Autonomous geographic information system for analysing spatial data in agriculture and small businesses

В условиях активной цифровизации экономики и стремительного внедрения инновационных технологий в различные отрасли особое значение приобретают геоинформационные системы. Их применение становится неотъемлемым элементом в агропромышленности и малом бизнесе, где возрастает потребность в автоматизации анализа пространственных данных, в поддержке процессов принятия решений и в оптимизации повседневных операций. Одними из наиболее востребованных функций геоинформационных систем являются геокодирование, построение маршрутов и проведение анализа территориального распределения объектов. Однако существующие решения, широко представленные на рынке, такие как Google Maps, Яндекс.Карты или ArcGIS, сопряжены с рядом ограничений. Высокая стоимость подписки, необходимость постоянного доступа к сети интернет и ограниченные возможности адаптации под конкретные условия делают их использование затруднительным для малого бизнеса и аграрных предприятий, особенно функционирующих в регионах со слабой или нестабильной связью

Для предприятий сельскохозяйственного сектора и представителей малого бизнеса подобные факторы критически важны, поскольку бюджеты на цифровизацию здесь ограничены, а производственные задачи требуют постоянного функционирования даже при отсутствии устойчивого интернет-соединения. В этих условиях возникает потребность в создании специализированных решений, способных обеспечить автономность работы, интеграцию с отечественными интерфейсами прикладного программирования, снижение финансовых затрат и простоту внедрения в существующие процессы.

Целью проведённого исследования является разработка геоинформационной системы геокодирования, ориентированной на решение обозначенных задач и учитывающей специфику работы в российских условиях. Такая система должна объединять в себе удобство и доступность, обеспечивать возможность локального хранения данных и полноценного функционирования в офлайн-режиме, что особенно важно для аграрного сектора. Одновременно необходимо учитывать перспективу расширения её применения за пределами сельского хозяйства, в частности в сфере экологического мониторинга, инфраструктурного развития и обеспечения безопасности.

Таким образом, актуальность разработки обусловлена сочетанием технологических и экономических факторов, определяющих потребность в геоинформационных системах нового поколения, адаптированных к практическим условиям и ориентированных на пользователей, которым необходимы надёжные, экономически доступные и устойчивые решения.

Современный рынок геоинформационных систем представлен широким спектром решений, каждое из которых обладает своими преимуществами и ограничениями. Одним из наиболее известных инструментов является Google Maps, обеспечивающий глобальное покрытие и высокую детализацию картографических данных. Однако использование этой платформы требует значительных финансовых затрат и постоянного подключения к сети интернет, что делает её менее доступной для агропромышленных предприятий и малого бизнеса в условиях ограниченных ресурсов. Схожие характеристики имеет и сервис Яндекс.Карты, который отличается высоким качеством картографической информации по территории России, но при этом не поддерживает полноценный офлайн-режим работы, что существенно ограничивает его практическое применение в сельских районах со слабой связью

Альтернативой коммерческим сервисам выступает проект OpenStreetMap, предлагающий бесплатный доступ к картам и отличающейся гибкостью в адаптации данных под конкретные задачи. Однако качество информации в этой системе носит неравномерный характер, поскольку оно напрямую зависит от активности сообщества, а процесс интеграции в прикладные решения требует дополнительных технических усилий. Другим широко распространённым продуктом является ArcGIS, обладающий мощным функционалом для пространственного анализа и визуализации данных, но высокая стоимость лицензий делает его практически недоступным для малого бизнеса. Наряду с этим стоит отметить и QGIS, свободно распространяемую систему с открытым исходным кодом, которая предоставляет широкие возможности для специалистов, но её использование сопряжено с высокой сложностью для неподготовленных пользователей, что также ограничивает сферу её применения

Существующие решения либо требуют значительных финансовых вложений, либо предполагают наличие постоянного интернет-соединения, либо оказываются слишком сложными для освоения непрофессионалами. Это формирует необходимость в создании новой геоинформационной системы, которая будет совмещать в себе доступность, простоту использования и возможность автономной работы при сохранении функциональности, востребованной в агропромышленности и малом бизнесе.

Разработка геоинформационной системы геокодирования базировалась на использовании современных технологий, обеспечивающих надёжность, масштабируемость и удобство эксплуатации (см. рисунок 1). В качестве основной платформы был выбран язык программирования Java, позволяющий реализовать кроссплатформенные решения и обеспечивающий устойчивость системы к нагрузкам. Для организации хранения и обработки данных использовалась система управления базами данных PostgreSQL с расширением PostGIS, что дало возможность выполнять широкий спектр пространственных операций, включая определение принадлежности объектов полигонам, вычисление расстояний между точками и поиск ближайших объектов. Такие функции, как ST_Distance, ST_Length и ST_Within, обеспечили высокую точность и производительность геоаналитических расчётов.

