Информационные технологии и информационные ресурсы космического экологического мониторинга

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ КОСМИЧЕСКОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

- 1. Введение

- 2. Спутниковый экологический мониторинг
- 3. Наземная инфраструктура мониторинга
- 4. Сетевая инфраструктура мониторинга
- 5. Компьютерные методы обработки спутниковых данных
- 6. Электронная библиотека космического мониторинга
- 7. Заключение
- Литература

1. Введение

В настоящее время в мире сетевых технологий происходит событие огромной значимостиКак известно, антропогенное воздействие на окружающую среду приводит к возникновению масштабных трудноразрешимых противоречий между интересами развития производства и сохранением природы, поскольку в результате интенсивного использования природных ресурсов происходит разрушение природных систем и интенсивное загрязнение среды. Еще в Стокгольме на Первой Международной конференции ООН по оценке состояния природной среды в 1972 г. было признано, что экологическое состояние природной среды в промышленных странах стало угрожать не только здоровью населения, но и самому существованию человечества. Решение этих проблем, возникающих в связи с катастрофическим ухудшением окружающей природной среды, занимает сейчас центральное место при выработке стратегии экологически устойчивого социально-экономического развития промышленно развитых стран, в том числе и России. В последние годы в круг фундаментальных исследований проблем экологии территории России широко вовлечены космические методы контроля состояния экосистем.

Появление глобальной компьютерной сети Интернет и разработка передовых информационных технологий открыли новый этап развития космического экологического мониторинга. Особенностью нового этапа является широкое использование телекоммуникационной инфраструктуры, а также гипертекстовых и интерактивных информационных технологий, которые чрезвычайно перспективны в дистанционном мониторинге состояния окружающей среды. Актуальной является также проблема интегрирования национальных информационных ресурсов по окружающей среде, создание региональных баз данных и расширение электронных коллекций по результатам космического экологического мониторинга. Эти исследования в последние годы получили поддержку РФФИ. Например, были поддержаны исследования по телекоммуникациям и информационным системам геоэкологического космического мониторинга: проекты Е.А. Лупяна (95-07-19329, 96-07-89217 и 00-07-90010), Ю.А. Кравцова (96-07-92008), Е.Б. Кудашева (98-07-90209), Э.Э. Гербека (00-07-90139), Т.А. Ходжера (00-07-90199).

Как уже было сказано, проблема получения адекватной информации о состоянии окружающей среды тесно связана с задачей обеспечения устойчивого развития общества, что особенно важно для экономики России в переходном периоде. В этой ситуации развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур спутникового экологического мониторинга регионов России наряду с разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей среды и устойчивого развития экономики России.

2. Спутниковый экологический мониторинг

Во всем мире исследования Земли из космоса приобретают всеобъемлющий характер. Наиболее информативным методом для решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса является использование и тематический анализ изображений, полученных приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных на космических аппаратах. Целый ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой), выведены на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований.

Для космического экологического мониторинга целесообразно ориентироваться прежде всего на полярно-орбитальные метеорологические спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа "МЕТЕОР", "ОКЕАН" и "РЕСУРС"), так и на американские спутники серии NOAA. Остановимся на характеристиках указанных спутников.

Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены многозональной оптической и ИК аппаратурой, а именно радиометром высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов. Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти спектральных диапазонах: 580-680 нм, 725-1100 нм, 3550-3930 нм, 10300-11300 нм и 11400-12400 нм. Космические съемки проводятся с пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора шириной 2700 км.

Российские спутники серии "РЕСУРС-01" принадлежат Федеральной службе России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Росгидромет). Океанографический спутник "РЕСУРС-01" обеспечивает получение многозональной космической информации высокого и среднего разрешения. Параметры орбиты спутника "РЕСУРС-01": круговая солнечно-синхронная орбита высотой 678 км, период обращения 98 мин с наклонением 98,04 градуса. В состав бортового информационного комплекса входят два сканера видимого и ближнего инфракрасного диапазонов со следующими характеристиками:

1. Многоканальное сканирующее устройство высокого разрешения МСУ-Э с пространственным разрешением 35х45 м. Полоса обзора составляет 45 км, съемка осуществляется в 3 спектральных каналах 500-600 нм, 600-700 нм и 800-900 нм.
2. Многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения МСУ-СК с пространственным разрешением 150х250 м. Полоса обзора достигает 600 км. Съемка проводится в 5 спектральных каналах: 500-600 нм, 600-700 нм, 700-800 нм, 800-1100 нм и 10400-12600 нм.

