Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики создания тематических карт средствами веб-технологий

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики создания тематических карт средствами веб-технологий"

На правах рукописи

Кикин Павел Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СОЗДАНИЯ ТЕМАТИЧЕСКИХ КАРТ СРЕДСТВАМИ ВЕБ-ТЕХНОЛОГИЙ

25.00.33 - «Картография»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ДПР 2014

Новосибирск - 2014

005547448

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Касьянова Елена Леонидовна.

Официальные оппоненты:

Нырцов Максим Валерьевич, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» профессор кафедры географии;

Пьянков Сергей Васильевич, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет», заведующий кафедры картографии и геоинформатики.

Ведущая организация -

ОАО «Сибгеоинформ», г. Новосибирск.

Защита состоится 5 июня 2014 г. в 15-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.04 в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА».

Материалы по защите диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА»: http://www.ssga.ru/main/zaschita_dissertaciy.html

Автореферат разослан «14» апреля 2014 г.

Ученый секретарь ^^

диссертационного совета Дубровский А. В.

Изд. лиц. ЛР№ 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 02.04.2014. Формат 60 * 84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 2 5 Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших форм представления современной картографической продукции являются тематические карты (ТК). Позволяя визуализировать атрибутивную информацию, тематические карты широко используются в самых различных областях деятельности, отражая многообразные аспекты состояния и развития окружающей действительности. Это очень помогает специалистам, чья работа связана с принятием решений, позволяя лучше понимать и анализировать пространственные явления.

Начало XXI века ознаменовалось резким скачком в развитии и популяризации веб-технологий. Их возможности и расширение глобальной сети в значительной степени изменили облик современной картографии. Началась эпоха публикации картографических материалов в сети интернет, открывающая доступ к ним широкому кругу потребителей. Рядовые пользователи получили возможность работать с картографической информацией, пользуясь удобными инструментами поиска, просмотра и анализа, не имея на компьютере ничего, кроме стандартного веб-браузера и доступа к сети интернет. Многочисленные развивающиеся картографические веб-сервисы (КВС) используются в повседневной жизни всё большим количеством людей.

Однако, возможности создания тематических карт у большинства из них ограничены или совсем отсутствуют. Те из КВС, которые имеют такие возможности, как правило, предоставляют пользователю предопределенные наборы тематических данных, не позволяя использовать собственные для построения тематических карт. Возможности создания ТК на основе данных пользователя имеются в настольных картографических программных средствах, например, в геоинформационных системах (ГИС). Однако, настольные ГИС предъявляют определенные, зачастую достаточно высокие требования к аппаратному и программному обеспечению пользователя, а для построения тематической карты требуют от него высокого уровня профессиональных знаний. Нет обоснованной

и законченной методики создания и использования тематических карт средствами веб-технологий, на основе пользовательских данных.

Кроме того, вопросы публикации картографических данных в сети интернет, в научно-методическом отношении, проработаны недостаточно. При всем многообразии КВС, существующих в сети интернет, не сформированы общие базовые принципы их функционирования.

Устранение указанных недостатков требует проведения исследования существующих картографических веб-технологий и переосмысления традиционных методических решений с учетом возможностей веб-технологий.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в развитие компьютерных методов картографирования, геоинформационных технологий, и телекоммуникационных систем внесли известные отечественные ученые: Баранов Ю. Б., Берлянт А. М., Жалковский Е. А., Журкин И. Г., Капралов Е. Г., Кошкарев А. В., Лурье И. К., Лисицкий Д. В., Новаковский Б. А., Тикунов В. С., Халугин Е. И., Шайтура С. В., Шибалов С. Н. и др.

Большой интерес представляют работы Дубинина М. Ю., Костиковой А. М., Бьёрна Сэндвика, посвященные картографированию при помощи веб-технологий.

Целью диссертационной работы является разработка методики создания тематических карт средствами веб-технологий с применением пользовательских данных.

Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ состояния, тенденций развития и возможностей веб-технологий с точки зрения их применимости в картографии (при создании тематических карт); провести исследование возможностей картографических веб-сервисов, выработать общие принципы их функционирования, выделить отличительные особенности;

- разработать критерии оценки веб-технологий, применимых для тематического картографирования, и на их основе осуществить выбор наиболее оптимальной для поставленных целей, проведя её исследование;

- разработать научно-методические основы создания тематических карт средствами веб-технологий, на основе данных пользователя, включающие базовые научно-методические принципы, общую технологическую схему и технические решения;

- разработать базовые решения по реализации пользовательского интерфейса, позволяющего пользователям, не имеющим специальной картографической подготовки, создавать тематические веб-карты на основе собственных данных; разработать базовые технические решения по реализации программных элементов, необходимых для воплощения разрабатываемой методики;

