Сюнтюренко О.В., Кадлип В., Кравцов Ю.А., Кудашев Е.Б., Раев М.Д., Арманд Н.А., Саворский В.П., Тищенко Ю.Г., Смирнов М.Т., Мясников В.П.: Российско-Бри

Российско-Британский спутниковый экологический мониторинг на основе Web и Интернет-технологий

В. Кадлип, DERA (Великобритания)
Ю.А. Кравцов, Е.Б. Кудашев, М.Д. Раев, Институт космических исследований РАН
О.В. Сюнтюренко, Российский фонд фундаментальных исследований
Н.А. Арманд, В.П. Саворский, М.Т. Смирнов, Ю.Г. Тищенко, Институт радиотехники и электроники РАН
В.П. Мясников, Институт автоматики и процесссов управления Дальневосточного отделения РАН

Введение. Анализ информационной ситуации

Развитие новейших информационных технологий, появление Интернета привели к повышению эффективности информационного обмена в мировом научном сообществе, бурному росту международного научного сотрудничества и новым формам кооперации. У российских ученых появился доступ к информационным ресурсам ведущих национальных научных центров, к зарубежным базам данных с научной и технической информацией. В свою очередь, мировое научное сообщество получило доступ к российским информационным ресурсам, что также послужило делу интенсивной интеграции научно-исследовательской деятельности.

В статье рассматривается эффективность использования информационных технологий при решении задач космического экологического мониторинга, компьютерного обеспечения систем мониторинга крупномасштабных природных и техногенных объектов.

Использование телекоммуникационной инфраструктуры, гипертекстовых и интерактивных технологий чрезвычайно перспективно в спутниковом мониторинге окружающей среды. Решение этих задач приводит, в свою очередь, к проблеме разработки национальных информационных ресурсов по дистанционному зондированию при проведении фундаментальных природо-ресурсных и экологических исследований.

В статье рассматриваются как направления российско-британского космического экологического мониторинга, так и результаты создания электронной коллекции данных космического экологического мониторинга, получившей название Научного архива космической информации Института радиотехники и электроники РАН.

Активное построение Научного архива на базе компьютерных информационных технологий создает принципиальную возможность того, что электронная коллекция становится местом перераспределения и упорядочения данных. Интернет обеспечивает ускоренную циркуляцию информации между участниками международного проекта.

Анализ влияния сетевой среды и новейших информационных технологий на структуру современной электронной коллекции приводит к существенным изменениям инфраструктуры архивации и обмена данными для возможно большего круга внешних пользователей.

В статье рассматриваются конкретные результаты разработки информационных ресурсов по экологическим и природо-ресурсным космическим исследованиям в России.

Спутниковый экологический мониторинг
и информационные ресурсы дистанционного зондирования

Дистанционные методы исследования Земли приобретают во всем мире всеобъемлющий характер. Ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования (локаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой), выведен на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации, для оценки состояния окружающей среды и природо-ресурсных исследований. Для космического экологического мониторинга целесообразно ориентироваться, прежде всего, на метеорологические спутники, как отечественные – типа «Ресурс», так и на американские – серии NOAA. Высокая периодичность мониторинга (несколько раз в сутки) и хорошо разработанное метеорологическое и методическое обеспечение обработки информации позволяют контролировать состояние окружающей среды:

обнаруживать лесные и торфяные пожары (рис. 1);
определять тепловые аномалии и тепловые выбросы крупных производств и ТЭЦ мегаполисов (рис. 2);
регистрировать дымные шлейфы от труб, а также паводки и разливы рек и т. д.

Рис. 1. Лесные и торфяные пожары

Современному уровню глобальных программ исследования Земли из космоса должны соответствовать инфраструктуры обработки, архивации и обмена спутниковыми данными, телекоммуникационные системы, информационные системы и базы данных космической информации. Решение проблемы создания национальных информационных ресурсов по экологическим и природо-ресурсным программам на основе дистанционных методов исследования Земли из космоса было поддержано в 1998 году (проект 98-07-90209) Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).

