Корпоративная океанологическая геоинформационная система ТОИ ДВО РАН (стр. 1 )

Корпоративная океанологическая геоинформационная система ТОИ ДВО РАН

, , . ,

Тихоокеанский океанологический институт им. ДВО РАН, г. Владивосток

Эффективность исследований в области наук о Земле в значительной мере определяется степенью использования научными специалистами современных информационных технологий и математических методов анализа данных. Так многократно возросшие объемы и многообразие видов данных, которые привлекают геологи, геофизики, океанологи и другие специалисты при исследовании тех или иных пространственно-временных процессов и явлений на земной поверхности или в океане, обусловили необходимость применения современных систем управления базами данных. Для анализа данных, имеющих географическую привязку, а таковыми являются практически все данные в науках о Земле, чрезвычайно актуально использование технологий геоинформационных систем. Большие массивы потенциально полезных данных выставляются в Интернете, что делает актуальным использование современных Web-технологий, в частности, автоматических поисковых систем. В последние годы в мире отмечается тенденция к организации распределенных мониторинговых экспериментов, данные которых должны поступать с мест регистрации в исследовательские центры и обрабатываться в режиме реального времени. Это с особой остротой ставит вопрос о развертывании и использовании эффективной телекоммуникационно-вычислительной инфраструктуры, обеспечивающей оперативную передачу и обработку данных мониторинговых экспериментов. Полученные данные в конечном итоге должны быть проанализированы и интерпретированы специалистами с целью формулирования нового научного или прикладного знания об объекте исследования. На этом этапе следует использовать программные средства, реализующие те или иные математические методы обработки и анализа данных. В последнее время арсенал математических методов существенно расширился. В частности, новый качественный скачок в технологии обработки сигналов и полей обеспечили методы, основанные на применении вейвлетных разложений. Многие актуальные для исследователей задачи автоматической классификации, распознавания образов, моделирования и прогноза могут решаться с использованием технологий искусственных нейронных сетей. В качестве отдельного научного направления сформировалась технология Data Mining, интегрирующая в себе обширную совокупность математических методов, направленных на автоматический поиск закономерностей и отклонений от закономерностей в больших массивах данных. Важным инструментом исследования пространственно-временных процессов и явлений являются программные системы математического моделирования этих явлений. Модели, наилучшим образом воспроизводящие поведение реальных данных, позволяют лучше понять механизмы, обусловливающие возникновение и развитие тех или иных природных феноменов. Необходимость проведения достаточно сложной математической обработки больших массивов объемов информации и применения сложных математических моделей, в частности, моделей нелинейной динамики, обусловила потребность в использовании высокопроизводительных вычислительных средств. Несмотря на то, что мощности современных персональных компьютеров весьма высоки и быстро растут год от года, всегда остается актуальным применение технологий высокопроизводительных вычислений, в частности, технологий распределенных и суперкомпьютерных вычислений. Эти технологии обеспечивают ученым конкурентоспособные преимущества на временной период в несколько лет перед специалистами, полагающимися лишь на возможности персональных рабочих станций.

Вполне понятно, однако, что ученый, профессионально специализирующийся в той или иной конкретной области знаний в науках о Земле, как правило, не обладает в достаточной мере знаниями в области современных информационных технологий и математических методов, чтобы эффективно реализовать все их преимущества в своей профессиональной деятельности. Организовать обучение предметных специалистов новым информационным технологиям – не всегда лучший выход, поскольку многие технологии, те же технологии параллельного программирования, очень сложны и непривычны для восприятия. Такое обучение может потребовать неоправданно большого времени и усилий от специалиста в ущерб его основной работе.

