МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. Ломоносова

Факультет Вычислительной Математики и Кибернетики

На правах рукописи

Динь Ле Дат

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ФОРМАЛЬНЫХ

ОНТОЛОГИЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

ДАННЫХ И СЕРВИСОВ

Специальность 05.13.11 математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре Системного программирования факультета вычислительной математики и кибернетики Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор Серебряков Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Соловьев Сергей Юрьевич кандидат географических наук Кошкарев Александр Владимирович

Ведущая организация:

Дальневосточный геологический институт Дальневосточного отделения РАН

Защита диссертации состоится «04» апреля 2008 года в 11:00 час. на заседании диссертационного совета Д 501.001.44 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, 2-й учебный корпус, факультет ВМК, аудитория 685.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета ВМК МГУ.

С текстом автореферата можно ознакомиться на официальном сайте ВМиК МГУ им. М.В. Ломоносова http://www.cmc.msu.ru в разделе «Наука» - «Работа диссертационных советов» - «Д 501.001.44»

Автореферат разослан «04» марта 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор Н. П. Трифонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Эффективность использования геоинформационных систем (ГИС) и технологий в различных сферах трудовой деятельности человека определяется прежде всего тем фактом, что более 80% информации, с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Поэтому на сегодняшний день не вызывает сомнения потребность в разработке многопользовательских многофункциональных Интернет-ГИС-приложений, которые, в свою очередь, ставят задачу совершенствования существующих и разработку новых подходов к сбору, хранению, обработке и распространению растущего объема пространственной информации и сервисов. Более того, ГИС в последние несколько лет совершили значительное продвижение в направлениях распределенной работы, совместного использования ресурсов и пр. При этом ввиду интеграции большого количества независимых информационных систем существенной проблемой является различная трактовка структуры и семантики информации в разных системах. Данные могут относиться к различным предметным областям, в рамках одной иметь разные выражение и интерпретацию.

Для того, чтобы управлять процессами создания, хранения, обновления и обработки колоссального объема пространственных данных и услуг, необходимо формировать метаданные. Однако достижения согласия по поводу одной единственной спецификации метаданных в мировом масштабе практически невозможно. Несмотря на рекомендации ISO/TC211, FGDC и OGC на использование стандартов пространственных метаданных, на рынке пространственных данных и сервисов сложилось так, что почти в каждой стране создаются свои профили метаданных. В итоге разные геоинформационные системы и каталоги поддерживают и рекомендуют свои профили метаданных. В частности, с 1 января 2007г. в России был введен в действие стандарт пространственных метаданных ГОСТ Р 52573–2006 «Географическая информация. Метаданные», который является профилем ISO 19115 – международного стандарта пространственных цифровых метаданных. К сожалению, Российский стандарт не имеет полной совместимости с исходным международным стандартом, поэтому его необходимо откорректировать, чтобы не создавать новых технических барьеров. В связи с этим, разработка или адаптация спецификации метаданных, которая бы помогла описать формат и содержание данных для достижения интероперабельности, является актуальной задачей нескольких инициативных групп, представляющих различные науки о Земле.

Наиболее эффективным способом обеспечения согласованного информационного обмена в таких условиях является обеспечение так называемой семантической интероперабельности систем на основе стека технологий семантического веба (Semantic Web): RDF, RDFS, OWL. Язык Webонтологий OWL представляет развитые возможности для описания предметных областей взаимодействующих систем и дает машинноинтерпретируемые определения фундаментальных понятий в предметной области и отношениях между таковыми в онтологии.

В рамках данного исследования анализируются международные и российские спецификации пространственных метаданных, лежащих в основе наиболее известных в мире инфраструктур пространственных данных (ИПД) и предлагается простой, но в то же время достаточно полный профиль метаданных для пространственных данных и сервисов, ориентированный на максимальную совместимость, адаптируемость и расширяемость как для российских, так и для зарубежных поставщиков и потребителей геоинформационных ресурсов, что и привело к онтологическому подходу формирования метаданных.

С другой стороны, основной целью проводимых исследований является создание в рамках Единого научного информационного пространства (ЕНИП) РАН геоинформационно-аналитической системы Web-портала (геопортал) «ГеоМЕТА», основанной на интеграции децентрализованно развиваемых пространственных ресурсов институтами, входящими в РАН, и запуск в работу онлайновых механизмов автоматического обмена пространственными метаданными между информационной системой РАН на базе ЕНИП РАН. Следовательно, решение проблемы повышения качества программного обеспечения ГИС в рамках ЕНИП также обуславливает актуальность решаемой в диссертации научной задачи.