- осуществить апробацию разработанной методики на примере тематических карт социально-экономических характеристик регионов Новосибирской области.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является тематическое картографирование. Предметом исследования является методика создания и использования тематических карт средствами веб-технологий.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработаны научно-методические основы и методика создания тематических карт средствами веб-технологий, на основе данных пользователя, включающие базовые научно-методические принципы, общую технологическую схему и технические решения;

- разработаны базовые решения по реализации пользовательского интерфейса, позволяющие пользователям, не имеющим специальной картографической подготовки, создавать тематические веб-карты на основе собственных исходных данных;

- дана классификация картографических веб-технологий, разработана обобщенная технологическая схема функционирования картографических веб-сервисов;

- разработаны программные и информационные элементы, необходимые для создания тематических карт по разработанной методике, включающие модуль импорта пользовательских данных, модуль формирования тематической карты, структуры базы данных для импортируемой пользовательской информации и технические решения по адаптации картографического веб-сервиса для целей тематического картографирования.

Теоретическая и практическая значимость работы: разработана и апробирована базовая технологическая схема создания тематических карт на базе веб-технологий. Создан набор веб-карт, отражающих ряд социально-экономических показателей для Новосибирской области.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались базовые понятия и методы картографии, геоинформатики и веб-технологий, методы системного подхода и сравнительного анализа.

Положения, выносимые на защиту:

- классификация картографических веб-технологий и обобщенная технологическая схема функционирования картографических веб-сервисов;

- научно-методические основы создания тематических карт средствами веб-технологий, на основе данных пользователя, включающие базовую технологическую схему;

- базовые решения по реализации программного интерфейса, позволяющие пользователям, не имеющим специальной картографической подготовки, создавать тематические веб-карты на основе собственных исходных данных;

-технические решения по реализации модуля формирования тематической карты и технические решения по адаптации картографических веб-сервисов для целей тематического картографирования.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует областям исследования 9 - «Геоинформационное картографирование и компьютерные технологии»; 5 - «Новые методы составления и проектирования, новые виды и типы тематических и кадастровых карт и атласов» паспорта научной специальности 25.00.33 — «Картография».

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Диссертационные исследования выполнены в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по завершенной и принятой научно-исследовательской работе на тему «Разработка инструментальной справочно-аналитической географической информационной системы», по государственному контракту № 02.740.11.0735 при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям. Основные положения, разработанные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс, дипломное проектирование и студенческую научную деятельность кафедры картографии и геоинформатики СГГА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены в докладах на различных научно-технических конференциях:

- VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», 27-29 апреля 2011 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция ИнтерКарто/ИнтерГИС 17: устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт, 14-19 декабря 2011 г., г. Белокуриха;

- Международный молодежный форум «Интерра-2011», 22-24 сентября 2011 г., г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «3s-2011», 9-13 октября 2011 г., г. Юхань, Китай;

Международная научно-методическая конференция «Интеграция образовательного пространства с реальным сектором экономики», 27 февраля -2 марта 2012 г., СГГА, г. Новосибирск;

Международная научная конференция «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» в рамках VIII Международного научного конгресса «Интерэкспо ГЕ(Э-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «3s-2012», 23-28 июля 2012 г., г. Москва;

- Межвузовская научная конференция учащейся молодежи «Трехмерное моделирование для решения научных и прикладных задач», 12 декабря 2012 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» в рамках IX Международного научного конгресса «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013 », апрель 2013 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «3s-2013», 22-26 сентября 2013 г., г. Новосибирск;

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ (8 научных статей в соавторстве), в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 102 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех разделов, заключения, включающих в себя 29 рисунков и 2 таблицы, а также списка литературы, включающего 69 наименований.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении раскрыта актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первом разделе диссертационной работы рассмотрена краткая история развития и применения веб-технологий в картографии, проанализированы их особенности, возможности и тенденции развития. Подмечено, что совокупность возможностей веб-технологий, расширение пропускной способности сети интернет и появление нового класса мобильных устройств — нетбуков и ультрабуков, смартфонов и планшетов, привело к значительному росту разработок для размещения картографических данных в интернете и интереса к ним со стороны потребителей.

Несмотря на бурное развитие технологий, связанных с размещением пространственно-координированных данных в сети интернет, и их активное распространение среди широкого круга пользователей, отмечается нехватка методических и теоретических основ, связанных с этой областью картографии. Многие термины, часто применяемые в лексике, публицистических и научных материалах, не имеют точного и однозначного определения.

На основании анализа картографической терминологии в представлении известных авторов, а также терминологии, связанной с веб-технологиями, были предложены и уточнены определения понятий «веб-карта», «веб-картография», «картографический веб-сервис» и «тематическая веб-карта».

Даны базовые сведения о тематических картах и используемых способах отображения тематической информации на них средствами веб-технологий.