Мы полагаем, что наиболее перспективным путем решения проблемы является создание в каждом научном учреждении, специализирующемся в области наук о Земле, корпоративных информационно-аналитических систем, способных по запросам своих пользователей оперативно предоставлять непосредственно на рабочие места все необходимые специалисту данные совместно с программными методиками, наиболее эффективными для проведения аналитической обработки запрошенных данных. Фактически, возможности современных информационных технологий, реализованных в таких системах, будут предоставляться пользователям неявным образом. При этом интерфейс пользователя с системой и программами обработки должен быть максимально упрощен и адаптирован к технологиям, применяемым специалистом в своей предметной области. От пользователя должны быть скрыты технологические особенности реализации системы, он не должен отвлекаться на «несущественные детали», а должен, получив нужную информацию и аналитический инструментарий, полностью сосредоточиться на своей профессиональной сфере. Подобный подход заложен в технологии GRID - наиболее современной на сегодняшний день информационной технологии, активно разрабатываемой в России и мире (Фостер, 2002). Название этой технологии основано на ассоциации с процессом взаимодействия человека с энергетической сетью (по-английски - GRID’ом) в повседневной жизни: чтобы разогреть обед, человек включает электроплиту в розетку и получает необходимую порцию энергии, нисколько не заботясь о том, откуда и каким именно образом эта энергия будет предоставлена. GRID – территориально распределенная инфраструктура, находящая и использующая информационные, вычислительные, аналитические, телекоммуникационные ресурсы, необходимые для обслуживания запросов своих клиентов. Существует точка зрения, что технология GRID со временем вытеснит Интернет и все остальные ИТ-технологии, поскольку просто включит их в себя. Заявленная нами выше концепция корпоративной информационно-аналитической системы научного учреждения, специализирующегося в области наук о Земле, не только имеет сходство с некоторыми базовыми положениями концепции GRID, такие корпоративные системы нескольких территориально разнесенных, но связанных общим научным направлением учреждений со временем могут быть достаточно легко интегрированы в полноценный региональный или общенациональный GRID-проект по соответствующей отрасли знания.

В настоящей статье представлен опыт создания подобной корпоративной информационно-аналитической системы в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН. Система была реализована в форме ГИС-проекта, основанного на применении Web-технологий в масштабах корпоративной компьютерной сети института. Выбор концепции ГИС в качестве базовой был обусловлен тем, что первоначально в системе предполагалось представлять исключительно географически координированную информацию о состоянии морского дна, водной среды и атмосферы на акваториях северо-западной части Тихого океана. В литературе ГИС часто определяют как информационные системы, предоставляющие пользователям эффективные средства для ввода, хранения, визуального отображения и анализа разнообразной информации, имеющей географическую (картографическую) привязку, см., например, работу (Коновалова, 1997). Выбор способа реализации ГИС на основе Web-технологий был обусловлен тем, что это наиболее простой и эффективный способ обеспечения одновременной работы большого числа научных специалистов института с едиными информационными, изобразительными и аналитическими ресурсами ГИС. Учитывая специфику научных исследований, ведущихся в институте, система была названа океанологической геоинформационной системой (ОГИС).

Следует отметить, что опыт создания ОГИС, как средства повышения эффективности и конкурентоспособности научных исследований за счет включения в научный процесс на каждом рабочем месте предметного специалиста не только геоинформационных, но и практически всех других наиболее современных информационных технологий и технологий анализа данных, является уникальным, по крайней мере, для учреждений Российской академии наук.

Вместе с тем, концепция ОГИС имеет много методических пересечений с концепцией проекта «Электронная Земля: научные информационные ресурсы и информационно-коммуникационные технологии», разрабатываемой с 2004 года в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 21 «Разработка фундаментальных основ создания научной распределенной информационно-вычислительной среды на основе технологий GRID». Основное отличие состоит в том, что ОГИС ориентирована на реализацию в масштабах быстродействующей корпоративной сети учреждения и при этом обеспечивает поддержку всех научных направлений, развиваемых в институте. Проекты, создаваемые в рамках программы «Электронная Земля» ориентированы на Интернет, но при этом, как правило, каждый из них обеспечивает поддержку некоторого достаточно узкого класса задач. В настоящее время в программе «Электронная Земля» не представлены проекты, связанные с океанологическими исследованиями.

