Воронцов А.А., ВНИИГМИ МЦД, Смирнова Е.В., Лебедева Н.Я., Лебедев Н.Н., Немынов М.П., Гореликова Л.М., Нужденова Е.М., Проектный и учебно-методический Центр по геоинформационным технологиям «ГИСпроект», г. Москва, e-mail: nlebedeva@gispro.ru, Web: www.gispro.ru.
Electronic marine Atlas – Web-integration of geospatial resources
СозданиеЕдиной Системы Информации об обстановке в Мировом Океане (ЕСИМО) – одна из десяти подпрограмм Федеральной целевой программы «Мировой океан», которая была принята к разработке Постановлением Правительства Российской Федерации в 1997 году. Цель программы заключается в консолидации разнообразных данных об обстановке в Мировом океане, используемой в ведомственных информационных системах, а также оперативное предоставление этой информации различным группам пользователей. В реализации подпрограммы ЕСИМО принимают участие более 30 организаций из 10 министерств и ведомств России. Координатором работ по интеграции информационных систем и ресурсов ЕСИМО выступает Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Основу ЕСИМО составляют информационные системы министерств и ведомств, специализирующиеся на производстве наблюдений, сборе, обработке, анализе, хранении и распространении информации об обстановке в Мировом океане. Массивы информации включают данные о:
- природных и техногенных процессах и явлениях на акваториях и в прибрежных зонах, о физико-химических свойствах морской среды и ее загрязнении, о биологических, минеральных и энергетических ресурсах;
- нормах правоотношений по ходу морской деятельности;
- социально-экономической и иной деятельности по использованию ресурсов Мирового океана.
За тринадцать лет развития программы ЕСИМО выполнена инвентаризация существующих отечественных и зарубежных массивов и баз данных, потоков оперативной информации по морской среде, информации о морской деятельности. Разработана межведомственная база метаданных, включающая описания более 100 мореведческих организаций-поставщиков и потребителей информации, 800 отечественных и 1200 зарубежных источников информации, 2500 платформ наблюдений (НИС и морские береговые станции/посты, спутники) и других элементов, используемых для навигации в информационном пространстве в части обстановки в Мировом океане. Сформирован фонд океанографических и морских гидрометеорологических данных и данных по загрязнению морской среды, включающий данные из большинства наиболее существенных отечественных и зарубежных источников данных (более 35 тысяч экспедиций НИС за многолетний период наблюдений) на современных магнитных носителях. Развиты тематические технологии управления данными и получения продукции по различным аспектам морской среды: гидрометеорология, морская геология-геофизика, биоресурсы и др., используемые в центрах ЕСИМО. Разработаны типовые (профильные) информационно-измерительные комплексы, обеспечивающие автоматизированный сбор и доставку в центры ЕСИМО оперативной информации о состоянии морской среды.
Для использования всего спектра информационных ресурсов созданы различные приложения, в том числе и приложения по представлению информации на карте. Подготовлены более 15 электронных режимно-справочных пособий по гидрофизическим условиям и загрязнению, ледовым условиям и опасным гидрометеорологическим явлениям, по биологическим ресурсам морей России, морскому транспорту, морской геологии; гармоническим постоянным морей и другим аспектам морской среды с применением ГИС-технологий.
С развитием телекоммуникационных средств доступа возникла возможность организации работы с данными ЕСИМО в виде портального решения, предоставляющего пользователям единую точку входа в информационные ресурсы и их совместного использования. Обеспечение таких возможностей предъявляет более строгие требования к формам представления данных, их точности, сопоставимости. Разработчиками ЕСИМО было принято решение активнее использовать ГИС-технологию как среду пространственного представления данных ЕСИМО, а также формировать пространственные данные как элементы единого Электронного Морского Атласа (ЭМА). Базовыми инструментальными средствами ГИС были определены программные продукты ArcGIS (Esri), имеющие в своем арсенале наиболее развитые составляющие для пространственного представления данных и формирования портальных решений, а также открытые для создания специализированных приложений.