Размеры видеоизображения составляют 1000 элементов на 1100 строк для МСУ-Э и 1800 элементов на 1500 строк для МСУ-СК.

Подробное описание системы "РЕСУРС" представлено на сервере SPUTNIK: [http://sputnik.infospace.ru/resurs/].

Космическая гидрометеорологическая система "Метеор-3", также принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника "Метеор": приполярная круговая орбита высотой около 1200 км, наклонение 82,5 градуса. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг.

В состав бортового комплекса спутника входят сканирующий десятиканальный ИК-радиометр с пространственным разрешением 35х35 км (спектральный диапазон 9,65-18,7 мкм, полоса обзора 400 км), а также ИК-радиометр для глобального обзора и передачи данных на АППИ с пространственным разрешением 3х3 км (спектральный диапазон 10,5-12,5 мкм, полоса обзора 3100 км).

В составе бортового комплекса имеется также сканирующая ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального обзора и сканирующая ТВ-аппаратура для передачи данных на АППИ.

Подробное описание системы "Метеор" представлено на сервере SPUTNIK ИКИ РАН и НИЦ "ПЛАНЕТА" Росгидромета: [http://sputnik.infospace.ru/meteor].

Российская космическая система "ОКЕАН-0" обеспечивает получение радиолокационных, микроволновых и оптических изображений земной поверхности в интересах морского судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана. Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита высотой 600-650 км, наклонение 82-83 градуса. Поток информации в условиях облачности и в любое время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора информации от автономных морских и ледовых станций "Кондор". В состав комплекса бортовой аппаратуры спутника "Океан-01" входят СВЧ-радиометры Р-600 и Р-255, сканирующий СВЧ-радиометр Дельта-2, трассовый поляризационный спектрорадиометр "Трассер", а также комплекс оптической сканирующей аппаратуры, включающий в себя многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения МСУ-С (пространственное разрешение - 370 км, полоса обзора - 1100 км, спектральные диапазоны - 0,6-0,7 мкм, 0,8-1,1 мкм) и многоканальное сканирующее устройство малого разрешения МСУ-М (пространственное разрешение 2 км, полоса обзора - 1900 км, спектральные диапазоны - 0,5-0,6 мкм, 0,6-0,7 мкм, 0,7-0,8 мкм, 0,8-1,1 мкм). Подробное описание бортового информационно-измерительного комплекса космического аппарата "Океан-0" представлено на сервере SPUTNIK: [http://sputnik.infospace.ru/ocean/].

Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля состояния окружающей среды:

- Определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т.д.);
- Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;
- Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;
- Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;
- Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;
- Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;
- Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;
- Регистрация дымных шлейфов от труб;
- Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;
- Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;
- Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий.

3. Наземная инфраструктура мониторинга

Изображения со спутников передаются на Землю в реальном масштабе времени в диапазоне 1700 МГц в режиме HRPT (High Resolution Picture Transmission). Возможность свободного приема спутниковой информации наземными станциями обеспечивается Всемирной Метеорологической Организацией согласно концепции "Открытого неба".

Наземные станции в зоне видимости спутника принимают изображения земной поверхности с радиометрическим разрешением 10 бит, что обеспечивает передачу 1024 градаций яркости в каждом диапазоне. На наземных станциях приема спутниковой информации производится прием, демодуляция, первичная обработка и подготовка спутниковых данных к вводу в персональный компьютер станции. В зоне приема в среднем находятся два спутника серии NOAA, обеспечивая регулярное обновление данных о состоянии окружающей среды.