Цель работы Цель работы заключается в исследовании и разработке геоинформационно-аналитической системы интеграции распределенных неоднородных источников пространственных данных и сервисов на основе пространственных онтологий и решении проблемы семантической интероперабельности, а также задачи управления метаданными и совершенствования поиска, доступа и обмена в условиях растущих объемов пространственной информации и сервисов, предоставляемых многочисленными источниками геоинформации.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Разработать онтологию пространственных метаданных для каталогизации, сбора и поиска геоданных и сервисов совместимо с ISO 19115:2003, ГОСТ Р 52573–2006 и ISO 19119:2005 «Geographic information -Services».

2. Разработать онтологию, основанную на семантике существующих стандартов контента, таксономиях и ключевых словах в области наук о Земле.

3. Расширить возможности описания геосервисов (метаданных услуг) за счет использования онтологии для придания значения контенту данных, улучшив тем самым семантическую функциональную совместимость.

4. Создание и внедрение на практике геопортала и интеграции Webресурсов на основе разработанных онтологий для нахождения и обеспечения простого доступа к имеющимся распределенным пространственным данным и сервисам по стандартизованным протоколам (OGC, ISO/TC211 и W3C).

Объект исследования Объектом исследования являются проблема достижения интероперабельности, каталогизации и сбора метаданных пространственных ресурсов и технологии построения информационно-аналитических геопространственных Web-порталов.

Предмет исследования Предметом исследования являются подходы и методы использования семантических технологий в геопространственных Web-порталах для реализации информационных процессов на семантическом уровне.

Методы исследования В ходе диссертационного исследования были использованы модели и методы, основанные на методологии представления и обработки пространственно-распределенной информации в геоинформационных Интернетсистемах, теории метаданных и теории моделей, объектно-ориентированных методах построения и программирования программных систем.

Научная новизна Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый подход к процессу разработки геоинформационных систем. Новизна подхода, прежде всего, заключается в использовании онтологии пространственных метаданных. В отличие от существующих методик, такой подход обеспечивает:

a. описание свойств классов объектов предметной области на языке веб-онтологий OWL, дающий машинно-интерпретируемые определения фундаментальных понятий в предметной области и отношениях между таковыми в онтологии, а не на языке b. уникальное представление информационных объектов, создаваемых на основе описаний URI, для всех подсистем ГИС, что значительно упрощает построения распределенных геоинформационных c. упрощение процесса сопровождения ГИС, поскольку снижается вероятность необходимости изменения программного кода и структур баз данных при внесении изменений в иерархию классов 2. Предложена онтологическая модель данных для описания и организации многоуровневого хранилища, распределенных наборов пространственных данных, тематических слоев карт и геосервисов с развитыми средствами регистрирования, поиска и доступа к данным и сервисам, использующая предложенную автором онтологию пространственных метаданных. Её отличительными особенностями являются:

• совместимость с международным стандартом ISO 19115:2003 и одновременно полная совместимость с российским стандартом ГОСТ Р • совместимость с популярными международными стандартами, такими как стандарт FGDC-STD-001-1998 в Американской и Канадской ИПД, CEN prEN 12657 в Европейской INSPIRE и Французский ИПД, UK GEMINI v1.0 в ИПД Великобритании, ANZLIC profile в Австралийской и Новозеландской ИПД, ESRI Profile of CSDGM – популярный коммерческий и т.д.;

• расширение метаданных для описания OGC-совместимых сервисов на основе ISO 19119:2005 и также расширение семантики описания ресурсов на основе разработанных онтологий геоданных и сервисов;

• поддержки двуязычного (русский, английский) словаря терминов, семантически полного и удобного для совместного использования, так как он основан на онтологиях предметной области, которые описаны на OWL;

• поддержки интероперабельности модели метаданных в XMLформате, соответствующей международному стандарту ISO 19139:2007 «Geographic information -- Metadata -- XML schema implementation».

