Будет разработана концепция интегрированной
advertisement
Корпоративная океанологическая геоинформационная система ТОИ ДВО РАН В.К. Фищенко, А.В. Голик, С.Г. Антушев. Е.Г. Кисленок, А.Е. Суботэ Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток Эффективность исследований в области наук о Земле в значительной мере определяется степенью информационных использования технологий и научными математических специалистами методов анализа современных данных. Так многократно возросшие объемы и многообразие видов данных, которые привлекают геологи, геофизики, океанологи и другие специалисты при исследовании тех или иных пространственно-временных процессов и явлений на земной поверхности или в океане, обусловили необходимость применения современных систем управления базами данных. Для анализа данных, имеющих географическую привязку, а таковыми являются практически все данные в науках о Земле, чрезвычайно актуально использование технологий геоинформационных систем. Большие массивы потенциально полезных данных выставляются в Интернете, что делает актуальным использование современных Web-технологий, в частности, автоматических поисковых систем. В последние годы в мире отмечается экспериментов, тенденция данные к организации которых должны распределенных поступать с мониторинговых мест регистрации в исследовательские центры и обрабатываться в режиме реального времени. Это с особой остротой ставит вопрос о развертывании и использовании эффективной телекоммуникационно-вычислительной инфраструктуры, обеспечивающей оперативную передачу и обработку данных мониторинговых экспериментов. Полученные данные в конечном итоге должны быть проанализированы и интерпретированы специалистами с целью формулирования нового научного или прикладного знания об объекте исследования. На этом этапе следует использовать программные средства, реализующие те или иные математические методы обработки и анализа данных. В последнее время арсенал математических методов существенно расширился. В частности, новый качественный скачок в технологии обработки сигналов и полей обеспечили методы, основанные на исследователей применении задачи вейвлетных автоматической разложений. классификации, Многие актуальные распознавания для образов, моделирования и прогноза могут решаться с использованием технологий искусственных нейронных сетей. В качестве отдельного научного направления сформировалась технология Data Mining, интегрирующая в себе обширную совокупность математических методов, направленных на автоматический поиск закономерностей и отклонений от 1 закономерностей в больших массивах данных. Важным инструментом исследования пространственно-временных процессов и явлений являются программные системы математического моделирования этих явлений. Модели, наилучшим образом воспроизводящие поведение реальных данных, позволяют лучше понять механизмы, обусловливающие возникновение и развитие тех или иных природных феноменов. Необходимость проведения достаточно сложной математической обработки больших массивов объемов информации и применения сложных математических моделей, в частности, моделей нелинейной динамики, обусловила потребность в использовании высокопроизводительных вычислительных средств. Несмотря на то, что мощности современных персональных компьютеров весьма высоки и быстро растут год от года, всегда остается актуальным применение технологий высокопроизводительных вычислений, в частности, технологий распределенных и суперкомпьютерных вычислений. Эти технологии обеспечивают ученым конкурентоспособные преимущества на временной период в несколько лет перед специалистами, полагающимися лишь на возможности персональных рабочих станций. Вполне понятно, однако, что ученый, профессионально специализирующийся в той или иной конкретной области знаний в науках о Земле, как правило, не обладает в достаточной мере знаниями в области современных информационных технологий и математических методов, чтобы эффективно реализовать все их преимущества в своей профессиональной деятельности. Организовать обучение предметных специалистов новым информационным технологиям – не всегда лучший выход, поскольку многие технологии, те же технологии параллельного программирования, очень сложны и непривычны для восприятия. Такое обучение может потребовать неоправданно большого времени и усилий от специалиста в ущерб его основной работе. Мы полагаем, что наиболее перспективным путем решения проблемы является создание в каждом научном учреждении, специализирующемся в области наук о Земле, корпоративных информационно-аналитических систем, способных по запросам своих пользователей оперативно предоставлять непосредственно на рабочие места все необходимые специалисту данные совместно с программными методиками, наиболее эффективными для проведения аналитической обработки запрошенных данных. Фактически, возможности современных информационных технологий, реализованных в таких системах, будут предоставляться пользователям неявным образом. При этом интерфейс пользователя с системой и программами обработки должен быть максимально упрощен и адаптирован к технологиям, применяемым специалистом в своей предметной 2 области. От пользователя должны быть скрыты технологические особенности реализации системы, он не должен отвлекаться на «несущественные детали», а должен, получив нужную информацию и аналитический инструментарий, полностью сосредоточиться на своей профессиональной сфере. Подобный подход заложен в технологии GRID - наиболее современной на сегодняшний день информационной технологии, активно разрабатываемой в России и мире (Фостер, 2002). Название этой технологии основано на ассоциации с процессом взаимодействия человека с энергетической сетью (по-английски GRID’ом) в повседневной жизни: чтобы разогреть обед, человек включает электроплиту в розетку и получает необходимую порцию энергии, нисколько не заботясь о том, откуда и каким именно образом эта энергия будет предоставлена. GRID – территориально распределенная инфраструктура, находящая и использующая информационные, вычислительные, аналитические, телекоммуникационные ресурсы, необходимые для обслуживания запросов своих клиентов. Существует точка зрения, что технология GRID со временем вытеснит Интернет и все остальные ИТ-технологии, поскольку просто включит их в себя. Заявленная нами выше концепция корпоративной информационноаналитической системы научного учреждения, специализирующегося в области наук о Земле, не только имеет сходство с некоторыми базовыми положениями концепции GRID, такие корпоративные системы нескольких территориально разнесенных, но связанных общим научным направлением учреждений со временем могут быть достаточно легко интегрированы в полноценный региональный или общенациональный GRID-проект по соответствующей отрасли знания. В настоящей статье представлен опыт создания подобной корпоративной информационно-аналитической системы в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН. Система была реализована в форме ГИС-проекта, основанного на применении Web-технологий в масштабах корпоративной компьютерной сети института. Выбор концепции ГИС в качестве базовой был обусловлен тем, что первоначально в системе предполагалось представлять исключительно географически координированную информацию о состоянии морского дна, водной среды и атмосферы на акваториях северозападной части Тихого океана. В литературе ГИС часто определяют как информационные системы, предоставляющие пользователям эффективные средства для ввода, хранения, визуального отображения и анализа разнообразной информации, имеющей географическую (картографическую) привязку, см., например, работу (Коновалова, 1997). Выбор способа реализации ГИС на основе Web-технологий был обусловлен тем, что это наиболее простой и эффективный способ обеспечения одновременной работы большого 3 числа научных специалистов института с едиными информационными, изобразительными и аналитическими ресурсами ГИС. Учитывая специфику научных исследований, ведущихся в институте, система была названа океанологической геоинформационной системой (ОГИС). Следует отметить, что опыт создания ОГИС, как средства повышения эффективности и конкурентоспособности научных исследований за счет включения в научный процесс на каждом рабочем месте предметного специалиста не только геоинформационных, но и практически всех других наиболее современных информационных технологий и технологий анализа данных, является уникальным, по крайней мере, для учреждений Российской академии наук. Вместе с тем, концепция ОГИС имеет много методических пересечений с концепцией проекта «Электронная Земля: научные информационные ресурсы и информационно-коммуникационные технологии», разрабатываемой с 2004 года в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 21 «Разработка фундаментальных основ создания научной распределенной информационно- вычислительной среды на основе технологий GRID». Основное отличие состоит в том, что ОГИС ориентирована на реализацию в масштабах быстродействующей корпоративной сети учреждения и при этом обеспечивает поддержку всех научных направлений, развиваемых в институте. Проекты, создаваемые в рамках программы «Электронная Земля» ориентированы на Интернет, но при этом, как правило, каждый из них обеспечивает поддержку некоторого достаточно узкого класса задач. В настоящее время в программе «Электронная Земля» не представлены проекты, связанные с океанологическими исследованиями. Следует также отметить принципиальное отличие ОГИС от весьма многочисленных океанографических ресурсов, поддерживаемых в Интернете различными отечественными и зарубежными мореведческими организациями и в последнее время все чаще сопровождаемых достаточно развитыми интерактивными картографическими сервисами. В своем большинстве это именно информационные ресурсы, призванные информировать научную общественность о целях и задачах учреждения, характере проводимых исследований, основных научных достижениях и т.д. Как правило, оригинальные данные на таких ресурсах не выставляются, а представляются уже готовые результаты анализа и интерпретации этих данных, полученные с применением авторских методик. В отличие от таких ресурсов, ОГИС является полноценным инструментом поддержки научных исследований на каждом рабочем месте специалиста, начиная от 4 поиска и предоставления необходимых пользователю данных и заканчивая предоставлением наиболее эффективных программных методик и вычислительных ресурсов корпоративной сети, которые могут быть самостоятельно применены специалистом для проведения полноценного анализа и интерпретации запрошенных данных. В ТОИ ДВО РАН работы по созданию корпоративной ОГИС по северо-западной части Тихого океана были начаты в 2001 году (Голик, 2002). Практически сразу же в локальной сети института для апробации был выставлен рабочий макет системы, который со временем совершенствовался, пополнялся новыми данными, средствами отображения, аналитическими методиками. В настоящей статье рассматриваются некоторые вопросы в связи с задачей проектирования, разработки и опытной эксплуатации ОГИС в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН. Мы полагаем, представленный в статье опыт разработки ОГИС ТОИ ДВО РАН может быть учтен при разработке подобных корпоративных информационно-аналитических систем для научных учреждений, специализирующихся в области наук о Земле. Возможно, материалы статьи окажутся полезными и для специалистов учреждений РАН, специализирующихся в области разработки современных информационных технологий и математических методов. Исследование потребностей ТОИ ДВО РАН в средствах хранения, изуализации и анализа пространственно-ориентированной информации Основное направление работ ТОИ ДВО РАН – исследование различных аспектов состояния морского дна, водной среды и атмосферы на акваториях дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана. Исследование производится путем организации морских и береговых экспедиций, в ходе которых с использованием различных приборов наблюдения и специальных методик регистрируются различные характеристики природной среды, после чего осуществляется их анализ, к которому привлекаются ранее полученные данные, а также данные из других источников, прежде всего, из Интернета. После проведения анализа первичных данных делается их интерпретация и в конечном итоге формулируются новые теоретически и практически важные результаты о закономерностях и особенностях поведения тех или иных характеристик среды. Это, в свою очередь, служит отправной точкой для планирования и проведения новых экспедиций, в результате которых получают новые данные, которые 5 анализируются с целью пополнения и расширения знаний об объекте исследования и т.д. Очевидно, что для получения корректных научных выводов целесообразно привлекать как можно больше данных об изучаемом объекте, причем очень полезно учитывать не только данные, полученные с применением некоторой фиксированной авторской методики, но и данные, полученные с применением других методик измерений, данные о принципиально иных характеристиках объекта исследования, возможно полученные специалистами других лабораторий, отделов или даже других институтов ДВО РАН. Все это приводит к необходимости ввода, хранения, систематизации и оперирования большими объемами разнообразной океанологической информации, что может быть существенно облегчено с применением современных систем управления базами данных (СУБД). Крайне желательно при этом обеспечить возможность использования единых массивов информации всеми сотрудниками института. Эта возможность может быть обеспечена на базе корпоративной сети института в рамках концепции единой СУБД, в которую целенаправленно вводится по возможности вся получаемая в подразделениях института информация, и к которой организуется доступ посредством Web-интерфейса всех заинтересованных сотрудников института. Альтернативой является концепция организации на базе сети института распределенной базы данных, когда отдельные массивы информации хранятся на серверах научных подразделений - владельцев данных. Специальное программное обеспечение, функционирующее в сети, с помощью Webинтерфейса принимает от пользователей запросы на выборку данных, транслирует эти запросы на сервера соответствующих локальных баз данных и в конечном итоге предоставляет найденные данные на компьютер пользователя. По-видимому, наиболее рациональным является вариант, когда имеется главный сервер БД, где целенаправленно собирается различная океанологическая информация, полученная из открытых источников либо добровольно переданная научными подразделениями, и имеются хранилища данных в подразделениях института, куда может быть организован распределенный доступ сотрудников института при наличии соответствующих прав доступа. Запрошенная и полученная пользователем информация должна быть проанализирована и проинтерпретирована. Безусловно, на этом этапе могут пригодиться компьютерные программы, реализующие различные формальные методики количественного анализа экспериментальных данных. Еще один важный резерв для проведения анализа и интерпретации данных – опыт и интуиция человека. Однако человеку сложно работать с цифровым представлением данных, более эффективно 6 поддаются такому мысленному анализу визуальные образы данных – диаграммы, графики, изображения. Для этого должны использоваться программы научной визуализации данных, которые делают разнообразные графические построения на дисплее компьютера. Если говорить о пространственно-координированных данных, а именно такие данные в основном используются в институте, то для их восприятия и мысленного анализа наиболее эффективно картографическое отображение. При этом желательно предоставить пользователю возможность наносить на единую картографическую основу любые типы данных (информационные слои), в произвольном порядке, в различных картографических проекциях, с различными масштабами. Именно такие эффективные отобразительные возможности представления географически-координированной информации обеспечивают геоинформационные системы (ГИС), и именно они, понашему мнению, в первую очередь обеспечили рост интереса к ГИС-технологиям в научных организациях и в органах государственного управления. Наблюдая на экране монитора картографические образы данных в различных масштабах и проекциях, весьма часто удается обнаружить закономерности в распределении тех или иных важных характеристик среды, зоны аномального поведения параметров, схожесть либо различие в поведении различных характеристик и т.