Роль информационных технологий в науках о Земле на Дальнем Востоке России

Информационные технологии

Вестник ДВО РАН. 2016. № 5

УДК 004.7

А.И. ХАНЧУК, В В. НАУМОВА

Роль информационных технологий в науках о Земле на Дальнем Востоке России

В настоящее время на Дальнем Востоке России все более возрастает роль информационных технологий для решения задач в науках о Земле. Осуществляется организация сетей сбора, хранения и обработки информации, а также разработка систем оперативного мониторинга природных объектов. Широко применяются современные методы и технологии дистанционного зондирования Земли из космоса. Создаются территори-ально-распределенные информационные инфраструктуры поддержки и сопровождения научных исследований.

Ключевые слова: информационные технологии, науки о Земле, Дальний Восток России.

Role of information technologies for Earth sciences in the Russian Far East. A.I. KHANCHUK, V. V. NAUMOVA (Far East Geological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

The role of information technologies in the solution of scientific problems for Earth Sciences in the Russian Far East is increasingly growing nowadays. Data acquisition, storage and processing networks are organized and systems for an on-line monitoring of natural objects are developed. Up-to-date methods and technologies of remote satellite Earth sounding are widely applied. Geographically distributed information infrastructures are aimed at supporting and maintaining scientific investigations.

Key words: information technologies, Earth Sciences, Russian Far East.

Информационное обеспечение является необходимым условием для любой целесообразной деятельности в современном обществе. Информация сегодня - важнейший стратегический ресурс. В современном мире наибольший экономический и социальный успех сопутствует тем странам и организациям, которые активно используют новейшие средства компьютерных коммуникаций и сетей, информационных технологий и систем управления информационными ресурсами. Особое место информация и процессы, связанные с ее использованием, занимают в науке. Информационные технологии порождены наукой и направлены в первую очередь на создание информационной среды для науки, образования и наукоемких технологий, а также для промышленности и других сфер деятельности человека. Поэтому информатизация науки - это, по существу, современная форма внедрения результатов науки в практику и ее взаимодействия с обществом.

В составе Дальневосточного отделения РАН 14 институтов, работающих в области наук о Земле, которые проводят на Дальнем Востоке исследования по различным направлениям: геолого-геофизическим, океанологическим, географическим.

Многолетние исследования ученых позволили собрать огромную информацию. Полученные данные систематизируются. Создаются числовые архивы и базы данных (БД),

ХАНЧУК Александр Иванович - академик, директор, *НАУМОВА Вера Викторовна - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник (Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: naumova@fegi.ru

Статья написана на основе доклада, прочитанного на IV Международной конференции «Современные информационные технологии для научных исследований в области наук о Земле. ITES-2016» (подробнее см. на с. 164).

географические информационные системы (ГИС), информационно-поисковые системы (ИС), электронные библиотеки (ЭБ), центры обработки данных (ЦОД) и др. Благодаря новым методам сбора данных неуклонно растет их объем, повышается оперативность их получения, завершается переход на качественно новые, цифровые технологии сбора, обработки, распространения и использования данных. Для получения исходных данных используются системы дистанционного зондирования Земли из космоса, цифровые системы наземного и воздушного лазерного сканирования, цифровые и электронные геодезические приборы, цифровые аэросъемочные камеры и другие устройства. Новая цифровая и электронная среда существования научных данных создает условия для успешного применения современных информационных технологий для их использования при решении научных задач.

Телекоммуникационная инфраструктура ДВО РАН

Телекоммуникационная инфраструктура ДВО РАН развивается и эксплуатируется с первой половины 90-х годов, активно используя ресурсы федеральных операторов связи: РТК и ТТК, а также сотовых и спутниковых операторов связи. Она состоит из регионального сегмента, включающего Хабаровский, Камчатский, Северо-Восточный, Амурский, Сахалинский и частично Приморский научные центры (оператор - Вычислительный центр ДВО РАН), и Научно-образовательной сети г. Владивостока (оператор -Институт автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН) [14].