3. Разработан комплекс программ геоинформационно-аналитического Web-портала, реализующего функции сбора, поиска, категоризации и управления пространственными метаданными, где основное внимание уделено на поддержке интероперабельность спецификаций ГОСТ Р 52573–2006 и ISO 19115:2003 с возможностью описания семантики контента объектов и предоставления рекомендаций с учетом семантики их Практическая ценность Построенная формальная онтологическая модель пространственных данных и сервисов представляет собой каноническую модель, позволяющую интегрировать распределенные неоднородные источники геоинформационных ресурсов.

Представленная автором онтология пространственных метаданных позволяет решать проблему «взаимопонимания» (т.е. семантической интероперабельности) геоинформационных систем, участвующих в распределенном взаимодействии. Более того, данная онтология нацелена на поддержку интероперабельности между стандартами ГОСТ Р 52573–2006 и ISO 19115:2003, а также расширение для каталогизации геосервисов основе ISO 19119:2005 и обмена метаданными в структурированном XML-формате по стандарту ISO 19139:2007.

Разработанный геопортал на основе онтологии пространственных данных позволяет оптимизировать сложные процессы формировании и управления пространственными метаданными через веб-интерфейс, обеспечивающий многоуровневую детализацию и поиск пространственных ресурсов на семантическом уровне. Кроме того, геопортал обеспечивает двуязычные словари терминов (русский и английский) и ГИС-визуализацию. При этом созданные пространственные онтологии и геопортал имеют возможности использования в рамках ЕНИП РАН и системах управления знаниями.

Реализованные программные средства имеют широкий круг применения в области интеграции и поиска распределенных неоднородных источников пространственных данных и приложений для решения научных задач исследования Земли и каталогизации и автоматизации сбора распределенных пространственных метаданных на основе OGC-совместимых сервисов.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

- Наука & Сотрудничество между Вьетнамом и Россией. VIII и IX международная научная конференция (Москва, 2006-2007).

- XII международная GISnet конференция и выставка Геоииформатики (г.

Хошимин, Вьетнам, 2006).

- Научно-практический семинар отдела Геоинформационных систем Государственного геологического музея им. В.И. Вернадского РАН "Проблемы и решения задач в области наук о Земле в распределенной ИНТЕРНЕТ среде" (Москва, 2007).

- Научные семинары лаборатории сетевых информационных технологий Геофизического центра РАН (Москва, 2007).

- Международная конференция ECAI Congress of Cultural Atlases III Time & Space in Eurasia – SCI 2004 (Москва, 2007).

- Научно-практический семинар отдела картографии и аэрокосмических методов Московского филиала Русского географического общества "Пространственные метаданные и геопорталы как средства интеграции геоинформационных ресурсов и сервисов" (Москва, 2008).

- Научные семинары отдела систем математического обеспечения Вычислительного Центра им. А.А. Дородницына РАН (Москва, 2006-2008).

Предложены и апробированы на практике подходы и программнотехнологические решения для создания интерактивных распределенных геоинформационных Интернет-систем интеграции главного геопортала Вычислительного центра РАН (http://eearth.ras.ru) и геопортала Государственного геологического музея им. В.И. Вернадского РАН (http://earth.jscc.ru).

Публикации По теме диссертации опубликовано 4 работ, в том числе 1 из списка изданий, рекомендованного ВАК РФ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературных источников из 167 наименований и 4 приложений. Содержит 40 рисунков и 6 таблиц. Работа изложена на 151 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Во введении дана общая характеристика диссертации, включая обоснование актуальности темы, объект и предмет исследования, цель и основные результаты работы, ее научную новизну, апробацию работы, список публикаций, структуру и объем диссертации.

Глава I. Геоинформационные системы и современные технологии, проблемы поиска и интеграции распределенных пространственных ресурсов В первой главе приводится анализ возможностей, проблематики и необходимости современных геоинформационных систем (ГИС).

В настоящее время основной особенностью наук о Земле является пространственная детерминированность и огромные, постоянно увеличивающиеся объемы данных и сервисы, в основе которых лежат географические объекты различного масштаба от локального геологического тела до Земного шара в целом. Задачей информатики при этом становится синтез и интегральный анализ большого объема многоаспектных пространственных данных и сопоставление результатов исследований для выявления общих закономерностей геопроцессов в пространственно-временных координатах на локальном, региональном и глобальном уровнях. Для решения поставленных задач необходимо привлекать достижения современных геоинформационных технологий – распределенные ГИС, представляющие собой распределенные разнородные базы данных, распределенные вычисления, и стандарты взаимодействия открытых систем, а также создание инфраструктуры пространственных данных (ИПД).

