Корпоративная океанологическая геоинформационная система ТОИ ДВО РАН (стр. 3 )

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 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 "увеличить/уменьшить точку при клике «Мышью» в 2 раза". В любом случае на ГИС-сервер 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 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, во-первых, 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 научными специалистами отделения осложняется необходимость изучения достаточно сложных технологий 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 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 с основной страницы ОГИС, адрес http://gislib. poi. *****/main/. Интерфейс пользователя прост и понятен. 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 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 геолого-гефизических 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 соленость. Часто CTD-зонды оборудуют дополнительными датчиками, которые позволяют регистрировать гидрохимические показатели (удельное содержание растворенного кислорода, углекислого газа, фосфатов) и 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 SQL-Server и размещена непосредственно на основном ГИС-сервере. При этом пользователям 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. 9-в) 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 странами-участниками 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.

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.

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: 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; 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 РСА-изображений.

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 РСА-изображений. 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 РСА-изображений, 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 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 северо-западной 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 корреляционно-спектральных моделей, поддерживаемых в программе.

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.

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 (42°35’ с. ш. 131°09’ 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 в корпоративной сети ТОИ файлового сервера сейсмоакустических данных. 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.

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 правами доступа к сейсмоакустической информации, выглядит следующим образом. 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 «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.