Концепция полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт маштаба 1:200 000 – 1:1 000 000 как основа формирования единого геологического покрытия территории России.
Введение.
В докладе председателя Комитета Совета Федерации по природным ресурсам и охране окружающей среды В.П.Орлова на Парламентских слушаниях по теме: «Состояние и проблемы законодательного обеспечения геологического изучения недр России» 21 марта 2008 года было отмечено - «…главной задачей государственного геологического изучения недр является создание и развитие системы знаний и подтверждающих их материалов о геологическом строении суши и шельфа…» (стенограмма доклада).
Основой такой системы знаний являются Государственные геологические карты масштаба 1:200 000 и 1: 1 000 000. Начиная с конца 90-х годов прошлого века, государственные геологические карты создаются как комплекты материалов, включающих аналоговую и цифровую формы их представления. Цифровая версия карты значительно расширяет информационную емкость комплекта, дает возможность пространственного представления и увязки геологических материалов.
В то же время потенциал цифровой формы представления геологических данных реализуется не в полной мере. В настоящее время сама методика создания цифровой модели, а так же структура и содержание цифровых данных ориентированы, прежде всего, на подготовку к изданию отдельного листа карты [4]. Существующая технология организации данных цифровых материалов разработана с учетом и на основании совокупности методов, наследуемых от издательского процесса, а именно – файловый способ хранения информации, послойное разбиение полотна карты, жесткая унификация форматов и картографического оформления цифровых моделей (цвет, крап, размер индексов и т.д.). Содержательная и терминологическая унификация описаний картируемых подразделений, при таком подходе, в цифровой модели не контролируется. Физическая увязка листа карты и серийной легенды на уровне цифровых материалов не проводится по определению, поскольку это два различных издательских продукта.
Такой подход имеет право на существование, оправдывает себя и достаточно эффективен для решения задач по подготовке к изданию комплекта карт одного листа. Но мы сталкиваемся с целым рядом проблем, пытаясь реализовать потенциал, заложенный в современных геоинформационных системах – а это не только издание (собственно, для издания существуют простые и дешевые программные средства - «графические редакторы»), но главным образом - комплексный анализ пространственной и атрибутивной геологической информации. Наиболее очевидными и «лежащими на поверхности» проблемами являются следующие:
Особенно наглядно это заметно при переходе от анализа информации по одному, отдельно взятому листу к попыткам обобщить информацию по нескольким листам, увязать несколько листов различного масштаба, увязать геологическую информацию листа карты и серийной легенды, и наконец, наиболее ярко проявится при создании бесшовного геологического покрытия больших регионов страны.
Помимо вышеперечисленных методических и технологических проблем «издательского» подхода к созданию цифровых моделей геологических карт, на начальном этапе развития цифровой картографии существовал и целый ряд объективных технических проблем, это отсутствие полноценных механизмов удаленного доступа к крупным массивам цифровой информации (поскольку, очевидно, что процесс создания геологической карты в рамках крупного региона не может быть осуществлен на локальной машине и силами одного специалиста, а если это коллективная задача то необходима реализация многопользовательского удаленного доступа); не адаптированность и не проработанность протоколов взаимодействия информационных систем к специфике цифровой геологической информации; аппаратные ограничения самих средств хранения, обработки и передачи цифровых данных.
Анализ зарубежного опыта показывает, что весь вышеперечисленный спектр проблем не является уникальным явлением, присущим исключительно отечественной геологической картографии. С подобными и даже гораздо более сложными вопросами по увязке цифровых данных сталкивались геологические службы практически всех развитых стран, где к вышеперечисленным проблемам добавлялись различные подходы к геологическому картопостроению, используемые в рамках одной страны.
На сегодняшний день большинство теоретических вопросов, стоящих на пути создания цифровых бесшовных геологических карт зарубежными геологическими службами уже решены. Более того, имеются реальные, действующие и вполне работоспособные сводные информационные системы по территории Австралии, США, Канады, Великобритании и Франции, а в рамках международного сотрудничества весьма успешно развивается проект по подготовке геологической карты мира масштаба 1:1 000 000 «OneGeology».
Таким образом, переход от технологий «издательского» подхода к формированию сводных геолого-картографических систем является закономерным этапом развития цифровой геологической картографии. Какие же решения лежат в основе реализованных проектов?
В технологическом и техническом плане:
В методическом плане:
Поэтому задача по созданию модели данных геологических карт, определяется разработчиками как ключевая [6,7], поскольку она неразрывно связана и напрямую обуславливает последующие технологические решения, и, в конечном счете, определяет эффективность создаваемых на ее основе Национальных геолого-картографических информационных систем.