Процесс интеграции пространственных данных и сервисов ставит множество проблем, вызванных, в частности, автономностью и разнородностью схем метаданных и источников, количественными и качественными требованиями к обработке запросов.

Далее в главе рассматриваются открытые международные стандарты обмена пространственными ресурсами и отмечается важность серии стандартов ISO/TC211 19000, ГОСТ Р и спецификации передачи данных консорциума OGC (Open Geospatial Consortium). Особое внимание уделяется изучению наиболее известных открытых географических стандартов, таких как ISO 19119:2005 «Geographic information -- Services», спецификация интерфейса OGC Web Map Service “Интерфейс картографического веб-сервера”, спецификация интерфейса OGC Web Feature Service “Веб-сервер объектов” и операции GetCapabilities, позволяющей извлечь метаданные о ресурсах и возможностях, предоставляемых сервисом, основанной на спецификациях OGC-совместимых интерфейсов.

В рамках интеграции распределенных пространственных данных и геоинформационных систем различных источников одной из важнейших задач является обеспечение эффективного информационного обмена между такими системами, а также эффективного поиска и доступа к данным, где ключевую роль играют метаданные.

При этом ввиду интеграции большого количества независимых геоинформационных систем существенной проблемой является различная трактовка структуры и семантики информации в разных системах. Данные могут относиться к различным предметным областям, в рамках одной иметь разные выражение и интерпретацию. Наиболее эффективным способом обеспечения согласованного информационного обмена в таких условиях является обеспечение так называемой семантической интероперабельности систем на основе стека технологий семантического веба: RDF, RDFS, OWL. Язык Webонтологий OWL представляет развитые возможности для описания предметных областей взаимодействующих систем, определения использующихся терминов и их взаимосвязи. В данной работе рассматривается принципы применения технологий Semantic Web и OWL-онтологий для обеспечения семантической интероперабельности обмена пространственными ресурсами в распределенной среде Интернета, приводятся принципы формирования наборов онтологий-стандартов для описания метаданных пространственных данных и сервисов.

Методология создания профиля пространственных метаданных с помощью онтологического подхода обеспечивает преодоление трудностей, присущих классическим подходам к профилям метаданных, выраженным в UML и схемах XML, которые недостаточно гибки, чтобы принять, отклонить или переопределить элементы метаданных. Преимущество методологии состоит в том, что она не требует дублирования спецификаций. Каждый элемент в спецификации метаданных и каждый термин предметной области однозначно определен с использованием URI. Онтологический подход кодирования метаданных использует объектно-ориентированные особенности, такие как наследование, для осуществления связи профилей семейств с расширяемой спецификацией метаданных.

В результате анализа различных современных решений и технологий, связанных с публикацией и поиском пространственных ресурсов в Интернете, проведенного автором работы, и на основе общих технических требований, предъявляемых к реализации геопортала и системы управления пространственными метаданными как ключевой компоненты инфраструктуры пространственных данных, сформированы технические и функциональные требования к геоинформационно-аналитическим системам на основе Webпортала. На основе анализа проблем взаимодействия компонентов распределенных ГИС-систем обоснована необходимость разработки специализированной онтологической модели пространственных данных и сервисов на основе единой (базовой) схемы метаданных.

Глава II. Стандарты, кодировки и онтологический подход к проблеме моделирования пространственных метаданных Во второй главе приводится анализ спецификаций пространственных метаданных большинства существующих на данный момент ИПД и геоинформационных порталов, которые были вовлечены в исследовании для формирования академического профиля пространственных метаданных.

Особое внимание уделяется в анализе таким стандартам и профилям пространственных метаданных, как международный стандарт ISO 19115: «Географическая информация. Метаданные», американский стандарт FGDCSTD-001-1998, российский стандарт ГОСТ Р 52573–2006 «Географическая информация. Метаданные», стандарт CEN (prEN 12657 Geographic Information – Metadata), который получил наибольшее распространение в Европе и австралийский и новозеландский профиль ИПД ANZLIC, профиль ИПД Великобритания – UK GEMINI и другие.