Следует также отметить принципиальное отличие ОГИС от весьма многочисленных океанографических ресурсов, поддерживаемых в Интернете различными отечественными и зарубежными мореведческими организациями и в последнее время все чаще сопровождаемых достаточно развитыми интерактивными картографическими сервисами. В своем большинстве это именно информационные ресурсы, призванные информировать научную общественность о целях и задачах учреждения, характере проводимых исследований, основных научных достижениях и т. д. Как правило, оригинальные данные на таких ресурсах не выставляются, а представляются уже готовые результаты анализа и интерпретации этих данных, полученные с применением авторских методик. В отличие от таких ресурсов, ОГИС является полноценным инструментом поддержки научных исследований на каждом рабочем месте специалиста, начиная от поиска и предоставления необходимых пользователю данных и заканчивая предоставлением наиболее эффективных программных методик и вычислительных ресурсов корпоративной сети, которые могут быть самостоятельно применены специалистом для проведения полноценного анализа и интерпретации запрошенных данных.

В ТОИ ДВО РАН работы по созданию корпоративной ОГИС по северо-западной части Тихого океана были начаты в 2001 году (Голик, 2002). Практически сразу же в локальной сети института для апробации был выставлен рабочий макет системы, который со временем совершенствовался, пополнялся новыми данными, средствами отображения, аналитическими методиками. В настоящей статье рассматриваются некоторые вопросы в связи с задачей проектирования, разработки и опытной эксплуатации ОГИС в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН. Мы полагаем, представленный в статье опыт разработки ОГИС ТОИ ДВО РАН может быть учтен при разработке подобных корпоративных информационно-аналитических систем для научных учреждений, специализирующихся в области наук о Земле. Возможно, материалы статьи окажутся полезными и для специалистов учреждений РАН, специализирующихся в области разработки современных информационных технологий и математических методов.

Исследование потребностей ТОИ ДВО РАН в средствах хранения, изуализации и анализа пространственно-ориентированной информации

Основное направление работ ТОИ ДВО РАН – исследование различных аспектов состояния морского дна, водной среды и атмосферы на акваториях дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана. Исследование производится путем организации морских и береговых экспедиций, в ходе которых с использованием различных приборов наблюдения и специальных методик регистрируются различные характеристики природной среды, после чего осуществляется их анализ, к которому привлекаются ранее полученные данные, а также данные из других источников, прежде всего, из Интернета. После проведения анализа первичных данных делается их интерпретация и в конечном итоге формулируются новые теоретически и практически важные результаты о закономерностях и особенностях поведения тех или иных характеристик среды. Это, в свою очередь, служит отправной точкой для планирования и проведения новых экспедиций, в результате которых получают новые данные, которые анализируются с целью пополнения и расширения знаний об объекте исследования и т. д. Очевидно, что для получения корректных научных выводов целесообразно привлекать как можно больше данных об изучаемом объекте, причем очень полезно учитывать не только данные, полученные с применением некоторой фиксированной авторской методики, но и данные, полученные с применением других методик измерений, данные о принципиально иных характеристиках объекта исследования, возможно полученные специалистами других лабораторий, отделов или даже других институтов ДВО РАН. Все это приводит к необходимости ввода, хранения, систематизации и оперирования большими объемами разнообразной океанологической информации, что может быть существенно облегчено с применением современных систем управления базами данных (СУБД). Крайне желательно при этом обеспечить возможность использования единых массивов информации всеми сотрудниками института. Эта возможность может быть обеспечена на базе корпоративной сети института в рамках концепции единой СУБД, в которую целенаправленно вводится по возможности вся получаемая в подразделениях института информация, и к которой организуется доступ посредством Web-интерфейса всех заинтересованных сотрудников института. Альтернативой является концепция организации на базе сети института распределенной базы данных, когда отдельные массивы информации хранятся на серверах научных подразделений - владельцев данных. Специальное программное обеспечение, функционирующее в сети, с помощью Web-интерфейса принимает от пользователей запросы на выборку данных, транслирует эти запросы на сервера соответствующих локальных баз данных и в конечном итоге предоставляет найденные данные на компьютер пользователя. По-видимому, наиболее рациональным является вариант, когда имеется главный сервер БД, где целенаправленно собирается различная океанологическая информация, полученная из открытых источников либо добровольно переданная научными подразделениями, и имеются хранилища данных в подразделениях института, куда может быть организован распределенный доступ сотрудников института при наличии соответствующих прав доступа.

