Состояние дел и перспективы развития ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН в области современных информационных и телекоммуникационных технологий

2. Гордеев Е.И., В.Н. Чебров, В.И. Левина, В.И. Синицын, Ю.В. Шевченко, В.В. Ящук. Система сейсмологических наблюдений //Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки. -Петропавловск-Камчатский: Изд-во Камчатский печатный двор, 2004. - С.11-42.

3. Гордеев Е.И., Чебров В.Н., Левина В.И., Сенюков С.Л., Шевченко Ю.В., Ящук В.В. Система сейсмологических наблюдений на Камчатке // Вулканология и сейсмология . - 2006. - № 3. - С. 6-27.

4. Федотов С.А., Кузин И.П., Бобков М.Ф. Детальные сейсмологические исследования на Камчатке в 1961-1962 гг.// Изв. АН СССР. - Сер. геофиз. - 1964. - № 9.- С. 1360-1375.

5. Чебров В.Н. Развитие сейсмологических наблюдений, оценка сейсмической опасности на Камчатке (1915-2006 гг.) // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: Материалы Междунар. сейсмологич. школы. - Обнинск: ГС РАН, 2006. - С.135-139.

6. Бахтиарова Г.М. Цифровой архив региональных станций Камчатского Филиала ГС РАН // Геофизический мониторинг Камчатки.: Матер. научн.-технич. конф. 17-18 января 2006г.). - Петропавловск-Камчатский, 2006. - С. 29-31.

7. Федотов С.А. Энергетическая классификация Курило-Камчатских землетрясений и проблема магни-туд. - М.: Наука, 1972. - 116 с.

СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЦКП РЕГИОНАЛЬНОГО СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДВО РАН В ОБЛАСТИ

СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В. А. Левин, академик, зам. директора ИАПУ ДВО РАН Тел.:8(4232)31-39-99; E-mail:levin@iacp.dvo.ru Институт автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН

http://www.iacp.dvo.ru А.И. Алексанин, к.т.н., зав. лабораторией Тел.:8(4232)31-04-68; E-mail:aleks@iacp.dvo.ru М.Г. Алексанина, к.т.н., с.н.с. Тел.:8(4232)310468; E-mail:margeo@satellite.dvo.ru

П.В. Бабяк, инж.-программист Тел.:8(4232)31-04-68; E-mail: vanger.paul@gmail.com ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН

http://www.satellite.dvo.ru

The problems of the information supplying of the meteorological satellite data for users interested are considered. Multiple Access Centre for Regional Satellite Monitoring of environment FEB RAS accepts, processes and uses the data to solve the problems in ecosystem monitoring of the Far East seas.

Введение

При анализе ситуации на рынках Тихого океана наблюдается общая тенденция регионального развития мировой экономики -сдвиг в Азию. Уже сейчас на долю пяти из 144 стран - членов ВТО (Китай, Мексика, Гон-ког (Китай), Тайвань и Южная Корея) приходится более 60 % от всего экспор-

та ВТО. Согласно прогнозам аналитиков, в целом «вес» Дальневосточного региона среди мировых центров экономической мощи вырастет за последние пятнадцать лет с 39 до 47% [1]. Кроме того, Дальневосточный регион является основным районом, обеспечивающим морепродукцией как нашу страну, так и прилегающие страны Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР). Поэтому проблема оценки биопродуктивности Дальневосточных морей стоит остро. В связи с этим особенно актуальными становятся проблемы мониторинга состояния и запасов морских биоресурсов, а также безопасности

морских акваторий и атмосферы над ними, в том числе и экологической.

Взрывное развитие методов и средств дистанционного зондирования Земли из космоса делают возможным создание эффективной системы информационного обеспечения для принятия решений в области науки, образования, управления хозяйственным комплексом и экологического контроля. В сегодняшних условиях, когда авиационная и судовая рыборазведка практически прекращена, спутниковый мониторинг является единственным источником регулярной оперативной информации о промысловых районах. Использование ДДЗ (данных дистанционного зондирования) океана позволяет принципиально изменить планирование и проведение морских экспедиционных исследований в рамках государственного мониторинга водных биоресурсов. Интеграция с мировыми центрами данных, а также создание специализированных архивов данных спутниковых съемок океана позволят восполнить отсутствие отечественных ИСЗ (искусственных спутников Земли) [2].