В отечественной практике готовых подходов к комплексному решению вышеозначенных проблем не существует. Поэтому представляется целесообразным при создании Российской национальной геолого-картографической информационной системы максимально полно использовать передовые зарубежные разработки и стандарты, а так же громадный отечественный опыт по упорядочиванию и систематизации понятийной основы геологических карт. Очевидно так же, что перечисленные задачи не могут быть решены одномоментно или в рамках отдельного проекта, а требуют системной и планомерной реализации. Первым шагом в этом направлении является разработка концепции полимасштабной модели данных Государственных геологических карт, определяющей общие рамки формирования Единой информационной системы для всей территории суши и континентального шельфа России, создание которой планируется завершить к 2020 г.[5]. Такая концепция была подготовлена во ФГУП ВСЕГЕИ в рамках базового проекта 7.4-02/08 «Разработать комплект научно-методических документов и программно-технологических средств для создания унифицированных цифровых геологических карт различных масштабов» раздел «Концепция полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт масштабов 1:200 000–1:1 000 000, как основа формирования единого геологического покрытия территории России». Концепция подготовлена в соответствии с положениями следующих основополагающих документов: Закон Российской Федерации «О недрах», «Положение о Федеральном агентстве по недропользованию», «Основные направления развития работ общегеологического и специального назначения по региональному изучению недр суши, континентального шельфа Российской Федерации, Арктики и Антарктики». По своему содержанию и предлагаемым технологическим решениям предлагаемая концепция обеспечивает взаимодействие с информационными структурами Роснедра на уровне, предусмотренном в «Концепции информационной системы обеспечения работ по геологическому изучению недр и воспроизводству минерально-сырьевой базы» (рекомендована к утверждению секцией геологических основ, науки и информатики НТС Роснедра, протокол от 27 ноября 2006 года № 17/31).
1. Назначение и цели создания Полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт.
1) Полимасштабная модель геологических данных Госгеолкарт предназначена для понятийной и структурной унификации, увязки пространственной и описательной информации цифровых моделей Государственных геологических карт масштаба 1:200 000- 1: 1 000 000, полистных легенд и Легенд серий листов, соответствующих масштабов, по территории Российской Федерации в рамках единой информационной системы, пригодной для перевода государственного геологического изучения страны от режима полистных съемок к формированию единого геологического покрытия территории России и его мониторингу
2) Основной целью создания Полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт является повышение эффективности использования цифровых материалов, создаваемых в рамках выполнения работ по государственным контрактам, повышение оперативности представления и внедрения результатов региональных геолого-геофизических и геологосъемочных работ в практику недропользования путем решения следующих задач:
- обобщение и структуризация цифровых информационных ресурсов по государственному геологическому картированию территории Российской Федерации и ее континентального шельфа, получаемых в рамках работ, проводимых за счет государственного финансирования;
- согласование структуры и данных цифровых информационных ресурсов по государственному геологическому картированию на основе разработки и внедрения общей схемы классификации предметной области Госгеолкарт масштабов 1:200 000 –
1: 1 000 000 и серийных легенд;
- формирование и ведение единой централизованной базы данных цифровой пространственной и фактографической геологической информации по результатам геологического картирования территории Российской Федерации и ее континентального шельфа на основе согласованной логической схемы;
- организация оперативного доступа к создаваемому информационному ресурсу с использованием технологии Интернет для предоставления наиболее полной и актуальной информации по геологическому строению территории Российской Федерации и ее континентального шельфа, на основе общей архитектуры, форматов данных и стандартов взаимодействия ее отдельных блоков;
- разработка новых научно-методических документов и технологических регламентов, обеспечивающих дальнейшее совершенствование и унификацию понятийной основы, а так же способам представления и визуализации геологической информации.
2. Основные требования, предъявляемые к функциональности и способам реализации Полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт.
