Презентация "Системный анализ ГИС" по информатике – проект, доклад

ТЕМА 2. СИТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ГИС

Многие разработчики автоматизированных систем не совсем уверенно могут дать ответ на вопрос, относятся ли системы к классу ГИС или нет. Это обусловлено разнообразием технологий и даже терминологией многочисленных существовавших ранее (и существующих теперь) систем сбора и обработки пространственно-временных данных. Сами ГИС также могут значительно отличаться друг от друга по возможностям, основным технологиям, обработки данных (и их числу), по требуемой технической конфигурации, вычислительным ресурсам и т.д. Например, в одних инструментальных пакетах ГИС термин «дуга» заимствован из теории графов и служит для обозначения полилинии, в других пакетах – полилинию называют «полилинией», а дугу – «дугой».

В силу этого особую активность приобретает осуществляемая на основе методов системного анализа обобщенная оценка типичных признаков принадлежности информационной системы к классу ГИС и ее отличительных свойств. Необходимо подчеркнуть, что ГИС относится к классу интегрированных систем. Современные тенденции создания интегрированных автоматизированных систем (в том числе ГИС) включают разные аспекты интеграции – интеграцию данных, технологий и технических средств.

Интеграция данных заключается в применении системного подхода проектирования моделей данных, создании некой универсальной информационной модели и соответствующих протоколов обмена данными. Интеграция технических средств в настоящее время выражается в создании распределенных систем обработки, применении концепций «открытых систем» и современных методов проектирования систем на основе CASE-технологий (Computer Aided System Engineering).

Интеграция технологий подразумевает не простое суммирование известных технологических процессов и решений, а получение оптимальных технологических решений обработки информации на основе известных методов и разработки новых, ранее не встречавшихся технологий. Разработка автоматизированной информационной технологии на базе существовавших неавтоматизированных технологий в подавляющем большинстве случаев оказывается нерентабельной и неэффективной. Элемент новизны, как правило, определяет и эффективность новой автоматизированной технологии.

Для анализа обобщенной ГИС дадим основные понятия иерархии информационной интегрированной системы (рис.1). Верхним уровнем понятий является интегрированная система – независимый комплекс, в котором выполняются все процессы обработки, обмена и представления информации. Схема системы включает в себя системные уровни, подсистемы, процессы, задачи. Система может быть полной и неполной. Полной будем называть ту систему, которая в процессе работы осуществляет технологический цикл, включающий следующие процессы: - ввод (или возможность ввода) всех видов информации данной предметной области для решения задач, поставленных перед системой;

Рис. 2.1. Структура интегрированной системы

- обработку информации с привлечением набора существующих средств, применяемых для решения данного класса задач; - вывод или представление данных в форматах вывода согласно заданию без использования других систем. Неполной называют систему, которая осуществляет частичную обработку данных, частичный ввод данных или использует другие системы в процессе обработки. Более низким уровнем по отношению к системе является системный уровень. Этот термин определяет часть системы, объединяющую подсистемы и процессы обработки по функциональным и технологическим признакам. Системный уровень может включать от одной до нескольких подсистем.

Подсистему определим как часть системы, объединенную по функциональным методам обработки данных, включающим разные алгоритмы и способы моделирования. Подсистема может быть локальной или распределенной. Распределенной будем считать подсистему, состоящую из фрагментов, которые располагаются на различных узлах сети компьютеров, возможно, управляются различными системами и допускают участие в работе нескольких пользователей из разных узлов сети. В отличие от распределенной локальная подсистема сгруппирована в одной точке сети и, как правило, обслуживается одним пользователем.

В подсистему входит процесс обработки данных – совокупность методов, обеспечивающих реализацию алгоритма обработки или одного метода моделирования, решающего одну или несколько задач обработки данных. Он подразделяется на локальный, системный, распределенный. Значение терминов локальный и распределенный аналогично значению их для подсистем. Системный процесс предназначен для обслуживания систем; как правило, он является «прозрачным» (т.е. незаметным) для пользователя.

Задача как элемент системы определяется простейшим циклом обработки типизированных данных. В этом контексте задача может быть связана с алгоритмами обработки (с вычислениями) или технологическими процессами, не связанными с вычислениями типа ввода данных, формирования данных, визуального контроля данных, функционирования автоматизированных датчиков или устройств и т.п. Рассмотренные понятия относятся к элементам системы (ГИС).