Поэтому решение вышеперечисленных проблем состоит в развитии методов спутникового экологического мониторинга районов Дальнего Востока в режиме реального времени на базе новейших информационных и телекоммуникационных технологий.

Возможности Спутникового центра ДВО РАН

Спутниковый центр ДВО РАН организован в 1999 году на базе лаборатории Спутникового мониторинга Института автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН (опыт приема и обработки спутниковой информации более 20 лет) с участием Тихоокеанского океанологического института (ТОИ) ДВО РАН им. В.И. Ильичева и Тихоокеанского института рыбного хозяйства и океанографии (ТИНРО). Спутниковый центр прошел международную регистрацию как SML/IACP/RAS (Satellite Monitoring Laboratory, Institute of Automation and Control Processes, Russian Academy of Sciences). В 2004 году Спутниковый центр получил статус Центра коллективного пользования Российской академии наук [3].

Техническую базу Центра составляет 4-антенный комплекс приема цифровой информации высокого разрешения с метеорологических спутников Земли, передающих на частотах около 1.7 Ггц и 8 Ггц. Это базовые спутники - полярно-орбиталь-ные для

мониторинга моря и суши в трех ключевых спектральных диапазонах (ИК-тепловом, видимом (цветность) и микроволновом) -ШАА/АУНКЯ, БУ-Ш, ШАА/АТОУ8; Тегга/МОБК, Адиа/МОБК, Адиа/АМ8Я-Б; геостационары для мониторинга атмосферы МТ8АТ-1И, БУ-2С.

Основная деятельность ЦКП спутникового мониторинга заключается: в получении необходимых данных в режиме реального времени; автоматизации обработки полученных данных; создании новых технологий для мониторинга океана и атмосферы [4], что обусловлено географическим положением.

Центр ведет исследования и разработки (рис.1.) по следующим направлениям:

1. Первичная обработка спутниковых данных - коррекция, калибровка и географическая привязка.

2. Тематическая обработка - создание технологий расчета океанологических и атмосферных полей на основе обработки и визуализации спутниковой информации, а также математического моделирования.

3. Получение, хранение и поставка потребителям спутниковой и сопутствующей информации.

4. Автоматизация обработки данных и интеграция в глобальные информационные системы.

Поскольку дальневосточные моря входят в сферу интересов соседних стран, деятельность Центра осуществляется в тесной международной кооперации по совместному развитию технологий и обмену данными с другими странами АТР. Объединение усилий в рамках крупных международных проектов отвечает интересам всех стран-участниц и направлено на развитие спутниковых технологий мониторинга. В первую очередь, это касается развития следующих технологий:

- построение всепогодных карт температуры поверхности моря;

- построение профилей влажности и температуры атмосферы;

- расчет полей течений по спутниковым альтиметрическим измерениям с автоматическим обнаружением и расчетом па-

раметров вихреи океана;

- расчет макропараметров тайфунов в нижней тропосфере (максимальное значение скорости, радиус зоны максимальных скоро-

стей, дефицит давления в центре, радиусы фиксированных значений скорости);

- оценка биопродуктивности и экологического состояния морей.

Рис.1. Информационная система обработки и поставки данных

ЦКП спутникового мониторинга участвует в следующих международных проектах:

UNESCO/IOC/WESTPAC - проект по восстановлению температуры поверхности океана (ТПО) на основе современных спутниковых технологий, подпрограмма «Новая генерация температурных полей океана», являющаяся, по сути, частью глобального международного проекта GODAE (Global Ocean Data As-прогноз «погоды»

М.Г. Алексанина

similation Experiment), океана.