Запрошенная и полученная пользователем информация должна быть проанализирована и проинтерпретирована. Безусловно, на этом этапе могут пригодиться компьютерные программы, реализующие различные формальные методики количественного анализа экспериментальных данных. Еще один важный резерв для проведения анализа и интерпретации данных – опыт и интуиция человека. Однако человеку сложно работать с цифровым представлением данных, более эффективно поддаются такому мысленному анализу визуальные образы данных – диаграммы, графики, изображения. Для этого должны использоваться программы научной визуализации данных, которые делают разнообразные графические построения на дисплее компьютера. Если говорить о пространственно-координированных данных, а именно такие данные в основном используются в институте, то для их восприятия и мысленного анализа наиболее эффективно картографическое отображение. При этом желательно предоставить пользователю возможность наносить на единую картографическую основу любые типы данных (информационные слои), в произвольном порядке, в различных картографических проекциях, с различными масштабами. Именно такие эффективные отобразительные возможности представления географически-координированной информации обеспечивают геоинформационные системы (ГИС), и именно они, по-нашему мнению, в первую очередь обеспечили рост интереса к ГИС-технологиям в научных организациях и в органах государственного управления. Наблюдая на экране монитора картографические образы данных в различных масштабах и проекциях, весьма часто удается обнаружить закономерности в распределении тех или иных важных характеристик среды, зоны аномального поведения параметров, схожесть либо различие в поведении различных характеристик и т. д. После этого целесообразно провести количественный анализ данных, который может подтвердить или опровергнуть предположения, сделанные человеком на основе визуального анализа данных, свести исходное, возможно информационно-избыточное представление исходных данных, к небольшому набору характеристик, экономно представляющих данные, провести автоматическую классификацию данных и т. д.. Обычно в ГИС реализуются стандартные методы статистического анализа данных, специальные методики т. н. пространственного анализа данных, часто предоставляются специальные средства для программирования и встраивания в систему собственных алгоритмов анализа данных.

Далее кратко охарактеризуем потребности научных отделов ТОИ в средствах хранения и оперирования данными, средствах общенаучной и картографической визуализации и средствах количественного анализа данных.

Отдел общей океанологии. Специалисты отдела участвуют практически во всех морских экспедициях, где проводят измерения вертикального распределения стандартных гидрологических характеристик (температуры, солености, плотности и т. д.) в различных географических точках (гидрологических станциях), измерения характеристик течений, показателей радионуклидного загрязнения морского дна в местах аварий с атомными реакторами, пространственно-временных характеристик ледового покрова в дальневосточных морях и т. д. В лаборатории Информатики и мониторинга океана на базе СУБД Paradox организована база данных экспедиций ТОИ, выполненных с 1973 года по настоящее время (Дмитриева, 2004). По запросам научных специалистов ТОИ оператор СУБД выполняет выборки необходимых данных и предоставляет их в виде файлов данных. Имеется потребность в организации распределенного доступа специалистов отдела к этой базе данных, а также к более обширным базам гидрологических данных, выставляемым в Интернете, в частности к данным Национального центра океанографических данных США, данным международного проекта NEAR GOOS. В лаборатории Гидрологических процессов и климата разрабатываются оригинальные методики анализа данных в связи с задачей параметризации внутренних волн и установления их взаимосвязи с другими океанографическими феноменами. Данные методики потенциально могут использоваться специалистами других лабораторий и отделов института, поэтому представляет интерес задача предоставления этих методик в общее пользование для обработки соответствующих типов океанографических данных.