Рассмотрены существующие технические решения, имеющие потенциал для создания тематических карт в сети интернет. Было выявлено, что возможности тематического картографирования каждого из рассмотренных решений имеют свои отдельные ограничения, которые можно выделить как недостатки:

ограничения возможностей создания тематических карт, на основе данных пользователя;

сложный, для пользователей, не имеющих специальной картографической подготовки, интерфейс;

- необходимость установки нестандартного программного обеспечения с повышенными требованиями к аппаратной платформе.

Проведен анализ веб-технологий с позиций их применения в картографии (при создании тематических карт), в ходе которого была дана авторская классификация основных видов картографических веб-технологий по их отношению к картографической информации, представленная на рисунке 1.

ТЕХНОЛОГИИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПУБЛИКАЦИИ

Г КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ 1 ВЕБ-БИБЛИОТЕКИ Й ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

1......___ - 1

Рисунок 1 - Классификация картографических веб-технологий

В зелёных рамках обозначены законченные программные продукты, готовые к функционированию, в синих рамках представлены технологические продукты, являющиеся программными средствами для реализации обозначенных функций.

Так же были разработаны критерии для оценки возможностей использования веб-технологий для целей тематического картографирования. По разработанным критериям, среди выявленных видов картографических веб-технологий, был проведен анализ для определения их потенциала примени-

тельно к созданию тематических карт (таблица 1). На основании этого анализа было выявлено, что наиболее подходящей технической платформой для реализации функций тематического картографирования, с использованием пользовательских данных, являются картографические веб-сервисы. В связи с этим для проведения дальнейшей диссертационной работы было принято решение более подробно изучить их возможности и функциональные особенности.

Таблица 1 - Сводная сравнительная таблица картографических веб-технологий

Критерии

необходимость установки дополнительного программного обеспечения пользователем возможности импорта пользовательских тематических данных и их реализация сложность предоставляемого интерфейса и возможности его доработки

наличие инструментов для создания тематической карты по данным пользователя и их возможности

наличие и возможности инструментов для работы с картографическими материалами

наличие базовой картографической основы

Геобраузеры

Вид веб-технологии

Пользовательские Картографические ГИС веб-сервисы

требуется требуется не требуется

■■■■■■■■■■■■■■НННН^НН

ограничены возможно ограничены

простой интерфейс сложный интерфейс простой интерфейс

отсутствуют или ограничены

имеются, как правило, имеют не слишком широкие возможности

имеется

широкие возможности

имеются, широкие возможности

отсутствует

ограниченные возможности

имеются, как правило, имеют не слишком широкие возможности

имеется

Второй раздел посвящен исследованию картографических веб-сервисов и разработке методических основ создания тематических карт средствами веб-технологий.

В результате выполненного в рамках диссертационной работы анализа и собственного опыта разработки картографических веб-сервисов разработана типовая технологическая схема межпрограммного взаимодействия компонентов картографических веб-сервисов, представленная на рисунке 2.

ВЕКТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

SHP.MDB, GPX.KML, OGR.GML

БАЗА ДАННЫХ

РАСТРОВЫЕ ИСТОЧНИКИ

Î MySQL Oracle PostgreSQL MSSQL

TIF/GeoTIF, JPG.GIF.PNG

ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

(Статистические, описательные)

t i_I

^^ КАРТОГРАФИЧЕСКИЙ ВЕБ-СЕРВЕР ^^

ИсЕРВЕР ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ [ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ — ПРИКЛАДНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

MapServer, GeoServer Proj. PostGIS

Н ¿ t

Г

HTTP СЕРВЕР

Apache,TomCat.Nginx

ВИЯ

Î í í

МОДУЛЬ ВИЗУАЛИЗАЦИИ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Leaflet, OpenLayers

Î Í Î

ВЕБ-БРАУЗЕР

Mozila Fírefox,Opera,Google Chrome Internet Explorer

Рисунок 2 - Типовая технологическая схема межпрограммного взаимодействия компонентов картографических веб-сервисов

Детально рассмотрен каждый элемент картографического веб-сервиса, его назначение и особенности. Так же разработана типовая схема функционирования картографических веб-сервисов, отображающая все основные процессы, обеспечивающие работу КВС (рисунок 3).

Рисунок 3 - Типовая технологическая схема функционирования картографических веб-сервисов

Данная схема иллюстрирует основные процессы, происходящие внутри картографического веб-сервиса и при его взаимодействии с пользователем, и их последовательность.

На основании проведенных исследований веб-технологий и картографических веб-сервисов были разработаны базовые научно-методические решения по созданию тематических карт средствами веб-технологий, содержащие ряд требований и рекомендаций.

Главным базовым решением разрабатываемой методики является использование картографического веб-сервиса в качестве центрального программного элемента. В диссертации определены его задачи в рамках разрабатываемой методики и требования, предъявляемые к функционалу его интерфейса.