CEARAC/NOWPAP/UNEP - Special Monitoring Coastal Environmental Assessment Regional Activity Centre/ Northwest Pacific Action Plan/ United Nation Environment Program - международный региональный центр (Тояма, Япония), работающий в рамках программы ООН (Организации объединенных наций) по охране окружающей среды (программа по спутниковому мониторингу нефтяных загрязнений и массового цветения водорослей).

NearGOOS - международная регио-

нальная организация по созданию глобальной системы наблюдения за океаном -Global Ocean Observation System (GOOS). Представитель Центра спутникового мониторинга ДВО РАН участвует в программе NEAR-GOOS ( глобальная система наблюдения за океаном в Северо-Восточной Азии).

A-P RARS - Азиатско-Тихоокеанский сегмент глобальной службы обмена спутниковыми данными для мониторинга атмосферы (Asia-Pacific Regional Advanced Retransmission Service). [Получили приглашение участвовать в сети A-P RARS по обмену данными радиометра ATOVS (спутник NOAA) в режиме реального времени].

Эти программы организованы на основе самофинансирования и предполагают совместное развитие и обмен технологиями и данными. Согласно современным требованиям к построению тематических карт по данным метеорологических спутников Земли необходимо в режиме реального времени получать, обрабатывать и поставлять потребителю поступающую информацию, что позволяет использовать спутниковую информацию для управления научными исследованиями, хозяйственным комплексом региона и контролировать опасные явления природы. Поэтому одним из основных направлений работ является создание новых технологий распределенной обработки спутнико-

вых данных и обмена информацией с соответствующими агентствами Азиатско-Тихоокеанского региона и Европы, а также конечными потребителями [5].

Технологии обработки и доступа к спутниковым данным

Задача предоставления пользователю спутниковой информации достаточно сложна. Это связано с тем, что разнообразие методов и алгоритмов обработки спутниковых данных (часто недостаточность квалификации) не позволяет конкретному пользователю, даже при условии получения всей доступной информации, обработать эту информацию самостоятельно.

Чтобы перенести значительную часть обработки спутниковых данных со стороны пользователя на сторону спутникового центра, предоставить возможность выбирать и формулировать уровень обработки, а также формат выходного результата, необходимо решить следующие проблемы:

- аккумулировать средства извлечения информации из спутниковых данных;

- генерировать метаданные (данные о данных) для принимаемой спутниковой информации;

- автоматически обрабатывать спутниковые данные в соответствии с запросами пользователей и собственно запросы на обработку;

- организовать доступ, обмен и поставку спутниковых данных.

Кроме того, для спутниковых данных особенно остро стоит задача совмещения разнородных данных, полученных с помощью различных измерительных датчиков. При этом данные разных спутников отличаются по форматам, методам и программным средствам обработки, которые к тому же функционируют под разными операционными системами. Наряду с этим современный уровень использования спутниковых метеорологических данных требует оперативно (не позднее 40 минут) получать, обрабатывать и поставлять потребителю поступающую информацию. Поэтому в Центре спутникового мониторинга ДВО РАН для интеграции имеющегося программного обеспечения обработки данных разных спутников и достижения требуемой оперативности поставки данных получила развитие распределенная система обработки на основе задания сценариев обработки в зависимости от типа данных и требуемых выходных продуктов.

Распределенная система обработки спутниковых данных

Построение автоматических сценариев обработки до недавнего времени сдерживалось отсутствием надежного алгоритма точной географической привязки полярно-орбитальных спутниковых изображений. Созданный в Центре алгоритм, поднявший процент привязываемых спутниковых изображений в сложных условиях наблюдений с 20 до 80%, а также развитие методики прогноза параметров географической привязки позволили решить эту проблему [6].

