wzor IVKKTI - Politechnika Gdańska

ZESZYTY NAUKOWE WYDZIAŁU ETI POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ
Nr 4
Seria: Technologie Informacyjne
2006 Zbigniew Łubniewski, Andrzej Partyka, Andrzej Stepnowski, Krzysztof Bikonis, Paweł Czarnul, Henryk Krawczyk
Katedra Systemów Geoinformatycznych, Politechnika Gdańska
SYSTEM INFORMACJI PRZESTRZENNEJ DO ANALIZY, WIZUALIZACJI I ZDALNEGO UDOSTĘPNIANIA DANYCH O INFRASTRUKTURACH KRYTYCZNYCH
Streszczenie
Ochrona zarówno ludności jak i infrastruktur krytycznych państwa przed różnego rodzaju zagroże­
niami, w postaci ataków terrorystycznych, katastrof naturalnych itp. wymaga w dobie obecnej podej­
mowania zdecydowanych i skutecznych działań. Powstające zaawansowane technologicznie narzędzia z dziedziny technologii informacyjnych i komunikacyjnych coraz skuteczniej pomagają przewidywać możliwość wystąpienia tych zagrożeń oraz wspomagać podejmowanie działań minimalizujących ewentualne ich skutki. W artykule został przedstawiona koncepcja i prototyp internetowego systemu GIS do analizy, wizualizacji oraz zdalnego udostępniania danych o infrastrukturach krytycznych i ich zagrożeniach. Prezentowany system poprzez integrację modułu do analizy infrastruktur krytycznych CARVER2 z systemem GIS do analizy, wizualizacji i zdalnego udostępniania danych przestrzennych stanowić będzie cenne narzędzie wspomagające realizację procedur zabezpieczania infrastruktur kry­
tycznych przed atakami różnego rodzaju.
1. WROWADZENIE
W chwili obecnej faktem jest nieustanny wzrost zagrożenia różnymi rodzajami ataków terrorystycznych w odniesieniu do wielu, także tych uważanych za bezpieczne do tej pory rejonów świata, w tym do wielu regionów zarówno Europy jako całości, jak i naszego kraju. Sytuacja taka wymaga podejmowania zdecydowanych i skutecznych działań w celu zabezpieczenia ludności oraz majątku państwa przed tego typu atakami oraz ich skutkami. W tym kontekście wartościową pomocą są wszelkiego rodzaju, oparte na zawansowanych technologiach, narzędzia do szczegółowego monitorowania aktualnych zagrożeń oraz po­
datności na nie kluczowych obiektów i infrastruktur, analizowania i przewidywania rozwoju sytuacji w oparciu o odpowiednie scenariusze zagrożeń oraz efektywnego, szybkiego udostępniania otrzymywanych wyników odpowiednim centrom decyzyjnym i różnego ro­
dzaju służbom. Opracowany przez autorów system realizujący część z powyższych zadań w 2
Zbigniew Łubniewski, Andrzej Partyka
odniesieniu do obszarów morskich przedstawiony został np. w [1]. W niniejszym artykule przedstawiono koncepcję i prototyp zdalnie dostępnego systemu GIS, którego funk­
cjonalność wychodzi naprzeciw realizacji przedstawionych wyżej potrzeb w odniesieniu do lokalnego obszaru terytorium kraju, np. miasta. System ten przeznaczony jest do zarządza­
nia, analizowania, wizualizowania oraz zdalnego udostępniania poprzez sieć Internet da­
nych przestrzennych opisujących różnego rodzaju infrastruktury krytyczne wraz z wyni­
kami analiz scenariuszy poszczególnych rodzajów zagrożeń.
2. ARCHITEKTURA I FUNKCJONALNOŚĆ SYSTEMU
Do zadań systemu należy integracja różnych rodzajów danych, między innymi:
• danych o infrastrukturach krytycznych, w tym wyników analiz wykonywanych przez moduł CARVER2,
• danych z map cyfrowych terenu opisujących położenie ulic, budynków, zbiorni­
ków wodnych, podział administracyjny itp.,
• scenariuszy zagrożeń,
• warstw tematycznych będących wynikiem geoprzetwarzania i analiz przestrzen­
nych.