Отдел акустики океана. Основное направление – гидроакустические исследования океана. Лаборатория Физики геосфер осуществляет лазерно-интерференционными методами мониторинг фона микросейсмических колебаний земной коры в ряде географически разнесенных точек на побережье южного Приморья. Одна из основных задач – установление и детализация взаимосвязи фона микросейсмических колебаний Земли с проявлениями океанических феноменов (поверхностного волнения, внутренних волн, приливно-отливных явлений, сейш замкнутых водоемов, океанических штормов, морских землетрясений) в ближней и дальней зонах океана. Специалисты лаборатории имеют потребность в получении оперативной и исторической информации об океанических явлениях, их пространственном местоположении, времени прохождения. Специалисты института имеют потребность в получении сейсмоакустических данных с целью повышения степени достоверности разрабатываемых ими методик обнаружения и описания океанических явлений. Специалисты других лабораторий отдела, занимающиеся проектированием приборов наблюдения и собственно проведением гидроакустических исследований, нуждаются в подробных данных о батиметрии морского дна, о структуре донных осадков и фундаментов, о гидрологических характеристиках морской среды на акустических трассах, характерных для определенных сезонов времени и географических районов. Специалисты других отделов ТОИ желали бы привлекать к анализу собственных данных данные гидроакустических экспериментов. Для обработки микросейсмических и акустических сигналов есть потребность в использовании современных методик анализа – линейной и нелинейной фильтрации, быстродействующей фильтрации на основе ортогональных преобразований, вейвлетных преобразований и анализа сигналов, нейросетевых анализаторов и классификаторов сигналов.

Отдел физики океана и атмосферы. Сотрудники отдела разрабатывают различные теоретические модели, ставящие целью объяснить особенности пространственно-временной динамики полей различных характеристик в толще океана и на поверхности. Для повышения достоверности и практической значимости разрабатываемых моделей эти исследования нуждаются в данных реальных океанологических наблюдений. Некоторые из таких данных могли бы использоваться в качестве начальных и краевых условий модельных задач, другие данные использовались бы для проверки соответствия результатов моделирования с реальными значениями моделируемых данных. Наиболее удачные методики моделирования океанических явлений, адекватно воспроизводящие поведение различных процессов, могут представлять общеполезную ценность для решения актуальных задач прогнозирования океанических явлений, проектирования перспективных систем мониторинга океанических процессов. Поэтому они потенциально могли бы быть представлены для использования заинтересованными специалистами в составе единой корпоративной океанологической системы ТОИ ДВО РАН.

Отдел биохимических технологий. Потребность в использовании данных океанологических исследований дальневосточных морей имеется, но, в целом, невелика. Имеется потребность в применении современных математических методов для анализа данных фармакологических и биохимических экспериментов, в частности методов математической статистики, распознавания образов, обработки сигналов и изображений. Соответствующие программные средства могут быть получены сотрудниками данного отдела в подсистеме аналитической поддержки корпоративной ОГИС.

Отдел геохимии и экологии океана. В отделе разрабатываются комплексные биогеохимические, физико-химические и термодинамические подходы для оценки состояния водных экосистем и антропогенового влияния на морскую среду, изучаются биохимические механизмы ответа гидробионтов на загрязнение окружающей среды. Сотрудники отдела принимают участие практически во всех морских экспедициях, где с помощью соответствующей аппаратуры и уникальных аналитических методик производят измерения различных биогеохимических, физико-химических характеристик морской среды и донных осадков в различных районах северо-западной части Тихого океана. Научная ценность всей совокупности накопленных в отделе данных очень велика как для лабораторий отдела, так и для других научных подразделений ТОИ и ДВО РАН в целом. Соответственно, представляет интерес разработка технологии предоставления этих данных всем заинтересованным специалистам ТОИ совместно со средствами картографической визуализации этих данных и количественного анализа. С другой стороны для правильной интерпретации получаемых в экспедициях биогеохимических, физико-химических характеристик целесообразно привлечение к анализу данных других наблюдений в соответствующих морских районах, в частности, гидрологических и спутниковых. Кроме этого, для повышения объективности анализа получаемых данных целесообразно привлечение современных методик количественного анализа данных. В частности, большой интерес представляют методики автоматической классификации и районирования морских акваторий, оперативного определения зон аномального поведения биогеохимических характеристик среды. Такие методики могли бы разрабатываться специалистами отдела Информационных технологий и предоставляться в общее пользование заинтересованными специалистами института в рамках корпоративной океанологической системы ТОИ ДВО РАН.