На территории России в последнее десятилетие активно развивается сеть станций приема спутниковых данных, образующая наземную инфраструктуру регионального экологического мониторинга. В оперативном режиме непрерывных наблюдений работают наземные станции приема данных от спутников NOAA в Москве (Институт космических исследований РАН, ВНИИГОЧС МЧС), Красноярске (Институт леса СО РАН), Иркутске (Институт солнечно-земной физики СО РАН), Салехарде (Госкомитет по охране окружающей среды Ямало-Ненецкого автономного округа), Владивостоке (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН).

Типовые станции приема сигналов от спутников NOAA состоят из антенной системы с диаметром параболического зеркала 1,8 м и шириной диаграммы направленности 6 градусов, приемника (частота 1700 МГц) и персонального компьютера уровня PC-486 для первичной обработки принимаемых данных [1]. Программное обеспечение позволяет осуществить полный цикл работ от расчета траекторий спутников и от приема и организации хранения данных до тематической обработки спутниковых данных в пределах нескольких часов после момента приема.

Станции приема данных спутника "РЕСУРС" имеют зеркало диаметром 160 см и приемник на частоту 8176-8223 МГц. Скорость передачи информации составляет 7,68 Мбит/ сек. Начальная обработка информации проводится на компьютере типа "IBM-PC-Pentium", последующая обработка и архивация данных осуществляется на втором компьютере "Pentium" с магнитооптическим диском емкостью 1,3 Гб.

Спутниковая информация, принимаемая и обрабатываемая наземными станциями, служит основой для повседневного оперативного контроля за состоянием окружающей среды. С их помощью создается система геоэкологического мониторинга региона, в частности, можно осуществить контроль за сохранением границ водоохранных и санитарных зон при отводе земель и рубке леса в регионах, а также за целевым использованием земельных ресурсов.

4. Сетевая инфраструктура мониторинга

Современному уровню глобальных программ исследования Земли из космоса должны соответствовать передовые компьютерные инфраструктуры обработки, архивации и обмена спутниковыми данными, развитые телекоммуникационные и информационные системы и хорошо структурированные базы данных космической информации.

Институт космических исследований РАН, Институт радиотехники и электроники РАН и Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН разрабатывают комплексный проект создания интегрированной распределенной информационной системы данных дистанционного зондирования Земли с использованием ресурсов региональных центров приема, обработки и обмена спутниковыми данными, обеспечивая тем самым информационную поддержку программ дистанционного зондирования [2,3,4]. Решение проблемы создания национальных информационных ресурсов по экологическим и природо-ресурсным программам на основе дистанционных методов исследования земли из космоса было поддержано в 1998 г. проектом РФФИ 98-07-90209.

В этом проекте объединение региональных центров геоэкологического мониторинга целиком основано на Интернет-технологиях и использует, в частности, Российскую научную космическую сеть Интернет RSSI (Russian Space Science Internet), которая была создана в Институте космических исследований РАН в апреле 1993 г при поддержке NASA в рамках Соглашения 1992 г. между США и Российской Федерацией о сотрудничестве в изучении и использовании внешнего космоса для мирных целей. Подробное описание сети представлено на сервере: [http://www.rssi.ru]. Сеть RSSI обеспечивает возможность оперативного обмена данными с NASA и ESA и выход на информационные ресурсы NASA.

Глобальная компьютерная сеть Интернет обеспечивает сетевой обмен данными дистанционного зондирования Земли и удаленный доступ внешних пользователей к экспериментальным данным и электронным каталогам зарубежных космических программ. Открытый доступ к пространственно распределенным данным долговременных природо-ресурсных и экологических исследований Земли из космоса реализуется на основе Web-технологий.