Funkcjonalność systemu obejmuje:
• analizę i porównywanie infrastruktur krytycznych z użyciem wielorakich kryte­
riów, takich jak ważność obiektu, dostępność dla ataku, odtwarzalność, wrażli­
wość na poszczególne rodzaje ataków itp.,
• łatwe tworzenie warstw tematycznych przedstawiających przestrzenną lokalizację infrastruktur krytycznych i innych obiektów,
• geoprzetwarzanie i analizy przestrzenne z udziałem danych o infrastrukturach krytycznych, scenariuszy zagrożeń i danych o topografii terenu,
• zdalne udostępnianie i wizualizację warstw tematycznych w oparciu o sieć Web, z podstawowymi funkcjami GIS dostępnymi za pośrednictwem przeglądarki in­
ternetowej.
Środowisko systemu zorientowane jest na wspomaganie pracy rozproszonego zespołu ludzkiego do zarządzania sytuacją kryzysową. System posiada wygodny, intuicyjny interfejs oparty na serwisie WWW, a także wielopoziomowy system autoryzacji i kontroli dostępu.
Ogólny schemat blokowy systemu przedstawiony jest na Rys. 1. Koncepcja GIS do analizy, wizualizacji i zdalnego udostępniania danych przestrzennych...
3
Rys.1. Schemat blokowy systemu.
CARVER2 jest implementacją systemu analizy infrastruktur krytycznych (ang. critical infrastructure ­ CI) stosującego metodę porównania odmiennych typów infrastruktur przy zastosowaniu tych samych kryteriów [2]. Oparty jest on na metodologii stosowanej przez armię i służby specjalne Stanów Zjednoczonych oraz wielu innych krajów do tzw. analizy celów. System CARVER2 jest wartościowym narzędziem analizy struktur krytycznych, uwzględniającym złożone zależności pomiędzy poszczególnymi sektorami, a także wrażli­
wość infrastruktur na różne rodzaje ataków, w szczególności terrorystycznych. Przedsta­
wione to zostało schematycznie na Rys. 2.
Rys. 2. CARVER2 jako narzędzie do analizy strategicznych celów bezpieczeństwa z uwzględnieniem wielorakich rodzajów infrastruktur krytycznych oraz ich podatności na różne rodzaje ataku.
Zasadniczą część systemu stanowi komponent Zarządzanie i Przetwarzanie Danych Przestrzennych, opisany szczegółowo dalej.
Zadaniem Internetowego Serwera Map oraz Portalu Dostępowego WWW jest zapew­
nienie zdalnego dostępu do danych i wyników analiz przestrzennych za pośrednictwem sieci Internet. Zwrotny Kanał Komunikacyjny zapewnia zaś możliwość uwzględniania aktualnych zapotrzebowań i żądań użytkowników w funkcjonalności oferowanej na bieżąco przez system. Elementy te zostały szczegółowo opisane w [3].
4
Zbigniew Łubniewski, Andrzej Partyka
3. ZARZĄDZANIE, PRZETWARZANIE I ANALIZA DANYCH PRZESTRZENNYCH
Architektura systemu została bardziej szczegółowo przedstawiona na Rys. 2.
Zasadniczą część systemu stanowi komponent do zarządzania i analizy danych prze­
strzennych. Jest on także odpowiedzialny za tworzenie map tematycznych z przeznaczeniem do zdalnego ich udostępniania, takich jak np. mapa przedstawiająca rozkład lokalizacji poszczególnych elementów infrastruktur krytycznych, z wyszczególnieniem za pomocą koloru ich kategorii.
Realizacja niniejszego komponentu systemu oparta jest na platformie w postaci pakietu oprogramowania ArcGIS firmy ESRI [4].
Niniejszy komponent składa się z trzech modułów:
• modułu zarządzania bazą danych,
• modułu analiz przestrzennych,
• interfejsu użytkownika.
Rys.2. Architektura systemu.
Moduł zarządzania bazą danych odpowiedzialny jest za przechowywanie, utrzymanie i aktualizowanie różnego rodzaju danych, stanowiąc interfejs pomiędzy bazą danych a pozo­
stałymi modułami systemu.
Koncepcja GIS do analizy, wizualizacji i zdalnego udostępniania danych przestrzennych...
5
Moduł analiz przestrzennych stanowi implementację różnych procedur przetwarzania i analizy danych przestrzennych. Do zadań tego modułu należy:
• Wykonywanie podstawowych procedur geoprzetwarzania w oparciu o dane o infra­
strukturach krytycznych na danym obszarze. Przykładem może tu być stworzenie warstwy wektorowej obiektów poligonowych jako zbiorów punktów odległych nie bardziej niż o zadaną wartość od najbliższego obiektu należącego do danego sektora infrastruktur krytycznych. Innym przykładem może być stworzenie warstwy poprzez zaznaczenie tych lokalizacji przestrzennych, w których jedno­
cześnie znajdują się obiekty z dwóch lub kilku infrastruktur, np. wiaduktów jako miejsc nakładania się, tj. spotkania w przestrzeni infrastruktury drogowej i kole­
jowej.
