на введенной теоретико-множественной модели и предложенном способе описания данных, позволяющие сократить время получения сведений, являющихся основой для принятий решений в муниципальных службах.

Практическая ценность работы. Практическая ценность заключается в том, что полученные результаты позволили разработать и внедрить в практику следующие подсистемы муниципальной ГИС:

1) подсистема топологического отбора картографической информации на основе задаваемых пользователем правил;

2) подсистема интеграции пространственной и атрибутивной информации, осуществляющая взаимодействие между муниципальной картографической основой и единой базой данных о городском хозяйстве;

3) подсистема работы с единой муниципальной базой данных, предоставляющая унифицированный интерфейс доступа к:

— журналам информации по муниципальным объектам и контрагентам, включая учет арендных отношений вместе с арендными начислениями;

— унифицированным формам со сведениями по объекту;

4) подсистема, реализующая арендные начисления, интегрированная с реляционной базой, позволяющая легко производить изменения способов расчета.

Проведенная интеграция разработанных программных средств на основе применения геоинформационных технологий позволила расширить круг решаемых задач, повысить уровень информационной осведомленности городских властей и обеспечить поддержку принятия оперативных решений по вопросам управления городской территорией. При этом, за счет применения разностороннего анализа данных на основе вводимой классификации объектов по их топологическим характеристикам, достигается сокращение времени принятия управленческих решений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6-й Международной научно-практической конференции «Управление в социальных и экономических системах» и 9-й, 10-й Международных научно-технических конференциях «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2008, 2009 гг) — на 34-й и 35-й Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, 2008, 2009гг.) — на 9-й международной научно-технической конференции «Распознавание-2010» (Курск, 2010) — на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета (г. Муром, 20 092 011гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 12 статей, 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК.

Личный вклад. В совместных публикациях личный вклад автора состоит в следующем: [43] - доработаны алгоритмы ввода данных и проведена апробация на реальной карте- [45] - описана модель интеграции и разработаны алгоритмы ведения адресного реестра в контексте ГИС- [48] -разработан алгоритм оперативного обновления данных в ГИС и отслеживания изменений- [49] - разработаны алгоритмы, составляющие прикладной пакет- [51] - проведена разработка и исследование алгоритмов- [52], [53], [54], [55], [56], [57] - разработка алгоритмов и их интеграция.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации 154 страницы, в том числе 123 страниц основного текста, 8 страниц списка литературы, 22 страницы приложений. Таблиц 1, рисунков 79.

Результаты исследования и практического применения разработанных алгоритмов обеспечения интегрированного доступа к муниципальным сведениям показали сокращение времени получения сложноструктурированных муниципальных данных и, как следствие, более быстрое принятие оперативных управленческих решений в муниципальных службах.

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 запросами на основе бинарных операций сравнения). При этом анализируются бинарные структуры данных;

3. учитывая многомерное послойное представление топологической информации, можно говорить о возможности распараллеливания обработки пространственных запросов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе были получены следующие основные теоретические и практические результаты:

1) Проведен анализ существующих автоматизированных систем управления городским хозяйством и организации работы с данными в них, определивший основные направления исследований.

2) Предложена теоретико-множественная модель взаимосвязей объектов муниципальной ГИС, основанная на описании топологических характеристик в виде массива бинарных матриц, позволяющая адекватно представлять пространственную информацию.

3) Разработан способ пространственного анализа, основанный на совместной обработке разнородных данных, позволяющий генерировать сложно-формализуемые запросы.

4) Разработаны алгоритмы интегрированного доступа к сложноструктурированной муниципальной информации, основанные на введенной теоретико-множественной модели и предложенной структуре описания данных, позволяющие повысить оперативность принятия решений в муниципальных службах.

5) Разработаны подсистемы, основанные на предложенном способе интегрированного доступа и алгоритмах:

— подсистема топологического отбора картографической информации;

— подсистема интеграции пространственной и атрибутивной информации;

— подсистема работы с единой муниципальной базой данных;

— подсистема, реализующая арендные начисления в контексте единой реляционной базы данных;

6) Проведены экспериментальные исследования разработанных алгоритмов, которые показали, что уменьшение времени поиска и отбора объектов составляет значение трех порядков, на участке реальной карты содержащей 8000 пространственно-распределенных объектов.

7) Результаты проведенных исследований внедрены в комитете управления муниципальным имуществом администрации округа Муром.