Институтом космических исследований (ИКИ) РАН, Институтом радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН и Институтом автоматики и процессов управления (ИАПУ) Дальневосточного отделения РАН разрабатывается комплексный проект создания интегрированной распределенной информационной системы данных дистанционного зондирования Земли. Создаются региональные центры приема, обработки и обмена спутниковыми данными.

Региональные Центры располагаются по всей территории России, например, действуют в Москве (ИКИ РАН, Институт МЧС и др.), в Красноярске (структуры МЧС) и во Владивостоке (ИАПУ ДВО РАН).

Научный архив данных дистанционного зондирования

При создании архива данных дистанционного зондирования важно уже на этапе проектирования обеспечить его структуризацию, необходимую, прежде всего, для того, чтобы эффективно получать нужные данные. При таком подходе структуризация архива производится исходя из представлений о составе типовых запросов. Опыт эксплуатации архивов космической информации показывает, что типовые запросы включают, как правило, название проекта, в рамках которого получены данные, и прибора (сенсора), показания которого включены в архив. Поэтому при создании архива необходимо разделить его на сегменты (разделы), соответствующие различным уровням представления данных, а в каждом из них выделить подразделы, которые содержат наборы данных, относящиеся к конкретному проекту и научному прибору (сенсору). В этом случае будет обеспечен наиболее эффективный (с точки зрения временных затрат) поиск и извлечение данных из архива. При такой организации архива сокращаются затраты на его поддержание. Это обусловлено тем, что подготовка резервных копий выходящих из строя лент необходима, прежде всего, для максимально используемых наборов данных, т. е. может быть проведена в рамках подраздела архива, и не требует копирования данных, не входящих в данный раздел.

Стандартизация уровней представления данных, т. е. минимальных требований, предъявляемых к составу хранимых наборов данных в зависимости от глубины их обработки, является одним из необходимых условий развития любого архива, тем более при создании архива долговременного хранения космических данных. При выборе уровней представления данных необходимо обеспечить, с одной стороны, определенную классификацию хранимой информации, а с другой – максимально возможную гибкость разработанного классификатора с тем, чтобы использовать его при описании разнообразных наборов космических данных.

Разработаны и используются несколько национальных и международных стандартов и рекомендаций по описанию уровней представления данных. Одним из наиболее универсальных и гибких является стандарт, принятый в рамках программы NASA EOSDIS и рекомендованный Международным комитетом по спутниковым наблюдениям Земли (CEOS). В данной работе этот стандарт используется как базовый при описании наборов данных.

Основные функции Научного архива

Основными функциями Научного архива являются:

обеспечение средств ввода и долговременного хранения наборов экспериментальных космических данных и результатов их обработки;
предоставление потенциальным потребителям всей необходимой информации о наличии наборов космических данных в архиве, а также о состоянии и оперативных планах экспериментальных работ (с помощью Интернета в режиме реального времени);
обеспечение недискриминационного распределения данных по заказам потребителей космической информации;
обработка, интерпретация и анализ всех радиофизических данных;
обработка и интерпретация оптических и ИК данных сканеров МСУ-СК и МСУ-Э;
интерпретация данных наземных измерений;
архивирование всех данных уровня L0, всех калиброванных и верифицированных данных уровня L1, распределений восстановленных геофизических параметров (уровни L2 и L3);
каталогизация всех архивных наборов данных.

Общая архитектура Научного архива космической информации

Структура системы архивирования для наборов данных уровня 0 (L0) и уровня 1 (L1) приведена на рис. 3. Следует отметить, что архивирование данных уровней 2-4 принципиально такое же, как и уровня 1.

Рис. 3. Аппаратурное оснащение Научного архива космической информации

Архив объединен с центрами информационной поддержки с помощью глобальной сети Интернет на основе Российской научной космической сети. Основной задачей при реализации российско-британского проекта является разработка структуры интерфейса, архивации и сетевого обмена данными дистанционного зондирования. Это потребовало развития поисковых систем и реализации удаленного интерактивного доступа внешних пользователей Интернета к экспериментальным данным и электронным каталогам космических программ. Также значительно повысились требования к производительности и гибкости инфраструктуры центров информационной поддержки спутникового экологического мониторинга.