Далее в главе освещены сильные и слабые стороны различных типов кодирования спецификаций метаданных. Очевидно, что в настоящее время стандарт ISO 19115 является лучшей разработкой в области пространственных метаданных, и именно на него следует ориентироваться при построении ИПД и различных геоинформационных систем. Подобные стандарты присутствуют во всех национальных ИПД, в частности и в России в виде ГОСТа Р 52573–2006 «Географическая информация. Метаданные». К сожалению, отличия национальной версии ГОСТ Р 52573–2006 от международной весьма значительны, так что метаданные, подготовленные в соответствии с национальным профилем, не будут совместимы с международным стандартом.

Российским разработчикам придется реализовывать два варианта средств подготовки метаданных — российский и международный, а также создавать и использовать «национальные» конверторы для зарубежного программного обеспечения ГИС, применяемого в России. Это идет вразрез с основной идеей ИПД — упростить обмен пространственными данными. В связи с этим, разработка или адаптация спецификации метаданных, которая помогла бы описать формат и содержание данных для достижения максимальной интероперабельности, определяют актуальность исследования данной работы.

Кроме ISO 19115:2003, важную роль играет недавно утвержденный международный стандарт ISO 19139:2007 «Geographic information -- Metadata -XML schema implementation», который предлагает схему XML-кодирования для описания, подтверждения и обмена метаданными в ISO 19115:2003. Если каталог пространственных данных поддерживает кодировки данных XML, кодированных в соответствии с ISO 19139, то он будет обладать полной функциональной совместимостью и сможет поддерживать обмен данными с любым построенным на стандартах ISO каталогом.

В данной главе описывается подход к интеграции данных геоинформационных систем, основанный на использовании онтологии пространственных данных и сервисов, задающей определения понятий предметной области и связей между ними. Один из практических подходов к представлению онтологий заключается в их определении в виде словаря понятий предметной области, отношений между ними и накладываемых на них ограничений.

Представленный подход обеспечивает процессу формирования академического профиля метаданных максимальную полноту и совместимость для реализации формальных онтологий пространственных данных и сервисов, используемых на последующих шагах конструирования разрабатываемой информационной системы.

Глава III. Формирование академического профиля пространственных метаданных и разработка онтологии пространственных данных и сервисов Третья глава посвящена формированию академического профиля метаданных «ГеоМЕТА» и реализации онтологии пространственных данных и сервисов. Несмотря на рекомендации ISO/TC211, FGDC и OGC на использование стандартов пространственных метаданных, проведенный в главе 2 анализ показывает, что достижение согласия по созданию одной единственной спецификации пространственных метаданных в мировом масштабе практически невозможно.

В рамках проведенного исследования анализируются международные и российские спецификации пространственных метаданных и предлагается простой, но в то же время достаточно полный профиль метаданных для пространственных данных и сервисов, ориентированный на максимальную совместимость, адаптируемость и расширяемость как для российских, так и для зарубежных поставщиков и потребителей геоинформационных ресурсов.

Особое внимание в процессе формирования профиля «ГеоМЕТА» уделяется решению проблемы совместимости стандарта ГОСТ Р 52573–2006 c международным стандартом ISO 19115 и предложен подход к решению этой проблемы, позволяющий сохранить без изменений элементы и коды, описанные в международном стандарте, дополнив их национальными. В случае конфликтов кодов словарных терминов необходимо поддерживать оба набора кодов. В итоге зарубежные средства подготовки метаданных могли бы использоваться для создания и ведения базовых элементов метаданных (в большинстве случаев этого достаточно), а программные продукты российского производства были бы пригодны для подготовки метаданных в соответствии с международным стандартом.

В результате анализа для разработки схемы метаданных были взяты стандарт ISO 19115 и скорректированный российский стандарт ГОСТ Р 52573– 2006 для описания пространственных данных. На основе наследования элемента MD_Identification из стандарта ISO 19119 введен элемент SV_ServiceIdentification, который агрегирует ещё три класса SV_OperationMetadata, SV_Parameter, SV_ServiceProvider, служащих для описания сервисов, ориентированных на спецификации сервисов OGC и вебсервисы.