В настоящее время внешние пользователи через Интернет взаимодействуют с информационной системой наблюдения Земли из космоса EOSDIS, разработанной в США NASA. Поисковый сервер EOSDIS базируется на международном стандарте Протокола интероперабельности каталогов (Catalogue Interoperability Protocol - CIP) и позволяет вести поиск одновременно в нескольких каталогах с данными дистанционного зондирования. В дополнение к этому, EOSDIS включает серверы, обслуживание словаря данных и путеводитель по метаданным. Информационная система EOSDIS сводит воедино производителей и потребителей спутниковых данных и также обеспечивает вход в другие информационные системы дистанционного зондирования в Европе (Information on Earth Observation - INFEO) и Японии (CGER). Существенно, что любые новые информационные системы по наблюдению Земли связаны с системой EOSDIS.

5.Компьютерные методы обработки спутниковых данных

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим основные этапы обработки данных.

Радиометрическая точность обеспечивается системами внутренней и внешней калибровки. Информация, необходимая для окончательной калибровки данных, должна содержаться в структуре передаваемого на землю сигнала и учитываться при последующей обработке. Наземная система обработки данных предназначена для извлечения полезной информации из мультиспектральных данных ДЗ и передачи ее потребителям. Система обработки является промежуточным звеном между датчиком ДЗ и пользователем. Поэтому ее характеристики во многом зависят как от характера данных, так и в значительной степени от требований потребителей информации ДЗ.

Обработка данных ДЗ в соответствии с мировой практикой подразумевает несколько уровней обработки, представленных в Таблице 1.

Таблица 1. Уровни обработки спутниковых данных

УРОВЕНЬ |
0 | первичные данные, дополненные орбитальной информацией
1 | радиометрически откорректированное и географически привязанное изображение (дополнительно устраняются искажения, вносимые аппаратурой и вращением Земли)
2 | преобразованное в заданную картографическую проекцию изображение с учетом координат опорных точек
3 | геометрически преобразованное изображение с учетом цифровой модели местности (для суши)
4 | мультиспектральная обработка, включающая в себя совместную обработку разновременных данных или данных, полученных с различных датчиков

В общем случае обработка данных дистанционного зондирования включает три этапа:

- предварительную обработку;
- первичную обработку;
- вторичную (тематическую) обработку.

На первом этапе, после приема спутниковых данных, записи их на магнитный носитель и выполнения необходимых декодирующих и корректирующих операций происходит преобразование данных (с учетом калибровок), переданных с КА, непосредственно в изображение или космический снимок (например, синтез радиолокационных изображений из радиоголограмм, переданных по радиолинии), а также преобразование их в форматы, удобные для последующих видов обработки.

На втором этапе проводят радиометрические и геометрические преобразования (коррекцию) для исправления радиометрических и геометрических искажений, вызванных нестабильностью работы космического аппарата (КА) и датчика, а также географическую привязку изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование). Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту КА.

Третий этап - тематическая обработка - включает как цифровой анализ с применением статистических методов обработки (кластерный анализ, методы выделения признаков и классификацию для количественных оценок и т. п.), так и визуальное дешифрирование и интерпретацию. Тематическую обработку целесообразно проводить в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Для этих целей разработаны различные виды программного обеспечения тематической обработки с использованием специализированной компьютерной техники, в основном зарубежного производства.

Радиометрические преобразования используются для перевода необработанных мультиспектральных данных в радиометрически корректное и совместимое множество измерений. Часто эти преобразования используются для коррекции определенных типов искажений в системе сбора данных, таких как некомпенсированная нестабильность электронных устройств. Иногда вводится поправка на изменения параметров среды во время зондирования (состояние атмосферы, изменение освещенности и т.п.). Радиометрические преобразования используются также для абсолютной калибровки данных, т.е. для преобразования интенсивности изображения, измеренной датчиком, в значение измеряемых физических параметров (например, перевод цвета изображения в значения содержания хлорофилла).