В настоящее время создан ряд автоматических сценариев (рис.2.) по приему, обработке, архивации и поставке потребителям различной спутниковой информации (несколько сотен тысяч различных карт и изображений в год). На сегодняшний день реализованы сценарии тематической обработки для полярно-орбитальных спутников серий NOAA и FengYun, а также геостационарного спутника MTSAT-1R. Проходит опытную эксплуатацию сценарий тематической обработки данных радиометра MODIS, спутники TERRA и AQUA. Запуск сценариев обработки и инициация программ на удаленных компьютерах развивается на основе ssh-доступа к ресурсам локальной сети Центра.

В дополнение к принимаемым данным функционируют автоматические службы, берущие по сети Интернет информацию как спутниковую (альтиметрические измерения, данные микроволнового сканирующего радиометра AMSR-E), так и сопутствующую (навигационные телеграммы, аэрология, прогнозные метеополя).

При интеграции различного программного обеспечения придерживались следующих общих требований:

- для автоматической обработки работать в пакетном режиме;

- задание параметров осуществлять либо через командную строку, либо через конфигурационные файлы;

- формат входных и выходных файлов должен быть открытым для возможности передачи результатов обработки из одного пакета в другой.

В соответствии с выдвинутыми требо-

ваниями адаптированы программные комплексы 8еаБЛ8, европейские пакеты программ ЛЛРР, ЯТТОУ и МеЮШее 1-БУЛЯ для оценки различных параметров океана и атмосферы.

Рис. 2. Сценарии автоматической обработки данных метеорологических спутников в рамках распределенной системы

Наряду со стандартным программным обеспечением созданы собственные методики и программы, которые позволили получить новые результаты в ряде областей динамики океана и атмосферы. Созданы технологии построения композиционных карт температуры, динамики и структуры (вихри, фронты, лед) морской поверхности. Наиболее важное и наименее разработанное в настоящее время направление связано с анализом структуры полей и выделением вихрей и струй течений, циклонов и тайфунов атмосферы, фронтов и т.д. Мониторинг объектов подразумевает их автоматическое выделение с оценкой макропараметров пространственных и динамических характеристик. Созданы оригинальные методики, основанные на анализе ориентированных текстур инфракрасных изображений [7]. Эти методики позволяют вести анализ термических структур моря и автоматически выделять вихри с оценкой их положения и формы, оценивать положения зон максимальных скоростей течений и вести расчет стационарных течений заданной акватории моря [8], а также оценивать характерные масштабы турбулентных структур и их связь с плотностными характеристиками моря [9]. Внедряются новые технологии автоматического мониторинга тропических циклонов с количественными

оценками их пространственных и динамических характеристик и поставкой в режиме реального времени. Ведется разработка технологии спутникового мониторинга биопродуктивности моря.

Разрабатываемая распределенная система обработки принимаемых спутниковых данных на основе задания сценариев позволяет создавать спутниковые карты различных явлений океана и атмосферы в Дальневосточном регионе Тихого океана.

Развитие веб-интерфейса и интеграция в существующие сети обмена данными

Для организации доступа пользователей к данным функционирует сайт Центра (http://www.satellite.dvo.ru/), организован ftp доступ (ftp://ftp.satellite.dvo.ru/). Реализованы сервисы поставки унифицированных форматов данных и метаданных (уровни обработки данных - Level 0,1,2,3; формат поставки под различные пакеты программ тематической обработки). Развивается интерактивная гипертекстовая система заказов, а также оформление заказа на индивидуальную обработку спутниковых данных (http://www.satellite.dvo.ru/zakaz.html) на основе интеграции средств сайта, созданного на базе современных средств PHP/Apache, с базой метаданных и средствами распределенной обработки спутниковой информации.

Система заказов способна принимать в себя наборы данных об имеющихся спутниковых данных в XML формате, предварительно выбранных по архивам метаданных. Это немаловажный факт, так как системы поиска и системы заказов зачастую работают разрозненно даже в лучших глобальных информационных системах. В конечном виде создаваемая интерактивная гипертекстовая система должна позволить удаленному пользователю инициировать обработку данных по его собственным схемам на основе программного обеспечения и вычислительных ресурсов Спутникового центра, а также дать возможность проводить расчеты с помощью признанных программных пакетов, которые часто ему не доступны.