Следующим базовым решением для реализации функций тематического картографирования является использование дополнительного программного обеспечения (ПО), которое позволит создавать тематические карты на базе картографического веб-сервиса по результатам заданных пользователем параметров и используемых им исходных тематических данных и определение функциональных и технических требований к нему.

ПО должно представлять собой два специализированных программных модуля, обеспечивающих возможность импорта сформированных пользователем тематических данных и возможность создания на их основе тематических карт.

Программные модули должны являться, таким образом, промежуточным звеном между пользователем и картографическим веб-сервисом, реализуя диссертационные задачи, связанные с возможностью создания тематических карт пользователями, не имеющими специальной картографической подготовки на основе собственных тематических данных (рисунок 4). Для этого при реализации программных модулей должны соблюдаться предложенные в рамках диссертационной работы базовые решения по реализации пользовательского интерфейса, включающие алгоритмы пользовательских процессов.

Рисунок 4 — Упрощенная схема взаимодействия пользователя с элементами

системы

Для реализации программных модулей в рамках диссертационного исследования предложены рекомендации по реализации пользовательского интерфейса. алгоритмы реализации выполняемых ими пользовательских процессов и определены функциональные требования.

Еще одним базовым техническим решением являются требования и рекомендации. разработанные для подготовки исходных тематических данных пользователем. Были сформулированы требования, предъявляемые к их структуре, формату хранения и передачи, учитывающие особенности требований модуля импорта.

Иллюстрация разработанных структур хранения исходных тематических данных представлена на рисунке 5.

ЧИСЛОВОЕ ЗНАЧЕНИЕ КООРДИНАТЫ КООРДИНАТЫ НАЗВАНИЕ

Рисунок 5 - Две возможные структуры исходных данных

Финальным техническим решением является разработанная Общая схема взаимодействия программных компонентов (модуля импорта, модуля визуализации. картографического веб-сервиса) и происходящих в них процессов при создании тематической карты (рисунок 19).

< £

л

5

ЗАГРУЖЕННЫЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕМ ДАННЫЕ

1

ОБРАБОТКА ЗАГРУЖЕННЫХ ДАННЫХ

ПЕРЕДАЧА В БАЗУ ДАННЫХ КВС

ТАБЛИЦЫ БД КВС С ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИМИ ДАННЫМИ

ь*: I-

к

X <

ш

о

о.

5 о. о в

-О .

5

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОЗДАВАЕМОЙ ТЕМАТИЧЕСКОЙ КАРТЫ

I

ЗАПРОС К БАЗЕ ДАННЫХ

ЗАПРОШЕННЫЕ ДАННЫЕ

ОБРАБОТКА

4

ПРОГРАММНЫЕ ИНСТРУКЦИИ ПО ОТОБРАЖЕНИЮ ТЕМАТИЧЕСКОЙ КАРТЫ

ПОЛУЧЕНИЕ И ПОДГОТОВКА ПРОГРАММНЫХ

ИНСТРУКЦИЙ К ПЕРЕДАЧЕ В МОДУЛЬ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

ОБРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ ИНСТРУКЦИЙ МОДУЛЕМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕМАТИЧЕСКОЙ КАРТЫ В ВЕБ-БРАУЗЕРЕ

Рисунок 6 - Общая схема взаимодействия программных компонентов и происходящих в них процессов при создании тематической карты

На основании разработанных базовых методических решений и концептуальных положений по созданию тематических карт, а также особенностей функционирования картографических веб-сервисов была разработана технологическая схема создания тематических веб-карт. Предлагаемая технологическая схема состоит из трёх основных этапов, представленных на рисунке 7.

Рисунок 7 - Общая технологическая схема процесса создания тематической карты

Третий раздел посвящен разработке технических решений по реализации программных компонентов, необходимых для воплощения выработанных методических решений.

Одним из базовых программных составляющих разработанной методики являются модуль импорта тематических данных и модуль формирования тематической карты. Разработаны рекомендации и технические решения по их реализации. Определены технические особенности упомянутых модулей, связан-

ные с разработанными научно-методическими решениями. На основе выявленных особенностей даны рекомендации по способу реализации данных модулей и их интеграции с картографическим веб-сервисом. Выработаны решения по реализации таблиц базы данных, предназначенных для хранения импортируемых пользовательских данных. Предложена схема функционирования модуля формирования тематической карты, представленная на рисунке 8. Так же даны технические рекомендации по программной реализации выполняемых ими функций.

Картографический веб-сервис является ключевым программным модулем, отвечающим за обработку и передачу картографических данных по сети. В связи с этим рассмотрены и проанализированы характеристики и особенности использования картографических веб-сервисов при создании тематических карт по разработанной методике. Проведен анализ информационных технологий, необходимых для создания картографических веб-сервисов с учетом требований тематического картографирования и использования дополнительных программных модулей.