д. После этого целесообразно провести количественный анализ данных, который может подтвердить или опровергнуть предположения, сделанные человеком на основе визуального анализа данных, свести исходное, возможно информационно-избыточное представление исходных данных, к небольшому набору характеристик, экономно представляющих данные, провести автоматическую классификацию данных и т.д.. Обычно в ГИС реализуются стандартные методы статистического анализа данных, специальные методики т.н. пространственного анализа данных, часто предоставляются специальные средства для программирования и встраивания в систему собственных алгоритмов анализа данных. Далее кратко охарактеризуем потребности научных отделов ТОИ в средствах хранения и оперирования данными, средствах общенаучной и картографической визуализации и средствах количественного анализа данных. Отдел общей океанологии. Специалисты отдела участвуют практически во всех морских экспедициях, где проводят измерения вертикального распределения стандартных гидрологических характеристик (температуры, солености, плотности и т.д.) в различных географических точках (гидрологических станциях), измерения характеристик течений, показателей радионуклидного загрязнения морского дна в местах аварий с атомными реакторами, пространственно-временных характеристик ледового покрова в 7 дальневосточных морях и т.д. В лаборатории Информатики и мониторинга океана на базе СУБД Paradox организована база данных экспедиций ТОИ, выполненных с 1973 года по настоящее время (Дмитриева, 2004). По запросам научных специалистов ТОИ оператор СУБД выполняет выборки необходимых данных и предоставляет их в виде файлов данных. Имеется потребность в организации распределенного доступа специалистов отдела к этой базе данных, а также к более обширным базам гидрологических данных, выставляемым в Интернете, в частности к данным Национального центра океанографических данных США, данным международного проекта NEAR GOOS. В лаборатории Гидрологических процессов и климата разрабатываются оригинальные методики анализа данных в связи с задачей параметризации внутренних волн и установления их взаимосвязи с другими океанографическими феноменами. Данные методики потенциально могут использоваться специалистами других лабораторий и отделов института, поэтому представляет интерес задача предоставления этих методик в общее пользование для обработки соответствующих типов океанографических данных. Отдел акустики океана. Основное направление – гидроакустические исследования океана. Лаборатория Физики геосфер осуществляет лазерно-интерференционными методами мониторинг фона микросейсмических колебаний земной коры в ряде географически разнесенных точек на побережье южного Приморья. Одна из основных задач – установление и детализация взаимосвязи фона микросейсмических колебаний Земли с проявлениями океанических феноменов (поверхностного волнения, внутренних волн, приливно-отливных явлений, сейш замкнутых водоемов, океанических штормов, морских землетрясений) в ближней и дальней зонах океана. Специалисты лаборатории имеют потребность в получении оперативной и исторической информации об океанических явлениях, их пространственном местоположении, времени прохождения. Специалисты института имеют потребность в получении сейсмоакустических данных с целью повышения степени достоверности разрабатываемых ими методик обнаружения и описания океанических явлений. Специалисты других лабораторий отдела, занимающиеся проектированием приборов наблюдения и собственно проведением гидроакустических исследований, нуждаются в подробных данных о батиметрии морского дна, о структуре донных осадков и фундаментов, о гидрологических характеристиках морской среды на акустических трассах, характерных для определенных сезонов времени и географических районов. Специалисты других отделов ТОИ желали бы привлекать к анализу собственных данных данные гидроакустических экспериментов. Для обработки микросейсмических и акустических сигналов есть потребность в использовании современных методик анализа – 8 линейной и нелинейной фильтрации, быстродействующей фильтрации на основе ортогональных преобразований, вейвлетных преобразований и анализа сигналов, нейросетевых анализаторов и классификаторов сигналов. Отдел физики океана и атмосферы. Сотрудники отдела разрабатывают различные теоретические модели, ставящие целью объяснить особенности пространственновременной динамики полей различных характеристик в толще океана и на поверхности. Для повышения достоверности и практической значимости разрабатываемых моделей эти исследования нуждаются в данных реальных океанологических наблюдений. Некоторые из таких данных могли бы использоваться в качестве начальных и краевых условий модельных задач, другие данные использовались бы для проверки соответствия результатов моделирования с реальными значениями моделируемых данных. Наиболее удачные методики моделирования океанических явлений, адекватно воспроизводящие поведение различных процессов, могут представлять общеполезную ценность для решения актуальных задач прогнозирования океанических явлений, проектирования перспективных систем мониторинга океанических процессов. Поэтому они потенциально могли бы быть представлены для использования заинтересованными специалистами в составе единой корпоративной океанологической системы ТОИ ДВО РАН. Отдел биохимических технологий. Потребность в использовании данных океанологических исследований дальневосточных морей имеется, но, в целом, невелика. Имеется потребность в применении современных математических методов для анализа данных фармакологических и биохимических экспериментов, в частности методов математической статистики, распознавания образов, обработки сигналов и изображений. Соответствующие программные средства могут быть получены сотрудниками данного отдела в подсистеме аналитической поддержки корпоративной ОГИС. Отдел геохимии и экологии океана. В отделе разрабатываются комплексные биогеохимические, физико-химические и термодинамические подходы для оценки состояния водных экосистем и антропогенового влияния на морскую среду, изучаются биохимические механизмы ответа гидробионтов на загрязнение окружающей среды. Сотрудники отдела принимают участие практически во всех морских экспедициях, где с помощью соответствующей аппаратуры и уникальных аналитических методик производят измерения различных биогеохимических, физико-химических характеристик морской среды и донных осадков в различных районах северо-западной части Тихого океана. Научная ценность всей совокупности накопленных в отделе данных очень велика 9 как для лабораторий отдела, так и для других научных подразделений ТОИ и ДВО РАН в целом. Соответственно, представляет интерес разработка технологии предоставления этих данных всем заинтересованным специалистам ТОИ совместно со средствами картографической визуализации этих данных и количественного анализа. С другой стороны для правильной интерпретации получаемых в экспедициях биогеохимических, физико-химических характеристик целесообразно привлечение к анализу данных других наблюдений в соответствующих морских районах, в частности, гидрологических и спутниковых. Кроме этого, для повышения объективности анализа получаемых данных целесообразно привлечение современных методик количественного анализа данных. В частности, большой интерес представляют методики автоматической классификации и районирования поведения морских акваторий, биогеохимических оперативного характеристик среды. определения Такие зон аномального методики могли бы разрабатываться специалистами отдела Информационных технологий и предоставляться в общее пользование заинтересованными специалистами института в рамках корпоративной океанологической системы ТОИ ДВО РАН. Отдел технических средств исследования океана. Отдел занимается проектированием и испытанием новых перспективных технических средств исследования океана, в частности, гидрофизических информационно-измерительных комплексов, работающих в режиме буксировки и зондирования. Значительные усилия специалистов отдела сосредоточены на разработке аппаратуры и методик акустической томографии океанических трасс. Основная идея акустической томографии – восстановление особенностей распределения полей гидрологических характеристик (температуры, солености, давления) вдоль длинной (до сотен километров) акустической трассы на основе излучения в начальной точке трассы, приема к конечной точке трассы и последующего анализа серии специально формируемых акустических сигналов. Фактически это перспективная методика дистанционного зондирования океана. При ее разработке, в частности, при выборе трасс для тестирования системы, при сравнении результатов проведенной акустической томографии с реальными характеристиками среды крайне необходимы детальные данные о батиметрии и структуре морских фундаментов, сезонные данные об особенностях вертикального распределения основных гидрологических показателей в различных морских районах и другие данные, которые могли бы быть запрошены и получены в ОГИС. Алгоритмы, разрабатываемые в отделе при отладке методик акустической томографии, могут представлять общеполезную 10 ценность для специалистов института, которым необходимо вести обработку данных, представимых в виде сигналов. Отдел геологии и геофизики океана. Отдел занимается геологическими, геофизическими и геохимическими исследованиями в Тихом океане и его окраинных морях. Такие исследования необходимы для решения проблем формирования и эволюции океанской литосферы в зоне ее сочленения с азиатским континентом и оценки перспектив региона на различные полезные ископаемые. Специалисты отдела участвуют в морских экспедициях, а также в исследованиях, проводимых на береговых станциях. В результате экспедиционной деятельности регистрируются самые различные показатели состояния морского дна, включая осадочный слой и твердые фундаменты, на акваториях Тихого океана. Весьма часто, первичная информация представляется не просто набором числовых параметров, полученных на основе анализа образцов морского грунта соответствующими приборами, но и в виде более сложных информационных представлений: сигналов (данные мониторинга электрических и магнитных полей литосферы) и изображений (данные эхолотирования морского дна локатором бокового обзора, данные сейсмопрофилирования, данные микроскопического исследования образцов грунта). В совокупности, как номенклатура видов геолого-геофизических данных, так и общие объемы первичной информации, получаемой специалистами отдела, весьма велики. Причем эта совокупная информация нужна не только сотрудникам всех лабораторий отдела, но и сотрудникам других научных направлений, в частности, морским геохимикам и гидроакустикам. В свою очередь, морские геологи и геофизики заинтересованы в привлечении к интерпретации собственных данных сопутствующих данных, полученных другими научными специалистами института. Для восприятия всей совокупности различных видов геолого-геофизических данных, которые практически всегда имеют точную географическую привязку, крайне необходимы удобные интерактивные средства картографической визуализации данных, которые присутствуют в современных ГИС. Для анализа геолого-геофизических данных целесообразно использование научными специалистами института современных компьютерных методов обработки данных, включая методы обработки сигналов и изображений. Отдел спутниковой океанологии. Основная задача – разработка перспективных дистанционных методов исследования океана. Две лаборатории отдела разрабатывают методики спутниковой океанологии, позволяющих осуществлять эффективный мониторинг различных океанических явлений на поверхности океана, а также исследовать взаимосвязь океанических процессов с атмосферными процессами. Третья лаборатория 11 разрабатывает лазерно-оптические методы изучения свойств морской среды, а также дистанционные методы исследования особенностей атмосферы на длинных трассах над океаном на основе лидарной техники. Для апробации разрабатываемых дистанционных методик специалистам отдела безусловно необходимо привлекать объективные данные о состоянии морской среды и атмосферы, которые собственно и подлежат оценке дистанционными методами. Эти дополнительные данные получаются другими специалистами института в научных рейсах, некоторые полезные данные о состоянии морской среды и атмосферы можно найти в Интернете на сайтах отечественных и зарубежных научных организаций. В свою очередь, специалисты других отделов института заинтересованы в исследовании возможностей дистанционных методов, разрабатываемых в отделе 9, для использования в их научной области. Для этого им желательно предоставить доступ к данным спутниковых наблюдений над интересующими их районами, данным лазерно-оптических и лидарных исследований. Безусловно, полезной для всех была бы возможность осуществления совместной картографической визуализации всех видов данных - полученных прямыми методами наблюдения в океане и полученных дистанционными методами. Для проведения анализа данных дистанционных наблюдений (сигналов, заинтересованным изображений) специалистам целесообразно возможность предоставить использования всем соответствующих программных средств. Отдел информационных технологий. Основная задача отдела – разработка и внедрение современных информационных технологий (СУБД, ГИС, корпоративные сети, Интернет, высокопроизводительные вычисления, электронные библиотеки) и современных методов анализа океанологических данных в практику работы других научных подразделений института. Сотрудники отдела являются основными разработчиками проекта обсуждаемой корпоративной ОГИС института, предназначенной для сбора, хранения, визуального отображения и анализа океанологических данных. Концепция корпоративной океанологической ГИС ТОИ ДВО РАН на базе Интернет-технологий С учетом проведенного специалистов ТОИ ДВО анализа получаемых и представленного выше анализа потребностей РАН в средствах хранения, оперирования, визуализации и ими в исследованиях пространственно-координированных океанологических данных, а также на основе анализа компьютерного парка института и 12 сложившейся к 2000 году инфраструктуры локальной компьютерной сети была сформулирована общая концепция разработки корпоративной океанологической ГИС ТОИ ДВО РАН. Кратко эту концепцию можно выразить следующим образом. Создается океанологическая ГИС по северо-западной части Тихого океана, которая должна предоставлять всем заинтересованным специалистам ТОИ непосредственно на их рабочих местах в лабораториях и на морских экспериментальных станциях с помощью стандартного Web-интерфейса доступ: 1) ко всем накопленным в институте и полученным из других источников данным по состоянию морского дна, водной среды, и атмосферы на акваториях дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана; 2) к наглядным средствам совместной картографической и общенаучной визуализации всех видов данных; 3) к эффективным программным средствам обработки и анализа океанологических данных. ОГИС должна обеспечивать всем заинтересованным специалистам доступ к следующим видам океанологических данных: данным о морском дне (батиметрия, морская геология, морская геофизика, морская геохимия, седиментология и т.