Научно-образовательная сеть Владивостока соединяет собственными оптоволоконными каналами Академгородок ДВО РАН и крупнейшие университеты Владивостока (устное сообщение А.В. Зацерковного, ИАПУ ДВО РАН). Для подключения к Интернет ИАПУ арендует услугу IP-access у магистральных операторов (ТТК, Билайн и РосТелеком) суммарной емкостью 290 Мбит/с. Радиоканал протяженностью 100 км соединяет острова, научные станции и заповедники с институтами Академгородка г. Владивостока (рис. 1, см. с. 3 обложки).

Функции управления региональным сегментом инфраструктуры выполняет Вычислительный центр ДВО РАН (ВЦ ДВО РАН). Сеть и ее сервисы построены на основе централизованного подхода. Для подключения к Интернет ВЦ ДВО РАН арендует услугу IP-access у магистральных операторов (ТТК, РосТелеком, Orange Business Services) суммарной емкостью 200 Мбит/с.

Городские сетевые инфраструктуры, обеспечивающие объединение сетей институтов в региональные сегменты Сети, функционируют на основе ВОЛС, на XDSL каналах, а также на арендованных каналах. Топология регионального сегмента Сети - «звезда» с центром в Хабаровске (ВЦ ДВО РАН). Соединение центра управления сетью в ВЦ ДВО РАН с телекоммуникационными инфраструктурами в научных центрах осуществляется с использованием арендованных каналов связи [15].

Центры обработки данных ДВО РАН

Наряду с огромными массивами уже собранной и частично организованной в БД и ГИС научной информации постоянно генерируются сверхогромные массивы вновь получаемой научной информации. Поэтому в настоящее время встает задача организации централизованного хранения больших объемов междисциплинарной научной информации с обеспечением высокоскоростного доступа к ней пользователей.

В ДВО РАН два центра обработки данных: в ИАПУ ДВО РАН и в ВЦ ДВО РАН.

Центр обработки данных ИАПУ ДВО РАН. В массиве 5 серверов, совмещающих функции узлов хранения и вычислительных узлов. Диски сгруппированы в RAID-массивы, что обеспечивает устойчивость каждого массива к потере одного или двух дисков.

К статье: А.И. Ханчук, В.В. Наумова. Роль информационных технологий в науках о Земле на Дальнем Востоке России

Рис. 1. Сетевая инфраструктура в заливе Петра Великого, Японское море

Суммарная емкость дисковых массивов составляет 94 Тб. Из них на данный момент занято 77 Тб. На этом оборудовании размещено 34 виртуальных сервера. В ЦОД ИАПУ размещены все прикладные Интернет-сервисы Института биологии моря, Тихоокеанского института биоорганической химии и издательства «Дальнаука». Тихоокеанский институт географии разместил здесь 12 Тб спутниковых данных (проект «ТИГИС»), Тихоокеанский океанологический институт - 30 Тб из зеркала «SCIHUB», Дальневосточный геологический институт - информационную инфраструктуру поддержки и сопровождения научных геологических исследований (Проект «Fareastgeology.ru») (устное сообщение А.В. Зацерковного, ИАПУ ДВО РАН).

Центр обработки данных ВЦ ДВО РАН в настоящее время включает следующие основные компоненты [15]:

Система обработки данных на базе шасси IBM BladeCenter H и шести серверных лезвий IBM HS23. Каждое из них содержит по два процессора Xeon E5-2680 8C с тактовой частотой 2,7 ГГц, 112 Гбайт оперативной памяти и сетевые интерфейсы с Ten Gigabit Ethernet и Fibre Channel портами.

Система хранения данных IBM DS3500 с общим объемом памяти 246,6 Тбайт, состоящая из 126 дисков разной емкости со скоростью работы: 72 единицы по 3 Тб (3,5" SAS 7.2K rpm), 30 единиц по 300 Гб (2,5" SAS 15K rpm), 24 единицы по 900 Гб (2,5" SAS 10K rpm). Для работы серверных лезвий с указанным дисковым массивом с использованием протокола Fibre Channel и двух коммутаторов IBM 44X1920 Brocade организована сеть хранения данных (SAN) со скоростью передачи данных 8 Гбит/с.

Дальневосточные вычислительные ресурсы

Важным ресурсом Сети является Дальневосточный вычислительный ресурс, организованный на базе Института автоматики и процессов управления ДВО РАН [2].