Участие «ГИСпроект» в программе ЕСИМО
«ГИСпроект» в течение ряда лет участвует в программе ЕСИМО по нескольким направлениям. Сначала «ГИСпроект» был задействован в разработке систем стандартизации и унификации представления данных и как поставщик морских геологических карт. С 2010 года «ГИСпроект» становится разработчиком новой версии электронной картографической основы (ЭКО) и участвует в развитии серверной компоненты Атласа, геосервисов по отдельным тематическим направлениям и пользовательского Web-приложения для работы с ЭМА.
Дополнительно «ГИСпроект», как учебно-методический центр, занимается разработкой стандартов ЕСИМО (Технических спецификаций) на создание и представление пространственных данных и проводит обучение специалистов из организаций, участвующих в создании Атласа, по работе с программными продуктами ArcGIS. Целевая аудитория таких курсов – поставщики пространственной информации для ЭМА ЕСИМО, а также ГИС-специалисты: операторы, администраторы баз данных, аналитики в центрах сбора и создания пространственной информации, ее обработки, использования и распространения. Помимо учебных курсов по ArcGIS был разработан специализированный однодневный курс «Методический курс по подготовке тематических пространственных данных ЕСИМО», на котором специалистам поставщикам тематических данных ЭМА ЕСИМО была предложена пошаговая методика по регламенту подготовки тематических карт с помощью линейки программных продуктов ArcGIS 9.x.
Концепция Электронного Морского Атласа
Одним из главных компонентов ЕСИМО является Электронный Морской Атлас (ЭМА), который задуман как интерактивный комплексный картографический ресурс, доступный пользователям в виде специализированного Web-приложения. Тематическое наполнение Атласа обеспечивают информационные центры ЕСИМО. Все тематические данные создаются и поддерживаются на единой электронной картографической основе (ЭКО), готовятся к публикации в виде картографических сервисов, доступных на портале ЕСИМО. Содержание Атласа охватывает разнообразные характеристики морской среды и морской деятельности, включая данные оперативных наблюдений, прогностические и аналитические данные. Охват тематики ЭМА представлен на рис. 1.
Рис. 1. Информационные ресурсы ЭМА.
Уникальность ЭМА состоит в том, что он формируется как комплексный, динамически обновляемый геоинформационный ресурс об обстановке в Мировом океане, который объединяет тематические пространственные данные, поступающие от разных ведомств и организаций, под единой WEB-оболочкой, настроенной для интерактивного взаимодействия пользователя с пространственными данными. Принципиально новый подход, реализуемый в Атласе благодаря телекоммуникационным технологиям, – это возможность демонстрации оперативных данных, минимальный временной лаг обновления которых может составлять 3 часа (например, оперативные данные метеонаблюдений, поступающие как со стационарных постов, так и с дрейфующих станций). Еще одна отличительная особенность Атласа – возможность анимации временных трендов по отдельным параметрам, например демонстрация временных рядов глобальных метеорологических прогнозов с дискретностью 12 часов или отслеживание траектории движения судов.
Основные функции этого ГИС-Атласа – получение справочной, оперативной, аналитической или прогностической информации по объектам морской среды или морской деятельности в реальном режиме времени в сочетании с возможностью добавлять на карту собственные данные или самостоятельно собирать картографические сюжеты и сохранять их в виде персонального профиля. В перспективе концепция полнофункциональной единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане предусматривает получение информации по любой морской акватории и/или прибрежной территории в виде триады: обобщение (климат) – текущее состояние (анализ) – прогноз (ожидаемое состояние).
Разработка электронной картографической основы нового поколения
Электронная картографическая основа (ЭКО) – важный элемент Атласа, служащий для консолидации и точности формирования тематических данных. В ходе развития проекта происходили изменения в представлениях о составе и содержании ЭКО. По мере расширения тематического блока Атласа возникла необходимость в совершенствовании его картографической основы. Было принято решение дополнить картографическую основу Атласа топографическими данными разных масштабов (на территорию РФ), а также включить в состав ЭКО космические снимки Земли и цифровые модели рельефа.