д.); данным о распределении различных параметров состояния в толще морской среды (температура, соленость, плотность, содержание различных химических веществ, морские гидробионты); данным о состоянии морской поверхности (температура, волнение, течения, загрязнения и т.д.); данным о состоянии атмосферы (направление и скорость ветра, давление, влажность, температура, облачность и т.д.). Для каждого типа данных с помощью Web-интерфейса должен быть реализован простой и понятный для специалистов, работающих с этим типом данных, способ организации запросов, позволяющий оперативно получить нужные данные. Предполагается, что с течением времени ОГИС будет способна оперативно предоставлять все потенциально необходимые для научных специалистов института океанологические данные по дальневосточному региону. Рабочий макет ОГИС должен быть реализован таким образом, чтобы он обеспечивал доступ к : 13 историческим данным, полученным специалистами ТОИ в морских и береговых экспедициях за всю историю деятельности института; оперативным данным, получаемым в режиме реального времени на морских экспериментальных станциях и, в перспективе, в морских экспедициях; данным, переданным в ТОИ в электронном виде другими отечественными и зарубежными организациями по условиям соответствующих соглашений; данным, находящимся в информационных базах океанологических данных, организованных в отдельных подразделениях ТОИ и других институтов ДВО РАН ; данным, выставляемым отечественными и зарубежными организациями в сети Интернет для свободного либо авторизованного доступа. С учетом проблемы защиты авторских прав на данные, выставляемые в ОГИС для коллективного использования специалистами ТОИ и других институтов ДВО РАН, должна быть разработана и реализована специальная политика разграничения прав доступа пользователей ОГИС к различным видам данных. ОГИС должна предоставлять пользователям возможность эффективной обработки и анализа запрошенных ими данных. Для этого системой должны поддерживаться: классические методы обработки и анализа (корреляционно-спектральный анализ сигналов и полей, распознавание образов, методы многомерного статистического анализа и т.д.); современные методы и технологии обработки и анализа данных (вейвлет-анализ, технологии искусственных нейронных сетей, морфологический анализ изображений и т.д.); предметно-ориентированные методики моделирования и анализа океанологических данных, разрабатываемые специалистами ТОИ и других институтов ДВО РАН. О пользователях ОГИС. Во-первых, это сотрудники ТОИ ДВО РАН - пользователи локальной сети института. Во-вторых, сотрудники других институтов ДВО РАН – пользователя корпоративной компьютерной сети ДВО РАН (прежде всего ИАПУ, ИБМ, ИПМТ). В-третьих, это студенты «океанологических» специальностей вузов Владивостока (ДВГУ, ДВГТУ, Дальрыбвтуз). В-четвертых, это все заинтересованные лица, имеющие доступ к сети Интернет (они имеют наименьшие права доступа к ресурсам ОГИС). 14 Предполагается, что применение ОГИС, разработанной в соответствии с заявленной выше концепцией, должно обеспечить следующие важные преимущества: увеличение эффективности исследований в отдельных научных направлениях, обусловленное возможностью доступа специалистов ко всей совокупности данных по району исследования и применением современных технологий обработки и анализа данных; увеличение координации между научными направлениями, обусловленное тем, что при использовании ОГИС специалисты также получают доступ к данным и научным методикам, применяемым в других научных направлениях; увеличение управляемости научными исследованиями, обусловленное тем, что руководители различных уровней с помощью ОГИС получают представление в целом о состоянии исследований соответствующих морских акваторий. Архитектура океанологической ГИС С учетом предлагаемой концепции была определена и уточнена базовая архитектура проектируемой системы. Принимая во внимание, что основной массив океанологических данных, используемых специалистами ТОИ и других институтов ДВО РАН в исследованиях, имеет географическую привязку, было принято принципиальное решение реализовать систему в виде ГИС. При этом данные, хранящиеся в БД ОГИС, средства их визуализации и анализа должны быть доступны всем заинтересованным специалистам ТОИ и других институтов ДВО РАН. В результате была выбрана в качестве базовой архитектуры проектируемой ОГИС архитектура типа "клиент-сервер", основанная на применении Интернет-технологий. На стороне сервера создается базовая СУБД и ядро (enginе) - основной механизм, осуществляющий обработку запросов пользователя, выборку данных из БД, их обработку и передачу пользователям в виде HTML-страниц. На стороне пользователя должна быть стандартная программа навигатор (например, MS Internet Explorer) и, возможно, специализированные аналитические средства, осуществляющие особо сложную обработку запрашиваемых пользователем данных. В предыдущем разделе перечислялись основные группы пользователей ОГИС: 1 – сотрудники ТОИ; 2 –сотрудники других институтов ДВО РАН; 3 – студенты вузов; 4 – пользователи сети Интернет. При этом первые три группы пользователей (интранетпользователи ОГИС) должны быть обеспечены скоростями обработки ГИС-запросов, 15 сравнимыми со скоростями обычных «настольных» ГИС. На рис.1 представлена принципиальная схема разрабатываемой системы, увязывающая основные группы пользователей, источники данных и информационные потоки в ОГИС. Основной сегмент ОГИС (на рисунке вверху слева) расположен в здании ТОИ, где базовый ГИС-сервер с использованием стандартных средств языка HTML (HyperText Markup Language) обеспечивает работу с ОГИС специалистов института непосредственно со своих рабочих мест с помощью персональных компьютеров, подключенных к локальной сети. Справа на схеме условно представлены два сегмента пользователей ОГИС, подключенных к локальным сетям других научных институтов ДВО и сетям учебных учреждений Владивостока. Учитывая высокую скорость соединений между всеми учреждениями, пользователей этих сегментов можно считать полноценными Интранетклиентами ОГИС. В данных сегментах выделены удаленные серверы, которые помимо стандартных функций управления локальной сетью могут брать на себя некоторые функции ОГИС и управления данными, принадлежащими соответствующим организациям. При этом взаимодействие базового ГИС-сервера с этими удаленными серверами будет осуществляться с использованием языка XML (eXtensible Markup Language). Внизу на схеме условно представлены Интернет-клиенты ОГИС - пользователи мировой компьютерной сети, желающие воспользоваться сервисами и ресурсами ОГИС, предоставляемыми им по обычным Интернет-каналам. Очевидно, информационные обмены ГИС-сервера с Интернет-клиентами происходят во много раз медленнее, поэтому такой режим работы мало похож на обычную работу с ГИС. Тем не менее, необходимые ресурсы могут быть запрошены клиентом у сервера и спустя некоторое время получены и отображены в нужных видах на компьютере клиента. Также в зоне Интернета на схеме представлены расположенные в мировой сети информационные т.н. "хранилища данных" ресурсы по океанологии дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана. В настоящее время ведется разработка универсального интерфейса ОГИС с такими удаленными информационными ресурсами, позволяющего пользователям в единообразном стиле организовывать запросы и получать из различных источников в Интернете требуемые данные в виде файлов или их графических отображений. Учитывая низкую скорость обмена данными при работе непосредственно в Интернете, разработана специальная подсистема кэширования в ОГИС удаленных данных, к которым наиболее часто обращаются пользователи. В частности, сейчас кэшируются ежедневно обновляемые 16 данные по давлению и скорости ветра в Японском море, представляемые в Интернете японскими организациями. Отметим в качестве одного из важных преимуществ выбранной архитектуры ОГИС возможность достаточно быстро создать рабочий макет системы, снабдив его минимальным набором данных, интерфейсных и аналитических возможностей. Этот макет может быть выставлен в локальную сеть для пробной эксплуатации, а далее с учетом опыта использования макета, замечаний и пожеланий пользователей можно постепенно наращивать и совершенствовать все компоненты ОГИС, доведя со временем его до полнофункциональной версии. В соответствии с разработанной на первом этапе проекта концепцией и выбранной архитектурой был создан рабочий макет ОГИС, который уже в 2001 году был выставлен в Интернете по адресу http://gis.poi.dvo.ru. Интерфейс пользователя океанологической ГИС Для начала работы с ОГИС, пользователь со своего компьютера, подключенного к локальной компьютерной сети ТОИ, должен загрузить начальную страницу http://gis.poi.dvo.ru (рис.2). Здесь пользователю предлагается либо сразу начать работу с картографической информацией в режиме обычного пользователя, либо пройти авторизацию и получить расширенный доступ к информационным ресурсам и аналитическим средствам ОГИС в соответствии с соглашениями реализованной в системе политики доступа к данным. Начинающие пользователи могут воспользоваться обучающей системой (http://gis.poi.dvo.ru/teach/), демонстрирующей в интерактивном режиме возможности ОГИС и порядок работы с ее основными компонентами. Для оказания оперативной методической помощи пользователям и организации обратной связи, позволяющей разработчикам оперативно получать и учитывать в последующих версиях ОГИС замечания и предложения от научных специалистов, организован специальный консультационный форум. ОГИС сопровождается электронной библиотекой полнотекстовых журнальных публикаций по проблемам океанологии, обработки данных и новых информационных технологий. Вход в библиотеку может быть осуществлен с начальной страницы ОГИС. Более подробно порядок работы пользователя с библиотекой будет пояснен позднее. 17 Основная работа с системой ведется в специальном информационном окне, в котором отображается картографическая информация из баз данных ОГИС. Пользователю предоставляются удобные средства навигации в картографическом окне, изменения масштабов, выбора требуемых географических регионов. Отображение информации осуществляется в виде накладывающихся информационных слоев, выбираемых пользователем. Слои сгруппированы в тематические группы. Имеется т.н. группа основных слоев (географические названия стран и морей, очертания берегов, батиметрия); климатология; геология и геофизизика, данные морских научных экспедиций, спутниковые данные по тепловой излучательности поверхности океана; данные спутниковой радиометрии поверхности океана. Большинство информационных слоев помимо пространственной привязки имеет временную привязку (т.е. слои представлены данными, изменяющимися по годам и месяцам, среднемесячными либо среднесезонными данными). Соответственно, в ОГИС реализованы механизмы организации запросов к этим слоям с учетом временных критериев. Всего в настоящее время в ОГИС поддерживаются 34 информационных слоя общим объемом около 500 Гб. Кроме этого для авторизованных пользователей имеется возможность организации и поддержки средствами ОГИС собственных информационных слоев. Права на просмотр этих слоев принадлежат их автору, но при необходимости могут передаваться другим пользователям ОГИС. Помимо визуального отображения пространственно-координированной информации пользователю предоставляется возможность получить атрибутивную информацию по любой географической точке региона в специальном информационном окне. При необходимости пользователь, обладающий соответствующими правами доступа, может получить требуемую информацию по указанному географическому региону в виде файла данных либо растрового изображения. Проиллюстрируем интерфейсные и отобразительные возможности ОГИС. На рис. 3 представлено базовое картографическое окно ОГИС, появляющееся при его первоначальном вызове пользователем, не зарегистрированным в системе. Поле базового картографического окна для отображения данных ОГИС ограничено размером – 480 x 480 пикселов. Пользователям доступна ограниченная группа основных слоев, включая данные по климатологии региона и спутниковые среднемесячные данные по излучательности морской поверхности. В данном случае в окне картографического отображения визуализируется весь район северо-западной части Тихого океана, нанесены названия морей и в полутоновой шкале представлены данные батиметрии. 18 Для получения доступа к средствам настройки системы отображения и к более широкому набору данных необходимо пройти процедуру регистрации в системе. Регистрация проводится автоматически для пользователей компьютерной сети ТОИ ДВО РАН, решение о регистрации внешних пользователей принимается после согласования с администратором системы и руководителем проекта. На рис. 4 приведена типовая конфигурация окна картографического отображения при работе с ОГИС зарегистрированных пользователей. В данном случае размер базового картографического окна был увеличен пользователем до 640 x 640 пикселов, в области формирования запросов на выборку данных видны дополнительные тематические слои данных. В картографическом окне отображены: среднеиюньское распределение температуры поверхности воды в регионе; местоположение выполненных в научных рейсах ТОИ ДВО РАН гидрологических станций с данными по вертикальному распределению температуры и солености воды; карта разломов фундамента в Охотском море; маршруты тайфунов, прошедших в регионе в 2002 году. Организация работы с данными в океанологической ГИС В соответствии с основной концепцией ОГИС разрабатываемая система должна предоставлять пользователям по возможности все потенциально полезные данные по состоянию морского дна, водной среды и атмосферы на акваториях дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана. Должен обеспечиваться эффективный доступ: 1 - к данным ТОИ и других океанологических организаций, специально собираемым на основном сервере данных ОГИС, 2 – к данным из хранилищ океанологической информации, физически расположенных на серверах баз данных в других подразделениях ТОИ и ДВО РАН, 3 - к актуальным океанологическим данным, размещаемым в Интернете; 4 – к оперативным данным мониторинговых экспериментов, выполняемых на морских экспериментальных станциях института. Ниже описывается реализация доступа к данным в соответствии с перечисленными выше способами доступа. Базовый сервер данных ОГИС. Основной массив данных ОГИС физически располагается на главном ГИС-сервере в отделе Информационных технологий ТОИ ДВО РАН и находится под управлением СУБД MS SQL-server 2003. Данные сгруппированы в тематические слои, для каждого слоя обычно присутствует координированная информация, представленная в соответствии с пространственноГИС-стандартами в 19 виде точек, линий, полилиний, полигонов, а также атрибутивная информация в том виде, в каком принято представлять информацию в соответствующей предметной подобласти океанологии. Помимо картографической привязки большинство данных имеет временную координату, фиксирующую момент проведения измерений. В основную БД ОГИС помещаются данные, предоставляемые научными подразделениями для открытого либо ограниченного использования. Каждый слой данных сопровождается метаинформацией, включающей помимо пространственно-временных координат и некоторого описания методик проведения измерений, данные о владельце данных и предлагаемых им условиях использования его данных. Поскольку, как правило, данные отдельных владельцев первоначально представлены в самых разнообразных форматах (текстовых файлах, бинарных файлах, таблицах Excel и т.