НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Введение

Проблематика исследования

Современная информатизация территориальной деятельности способствует тому, что всё большая часть человеческой жизни фиксируется и оценивается в картографической форме. Благодаря доступности мобильных приложений, бесплатных ГИС-программ и глобального позиционирования персональное картографирование стало повседневным приёмом и приобрело массовый характер. В этих условиях возрастает интерес обычных пользователей к краудсорсинговым исследованиям и картографированию территории своего проживания, а также мест туристского и рекреационного посещения, к созданию собственных информационных продуктов, обмену данными и сообщениями. Такое положение дел обуславливает повышение спроса местных сообществ на базовые пространственные данные и открытые сервисы, адаптированные под неподготовленного пользователя. Озеро Байкал является Участком всемирного природного наследия, большинство организаций, изучающих его бассейн имеют веб-ресурсы с геоинформацией по различным областям знаний об экосистеме озера, населении, экономики, природопользовании территории. По причине того, что бассейн озера расположен на территории четырех субъектов Российской Федерации (Иркутская область, Республика Бурятия, Забайкальский край, Республика Тыва) и Монголии, осуществляются индивидуальные технологические подходы к проектированию веб-ресурсов, структур и содержания баз данных. Эта информация, как правило, имеет узко территориальный характер, различную точность пространственной привязки не унифицирована, а иногда и противоречива. Разобщённость информационных ресурсов о трансграничном регионе затрудняет комплексную оценку состояния и исследование территории как единой геосистемы, управление развитием региона. Существующие и наиболее востребованные сервисы Google Earth, Wikimapia, Яндекс карты и т.п. предоставляют картографические и спутниковые данные и простые геометрические операции с ними. При этом, как правило, не позволяют интерактивную работу с данными пользователя, загрузку базовых слоёв, не обеспечены аналитическим функционалом (оверлей, построение буферных зон, сетевой анализ и т.п.). Таким образом, картографирование и изучение трансграничных территорий можно активизировать с помощью краудсорсинговых исследований заинтересованных пользователей (местное население, исследователи из других регионов и стран, туристы) посредством организации веб-ресурса, позволяющего создание персонального географического контента, обмен данными и сообщениями. Проект решает актуальную научно-практическую задачу информационно-картографического обеспечения жизнедеятельности современного информационного общества для устойчивого развития региона и способствует поддержке и развитию природоохранных инициатив и повышению уровня экологической ответственности местного населения и прибывающих туристов на территории бассейна.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является население трансграничного бассейна оз. Байкал. Предметом исследования является информационно-картографическое обеспечение территориальных (социальных, туристических, природоохранных и др.) проектов.

Гипотеза исследования

Создание картографического сервиса обеспечит оперативное информирование мирового сообщества о демографическом состоянии региона, предоставит открытую площадку для информационного обмена и краудсорсингового картографирования всем заинтересованным лицам, будет способствовать положительному имиджу Байкальского региона и повышению значения территории в мировой хозяйственной системе. Результаты проекта будут использованы заинтересованными учреждениями и ведомствами – Минприроды, МЧС, администрациями органов местного самоуправления России и Монголии.

Ожидаемый результат

Представленная научно-исследовательская работа (НИР) является прикладным исследованием на основе современных информационных технологий, обеспечивающим цифровую визуализацию статистических показателей населения соседствующих стран для сравнительного анализа демографической политики в трансграничном регионе. Создаваемый картографический сервис является веб-ресурсом для предоставления доступа мировому сообществу к открытым картографическим и статистическим материалам о населении бассейна оз. Байкал и предоставляющий возможность информационного обмена и персонального картографирования для всех слоёв населения в режиме онлайн. Сервис представляет собой программно-технический комплекс, обеспечивающий поиск, передачу и использование картографических данных в любом пункте сети Интернет, решает задачи публикации пространственно локализованной информации, поддержания базы данных и доступа к ней в соответствии с принятыми стандартами, а также интеграции со сторонними системами и базами данных. Организация картографического сервиса обеспечит свободное обращение к интерфейсным формам сервера для запросов пользователей к базе данных, исполнение этих запросов системой, интерактивную работу пользователя по составлению тематических карт на сервере, возможность загрузки и редактирования собственных слоёв, а также программ морфометрической оценки и моделирования данных.