С 2010 года «ГИСпроект» является разработчиком ЭКО нового поколения (версия 3.0). В задачи текущего года входит:
- пополнение фонда базовых картографических данных массивами цифровых топографических карт;
- построение цифровых моделей рельефа на акватории морей РФ;
- разработка разных вариантов масштабируемой картографической основы под тематические данные ЭМА, которая включает данные цифровых навигационных, морских и топографических карт, цифровых моделей рельефа (ЦМР) суши и акваторий и космических снимков.
Работа состояла из следующих этапов: разработка общей концепции ЭКО нового поколения; формирование унифицированного банка данных ЭКО; создание библиотеки условных знаков для ЭКО версии 3.0; настройка картографических слоев на отображение в разных масштабах и для разных вариантов ЭКО. В процессе работы над новой версией ЭКО были унифицированы данные предыдущих версий на Мир, а также их картографическое представление.
Рис. 2. Примеры ЭКО на мир.
По степени генерализации пространственной информации ЭКО подразделяется на четыре масштабных уровня: глобальный, региональный, субрегиональный и локальный. ЭКО глобального и регионального уровня обеспечивают картографический фон для отображения тематических данных как на Мировой океан в целом, так и на отдельные морские регионы. ЭКО субрегионального и локального уровня предназначены для отображения детальных тематических данных на прибрежные части морей РФ вплоть до информации по отдельным портам. Картографические слои ЭКО настроены на непрерывное отображение пространственных данных с учетом перехода с одного масштабного уровня на другой. При этом пользователь имеет возможность выбрать вид картографической основы под интересующую его тематику. Так, для карт глобального и регионального уровней, это может быть разгруженная карта-бланковка, либо физическая карта (рис. 2). Для карт субрегионального и локального уровней на территорию РФ предоставляется возможность использовать в качестве картографической основы слои цифровых топографических карт разных масштабов, цифровые модели рельефа суши и моря, а также данные космической съемки (рис. 3, 4).
Рис. 3. Примеры ЭКО на Россию. Топографическая основа со снимком со спутника Landsat.
Рис. 4. Примеры ЭКО на Россию. Топографическая основа с навигационными данными.
Варианты ЭКО содержат предопределенные наборы картографических слоев с параметрами настройки для графического отображения и подписей базовых пространственных объектов. Функции карт ЭКО – ориентирование в географическом пространстве, получение общей информации о территории/акватории, использование в качестве фоновой для нанесения разнообразной тематической информации. Главная особенность ЭКО нового поколения состоит в том, что пользователю предоставляется возможность интерактивно настраивать ее под разные задачи, выбирая те или иные слои для отображения, изменяя пространственный экстент и масштаб карты, либо добавляя собственные данные, тем самым включаясь в интерактивный процесс создания собственных картографических сюжетов.
Тематические данные по морской геологии и геофизике ЭМА
«ГИСпроект» в течение ряда лет участвует в развитии картографического фонда ЭМА по тематике «Геология и геофизика». За последние десятилетия был получен значительный объем новых данных о геологическом строении морских регионов Российской Федерации, включая результаты геологической съемки шельфа и создание листов Государственной геологической карты масштаба 1:1 000 000. Изучение и картографирование этих территорий в миллионном масштабе происходило фрагментарно, неравномерно. Наиболее изученными остаются акваториальные области Западно-Арктического шельфа России, отчасти дальневосточные и южные моря. Поэтому для обобщенного и связного представления всей имеющейся информации был выбран генерализованный пятимиллионный масштаб, для которого был определен список тематических разделов и их содержание.
В разделе «Фактографические данные» собрана первичная информация, полученная при бурении глубоких и параметрических скважин, анализах проб грунта и воды, отобранных на станциях донного опробования, а также промеры глубин морских акваторий. Эти материалы являются базовыми и ложатся в основу всех исследовательских и аналитических работ, используются при интерпретации геофизических данных, которые играют главную роль при изучении геологического строения акваторий.