Отдел технических средств исследования океана. Отдел занимается проектированием и испытанием новых перспективных технических средств исследования океана, в частности, гидрофизических информационно-измерительных комплексов, работающих в режиме буксировки и зондирования. Значительные усилия специалистов отдела сосредоточены на разработке аппаратуры и методик акустической томографии океанических трасс. Основная идея акустической томографии – восстановление особенностей распределения полей гидрологических характеристик (температуры, солености, давления) вдоль длинной (до сотен километров) акустической трассы на основе излучения в начальной точке трассы, приема к конечной точке трассы и последующего анализа серии специально формируемых акустических сигналов. Фактически это перспективная методика дистанционного зондирования океана. При ее разработке, в частности, при выборе трасс для тестирования системы, при сравнении результатов проведенной акустической томографии с реальными характеристиками среды крайне необходимы детальные данные о батиметрии и структуре морских фундаментов, сезонные данные об особенностях вертикального распределения основных гидрологических показателей в различных морских районах и другие данные, которые могли бы быть запрошены и получены в ОГИС. Алгоритмы, разрабатываемые в отделе при отладке методик акустической томографии, могут представлять общеполезную ценность для специалистов института, которым необходимо вести обработку данных, представимых в виде сигналов.

Отдел геологии и геофизики океана. Отдел занимается геологическими, геофизическими и геохимическими исследованиями в Тихом океане и его окраинных морях. Такие исследования необходимы для решения проблем формирования и эволюции океанской литосферы в зоне ее сочленения с азиатским континентом и оценки перспектив региона на различные полезные ископаемые. Специалисты отдела участвуют в морских экспедициях, а также в исследованиях, проводимых на береговых станциях. В результате экспедиционной деятельности регистрируются самые различные показатели состояния морского дна, включая осадочный слой и твердые фундаменты, на акваториях Тихого океана. Весьма часто, первичная информация представляется не просто набором числовых параметров, полученных на основе анализа образцов морского грунта соответствующими приборами, но и в виде более сложных информационных представлений: сигналов (данные мониторинга электрических и магнитных полей литосферы) и изображений (данные эхолотирования морского дна локатором бокового обзора, данные сейсмопрофилирования, данные микроскопического исследования образцов грунта). В совокупности, как номенклатура видов геолого-геофизических данных, так и общие объемы первичной информации, получаемой специалистами отдела, весьма велики. Причем эта совокупная информация нужна не только сотрудникам всех лабораторий отдела, но и сотрудникам других научных направлений, в частности, морским геохимикам и гидроакустикам. В свою очередь, морские геологи и геофизики заинтересованы в привлечении к интерпретации собственных данных сопутствующих данных, полученных другими научными специалистами института. Для восприятия всей совокупности различных видов геолого-геофизических данных, которые практически всегда имеют точную географическую привязку, крайне необходимы удобные интерактивные средства картографической визуализации данных, которые присутствуют в современных ГИС. Для анализа геолого-геофизических данных целесообразно использование научными специалистами института современных компьютерных методов обработки данных, включая методы обработки сигналов и изображений.