Актуальность и новизна

В сложившихся условиях особую значимость приобретает разработка научно-методических основ создания международных информационно-телекоммуникационных систем, основанных на современных алгоритмах ГИС-технологии и искусственного интеллекта, обеспечивающих единый подход к формированию пространственных баз данных, интерактивного картографирования и геоинформационного анализа территорий. Предлагаемый проект имеет междисциплинарный характер и находится на стыке географии, картографии и информационных технологий. Новизна предлагаемого проекта заключается в том, что впервые на территории Байкальского региона создан картографический телекоммуникационный ресурс научно-справочного назначения, проблемно ориентированный на фундаментальные географические исследования. Особенностью предлагаемого продукта является интеграция пространственно привязанных статистических данных Российской Федерации и Монголии.

Цели и задачи

Целью предлагаемого проекта является разработка и апробация картографического сервиса трансграничного бассейна оз. Байкал для оценки динамики населения, позволяющего картографирование демографической ситуации единой трансграничной геосистемы для устойчивого развития территории. Для достижения цели выполнены следующие задачи: - создание цифрового покрытия административного деления территории (shp-файл программной среды ArcGIS); - унификация статистических демографических показателей на основе материалов российской и монгольской статистики и наполнение базы данных сервиса; - разработка информационной структуры сервиса; - разработка и создание технологической платформы веб-сервиса на базе генератора статических страниц Astro с использованием библиотеки интерактивных карт Leaflet для интерактивной картографии; - разработка дизайна и навигации сервиса; - разработка методики использования сервиса; - составление карт населения.

Обзор источников

Материалы государственной статистики России и Монголии [1-2], собственные векторные и растровые слои, табличные базы данных, иные данные из открытых источников [3]. Ожидаемый объём и динамика данных: начальный – 1 гигабайт, увеличение по мере векторизации и сбора данных.

Использованные методы

Структура работы

Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 13 источников. Текст работы изложен на 25 страницах, содержит 10 рисунков.

Основная часть

Раздел 1. Сущность и значение картографических сервисов в современных географических исследованиях населения