Системный подход позволяет в равной степени анализировать как системы, так и процессы. Поэтому для интегрированных процессов обработки данных (в ГИС) иерархия понятий аналогично рассмотренной выше для систем будет выглядеть так: - интегрированный процесс; - системный уровень обработки; - блок процессов; - процесс; - класс задач; - задача.

Следует подчеркнуть разницу между системным уровнем и подсистемой. Подсистема имеет всегда технологическое назначение, логическое описание и физическую реализацию. Так, подсистема семантического моделирования может быть реализована как составная часть технологии сбора информации или как самостоятельная технология, например, при формировании графических моделей. Системный уровень является описательным понятием, т.е. имеет технологическое назначение и может иметь (а может и не иметь) логическое описание.

Физическая реализация осуществляется обычно на уровне подсистемы. Определение основополагающих принципов функционирования любой автоматизированной системы (в том числе и ГИС), достижение ее целостности, оптимизация структуры осуществляется на основе методов системного анализа. Анализ, выполненный с использованием методов формализации общей теории, будет отвечать требованиям целостности и единства рассматриваемых проблем и задач, позволит определить структуру обобщенной ГИС и минимальные требования, которым должна удовлетворять такая система.

2.1. Общие сведения о системном построении информационной системы

Для системного анализа обобщенной ГИС необходимо выбрать метод описания разнородных процессов. Целесообразно использовать положения общей теории систем (ОТС), обоснованные в работах М.ДЖ.Месаровича и Ю.А.Урманцева, и методы структурного анализа, широко применяемые при разработке программных проектов и систем. Отмеченные теоретические подходы имеют небольшие специфические различия в формах представления, но содержат концептуальное единство. Поэтому при их использовании будем применять положения, которые взаимно непротиворечивы и дополняют друг друга.

При практических исследованиях приходится иметь дело с функциональными системами. Для формирования этого класса систем более удобно описание, даваемое М.Месаровичем. Системный подход позволяет представить процесс построения любой информационной системы в виде схемы, содержащей семь этапов (рис.2.2.), которые определяют создание системы от постановки задачи до ее реализации. Первый этап – формирование основных требований к системе на словесном (вербальном) уровне без должной формализации.

Рис. 2.2. Схема построения автоматизированной системы

Второй этап – определение концепции решения проблем и задач или построения системы. Третий этап – детализация общей задачи создания и применения системы, определение системы описаний для перехода от словесных формулировок к схемному или логически взаимосвязанному описанию функций и задач системы, которое позволит разбить систему на основные составляющие ее части. Говоря другими словами, осуществляется формализованное представление взаимосвязи частей и процессов системы. В результате определится структурная схема системы. На первых трех этапах происходит формирование инфологической модели.

Четвертый этап – алгоритмизация методов и решений задач, стоящих перед системой, выбор моделей данных, математических и технологических решений. Пятый этап – оптимизация решений, осуществляемая на основе дополнительного исследования предметной области и специфики решаемых задач. Этим заканчивается построение системы на логическом уровне проектирования. Шестой этап – реализация системы. В терминах проектирования говорят о переходе к физическому (уровню) построения системы. Седьмой этап – модернизация создания информационной системы (в том числе ГИС), предусматривающая учет возможных ситуаций функционирования, а также тенденций развития программно-технологических средств.

В соответствии с этой схемой мы находимся на третьем этапе исследований и наша задача – представление обобщенной ГИС как сложной системы в виде основных составляющих ее частей. Для решения этой задачи используем метод общей теории систем (ОТС). Определим функциональную систему S как отображение входного множества X (множества первичных элементов) на выходное множество Y. В формальном представлении ОТС это будет соответствовать записи: S: XY. В общем случае любая сложная система считается неоднородной (гетерогенной), поэтому целесообразно разбить ее на однородные компоненты (подсистемы) путем построения стратифицированной (многоуровневой) системы (рис. 2.3.).