Для интеграции Центра в существующие сети обмена спутниковыми данными и метаданными используются наработки, полученные в рамках проекта SSE (Services Support Environment) Европейского космического агентства (ESA). В первую очередь, это SSE Toolbox - средство организации веб-служб для обмена метаданными и дан-

ными через SSE. SSE Toolbox - это промежуточное программное обеспечение (middleware), позволяющее использовать различные механизмы (ftp, http, SOAP, JDBC, API, XML-scripting) для обеспечения взаимодействия внешнего пользователя с внутренними процедурами Центра. Одним из основных способов доступа к такой системе для пользователя является интерфейс на сервере SSE Portal. SSE Portal производит вызовы веб-сервисов, работающих под управлением SSE-Toolbox, и предоставляет результаты в понятной пользователю форме. Поставка спутниковых данных предполагает использование FTP-доступа. В то же время необходимо учитывать существование подходов, применяемых в информационной системе EOSDIS/ECHO(NASA) и сервиса netCDF, используюемого для обмена данными в проекте GODAE (Глобальный эксперимент по усвоению данных о параметрах океана в численных моделях прогноза). Другим направлением поставки данных может стать применение развивающихся OpenGIS-технологий.

Заключение

Современный уровень спутникового информационного обеспечения потребителей подразумевает поставку взаимоувязанных полей и развитые информационные и телекоммуникационные технологии доступа к данным [10]. Развитие этих технологий в ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН имеет свою специфику в соответствии с целями и задачами Центра.

Спутниковый центр ДВО РАН - это комплекс из четырех автономных станций приема цифровой информации с метеорологических спутников Земли, передающих на частотах около 1.7 Ггц и 8 Ггц. Смонтированное и адаптированное в январе 2008 года оборудование завершило обеспечение Спутникового центра ИАПУ ДВО РАН необходимыми программно-техническими средствами приема и обработки данных базовой группировки метеорологических спутников для организации мониторинга океана и ат-

мосферы на современном уровне: геостационарные спутники - MTSAT-1R, FY-2Q полярно-орбитальные - NOAA, FengYung-1D, SeaStar/SeaWiFS. Организованы прием и обработка данных со спутников нового поколения - AQUA/MODIS и TERRA/MODIS.

Создана и функционирует в режиме реального времени служба круглосуточного приема, обработки получаемой информации и доведения результатов до потребителей через средства удаленного доступа, Интернет, E-mail и INMARSAT; имеется подсистема обработки и архивации информации на базе 20 персональных компьютеров. Все компьютеры объединены в локальную вычислительную сеть с выходом в сеть ДВО РАН и через сеть Академии наук в высокоскоростные сети университетов городов Владивостока и Хабаровска.

В силу больших потоков ежедневно поступающей информации (до 12 Гбайт/день) интенсивно развиваются средства автоматизации обработки спутниковых изображений: получение спутниковой информации в рамках Центра, ее архивирование и первичная обработка (калибровка, географическая привязка, построение карт в общепринятых проекциях), тематическая обработка и поставка данных потребителям. При этом используются имеющиеся в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН многопроцессорные супер-ЭВМ.

Для организации доступа пользователей к данным функционирует сайт Центра (http://www.satellite.dvo.ru/), организован ftp доступ (ftp://ftp.satellite.dvo.ru/), сервисы поставки унифицированных форматов данных и метаданных, развивается интерактивная гипертекстовая система заказов

(http://www.satellite.dvo.ru/zakaz.html). Интеграция Центра в существующие сети обмена спутниковыми данными и метаданными ориентируется на подход и соответствующее программное обеспечение Европейского космического агентства (ESA) (регистрация Центра в портале ESA: http://sartre.esrin. esa.int/portal/user/GetCompanyInfo.do?compan yId=8B802B82).

Работа поддержана грантами РФФИ №06-01-96915_р-офи и №08-07-00227, а также грантами ДВО РАН.