С помощью геометрических преобразований изменяют геометрию изображения либо корректируют геометрические искажения, вносимые аппаратурой ДЗ. Искажения возникают в результате ограниченности разрешения каждой системы ДЗ, а также вследствие дефектов или погрешностей в системе регистрации данных. Геометрические искажения могут быть устранены или существенно уменьшены с помощью соответствующей обработки, если имеются данные, характеризующие положение датчика в пространстве в момент съемки и геометрию подстилающей поверхности. Совмещение и наложение данных - это термины, которыми обозначаются процессы геометрического выравнивания одного множества данных относительно другого. Например, одно множество может быть данными ДЗ океана, другое - картой. Заметим, что существует большое разнообразие данных, которые можно совместить или наложить друг на друга, например, распределение данных ДЗ океана в виде изображения или снимка можно наложить на данные о подводной топографии, о контактных подспутниковых измерениях, о метеорологических параметрах и т.п. Масштабирование, преобразование проекций, исправление систематических искажений - процедуры, необходимые для получения изображения в нужном масштабе или географической проекции и для устранения различных искажений, возникших из-за нестабильности платформы КА.

Представление данных - один из важных видов обработки и анализа данных. Формы представления данных в значительной степени зависят от характера приложений и от используемой процедуры обработки.

Сжатие и архивация данных является наиболее важным элементом обработки, так как в процедуре ДЗ приходится обрабатывать огромные потоки данных и хранить обработанную информацию. Путем уменьшения формата или объема данных в коммуникационных системах возможно понизить требования к передаче, хранению и обработке данных, что в конечном итоге приводит к снижению стоимости системы обработки в целом.

Под улучшением изображений в широком смысле понимают процедуры улучшения любой разновидности данных, представленных в виде изображения, а в узком - процедуры, улучшающие визуальное восприятие данных, представленных в виде изображения. Все процедуры улучшения изображений могут быть полезны безотносительно того, действительно ли данные ДЗ должны быть визуализированы. Например, фильтрация, позволяющая улучшить выделение контуров или границ, может быть частью более сложной процедуры. Другие операции предназначены для уменьшения различных видов аппаратурных шумов и тем самым могут быть использованы для улучшения последующего классификационного анализа.

Статистические методы применяют для распознавания тех или иных объектов ДЗ и классификации данных с помощью численных методов. Эти методы эффективны для количественных оценок в процедуре дистанционного зондирования.

Результаты, полученные после обработки и анализа данных ДЗ, представляются конечным потребителям в определенном, строго оговоренном виде и формате (таблицы, массивы данных, графики, схемы, карты). Причем пользователи делятся на множество категорий - от так называемых продвинутых пользователей, которые смогут потреблять продукты ДЗ с минимальной обработкой или без обработки вообще, до абсолютно неподготовленных, которым нужны конечные продукты ДЗ в виде таблиц, карт или графиков.

На сегодня в системах обработки данных ДЗ стали стандартом рабочие станции и персональные компьютеры с высокоскоростными процессорами и накопителями большой емкости, что предъявляет соответствующие требования к процедурам обработки данных. В настоящее время разработано множество пакетов прикладных программ различного уровня для обработки данных ДЗ и изображений, начиная от распространяемых бесплатно и кончая дорогими высокопрофессиональными.

6. Электронная библиотека космического мониторинга

При создании электронного архива данных дистанционного зондирования важно уже на этапе проектирования архива обеспечить его адекватную структуризацию, необходимую для эффективного извлечения наборов данных из архива. Структуризация электронного архива производится исходя из представлений о составе типовых запросов пользователей архивных данных. Опыт эксплуатации архивов космической информации показывает, что типовые запросы пользователей включают в качестве приоритетных атрибутов заказа уровни представления данных, название проекта, в рамках которого получены данные, и название прибора (сенсора), показания которого включены в архив. Поэтому при создании архива данных дистанционного зондирования необходимо разделить его на сегменты (разделы), соответствующие различным уровням представления (обработки) данных, а в каждом из таких разделов выделить подразделы, которые содержат наборы данных, относящиеся к конкретному проекту и научному прибору (сенсору).