Рис. 2.3. Структура сложной стратифицированной системы

Страты – это уровни, определяемые по совокупности сходных признаков. В зависимости от критериев оценки система может разбиваться по-разному, например, на системные уровни, если критерием являются технологические признаки. Стратификация (разделение системы S на уровни) возможна, если множества входной (X) и выходной (Y) информации неоднородны и представимы в виде декартовых произведений (), т.е. если входная и выходная информация образует два независимых базиса Xi и Yi: X=(X1  Xi…Xn); Y=(Y1  Yi…Yn). (2.1)

В этом случае система S может быть описана в виде совокупности n уровней. Для каждого уровня имеет место S1: X1  W1Y1; Si: Xi  Ei  WiYi; Sn: Xn  EnYn, где E, W – соответственно нисходящие и восходящие информационные потоки, обеспечивающие связь между уровнями (см. рис. 2.3.). Именно наличие нисходящих и восходящих потоков объединяет подуровни в единую систему. Отсутствие таких потоков приводит к тому, что исходная система S разбивается на совокупность независимых более мелких систем.

Возможность разложения входных/выходных данных на независимые группы (2.1) и выявление нисходящих и восходящих информационных потоков позволяет разбивать систему на системные уровни, системные уровни – на подсистемы, процессы – на задачи и т.д. Многоуровневость может быть обусловлена различными критериями, в частности разнородностью входных/выходных данных или технологическими признаками. Например, выходные множества представляются в виде и документов, и информационных данных. Следовательно, выявление такой разнородности служит основой построения систем в виде совокупности уровней. ОТС в равной мере применима для анализа как систем, так и процессов обработки данных. Это позволяет определить структуру создаваемой системы и описать ее технологии.

2.2. Построение схемы обобщенной ГИС

При системном подходе процесс разработки ГИС интерпретируется как поиск оптимальной структуры системы путем разбиения ее на подсистемы. При этом реализуется концепция разработки «сверху вниз». Построение схемы обобщенной ГИС можно осуществить на основе анализа входных/выходных информационных потоков, функционирующих в автоматизированной системе. Совокупность входных и выходных данных ГИС может быть представлена в виде независимых технологических совокупностей трех групп: сбора, моделирования и хранения, представления. Действительно, сбор информации производится независимо от хранения данных.

Данные хранятся независимо от процедур сбора и представления информации. На представление (выдачу) информации в той или иной форме дается задание независимо от способов моделирования. Эти условия являются достаточными для того, чтобы представить входные X и выходные Y потоки обобщенной ГИС в виде независимых совокупностей (в форме декартовых произведений), аналогично выражению (2.1): X=(X1  TЗс  TЗм  TЗn); Y=(Xy  ЦММ  ЦМК), (2.2) где ТЗс – техническое задание на сбор информации;

ТЗм – техническое задание на хранение, обновление и моделирование; ТЗn – техническое задание на представление данных после окончательной обработки; X1 – множество первичных данных, измеряемых или собираемых с помощью различных технологий; Xy – множество унифицированных данных, получаемых после сбора и первичной обработки; ЦММ – цифровая модель местности, хранимая в базе данных ГИС; ЦМК – цифровая модель карты, сгенерированная для визуального представления на дисплее или для печати.

В рамках данной теории цифровая модель карты представляет собой отображение цифровой модели местности с помощью средств компьютерной визуализации. Применение ЦММ и ЦМК наглядно прослеживается в технологии работы модульной системы MGE (Modular GIS Environment) и ряда других пакетов ГИС. В этой системе аналогом цифровой модели местности выступают объекты базы данных и географическая информация, аналогом цифровой карты – проект (карты). Для отображения проекта осуществляют преобразование проекта в чертеж – генерацию чертежа. Визуальному представлению ЦМК соответстует сгенерированный чертеж. Другими словами, ЦМК можно определить как результат формирования ЦММ для визуального отображения в виде карты.

Множество X1 представляет собой сложную совокупность данных, получаемых с помощью разных технологий: по фотоснимкам, геодезическими методами на местности, с карт, при помощи систем GPS (Global Position System), из архивных табличных данных и т.д. На основе ОТС с учетом выражения (2.2) представим обобщенную ГИС в виде стратифицированной трехуровневой структуры (рис. 2.4.): УСО: X1  ТЗс  НТмXy; УМХ: Xy  ТЗм  НТnЦММ; УП: ТЗn  ЦММЦМК, (2.3) где УСО – системный уровень сбора и первичной обработки информации;

УМХ – системный уровень моделирования, хранения и обновления; УП – системный уровень представления данных; НТм, НТn – нормативные требования к данным при моделировании и представлении информации соответственно; они являются аналогами промежуточных восходящих информационных потоков. Для концептуального построения ГИС согласно (2.3) необходимо определить НТм, НТn, т.е. информационную основу. Таким образом, применяя системный подход, можно построить структурную схему обобщенной ГИС в виде трехуровневой системы (рис. 2.4) и по этим уровням проводить сравнение различных ГИС между собой, а также сравнение ГИС и других автоматизированных систем.