Литература

1. Национальная морская политика Российской Федерации на Дальнем Востоке: проблемы и пути обеспечения стратегических интересов государства в Мировом океане //Матер. междунар. научн.-практич. конф. (16-17 декабря 2003г.)/ Владивостокское морское собрание. - Владивосток: ДВГУ, 2003.332 с.

2. Романов А.А. Использование новых информационных технологий в отраслевой системе мониторинга Госкомрыболовства России //Сб. тр. I открытой Всеросс. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». - М.: ИКИ РАН, 2004. - С.17-32.

3. Центры коллективного пользования Российской академии наук. - М.: Наука, 2004. - 193с.

4. Левин В.А., Алексанин А.И., Алексанина М.Г. Задачи и проблемы спутникового информационного обеспечения мониторинга океана и атмосферы на Дальнем Востоке //Вестник ДВО РАН. - 2007. -№ 4. - С.95-110.

5. Alexanin A.I., Babyak P.V., Herbeck F.E., Levin V.A. Satellite information support of scientific researches and economic applications//Proc. //Science&Technical information-STI2002. - October 16-18,Moscow, 2002. - P.17-18.

6. Катаманов С.Н., Алексанин А.И. Автоматическая привязка спутниковых изображений AVHRR/NOAA при сложных условиях наблюдения //Сб. тр. III открытой Всеросс. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». - М.: ИКИ РАН, 2006. - С.41-48.

7. Алексанин А.И., Алексанина М.Г., Горин И.И. Спутниковые ИК-изображения: от термических структур к полю скоростей //Исслед. Земли из космоса. - 2001. - № 2. - С.7-15.

8. Aleksanin A.I., Aleksanina M.G. Detection of Stable Synoptic Structures of Ocean Surface on Satellite IR Images//Pattern Recognition and Image Analysis. - 2005. - Vol.15. - № 2. - P.487-489.

9. Alexanin A.I., Alexanina M.G., Herbek E.E., Ryabov O. Scaling property estimation of Thermal sea surface turbulent structures on NOAA IR-imagery //In Proc. OCEANS'98,28 Sept.-1 Oct.,1998. Nice, France, 1998. - Vol.2. - P.1000-1005.

10. Кудашев Е.Б., Левин В.А., Филонов А.Н.. Интеграция спутниковых архивов и проблемы доступа к информационным ресурсам спутникового экологического мониторинга //Тр. Всеросс. открытой конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса (физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)». - М: ИКИ РАН, 2005.

ПОИСК ДАННЫХ В ГРИД: СООТНОШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТЕЙ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КЛАСТЕРОВ, ХРАНИЛИЩ ДАННЫХ

М.Н. Жижин, к. ф.-м. н., зав. лабораторией Тел.: (495)930-61-15; E-mail: jjn@wdcb.ru А.А. Пойда, асп. МГУ, н. с. Тел.: (495)930-6115; E-mail:poyda@wdcb.ru Д.Ю. Мишин, асп. Института физики Земли, н. с. Тел.: (495)930-61-15; E-mail: dimm@wdcb.ru Геофизический Центр РАН http://www.gcras.ru А.П. Платонов, к. ф.-м. н. директор Тел.: (499)196-72-78; E-mail:plat@kiae.su Российский научно-исследовательский институт развития общественных сетей

http://www.ripn.net:8080 А.А. Солдатов, д. ф.-м. н., декан МФТИ, директор по научному развитию Тел.: (499)196-52-55; E-mail: saa@kiae.su В.Е. Велихов, к. ф.-м. н. зам. директора Тел.: (499)196-52-55; E-mail: velikhovve@kiae.su Институт информационных систем РНЦ «Курчатовский институт»

http://www.kiae.ru М.Н. Боярский, гл. спец. Тел.: (495)333-14-88; E-mail: mb@rssi.ru Р.Р. Назиров, д. т. н., зам. директора по научной работе Тел.: (495)333-2023; E-mail: rnazirov@space.ru Институт космических исследований РАН http://www.iki.rssi.ru