д.), то практически для каждого случая разрабатываются соответствующие программные утилиты конвертирования данных для помещения их в общую БД. Некоторые массивы океанологических данных, помещаемые в ОГИС, получены не самими специалистами ТОИ, а переданы другими организациями по условиям соответствующих соглашений, либо скачаны из открытых источников в Интернете. В этих случаях также разрабатываются соответствующие утилиты конвертирования данных, причем, эта задача осложняется тем, что, как правило, форматы хранения исходных данных не известны. Такие данные также сопровождаются информацией об их владельце, для Web-ресурсов указывается их адрес в Интернете. Как ранее упоминалось, данные сгруппированы в тематические слои, для каждого из которых с помощью стандартного Web-интерфейса организуется окно организации запросов к данным. Пространственные ограничения в запросах устанавливаются естественным образом – в БД запрашиваются только те данные, которые могут присутствовать в текущем представлении картографического окна. Часто данные имеют временную привязку, в этом случае в окне запроса можно указать с помощью специального интерфейса время начала и конца временного интервала, в течение которого были измерены необходимые пользователю данные. В некоторых случаях интерес представляет не конкретный временной интервал, а сезон, например, могут потребоваться данные о температуре морской поверхности, которая была во все годы в июне месяце. В некоторых случаях может потребоваться более сложный запрос, для этого из формы стандартного запроса можно вызвать режим «расширенного фильтра» и в отдельной форме более детально установить требования к запрашиваемым данным. Примеры «расширенных фильтров» будут рассмотрены позже в связи с задачами анализа данных спутниковых наблюдений и данных сейсмоакустических экспериментов. 20 Удаленный доступ к ресурсам корпоративной сети. В ряде научных подразделений ТОИ и других институтов ДВО РАН накоплены значительные массивы экспериментальных данных, ориентированных на соответствующие классы научных задач. Чаще всего эти информационные ресурсы располагаются на рабочих компьютерах, подключенных к сетям институтов, и потенциально могут быть доступны с других рабочих мест в сети. При этом многие владельцы данных не приветствуют создание полномасштабных копий этих данных на основном сервере ОГИС, тем не менее, не возражают против того, чтобы их данные были все-таки «видны» в ОГИС ограниченному кругу пользователей. Это дает возможность совместного использования этих данных и любых других данных из ОГИС, важную, прежде всего, для самих владельцев, либо для коллег, которым владельцы готовы передать особые права на работу с данными. Другой причиной отказа от хранения данных на ГИС-сервере является то, что некоторые информационные хранилища чрезвычайно объемны (например, хранилища спутниковой информации в лаборатории спутниковой океанологии ТОИ занимают десятки гигабайт памяти на дисковых носителях). В связи с этим нами исследовались возможности реализации в ОГИС технологии распределенного хранения информации на серверах отдельных научных групп в сети ДВО РАН (Голик, 2004а). Для пользователей ОГИС, обладающих правами доступа к таким данным, интерфейс запросов остается стандартным. ГИС-сервер при получении запроса от пользователя, формирует XML-запрос на получение данных с компьютера владельца. Наиболее часто такие данные представляются научными специалистами института в виде набора файлов, рассредоточенных в специально организованной системе вложенных папок, облегчающих для пользователя процесс поиска нужных данных. В этом случае по согласованию с административной группой ОГИС проводится дополнительная установка и настройка специальных программных компонент на удаленный компьютер. В результате удаленный компьютер начинает функционировать в режиме файл-сервера, обслуживающего формируемые ГИС-сервером XML-запросы на выборку из файловой системы и пересылку нужных файлов данных. Если хранилища данных удаленных пользователей организованы в виде баз данных, то должно производиться согласование схемы запросов ГИС-сервера и структуры данных, используемых в соответствующей БД на стороне хранилища данных. После этого запросы пользователя транслируются ГИС-сервером в запросы для удаленной СУБД, 21 найденная информация пересылается ГИС-серверу, где она обрабатывается и предоставляется в нужном виде пользователю. Мониторинг океанологических ресурсов Интернета. Эффективность океанологических исследований в большой мере зависит от полноты сведений об объекте исследования, имеющихся в распоряжении научных специалистов. Как правило, помимо данных, получаемых непосредственно организацией, где работает специалист, имеется значительное число данных, полученных другими отечественными и зарубежными организациями. Часто эти данные выставляются в Интернете и могут быть доступны заинтересованным специалистам. Однако, невысокая пропускная способность отечественных интернет-каналов, зачастую недостаточная подготовка пользователей к работе в Интернете, многократное дублирование в пределах одной организации информационных поисков и запросов приводят в целом к невысокой эффективности использования информационных ресурсов Интернета. Учитывая перечисленные выше соображения, была принято решение в рамках проекта ОГИС разработать систему автоматизированного сбора и мониторинга выставляемой в Интернете океанологической информации по северо-западной части Тихого океана. Такая система, названная (Remote Data Searcher), была создана в 2003 году (Голик, 2003а). Система действует в составе разрабатываемой в ТОИ ОГИС и обеспечивает выполнение следующих функций: 1 - создание и пополнение списка актуальных для пользователей ОГИС океанологических ресурсов в Интернете; 2 - выполнение с заданной периодичностью, либо по требованию пользователя запросов на получение данных с удаленных источников; 3 - контроль актуальности удаленных данных и организация системы кэширования наиболее часто запрашиваемых данных на внутреннем сервере; 4 выполнение поисковых запросов по базе зарегистрированных информационных ресурсов. В настоящее время с помоощью системы RDS осуществляется мониторинг шести океанологических ресурсов Интернета. Так, например, по заказу лаборатории Физики геосфер был организован пробный мониторинг трех информационных ресурсов. С сайта Японского метеорологического агентства http://www.imoc.co.jp/wxfax.htm с периодичностью 2 раза в сутки скачиваются в БД ОГИС факсимильные карты приземного давления атмосферы в регионе. С сайта http://JPL/POO.DAAC.SeaWinds ежедневно скачиваются оперативные данные по характеристикам ветра над северо- западной частью Тихого океана. С сайта http://www.jma.go.jp/JMA_HP/en/typh/typh.all.html осуществляется мониторинг наиболее мощных тайфунов и тропических циклонов в Тихом океане, 22 способных оказать воздействие на фон микросейсмических колебаний в районе сейсмоакустических исследований, проводимых ТОИ ДВО РАН. С использованием системы автоматического мониторинга в 2004 году блок гидрологических данных ОГИС был пополнен двумя новыми крупными массивами данных. В частности, в БД ОГИС был внесен фрагмент банка океанографических данных WOD-2001 Национального центра океанографических данных США. Этот банк включает наиболее полный массив данных вертикальных CTD- зондирований океана, осуществленных океанографическими организациями разных стран мира за период с 1804 по 2001 год. Основная версия банка распространялась в виде комплекта из девятнадцаити компакт-дисков. На сайте НЦОД http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD01/pr_wod01.html выставлены данные этого банка, которые время от времени пополняются и корректируются с учетом найденных несоответствий. Система автоматического мониторинга океанографических Интернетресурсов, встроенная в ОГИС, проверяет регулярно сайт НЦОД на наличие обновлений в банке, которые автоматически скачиваются в ОГИС. Последующее преобразование данных и их встраивание в основной блок CTD-данных ОГИС производится администратором либо оператором системы, обычно не позднее недели-двух с момента появления обновлений банка WOD-2001. Таким образом, практически в каждый момент времени в ОГИС поддерживается наиболее полная и правильная версия банка WOD-2001. При работе с этими данными научным специалистам нет необходимости знать используемые в WOD-2001 форматы хранения данных, местоположение нужных данных на конкретных CD-дисках, достаточно воспользоваться стандартными формами пространственно-временных запросов к ОГИС и получить на своем компьютере либо визуальные образы данных либо сами данные в цифровой форме. Второй крупный массив океанологических данных, внесенных в 2004 году в ОГИС - данные буйковых и попутных судовых измерений параметров состояния морской среды и атмосферы в приводном слое. Эти данные по региону северо-западной части Тихого океана собираются странамиучастниками международного океанографического проекта NEAR GOOS (Япония, Корея, Китай, Россия) и выставляются для участников проекта на сайте http://near- goos1.jodc.go.jp/. С помощью системы автоматического мониторинга ОГИС новые поступления данных буйковых и судовых наблюдений автоматически считываются в основную БД ОГИС и становятся доступными ее пользователям. Работы по организации доступа к оперативным данным удаленных мониторинговых экспериментов. В 2006 году были начаты работы по включению в 23 ОГИС информационных ресурсов двух морских экспериментальных станций ТОИ – на м. Шульца и о. Попова. На МЭС м.Щульца развернута первая очередь локальной компьютерной сети. В настоящее время высокоскоростными оптоволоконными каналами (скорость 1 Гб/сек, общая длина – более 1 км) соединены компьютеры, расположенные в нескольких рабочих помещениях. Сеть МЭС по радиоканалу соединена с сетью ДВО РАН, что обеспечивает научным специалистам на МЭС практически все те же возможности, которые они имеют в здании ТОИ (Интернет, электронная поста, доступ к информационным ресурсам сети ДВО РАН). Для управления сетью МЭС организован постоянно действующий сервер. С его помощью организована служба синхронизации времени на всех рабочих компьютерах МЭС, созданы FTP-сервера общего пользования для хранения данных сейсмоакустических и акустических экспериментов, данных видеомониторинга близлежащих акваторий. Начаты работы по организации оперативного доступа к информационным ресурсам МЭС для пользователей ОГИС, что позволит реализовать в системе концепцию оперативного научного мониторинга важных океанологических и иных природных процессов и явлений. На МЭС о.Попова также осуществлено развертывание первой очереди локальной компьютерной сети. Сеть основана на радиосоединениях, она объединяет два лабораторных корпуса, несколько мест проживания научного персонала и администрации МЭС. Сеть станции подключена к сети ДВО РАН и, соответственно, к сети Интернет. Организован FTP сервер для приема оперативной информации с рабочих мест МЭС, сервер доступен из сети ДВО, что позволит впоследствии развернуть на МЭС ряд систем оперативного научного мониторинга с предоставлением информации пользователям ОГИС. Разработка и реализация информационно-аналитическим политики ресурсам разграничения ОГИС. При прав разработке доступа к концепции океанологической ГИС в качестве важного аргумента принималась во внимание возможность более свободного по сравнению с обычным океанологическими Интернетпроектами предоставления корпоративным клиентам ДВО РАН океанологических данных и программных методик анализа этих данных. Тем не менее, вопрос о необходимости разграничении прав доступа различных групп пользователей к ресурсам системы ставился с самого начала разработки, и на первоначальном этапе он был разрешен следующим образом. Все данные, хранящиеся в базах данных ОГИС, разделяются на «открытые данные» и «данные с ограниченным доступом». Как правило, открытыми объявлялись в ОГИС океанологические данные, свободно распространяемые некоторыми 24 океанологическими организациями (в основном зарубежными) на электронных носителях либо в Интернете. Обычно, в подобных случаях владельцами данных оговаривается запрет на коммерческое использование данных и необходимость ссылки на владельца при их использовании, например, в научных публикациях. В составе ОГИС такие данные делаются открытыми для всех групп пользователей - и корпоративных (интранет- пользователей), и внешних (интернет-пользователей), данные сопровождаются ссылкой на адрес владельцев данных и на текст оговариваемых владельцами условий использования данных. Данные, являющиеся собственностью научных подразделений ТОИ ДВО РАН, по соглашению с этими подразделениями предполагалось делать либо «открытыми», либо с доступом в пределах или всей сети ДВО РАН или только сети ТОИ. Для программных методик анализа и интерпретации данных, сопровождающих в ОГИС соответствующие типы данных, также осуществлялась подобная политика разграничения прав доступа. Основная цель применения политик – вовлечь в корпоративный научный проект как можно большее число специалистов вместе с их собственными данными и оригинальными методиками анализа и интерпретации этих данных. Реализация описанной системы разграничения прав доступа достаточно легко осуществлялась на основе проверки принадлежности IP-адресов пользователей подсетям ТОИ либо других институтов ДВО РАН. Однако в процессе пробной эксплуатации рабочего макета ОГИС выяснилась ограниченность реализованной схемы политик разграничения доступа. Так, например, практически сразу возникла потребность в выделении дополнительного уровня доступа, который предоставляется исключительно владельцам данных. В частности, такая потребность возникает при внесении в ОГИС данных океанологических экспедиций. Как правило, по окончании рейса его участникам предоставляется преимущественное право на использование полученных в рейсе данных в течение некоторого промежутка времени, обычно, одного-двух лет. Предполагается, что за это время данные будут обработаны, интерпретированы, а основные результаты опубликованы в тех или иных изданиях. После этого «опубликованные» данные передаются в библиотеку и архив института, и соответственно могут быть востребованы и использованы любыми сотрудниками института. Вопрос о возможности использования оригинальных данных другими научными институтами решается в особом порядке. Тем не менее, потребность внесения этих данных в ОГИС потенциально существует с момента их получения, поскольку уже при проведении первичного анализа данных может оказаться полезным их сравнение с другими видами данных, либо с подобными данными, полученными в предыдущих экспедициях или в других географических районах. Таким 25 образом, «неопубликованные» данные ОГИС на начальном этапе должны быть персонально «закреплены» только за рабочими местами собственников данных участников экспедиции, а спустя некоторое время переведены в разряд разрешенных к использованию сотрудникам ТОИ либо ДВО РАН в целом. В связи с проблемой «опубликованности» данных возникла также потребность различения уровней доступности для разных уровней абстракции данных. Наиболее критичны требования к доступу к оригинальным данным, которые могут предоставляться пользователям в виде файлов данных. Менее критичны требования к защищенности картографических образов данных. Последние могут быть легко считаны пользователем в виде графических файлов, однако, эти образы уже являются результатом некоторой обработки - интерпретации данных системой. Как правило, оригинальные данные по таким визуальным образам в полном объеме восстановлены быть не могут. Тем не менее, даже здесь иногда возникает потребность провести разграничение прав доступа к изображениям, предоставляемым с максимально подробным разрешением, и к Preview-образам, отображаемым с преднамеренно огрубленным разрешением. В целом, оказалось, что проблема разграничения прав доступа к ресурсами корпоративной научной сети не менее сложна, чем для «обычных» Интернет-проектов. При этом она имеет собственную специфику, обусловленную необходимостью учета не только существующих нормативных документов о порядке опубликования материалов исследований, но и систему неформализованных этических норм научного сообщества. От того, насколько деликатно эта проблема будет разрешена, в большой мере зависит уровень доверия к системе научных специалистов, их желание полноценно, вместе со своими данными и научными методиками участвовать в коллективном научном интернет/интранет проекте. В результате первоначальная схема регулирования доступа к информационноаналитическим ресурсам была существенно модернизирована (Голик, 2004б). Была введена система персональной регистрации пользователя, при которой пользователь предварительно подтверждает готовность использования информационных и следовать установленным аналитических ресурсов правилам системы. Незарегистрированный пользователь может ознакомиться с системой, ее возможностями, но реального доступа к данным получить не может. В отношении зарегистрированного пользователя в зависимости от его ведомственной принадлежности на начальном этапе применяется одна из четырех базовых политик. 