Отдел спутниковой океанологии. Основная задача – разработка перспективных дистанционных методов исследования океана. Две лаборатории отдела разрабатывают методики спутниковой океанологии, позволяющих осуществлять эффективный мониторинг различных океанических явлений на поверхности океана, а также исследовать взаимосвязь океанических процессов с атмосферными процессами. Третья лаборатория разрабатывает лазерно-оптические методы изучения свойств морской среды, а также дистанционные методы исследования особенностей атмосферы на длинных трассах над океаном на основе лидарной техники. Для апробации разрабатываемых дистанционных методик специалистам отдела безусловно необходимо привлекать объективные данные о состоянии морской среды и атмосферы, которые собственно и подлежат оценке дистанционными методами. Эти дополнительные данные получаются другими специалистами института в научных рейсах, некоторые полезные данные о состоянии морской среды и атмосферы можно найти в Интернете на сайтах отечественных и зарубежных научных организаций. В свою очередь, специалисты других отделов института заинтересованы в исследовании возможностей дистанционных методов, разрабатываемых в отделе 9, для использования в их научной области. Для этого им желательно предоставить доступ к данным спутниковых наблюдений над интересующими их районами, данным лазерно-оптических и лидарных исследований. Безусловно, полезной для всех была бы возможность осуществления совместной картографической визуализации всех видов данных - полученных прямыми методами наблюдения в океане и полученных дистанционными методами. Для проведения анализа данных дистанционных наблюдений (сигналов, изображений) целесообразно предоставить всем заинтересованным специалистам возможность использования соответствующих программных средств.

Отдел информационных технологий. Основная задача отдела – разработка и внедрение современных информационных технологий (СУБД, ГИС, корпоративные сети, Интернет, высокопроизводительные вычисления, электронные библиотеки) и современных методов анализа океанологических данных в практику работы других научных подразделений института. Сотрудники отдела являются основными разработчиками проекта обсуждаемой корпоративной ОГИС института, предназначенной для сбора, хранения, визуального отображения и анализа океанологических данных.

Концепция корпоративной океанологической ГИС ТОИ ДВО РАН на базе Интернет-технологий

С учетом проведенного и представленного выше анализа потребностей специалистов ТОИ ДВО РАН в средствах хранения, оперирования, визуализации и анализа получаемых ими в исследованиях пространственно-координированных океанологических данных, а также на основе анализа компьютерного парка института и сложившейся к 2000 году инфраструктуры локальной компьютерной сети была сформулирована общая концепция разработки корпоративной океанологической ГИС ТОИ ДВО РАН.

Кратко эту концепцию можно выразить следующим образом. Создается океанологическая ГИС по северо-западной части Тихого океана, которая должна предоставлять всем заинтересованным специалистам ТОИ непосредственно на их рабочих местах в лабораториях и на морских экспериментальных станциях с помощью стандартного Web-интерфейса доступ:

1)  ко всем накопленным в институте и полученным из других источников данным по состоянию морского дна, водной среды, и атмосферы на акваториях дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана;

2)  к наглядным средствам совместной картографической и общенаучной визуализации всех видов данных;

3)  к эффективным программным средствам обработки и анализа океанологических данных.

ОГИС должна обеспечивать всем заинтересованным специалистам доступ к следующим видам океанологических данных:

·  данным о морском дне (батиметрия, морская геология, морская геофизика, морская геохимия, седиментология и т. д.);

·  данным о распределении различных параметров состояния в толще морской среды (температура, соленость, плотность, содержание различных химических веществ, морские гидробионты);

·  данным о состоянии морской поверхности (температура, волнение, течения, загрязнения и т. д.);

·  данным о состоянии атмосферы (направление и скорость ветра, давление, влажность, температура, облачность и т. д.).

Для каждого типа данных с помощью Web-интерфейса должен быть реализован простой и понятный для специалистов, работающих с этим типом данных, способ организации запросов, позволяющий оперативно получить нужные данные.