Раздел «Изученность» представлен данными по объёму геологосъемочных, сейсмических, сейсмоакустических, гравиметрических и магнитометрических работ, проведенных в отдельных морских акваториях в разное время, разными организациями и с разной детальностью. Пример карты сейсмической изученности представлен на рис. 5.
Рис. 5. Пример карты сейсмической изученности.
Раздел «Геофизика» содержит данные о гравитационных и магнитных полях. Комплексная интерпретация геофизических материалов в разделе «Глубинное строение» ложится в основу создания ряда структурных схем, дающих представление о глубинном строении и тектонике региона, Эти данные позволяют представлять или уточнять основные черты глубинного строения, создавать карты районирования фундамента по особенностям геофизических полей, карты поверхности Мохо и др.
Представление о геологическом строении осадочного чехла акваториальных областей, в разделе «Геология», ввиду небольшого количества глубоких скважин, во многом базируется на результатах сейсмических исследований: прослеживании границ сейсмостратиграфических комплексов и подкомплексов. Их вещественная характеристика и возрастная привязка основана на материалах параметрического и поискового бурения, а также данных, полученных при исследованиях материкового и островного обрамления. При анализе отдельных частей разреза широко используются материалы сейсмоакустических исследований, строятся структурные карты по опорным отражающим горизонтам в осадочном чехле и связанный с ними «каркас» сейсмогеологических разрезов. Такая «сейсмостратиграфическая основа» должна быть единой для крупных седиментационных бассейнов с общим геологическим строением. Обобщение же всех информационно-аналитических систем потребует структурирования информации на основе серийных легенд, важнейшей частью которых является структурно-формационное районирование территории.
В основу районирования (раздел «Тектоника») положены геодинамические, возрастные, структурные и вещественные признаки. На тектонической схеме выделяются объекты трех рангов: глобальные (тектонические области), региональные (тектонические мегазоны) и территориальные (тектонические зоны). Их выделение проведено на основе системного анализа перечисленных выше признаков, с учетом рациональных положений историко-геологического и террейнового подходов к тектоническому районированию и картографированию. Это позволяет показать на карте разновидности тектонических единиц, дать комплексную информацию, характеризующую различные тектонические единицы: геодинамическую и историко-геологическую – для областей; геодинамическую, историко-геологическую и структурную – для мегазон; геодинамическую, историко-геологическую, структурную и вещественную – для зон. Информация распространяется на всю площадь и весь разрез выделенной тектонической единицы.
Динамические ресурсы ЭМА
Электронный Морской Атлас предоставляет уникальную возможность получать актуальную информацию о состоянии Мирового океана, основанную на оперативных и прогностических данных по гидрометеорологическим условиям, по ледовой обстановке или по иным параметрам морской среды. Данные основаны либо на оперативных наблюдениях, либо представляют обработанные и обобщенные аналитические и прогнозные данные на определенный период времени. В ЕСИМО уже реализована технология ведения оперативной базы данных, поступающих по каналам Глобальной системы телесвязи и доступа к ней, апробирована интегрированная схема получения и использования ледовой, гидрологической и метеорологической диагностической и прогностической информации. В частности, в настоящее время более 30 процентов информационных ресурсов ЕСИМО содержат оперативную информацию.
Наиболее отработанным и стабильным источником динамически обновляемых данных на сегодняшний день являются прогнозы метеорологических полей, которые ежедневно поступают из Гидрометцентра в виде таблиц, содержащих географические координаты регулярной сетки с параметрами температуры воздуха, температуры подстилающей поверхности, атмосферного давления, ветрового режима, осадков и относительной влажности воздуха. Заблаговременность прогноза составляет 120 часов с шагом в 12 часов от 0 часов стартового времени прогноза. Данный ресурс был выбран в качестве тестового для отработки автоматизированного формирования динамически обновляемых карт Атласа.
Задача обработки исходных данных состояла из нескольких этапов:
- преобразование табличных данных в классы пространственных объектов;
- построение средствами модуля ArcGIS Spatial Analyst поверхностей по каждому метеорологическому параметру;
- построение изолиний с заданным шагом;
- настройка данных на отображение и создание картографических сервисов;
- динамическое обновление данных в суточном цикле.