В соответствии с предназначением и поставленными целями:
1) Полимасштабная модель геологических данных Госгеолкарт должна определять общие подходы к организации цифровой геологической информации, которые обеспечат:
- возможность понятийной унификации геологических данных Госгеолкарт и Легенд серий листов масштабов 1:200 000 -1:1 000 000;
- возможность структурной унификации цифровых пространственных геологических данных Госгеолкарт и текстового описания подразделений легенд листов масштабов 1:200 000 -1:1 000 000;
- возможность построения согласованной логической схемы для формирования баз данных Госгеолкарт масштабов 1:200 000 -1:1 000 000 и баз данных картируемых подразделений легенд листов масштабов 1:200 000 -1:1 000 000;
- возможность увязки в рамках единой системы логических моделей геологических данных Госгеолкарт и Легенд серий листов масштабов 1:200 000 -1:1 000 000;
- возможность интеграции данных Государственных геологических карт в международные проекты на основе стандартов OGC (Open Geospatial Consortium – Открытый геопространственный консорциум) и CGI (The Commission for the Management and Application of Geoscience Information - Commission of the International Union of Geological Sciences – Комиссия по управлению и применению геонаучной информации Международного союза геологических наук).
2) Полимасштабная модель геологических данных Госгеолкарт должна быть реализована на основе промышленной СУБД, обеспечивающей современный уровень хранения, использования, обработки и передачи цифровых геологических данных.
3) Технологические и методические решения по созданию и внедрению полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт должны:
- не противоречить сложившейся практике подготовки, хранения и использования цифровых материалов региональных геолого-геофизических и геологосъемочных работ, порядку ведения существующих внешних информационных ресурсов Роснедра;
- обеспечивать возможность интеграции с существующими информационными системами Роснедра и предоставление данных и метаданных через программные шлюзы.
3. Состав и содержание полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт.
В соответствии с вышеперечисленными требованиями к функциональным возможностям модели, полимасштабная модель геологических данных Госгеолкарт должна включать:
- общую схему взаимоувязанной классификации предметной области Госгеолкарт м-бов 1:200 000 – 1:1 000 000, в виде Концептуальной модели и списка онтологий, используемых для унификации описаний геологической информации Государственных геологических карт масштабов 1:200 000 – 1:1 000 000 и Легенд серий соответствующих масштабов;
- логическую схему модели в виде ER (Entity Relationhip – Сущность-связь) диаграммы;
- рекомендации по общей архитектуре системы, форматам данных и стандартам взаимодействия отдельных блоков, предназначенных для реализации модели.
3.1. Общая схема взаимоувязанной классификации предметной области Госгеолкарт масштабов 1:200 000 – 1:1 000 000.
3.1.1. Общие положения.
Назначением общей схемы классификации предметной области - является формирование единой понятийной основы для описания, классификации и интерпретации геологических объектов и их свойств в базах данных цифровых Госгеолкарт масштабов 1:200 000 – 1:1 000 000 и цифровых материалах Серийных легенд.
Областью применения общей схемы классификации - являются геологические понятия, отношения и зависимости, использующиеся при описании информации, представленной в легендах листов геологических карт масштаба 1:200 000- 1:1 000 000 и серийных легендах соответствующего масштаба.
Прототипом общей схемы классификации - служит стандарт модели данных, разработанный совместными усилиями специалистов геологических служб США и Канады, задокументированный и опубликованный в 2004 г. под названием «Модель данных для североамериканских геологических карт, версия С-1» [7].
Общая схема классификации включает:
- описание концептуальной модели данных со схемами иерархий для классов
понятий и основных используемых понятий;
- схемы взаимоотношения классов понятий и основных используемых понятий;
- описание классов понятий и основных используемых понятий;
- список онтологий.
3. 1.2. Концептуальная модель данных.
Предлагаемая модель подготовлена в виде технологически нейтральной концептуальной основы, определяющей основные классы понятий и связи между ними со специальным акцентом на понятиях, связанных с информацией, отображенной на цифровых Госгеолкартах масштабов 1:200 000 – 1:1 000 000 и в цифровых материалах Серийных легенд.
Принципиальным моментом данной концепции является положение о том, что в рамках единой Модели должны быть увязаны понятия, используемые, во-первых, для отображения геологических объектов (на карте разрезе, легенде), во-вторых, для описания их геологического содержания (ранг, вещественный состав, генезис и т.д.), в-третьих, для их метаописания (однозначный источник информации и т.д.). Именно такой подход, учитывающий все три самых общих уровня классификации информации геологических карт в едином понятийном пространстве, обеспечивает эффективность применения модели для разномасштабных и разноплановых геологических построений и обобщений. Преимуществом такого подхода является то, что любой геологический объект (точка наблюдения, картографический выдел, свита, комплекс, зона, бассейн и т.д.), отображенный на геологической карте, карте фактов, разрезе, схеме, в легенде карты, в серийной легенде и т.д. может быть описан с использованием единого понятийного подхода, и каждый объект может иметь ссылку на источник поступления информации.