26 Политика 1 – предназначена для внешних интернет-пользователей, предоставляет доступ только к «открытым» данным. Политика 2 – предназначена для сотрудников «дружественных» по отношению к ДВО РАН организаций, список таковых устанавливается администратором ОГИС по согласованию с ведущими специалистами, об изменениях в списке информируются владельцы данных (сейчас это институты РАН и вузы Владивостока). Политика 3 – для сотрудников институтов ДВО РАН. Политика 4 – для сотрудников ТОИ ДВО РАН. В каждый момент времени пользователь может проверить «профиль» своей персональной политики. Последний представляет собой список всех информационных слоев ОГИС с указанием уровня доступа к слою на различных уровнях абстракции данных (считывание данных, редактирование данных, просмотр картографических проекций с максимальным разрешением, просмотр Preview-образов), а также электронные адреса владельца данных (рис. 5). При желании получить расширенный доступ к некоторым данным пользователь может напрямую электронным письмом обратиться к владельцам данных. Для последних в ОГИС реализован специальный интерфейс, позволяющий просматривать статистику обращений к персональным данным и возможность редактирования уровня доступа к ним для зарегистрированных в системе пользователей. Таким образом, базовый профиль персональной политики пользователя со временем может трансформироваться, причем, как правило, в сторону увеличения прав доступа. В отношении программных средств аналитической поддержки ОГИС, придаваемых различным видам данных, реализуется подобная же система разграничения прав доступа. Реализация картографического сервиса и аналитической поддержки ОГИС В настоящем разделе описываются детали реализации системы картографического отображения информации, хранящейся в ОГИС, а также организация аналитической поддержки в ОГИС. Картографический сервис. Как отмечалось выше, одним из основных элементов ОГИС является окно картографического отображения, в котором пользователь может 27 послойно в произвольном порядке визуализировать запрашиваемые данные. Такая возможность исключительно обнаружения каких-либо полезна для закономерностей первичного и восприятия особенностей в информации, пространственном распределении различных типов данных, обнаружения взаимосвязей между данными пользователя и данными, полученными другими специалистами. Ранее в статье приводились иллюстрации возможностей различных компонентов ОГИС, демонстрирующие также и возможности системы картографического отображения данных. В настоящем разделе кратко поясняются особенности реализации картографического сервиса в ОГИС. После авторизации пользователя в системе формируется т.н. активный профиль пользователя, содержащий информацию о доступных ему в данный момент информационных слоях при текущем уровне доступа. Также для каждого пользователя в его профиле формируется набор стилей для рисования отдельных слоев и последовательность их отображения. С помощью веб-интерфейса системы пользователь может указать текущий географический регион просмотра и масштаб, включить/выключить отдельные слои, задать фильтр по времени и иным характеристикам объектов некоторого слоя. Для некоторых информационных слоев данных (спутниковые снимки, сейсмоакустические сигналы, траектории океанических штормов - тайфунов) предоставляется возможность перейти к специализированному каталогу с расширенным фильтром запросов для более четкого задания критериев выбора данных. Выбранные данные можно как отобразить на карте, так и перейти в раздел скачивания данных и получить их в желаемом формате при наличии соответствующих прав доступа. Информация о запрашиваемых информационных слоях и используемых фильтрах также хранится в рабочем профиле пользователя на сервере, создаваемом при каждом входе пользователя в систему. При каждом запросе на визуализацию данных картографический модуль на основе данных профиля обращается в БД за данными, формирует их изображение в виде растрового графического файла, который затем отправляется клиенту в браузер. После этого пользователь имеет возможность перемещать и масштабировать карту, не уточняя каждый раз текущие фильтры данных и выбранные слои. Всякий раз картографическое изображение составляется из примитивов нескольких базовых типов. 28 Точечные объекты. Имеют географические координаты объекта (широту и долготу), а также атрибутивную информацию. Пример: землетрясения (каждый раз происходят в разных местах в определенное время и имеют атрибутивные характеристики – магнитуду и глубину очага). Линейные объекты или совокупность линейных объектов. Имеют последовательность географических координат опорных точек объекта, а также атрибутивную информацию для всего объекта. Примеры: слой «Реки» (каждый объект состоит из основного русла и множества притоков); слой «Разломы фундамента»; слой «Батиметрия в изолиниях». Площадные объекты. Имеют последовательность географических координат, задающих опорные точки контура объекта, а также атрибутивную информацию объекта. Пример: слой «Береговая линия» (все объекты заведомо замкнуты и может быть вычислена их площадь). Линейно-точечные объекты. Имеют последовательность географических координат, а также атрибутивную информацию для каждой точки. Примеры: слой «Тайфуны» (линия - последовательность координат положения тайфуна, в каждой точке заданы - время, скорость ветра, атмосферное давление, направление движения); слой «Маршрут судна» (линия - последовательность координат положения судна, в каждой точке фиксируются время, скорость, направление движения судна). Точечно-пространственные данные. Имеют географические координаты, время, «стандартную» атрибутивную информацию и атрибутивную информацию о вертикальном распределении (по высоте над точкой, или глубине под точкой) неких параметров состояния объекта. Пример: CTD-данные, измеренные на гидрологической станции (хранятся координаты станции, время проведения измерений, идентификатор морского судна, набор результатов измерений температуры, солености, проведенных на разных глубинах). Точечно-временные данные. Имеют координаты широты и долготы, а также помимо стандартной атрибутивной информации еще набор атрибутивной информации о состоянии объекта в разные периоды времени. Пример: слой «Записи сейсмоакустических сигналов» (есть координаты станции, время начала измерений, есть набор значений нескольких физических параметров, измеренных в разные моменты времени – многоканальный временной цифровой сигнал); слой «Метеоданные» (есть координаты метеостанции и значение ряда метеорологических показателей, измеренные в различные моменты времени). 29 Равномерные сетки на прямоугольных объектах. Имеют географические координаты широты и долготы в углах прямоугольного объекта, размерность и шаг сетки, а также атрибутивную информацию в каждой точке сетки. Пример: слой «Среднемесячная климатология» (есть двумерный массив значений некоторого параметра среды температуры воды, облачность, давление и т.д. - в узлах градусной сетки, различные диапазоны значений параметра в узлах сетки могут кодироваться цветом либо специальными условными знаками – например, «стрелочками» для отображения направления и силы ветра); слой «Батиметрия» (есть двумерный массив значений глубины в узлах градусной сетки). Неравномерные сетки. Имеют координаты широты и долготы в каждой точке, а также атрибутивную информацию в каждой точке. Пример: спутниковые снимки, произведенные с помощью радиометра AMSR-E (для каждой точки цифрового снимка хранятся координаты и значения 12 яркостных температур, измеренные в 12 информационных каналах радиометра). Растровые изображения в равноградусной проекции. Имеют координаты широты и долготы в углах региона, размерность изображения (количество строк и количество столбцов), значения зарегистрированного поля в узлах равноградусной сетки, и цветовую палитру - таблицу соответствия “количественное значение отображаемого поля - цвет”. Пример: «Спутниковый снимок MODIS» (вычисляются координаты углов прямоугольной области в картографическом окне, и в этой области визуализируется исходное изображение спутникового снимка с использованием операций равномерного сжатия/растяжения). Растровые изображения в неравноградусной проекции. Имеют координаты широты и долготы в углах региона или по контуру региона с некоторым шагом, размерность изображения, тип картографической проекции, значения измеренного поля в узлах сетки, цветовую палитру. Пример: «Спутниковый радиолокационный снимок» (при рисовании в картографическом окне сначала рассчитывается контур исходного равноградусного изображения в заданной проекции в картографическом окне, затем с использованием алгоритмов пространственной интерполяции последовательно рассчитываются и отображаются значения всех пикселов внутри контура). WMS (Web Map Services) слои. Данные слои предназначены для обеспечения взаимодействия ОГИС с другими имеющимися в Интернете картографическими системами, поддерживающими спецификации OpenGIS, на уровне обмена создаваемыми картографическими образами. WMS-слои имеют координаты широты и долготы в углах 30 региона, размерность изображения, цветовую палитру и значения отображаемого поля в каждой точке изображения. При выполнении запроса к удаленному WMS-серверу отправляются координаты углов, необходимая проекция, разрешение получаемого изображения, а результат просто выводится путем наложения на основное изображение. Если удаленный сервис не поддерживает определенную проекцию, то на стороне ОГИС производятся соответствующие преобразования, подобно тому, как это делается с растровыми изображениями в неравноградусной проекции (см. выше). WFS (Web Feature Services) слои. Имеют координаты широты и долготы в углах региона, тип объектов - точечные, линейные или площадные и атрибуты. При выполнении запроса к удаленному WFS-серверу отправляются координаты углов, а результатом возвращается набор объектов и их атрибутов, которые можно уже отобразить своим способом и в своей проекции. При этом удаленный сервис может либо правильно "обрезать" линейные и площадные объекты, либо «откусывать» их по краю, либо возвращать их, не обрезая по контуру. Для каждого из представленных выше типов слоев в картографическом модуле ОГИС заранее сформированы стили графического отображения по умолчанию. Кроме этого зарегистрированный пользователь имеет возможность определить собственные стили отображения и «легенды» для каждого отдельного слоя. В соответствии со списком, определяющим последовательность визуализации слоев (который пользователь также может модифицировать), слои последовательно добавляются в единый графический образ картографического окна в оперативной памяти компьютера. При этом для всех слоев используется единый масштаб визуализации, при каждом новом масштабе отрисовка слоев производится с максимально возможной степенью детализации. По умолчанию растровые примитивы визуализируются первыми, затем отображаются сеточные(grid) данные, потом векторные площадные объекты, потом линейные объекты и последними отображаются точечные объекты. Полученное в памяти ГИС-сервера полное изображение кодируется в открытый графический формат PNG, сохраняется в соответствующий файл и пересылается пользователю для отображения в картографическом окне на его рабочем компьютере. Выбор формат PNG был обусловлен тем, что это «открытый» формат, и он достаточно экономно кодирует изображения без потерь информации. Для изменения масштаба отображаемой информации в картографическом окне пользователю предоставляются два варианта действий: 1) выбор масштаба из предлагаемого системой списка масштабов; 2) использование режима 31 "увеличить/уменьшить точку при клике «Мышью» в 2 раза". В любом случае на ГИСсервер поступает информация о новом масштабе, после чего сервер готовит соответствующий PNG-файл и возвращает пользователю, где файл отображается в соответствующем окне браузера. Для навигации по картографическому окну используются стрелочки перемещения: на запад, на восток, на север, на юг и 4 их комбинации. Также есть режим "центрировать карту по выбранной точке" с сохранением текущего масштаба. Информация о новых координатах поступает на ГИС-сервер, который возвращает клиенту сдвинутый соответствующим образом кадр, который визуализируется. Таким образом, реализованный картографический сервис позволяет выполнять основные виды манипулирования картографической информацией, реализуемые в типовых ГИС. Поскольку обработка и передача данных в корпоративной сети осуществляется достаточно быстро, то на каждом рабочем месте пользователь получает картографический сервис, сравнимый по скорости и возможностям с сервисом, реализуемым в настольных ГИС. Организация аналитической поддержки в ОГИС. В соответствии с базовой концепцией ОГИС, помимо океанологических данных и средств их визуализации система должна предоставлять пользователям возможность проведения эффективной аналитической обработки запрошенных данных. Эта возможность реализуется в ОГИС несколькими способами. Во-первых, пользователям при наличии прав доступа предоставляется возможность сохранения запрошенных данных на свой компьютер в виде файлов, форматы которых «понимают» современные программные системы математической обработки данных (Matlab, Scilab, Mathcad и т.д.). Во-вторых, некоторая скрытая от пользователя математическая предобработка данных проводится системой при ее функционировании (подготовка графических образов различных типов данных, распаковка упакованных системами сжатия массивов данных, преобразование нестандартных данных из внешних источников к форматам ОГИС, различные виды интерполяции данных, генерация preview-образов данных и т.д.). В-третьих, для аналитической обработки некоторых видов данных реализуются т.