Основное оборудование:

• многопроцессорный вычислительный комплекс МВС15000 (IBM);

• многопроцессорный вычислительный комплекс МВС-1000/17 (НПО «Квант»);

• гибридный кластер SMH11 (Supermicro);

• источник бесперебойного питания 0NL-60K33 (Powercom).

Вычислительный кластер ВЦ ДВО РАН состоит сегодня из одного управляющего и 17 вычислительных узлов. Комплектация узлов следующая: управляющий узел Sun Blade X6250; 4 узла Sun Blade X6440; 5 узлов Sun Blade X6250; 8 узлов HP.

Видеоконференцсвязь

В 2006 г. в Дальневосточном отделении РАН построена Система видеоконфе-ренцсвязи [10]. В настоящее время видеоконференцсвязь используется институтами наук о Земле для обеспечения научных конференций, семинаров, лекций для молодых ученых и трансляции научных мероприятий в Интернет (рис. 2).

Информационная инфраструктура

Дальневосточного отделения РАН в области наук о Земле

Стремительное развитие глобальных информационных и вычислительных сетей привело к изменению фундаментальной парадигмы обработки данных, направление которой переместилось на использование распределенных информационно-вычислительных ресурсов и поддержку инфраструктуры для свободного доступа к ним. С одной стороны, наблюдается переход к исключительно распределенной схеме создания,

IV Международная конференция Современные информационные технологии для научных исследовании в облает наук о Земле ITES-2016 г. Южно-Саха,шнек, 7-11 ппп'гга 2016 г.

16  т » б

Рис. 2. Видеозапись доклада на конференции. Все доклады читаются в режиме прямой трансляции в Интернет

поддержания и хранения ресурсов, а с другой - стремление к виртуальному единству посредством предоставления свободного доступа к любым ресурсам сети через ограниченное число точек доступа.

К настоящему времени в институтах ДВО РАН созданы значительные цифровые ресурсы, накоплены большие объемы тематической информации в электронной форме. Задачи объединения этих ресурсов и организация их хранения с использованием современных информационных технологий, а также предоставление пользователям централизованного доступа к территориально распределенным, разнородным информационным ресурсам через соответствующие пользовательские интерфейсы являются необходимым условием дальнейшего эффективного развития науки.

В последние годы институты ДВО РАН, работающие в области наук о Земле, на основе созданной телекоммуникационной инфраструктуры развернули разнородные информационные ресурсы, которые в дальнейшем могут быть преобразованы в научную информационную инфраструктуру Дальнего Востока.

Центр спутникового мониторинга ИАПУДВО РАН

Центр осуществляет регулярный прием, архивирование, первичную обработку и предоставление данных полярно-орбитальных спутников серии NOAA (NOAA-15, NOAA-16, NOAA-18, NOAA-19) - 600 Мбайт/сут, 36-канального радиометра MODIS (спутники AQUA и TERRA), японского геостационарного спутника MTSAT-HRIT - до 3,0 Гбайт/сут для научных исследований и практического использования [5].

Система оперативного мониторинга за состоянием побережья и акваторий залива Петра Великого Японского моря [13]

Радиоканал протяженностью 100 км, входящий в состав научно-образовательной сети Владивостока, соединяет острова, научные станции и заповедники с институтами Академгородка Владивостока. Данные с различных экспериментальных установок, расположенных на побережье и акваториях, а также на судах, в режиме реального времени доставляются по радиоканалу во Владивосток, обрабатываются, в том числе и на высокопроизводительных суперкомпьютерах ИАПУ ДВО РАН, и предоставляются заинтересованным специалистам. Управляемые видеокамеры расположены на островах в зал. Петра Великого и на научных судах, собирающих научную информацию в прибрежных водах

Японского моря, а также под водой. Камеры подводного наблюдения обеспечивают видеотрансляцию подводных сцен в реальном режиме времени [6].