Реализация проекта должна обеспечить российским и британским участникам программы эффективное разрешение информационных ресурсов, открытый доступ к гео- и пространственно распределенным экспериментальным данным на основе Web-технологий. С этой целью разрабатывается развитая инфраструктура со структурами метаданных, обеспечивающая сбор и распределение экспериментальных данных и результатов тематической обработки, предоставление пользователям возможности для интерактивного доступа к ним в режиме on-line. Проект должен обеспечить российских и британских пользователей адекватными и высококачественными информационными ресурсами, полученными в результате долговременных природо-ресурсных и экологических исследований Земли из космоса. Центры информационной поддержки и Научный архив спутниковых данных по производительности и гибкости вычислительных средств удовлетворяют требованиям по сопровождению интенсивных потоков научных данных.

Технические параметры
и программно-аппаратурный комплекс архива

Технические параметры инфраструктуры:

ввод и регистрация наборов экспериментальных данных и сопроводительной информации объемом до 10 Гбайт в день (в среднем 1 Гбайт в день);
архивирование исходных данных и результатов обработки объемом до 15 Гбайт в день;
подготовка наборов данных по заказам пользователей (до 5 Гбайт в день);
обработка экспериментальной информации с производительностью до 300 MFl;
обеспечение доступа к серверам по ЛВС ЦОХКИ со скоростью не менее 10 Мбит/с;
обеспечение доступа к ресурсам Интернета по каналу с пропускной способностью 512 Кбит/c;
обеспечение хранения информации в течение 15 лет;
обеспечение пользователей средствами удаленного доступа к системе поиска и заказа данных из архива ЦОХКИ ИРЭ РАН (по выделенному каналу емкостью 256 Кбит/с).

Инфраструктура архивации и эффективного высокоскоростного обмена данными в созданном научном архиве представлена на рис. 4.

Рис. 4. структура системы ввода, архивации и распределенных данных

Технические параметры инфраструктуры архива позволяют осуществлять ввод данных в автоматизированном режиме – до 6 Гбайт исходных данных в день. Это необходимо для оперативной обработки потоков данных в периоды интенсивных экспериментов длительностью 1–2 недели каждые три месяца. В остальные периоды система первичного ввода данных обеспечивает ввод со среднесуточной интенсивностью до 1 Гбайта. Вычислительные средства Центров обладают общей производительностью более 500 MFL, что необходимо для обеспечения декоммутации, контроля качества, калибровки, валидации, обеспечения временной и пространственной привязки, синтеза РСА.

Для проведения распределенной обработки данных с использованием графических интерфейсов высокого разрешения локальная вычислительная сеть Научного архива обеспечивает доступ с рабочих станций к центральному серверу с производительностью порядка 10 Мбит/с. Средства долговременного хранения данных обеспечивают занесение в архив и извлечение из него наборов данных до 15 Гбайт в день внешними потребителями информации. Телекоммуникационные средства информационной системы обеспечивают интенсивность обменов данными по глобальным компьютерным сетям не менее 512 Кбит/с, что необходимо для обеспечения доступа внешних пользователей к ресурсам архива в графическом режиме и позволяет эффективно обмениваться как метаданными, так и просмотровыми формами базы данных. Разработанная информационная система является единственной отечественной системой со свободным доступом к данным дистанционного зондирования по отечественным и международным научным природо-ресурсным и экологическим космическим программам. Потенциальные возможности развитой инфраструктуры архивации и обмена данных позволяют использовать информационную систему в рамках крупных космических проектов для обработки, архивации и распределения данных. Обеспечена операционная совместимость системы с электронными каталогами центров хранения космических данных NASA и ESA и эффективный обмен данными в рамках международного научного сотрудничества по проекту «Природа».

