Источник ошибок в геоинформационных системах

Пути предотвращения, обнаружения и исправления проблем системных ошибок в геоинформационных систем начинается с классификации и систематизации типовых ошибок. Адекватная классификация позволяет выделить во всем проблемно – ориентированном многообразии ошибок наиболее важным для выявления конкретных приложений выработать общие подходы и соответствующие инструменты для борьбы с ними.

Можно выделить ряд следующих самостоятельных критериев, на основе которых возможно непротиворечивых построений классификаций ошибок:

- этапы создания технологического процесса, сопровождение данных и подготовки, в которых процессах возникают ошибки;

- юридические и экономические непосредственные источники ошибок;

- компоненты структурных данных скорости изменения, тематические, пространственные, ошибками искажения и характер грамматических ошибок;

- свойствами общих данных степени непосредственности, правовые или экономические последствия ошибок и скорости изменения;

- проблемно – ориентированные специфические критерии.

Обнаружением ошибок в процессе ИБН заключается в соблюдении проверок семантических и синтаксических НП – правил для их сочетаний и проверками данных. В ошибках синтаксических могут идентифицировать и исправить вручную или автоматически. А в семантических ошибках исправление и идентификация выполняются как правило вручную с использованием дополнительных, предположительно истинными представлениями данных по мажоритарному принципу.

Выделяем следующие виды ресурсов, охватываемых НП – правилами:

- ошибки топологии пространства;

- ошибки в значениях сочетания и их атрибутов;

- свойствах объектов, соответствующих противоречия в пространственных данных и в атрибутных значениях.

В контексте задачи общей классификации типовых ошибок в ИР ГИС наибольший интерес представляют ошибки 1.1, 2.2 (и отчасти 3.1) в связи с их многообразием, изученностью и наличием уже имеющегося методологического инструментария проверки соответствующих НП-правил. Поэтому дальнейшая декомпозиция приведенных на рис. 2 уровней и ветвей ориентирована именно на эти ошибки.

Рис. 2. Схема верхних уровней классификации

Пространственные отношения связности и соседства векторных объектов – точек, линий и полигонов – в геоинформационных системах определяет топология. Топологические данные необходимы для обнаружения и исправления ошибок оцифровки (например, две линии дорог не сходятся на месте перекрестка и др.), проведения некоторых типов пространственного сетевого анализа (гидрологический, транспортный), формирования достоверной кадастровой документации в графической составляющей, при подготовке и тиражировании различных видов карт-материалов, а также в других сферах, где необходим учет пространственного размещения объектов.

Современные универсальные ГИС известных производителей США, Канады, России ..., такие как ArcGis, MapInfo, Панорама и другие, предоставляют обширные средства для выявления и корректировки топологических ошибок. Одной из наиболее развитых систем в этом отношения является ArcGIS фирмы ESRI США и в основу классификации НП-правил топологии уместно положить систематизированный перечень общих топологических проверок арсенала ArcGIS (табл. 1).

Продолжение табл. 1.

Существенные свойства объектов и значения символьных атрибутов, определяющих эти свойства в геоинформационных системах, описывают табличные данные, организованные на основе ERM-моделей реляционных СУБД. Для таких данных на сегодняшний день известно и описано в литературе большое количество конкретных методов контроля, систематизированных поразному, на основе различных критериев. В одной из достаточно, на наш взгляд, обоснованных классификаций, усовершенствованной предлагается систематизация семантических ошибок ввода данных, основанная на учете следующих факторов: – уровней агрегации защищаемых и контролируемых элементов; – характера семантических ошибок; – форм используемой для контроля избыточности;

– моментов введения избыточности. Для обнаружения ошибок в сформированной БД реальное значение имеет только «естественная» избыточность, основанная, по сути, на неполном использовании всевозможных значений комбинаций символов, составляющих атрибуты и их сочетания. Естественная избыточность сопровождает данные с самых ранних этапов их формирования и кодирования и позволяет обнаруживать ошибки, внесенные практически на любом этапе технологического процесса подготовки, ввода и обработки данных. Поэтому целесообразно ограничиться двумя первыми критериями, выделив следующие уровни организации атрибутов, охватываемых НП-правилами: – один атрибут одной записи таблицы БД; – несколько атрибутов одной записи; – атрибуты разных записей таблицы; – атрибуты записей разных таблиц. Начальный фрагмент соответствующего перечня возможных НП-правил приведен в табл. 2.

Приведенные в табл. 2 и дальнейшие НП-правила последующих уровней организации могут быть представлены следующим обобщенным правилом: 2.2.k.j. Значения аргументов НП-правила должны удовлетворять заданному логик арифметическому соотношению. Многообразие возможных ЛАС и их аргументов для каждого из уровней может быть велико в зависимости от предметной и проблемной ориентации конкретной системы.