В результате автоматизации исходных данных были получены серии прогностических, регулярно обновляемых карт на мир по ряду метеорологических параметров (рис. 6). В дальнейшем по отработанной методике предполагается обрабатывать и другие информационные ресурсы, такие как прогноз параметров ветрового волнения, глобальный анализ полей атмосферного давления, температуры воды и пр.
 |
 |
 |
 |
Рис. 6. Примеры карт прогноза температуры воздуха, температуры воды, влажности воздуха и атмосферного давления.
При обращении к динамическим ресурсам ЭМА пользователь имеет возможность изучать пространственное распределение представленных параметров, как по отдельности, так и комбинируя сочетание параметров по своему усмотрению.
ЭМА. Web-приложение для работы с пространственными данными
Наряду с перечисленными выше, перед «ГИСпроектом» была поставлена задача разработки Интернет-приложения, обеспечивающего удобную ГИС-среду для работы с пространственными данными ЕСИМО. Задача была непростой, поскольку предполагалось, что пользователям предстоит работать с большим объемом пространственных данных на разные территории, которые необходимо не просто визуализировать, но и сопоставлять между собой, получать информацию о различных процессах, в том числе и их временнЫх изменениях.
В результате «ГИСпроектом» создан простой в использовании, но достаточно развитый по функциональным возможностям Web-интерфейс – OceanViewer.
Многооконная система приложения OceanViewer дает возможность пользователям одновременно получать информацию в графическом окне, окне атрибутивных значений, справочном окне результатов запросов и измерений, а также управлять видимостью и прозрачностью слоев, набором отображаемых атрибутивных характеристик. В составе инструментов работы с цифровой картой как стандартные инструменты зуммирования, панорамирования карты, получения информации об объектах на карте, так и специальные инструменты управления составом ЭМА и его отображением.
Рис. 7. Пример окна OceanViewer для работы с пространственными данными.
Приложение позволяет каждому пользователю самостоятельно формировать свой Электронный атлас, отбирая и добавляя из разделов ЭМА необходимые слои данных в собственный проект. Этот проект будет сохранен в виртуальном «личном кабинете» пользователя и загружен при следующем сеансе работы. Пользователи могут создавать группы «по интересам», обмениваясь созданными проектами.
Данные ЭМА имеют четыре измерения: в пространстве и времени. В связи с этим было принято решение развивать OceanViewer для предоставления возможностей трехмерного отображения пространственных данных, учитывая вертикальную составляющую, а также найти средства наиболее удобной визуализации временнЫх характеристик.
3D компонента позволяет представлять данные в виде непрерывных полей и векторных слоев на поверхности Земли с учетом особенностей рельефа.
Для визуализации временнОй координаты в состав OceanViewer была включена функциональность анимационного просмотра изменений динамических процессов, предоставляющая возможность ускоренно «проигрывать» временнУю смену показателей пространственных явлений в автоматическом режиме и возвращаться к предыдущим временнЫм показателям.
Заключение
Формирование ГИС-Атласа нового типа – динамического, интерактивного, настраиваемого, доступного в среде интернет, интегрирующего колоссальный объем информационных ресурсов различных ведомств и организаций – только начинает складываться в единую геоинформационную систему. Описанный подход к формированию электронного морского атласа в рамках программы ЕСИМО позволяет надеяться, что отдельные разделы ЭМА уже в скором времени будут доступны для полноценной работы с пространственными данными на геопортале ЕСИМО.
В целом, принимая во внимание достаточно высокий уровень программно-технологических и информационных возможностей ЕСИМО, можно утверждать, что с завершением работ по внедрению системы в промышленную эксплуатацию будет создан и адаптирован к морской деятельности в России удобный и достаточно мощный комплексный инструмент для информационного обеспечения всех пользователей, заинтересованных в актуальных данных об обстановке в мировом океане.