В результате анализа были разработаны требования, предъявляемые к отдельным компонентам, участвующим в функционировании КВС. Были разработаны критерии для сравнения и выбора источников данных, форматов хранения и обмена векторной и растровой графики, составляющих элементов картографического веб-сервера, форматов передачи пространственных данных по сети и модуля визуализации картографических данных. На основании разработанных критериев даны рекомендации по выбору для каждого, составляющего картографический веб-сервис, элемента.

Рисунок 8 - Схема функционирования модуля формирования тематической

карты

Проведено исследование особенностей подготовки цифровых картографических материалов для публикации средствами картографических веб-сервисов. Были выявлены наиболее важные особенности, обусловленные средой публикации. Они связаны с передачей данных по сети, подготовкой карт к визуализации на сервере, а не на клиенте, а также наличием нескольких масштабных рядов, каждый из которых требует генерализации.

Выработаны основные действия при ведении подготовительных работ, заключающиеся в определении типа сервиса, проекции карты, масштабного ряда, генерализации содержания элементов карты для каждого масштаба, выборе формата передачи данных и импорте картографических материалов в выбранный формат.

В четвертом разделе приводятся результаты реализации методики создания и использования тематических карт средствами веб-технологий на примере создания тематических карт социально-экономических характеристик субъектов Новосибирской области.

Общая схема процесса создания тематической карты представлена на рисунке 9.

Подготовка тематических данных

Табличный редактор

Создание тематической карты

Созданная тематическая карта

Рисунок 9 - Схема процесса создания тематической карты

На рисунке 10 приведен пример тематической карты численности населения Новосибирской области с элементами интерфейса, созданного для реализации разработанной методики картографического веб-сервиса.

Рисунок 10-Пример тематической карты численности населения Новосибирской области

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе решены поставленные задачи и достигнута основная цель исследований - разработана методика создания тематических карт средствами веб-технологий с применением пользовательских данных. Методика базируется на использовании картографических возможностей современных веб-технологий и опыта создания картографических веб-приложений. Достоверность и применимость результатов исследования подтверждается использованием теоретических основ картографии, правил построения цифровых карт и результатами экспериментальных работ.

Основные полученные результаты работы заключаются в следующем:

- выполнен анализ состояния, тенденций развития и возможностей веб-технологий с точки зрения их применимости в картографии (при создании тематических карт). В результате анализа научных работ установлено, что в данный момент не существует единой, четко сформулированной научно-методической основы создания тематических карт средствами веб-технологий с применением пользовательских данных. Выявлена нехватка основ терминологии, связанных с исследуемой областью картографии. По результатам анализа терминологии, связанной с картографией и веб-технологиями, были уточнены определения понятий по данному предмету «веб-карта», «картографический веб-сервис», «веб-картография», «тематическая веб-карта». Дана классификация картографических веб-технологий;

- разработана система критериев для оценки и сравнения веб-технологий, применимых для тематического картографирования, и на её основе осуществлён анализ классифицированных картографических веб-технологий. На основе проведенного анализа было установлено, что для реализации функций тематического картографирования наиболее подходящей платформой являются картографические веб-сервисы;

- проведено исследование возможностей картографических веб-сервисов, в результате которого выработана обобщенная технологическая схема их функционирования, начальная классификация и схема межпрограммного взаимодействия составляющих их компонентов;

- разработаны научно-методические основы и методика создания тематических карт средствами веб-технологий, на основе данных пользователя, включающая базовые научно-методические принципы, общую технологическую схему и технические решения. Методика прелагает использование дополнительных программных модулей для осуществления взаимодействия пользователя и картографического веб-сервиса при создании тематических карт;

- разработаны базовые решения по реализации программного интерфейса, позволяющего пользователям, не имеющим специальной картографической

подготовки, создавать тематические веб-карты на основе собственных данных. Разработанные решения реализованы в модуле импорта тематических данных и модуле формирования тематической карты;

- осуществлена разработка базовых технических решений по реализации программных и технологических компонентов, участвующих в разработанной методике, включающая технические решения и рекомендации по реализации модуля импорта пользовательских данных, модуля формирования тематической карты, структуры таблиц базы данных для импортируемой пользовательской информации и технические решения по адаптации картографического веб-сервиса для целей тематического картографирования;

- осуществлена апробация разработанной методики на примере тематических карт социально-экономических характеристик регионов Новосибирской области. Созданы тематические карты, отображающие численность населения и рождаемость в регионах Новосибирской области методом картограммы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАНЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Татаренко, В. И. Создание карт в инструментальной справочно-аналитической ГИС [Текст] / В. И. Татаренко, Е. Л. Касьянова, П. М. Кикин // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. — 2012. — № 2/1. — С. 126-130.