На основе такой концептуальной модели можно строить единые (или, во всяком случае, согласованные) логические схемы как для баз данных геологических карт, так и для серийных легенд или первичной геологической информации. Использование концептуальной модели дает возможность разрабатывать блоки по отображению и описанию геологической информации в комплексных информационных системах (ГИС-Атлас, СОБР, ГБЦГИ), согласованные на понятийном уровне с Полимасштабной моделью.
В настоящей концептуальной модели, согласно принятому прототипу, верхним уровнем является понятие «Универсальное множество», охватывающее все классы понятий и все, включаемые в эти классы понятия (рис. 1).
Рис. 1 Верхний уровень концептуальной модели.
Для «Универсального множества» выделяется три класса понятий: «Геологические Понятия», «Метаданные» и «Геологические Отображения» (рис. 1).
Класс «Геологические Понятия» включает классы понятий специфичные для различных областей геологической науки, используемые при описании объектов геологических карт.
Класс «Геологические Отображения» включает классы понятий, используемые для графического отображения геологических знаний, в т.ч. посредством словарей, геологической карты, разреза, колонки и т.д.
Класс «Метаданные» включает классы понятий, используемые для документирования конкретных данных (например, карт, легенд, онтологий, геологических объектов и т.д.).
Классы «Геологические Понятия» и «Геологические Отображения» имеют ассоциации типа "множество - множество" с классом «Метаданные», моделируя тот факт, что любой объект базы данных может иметь связанные с ним метаданные, и любой объект метаданных может быть связан с более, чем одним объектом данных. В настоящей модели, классами метаданных являются «Название» и «Текстовое описание». Следовательно, каждый экземпляр «Геологического Понятия» или «Геологического Отображения» может иметь одно или более названий или текстовых описаний. «Название» или термин является произвольной текстовой строкой, используемой для идентификации экземпляра понятия (объекта данных). Один из вариантов названия или термина, в качестве «Предпочтительного названия» может указываться для понятия в «Геологическом Словаре». Атрибут «Названия», предпочтительный для понятия в любом частном словаре, дает стандартное средство для идентификации понятия в данном контексте. «Текстовое описание» представляет собой сигнификат по объекту данных для помощи пользователям в понимании данных. Другие классы метаданных, не моделируемые в явном виде, могут относиться к более, чем одному экземпляру; отсюда вытекает потребность в зависимости типа "множество - множество" между классом «Метаданные» и другими понятиями классов «Геологические Понятия» или «Геологические Отображения».
Каждый из классов «Геологические Понятия» и «Геологические Отображения», является как самостоятельным понятием, так и иерархически объединяет более частные классы и понятия.
Следует отметить особую роль понятия «Геологический словарь», которое включается в класс «Геологические Отображения» и играет центральную роль в применении настоящей модели для упорядочивания геологической информации путем использования единой терминологической базы. Поскольку модель является концептуальной, сами словари вынесены за ее рамки, что позволяет, оставаясь в пределах единой концепции, использовать для описания одних и тех же понятий различные наборы терминов.
Дальнейшая спецификация (детализация) концептуальной модели к конкретной предметной области, в данном случае для Госгеолкарт масштабов 1:200 000 -1:1 000 000 и Серийных легенд, обуславливает включение в общую схему классификации помимо собственно концептуальной модели, так же и строго детерминированных наборов терминов, организованных в виде иерархических словарей «онтологий».
Таким образом, предлагаемая Концептуальная модель является расширяемой и пополняемой. Расширение модели может осуществляться за счет включения в существующие классы верхнего уровня дополнительных классов и понятий, например, для описания понятий металлогенического блока или блока по опасным геологическим процессам. Пополнение и детализация модели может быть выполнена как путем преобразования существующих понятий в классы понятий и выделения внутри этих классов более дробных понятий, так и путем детализации самой терминологической базы. (Например, при переходе от общего описания вещественного состава подразделения (термин «песчаник») к описанию отдельных образцов (термин «песчаник мелкозернистый аркозовый»)). В настоящий момент в модели предлагается выделение 139 понятий и до 6 уровней иерархии, для каждого из понятий имеется текстовое определение, валидное в рамках рассматриваемой предметной области.
3. 1.3. Список онтологий.
Список онтологий предназначен для подготовки формализованных описаний с целью унификации описаний геологической информации Государственных геологических карт масштабов 1:200 000 – 1:1 000 000 и Серийных легенд соответствующих масштабов через использование единой терминологической основы. Онтологии являются неотъемлемой частью общей схемы классификации полимасштабной модели, их набор и структура задаются Концептуальной моделью данных, а содержание определяется существующими нормативными и научно-методическими документами Роснедра, регламентирующими полноту и содержание геологических материалов.