Эффективное разрешение информационных ресурсов и открытый доступ к пространственно распределенным экспериментальным данным базируются на использовании информационного сервиса глобальных сетей Интернет, т.е. на основе Web-технологий. С этой целью разрабатываются системы обращения со структурами метаданных, обеспечивающие сбор и распределение экспериментальных данных и результатов тематической обработки, при этом архив объединяется с региональными центрами геоэкологического мониторинга глобальной сетью Интернет. Важным элементом является разработка структуры интерфейса, архивации и сетевого обмена данными дистанционного зондирования. Это требует развития поисковых систем и реализации удаленного интерактивного доступа внешних пользователей по сети Интернет к экспериментальным данным и электронным каталогам обработки, предоставление пользователям возможности для интерактивного доступа к ним в режиме on-line.

Современной тенденцией развития программ исследования Земли из космоса является создание в ряде стран электронных библиотек космической информации. Эти национальные информационные системы используют потоки спутниковых данных для решения разнообразных задач дистанционного зондирования, определяемых как научным сообществом, так и конкретными отраслями производственной деятельности. Например, в США для информационной поддержки своей национальной системы наблюдения Земли из космоса (EOS) NASA создало EOSDIS - разветвленную инфраструктуру сбора, архивирования и распространения спутниковых данных потребителям. Система EOSDIS сосредоточила огромные массивы геопространственных данных, получаемых со спутников ДЗЗ. Это создает серьезные проблемы при организации хранения и доступа к спутниковым данным, поскольку стандартные пакеты программ баз данных не могут их эффективно перерабатывать. Например, каждый кадр прибора ТМ спутника Ландсат в шести спектральных каналах (разрешение 30 м) и одном тепловом (разрешение 120 м) покрывает площадь 170 х 185 квадратных километров. В результате объем такого кадра спутника Ландсат достигает 400 Мбайт. Ежедневные объемы необработанных спутниковых данных ДДЗ, поступающие в систему EOSDIS, оцениваются в 480-490 Гбайт. Объем обработанных данных ДЗЗ в системе EOSDIS достигает 1600 Гбайт в сутки.

В России одним из развитых архивов данных дистанционного зондирования является Центр обработки и хранения космической информации ИРЭ РАН (ЦОХКИ ИРЭ РАН), созданный в первую очередь для информационной поддержки космической программы "Природа". Подробное описание Центра помещено на серверах: http://www.ire.rssi.ru/priroda (общие вопросы), http://www.ire.rssi.ru/cpssi (центр обработки данных) и http://www.ire.rssi.ru/cpssi/cpssi.ims.htm (доступ к данным, включая поиск и заказ данных). ЦОХКИ проектировался, создавался и функционирует в настоящее время в оперативном режиме как полностью интероперабельная система с электронным Архивом ДДЗ США - системой NASA EOSDIS V0. Поэтому для ЦОХКИ не существует проблемы доступа со стороны пользователей NASA, а также проблем информационного обмена с системой INFEO (Information on Earth Observations), которая представляет собой Научный архив ДЗЗ, созданный Европейской Комиссией в период действия четвертой Рамочной программы. Анализ запросов по каталогам ЦОХКИ идет в рамках общего опроса (бродкаста) по системе EOSDIS. Разработка программного обеспечения спутниковой природо-ресурсной информации направлена на обеспечение в автоматическом режиме решения следующих задач: Оперативное наблюдение Земли, Тематическая обработка ДДЗ и наполнение оболочки электронного архива с целью изучения природных ресурсов Земли, геоэкологический мониторинг окружающей среды; оценка состояния экосистем космическими методами, обеспечение доступа к гидрометеорологической информации со всей поверхности Земли.

В процедуре геоэкологического мониторинга территории России одной из существенных проблем, возникающих при наблюдении больших по площади территорий, является необходимость согласования работы нескольких распределенных центров приема и обработки спутниковых данных. Важной проблемой также является организация такой системы доступа к данным, которая была бы максимально независимой от конкретных регионов, где эти данные приняты и обработаны. Указанные задачи могут быть решены различными способами с помощью глобальных компьютерных сетей Интернет.