Предполагается, что с течением времени ОГИС будет способна оперативно предоставлять все потенциально необходимые для научных специалистов института океанологические данные по дальневосточному региону. Рабочий макет ОГИС должен быть реализован таким образом, чтобы он обеспечивал доступ к :

§  историческим данным, полученным специалистами ТОИ в морских и береговых экспедициях за всю историю деятельности института;

§  оперативным данным, получаемым в режиме реального времени на морских экспериментальных станциях и, в перспективе, в морских экспедициях;

§  данным, переданным в ТОИ в электронном виде другими отечественными и зарубежными организациями по условиям соответствующих соглашений;

§  данным, находящимся в информационных базах океанологических данных, организованных в отдельных подразделениях ТОИ и других институтов ДВО РАН ;

§  данным, выставляемым отечественными и зарубежными организациями в сети Интернет для свободного либо авторизованного доступа.

С учетом проблемы защиты авторских прав на данные, выставляемые в ОГИС для коллективного использования специалистами ТОИ и других институтов ДВО РАН, должна быть разработана и реализована специальная политика разграничения прав доступа пользователей ОГИС к различным видам данных.

ОГИС должна предоставлять пользователям возможность эффективной обработки и анализа запрошенных ими данных. Для этого системой должны поддерживаться:

§  классические методы обработки и анализа (корреляционно-спектральный анализ сигналов и полей, распознавание образов, методы многомерного статистического анализа и т. д.);

§  современные методы и технологии обработки и анализа данных (вейвлет-анализ, технологии искусственных нейронных сетей, морфологический анализ изображений и т. д.);

§  предметно-ориентированные методики моделирования и анализа океанологических данных, разрабатываемые специалистами ТОИ и других институтов ДВО РАН.

О пользователях ОГИС. Во-первых, это сотрудники ТОИ ДВО РАН - пользователи локальной сети института. Во-вторых, сотрудники других институтов ДВО РАН – пользователя корпоративной компьютерной сети ДВО РАН (прежде всего ИАПУ, ИБМ, ИПМТ). В-третьих, это студенты «океанологических» специальностей вузов Владивостока (ДВГУ, ДВГТУ, Дальрыбвтуз). В-четвертых, это все заинтересованные лица, имеющие доступ к сети Интернет (они имеют наименьшие права доступа к ресурсам ОГИС).

Предполагается, что применение ОГИС, разработанной в соответствии с заявленной выше концепцией, должно обеспечить следующие важные преимущества:

§  увеличение эффективности исследований в отдельных научных направлениях, обусловленное возможностью доступа специалистов ко всей совокупности данных по району исследования и применением современных технологий обработки и анализа данных;

§  увеличение координации между научными направлениями, обусловленное тем, что при использовании ОГИС специалисты также получают доступ к данным и научным методикам, применяемым в других научных направлениях;

§  увеличение управляемости научными исследованиями, обусловленное тем, что руководители различных уровней с помощью ОГИС получают представление в целом о состоянии исследований соответствующих морских акваторий.

Архитектура океанологической ГИС

С учетом предлагаемой концепции была определена и уточнена базовая архитектура проектируемой системы. Принимая во внимание, что основной массив океанологических данных, используемых специалистами ТОИ и других институтов ДВО РАН в исследованиях, имеет географическую привязку, было принято принципиальное решение реализовать систему в виде ГИС. При этом данные, хранящиеся в БД ОГИС, средства их визуализации и анализа должны быть доступны всем заинтересованным специалистам ТОИ и других институтов ДВО РАН. В результате была выбрана в качестве базовой архитектуры проектируемой ОГИС архитектура типа "клиент-сервер", основанная на применении Интернет-технологий. На стороне сервера создается базовая СУБД и ядро (enginе) - основной механизм, осуществляющий обработку запросов пользователя, выборку данных из БД, их обработку и передачу пользователям в виде HTML-страниц. На стороне пользователя должна быть стандартная программа навигатор (например, MS Internet Explorer) и, возможно, специализированные аналитические средства, осуществляющие особо сложную обработку запрашиваемых пользователем данных.