н. компонентные технологии, в частности, технологии Active-X, что дает возможность пользователям проводить обработку запрошенных данных не выходя из системы с помощью обычного Web-интерфейса. При первом запросе такой процедуры обработки на 32 компьютер пользователя при его согласии автоматически устанавливаются необходимые программные компоненты, с помощью которых пользователь может производить соответствующую обработку. Как правило, такие компоненты сопровождаются системой помощи, поясняющей пользователю порядок работы с программой. При последующих запросах на обработку данных сразу используются ранее установленные программные компоненты. В случае появления в ОГИС новых версий Active-X компонент, при очередном запросе аналитической обработки пользователь предупреждается о наличии новой версии, которая при желании может быть автоматически установлена вместо старой версии. В-четвертых, в ОГИС поддерживается сопровождение внешними программами обработки, “понимающими” форматы файлов данных ОГИС. Информация о таких программных средствах размещена в разделе “Аналитическая поддержка” (рис. 6) Пользователь может просмотреть краткое описание любой программы и при необходимости скачать программу к себе на компьютер. После установки программы на личном компьютере пользователь получает возможность обрабатывать файлы данных, которые он также получает из ОГИС. Некоторые примеры использования программ аналитической обработки будут приведены в последующих разделах статьи. Поддержка технологий распределенных и суперкомпьютерных вычислений в системе аналитической поддержки ОГИС. Важной особенностью ОГИС является возможность выполнения пользователем особо сложных процедур обработки данных и математического моделирования с использованием вычислительных ресурсов корпоративной сети Дальневосточного отделения РАН. Такими ресурсами являются, вопервых, многочисленные персональные компьютеры пользователей сети, во-вторых, несколько суперкомпьютерных комплексов с параллельной архитектурой, имеющихся в Вычислительном Центре и ИАПУ ДВО РАН. Использование этих совокупных вычислительных ресурсов необходимость изучения научными достаточно специалистами сложных отделения технологий осложняется организации высокопроизводительных вычислений. В ОГИС реализуется концепция разработки и включения в систему аналитической поддержки актуальных для многих научных специалистов программ, способных выполняться с использованием вычислительной инфраструктуры ДВО РАН. При этом пользователю ОГИС достаточно лишь уточнить параметры соответствующих алгоритмов и отправить программу на выполнение. Для апробации этой технологии в ОГИС включены две программы: 1 – программа нелинейной 33 пространственной фильтрации большеразмерных изображений; 2 – программа моделирования трехмерных случайных полей с заданными статистическими свойствами. Обе программы представляют интерес для широкого круга океанологов. Первая программа выполняется с использованием технологий распределенных вычислений на 8 персональных компьютерах отдела информационных технологий ТОИ, вторая – на суперкомпьютерном комплексе МВС-1000 в ИАПУ ДВО РАН. В распоряжение пользователей предоставляется удобный Web-интерфейс для необходимой настройки входных параметров программ. Пробная эксплуатация программ подтвердила эффективность реализованных схем высокопроизводительных вычислений. Отметим также, что при реализации схем распределенных и параллельных вычислений нами использовались инструментальные средства (Condor, Globus Toolkit), поддерживающие открытые стандарты проектирования GRID-систем - OGSA. Это было обусловлено нашим принципиальным решением со временем трансформировать ОГИС в полноценный региональный океанологический GRID-проект. Электронная библиотека полнотекстовых журнальных публикаций. В составе ОГИС действует электронная библиотека полнотекстовых научных публикаций (Голик, 2006). Основные научные направления: океанология, математические методы моделирования и обработки данных, современные информационные технологии. В настоящее время в библиотеке содержится более 7000 научных статей. Доступ читателей к библиотеке осуществляется http://gislib.poi.dvo.ru/main/. Интерфейс с основной пользователя страницы прост и ОГИС, понятен. адрес Сначала пользователь составляет запрос к библиотеке, уточняя при необходимости название журнала, год публикации, ключевые слова, содержащиеся в названиях статей, списках авторов, списках ключевых слов, в рефератах (рис. 7-а). Далее система производит поиск в БД ОГИС и предоставляет в отдельно окне перечень названий публикаций, удовлетворяющих запросу (рис. 7-б). Пользователь может прочитать краткие рефераты найденных статей либо их полнотекстовые версии (рис. 7-в). Особенностью библиотеки, является то, что она может пополняться дистанционно из разных мест в сети ТОИ и даже в сети ДВО РАН. Для этого лицу, ответственному за определенное научное направление, сообщается специальный пароль. Введя этот пароль, он получает доступ к системе ввода новой информации в библиотеку, а также получает возможность редактировать ранее введенные им же записи. В настоящее время дистанционное пополнение библиотеки ведется шестью научными специалистами из 34 ТОИ, Института вулканологии (г. Петропавловск-Камчатский), Дальневосточного госуниверситета (г. Владивосток). Специализированные подсистемы океанологической ГИС В настоящем разделе представлена информация о ряде специализированных подсистем ОГИС. Информационный слой «Морская геология и геофизика». Одними из первых в рабочий макет ОГИС были включены несколько массивов геолого-геофизических данных, которые были сгруппированы в отдельный раздел «Морская геология и геофизика». В частности, в этом разделе представлены детальные данные по батиметрии дальневосточных морей, карты донных фундаментов, карты распределения мощности осадочного чехла, карты геологических структур фундаментов, карты нефтегазовых проявлений, данные магнитометрии, карты сейсмичности и ряд других геологогефизических характеристик. Для примера на рис. 8 в картографическом окне визуализируются три информационных слоя по Охотскому морю: данные батиметрии (тонкие изолинии), разломы фундамента морского дна (толстые полилинии), проявления нефтегазовой активности (закрашенные области). Внизу справа показано информационное окно с атрибутивной информацией (вызывается по клику «Мышью» в картографическом окне) по географической точке с координатами 143.79º с.ш., 52.14º в.д. на шельфе о-ва Сахалин. Глубина моря в данной точке - 50 метров, через нее проходит разлом фундамента класса 0, имеется нефтегазовое проявление класса 0 - «Дагинская». Информационный слой «Гидрология». Одним из наиболее важных для океанологов видов данных, хранящихся в ОГИС, являются гидрологические данные (температура, соленость и ряд других характеристик среды), полученные в результате вертикального зондирования морской среды, традиционно проводящегося в разных точках Мирового океана практически во всех морских научных экспедициях. Как правило, в последние 2-3 десятилетия зондирование осуществляется с помощью т.н. CTD (Conductivity – Temperature - Depth ) зондов. В стандартной конфигурации опускаемый на лебедке зонд через определенные промежутки времени фиксирует глубину от поверхности океана, температуру воды и электрическую проводимость (Conductivity). Проводимость определяет такую важную гидрологическую характеристику, как 35 соленость. Часто позволяют регистрировать растворенного CTD-зонды кислорода, оборудуют дополнительными гидрохимические углекислого газа, показатели фосфатов) датчиками, (удельное и которые содержание некоторые другие характеристики. Подобные исследования на регулярной основе ведутся в мире немногим более 100 лет, в организациях накапливаются обширные массивы океанографических данных, некоторые крупные океанографические организации целенаправленно собирают интегрированные базы данных, включающие информацию из многих других океанографических организаций. Эти данные нужны не только «чистым» океанологам, но и морским геологам и геофизикам, гидрохимикам, гидробиологам, гидроакустикам и т.д. В связи с этим одной их актуальных задач для современной океанологии является задача накопления интегрированных баз данных, оперативного поиска и предоставления океанологам нужной информации. Учитывая, что океанографические данные фактически представляют собой сложные для восприятия четырехмерные распределения, заданные в очень нерегулярной пространственно-временной сетке, весьма важной является задача построения полезных для содержательной интерпретации данных одно- и двумерных пространственно-временных отображений. В ОГИС предпринята попытка решения этих двух проблем – предоставления всем специалистам института оперативного доступа к максимально широкой совокупности океанографических данных и возможности построения полезных для интерпретации отображений этих данных. Информационный слой «Гидрология» в ОГИС обеспечивает пользователям доступ к трем источникам гидрологических данных: 1 - базе океанографических данных ТОИ – «Океан-1»; 2 – данным банка океанографических данных WOD-2001, поддерживаемого Национальным центром океанографических данных (НЦОД) США ; 3 – данным попутных судовых наблюдений в районах Японского и Южно-Китайского морей, собираемым международной океанографической организацией NEAR GOOS. База данных «Океан-1» содержит результаты разнообразных гидрологических измерений, осуществленных специалистами ТОИ ДВО РАН в морских экспедициях в период c 1974 по 2004 годы (всего около 14 тыс. гидрологических станций). Эта база данных была подготовлена специалистами лаборатории Информатики и мониторинга океана ТОИ, тщательно проверена на наличие артефактов и реализована на одном из серверов названой лаборатории с помощью СУБД “Paradox”. Нами была сделана выборка из этой БД всех данных вертикального гидрологического зондирования (профили температуры и солености), которая затем была преобразована в формат СУБД MS SQLServer и размещена непосредственно на основном ГИС-сервере. При этом пользователям 36 ОГИС предоставляется возможность сделать запрос на выборку данных по любому заданному региону, указав временные пределы проведения измерений, максимальную глубину зондирования, вид измеряемого параметра (T или S). В результате обработки запроса в текущем картографическом окне отображаются белыми точками местоположения станций, удовлетворяющих запросу. На рис. 9-а представлен результат выполнения запроса местоположения станций с данными по температуре, выполненных в заливе Петра Великого в течение 1985 года. Изучив пространственное распределение станций в картографическом окне, пользователь может получить данные в цифровом или графическом представлении. Для этого он должен сначала кликнуть «Мышью» в картографическом окне вблизи интересующей станции, при этом ему будет предъявлен список станций из некоторой подобласти вблизи точки «клика», расположенных в порядке удаления от центральной точки (рис. 9-б). Далее пользователь может выбрать нужную станцию, нужный CTD параметр и режим визуализации – в виде графика (рис. 9в) или в виде таблицы “Глубина – значение параметра” (рис. 9-г). Второй источник гидрологических данных в ОГИС – официальный сайт Национального центра океанологических данных США http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD01/pr_wod01.html. Там выставлен для открытого доступа известный массив гидрологических данных WOD-2001. Массив включает данные вертикального зондирования гидрологических и гидрохимических характеристик морской среды, полученные различными океанографическими организациями по всему Мировому океану с момента начала гидрологических измерений более полутора веков назад по 2001 год. Этот массив постоянно пополняется новыми найденными данными, ранее помещенные данные редактируются с целью удаления случайных артефактов. С помощью описанной ранее системы автоматического мониторинга океанологических ресурсов Интернета программное обеспечение ОГИС с некоторой периодичностью проверяет сайт НЦОД на наличие обновлений в банке WOD-2001, которые автоматически скачиваются в БД ОГИС. Последующее преобразование данных и их встраивание в основной блок гидрологических данных ОГИС производится администратором либо оператором системы, обычно не позднее одной-двух недель с момента появления обновлений банка WOD-2001. Таким образом, практически в каждый момент времени в ОГИС поддерживается наиболее полная и правильная версия банка WOD-2001. Третий источник гидрологических данных в ОГИС– данные буйковых и попутных судовых измерений параметров состояния морской среды и атмосферы в приводном слое. Эти данные по региону северо-западной части Тихого океана собираются странами37 участниками международного океанографического проекта NEAR GOOS (Япония, Корея, Китай, Россия) и выставляются для goos1.jodc.go.jp/. участников проекта на сайте http://near- С помощью системы автоматического мониторинга ОГИС новые поступления данных буйковых и судовых наблюдений автоматически считываются в основную БД ОГИС и становятся доступными ее пользователям. В 2005 г. была разработана и встроена в систему аналитической поддержки ОГИС пилотная версия новой системы визуализации CTD-данных - Charmer. Пользователю предоставляется возможность производить выборки нужных CTD данных и получать полезные для их интерпретации визуальные отображения. Основное преимущество данной технологии по сравнению с настольными программами визуализации, например, известной программой Ocean Data View (Schlitzer, 2000), является возможность одновременной работы большого числа пользователей с едиными массивом данных, причем, с помощью простого и интуитивно понятного Web-интерфейса. Преимущество представленной технологии по сравнению с Web-основанными системами визуализации, например, с другой популярной в среде океанологов системой Java OceanAtlas (http://odf.ucsd.edu/joa/jsindex.html), состоит в том, что при использовании ОГИС CTD данные могут отображаться и анализироваться совместно с другими видами океанологических данных, например, с климатическими либо спутниковыми данными. Это расширяет возможности научных специалистов для проведения содержательной интерпретации океанологической информации. Ниже приведен ряд примеров, демонстрирующих возможности системы. На рис. 10 демонстрируются основные возможности системы Charmer. а – задание типа запрашиваемых данных и способа визуализации; б – установление временных ограничений на запрашиваемые данные, в – задание пространственной ограничений (в данном случае выбираются данные из региона в форме круга южнее п-ва Камчатка); г профили температуры на запрошенном подмножестве гидрологических станций, д – профили солености на тех же станциях; е – пример двумерного сечения поля температуры на заданном горизонте (построено по CTD-станциям, выполненным в Японском море с 1950 по 2000 годы в периоды с 1 по 10 апреля каждого года); ж – пример двумерного горизонтального сечения поля солености; з – вертикальное сечение поля солености вдоль указанной пользователем трассы, и – временная динамика среднего вертикального распределения температуры в заданном регионе. 38 Информационный слой «Спутниковая океанология». Одним из важных направлений современной океанологии является спутниковая океанология – исследование и мониторинг обширных акваторий океана на основе получения и анализа изображений морской поверхности океана. Начиная с 2002 года, в ОГИС организован, поддерживается, совершенствуется, пополняется данными информационный слой «Спутниковая океанология» (Голик, 2004в). Цели интеграции спутниковых данных в ОГИС были следующими. 