Информационная инфраструктура поддержки и сопровождения геологических исследований на Дальнем Востоке России [9]

Инфраструктура предоставляет доступ через Интернет к разнотипной территориально распределенной геологической информации на территорию Дальнего Востока России: научным публикациям, картам, спутниковым данным, количественным данным, фото- и видеоинформации, экспертным знаниям и другой информации. Технологически она представляет собой платформу для интеграции разнородных блоков геологической информации и сервисов ее обработки (рис. 3).

Инфраструктура пространственных данных ДВО РАН [4]

Ее основные ресурсы:

1) цифровые модели рельефа различной степени детальности;

2) бесшовные мозаики топографических карт различных масштабов;

3) базовая физико-географическая информация на территорию Приморского края, Дальнего Востока, Российской Федерации, мира;

4) космические снимки среднего (Landsat MSS), высокого (Landsat TM 4, 5, Landsat 7 ETM+) разрешения на территорию Приморского края и Дальнего Востока, многозональные и панхроматические (Global Land Survey 1975, 1990, 2000, 2005);

5) космические снимки высокого разрешения ASTER, ALOS AVNIR, ALOS PRISM на большую часть территории Приморского края;

6) ортофотоплан на южную часть Приморского края на основе снимков ALOS PRISM (2,5 м).

Геопортал ИВиС ДВО РАН. Вулканологические и сейсмологические данные и сервисы [12]

Инфраструктура пространственных данных Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН включает систему управления метаданными, систему хранения и управления пространственными данными и геопортал. Основные компоненты геопортала - каталог метаданных, коллекции вулканологических и сейсмологических данных, геосервисы. Информационная веб-система «Вулканы Курило-Камчатской островной дуги»

Рис. 3. Главная станица Информационного портала «Геология Дальнего Востока России»

предназначена для интеграции широкого комплекса научных данных по наземным и подводным вулканам региона. Картографические веб-сервисы реализованы в рамках системы VOKKIA. Публикация пространственных метаданных и данных геосервисов на геопортале ИВиС ДВО РАН обеспечивает возможность их эффективного поиска в сети Интернет, делает их доступными мировому научному сообществу и способствует повышению оперативности обмена данными между исследователями (рис. 4).

Сеть непрерывно действующих геодезических GNSS и совмещенных с ними широкополосных цифровых сейсмических станций [1]

С 2001 г. ведутся работы по созданию, сопровождению и расширению Приморской геодинамической GPS сети (PGGN), предназначенной для мониторинга локальных движений и деформаций земной коры в пределах Приморского края. К настоящему времени сеть состоит из 13 пунктов на материке и 10 пунктов на островах зал. Петра Великого. Уже накоплен большой наблюдательный материал. С начала 2009 г. авторским коллективом начато развертывание сети непрерывно действующих геодезических GNSS и совмещенных с ними широкополосных цифровых сейсмических станций. Получены первые высококачественные данные GPS/ГЛОНАСС и сейсмологических наблюдений.

Создан и продолжает регулярно пополняться архив вспомогательной информации и GNSS наблюдений (RINEX-файлы) на региональных станциях (включая территории сопредельных государств) за период 1996-2009 гг., необходимый для математической обработки выполненных спутниковых измерений и оценки смещений пунктов GNSS сети, расположенной на территории Дальнего Востока России. С целью оперативной обработки информации, поступающей с пунктов единой сети сейсмологических и деформационных наблюдений (ЕССДН) ДВО РАН, коллективом сектора геодезии и геодинамики Института прикладной математики ДВО РАН организован центр по сбору, хранению и обработке данных спутниковых геодезических измерений, проводимых на территории Дальнего Востока России.

Интеграция вычислительных, информационных, аналитических ресурсов, имеющихся в институтах и научных подразделениях, на основе существующих телекоммуникационных инфраструктур является одним из важнейших направлений развития современных информационных технологий.

Рис. 4. Геопортал ИВиС ДВО РАН

Некоторые научные результаты в области наук о Земле,

полученные с использованием информационно-телекоммуникационной

инфраструктуры ДВО РАН

Показана эффективность применения теории масштабных пространств при геологическом дешифрировании радиолокационных космических снимков для выявления зон различных типов разрывных нарушений и тектонических блоков. Дано описание 1856 разломов Дальнего Востока, выполнено новое районирование Восточно-Азиатского рифтового пояса, выделены и охарактеризованы крупнейшие Приохотский и Тан-Лу-Охотский рифты [3].