В рамках настоящей модели под термином «онтология» (изначально философским), как и в любой области информационного проектирования, подразумеваются взаимоувязанные иерархически организованные наборы словарей терминов, подготовленные в определенном формате, приемлемом для технологий компьютерной обработки. Информационные онтологии всегда создаются с определенными конкретными целями для решения практических задач по поиску и анализу информации, поэтому основным критерием их оценки является применимость и релевантность запросов формируемых с их использованием. Определение достаточной полноты и наполнение онтологий на этапе разработки концепции, как правило, не представляется возможным, поскольку существенно зависит от конкретных данных, для которых они будут использоваться.
Ключевым элементом, определяющим эффективность использования онтологий, является словарная система геологических терминов. Исходя из опыта разработки общих методических подходов к моделированию цифровой геологической информации, подготовленных рабочими группами CGI , а так же учитывая специфику российской геологической школы, в рамках Полимасштабной модели минимально необходимый список онтологий должен включать наборы терминов следующих словарей: Минеральное вещество, Генетический тип, Обстановка формирования, Состав химический, Степень консолидации, Отдельность, Текстура породы (плоскостная), Текстура породы (объемная), Формы геологических тел, Морфология зерен, Размер частиц, Агрегат зерен, Изменчивость размера зерен, Ранг подразделения, Возраст, Тип границы, Тип разлома, Геологические отношения.
Для подготовки онтологий должна использоваться словарная система геологических терминов следующих документов: Стратиграфический кодекс, Петрографический кодекс, Геологический словарь, методические рекомендации «Основы мелкомасштабного геологического картографирования», методическое руководство по составлению и подготовке к изданию листов Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:1 000 000 (третьего поколения)», прочие методические руководства и рекомендации по геологическому картографированию, отчетные материалы по Государственным контрактам на создание и поставку научно-технической продукции в части касающейся семантического обеспечения и изданная литература.
В полимасштабной модели реализована возможность как расширения набора словарей для создания новых онтологий, так и расширения набора словарных терминов внутри каждого словаря, что обеспечит гибкость и полноту описаний авторских материалов при подготовке формализованных описаний. Предлагаемый перечень онтологий является минимально необходимым. Предполагается его пополнение на основе включаемой в модель новой геологической информации, а так же уточнение на основании рекомендаций, получаемых в процессе ее непосредственной реализации. Как показывает зарубежный опыт, списки словарей и наборы терминов могут быть легко расширены в процессе использования Модели без перестройки ее структуры, за счет использования свойств версионности объектов, реализуемых на уровне логической схемы.
3.2. Логическая схема
Предлагаемая выше концептуальная модель и списки онтологий задают правила общей классификации предметной области Госгеолкарт, которые являются основой Полимасштабной модели на понятийном уровне. Рассмотренная схема классификации, по сути своей платформенно независима, и может использоваться для унификации геологических знаний при построении любых информационных систем в области геологического картирования.
Для реализации схемы классификации на уровне информационных ресурсов и для обеспечения свойств полимасштабности модели Концепцией предусматривается Логическая схема. Логическая схема описывает основные структурные элементы организации цифровой информации и может быть выполнена в виде объектной или реляционной схемы базы данных.
На основании анализа зарубежных подходов к моделированию схем баз данных, используемых для организации цифровой геолого-картографической информации и апробации этих материалов, в качестве прототипа для создания логической схемы Полимасштабной модели геологических данных Госгеолкарт предлагается использовать схему реляционной базы данных геологической службы Канады - NADM GSC [6,9]. В этой разработке для построения логической схемы используются сопоставимые подходы к классификации предметной области геологических карт (как и в предлагаемой данной полимасштабной модели) и формированию набора онтологий. Кроме того, эта схема прошла апробацию на материалах 383 карт масштабов 1:15 000, 1:50 000, 1:100 000, 1:250 000, 1:500 000 по территории Западной и Северо-Западной части Канады [7]. А с 2003 г. успешно используется при проведении работ по интеграции цифровых моделей разномасштабных геологических карт Канады.
В процессе апробации логической схемы NADM GSC на материалах Государственных геологических карт территории Российской Федерации она была существенно расширена и доработана, как в части структуры логической модели, так и в части взаимодействия отдельных блоков. Наибольшие изменения коснулись способов организации информации растровых материалов (в текущей версии NADM GSC - не предусмотрено) и Серийных легенд (не используются геологической службой Канады в практике региональных работ).