1. Предоставление оперативного доступа всем заинтересованным специалистам ДВО РАН к новому информационному слою – данным спутниковых наблюдений морской среды 2. Для специалистов в области спутникового зондирования - возможность оперативного получения с помощью ОГИС разнообразных сопутствующих данных о состоянии морской среды с целью отработки методик интерпретации спутниковой информации 3. Для специалистов океанологов – возможность подключения к анализу и интерпретации океанологических данных результатов спутниковых наблюдений над районом исследований 4. Предоставление всем заинтересованным пользователям ОГИС программных средств для проведения обработки, анализа и интерпретации спутниковых изображений. В 2002 году в ОГИС был представлен архив РСА изображений (фиксируются радиолокаторами с синтезированной апертурой) со спутников Европейского космического агентства ERS-1, ERS-2. Этот архив был подготовлен в лаборатории Спутниковой океанологий ТОИ в течении нескольких лет. Права доступа для пользователей ОГИС к этим данным: Quick look-изображения – для всех пользователей сети ДВО РАН, полномасштабные изображения - в настоящее время только для сотрудников отдела Спутниковой океанологии ТОИ ДВО РАН. Регистрирующая аппаратура : радиолокационная станция с синтезированной апертурой (частота: 5.3 ГГц, размер кадра 100х100 км, разрешение ~25х25 м). Районы наблюдения: акватории Охотского, Японского, Восточно- и Южно-Китайского, Жёлтого, Сулавеси, Сулу морей. Время съемки: 1991-2002 годы. Всего в БД ОГИС было помещено свыше 300 РСА-изображений общим объемом около 3 Гигабайт. Основные задачи, решаемые с помощью массива РСА изображений: отработка методик обнаружения и локализации различных видов океанологических явлений на РСА- изображениях; 39 демонстрация перед научными специалистами ДВО РАН возможностей спутниковых радиолокационных станций с синтезированной апертурой для задач мониторинга состояния морской среды на обширных акваториях/ Опишем организацию работы пользователей ОГИС с массивом спутниковых РСАизображений. Для выбора нужных снимков пользователем уточняются критерии отбора: временной период проведения съемки; географические координаты актуального региона; факт наличия в БД ОГИС файла-изображения; спутник, с которого произведена съемка; орбита спутника; океанические явления, наблюдаемые на снимке; атмосферные явления, наблюдаемые на снимке. На рис. 11 представлено окно организации расширенного запроса к базе РСАизображений. В результате выполнения запроса в поле картографического окна показываются контуры снимков, удовлетворяющих указанным критериям. При клике мышью на соответствующий фрагмент в картографическом окне в специальном информационном окне визуализируется само изображение, либо несколько изображений, если все они «накрывают» указанную географическую точку. На рис. 12 приведен пример выполнения запроса на поиск и визуальное представление РСА-изображения, в котором присутствуют проявления атмосферных гравитационных волн. Запрошенные и визуализированные изображения могут быть сохранены в виде файлов графического формата на компьютер пользователя. При этом «обычные пользователи» могут получить только сокращенную (quick look) версию, а привилегированные пользователи – полную версию РСА-изображения. «Редактор спутниковых данных» ОГИС предоставляет возможность экспертам в области спутниковой океанологии на основании подробного визуального анализа РСАизображений, произвольно выбираемых из БД ОГИС, указывать типы океанологических явлений, которые на их взгляд, проявляются в этих изображениях. После того, как изображение, подлежащее интерпретации (редактированию) выбрано, оно предъявляется эксперту в виде с наиболее подробным разрешением. Вместе с изображением предъявляются таблицы возможных океанических и атмосферных явлений, которые потенциально могут визуально проявляться на спутниковых РСА-изображениях. Эксперту 40 необходимо отметить в таблице те явления, которые на его взгляд присутствуют на представленном к анализу изображении. В настоящее время таблицы содержат 30 вариантов для океанических явлений и 15 вариантов для атмосферных явлений. При необходимости эксперт может дополнительно прикрепить к анализируемому изображению файл с подробным описанием ситуации, регистрируемой на данном снимке. Эта дополнительная информация эксперта будет доступна для обычных пользователей ОГИС при выборе и просмотре данного изображения. Помимо радиолокационных снимков со спутников ERS-1, ERS-2 в БД ОГИС были внесены новые массивы спутниковых изображений дальневосточных морей и северозападной части Тихого океана (NOAA AVHR, Envisat ASAR WSM, Envisat ASAR APP, Terra/Aqua MODIS, Envisat MERIS) - всего около 1000 снимков общим объемов более 10 Гигабайт. Был усовершенствован интерфейс для запроса и отображения спутниковых данных, в частности, обеспечены новые возможности: 1 - географическая привязка, геометрическая коррекция и отображение растровых спутниковых изображений морской поверхности непосредственно в основном картографическом окне ОГИС; 2 - организация автоматического запроса данных подспутниковых наблюдений, согласованных по месту и времени получения с текущим анализируемым спутниковым изображением. Технология обеспечения спутниковых данных данными контактных подспутниковых наблюдений применяется при решении задачи разработки методик различения сликов естественного и искусственного (антропогенного) происхождения, наблюдаемых в спутниковых изображениях морской поверхности. При анализе спутниковых изображений, как обычные пользователи, так и эксперты в области спутниковой океанологии могут использовать комплекс программ обработки изображений, входящих в систему аналитической поддержки ОГИС. На рис. 13 представлены результаты применения программы корреляционно-спектрального анализа (Кисленок, 2002) к анализу спутникового радиолокационного изображения морской поверхности. На рисунке слева направо и сверху вниз последовательно представлены : исходное изображение, его двумерный Фурье-спектр, двумерная корреляционная функция, т.н. интегральная пространственная характеристика, описывающая свойства анизотропии структуры изображения; интегральная частотная характеристика в двух модификациях совместно с результатами ее аналитической аппроксимации одной из корреляционноспектральных моделей, поддерживаемых в программе. 41 Компьютерная программа морфологического анализа изображений «Morpho» ориентирована на выделении в изображениях структурных элементов - объектов, описание их геометрических свойств и закономерностей взаимного расположения объектов. На рис. 14 приведен пример использования программы для анализа спутникового РСА-изображения поверхности моря с визуально различимыми пятнами нефтяного загрязнения. Исходное полутоновое изображение (на рисунке слева) переводится в бинарное представление (в центре), далее подвергается морфологической фильтрации, позволяющей по возможности избавиться от ложных структурных элементов (справа), после чего может быть проведен статистический анализ геометрических характеристик по всей совокупности «правильных» структурных элементов (внизу слева) и анализ свойств указанного пользователем отдельного объекта (внизу слева), в данном случае – наиболее крупного нефтяного пятна. 42 Информационный слой «Сейсмоакустика». Данные сейсмоакустических наблюдений, проводимых специалистами ТОИ на Морской экспериментальной станции «м. Шульца» (Долгих, 2000), с формальной точки зрения не вполне соответствуют идеологии геоинформационных систем, которая предполагает работу с данными, имеющими координатную привязку – фактически, все эти данные привязаны к единственной координатной точке (4235’ с.ш. 13109’ в.д.). Однако, как было неоднократно показано, в том числе, в докладах прошедших в 1999, 2001, 2003 годах Всероссийских Симпозиумов по сейсмоакустике переходных зон, фон микросейсмической активности земной коры в переходной зоне океан-гидросфера в значительной мере определяется характеристиками морского дна, водной среды и атмосферы, физическими процессами, протекающими в этих средах. Задача выяснения и детализации воздействия процессов в океане на фон сейсмоакустических колебаний в береговой зоне представляет собой фундаментальную научную проблему современной океанологии. Включение сейсмоакустических данных в состав ОГИС в качестве самостоятельного информационного слоя, очевидно, должно содействовать решению этой задачи, поскольку заинтересованные специалисты получат возможность производить согласованные по времени выборки данных сейсмоакустических экспериментов на м. Шульца и разнообразных данных о процессах, протекающих на прилегающих акваториях, визуализировать эти данные и проводить анализ с применением эффективных программных средств из системы аналитической поддержки ОГИС. В 2004 году такая интеграция в состав ОГИС нового информационного слоя «Сейсмоакустика» была проведена (Фищенко, 2005а). Первой задачей была организация постоянно действующего сейсмоакустических данных. в корпоративной сети ТОИ файлового сервера До этого основной массив сейсмоакустических данных (оцифрованные записи сигналов колебаний земной коры и ряда сопутствующих характеристик) хранился в отделе акустики океана ТОИ в виде наборов файлов на компакт-дисках. Эти данные охватывают временной период с 1994 года по настоящее время, общий объем данных – более 200 Гб, общее число файлов – более 5000, дисков – более 240. Организация специального файлового сервера в компьютерной сети ТОИ ДВО РАН должна была обеспечить специалистам отдела акустики возможность быстрого поиска и копирования на свой компьютер нужных файлов данных. Такой файловый сервер был организован на базе персонального компьютера Pentium, размещенного в одном из помещений отдела акустики океана ТОИ. 43 Следующей задачей была организация информационного слоя “Сейсмоакустика” непосредственно на ГИС-сервере. Для этого во внутренних БД ОГИС была размещена метаинформация об имеющихся на внешнем файл-сервере сейсмоакустических данных (именах файлов, времени получения данных, частоте дискретизации, представленных информационных каналах, особых условиях проведения эксперимента, месте хранения резервной копии данных на компакт-дисках) и реализован протокол обмена, позволяющий при необходимости извлекать данные с файл-сервера, проводить их обработку средствами ОГИС либо пересылать в исходном виде пользователям. Также на ГИС-сервере хранятся т.н. Preview-образы – преднамеренно огрубленные графические отображения сигналов каждого файла. Для получения этих образов использовалась специальная программная утилита, с помощью которой был обработан весь массив сейсмоакустических данных. Доступ пользователей к сейсмоакустической информации регулируется специально настроенной политикой предоставления доступа. В настоящее время доступ к оригинальным данным разрешен только специалистам отдела акустики океана ТОИ, но потенциально эти данные по распоряжению научного руководителя работ могут быть открыты и для сотрудников других отделов, а также для пользователей Интернета. Более свободна политика предоставления доступа к Preview-образам сейсмоакустических данных, еще более открыт доступ к метаинформации об имеющихся данных. В целом, работа пользователя, обладающего всеми сейсмоакустической информации, выглядит следующим правами образом. доступа к В списке информационных слоев ОГИС пользователь видит слой «Сейсмоакустика», откуда он может произвести выбор одного из двух вариантов действий: «Каталог» и «Расширенный фильтр». При выборе пункта «Каталог» пользователю предоставляется в виде таблицы краткая метаинформация о всех имеющихся файлах сейсмоакустических данных (рис. 15). По умолчанию записи упорядочены по времени регистрации данных, однако могут быть легко переупорядочены пользователем и по другим параметрам. При выборе пункта «Расширенный фильтр» у пользователя появляется возможность отобрать в каталог не все файлы, а только файлы, полученные в указанный временной период и при этом содержащие записи указанных физических сигналов. Еще одна возможность произвести уточненную выборку сейсмоакустических данных реализуется путем внесения пункта «Сейсмообстановка» в информационные слои, которые потенциально могут быть связаны с особенностями микросейсмических колебаний на МЭС «м.Шульца». В частности, возможность быстрого перехода в информационный слой «Сейсмоакустика» обеспечивается из информационных слоев 44 «Тайфуны», «Землетрясения», «Спутниковая океанология». При таком переходе в рабочий каталог отбираются сейсмоданные, согласованные по времени регистрации с текущим наблюдаемым объектом соответствующего информационного слоя. При просмотре каталога с метаинформацией пользователь может визуализировать Prevew-образ файла (рис. 16). Этот образ содержит осциллограммы (временную развертку) и спектрограммы (частотно-временную развертку) всех информационных каналов файла. Это небольшие по размеру файлы, поэтому они загружаются на компьютер пользователя сети ТОИ практически мгновенно. Просматривая Preview-образ файла, пользователь может обратить внимание на какие либо особенности сигнала. Чтобы уточнить характер этих особенностей, пользователь может использовать программу пилотного частотно-временного анализа DSP (Антушев, 2006). Программа DSP реализована по т.н. компонентной технологии Active-X. Для вызова программы пользователю необходимо в окне каталога сейсмоакустических данных кликнуть мышью на соответствующую иконку напротив нужного файла. Если это производится в первый раз, то программное обеспечение автоматически скачивается с ГИС-сервера и устанавливается на компьютер пользователя. При повторных вызовах используются уже установленные программные компоненты. Взаимодействие пользователя с программой DSP ведется непосредственно в окне программы Интернет-навигатора, что удобно и привычно пользователям, имеющим некоторые навыки работы в сети Интернет. Кроме того, работу с программой облегчает встроенная система помощи пользователю (рис. 17-a). При загрузке программы в специальном окне «Каналы» (рис. 17-б) отображаются осциллограммы всех информационных каналов файла. Пользователь с помощью клавиш управления и «мыши» легко может выбрать любой фрагмент любого канала. Этот фрагмент может быть отображен в основном окне программы в одном из четырех видов: осциллограмма (временная развертка сигнала), спектр Фурье (периодограммная оценка спектральной плотности мощности), спектрограмма (частотно-временной спектр Фурье), вейвлетограмма (непрерывное вейвлет-преобразование фрагмента). На рис. 18 приведены примеры всех четырех отображений для одного и того же фрагмента сигнала микродеформаций. Для каждого типа отображения имеются соответствующие параметры настройки, позволяющие уточнить параметры алгоритмов и характер отображения. В случае, если необходима более детальная обработка, файл исходных данных полностью копируется на компьютер пользователя. Для его анализа могут использоваться две программы из системы аналитической поддержки ОГИС: универсальная программа 45 обработки и анализа многоканальных сигналов (Фищенко, 1999) и программа вейвлетанализа сигналов (Фищенко, 2003). Примеры использования ОГИС для поддержки научных исследований Как отмечалось ранее, рабочий макет ОГИС был выставлен в режиме апробации в сети ТОИ уже в 2001 году. Он неоднократно использовался специалистами различных научных подразделений института при проведении научных исследований. В данном разделе приведем два примера, касающиеся сейсмоакустических и, отчасти, спутниковых исследований (Фищенко, 2005б). Как отмечалось в предыдущем разделе статьи, в 2004 году в состав разрабатываемой в ТОИ ДВО РАН океанологической геоинформационной системы был интегрирован новый информационный слой – “Сейсмоакустика”. В настоящее время в этом слое представлены оцифрованные сигналы микродеформаций земной коры, регистрируемые с помощью лазерного деформографа на Морской экспериментальной станции ТОИ “м.