Рис. 2.4. Структура обобщенной ГИС

Нормативные требования в (2.3) определяются при дальнейшем анализе, т.е. при переходе к следующим этапам построения. Таким образом, функционирование обобщенной ГИС согласно формализованному описанию (2.3) и схеме (рис. 2.4) осуществляется следующим образом. На первом системном уровне (УСО) происходит сбор первичных данных Х1, получаемых с помощью разных методов и технологий и потому имеющих разные структуру, формат и представление. В ходе первичной обработки эти разнородные данные корректируются и унифицируются. В результате формируется некое унифицированное подмножество данных Хy, которое частично хранится в виде архивов и полностью передается на уровень моделирования и хранения.

На втором системном уровне (УМХ) осуществляются: анализ унифицированной информации Хy, установление связей между частями модели; устранение избыточности, если такая имеется; проверка на целостность и непротиворечивость данных; определение первичных и внешних ключей; формирование методанных и т.д. Подмножество Хy содержит необходимые данные для построения цифровой модели местности, которая хранится в базе данных в виде совокупности графической и символьной информации. ЦММ служит основой для решения прикладных задач на базе различных методов моделирования. Эти процессы также происходят на уровне УМХ. В результате обработки сформированная цифровая модель или результат ее использования подготавливаются для визуального представления. Для этого она передается на третий системный уровень.

На третьем системном уровне (УП) ЦММ преобразуется в цифровую модель карты, которая служит основой представления информации. Анализируя группы задач обработки данных на трех системных уровнях, можно отметить следующее. На первом уровне наиболее широко представлены задачи первичной обработки информации: распознание, структуризация, декомпозиция, компоновка, измерения, сжатия, контроля, унификация. Для второго уровня определяющими являются задачи типизации, геометрического преобразования, экспертного типа, построения цифровых моделей, синтеза и т.п.

На третьем уровне наиболее значимы задачи оптимизации, компоновки, синтеза и п.т. Естественно, что различные задачи и методы моделирования могут в разной степени присутствовать на каждом уровне, но вид уровня определяет их значение. В общем виде ГИС может включать следующие подсистемы: - семантического моделирования (кодирования) собираемой информации (первый уровень); - имитационного моделирования для контроля входной информации (первый уровень); - геометрического моделирования (первый, второй и третий уровни);

- имитационного моделирования для контроля модельных решений (второй уровень); - коррекции информации на основе векторных или скалярных критериев (первый и второй уровни); - интерактивного (эвристического) моделирования (второй уровень); - семантического моделирования (кодирования) информации, хранимой в БД (второй уровень); - документационного обеспечения (третий уровень). При сборе первичной информации основным является семантическое моделирование. Инвариантное моделирование имеет приоритет на втором уровне. Эвристическое моделирование занимает ведущее место при интерактивной обработке и в процессах контроля и коррекции. Наконец, информационное моделирование является основным в подсистемах документационного обеспечения.

Таким образом, независимо от вида инструментальной системы, составляющей основу конкретной ГИС, любая ГИС должна обладать общими признаками и свойствами обобщенной ГИС. Определим ГИС как полную (информационную систему), если в ней присутствуют все три системных уровня, определяемых выше. В противном случае будем говорить о неполной ГИС. Данный метод анализа применим не только к ГИС, но и к любой автоматизированной системе, включая САПР, АСИС, АСУ. Таким образом, любая информационная система, система управления при аналогичных задачных условиях (2.2) представима в виде трехуровневой системы. Эта общность структур систем, различающихся задачами и целями, а также общность преобразования информации дает основание говорить и об общности концепций и методов обработки данных в этих системах.

Следовательно, на уровне системной структуры ГИС и других АС существует общность принципов обработки данных для широкого круга прикладных задач, включая управление, организацию производства, проектирование, хранение и обновление данных. Эта общность является следствием интеграции. Таким образом, системный подход позволяет построить схему ГИС в виде основных уровней обработки информации и проводить сравнительный анализ, как с другими автоматизированными системами, так и среди геоинформационных систем, предназначенных для решения различных задач.