РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОБНОВЛЕНИЯ ГЕОПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБЪЕКТОВ ОО БД

В современном мире невозможно представить себе какую-либо деятельность человека и активное экономическое развитие без применения картографии. Однако, как и их предшественники, электронные топографические карты отражают местность лишь на момент создания и со временем неизбежно устаревают, и требуют обновления. Также важно отметить тот факт, что потеря актуальности карт происходит не равномерно и, например, данные о дорогах и населённых пунктах устаревают значительно быстрее, чем данные о гидрографии или рельефе. В Российской Федерации обновление каждого масштаба электронных топографических карт происходит по номенклатурных листам и деньги из бюджета выделяются соответствующим образом. Такой подход приводит к высоким финансовым и временным затратам.

Для оптимизации процесса обновления электронных топографических карт в последние годы рядом авторов предлагается концептуально новый подход к работе с геопространственной информацией: объектно-ориентированный подход [1, 2, 3]. При таком подходе любому объекту реального мира, положение которого можно определить однозначно, соответствует пространственный объект, инкапсулирующий все его свойства и имеющий уникальный идентификатор. Описание таких объектов происходит посредством описания классов объектов, причём классы могут наследовать свойства базовых классов и поддерживают полиморфизм. Также объекты могут представлять из себя отношения, состоящие из других объектов. Вся информация при таком подходе хранится в объектно-ориентированной базе данных (ОО БД). Всё это позволяет пользователю геоинформационной системы оперировать не абстрактными понятиями баз данных, а привычными понятиями и названиями. Но главное преимущество такого подхода заключается в том, что обновление карт можно производить пообъектно и, применяя генерализацию базового масштаба, доводить эти обновления до пользователя практически в реальном времени.

Возможность пообъектного обновления и тот факт, что объектно-ориентированный подход к хранению геопространственной информации является концептуально новым, делают задачу автоматизированного обновления данных ОО БД актуальной и практически значимой. В связи с этим целью данной работы является разработка технологии автоматизированного обновления геопространственной информации объектов объектно-ориентированной базы данных.

Для автоматизированного обновления данных ОО БД необходимо подобрать источники, соответствующие следующим требованиям:

1. пространственные данные источника должны храниться в строго определённой системе координат;
2. данные источника должны систематически и регламентировано обновляться;
3. должен иметься свободный программный доступ к данным;
4. данные должны быть представлены в открытом формате;
5. источник должен предоставлять пространственные данные на весь мир.

Существует большое количество открытых источников, предоставляющих открытый доступ к пространственным данным на весь мир, таких как Google Maps и Google Earth, Bing Maps, Геопортал Роскосмоса, Яндекс.Карты, но в полной мере всем выше перечисленным требованиям удовлетворяет только OpenStreetMap.

OpenStreetMap (OSM) – проект, предназначенный для создания и распространения картографических данных c областью покрытия всего мира [4]. Можно сказать, что OpenStreetMap – это Википедия в мире картографии. Добавлять и редактировать данные OSM может любой из более чем четырёх миллионов человек, которые используют для этих целей все доступные им источники: данные с персональных GPS-трекеров, аэрофотографии, спутниковые снимки, фотографии и панорамы улиц и т.п. Также важно отметить, что при редактировании данные проходят через встроенные в OSM валидаторы. Но главным валидатором данных являются сами пользователи OSM, проверяющие и исправляющие ошибки друг друга. Всё это позволяет поддерживать высокие актуальность и качество данных, что было проверено многими исследованиями [5-8]. Второй же ключевой особенностью этого сервиса является наличие открытого и хорошо задокументированного API, то есть интерфейса доступа к данным.

Исчерпывающее описание API получения изменения данных OSM представлено в оффициальной документации OSM в формате вики [4]. Здесь же будут приведены лишь ключевые моменты.

На текущий момент актуальной версией OSM API является версия 0.6, доступ к которой осуществаляется по адресу “http://openstreetmap.org/api/0.6”. Изменения данных OSM представлены в виде пакетов правок (changeset), которые содержат экстент и координаты узлов, путей и отношений, которые были изменены в текущем пакете правок. Для получения описания пакета правок в формате XML необходимо совершить GET запрос следующего вида: “http://openstreetmap.org/api/0.6/changeset/#id?include_discussion=true”, где id – идентификатор пакета правок. Для запроса изменений, которые связаны с данным пакетом правок, необходимо выполнить следующий GET запрос: “http://openstreetmap.org/api/0.6/changeset/#id/download”. Изменения будут представлены примитивами OSM, такими как узел (node), путь (way) и отношение (relation). Для запроса информации о конкретном элементе существует отдельный GET запрос: “http://openstreetmap.org/api/0.6/[node|way|relation]/#id”, где id – идентификатор элемента, а вместо [node|way|relation] необходимо указать тип элемента: узел, путь или отношение.