Шульца”. В перспективе будут подключаться данные с подобных экспериментальных установок, которые планируется установить в ряде географических точек дальневосточного региона, а также данные гидроакустических экспериментов. Одной из целей такой интеграции сейсмоакустических данных в ОГИС было создание условий для проведения систематических исследований влияния процессов, протекающих в ближней и дальней зонах океана, на фон микросейсмических колебаний в переходной зоне «океан-материк». Как показано в некоторых исследованиях, такие природные процессы в океане, как поверхностное волнение, приливы, внутренние волны, океанические штормы, землетрясения оказывают существенное влияние на характер сигналов микродеформации земной коры, фиксируемых лазерными деформографами (Долгих, 2000). Это дает надежду в перспективе разработать эффективные методики дистанционного обнаружения и мониторинга океанических процессов на основе системы береговых лазерных деформографов. Работая с ОГИС, пользователи могут легко производить согласованные по времени выборки сейсмоакустических данных и данных о различных процессах в океане и проводить их анализ с целью установления и детализации взаимосвязи между этими видами данных. В качестве первого примера, демонстрирующего актуальность включения сейсмоакустических данных в ОГИС, приведем предварительные результаты одной 46 работы, ведущейся в ТОИ специалистами отдела Информационных технологий совместно со специалистами отдела Спутниковой океанологии. Одной из важных задач, решаемых в отделе Спутниковой океанологии, является разработка технологии обнаружения и описания различных океанических явлений по спутниковым данным. В частности, много сведений о процессах в океане дают изображения, получаемые со спутников радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА-изображения). Эти данные не зависят от погодных условий и времени суток, при этом они «чувствуют» микро- и макроособенности рельефа морской поверхности. Большой массив РСА-изображений совместно с описаниями предположительно проявляемых в них океанических явлений, сделанными экспертами отдела Спутниковой океанологии, был включен в ОГИС. На рисунке 19-а показано местоположение спутниковых РСА снимков с возможными проявлениями внутренних волн, полученных в 2000 году в районе вблизи мыса Шульца места проведения сейсмоакустических экспериментов. На рис. 19-б приведено ближайшее к м. Шульца РСА-изображение, на котором визуально заметны структуры, которые потенциально возможно соотнести с проявлениями внутренних волн. На рисунке 19-в приведена найденная в ОГИС запись сигнала микродеформации, сделанная примерно в то же время. На рисунке 19-г приведен спектр Фурье этого сигнала, рассчитанный с помощью программы из системы аналитической поддержки ОГИС. В спектре заметны три высокочастотные компоненты, которые можно соотнести с обычными поверхностными волнами и мощный низкочастотный пик, который возможно соотнести с внутренними волнами, которые потенциально могли возникнуть в это время вблизи м.Шульца. Наличие РСА-снимка (рис. 19-б) позволяет считать такое предположение весьма правдоподобным. С другой стороны, специалисты по спутниковой океанологии с учетом сейсмоакустических данных также с большей степенью уверенности могут идентифицировать структуры на спутниковом снимке именно как проявление внутренних волн. Второй пример демонстрирует возможности ОГИС для проведения систематических исследований особенностей проявления откликов землетрясений, происходящих в океане, в записях сейсмоакустических сигналов, регистрируемых на м. Шульца. Пользователь ОГИС может составлять запросы на предоставление информации о землетрясениях, происшедших в указанном районе в определенным временном интервале, удовлетворяющих ограничениям на их магнитуду и глубину расположения источника. На рис. 20-а показано окно ОГИС, где отмечены светлыми кружками места землетрясений силой не менее 5 баллов, произошедших в период с 1 по 10 сентября 2004 47 года. Самое крупное из них с магнитудой 7.40 баллов (отмечено большим кружком) произошло южнее острова Хонсю в точке с координатами (3318’ с.ш., 13707’ в.д.) 5 сентября в 14 часов 57 минут по Гринвичскому времени (6 сентября, 1 час 57 минут по Владивостокскому времени). Из информационного окна с описанием характеристик данного землетрясения пользователь сразу может перейти по гиперссылке к слою “Сейсмоакустика”, где он сможет найти и провести оперативный анализ записи сейсмоакустического сигнала, сделанной в это время, с помощью программы цифровой обработки DSP. На рис. 20-(б-д) показаны окна программы DSP при работе с найденной таким образом записью сейсмоакустического сигнала от 6 сентября 2004 года. В осциллограмме сигнала (рис. 20-б), начиная примерно с 02 часов 02 минут, заметна характерная для откликов землетрясений колебательная структура. Спектральный анализ этого фрагмента (рис. 20-в) показывает наличие в спектре двух характерных для сигналов землетрясений мощных пиков, соответствующих временным периодам 11 и 15 секунд. На рис.20-г в полутоновом представлении показана вейвлетограмма фрагмента, рассчитанная на основе комплексного вейвлета Морле. Отображается реальная часть вейвлетограммы. Начиная с момента начала фиксации отклика землетрясения, в ней заметна характерная для вейвлетов периодическая структура на временных масштабах, соответствующих основной частоте сейсмических колебаний. Зрительно заметна динамика основного периода сейсмических колебаний. На рис. 20-д в цветном представлении отображается модуль комплексной вейвлетограммы Морле, в котором динамика частотных свойств сейсмического сигнала представляется еще нагляднее. В частности, сначала видно яркое пятно, соответствующее двум начальным мощным колебаниям с периодом около 30 секунд, затем некоторое время идет фаза землетрясения с основным периодом 15 секунд, которую затем сменяет еще более длительная фаза с периодом 11 секунд, амплитуда которой со временем уменьшается. В заключение отметим, что в статье были рассмотрены концепция, архитектура, реализация и примеры практического использования корпоративной океанологической геоинформационной системы Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. В результате разработки ОГИС научные специалисты самого крупного в системе ДВО РАН института получили возможность непосредственно на своих рабочих местах запрашивать и оперативно получать разнообразную фактографическую информацию об основных объектах исследования на акваториях дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана, производить совместную картографическую и общенаучную 48 визуализацию запрошенных данных, обрабатывать данные с помощью эффективных программных средств анализа, использовать технологии распределенных и суперкомпьютерных вычислений для решения особо трудоемких задач моделирования и аналитической обработки данных. Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 02-07-90354-в, 06-05-96131р_восток_а) и грантов ДВО РАН (конкурсы 2002-2006 годов). Список литературы 1. Антушев С.Г., Голик А.В., Фищенко В.К. Обработка нестационарных сигналов в океанографической информационно-аналитической системе ДВО РАН // Тезисы докладов XXXI Дальневосточной математической школы-семинара им. академика Е.В. Золотова. Владивосток. 2006. с. 147-148. 2. Голик А.В. Разработка ГИС ТОИ ДВО РАН по северо-западной части Тихого океана на основе интернет/интранет. //Материалы третьей конференции “Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий”. Улан-Удэ. 2002. с. 238-242. 3. Голик А.В., Фищенко В.К., Павленко В.К. Организация системы сбора и мониторинга океанографической информации в интернете // Тезисы докладов Дальневосточной математической школы-семинара им. академика Е.В. Золотова. Владивосток. 2003а. с. 156-157. 4. Голик А.В., Фищенко В.К. Корпоративная океанографическая ГИС ДВО РАН: реализация концепции распределенности информационных и вычислительных ресурсов // Материалы 5-ой Всероссийской научно-технической конференции “Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий”. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2004а. C. 125-127. 5. Голик А.В., Фищенко В.К. Корпоративная океанографическая ГИС ДВО РАН: разработка и реализация политик доступа к информационным и аналитическим ресурсам // Труды Всероссийской научной конференции “Научный сервис в сети ИНТЕРНЕТ – 2004”. – М.: МГУ, 2004б. С.122-124. 6. Голик А.В., Фищенко В.К., Дубина В.А., Митник Л.М. Корпоративная океанографическая ГИС ДВО РАН: интеграция спутниковых и подспутниковых данных по северо-западной части Тихого океана // Исслед. Земли из космоса. 2004в. № 6. C. 73-80. 49 7. Голик А.В., Ущиповский В.Г, Ахалина Е.А., Фищенко В.К. Электронная библиотека полнотекстовых публикаций по проблемам океанографии, обработки данных и информационных технологий // Тезисы докладов XXXI Дальневосточной математической школы-семинара им. академика Е.В. Золотова. Владивосток. 2006. с. 155-156. 8. Дмитриева Е.В., Ростов И.Д. Разработка и реализация баз океанографических данных по северной части Тихого океана. Владивосток: Дальнаука, 2004. 143 с. 9. Долгих Г.И. Исследование волновых полей океана и литосферы лазерно- интерференционными методами. Владивосток: Дальнаука, 2000. 160 с. 10. Кисленок Е.Г. Программная система для корреляционно-спектрального анализа изображений в океанологических исследованиях. // Сборник статей по материалам конференции молодых ученых Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН. 2002. с. 123-128. 11. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. "Введение в ГИС". Учебное пособие. Изд-е 2-е исправленное и дополненное. - М.: 1997, 160 с. 12. Фищенко А.В., Фищенко В.К. Программная система анализа данных лазерной деформографии // Тез. докл. Всероссийского симпоз. "Сейсмоакустика переходных зон". Владивосток : Дальнаука, 1999. С. 49-52. 13. Фищенко В.К., Беликин Р.К., Голик А.В. Программная система Фурье- и вейвлетанализа данных лазерной деформографии // Третий всероссийский симпозиум "Сейсмоакустика переходных зон". Владивосток. 2003. C. 89-96. 14. Фищенко В.К., Голик А.В., Антушев С.Г. Представление в океанографической ГИС ДВО РАН информационного слоя "Сейсмоакустика"// Четвертый всероссийский симпозиум "Сейсмоакустика переходных зон". Владивосток. 5-9 сентября 2005а. C. 225-229. 15. Фищенко В.К., Голик А.В., Антушев С.Г. Применение океанографической ГИС для исследования влияния процессов в океане на фон микросейсмических колебаний // Четвертый всероссийский симпозиум "Сейсмоакустика переходных зон". Владивосток. 5-9 сентября 2005б. C. 239-243. 16. Фостер Я. “Что такое грид? Три критерия”, 2002 <http://www.gridclub.ru/library/publication.2004-11-29.5830756248> 17. Schlitzer, R. Ocean Data View (ODV5.0, 2000). <http://www.awi- bremerhaven.de/GEO/ODV/>. 50 Подрисуночные подписи к статье Фищенко Рисунок 1 (стр. 16) - Принципиальная схема ОГИС Рисунок 2 (стр. 17) - Начальная HTML-страница OГИС (адрес в интернете: http://gis.poi.dvo.ru/) Рисунок 3 (стр. 18) - Начальная конфигурация окна картографического отображения ОГИС (появляется при вызове пользователями, не зарегистрированными в системе) Рисунок 4 (стр. 19) - Типовая конфигурация окна картографического отображения при работе с ОГИС зарегистрированных пользователей Рисунок 5 (стр. 27) - Окно просмотра пользователем его текущего профиля политики доступа Рисунок 6 (стр. 33) - Просмотр окна системы аналитической поддержки ОГИС Рисунок 7 (стр. 34) - Электронная библиотека ОГИС Рисунок 8 (стр. 35) - Геология и геофизика морского дна Охотского моря. Рисунок 9 (стр. 37) - Запрос данных по температуре из БД «Океан-1» (залив Петра Великого, 1985 год) Рисунок 10 (стр. 38) - Демонстрация основных возможностей встроенной в ОГИС подсистемы визуализации CTD-данных - Charmer Рисунок 11 (стр. 40) - Запрос к базе спутниковых радилокационных изображений Рисунок 12 (стр. 40) - Запрос к базе спутниковых радилокационных изображений для выбора снимков с проявлениями атмосферных гравитационных волн Рисунок 13 (стр. 41) - Пример использования программы корреляционно-спектрального анализа изображений к анализу спутникового радиолокационного изображения морской поверхности. 51 Рисунок 14 (стр. 42) - Применение программы «Morpho» к анализу РСА-изображения с проявлениями нефтяных загрязнения. Рисунок 15 (стр. 44) - Каталог с запрошенными пользователем сейсмоакустическими данными Рисунок 16 (стр. 45) - Preview-образ одного из файлов сейсмоакустических данных Рисунок 17 (стр. 45) – Справочное окно и окно навигации по каналам программы DSP а – осциллограмма, б – спектральная плотность, 3 – спектрограмма, 4 – вейвлетограмма Рисунок 18 (стр. 45) - Различные представления одного и того же фрагмента сигнала а - контуры РСА снимков, б - РСА снимок с возможными проявлениями внутренних волн, в - сигнал микродеформации земной коры на м. Шульца, г - спектр Фурье этого сигнала с мощным низкочастотным пиком, возможно, обусловленным внутренними волнами. Рисунок 19 (стр. 47) - К задаче идентификации внутренних волн в океане Рисунок 20 (стр. 48) - Применение ГИС для анализа откликов землетрясений в записях сейсмоакустического сигнала: 52 Рисунок 1 - Принципиальная схема ОГИС 53 Рисунок 2 - Начальная HTML-страница OГИС (адрес в интернете: http://gis.poi.dvo.ru/) 54 Рисунок 3 - Начальная конфигурация окна картографического отображения ОГИС (появляется при вызове пользователями, не зарегистрированными в системе) 55 Рисунок 4 - Типовая конфигурация окна картографического отображения при работе с ОГИС зарегистрированных пользователей 56 Рисунок 5 - Окно просмотра пользователем его текущего профиля политики доступа 57 Рисунок 6 - Просмотр окна системы аналитической поддержки ОГИС 58 а б в Рисунок 7 - Электронная библиотека ОГИС 59 Рисунок 8 - Геология и геофизика морского дна Охотского моря. 60 а б в г Рисунок 9 - Запрос данных по температуре из БД «Океан-1» (залив Петра Великого, 1985 год) 61 а б в г е ж з и д Рисунок 10 - Демонстрация основных возможностей встроенной в ОГИС подсистемы визуализации CTD-данных - Charmer 62 Рисунок 11 - Запрос к базе спутниковых радилокационных изображений 63 Рисунок 12 - Запрос к базе спутниковых радилокационных изображений для выбора снимков с проявлениями атмосферных гравитационных волн 64 Рисунок 13 - Пример использования программы корреляционно-спектрального анализа изображений к анализу спутникового радиолокационного изображения морской поверхности. 65 Рисунок 14 - Применение программы «Morpho» к анализу РСА-изображения с проявлениями нефтяных загрязнения. 66 Рисунок 15 - Каталог с запрошенными пользователем сейсмоакустическими данными 67 Рисунок 16 - Preview-образ одного из файлов сейсмоакустических данных 68 а б Рисунок 17 – Справочное окно и окно навигации по каналам программы DSP 69 а б в г а – осциллограмма, б – спектральная плотность, 3 – спектрограмма, 4 – вейвлетограмма Рисунок 18 - Различные представления одного и того же фрагмента сигнала 70 М. Шульца РСА-изображение Внутренние волны ? а б Внутренние волны ? в г а - контуры РСА снимков, б - РСА снимок с возможными проявлениями внутренних волн, в - сигнал микродеформации земной коры на м. Шульца, г - спектр Фурье этого сигнала с мощным низкочастотным пиком, возможно, обусловленным внутренними волнами. Рисунок 19 - К задаче идентификации внутренних волн в океане 71 а б г в д Рисунок 20 - Применение ГИС для анализа откликов землетрясений в записях сейсмоакустического сигнала: 72 Перевод названия статьи на английский язык POI FEB RAS сorporate oceanologic geoinformation system или Corporate oceanologic geoinformation system of POI FEB RAS 73