На практике 22 элементов ядра ISO 19115 оказывается недостаточно для описания ресурсов. Для максимальной совместимости к ядру ISO 19115 были добавлены ещё 14 элементов для данных и 12 элементов для описания сервисов. В итоге ядро «ГеоМЕТА» v3.0:2007 для пространственных данных и сервисов состоит из 48 элементов, а всего в профиле имеется 226 элемента (см. рисунок 1).

Рис. 1. Академический профиль пространственных метаданных.

Для моделирования схемы и структуры используется язык UML. Полное описание разработанного профиля приводится в приложении. Основные пакеты метаданных и графическое отображение отношений между отдельными пакетами представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Пакеты академического профиля пространственных метаданных Всего в профиле содержится 14 пакетов, из которых 3 являются новыми (на рисунке 2 отмечены серым цветом). Остальные были наследованы от ГОСТ Р 52573-2006 с учетом модификации в 5-и пакетах (на рисунке 2 отмечены пунктирной линией) до уровня совместимости с ISO 19115:2003 и расширения важных элементов для описания сервисов и улучшения поиска.

Задача интеграции распределенных неоднородных источников геоинформационных данных решается путем выделения единой (базовой) схемы метаданных, реализованной в виде OWL-онтологии на основе разработанного академического профиля метаданных «ГеоМЕТА» для обеспечения «взаимопонимания» (т.е. семантической интероперабельности) систем, участвующих в распределенном взаимодействии.

Разработанная онтология пространственных данных и сервисов и подробное описание профиля метаданных «ГеоМЕТА» доступны по адресу http://eearth.ras.ru. Онтологическая модель была описана на языке OWL DL, количество строк составило 5221, а размер файла – 366 Кбайтов, в нее вошло 48 классов, количество понятий составило 209. Пример части онтологической модели пространственных данных и сервисов приведен на рисунке 3. Ниже кратко описываются четыре основных класса, используемые в онтологии.

Рис. 3. Основные свойства и классы онтологии, описывающие пространственные данные и сервисы Информация о метаданных (MD_Metadata): Класс «информация о метаданных» является основным компонентом онтологии и соединяется с другими классами онтологии, как следует из рисунка, посредством атрибутов.

Для каждого набора ресурса, который регистрируется системой, создается соответствующий экземпляр класса модели данных или сервисов, который сохраняется в базе знаний.

Идентификация данных (MD_DataIdentification): Этот класс позволяет поставщику специфицировать идентифицирующую информацию набора данных. Важными атрибутами этого класса являются: title (название), abstract (описание), topicCategory (тематика), descriptiveKeywords (cовокупность ключевых слов), creator (создатель), pointOfContact (cубъект, ответственный за создание), resourceMaintenance (частота осмотра), resourceConstraints (ограничение) и др. Многие атрибуты этого класса являются субатрибутами мета-элементов Dublin Core(DC) (в версии OWL), которые предоставляют стандарт для описания информационных ресурсов.

Идентификация сервисов (SV_ServiceIdentification): Данный класс позволяет поставщику специфицировать идентифицирующую информацию набора сервисов. Важными атрибутами этого класса являются: serviceType (тип сервиса, например: WMS, WFS, WCS и веб-сервисы), operationName (название операции), parameterName (название параметров), connectionPoint (точка доступа) и др. Этот класс использует онтологии OGC Service Architecture, NASA GCMD Service Type, разработанные исследовательской группой GeoBrain.

Cодержимое данных (MD_ContentInformation): Данный класс является ключевым в онтологии модели данных и отвечает за отображение набора данных в концепции предметной области, определенные в геонаучной онтологии. Эта связка генерирует семантическую концептуальную схему для набора данных. Поставщик данных и сервисов выбирает уровни детализации из геонаучной онтологии, которая наилучшим образом описывает набор данных. Этот набор хранится в классе содержимого данных, позволяя, таким образом, онтологии модели данных предоставлять не только метаданные о наборе данных, но и семантическое описание содержимого набора данных.