Таким образом, предлагаемая логическая схема обеспечивает не только эффективную реализацию концептуальной модели и интеграцию существующих полистных цифровых моделей геологических карт, но и позволяет добиться совместимости разрабатываемых структур с информационными ресурсами ведущих геологических служб мира.
Учитывая важность задачи по реализации увязки разномасштабной геологической информации, далее, в описании логической схемы приведены общие сведения о предлагаемой логической модели (обеспечивающей структурную унификацию цифровых данных). Отдельно выделено описание уровней организации информации и способов их взаимодействия (реализующих ее полимасштабные свойства), а так же показаны основные преимущества предлагаемого подхода.
3.2.1. Логическая модель.
В составе логической модели выделяются следующие логические блоки (полная схема логической модели в виде ER диаграммы и описания выделенных классов, см. [11]):
1) Блок «Источник данных (Source)» - предназначен для ввода и хранения информации об источниках/метаданных, в т.ч. содержит справочную информацию об опубликованных и неопубликованных источниках данных, хранящихся в цифровой библиотеке;
2) Блок «Архив единичных объектов (SOA)» - предназначен для хранения и описания пространственных объектов, логически и/или физически объединенных в наборы данных, состоит из нескольких таблиц, в которых хранится описательная информация по отдельным пространственным объектам (все таблицы Архива имеют два одинаковых ключевых атрибута);
3) Блок «Архив составных объектов (архив дерева понятий - COA)» - предназначен для хранения и описания всех геологических онтологий (наборов основных терминов в виде одно- и много уровневых словарей, в том числе серийных легенд). Состоит из нескольких таблиц – ядром блока является Таблица Архива Составных объектов (ТАСО) которая связывает блок «Легенда карты» (см.далее) и, следовательно, остальную часть Модели с различными типами составных объектов, охарактеризованных и описанных в архиве;
4) Блок «Легенда карты (Legend)» - предназначен для хранения легенд к листам карты, включая информацию о картографическом отображении. Блок состоит из двух таблиц данных и набора стандартных справочных таблиц. Функции этой части Модели - регистрировать объекты, включенные в карту, давать их описания в зависимости от назначения карты, задавать условные знаки объектов, изображенных на ней и связывать пространственные объекты с описанием их признаков из Архива Составных Объектов (СОА), ядром блока является Таблица Объект Классификации.
5) Блок «Общий пул атрибутов (Attributes)» - предназначен для хранения значений атрибутов всех свойств всех объектов на трех уровнях. Включает расширяемый набор таблиц атрибутов, таких как: геологическое подразделение, породный состав, стратиграфический возраст, цифровой возраст, геохронологический возраст, текстовое описание, граница, разлом и т.д.
6) Комплект таблиц «Корреляционные таблицы связи (Correlation tables)», состоит из нескольких таблиц и реализует организацию отношений «многие-ко-многим».
Подобное архитектурное решение обеспечивает необходимую гибкость всей схемы. Например, позволяет применить одну легенду (например, серийную легенду) к одной или ко многим картам, составить несколько легенд, связать с одной картой множество альтернативных легенд и, наоборот, одну легенду связать с несколькими картами и т.д. Реализует возможность «версионности описаний» - т.е. использование различных версий описаний геологических объектов при актуализации карт и серийных легенд.
3.2.2. Уровни организации информации и способы их взаимодействия
Предлагаемая логическая модель определяет, как минимум, три уровня (рис. 2) организации информации:
* уровень единичного геологического объекта - картируемого «выдела», объекта наблюдения и т.д.;
* уровень легенды листа карты - группы однотипных картируемых («композитные объекты») объектов на листе карты (в зависимости от назначения карты это группировка может быть выполнена по возрасту, вещественному составу, обстановкам формирования и т.д.);
* уровень серийной легенды (сводной, специализированной легенды) – описаний наборов однотипных групп объектов («композитных объектов») смежных листов сформированных на основе разнообразных геологических построений.
Все уровни информации имеют унифицированную структуру описания объектов, основанную на едином пуле атрибутивных таблиц. Объекты всех уровней, как основной/дополнительный атрибут могут иметь пространственное отображение (полигон, линия, точка).
Формирование однотипных объектов (групп, наборов) может осуществляться на основании любых понятий (и их комбинаций), включенных в концептуальную модель и описанных при помощи формализованных значений, содержащихся в словниках онтологий. В зависимости от назначения карты это группировка может производиться по возрасту, вещественному составу, обстановкам формирования и т.д.