1.1. Сущность картографического сервиса. Картографический сервис – это веб-ресурс, предоставляющий пользователям доступ к пространственным данным через интерактивную карту. В отличие от традиционных бумажных карт и статических цифровых изображений, картографические сервисы позволяют в реальном времени работать с геоинформацией: просматривать, анализировать, редактировать и обмениваться данными, составлять итоговые карты [4]. Основные характеристики картографического сервиса: - интерактивность – пользователь может взаимодействовать с картой (масштабировать, перемещать, выбирать объекты); - динамичность – данные могут обновляться в реальном времени; - доступность – работа через веб-браузер без установки дополнительного ПО, возможность обслуживания большого количества пользователей; - масштабируемость – возможность управления масштабами картографического изображения; - интеграция разноформатных данных – совместное использование данных из различных источников. 1.2. Значение картографических сервисов в географических исследованиях населения. В современных исследованиях пространственно-временных параметров населения картографические сервисы играют значительную роль, обеспечивая отображение топографических и статистических данных. Это, прежде всего, цифровая визуализация данных: картографирование населенных пунктов и систем расселения территории [6], плотности населения [7]; создание демографических карт (численности населения, национального состава населения воспроизводства и др.) [8]; моделирование демографических процессов (миграции, освоение территории) [9-10]; Важное значение картографические сервисы имеют для анализ пространственных закономерностей: выявление корреляций между географическими факторами и здоровьем населения [11-12]; оценки влияния природных и экономических условий на хозяйственную деятельность населения; для проведения мониторинга пространственно-временной динамики населения. В настоящее время без картографических сервисов не обходится процесс принятия территориальных решений: прежде всего прогнозирование рисков природных катастроф и оценка возможных ущербов для населения; планирование рационального природопользования; разработка мероприятий по охране окружающей среды. 1.3. Классификация картографических сервисов. В настоящее время принята следующая классификация картографических сервисов [13]. По назначению: общедоступные сервисы (Google Maps, Яндекс.Карты); специализированные научные сервисы; корпоративные ГИС-системы; образовательные платформы По функциональности: позволяющие просмотр карт (навигационные сервисы); обеспечивающие анализ данных (ГИС-аналитика); позволяющие создание и редактирование пользовательских данных (краудсорсинговые платформы); а также комплексные сервисы, решающие все задачи интернет-картографирования (просмотр + анализ + редактирование). По масштабу охвата: глобальные (весь мир); региональные (континенты, страны); муниципальные (города, районы); а также тематические, ориентированные на решение одной территориальной задачи. 1.4. Технологические основы картографических сервисов. Создание и использование современных картографических сервисов базируются на следующих технологиях. Веб-картография: тайловая организация данных (tile-based mapping); использование векторных и растровых данных; использование картографических Web Map Service (WMS) и Web Feature Service (WFS). Важное значение имеют клиентские технологии: JavaScript библиотеки (Leaflet, Mapbox GL JS, OpenLayers); WebGL для 3D-визуализации; Canvas API для рендеринга Серверные технологии: пространственные базы данных (PostGIS, Spatialite); геосерверы (GeoServer, MapServer), облачные платформы (AWS, Google Cloud) 1.5. Значение картографических сервисов для трансграничных территорий. Для трансграничных территорий, таких как бассейн озера Байкал, картографические сервисы имеют особое значение. Это, прежде всего, унификация данных: объединение пространственных данных разных стран; нормализация систем координат и географических проекций; стандартизация информационных атрибутов объектов. Важное значение сервисы имеют для международного сотрудничества: обмен данными между научными организациями; совместные исследования и мониторинг; разработка единых методик оценки и картографирования территорий. Картографические сервисы незаменимы в информировании мировой общественности: для доступа к информации о трансграничной территории; для повышения экологической осведомленности; при организации трансграничной туристической деятельности. 1.6. Проблемы и перспективы развития. В то же время существует ряд проблем развития международных картографических сервисов: несовместимость данных из разных источников; ограниченная доступность качественных пространственных данных; сложность технологической интеграции существующих интернет-системам; недостаточная осведомленность пользователей о возможностях сервисов. Основными перспективами развития международных картографических сервисов являются: использование алгоритмов искусственного интеллекта для анализа данных: интеграция больших данных (Big Data); развитие краудсорсингового картографирования и гражданской науки; внедрение единых стандартов открытых данных (Open Data).

Раздел 2. Разработка информационной структуры картографического сервиса

Информационный фонд сервиса представляет собой совокупность информационных массивов многолетних статистических данных России и Монголии [1-2], сгруппированных в картографическое покрытие «Население». Вследствие различий в ведении статистического учета в соседних странах, совокупность предложенных статистических показателей существенно отличается от традиционного набора данных. Основные принципы включения индикаторов в систему – доступность, комплексность, простота для понимания, использование относительных показателей взамен абсолютных. Для целей международного сравнения и пересчета информационных показателей параметров населения использованы данные Всемирного банка [3]. Ввиду большого объема обрабатываемой статистической информации и нехватки таких показателей для каждого из рассматриваемых регионов использовались обобщенные показатели в целом по странам. В качестве территориальных полигонов исследования использовались административные единицы первого уровня (субъекты РФ и аймаки Монголии), поскольку они быстрее реагируют, с одной стороны на внедрение государственных реформ, а с другой – муниципальных преобразований. Непрерывная геоинформационная диагностика демографической динамики в границах этих территорий значительно репрезентативнее, чем сравнение стран в целом, что позволит определить ареалы зарождения кризисных явлений, а их анализ обеспечит надежное выявление обратной связи от государственного управления. В информационной среде все показатели описаны в метрических, количественных и качественных величинах, удобны для измерения и анализа, что дает возможность оперативно обновлять и интегрировать исходные данные. Система показателей является информационной мерой демографической ситуации исследуемой территории, что обеспечивает их использование в качестве источников прогнозного моделирования. Унификация информационного контента обеспечивает оперативный поиск и локализацию в базе данных сервиса необходимых данных. Разработанная система показателей дает возможность отслеживать объективные условия жизнедеятельности населения, эффективность социального воспроизводства, а также особенности реагирования органов управления на природные и экономические изменения. Картографическое покрытие «Население» состоит из векторного слоя административных единиц первого порядка – субъектов РФ и аймаков Монголии, а также реляционной таблицы атрибутов, включающей 21 показатель (рис. 1). Каждая строка таблицы идентифицирует географическую территорию (субъект РФ и аймак Монголии), каждый столбец отражает отдельный атрибут – информационный показатель населения.