Результатом интеграции станет единая среда, позволяющая осуществлять распределенный поиск пространственных данных и сервисов, визуализировать их, получать к ним доступ и обрабатывать необходимым образом. Эта онтологическая модель определяет элементы для включения информации об идентификации данных и сервисов, временных и пространственных характеристиках, ограничениях, визуальном представлении, собственно содержательной части и распространении данных в зависимости от набора данных и т.д. Эти элементы отвечают на вопросы «кто, что, почему, где, когда и как»

каждого аспекта набора ресурсов. При комбинировании онтологий, относящихся к другим областям, с предлагаемой онтологией появляются новые возможности для создания семантических метаданных для наборов данных, что демонстрируется на примере выполненной реализации геоинформационно-аналитической системы «ГеоМЕТА» с пользовательским Webинтерфейсом геопортала. Система позволяет поставщику пространственных данных и сервисов выбирать уровни детализации из онтологий, которые будут наилучшим образом описывать метаданные ресурсов. Эти метаданные могут быть использованы конечными пользователями пространственных ресурсов для улучшенного поиска по содержимому и оценки пригодности независимо от того, где ресурсы находятся и в каком формате они хранятся.

Глава IV. Проектирование, программная реализация и апробация геоинформационно-аналитического Web-портала на основе пространственных онтологий пространственных данных и сервисов Четвертая глава описывает на основе разработанной онтологии пространственных данных и сервисов программное средство геоинформационноаналитической системы «ГеоМЕТА», представляющее собой платформу для интеграции распределенных неоднородных источников геоинформационных данных и сервисов, доступных в мире. Особый акцент делается на обеспечении их семантической интероперабельности вне зависимости от способа их представления. Система предоставляет единую точку входа (Web-портал) к этой среде, которая позволит пользователем в сфере наук о Земле:

• удобно и гибко интегрировать/распространять распределенные пространственные данные и сервисы на уровне (мета)данных в соответствии с основными международными и российскими стандартами;

• высокий уровень интероперабельности, масштабируемости и гибкости;

• легко находить специализированные данные и приложения (OGC сервисы и веб-сервисы);

• доступ к ресурсам через Интернет по стандартизованным протоколам OGC и W3C;

• производить вычислительные эксперименты;

• визуализировать результаты деятельности.

Система «ГеоМЕТА» состоит из двух частей, в совокупности обеспечивающих решение поставленных задач – части по работе с пространственными (мета)данными и геосервисам (ГИС-части, непосредственно являющейся предметом данной работы) и части по работе с приложениями для обработки пространственных данных (научно-вычислительного портала). Описание и реализация части научно-вычислительного портала (НВП) не являются предметом исследования данной диссертационной работы, а представляют собой предмет другого исследования, выполняющегося в рамках данной разработки.

К функциональностям ГИС-части системы относятся:

• каталогизация пространственных метаданных;

• локальный и распределенный поиск пространственных данных и сервисов на основе метаданных;

• автоматизированный сбор распределенных пространственных метаданных на основе OGC WMS/WFS сервисов;

• интеграция пространственных данных и (гео)сервисов участников системы (всего 3 типа участников);

• предоставление доступа к распределенным пространственным данным по стандартизованным протоколам;

• визуализация карт, редактирование элементов.

Функциональность Научно-вычислительного портала в рамках системы «ГеоМЕТА» сужается на область ГИС-приложений и обеспечивает:

• каталогизацию «вычислительных приложений», атрибутный поиск вычислительных приложений (ВП) в каталоге;

• запуск ВП, мониторинг выполнения и визуализация результатов;

конструирование и сохранение рабочих процессов из существующих ВП.

Интерфейс системы представлен Web-порталом, поэтому для ГИС-части основным методом доступа пользователя к информации является обычный доступ к Web-страницам портала через любой распространенный браузер (см. рисунок 4) по адресу http://eearth.ras.ru. Ядро системы представляет платформу ЕНИП и обеспечивает следующие возможности:

• управление статическим содержанием;

• хранение объектов системы (представленных RDF-тройками) в РСУБД;

• индексирование и полнотекстовый поиск;

• обеспечение безопасности системы.

В рамках данной работы не рассматривается подробное описание функциональности ЕНИП и её возможности, отметим лишь используемые технологии непосредственно для реализации системы «ГеоМЕТА».

Рис. 4. Главная страница веб-портал «ГеоМЕТА».

Архитектура системы «ГеоМЕТА» приведена на рисунке 5 и включает основные сервисные компоненты и сервер данных «ГеоМЕТА», каталог ресурсов и онтологии, ядро системы – платформа ЕНИП, а также схемы интеграции ресурсов 3-х типов участников и взаимодействия пользователей с системой. Системные блоки, которые являются предметом исследования и реализации данной работы, отдельно отмечены серым фоном.