Таблица 2. НП-правила для атрибутивной информации

«Перекрестные» ошибки типа 3.1, заключающиеся в нарушении соответствия между тематической и пространственной базами данных. Типовые правила, определяющие проверки соответствия, охватывают: 3.1.1. Отсутствие разногласий в идентификационных данных. 3.1.2. Соответствие площадей полигональных объектов. 3.1.3. Соответствие длин линейных объектов. В принципе, ошибки типа 3.1 можно считать разновидностью атрибутивных ошибок, НП-правила которых охватывают значения данных, находящиеся в базе геоданных (или вычисляемые).

3. Модуль проверки пространственных данных системы «ГИС-Леспроект»

Одним из типовых приложений ГИС к задачам государственного управления является управление лесным хозяйством. Основными направлениями развития ПО «Укргослеспроект» были определены: расширение информационного и проектного обеспечения Государственной целевой программы «Леса Украины» (2010–2015 гг.), дальнейшее развитие в лесоустройстве и лесном хозяйстве современных ГИС-технологий. Система «ГИСЛеспроект» разработана для нужд ПО” Укргослеспроект” в рамках мероприятий по выполнению указанной Госпрограммы. Процесс ведения лесоустройства ПО «Укргослеспроект» можно разбить на ряд взаимосвязанных укрупненных этапов: – формирование начальной тематической и картографической информации для лесничеств; – сохранение текущей информации в локальных базах данных и формирование выходных бумажных документов; – накопление картографических и таксационных данных на серверах баз данных по временным, территориальным и другим характеристикам и на основе этих данных генерация различного рода выходных документов (планшетов, планов, карт-схем, отчетов, справок, ...). На рис. 3 представлена схема взаимосвязи функциональных модулей, обеспечивающих решение задач ПО «Укргослеспроект» по лесоустройству. При формировании карт-материалов могут быть использованы различные наборы тематических слоев, такие, как границы лесничеств, кварталов, выделов, различные дороги, объекты гидрографии и др. Всего в ПО «Укргослеспроект» предусмотрено использование 255 первичных и 103 агрегированных слоя, где однотипные тематические слои для удобства формирования карт-материалов объединяются в группы. Например, газопроводы, линии электропередач, линии связи, нефтепроводы и водопроводы объединяются в один слой – коммуникаций и др. Проведенный анализ получаемых данных показал наличие нарушений корректности топологических связей для определенных тематических слоев. С целью устранения ошибок оцифровки был определен набор соответствующих правил проверки топологии пространственных данных лесоустройства и создана дополнительная компонента системы

«ГИС-Леспроект» для проверки топологических зависимостей. Значительный объем топологических проверок вызван количеством обрабатываемых тематических слоев. Из полного списка реализованных правил проверки топологии приведем перечень применяемых проверок для тематических слоев, задействованных, преимущественно, во всех типах изготавливаемых тематических карт-материалов.

Рис. 3. Схема функциональных модулей ПО «Укргослеспроект»

Правило 1.1.1.1. Не должны перекрываться с …

Тематические слои «Границы лесничеств», «Квартальные просеки шириной до 5 м», «Квартальные просеки по противопожарным разрывам», «Квартальные просеки на мелиоративных каналах рек», «Квартальные просеки по дорогам», «Квартальные просеки шириной от 5 м до 10 м», «Границы таксационных выделов» не должны перекрываться внутри класса объектов.

Правило 1.1.1.2. Не должны иметь пробелов. Тематические слои «Границы лесничеств», «Квартальные просеки шириной до 5 м».

Правило 1.1.1.3. Не должны перекрываться.

Полигоны тематических слоев «Автодорога с искусственным покрытием», «Канал мелиорат широкий», «Карьеры», «Озера», «Противопожарный разрыв шириной более 10 м», «Реки», «Реки пересыхающие», «Ставки», «Ставки пересыхающие», «Водохранилища», «Яры» не должны перекрываться с полигонами тематического слоя «Границы таксационных выделов».

Правило 1.1.1.4. Должны совмещаться с объектами класса. Полигоны тематического слоя «Квартальные просеки шириной до 5м» должны покрываться полигонами слоя «Границы лесничеств».

Правило 1.1.1.5. Должны совмещаться с …

«ГИС-ЛЕСПРОЕКТ»

Аэрофотосъемка местности, обработка снимков на цифровых фотограмметрических станциях «Delta» и формирование тематических слоев лесоустройства

Создание и ведение атрибутивной (таксационной) БД (Ms SQL Serve)

Создание и ведение пространственной (картографической) БД (ArcGis Server)

Рис. 3. Схема функциональных модулей ПО «Укргослеспроект»

Проведение полевых изысканий территорий (таксация, топографические работы, инвентаризация и др.)