Рис. 1. Картографическое покрытие и реляционная база данных «Население»

Для систематизированного и компактного представления информации о географических территориях разработана единая система классификации и кодирования показателей. Главной функциональной задачей этой системы является однозначная идентификация каждого моделируемого объекта и его атрибута, обеспечивающая возможность эффективного поиска необходимых данных в информационном массиве. Для локализации реляционной базы данных показателей населения в качестве базовой геопространственной основы использована открытая платформа Open Street Map. Основными топографическими слоями являются: населенные пункты, города, главные реки, граница бассейна оз. Байкал. Административными слоями являются границы субъектов РФ, Монголии, а также отдельных аймаков Монголии.

Раздел 3. Разработка технологической структуры картографического сервиса

3.1. Архитектура картографического сервиса. Картографический сервис построен на основе статического сайта, генерируемого фреймворком Astro. Архитектура системы не использует традиционную клиент-серверную архитектуру с базой данных. Вместо этого применен подход JAMstack (JavaScript, APIs, Markup), при котором все пространственные данные хранятся в статических файлах формата GeoJSON, которые загружаются напрямую в браузер пользователя. Фронтенд и генерация сайта осуществляется посредством генератора статических HTML-страниц Astro (Static Site Generator), который обеспечивает быструю загрузку и SEO-оптимизацию. Выбор Astro обусловлен возможностью создания множества страниц с контентом (публикации, атласы, новости) без написания отдельного кода для каждой страницы. Фреймворк использует компонентный подход и шаблоны, что ускоряет разработку и упрощает поддержку контентных разделов. Для составления и хранения карт используется картографическая библиотека Leaflet – легковесная библиотека интерактивных карт с поддержкой мобильных устройств. Хранение данных осуществляется посредством GeoJSON файлов в директории Public проекта. Подготовка данных выполняется на языке Python с помощью скриптов для конвертации геоинформационных файлов SHP в формат GeoJSON. Хостинг осуществляется на виртуальной платформе интернет-провайдера Джино (российский хостинг-провайдер), серверная ОС Linux. 3.2. Хранение пространственных данных. Пространственные данные хранятся в статических файлах формата GeoJSON в директории Public проекта. Слои организованы по наборам: базовая карта Open Street Map топографические слои, административные слои, цифровое покрытие «Население» (рис. 2). Преимущества хранения в GeoJSON: cовместимость с Leaflet и другими веб-картографическими библиотеками; читаемый текстовый формат (JSON); отсутствие необходимости в сложной базе данных; простота обновления данных путем замены файлов. Для оптимизации загрузки применяются: разбиение больших слоёв на несколько файлов; сжатие GeoJSON файлов (gzip на сервере); кэширование файлов на стороне клиента браузером. Конвертация данных из формата SHP в GeoJSON осуществляется с помощью специализированных скриптов на языке Python, что обеспечивает автоматизацию процесса подготовки данных для веб-сервиса. 3.3. Визуализация и интерактивность. Визуализация картографических данных реализована с помощью библиотеки Leaflet, предоставляющей богатый набор инструментов для интерактивной работы с картами: стилизация слоев и цветовая кодировка в зависимости от атрибутов объектов; инструменты масштабирования и навигации (zoom, pan); наличие Popup-окна с детальной информацией об объектае при клике; фильтрация слоёв по категориям и атрибутам; поиск объектов по названию и координатам. Интерфейс сервиса адаптирован для работы на различных устройствах (десктоп, планшет, смартфон) с сохранением функциональности и удобства использования. 3.4. Интеграция данных. Интеграция материалов статистики Российской Федерации и Монголии осуществляется на этапе подготовки данных. В процессе наполнения данными цифрового покрытия осуществляется: унификация систем координат (приведение к WGS84); нормализация атрибутов объектов (статистических показателей); приведение данных к единой структуре GeoJSON; объединение слоёв в архитектуре картографического сервиса. Простая реляционная база данных упрощает интеграцию – все данные подготавливаются заранее и загружаются как статические файлы. 3.5. Безопасность и доступ. Для обеспечения безопасности сервиса реализованы следующие меры: HTTPS шифрование для защиты передаваемых данных; защита от DDoS-атак на уровне хостинга; отсутствие базы данных исключает угрозу SQL-инъекций; статические файлы не подвержены атакам на серверное приложение. Доступ к сервису полностью открыт для всех пользователей – просмотр картографических слоёв доступен без авторизации. В будущем может быть реализована система авторизации для загрузки пользовательских слоёв.