2 Касьянова, Е. Л. Справочно-аналитическая ГИС на территорию социально-экономических комплексов [Текст] / Е. Л. Касьянова, П. М. Кикин // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 5. - С. 85—88.

3 Касьянова, Е. Л. К вопросу о создании ГИС в сфере инженерных коммуникаций [Текст] / Е. Л. Касьянова, П. М. Кикин // ГЕО-Сибирь-2011. VII Меж-дунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, Ч. 1. - С. 231-233.

4 Кикин, П. М. Application of Tablet PC as GIS Client Platform for Emergency Management [Текст] / П. M. Кикин // Proceedings International Workshop «Early Warning and Crises/Disaster and Emergency Management», 28-29 апреля 2011 г. — Новосибирск. - С. 126-127.

5 Касьянова, Е. Л. Мобильные ГИС в нефтегазовой отрасли [Текст] / Е. Л. Касьянова, П. М. Кикин // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 1 (14). - С. 81-86.

6 Касьянова, Е. Л. Принципы автоматического построения тематических слоев [Текст] / Е. Л. Касьянова, П. М. Кикин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 105-109.

7 Касьянова, Е. Л. Методика преподавания ГИС студентам различной специальности [Текст] / Е. Л. Касьянова, П. М. Кикин // Интеграция образовательного пространства с реальным сектором экономики. Ч. 4: сб. материалов Международной научно-методической конференции, 27 февраля - 2 марта 2012 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 104-105.

9 Касьянова, Е. Л. Особенности разрабатываемой справочно-аналитической ГИС, возможные области её применения [Текст] / Е. Л. Касьянова, П. М. Кикин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-16 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2.- С. 174-182.

8 Писарев, В. С. Мобильные устройства как средство принятия решения при возникновении кризисных ситуаций [Текст] / В. С. Писарев, П. М. Кикин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3,-С. 211-214.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кикин, Павел Михайлович, Новосибирск

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

04201 45о^ (

Кикин Павел Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СОЗДАНИЯ ТЕМАТИЧЕСКИХ КАРТ СРЕДСТВАМИ ВЕБ-ТЕХНОЛОГИЙ

25.00.33 - «Картография»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Касьянова Елена Леонидовна

Новосибирск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВЕБ-ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ТЕМАТИЧЕСКИХ КАРТ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................10

1.1 Сущность и состояние веб-технологий с позиции картографии..................10

1.1.1 Краткие сведения из истории и основные тенденции развития веб-технологий, применимых в картографии.............................................10

1.1.2 Основные термины и понятия веб-технологий.......................................18

1.2 Краткие сведения о тематических картах и используемых способах отображения тематической информации на них средствами веб-технологий ............................................................................................24

1.3 Анализ существующих картографических веб-технологий........................31

1.3.1 Классификация картографических веб-технологий..........................31

1.3.2 Критерии оценки веб-технологий применимых при создании тематических карт....................................................................36

1.3.3 Обзор и анализ существующих картографических веб-технологий по разработанным критериям........................................................38

2 РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ И БАЗОВЫХ МЕТОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЕМАТИЧЕСКИХ КАРТ СРЕДСТВАМИ ВЕБ-ТЕХНОЛОГИЙ..................................................................................................47

2.1 Базовые сведения о картографических веб-сервисах.............................47

2.2 Базовые принципы функционирования картографических веб-сервисов............................................................................................49

2.3 Базовые научно-методические решения при создании тематических карт средствами веб-технологий............................................................................55

здаш'хл 1 ч^ш и 1II л^гчи п о и лар А ............

ПРОГРАММНЫЕ КОМПОНЕНТ .................................................................(

гния и программные компонент ..................................................................(

шизации модулей импорта данных •ты.............................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

96

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших форм представления современной картографической продукции являются тематические карты (ТК). Позволяя визуализировать атрибутивную информацию, тематические карты широко используются в самых различных областях деятельности, отражая многообразные аспекты состояния и развития окружающей действительности. Это очень помогает специалистам, чья работа связана с принятием решений, позволяя лучше понимать и анализировать пространственные явления.

Начало XXI века ознаменовалось резким скачком в развитии и популяризации веб-технологий. Их возможности и расширение глобальной сети в значительной степени изменили облик современной картографии. Началась эпоха публикации картографических материалов в сети интернет, открывающая доступ к ним широкому кругу потребителей. Рядовые пользователи получили возможность работать с картографической информацией, пользуясь удобными инструментами поиска, просмотра и анализа, не имея на компьютере ничего, кроме стандартного веб-браузера и доступа к сети интернет. Многочисленные развивающиеся картографические веб-сервисы (КВС) используются в повседневной жизни всё большим количеством людей.