Формирование библиотеки условных знаков, проверка топологии тематических слоев, подготовка макетов карт-материалов, внесение изменений в картографическую БД, (ArcGis (ArcMap)

Полигоны тематических слоев «Границы таксационных выделов», «Канал мелиорат широкий», «Противопожарный разрыв шириной более 10 м», «Озера», «Ставки», «Ставки пересыхающие», «Водохранилища» должны покрываться одним полигоном тематического слоя «Квартальные просеки шириной до 5 м».

Правило 1.1.1.6. Граница должна совпадать с … Границы тематических слоев: «Линии государственной границы», «Границы областей», «Границы административных районов», «Границы городских земель», «Границы государственных заповедников и национальных парков», «Указатель изменения границы между землевладельцами» должны совпадать с границами «Квартальных просек шириной до 5 м».

Правило 1.1.1.7. Граница площадного объекта должна совпадать с границей. Границы полигонов тематического слоя «Границы лесничеств» Должны совпадать с границами слоя «Квартальные просеки шириной до 5 м».

Правило 1.1.2.3. Не должны перекрывать сами себя. Линии тематических слоев линейной гидрографии («Реки узкие», «Реки пересыхающие узкие», «Ручьи», «Ручьи пересыхающие», «Каналы мелиорат шириной 3–5 м», «Канавы (рвы) шириной от 1 м до 3 м»), коммуникаций («Газопровод», «Трубопроводы», «Нефтепровод», «Линии связи», «Водопровод») не должны перекрывать сами себя.

Правило 1.1.3.1. Должны лежать на границе. Точки тематического слоя «Копцы» должны лежать на границе слоя «Границы лесничеств».

В настоящее время диагностика целостности компонентов ИР ГИС "ГИС-Леспроект" практически ограничивается контролем синтаксических ошибок топологии. Представляется целесообразным (и закономерным) расширение области диагностики в направлении охвата семантических ошибок 1.2, 2.2 и 3.2.

Проверка соответствия картографической БД и таксационной БД (ТБД) возможна по следующим параметрам:

1) номеров кварталов;

2) номеров выделов в кварталах;

3) площадей кварталов и выделов;

4) площадей полигональных и линейных выделов (для которых существенна площадь) в разрезе кварталов;

5) категорий земель;

6) длин линейных выделов.

Для п.п. 1,2 проверка выполняется прямым перебором и сравнением номеров кварталов и соответствующих им выделов в КДБ и ТБД.

Для п.п. 3,4 проверки возможны для таких тематических слоев, как: «Границы лесничеств», «Квартальные просеки шириной до 5 м», «Границы таксационных выделов», «Автодороги с искусственным покрытием», «Овраги», «Карьеры», «Оползни действующие», «Озера», «Водохранилища», «Ставки», «Ставки пересыхающие», «Канал мелиоративный широкий», «Противопожарный разрыв шириной более 10 м», «Реки», «Реки пересыхающие», «Автомобильные дороги без покрытия», «Усовершенствованные грунтовые дороги», «Автомобильные дороги с покрытием», «Автомобильные дороги с покрытием, которые строятся».

Проверка п. 5 выполняется на основании имеющейся в КДБ информации относительно топологических кодов выделов объектов лесоустройства и категорий земель, хранящихся повыдельно в ТБД.

Проверка п. 6 возможна, например, для таких линейных тематических слоев, как «Квартальные просеки шириной от 5 м до 10 м», «Квартальные просеки по противопожарным разрывам», «Квартальные просеки по мелиоративным каналам, рекам», «Квартальные просеки с нечеткими границами», «Квартальные просеки по дорогам», «Газопроводы», «Трубопроводы», «Линии связи», «Водопроводы», «Узкоколейные железные дороги», «Лесные дороги до 5 м», «Дамбы и искусственные валы шириной более 3 м», «Улучшенные лесные дороги», «Постоянные пешеходные тропы», «Хозяйственный визирь», «Реки пересыхающие узкие», «Ручьи», «Ручьи пересыхающие», «Каналы мелиоративные шириной 3-5м», «Канавы (рвы) шириной от 1 до 3 м», «Хребты», «Экскурсионный маршрут», «Научно-познавательный маршрут», «Экологопознавательный маршрут», «Туристический маршрут», «Водный маршрут», «Противопожарный разрыв шириной до 10 м», «Таксационный визирь». Для выполнения данной проверки необходима соответствующая информация в ТБД.