Современные вертикальные движения земной коры на юге Приморского края Российской Федерации носят знакопеременный характер и зависят от геодинамических процессов в зоне субдукции, расположенной к востоку от Японских островов, что может служить долгосрочным предвестником катастрофических землетрясений в этой зоне. После мегаземлетрясения Тохоку 11.03.2011 г. (Mw = 9,0), по результатам непрерывных GPS-наблюдений по январь 2014 г., авторами статьи обнаружены постсейсмические вертикальные движения от 7 до 14 мм/год на расстояниях около 1000 км от эпицентра. Эти движения продолжаются до сих пор. Вертикального косейсмического скачка в момент землетрясения, в отличие от горизонтального, не обнаружено. Знак наклона земной поверхности после землетрясения изменился на обратный, что подтверждает взаимосвязь возможных вертикальных движений в дальней зоне и процессов в зоне субдукции [1].

Для формального и компьютерного представления распределения трещиноватой структуры земной коры рассмотрены способы построения их статистических оценок посредством современного аппарата семейства радиально-базисных функций. Разработано такое расширение элементов этого семейства, применение которого способствует выявлению рельефа поверхности рассматриваемой функции (функция задается дискретной выборкой своих значений). Здесь аргументами функции выступают пространственные координаты трещин/разломов, а значением функции - одна из характеристик самой трещины (например, магнитуда). Выполнено обоснование способа оценки статистической значимости соответствующих параметров радиально-базисных функций. На основании результатов серии вычислительных экспериментов разработана методология формирования набора их центров [17].

Использование мульти- и гиперспектральных спутниковых данных предоставляет уникальную возможность дистанционного обнаружения, идентификации, классификации объектов и явлений, связанных с проявлением активного вулканизма, и современных гидротермальных процессов.

Выяснено, что точность определения высоты пеплового облака по температуре в инфракрасном диапазоне уменьшается по мере рассеивания пеплового облака вскоре после извержения. Результаты анализа стереоданных спектрорадиометра MISR предоставляют более точную информацию о высоте движущихся пепловых облаков, что подтверждается и методом моделирования (увеличение точности на 10-20 %) [7].

Рассмотрены особенности распространения ледяного покрова на шельфе Сахалина, выявленные при анализе данных дистанционного зондирования, полученных со спутников в декабре 2014-апреле 2015 г. Обсуждается применение данных спутникового микроволнового (МВ) пассивного и активного (РСА и скаттерометры) зондирования для изучения эволюции ледовой обстановки в районах добычи и транспортировки нефти. Основное внимание уделено МВ измерениям радиометра AMSR2 со спутника GCOM-W1 и изображениям РСА SAR-С со спутника Sentinel-1A. Для интерпретации РЛ сигнатур привлекаются изображения в видимом и ИК диапазонах, полученные со спутников Aqua и Suomi NPP, поля ветра по данным скаттерометра MetOp-B и показания метеорологических станций. Демонстрируются вариации структуры и характеристик прикромочной ледовой зоны при различных направлениях и скоростях ветра. По изображениям РСА

оценивается ледовая обстановка вокруг нефтяных платформ и взаимодействие платформ с дрейфующим льдом. Показано, что совместный анализ многосенсорных данных позволяет определять сплоченность ледяного покрова и скорость приводного ветра, идентифицировать типы льда и оценивать их толщину. Информация, собранная с нескольких спутников, повышает временное разрешение, улучшает прогноз ледовой обстановки и оценку воздействия арктической среды на нефтяные платформы [8].

Исследована мезомасштабная изменчивость ледовых процессов на дальневосточных морях, в том числе в районах шельфа, где планируется строительство объектов нефтегазовой промышленности. На основе анализа спутниковых данных выявлены особенности эволюции и уточнены климатические характеристики ледяного покрова в Амурском заливе в районе п-ова Ломоносова и на северо-восточном шельфе о-ва Сахалин [2].