Рис. 2. Уровни организации цифровой геологической информации.
Формирование однотипных групп объектов может быть выполнено:
- на основе общей характеристики картируемых объектов, таких как ранг и
возраст и т.д.;
- на основании отдельных составляющих элементов объекта, включенных в его
описание: минеральное вещество (порода), формы геологических тел его
слагающих и т.д.;
- на основании свойств составляющих элементов объекта: состав химический,
степень консолидации, отдельность, морфология зерен, размер частиц и т.д.
Между различными уровнями организации информации предусматривается два типа связи: между картируемыми объектами и их описаниями в легенде листа карты (однотипной группы) устанавливается связь типа «один-ко-многим»; между описаниями объектов легенды листа карты и Серийной легендой (наборами однотипных групп) через корреляционные таблицы используется связь «многие-ко-многим».
Для увязки между собой серийных легенд как внутри одного масштаба картографирования, так и различного масштабного уровня (рис.3), логической схемой предусматривается использование специальных промежуточных корреляционных таблиц «Геологические отношения», которые используют связи «один-ко-многим» и определяют вид геологических отношений, таких как: «вмещает», «перекрывает согласно/несогласно», «принадлежит», «прорывает», «содержит», «частичный/полный эквивалент» и т.д.
Рис. 3. Увязка цифровой геологической информации различных масштабных уровней.
Предлагаемая логическая схема реализации Полимасштабной модели в виде единой базы данных, обеспечивает целый ряд возможностей, практически не реализуемых в варианте существующего раздельного полистного файлового хранения цифровой информации Госгеолкарт и неструктурированных описаний картируемых подразделений Серийных легенд, основными из которых являются следующие:
1) Реализация «сквозного» унифицированного (на основе общего набора атрибутивных таблиц) описания, хранения, увязки и совместного использования информации на всех масштабных уровнях геологического картопостроения:
- на масштабных уровнях Государственного геологического картографирования: единичные картируемые объекты карт масштаба 1:200 000- 1:1 000 000 – легенды листов карт масштаба 1:200 000- 1:1 000 000 – серийные легенды карт масштаба 1:200 000- 1:1 000 000;
- на уровнях сводного и обзорного картографирования: единичные картируемые объекты карт масштаба 1:2 500 000- 1:5 000 000 - легенда карт масштаба 1:2 500 000 –
1:5 000 000;
- на уровне «бесшовной» карты территории Российской Федерации и ее континентального шельфа: единичные картируемые объекты карт масштаба 1:200 000 –
1: 5 000 000 - укрупненные (сводные) легенды по крупным георегионам – сводная легенда по территории России.
2) Формирование запросов, в том числе комбинированных, как к объекту, группам объектов картографирования в целом (свита, толща, комплекс), так и любой из выделяемых в их составе литологических (петрографических) составляющих (порода, слой, горизонт, дайка и т.д.), охарактеризованных по общему набору признаков (например, генезис, обстановка формирования и т.д.).
3) Построение любых видов легенд, в том числе зональных, на основании всех признаков, определенных при формализации описаний картируемых подразделений, их вещественного состава и различных типов связей, таких как – «вмещает», «перекрывает согласно/несогласно», «принадлежит», «прорывает», «содержит», «частичный/полный эквивалент» и т.д., в пределах одного или нескольких масштабных уровней. Автоматическое построение карт и схем по созданным легендам.
3. 3. Рекомендации по общей архитектуре системы, форматам данных, стандартам и способам взаимодействия отдельных блоков, предназначенных для реализации модели
Как отмечалось ранее, анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта в области организации цифровых геолого-картографических данных позволяет сделать вывод о необходимости реализации Полимасштабной модели в виде централизованной информационной системы, использующей трехуровневую гибкую и масштабируемую архитектуру:
- уровень клиентских приложений;
- уровень серверных приложений;
- уровень хранения данных;
Каждый уровень организует работу и взаимодействие отдельных сервисов и инструментов.
1) Уровень клиентских приложений должен содержать набор интерфейсов для регламентированного доступа (в том числе удаленного) к цифровой геолого-картографической и мета- информации, организуемой в рамках полимасштабной модели. На этом уровне реализуется взаимодействие конечного пользователя и информационной системы, поэтому используемые программные средства должны обеспечить максимальную эффективность и простоту работы специалиста-геолога (недропользователя) по поиску и анализу данных, а так же отображению цифровых материалов в наиболее удобной для него форме.