При существующем в России уровне развития информационных технологий в процедуре спутникового мониторинга все большое значение приобретает принцип распределенной обработки данных. Перспективным оказывается поэтапное создание информационных систем мониторинга, при котором эффективное функционирование информационной системы начинается при создании лишь нескольких их узлов и элементов. Так, первым этапом создания системы доступа к спутниковой информации, принимаемой и обрабатываемой на разных наземных станциях, является разработка базового сервера в узле сети, имеющего развитые телекоммуникации. Информация на центральном (базовом) сервере обновляется различными региональными центрами с использованием даже низкоскоростных коммутируемых каналов. В то же время удаленные пользователи получают доступ по сети Интернет к спутниковым данным, полученным региональными центрами мониторинга. В структуре геоэкологического космического мониторинга, рассматриваемого в нашей статье, роль базового сервера и принадлежит ЦОХКИ.

Региональные Центры геоэкологического мониторинга и Электронный архив спутниковых данных обеспечивают для удаленного пользователя доступ к информационным ресурсам космического экологического мониторинга по каналам Интернет с пропускной способностью 512 кбит/c, хранение информации в течение 15 лет, обеспечивают пользователям свободный доступ к системе поиска и заказа данных из Архива по выделенному каналу емкостью 256 кбит/с.

Примеры исследований геоэкологического мониторинга территории России и создания электронной библиотеки космической информации по экологическим и природо-ресурсным фундаментальным программам, выполненные совместно ИКИ РАН, ИРЭ РАН и ИАПУ ДВО РАН, представлены в [5-7].

Рассмотренная выше информационная система спутникового мониторинга не является единственной. В ИКИ РАН действует также система оперативного доступа к спутниковым данным, взаимодействующая с Росгидрометом, Росавиакосмосом и другими ведомствами [8-9].

В последнее время информационные ресурсы развитой в России инфраструктуры спутниковой системы геоэкологического мониторинга вызывают значительный интерес зарубежных исследователей. Улучшение доступа к российским космическим данным на основе Web- и Интернет-технологий стимулирует развитие ряда международных программ, объединяющих информационные ресурсы в области мониторинга окружающей среды и уменьшения ущерба от природных и техногенных катастроф [10-11]. Отметим, что участие в таких программах чрезвычайно важно также для синхронизации и объединения на основе глобальной сети Интернет деятельности разрозненных региональных центров приема спутниковых данных и восстановления тем самым потенциала российской спутниковой системы в условиях переходной экономики страны.

В перспективе развитие электронных архивов данных дистанционного зондирования предусматривает автоматизацию отбора информации, соответствующей интересам пользователей, на основе модернизации информационных моделей электронных коллекций и разработки технологии взаимодействия пользователей с информационной системой архива. ИКИ РАН совместно с Институтом проблем информатики РАН проводят критическую оценку существующих технологий взаимодействия пользователей с информационной системой архива.

7. Заключение

В данной работе рассмотрены различные аспекты разработки космических методов контроля экосистем и спутниковой системы геоэкологического мониторинга территории России. В частности, обсуждены проблемы модернизации космического экологического мониторинга, связанные с развитием наземной инфраструктуры мониторинга и с бурным вторжением Интернет-технологий в программы экологических и природо-ресурсных исследований методами дистанционного зондирования Земли.

На современном этапе в процедуре геоэкологического мониторинга центральное место занимают проблемы создания национальных информационных ресурсов по экологическим и природо-ресурсным программам на основе методов исследования Земли из космоса. Выполнен анализ влияния сетевой среды и передовых информационных технологий на структуру электронной коллекции данных дистанционного зондирования. Показано, что учет этих факторов приводит к существенным изменениям самой инфраструктуры архивации и обмена данными геоэкологического мониторинга для возможно большего круга внешних пользователей. Отмечено, что электронный архив геоэкологического мониторинга является по существу цифровой библиотекой космической информации, принципиально общедоступен и ориентирован на максимально широкое использование электронной коллекции. Использование гипертекстовых и интерактивных технологий приводит к тому, что статус архивных материалов совпадает со статусом текущих данных. Сокращается интервал между архивированием и доступом пользователя к данным. Архив мониторинга превратился в электронную коллекцию, максимально приближенную к моменту контроля экологических условий региона.