Литература

1. Kravtsov Yu., Kudashev E., Armand N., Myasnikov V., Savorsky V., Smirnov M., Syuntyurenko O., Tishchen-ko Yu. Development of Environmental Information Resources for Russian Remote Sensing Space Programs. Proceedings ISAS 99/SCI 99, Orlando, Florida, USA.
2. Kudashev E., Armand N., Kravtsov Yu., Myasni-kov V., Savorsky V., Smirnov M., Tishchenko Yu. The Development of Earth Observation System and the Interactive Satellite Image Server for Nature Disaster Reduction in RUSSIAN. Proceedings of 50^th International Astronautical Congress, IAF-99-C.1.07. October 4–8, 1999, Amsterdam, the Netherlands.
3. Kravtsov Yu. A., Kudashev E. B., Raev M. D., Savor-sky V. P., Tischenko Yu. G. Telecommunication infor-ma-ti-on resources of aerospace environmental and natural resources programs. Proceedings of the Russian Conference TELEMATICS 98, S. Petersburg, 10–12 June 1998.
4. Kravtsov Yu, Kudashev E. Environmental management and remote sensing cooperation of the territory of Russia and the states of former Soviet Union. RSS 98. Developing International Connections. Proceedings of the 24^th Annual Conference and Exhibition of the Remote Sensing Society, p. 185–186. The University of Greenwich, 9–11 September 1998.
5. Kravtsov Yu., Kudashev E., Raev M. Real Oppor-tunities for Moscow Environmental Management on the basis of Remote Sensing and Internet technologies// Rivista di TELERILEVAMENTO, 4, p. 32, 1998.
6. Kravtsov Yu. A, Kudashev E. B., Satellite techniques in Early Warning systems for large towns and megacities. Proceedings of International IDNDR Conference on Early Warning Systems for the Reduction of natural disasters, p. 106. Potsdam, Federal Republic of Germany, September 7–11, 1998.
7. Anosov V. Ya, Butkovsky O. Ya, ZakharovM. Yu., Kravtsov Yu. A., Kudashev E. B., Lupian Е. А. Using the satellite information and information computer networks for operational environmental monitoring. MONITORING, 1998, 1(9), p. 27–29.
8. Kravtsov Yu. A., Kudashev E. B., Moiseev S. S. Monitoring of geophysical processes against a background of small-scale variability. Proceedings of European Geophysical Society. 24^th General Assembly, The Hague, the Netherlands. 1999.
9. Kravtsov Yu. A., Kudashev E. B., Armand N. А., Savorsky N. А., Tishchenko Yu. G. RSSI – Russian Space Science Internet: Information resources for natural and technogenonus disasters. Proceedings of International Symposium «Reduction of Emergency Risks». Moscow, June 24–25, 1998.
10. Kravtsov Yu. A., Kudashev E. B., Raev M. D., Bon-da-rev V. V., Golomolzin V. V. Using of satellite moni-to-ring for the estimate of living activity danger at megacities. Proceedings of 2 Russian Science Conference «Physical Environmental». Moscow State University, January 18–21, 1999.
11. Kudashev E. B, Armand N. А., Kravtsov Yu. А., Myasnikov V. P., Raev М. D. Savorskii V. P, Smirnov M. T, Tishchenko Yu. G. Integration of information resources for Earth Observation. The Proceedings of conference TELEMATICS 99, S. Petersburg, 1999, June 7–10.
12. Armand N. А., Kravtsov Yu. А., Kudashev Е. B., Myasnikov V. P., Savorsky V. P., Smirnov М. Т., Tishchenko Yu. G. Project IAPU–IKI–IRE. The Remote Sensing methods and telecommunication information resources for Russian environmental and natural resource programs. Proceedings of International Seminar ISIS 99, Pacific Institute, Russian Academy of Sciences, Vladivostok, March 1999.
13. Kravtsov Y. and Kudashev E. B. Development of environmental management for the megacity of Moscow on the basis of satellite monitoring technologies and computer telecommunication networks. UDMS. Urban Data Management Society. Proceedings of UDMS 99, p. 11. 4. 21^st Urban Data Management Symposium, Venice, Italy, 21–23 April 1999.
14. Kudashev E. B. and Kravtsov Yu. A. Remote sensing for operational applications in the environment of the Moscow megacity. Proceedings of Second International Symposium on Operationalization of Remote Sensing, Enschede, The Netherlands, August 16-20, 1999.