Раздел 4. Организация телекоммуникационного доступа к картографическому сервису

4.1. Сетевая инфраструктура. Организация телекоммуникационного доступа к картографическому сервису базируется на использовании стандартных сетевых протоколов и технологий Интернета. Сервис размещен на веб-сервере с постоянным подключением к сети Интернет, обеспечивающим стабильный доступ пользователей 24/7. Основные характеристики сетевой инфраструктуры: протокол HTTP/HTTPS для передачи данных между клиентом и сервером; поддержка IPv4 и IPv6 для обеспечения совместимости с различными сетями; использование SSL/TLS сертификатов для защищенного соединения; настроенная система DNS для разрешения доменного имени сервиса. Клиентская часть выполняется в браузере пользователя и отвечает за визуализацию картографических данных с помощью библиотеки Leaflet. Серверная часть (хостинг) обеспечивает только раздачу статических файлов (HTML, CSS, JS, GeoJSON) без обработки запросов к базе данных. Архитектура системы основана на принципах: статичности – все файлы предварительно генерируются и не требуют обработки на сервере; простоты – реляционной базе данных и отсутствии сложной серверной инфраструктуры; высокой производительности за счет быстрой загрузки статических файлов и возможности единовременной работы большого количества пользователей за счет CDN. 4.2. Требования к клиентскому оборудованию. Для полноценной работы с картографическим сервисом пользовательское оборудование должно соответствовать минимальным требованиям: для компьютера или планшета: процессор: dual-core 1.5 GHz и выше; оперативная память 2 GB и выше; браузер Chrome, Firefox, Safari, Edge (последние версии); поддержка JavaScript и WebGL; разрешение экрана 1024x768 и выше. Для мобильного устройства: iOS 12+ или Android 8+; современный мобильный браузер; поддержка touch-событий. 4.3. Организация доступа через Интернет. Доступ к сервису осуществляется через веб-браузер по адресу доменного имени. Пользователю не требуется установка дополнительного программного обеспечения – все необходимые компоненты загружаются автоматически при первом посещении сайта. Для пользователей с ограниченным доступом к Интернету реализована оптимизация: сжатие передаваемых данных (gzip, brotli); ленивая загрузка картографических слоев; адаптивная загрузка тайлов в зависимости от скорости соединения; кэширование данных на стороне клиента. 4.4. Настройка домена и DNS. Для обеспечения удобного доступа к сервису настроен домен с понятным именем (https://baikalgis.com/research/baikal-service/). DNS-записи настроены на сервер хостинга Джино с использованием следующих типов записей: A-запись для разрешения доменного имени в IP-адрес сервера; AAAA-запись для поддержки IPv6; CNAME-запись для поддоменов (при необходимости); MX-записи для почтового сервиса (при необходимости). Для защиты от подмены DNS-запросов реализована DNSSEC подпись зон. 4.5. Мониторинг доступности. Для обеспечения бесперебойной работы сервиса организована система мониторинга доступности: проверка ответа сервера каждые 5 минут; автоматическое уведомление администратора при недоступности; резервное копирование данных ежедневно; логирование всех обращений к сервису для анализа нагрузки.