Следовательно, уровень клиентских приложений должен включать:
- интерфейсы доступа к разномасштабной картографической информации при помощи стандартных и широко распространенных в отрасли геоинформационных систем (ArcGis, MapInfo) и других ГИС – приложений, поддерживающих международные стандарты WMS (Web Map Service) и WFS (Web Feature Service);
- интерфейсы, реализующие специализированные запросы к анализу информации в описаниях геолого-картографических подразделений легенд разномасштабных карт и Серийных легенд;
- интерфейсы построения стандартных и специализированных легенд, синтетических карт, корреляционных таблиц, диаграмм и текстовых описаний.
Кроме того, на этом же уровне должны быть сформированы интерфейсы загрузки информации в систему и ее администрирования.
2) Уровень серверных приложений должен обеспечивать взаимодействие клиентских приложений с хранилищем данных и базироваться на стандартах взаимодействия, используемых интерфейсами клиентских приложений и базы данных.
3) Уровень хранения данных должен обеспечить долговременное безопасное хранение и совместное использование огромного массива разнородных растровых, векторных и текстовых цифровых материалов, постоянно пополняемых в ходе проведения работ по геологическому изучению территории России. Кроме того, именно на этом уровне должны быть физически реализованы возможности логической схемы по увязке пространственных картографических объектов с описанием картографических подразделений в легендах карт и серий. На этом уровне должны обеспечиваться возможности сопоставления объектов и определение геологических отношений, в конечном счете, обеспечивающих полимасштабные свойства единой модели Госгеолкарт.
Исходя из этого, уровень хранения данных предполагается реализовать на базе промышленной СУБД, которая должна обеспечивать:
- возможность хранения большого объема пространственной и фактографической информации, включая весь картографический фонд Госгеолкарт масштабов 1:200 000 –
1:1 000 000;
- высокую отказоустойчивость и наличие механизмов вариантного резервного копирования данных, исключающих возможность потери данных;
- регламентируемый доступ операторов и пользователей к данным, отдельным элементам и сервисам системы;
- высокую производительность обработки введенных в систему геологических данных по запросам пользователей;
- широкие возможности для прикладного программирования и создания специализированных интерфейсов ввода, обработки и доступа к данным;
- возможность многопользовательского доступа к информационным ресурсам по локальным и глобальным компьютерным сетям;
- наличие развитых средств масштабирования для возможного расширения в системы и включение в структуру данных новых тематических блоков в перспективе;
- возможность построения детальных и высокогранулированных схем обеспечения безопасности содержимого: контроль доступа, аудит, правила доступа на уровне строк и т.д.;
- возможность быстрого отката содержимого отдельных схем, таблиц и выборочных строк информации, для обеспечения высокоточного восстановления системы в случае непреднамеренных ошибок пользователя;
- наличие широких средств интеграции со сторонними информационными системами;
- наличие сертифицированных по Российскому ГОСТу механизмов защиты хранимой информации в базе данных: шифрование, аутентификация, авторизация и т.д.
Для взаимодействия вышеперечисленных уровней предлагается использоваться стандарты и протоколы на основе WMS (Web Mapping Service), WFS (Web Feature Service), CSW (Catalog Service for Web), SOAP (XML-RPC), и др., которые обеспечат кроссплатформенность, простоту настройки и использования.
Таким образом, внешняя коммуникационная инфраструктура предлагаемой системы будет основываться на протоколах и форматах данных Интернета, а также совместима со стандартными программными средствами работы пользователя и интернет-браузерами.
Предлагаемая принципиальная схема общей архитектуры системы, форматы данных, стандарты и способы взаимодействия ее отдельных блоков обеспечивают возможность картосоставления и редактирования карт с использованием широко распространенных в отрасли геоинформационных систем (ArcGis, MapInfo) и любой ГИС, поддерживающей международные стандарты WMS, WFS, CSW; реализует динамическую связь подразделений разномасштабных геологических карт, серийных легенд, легенд геологических карт и атрибутивной информации; предоставит возможность разработки инструментов формирования стандартных и специализированных легенд и карт в произвольных контурах, корреляционных таблиц и схем, различных текстовых и графических документов.
Система будет совместима с существующими базовыми технологиями и форматами данных, принятыми для создания «Системы обеспечения работ Роснедра» (Гос.контракт №АМ-02-34/2 от 13 марта 2009 г.), путём организации непосредственного доступа, либо создания средств конвертирования данных.
Защита информации и обеспечение информационной безопасности Системы на физическом уровне будет производиться в соответствии с действующими нормами Российского законодательства и с использованием сертифицированных средств.