Однако, возможности создания тематических карт у большинства из них ограничены или совсем отсутствуют. Те из КВС, которые имеют такие возможности, как правило, предоставляют пользователю предопределенные наборы тематических данных, не позволяя использовать собственные для построения тематических карт. Возможности создания ТК на основе данных пользователя имеются в настольных картографических программных средствах, например, в геоинформационных системах (ГИС). Однако, настольные ГИС предъявляют определенные, зачастую достаточно высокие требования к аппаратному и программному обеспечению пользователя, а для построения тематической карты требуют от него высокого уровня профессиональных знаний.

Нет обоснованной и законченной методики создания и использования тематических карт средствами веб-технологий, на основе пользовательских данных.

Кроме того, вопросы публикации картографических данных в сети интернет, в научно-методическом отношении, проработаны недостаточно. При всем многообразии КВС, существующих в сети интернет, не сформированы общие базовые принципы их функционирования.

Устранение указанных недостатков требует проведения исследования существующих картографических веб-технологий и переосмысления традиционных методических решений с учетом возможностей веб-технологий.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в развитие компьютерных методов картографирования, геоинформационных технологий и телекоммуникационных систем внесли известные отечественные ученые: Баранов Ю. Б., Берлянт А. М., Жалковский Е. А., Журкин И. Г., Капралов Е. Г., Кошкарев А. В., Лурье И. К., Лисицкий Д. В., Новаковский Б. А., Тикунов В. С., Халугин Е. И., Шайтура С. В., Шибалов С. Н. и др.

Большой интерес представляют работы Дубинина М. Ю., Костиковой А. М., Бьёрна Сэндвика, посвященные картографированию при помощи веб-технологий.

Целью диссертационной работы является разработка методики создания тематических карт средствами веб-технологий с применением пользовательских данных.

Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ состояния, тенденций развития и возможностей веб-технологий с точки зрения их применимости в картографии (при создании тематических карт); провести исследование возможностей картографических веб-сервисов, выработать общие принципы их функционирования, выделить отличительные особенности;

- разработать критерии оценки веб-технологий, применимых для тематического картографирования, и на их основе осуществить выбор наиболее оптимальной для поставленных целей, проведя её исследование;

- разработать научно-методические основы создания тематических карт средствами веб-технологий, на основе данных пользователя, включающие базовые научно-методические принципы, общую технологическую схему и технические решения;

- разработать базовые решения по реализации пользовательского интерфейса, позволяющего пользователям, не имеющим специальной картографической подготовки, создавать тематические веб-карты на основе собственных данных; разработать базовые технические решения по реализации программных элементов, необходимых для воплощения разрабатываемой методики;

- осуществить апробацию разработанной методики на примере тематических карт социально-экономических характеристик регионов Новосибирской области.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является тематическое картографирование. Предметом исследования является методика создания и использования тематических карт средствами веб-технологий.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработаны научно-методические основы и методика создания тематических карт средствами веб-технологий, на основе данных пользователя, включающие базовые научно-методические принципы, общую технологическую схему и технические решения;

- разработаны базовые решения по реализации пользовательского интерфейса, позволяющие пользователям, не имеющим специальной картографической подготовки, создавать тематические веб-карты на основе собственных исходных данных;

- дана классификация картографических веб-технологий, разработана обобщенная технологическая схема функционирования картографических веб-сервисов;

- разработаны программные и информационные элементы, необходимые для создания тематических карт по разработанной методике, включающие модуль импорта пользовательских данных, модуль формирования тематической карты, структуры базы данных для импортируемой пользовательской информации и технические решения по адаптации картографического веб-сервиса для целей тематического картографирования.

Теоретическая и практическая значимость работы: разработана и апробирована базовая технологическая схема создания тематических карт на базе веб-технологий. Создан набор веб-карт, отражающих ряд социально-экономических показателей для Новосибирской области.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались базовые понятия и методы картографии, геоинформатики и веб-технологий, методы системного подхода и сравнительного анализа.

Положения, выносимые на защиту:

- классификация картографических веб-технологий и обобщенная технологическая схема функционирования картографических веб-сервисов;

- научно-методические основы создания тематических карт средствами веб-технологий, на основе данных пользователя, включающие базовую технологическую схему;

- базовые решения по реализации программного интерфейса, позволяющие пользователям, не имеющим специальной картографической подготовки, создавать тематические веб-карты на основе собственных исходных данных;

- технические решения по реализации модуля формирования тематической карты и технические решения по адаптации картографических веб-сервисов для целей тематического картографирования.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует областям исследования 9 - «Геоинформационное картографирование и компьютерные технологии»; 5 — «Новые методы составления и проектирования, новые виды и типы тематических и кадастровых карт и атласов» паспорта научной специальности 25.00.33 - «Картография».