Активное построение архива спутниковых данных на базе компьютерных информационных технологий создает предпосылки к превращению электронной коллекции в место перераспределения и упорядочивания данных. Интернет обеспечивает ускоренную циркуляцию информации, что создает предпосылки для интеграции данных геоэкологического мониторинга территории России в мировую систему информационных ресурсов исследования Земли из космоса.

Литература

1. М.А. Букчин, В.Е. Гершензон, М.Ю. Захаров, Е.А. Лупян, И.А. Плюснин. Возможность создания и перспективы использования недорогих станций приема данных со спутников серии NOAA в режиме HRPT. Исследования Земли из космоса, 1992, № 6, 85-90.
2. Kravtsov Yu, Kudashev E. Environmental management and remote sensing cooperation of the territory of Russia and the states of former Soviet Union. RSS 98. Developing International Connections. Proceedings of the 24th Annual Conference and Exhibition of the Remote Sensing Society, pp. 185-186. The University of Greenwich, 9-11 September 1998.
3. Kudashev E., Armand N., Kravtsov Yu. , Myasnikov V., Savorsky V., Smirnov M., Tishchenko Yu. The development of Earth Observation System and the Interactive Satellite Image Server for Nature Disaster Reduction. Proceedings of 50th International Astronautical Congress, IAF-99-C.1.07. October 4-8, 1999, Amsterdam, the Netherlands.
4. Kravtsov Yu.A, Kudashev E.B, Satellite techniques in Early Warning systems for large towns and megacities. Proceedings of International IDNDR Conference on Early Warning Systems for the Reduction of Natural Disasters, p. 106. Potsdam, Federal Republic of Germany, September 7-11, 1998.
5. Арманд Н.А., Кравцов Ю.А., Кудашев Е.Б., Мясников В.П., Саворский В.П., Смирнов М.Т., Тищенко Ю.Г. On-line электронная библиотека космической информации по экологическим и природо-ресурсным фундаментальным программам. Труды Первой Всероссийской научной конференции "Электронные библиотеки", Санкт-Петербург, 18-21 октября 1999 г.
6. Кудашев Е.Б., Арманд Н.А., Кравцов Ю.А., Мясников В.П., Раев М.Д., Саворский В.П., Смирнов М.Т., Тищенко Ю.Г. Интегрирование информационных ресурсов исследований Земли из космоса. Труды Всероссийской конференции ТЕЛЕМАТИКА 99, C. 98-99. Санкт-Петербург,7-10 июня 1999 г.
7. E. Kudashev, Yu. Kravtsov, V. Myasnikov, M. Raev, N. Armand, V. Savorskij, M. Smirnov, Yu. Tishchenko, Remote sensing for operational applications in the environmental monitoring of the megacities. 19 ISPRS Congress Amsterdam 2000, International Society for Photogrammetry & Remote Sensing, Part B of the International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, paper 580.
8. М.Ю. Захаров, Е.А .Лупян, Р.Р. Назиров. Создание информационного центра для поддержки пользователей спутниковых данных. // Исслед. Земли из космоса. 1994. № 4. С. 88-91.
9. Захаров М.Ю., Лупян Е.А., Назиров Р.Р.. Организация системы оперативного доступа удаленных пользователей к спутниковым данным. // Исслед. Земли из космоса. 1996. № 5. С.67-72.
10. Кадлип В., Кравцов Ю.А., Кудашев Е.Б., Раев М.Д., , Сюнтеренко О.В., Арманд Н.А., Саворский В.П., Смирнов М.Т., Тищенко Ю.Г., Мясников В.П. Российско-Британский спутниковый экологический мониторинг на основе Web- и ИНТЕРНЕТ-технологий. // "Информационное общество". 2000. № (в печати).
11. E. B. Kudashev, N.A. Armand, Yu.A. Kravtsov, V.P. Myasnikov and Wyn Cudlip. Improving access to Russian Satellite Data. Proceedings of EOGEO 2000. Earth Observation (EO) & Geo-Spatial (GEO) Web and Internet Workshop. April 17-19, 2000, London, UK.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center