Для автоматизированного контроля изменений OSM в данной работе был разработан программный комплекс, состоящий из трёх модулей: сервис контроля приложения, представляющий из себя консольное приложение; модуль управления сервисом, являющийся приложением с пользовательским интерфейсом и взаимодействующее с сервисом посредством разделяемой памяти; база данных изменений элементов карты, хранящая изменения, которые были накоплены за время работы сервиса. Схема взаимодействия описанных модулей представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Общая схема приложения контроля изменений карты OSM

Сервис контроля изменений непрерывно работает в фоновом режиме, периодически выполняя действия, алгоритм которых представлен на рисунке 2 (левая половина). Часть алгоритма, обозначенная как “Работа модуля скачивания обновлений” также представлена в развёрнутом виде на рисунке 2 (правая половина). Все изменения, полученные сервисом контроля изменений, попадают в базу данных изменений элементов карты, в которой хранятся id и метки элементов, тип и время изменений, id пакетов правок, предыдущие и обновлённые координаты узлов и экстенты путей и отношений.

Рисунок 2. Схема работы сервиса контроля обновлений

Описанный выше программный комплекс является первой половиной технологии автоматизированного обновления геопространственной информации объектов ОО БД. В качестве второй половины технологической цепочки выступает сервис, функционирующий на стороне ОО БД. Он также представляет из себя консольное приложение, которое работает в фоновом режиме и через равные промежутки времени проверяет наличие изменений в базе данных изменений элементов карты. Если имеются изменения, то сервис выполняет следующие действия: приводит координаты изменённых элементов в систему координат ПЗ-90.11, затем, пользуясь правилами соответствий, классифицирует эти элементы как объекты ОО БД и находит соответствующий идентификатору элемента идентификатор объекта в ОО БД, если такой имеется. В конце сервис производит оценку значимости и достоверности изменений, основываясь на классе объекта, его координатах и отношениях с другими объектам. Если все этапы проходят успешно, то полученные объекты попадают в базу данных изменений местности, где все изменения ожидают окончательного одобрения оператора, то есть человека, который является завершающим звеном.

Таким образом в ходе данной работы были проанализированы открытые источники геопространственной информации, проанализированы методы взаимодействия с OpenStreetMap и разработан программный комплекс контроля изменений OpenStreetMap. Результатом данной работы является технология автоматизированного обновления геопространственной информации объектов.

Список литературы:

1. Осипов Г.К. Теоретические и методические основы формирования объектно-ориентированной информационной модели навигационной базы данных / Г.К. Осипов, А.С. Присяжнюк, А.Н. Ефимов // Информация и Космос. - 2013. - №1. - С. 35-40.
2. Карманов Д.В. Концепция развития объектно-ориентированного информационного обеспечения геоинформационных систем / Д.В. Карманов, Ю.А. Комосов, Т. Н. Аксенова // Информация и Космос. - 2015 - №3. - С. 143-148.
3. Зализнюк А.Н. Объектно-ориентированная геопространственная информация, достоинства и недостатки при ее создании и применении / А.Н. Зализнюк, Ю.С. Александров, С.П. Присяжнюк, Д.В. Карманов, А.С. Присяжнюк // Информация и Космос. - 2017. - №2. - С. 102-106.
4. OpenStreetMap Wiki [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.wiki.openstreetmap.org (дата обращения: 21.05.18)
5. Girres J.-F. Quality Assessment of the French OpenStreetMap Dataset / J. - F. Girres, G. Touya // Transactions in GIS. - 2010. Vol. 14. № 4 - P. 435 - 459.
6. Ciepłuch B. Comparison of the accuracy of OpenStreetMap for Ireland with Google Maps and Bing Maps / B. Ciepłuch, R. Jacob, P. Mooney, A. Winstanley // Ninth International Symposium on Spatial Accuracy Assessment in Natural Resuorces and Enviromental Sciences. - 2010. -P. 337.
7. Neis P. The Street Network Evolution of Crowdsourced Maps: OpenStreetMap in Germany 2007–2011 / P. Neis, D. Zielstra, A. Zipf // Future Internet. - 2012. Vol. 4. № 1 - P. 1 - 21.
8. Mordechai H. How good is volunteered geographical information? A comparative study of OpenStreetMap and Ordnance Survey datasets // Environment and Planning B: Planning and Design. – 2010. Vol. 37. № 4 - P. 682 - 703.