ЛИТЕРАТУРА

1. Герасименко М.Д., Шестаков Н.В., Коломиец А.Г., Герасимов Г.Н., Такахаси Хироаки, Сысоев Д.В., Нечаев Г.В. Вертикальные движения юга Приморского края и их связь с геодинамическими процессами в зоне субдукции // Геодезия и картография. 2016. № 3. С. 30-34.

2. Дубина В.А., Плотников В.В., Лазарюк А.Ю. Особенности ледяного покрова в районе полуострова Ломоносова (залив Петра Великого) // Вестн. ДВО РАН. 2015. № 2. С. 93-100.

3. Забродин В.Ю., Рыбас О.В., Гильманова Г.З. Разломная тектоника материковой части Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2015. 132 с.

4. Краснопеев С.М. Опыт развертывания ключевых элементов инфраструктуры пространственных данных на базе веб-служб // IV Всерос. объед. конф. «Интернет и современное общество» (IMS-2011): сб. тр. Санкт-Петербург, 2011. С. 92-99.

5. Левин В.А., Алексанин А.И., Алексанина М.Г., Бабяк П.В. Состояние дел и перспективы развития ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды в области информационных и телекоммуникационных технологий // Открытое образование. 2008. № 4. С. 23-29.

6. Маркевич А.И., Суботэ А.Е., Зимин П.С., Фищенко В.К. Первый опыт использования системы долговременного подводного видеонаблюдения для биологического мониторинга в заливе Петра Великого (Японское море) // Вестн. ДВО РАН. 2015. № 1. С. 86-91.

7. Мельников Д.В., Маневич А.Г., Гирина О.А. О точности определения высоты пепловых шлейфов и облаков с помощью спутниковых данных // Материалы 13-й Всерос. открытой конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 2015. — http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_conf/thesisshow. aspx?page=109&thesis=5194

8. Митник Л.М., Хазанова Е.С. Ледяной покров на шельфе Сахалина в районах добычи и транспортировки нефти по данным спутникового микроволнового зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 2. С. 9-24.

9. Наумова В.В., Горячев И.Н, Дьяков С.В., Белоусов А.В., Платонов К.А. Современные технологии формирования информационной инфраструктуры для поддержки и сопровождения научных геологических исследований на Дальнем Востоке России // Информационные технологии. 2015. № 7. С. 551-559.

10. Наумова В.В., Сорокин А.А., Горячев И.Н. Видеоконференцсвязь -мультимедийный сервис корпоративной сети Дальневосточного отделения РАН // Информационные технологии. 2009. № 4. С. 66-70.

11. Основные сведения о вычислительном кластере // Параллельные вычисления в ВЦ ДВО РАН. — http:// hpc.febras.net/node/10

12. Романова И.М., Зеленин И.М., Михайлюкова П.Г., Пономарева В.В. Геопортал Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН и геосервис «Голоценовый вулканизм Камчатки» // Геодезия и картография. 2015. № 8. С. 17-23.

13. Фищенко В.К., Голик А.В., Гончарова А.А., Олейников И.С., Подольский Л.А., Суботэ А.Е. Развертывание киберинфраструктуры и элементов системы комплексного оперативного мониторинга побережья и акваторий залива Петра Великого // Современные методы и средства океанологических исследований: материалы 14-й Междунар. науч.-техн. конф. «МСОИ-2015». М.: ИО РАН, 2015. Т. 2. С. 300-303.

14. Ханчук А.И., Наумова В.В., Сорокин А.А. Корпоративная сеть ДВО РАН - высокотехнологичная интеграция научных подразделений // Вестн. РАН. Т. 78, № 4. С. 298-303.

15. Ханчук А.И., Сорокин А.А., Смагин С.И., Королёв С.П., Макогонов С.В., Тарасов А.Г., Шестаков Н.В. Развитие информационно-телекоммуникационных систем в ДВО РАН // Информационные технологии и вычислительные системы. 2013. № 4. С. 45-57.

16. ЦКП Дальневосточный вычислительный ресурс // Современная исследовательская инфраструктура Российской Федерации. — http://ckp-rf.ru/ckp/354231.

17. Четырбоцкий А.Н. Численное моделирование вязкости мантии Земли методами радиально-базисных функций в среде MATLAB // Информационные технологии. 2014. № 1. С. 14-18.