Раздел 5. Использование картографического сервиса

5.1. Основные функциональные возможности. Картографический сервис предоставляет пользователям широкий набор функциональных возможностей для работы с пространственными данными. Базовой картой для привязки слоев сервиса является открытая платформа OpenStreetMap трех вариантов визуализации (рис. 3). Просмотр картографических слоёв предполагает: возможность включения/выключения слоёв по выбору пользователя; настройка прозрачности слоёв для комбинированного просмотра. Интерактивная навигация позволяет: масштабирование колесиком мыши или кнопками на экране; перемещение карты перетаскиванием; переход к заданным координатам, при открытии сервиса – карта открывается на территорию бассейна оз. Байкал; сохранение текущего вида карты в закладки браузера (рис. 4). Важной функциональной возможностью сервиса является получение информации об объектах с помощью клика по объекту для просмотра popup-окна с атрибутами, с помощью отображения названия, типа и характеристик объекта, посредством ссылки на дополнительные источники информации (рис. 5). Например, при клике на г. Улан-Удэ пользователь получает данные о названии, принадлежности к региону, численности населения, площади селитебной территории, дате основания. Картографический анализ можно выполнять как в сравнении со всей территорией Монголии, так и отдельными аймаками, входящими в территорию бассейна (рис. 6). Сервис может использоваться для решения широкого спектра задач научных исследований населения региона. Например, для сравнительного анализа административно-территориального деления РФ и Монголии и анализа пространственного распределения населения по территории бассейна (рис. 7). Для оценки динамики населения (рис. 8). Для анализа темпов роста населения (рис. 9). Для оценки соотношения полов (рис. 10). Кроме того, сервис может быть использован для образовательных целей: подготовка иллюстраций для научных публикаций; визуализация географических данных в учебных курсах; проведение практических занятий по географии и ГИС; демонстрация трансграничных территорий. При управлении и планировании территориальным развитием сервис позволяет выполнить оценку социально-экономического состояния региона, планирование туристических маршрутов, анализ природопользования территории. 5.2. Руководство пользователя. Для начала работы с сервисом пользователю необходимо: 1. Открыть веб-браузер и ввести адрес сервиса; 2. Дождаться загрузки базовой карты; 3. Использовать панель управления слоями для включения нужных слоёв; 4. Выполнять навигацию по карте с помощью мыши или touch-событий; 5. Кликать по объектам для получения информации. Для продвинутых пользователей: - использовать клавиатурные сокращения для навигации; - применять фильтры для поиска объектов; - экспортировать данные в различных форматах (при наличии). Результаты анализа могут быть экспортированы в табличном формате для дальнейшей обработки в статистических пакетах.

Заключение

Созданный картографический сервис является современным веб-ресурсом для картографирования и анализа демографической ситуации в трансграничном бассейне оз. Байкал. Он является эффективным инструментом цифровизации территориальной деятельности и обеспечивает научно-исследовательский, административный, образовательный комплекс мероприятий по картографическому отслеживанию демографических процессов. Сервис позволяет составлять карты населения различного назначения и необходимого масштаба, диаграммы и таблицы атрибутов, осуществлять подготовку картографических отчетов и презентаций. Применение картографического сервиса повысит эффективность оценки использования человеческого потенциала территории трансграничного бассейна оз. Байкал, а при совместном использовании с другими источниками позволит определить социально-экономические последствия отдельных хозяйственных мероприятий, обозначить направления дальнейшего развития отдельных регионов и разработать государственную стратегию действий в области демографической политики трансграничного региона. При этом, на данном этапе исследования, остались не реализованными некоторые планы, а именно использованы не все возможности краудсорсингового картографирования. Обеспечена возможность загрузки пользовательских файлов при которой авторизованные пользователи могут загружать и редактировать собственные векторные слои, однако они не могут редактировать атрибуты объектов, добавлять пользовательские точки интереса и делиться созданными картами с другими пользователями. Кроме того, в перспективе необходимо внедрение инструментов картометрического и морфометрического анализа. Создание картографического сервиса обеспечит оперативное информирование мирового сообщества о демографическом состоянии региона, предоставит открытую площадку для информационного обмена и краудсорсингового картографирования всем заинтересованным лицам, будет способствовать положительному имиджу Байкальского региона и повышению значения территории в мировой хозяйственной системе. Результаты проекта могут быть использованы заинтересованными учреждениями и ведомствами – Минприроды, МЧС, администрациями органов местного самоуправления России и Монголии, научными, образовательными и просветительскими организациями.