• Zaawansowane analizy przestrzenne operujące zarówno na danych rastrowych jak i wektorowych. Przykładem może być stworzenie rastrowej mapy przedstawiającej lokalną „gęstość” infrastruktur krytycznych, np. ilość obiektów danego typu znajdujących się w odległości nie większej niż zadana od bieżącego miejsca. In­
nym przykładem może być stworzenie rastrowej warstwy tematycznej poprzez interpolację przestrzenną atrybutów obiektów wektorowych punktowych otrzy­
manych w wyniku wykonanej wcześniej pewnej procedury analizy danych. Inter­
polacja ta może być przeprowadzona metodą odwrotnej odległości, funkcji skleja­
nych bądź krigingu.
• Tworzenie zmieniających się w czasie przestrzennych warstw tematycznych jako wyników algorytmów przewidywania rozwoju aktualnej sytuacji przy wystąpieniu zadanego scenariusza zagrożenia bądź ataku. Scenariusze zdefiniowane w syste­
mie uwzględniają różne rodzaje niebezpieczeństw, takie jak:
• atak bombowy,
• atak nuklearny,
• atak biologiczny bądź chemiczny,
• inne, jak np. katastrofy naturalne.
• Moduł interfejsu użytkownika (administratora) systemu jest narzędziem do konfi­
gurowania i zarządzania przetwarzaniem przestrzennym w systemie. Umożliwia on:
• wybór warstw tematycznych dostępnych dla zdalnego użytkownika systemu, definicję sposobu ich wyświetlania itp.,
• definiowanie parametrów oraz uruchamianie procedur geoprzetwarzania i analiz przestrzennych, także tych uwzględniających aktualne zapotrzebowania użytkowników,
• wykonywanie procedur utrzymania bazy danych przestrzennych, np. weryfikacja spójności, archiwizowanie itp.
6. PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiona została koncepcja i prototyp zdalnie dostępnego systemu GIS do analizy, wizualizacji i zdalnego udostępniania danych przestrzennych o infrastruk­
turach krytycznych. Przewiduje się, że poprzez integrację modułu CARVER2 do analizy infrastruktur krytycznych i ich zagrożeń z narzędziami GIS do analizy, wizualizacji 6
Zbigniew Łubniewski, Andrzej Partyka
i zdalnego udostępniania danych przestrzennych, system ten stanowić będzie cenne narzę­
dzie wspomagające realizację procedur zabezpieczania kluczowych infrastruktur państwa na danym terenie przed zagrożeniami ze strony różnych form ataku.
BIBLIOGRAFIA
[1] Bikonis K., Partyka A., Łubniewski Z., Moszyński M., Stepnowski A.: GIS for Shallow Water Pollution Awareness and Emergency Management. W: Proceedings of the IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security and Safety, September 28­30, 2005, Gdansk, Poland, s. 45­50
[2] National Infrastructure Institute, Center for Infrastructure Expertise: CARVER2, http://www.ni2cie.org/CARVER2.asp
[3] Czarnul P., Krawczyk H., Łubniewski Z., Partyka A., Stepnowski A.: Internetowy portal wspomagający symulacje i analizę sytuacji krytycznych w regionie oraz zespołowe podejmowanie decyzji. W: niniejszy wolumin
[4] ESRI: ArcGIS – The Complete Geographic Information System, http://www.esri.com/software /arcgis/index.html
Koncepcja GIS do analizy, wizualizacji i zdalnego udostępniania danych przestrzennych...
7
THE CONCEPT OF GIS FOR ANALYSIS, VISUALISATION AND REMOTE INSSEMINATION OF SPATIAL DATA ABOUT CRITICAL INFRASTRUCTURES
Summary
The protection of people and critical infrastructures against various kind of hazard, like terrorist attacks, natural disasters etc., requires the determined and effective actions at present. The sort of new advanced tools being developed in the Information and Communication Technology branch becomes a useful aid in prediction of hazards and supporting the activities for minimising their results. The paper presents the concept of the Web­based GIS for analysis, visualisation and dissemination the data about critical infrastructure and its hazard. The system, integrating the CARVER2 module for critical infrastructure analysis with GIS module for spatial data processing, visualisation and dissemination, will be a useful tool supporting the critical infrastructure protection against several types of attack.