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Диссертационные исследования выполнены в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по завершенной и принятой научно-исследовательской работе на тему «Разработка инструментальной справочно-аналитической географической информационной системы», по государственному контракту № 02.740.11.0735 при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям. Основные положения, разработанные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс, дипломное проектирование и студенческую научную деятельность кафедры картографии и геоинформатики СГГА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены в докладах на различных научно-технических конференциях:

- VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», 27—29 апреля 2011 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция ИнтерКарто/ИнтерГИС 17: устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт, 14—19 декабря 2011 г., г. Белокуриха;

- Международный молодежный форум «Интерра-2011», 22-24 сентября 2011 г., г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «3s-2011», 9-13 октября 2011 г., г. Юхань, Китай;

Международная научно-методическая конференция «Интеграция образовательного пространства с реальным сектором экономики», 27 февраля — 2 марта 2012 г., СГГА, г. Новосибирск;

Международная научная конференция «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» в рамках VIII Международного научного конгресса «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «38-2012», 23-28 июля 2012 г., г. Москва;

- Межвузовская научная конференция учащейся молодежи «Трехмерное моделирование для решения научных и прикладных задач», 12 декабря 2012 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» в рамках IX Международного научного конгресса «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», апрель 2013 г., СГГА, г. Новосибирск;

- Международная научная конференция «38-2013», 22-26 сентября 2013 г., г. Новосибирск;

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ (8 научных статей в соавторстве), в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 102 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех разделов, заключения, включающих в себя 29 рисунков и 2 таблицы, а также списка литературы, включающего 69 наименований.

1 СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕБ-ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ТЕМАТИЧЕСКИХ ВЕБ-КАРТ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Сущность и состояние веб-технологий с позиции картографии

1.1.1 Краткие сведения из истории и основные тенденции развития веб-

технологий, применяемых в картографии

В настоящее время при создании и использовании картографических произведений наряду, с традиционными картографическими методами, все чаще используются методы компьютерной обработки данных и картосоставления. В то же время, одним из важнейших направлений развития компьютерных технологий являются веб-технологии, открывающие доступ к любой информации со всех концов планеты всем пользователям, имеющим интернет [14, 27, 28, 25, 26, 18, 2].

Веб-технологии первоначально разрабатывались для обеспечения удобного обмена информацией между учеными различных стран. Используя специальную программу, в настоящее время называемую обозревателем или браузером, ученые на одном конце света могли получить доступ к информации, подготовленной учеными, находящимися в другом полушарии. К тому же, они могли обмениваться замечаниями и корректировать документы, этот сервис сейчас известен, как «электронная почта».

Это новое средство общения и сотрудничества было очень привлекательно, и, поэтому, вскоре превратилось в общедоступный ресурс, став наиболее популярной возможностью сети интернет.

Следующим шагом в развитии веб-технологий стала возможность использования различной графической информации.

Однако, технология, лежащая в основе нового способа распространения информации, все еще оставалась очень «сырой» и неудобной для использования. К тому же программы-обозреватели работали только в среде UNIX, операционной

системе, которая была очень популярна в университетах и исследовательских институтах, но редко использовалась в домашних условиях или в офисах.

В течение нескольких лет эта технология постепенно совершенствовалась, превратилась в дружественную для пользователей и стала доступна в операционных системах Windows и Macintosh.

Новая технология была полностью поддержана пользователями офисных и домашних компьютеров. Программы-обозреватели приобрели удобный, интуитивно понятный графический интерфейс, управляемый мышыо, делая излишними длинные и неудобные команды, которые использовались ранее.

После того, как веб стал общедоступной технологией, количество пользователей интернета во всем мире резко возросло, что, в свою очередь, породило спрос на новые ресурсы, и, вскоре, графическая и мультимедийная информация стали самыми популярными ресурсами, среди пользователей интернета [15].

В последние годы развитие интернет-технологий все в большей степени стало позволять пользователям сети использовать новые средства доставки информации, в том числе и пространственной.

Идея публиковать картографические данные в интернете существует долгое время, но реально такая возможность представилась сравнительно недавно. Это стало возможным благодаря появлению высокопропускных каналов связи, развитию микроэлектронной базы ЭВМ и новым подходам к передаче пространственно-координированных графических данных (которыми и являются картографические материалы).

Исследование веб-технологий в картографии имеет научное значение в аспекте расширения способов предоставления широкого доступа к картографической информации и её распространения. Веб-картография, с технологической точки зрения, это область компьютерных технологий, связанная с хранением, обработкой и доставкой пространственных данных конечному пользователю. В качестве среды распространения могут использоваться любые компьютерные сети.

История публикации геоданных насчитывает более пятнадцати лет. Не так давно это был лишь просмотр изображений в форматах GIF, JPEG. Интерфейс взаимодействия пользователя с публикуемой картой был небогат и сводился к простому выбору отдельных изображ