Рис. 5. Архитектура системы «ГеоМЕТА».

Архитектура системы разрабатывалась на основе тщательного анализа большинства существующих на данный момент ИПД и геоинформационных порталов. Основой программной реализации системы «ГеоМЕТА» стала система «Научный институт РАН», а созданная онтология пространственных данных расширила схему метаданных ЕНИП РАН, что обеспечило возможность включения портала системы «ГеоМЕТА» в ЕНИП РАН. При реализации ГИС-части системы использовались открытые решения, такие как MapBuilder, GeoServer и т.п.

Заключение В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Приложение В приложении приведены диаграммы классов, описывающие основные сущности онтологической модели пространственных данных и сервисов, их атрибуты и связи между ними, а также примеры формирования пространственных метаданных на основе разработанных онтологий. В приложении приведено также полное описание 226 элементов разработанного академического профиля пространственных метаданных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены подходы семантического описания пространственных метаданных и онтологии геоданных и сервисов для решения семантической проблемы разделения, поиска и обмена пространственными данными и сервисами.

2. Разработан академический профиль и OWL-онтология пространственных метаданных с поддержкой двуязычного словаря терминов с описаниями для интеграции распределенных наборов пространственных данных и сервисов, совместимых с международным стандартом ISO 19115:2003, ISO 19119:2005 и ГОСТ Р 52573-2006 в совокупности с набором программных и пользовательских веб-интерфейсов для регистрации/редактирования метаданных и доступа к его данным на основе протокола HTTP по стандартам OGC Web Map Service (WMS), Web Feature Service (WFS), включая возможность ГИС-визуализации.

3. Предложены и реализованы схемы поиска и многоуровневая каталогизация распределенных пространственных данных и сервисов и автоматизированного сбора пространственных метаданных на основе OGCсовместимых сервисов.

4. Реализован программный комплекс, включающий геоинформационный Web-портал, для проведения научных исследований на основе распределенных пространственных данных и сервисов – одна из первых в России онлайновых систем управления пространственными метаданными, нацеленная на поддержку интероперабельности между стандартами ГОСТ Р 52573-2006 и ISO 19115:2003 (а также совместимая со схемами метаданных, лежащих в основе наиболее известных в мире ИПД) с возможностью обмены метаданными в структурированном XML-формате по стандарту ISO 19139:2007.

5. Разработанные онтологии, методы и технологии успешно использованы в ряде геоинформационных проектов отдела систем математического обеспечения ВЦ РАН.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Динь Ле Дат, Серебряков В.А. Разработка и реализация формальных онтологий геопространственных данных и сервисов // Журнал "Радиотехника". – 2008. – вып.2 – С. 85-89.

2. Динь Ле Дат. Интеграция GRID и GIS технологий // Наука & Сотрудничество между Вьетнамом и Россией. VIII международная научная конференция: Сборник трудов научной конференции /Вьетнамская научнотехническая ассоциация в РФ. – М., 2006. – С. 177-187.

3. Динь Ле Дат. Общий обзор ГИС и стандарты пространственных метаданных // Наука & Сотрудничество между Вьетнамом и Россией. IX международная научная конференция: Сборник трудов научной конференции /Вьетнамская научно-техническая ассоциация в РФ. – М., 2007. – С. 157-165.

4. Dinh Le Dat, Vershinin A.V., Serebriakov V.A. Scientific Computational Web Portal - Based Distributed GIS – Enabled GRID // The 12th International GISnet Conference and Exhibition on GIScience, Ho Chi Minh, Viet Nam. – 2006. – P. 14-15.

В работах с соавторами личный вклад автора заключается в создании академического профиля и OWL-онтологии метаданных пространственных данных и сервисов, поддерживающие одновременное полное совместимо с российским стандартом ГОСТ Р 52573–2006 и совместимо с международными стандартами ISO 19115:2003, ISO 19119:2005. Автором предложен онтологический подход к описанию модели пространственных ресурсов с использованием технологий Semantic Web, описана архитектура Интернетсистемы интеграции распределенных неоднородных источников геоинформациионных ресурсов, являющейся ГИС-частью главного геопортала системы «ГеоМЕТА» ВЦ РАН, создан соответствующий комплекс программ для каталогизации и поиска пространственных ресурсов и автоматизированного сбора метаданных на основе OGC-совместимых сервисов.