Для поддержания согласованности структуры базы данных на различных этапах жизненного цикла проекта был применён инструмент Liquibase, позволяющий эффективно управлять версиями базы данных. Основными методами геокодирования, реализованными в системе, стали прямое преобразование адреса в координаты и обратное преобразование координат в адрес. При этом особое внимание было уделено разработке алгоритмов кэширования. Данные, однажды полученные из внешнего источника, сохранялись в локальной базе данных, что снижало нагрузку на сторонние интерфейсы и обеспечивало возможность работы системы в автономном режиме без доступа к сети интернет.

Архитектура программного комплекса была построена по модульному принципу (см. рисунок 2) и включала пользовательский интерфейс, подсистему обработки запросов, базу данных, средства интеграции с внешними программными интерфейсами и модуль расчёта расстояний. Для взаимодействия с интерфейсами Яндекс.Карт применялась библиотека Apache HttpClient, обеспечивающая формирование запросов и передачу данных, а для обработки ответов в формате JSON использовалась библиотека Jackson, позволившая выполнять удобный парсинг и сохранять результаты в локальном хранилище.

Для повышения отказоустойчивости системы был реализован механизм локального кэширования запросов. При поступлении обращения пользовательского приложения система в первую очередь проверяла наличие соответствующих данных в локальной базе PostgreSQL, и лишь в случае их отсутствия выполнялось обращение к внешнему интерфейсу. Такой подход позволил существенно снизить нагрузку на сторонние сервисы, повысить экономичность использования и гарантировать бесперебойную работу в условиях нестабильного интернет-соединения

Описание модулей и их взаимодействия (рисунок 2):

- Пользовательский интерфейс (UI) — обеспечивает ввод адресных или координатных запросов и вывод результатов пользователю.

- Модуль обработки запросов — координирует взаимодействие между интерфейсом и внутренними подсистемами.

- Модуль геоаналитики — выполняет вычисления (определение расстояний, поиск ближайших объектов, анализ принадлежности полигону).

- Локальная база данных (PostgreSQL + PostGIS) — хранит закэшированные геоданные, результаты предыдущих запросов и обеспечивает выполнение пространственных операций.

- Модуль интеграции с внешними API (например, Яндекс.Карты) — отвечает за формирование запросов через Apache HttpClient и обработку ответов с использованием Jackson.

- Модуль кэширования — управляет локальными данными, минимизируя количество обращений к внешним сервисам.

Разработка опиралась на сочетание проверенных технологий и специализированных алгоритмов, обеспечивших не только устойчивость и надёжность функционирования системы, но и её адаптацию к практическим условиям использования в агропромышленности и малом бизнесе.

Рисунок 1 - Диаграмма прецедентов системы геокодирования

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.77.1

Рисунок 2 - Схема модульного взаимодействия системы геокодирования

DOI:10.60797/IRJ.2025.160.77.2

В ходе работы была создана опытная версия геоинформационной системы геокодирования, ориентированной на потребности агропромышленного сектора и малого бизнеса. Разработанный программный комплекс обеспечил локальное хранение данных, интеграцию с интерфейсами Яндекс.Карт, реализацию механизмов кэширования запросов и полноценную поддержку офлайн-режима

Для оценки работоспособности и производительности разработанной системы геокодирования были проведены экспериментальные испытания в контролируемых условиях.

Для тестирования использовался набор из 10000 адресов различного типа (городская и сельская инфраструктура, адреса с неоднозначными обозначениями). Координатные данные были представлены в виде выборки из 5000 пар широта–долгота, включающих как плотнозаселённые территории, так и сельские районы. В дополнение использовались полигоны административных единиц (районов и сельсоветов), загруженные в базу данных PostGIS

Условия проведения экспериментов:

- Система развернута на сервере с конфигурацией: CPU Intel Xeon 3.2 ГГц (8 ядер), 16 ГБ RAM, SSD 512 ГБ.

- Тестирование проводилось как в условиях стабильного интернет-соединения (100 Мбит/с), так и при ограниченной скорости (1–2 Мбит/с) для проверки оффлайн-работоспособности.

- Для оценки масштабируемости дополнительно запускались параллельные обращения к системе с 10, 50 и 100 клиентских потоков.

Используемые метрики:

- Среднее время отклика (мс) для прямого и обратного геокодирования.

- Доля успешных запросов (%) при наличии и отсутствии интернет-соединения.

- Нагрузка на базу данных (количество операций чтения/записи в секунду).

- Эффективность кэширования (снижение числа обращений к внешнему API по сравнению с полным отсутствием кэша).

Результаты испытаний:

- Использование механизма локального кэширования позволило сократить количество обращений к внешнему API на 70%.

- Среднее время отклика системы составило 250 мс. при стабильном соединении и 320 мс. в условиях ограниченной скорости, что на 40% быстрее, чем без кэширования.

- Доля успешных запросов в оффлайн-режиме достигала 95% (за счёт повторного использования локальных данных).

- При увеличении числа параллельных потоков до 100 система сохранила стабильность работы, а время отклика выросло не более чем на 20%.

Таким образом, предложенная методика тестирования показала, что разработанный комплекс демонстрирует устойчивость, применимость в реальных условиях и способность к масштабированию.

Результаты, полученные в ходе разработки и тестирования геоинформационной системы геокодирования, подтверждают её практическую значимость для агропромышленности и малого бизнеса. В отличие от существующих коммерческих решений система ориентирована на снижение зависимости от внешних сервисов и способна функционировать в условиях ограниченного доступа к интернету, что особенно актуально для сельских регионов. Применение механизмов локального кэширования и интеграция с отечественными программными интерфейсами позволяет существенно сократить затраты и повысить устойчивость работы, что делает систему более доступной для предприятий с ограниченными ресурсами.

Вместе с тем следует отметить, что предложенное решение пока находится на стадии опытной реализации и имеет определённые ограничения. В частности, функционал системы не охватывает полный спектр задач пространственного анализа, а интеграция с внешними источниками данных осуществляется в ограниченном объёме. Это указывает на необходимость дальнейшего расширения возможностей, в том числе интеграции с новыми картографическими сервисами, поддержки расширенного набора пространственных алгоритмов и оптимизации работы с большими массивами данных.

Особое внимание заслуживает перспектива применения разработанной системы в смежных областях. Потенциал её использования выходит за рамки агропромышленного комплекса и малого бизнеса и может быть востребован в сферах экологического мониторинга, транспортной логистики, градостроительного планирования и обеспечения общественной безопасности. Таким образом, разработка демонстрирует не только прикладную ценность, но и перспективность в качестве платформы для построения более универсальных геоинформационных сервисов.

Разработанная геоинформационная система геокодирования в полной мере отвечает потребностям агропромышленности и малого бизнеса, где особенно важно сочетание низких затрат, автономности функционирования и адаптации к специфическим условиям эксплуатации. Система показала свою эффективность при работе в условиях нестабильного интернет-соединения, обеспечив значительное снижение зависимости от сторонних сервисов и демонстрируя высокую устойчивость благодаря внедрённым алгоритмам кэширования и локальному хранению данных. Техническая реализация на базе Java, PostgreSQL и PostGIS позволила объединить надёжность и производительность с удобством использования, а также обеспечить расширяемость и масштабируемость системы.

Практическая ценность предложенного решения заключается в возможности его внедрения на предприятиях, где критично наличие доступных и стабильных инструментов пространственного анализа и обработки данных. Полученные результаты подтверждают, что созданная система может быть успешно использована для решения широкого круга задач, связанных с управлением территориями, логистикой и аналитикой в сельском хозяйстве и малом бизнесе.

Разработанная архитектура обеспечивает возможность как вертикального, так и горизонтального масштабирования:

- Вертикальное масштабирование достигается за счет использования производительных серверов баз данных и оптимизации пространственных запросов (например, индексов GiST).

- Горизонтальное масштабирование реализуется через разделение нагрузки между несколькими экземплярами приложения и балансировку запросов к базе данных.

- Модульный принцип построения упрощает интеграцию дополнительных источников данных (например, спутниковых снимков или кадастровой информации) без необходимости переработки базовой логики.

При проектировании учитывались вопросы информационной безопасности:

- Контроль доступа к данным реализуется средствами PostgreSQL с разграничением прав пользователей.

- Защита локального хранилища обеспечивается настройкой шифрования соединений и резервного копирования.

- Интеграция с внешними API строится с использованием защищённых протоколов передачи данных (HTTPS), что минимизирует риск утечек.

- Мониторинг активности и логирование запросов позволяют выявлять потенциальные аномалии и предотвращать злоупотребления.

Таким образом, предложенная архитектура не только устойчива и адаптивна, но и обеспечивает возможности для дальнейшего расширения, сохраняя высокий уровень безопасности при работе с пространственными данными.

В перспективе представляется целесообразным дальнейшее развитие системы, включая расширение её функционала, интеграцию с новыми источниками данных и применение в смежных областях, таких как экологический мониторинг, развитие инфраструктуры и обеспечение общественной безопасности. Таким образом, проект имеет потенциал для масштабирования и дальнейшей адаптации под задачи различных отраслей экономики, что подтверждает его актуальность и значимость в современных условиях цифровизации.