Нагорнюк К.Е., компания Esri CIS, e-mail: knagornyuk@esri-cis.ru
Митакович С.А., компания ООО «ИНТРО-ГИС», г. Уфа, e-mail: S.Mitakovich@introgis.ru
Creation of Geomonitoring Systems on the Base of ArcGIS Platform
Для изучения природных процессов, а также многих видов человеческой деятельности требуются систематические наблюдения и подробное документирование с целью анализа полученных данных, прогнозирования дальнейшего развития благоприятных ситуаций или негативных последствий и принятия адекватных действий. Решением таких задач занимаются различные системы мониторинга, о которых и пойдет речь в данной статье.
Но сначала давайте более детально рассмотрим такое понятие, как «мониторинг». Мониторинг – это фиксация и оценка через повторяющиеся промежутки времени многочисленных параметров, которые наиболее полно характеризуют наблюдаемый процесс с целью выявления: изменений текущего состояния, тенденций, циклов и т.д. Более конкретно основное назначение мониторинга можно сформулировать следующим образом:
- накопление данных для формирования представлений о медленно или редко изменяющихся характеристиках наблюдаемых явлений и процессов;
- обнаружение изменений, требующих быстрого реагирования.
Можно выделить несколько разновидностей мониторинга:
- отслеживание происходящих процессов, таких, например, как обезлесение или передвижение транспорта;
- обнаружение начала процесса, например, нефтяного загрязнения и наблюдение за его дальнейшим распространением.
Существует множество задач мониторинга, где требуется наблюдение:
- за большими территориями, например, лесными пожарами;
- за изменением местоположений объектов, например, автомобилей;
- за географически-распределенными объектами, например, за работой разветвленной банковской сети и др.
Все эти задачи связаны между собой единой составляющей – пространственной (географическим местоположением). А как известно, для работы с пространственными данными наилучшим инструментом является использование технологии географических информационных систем (ГИС). ArcGIS, как полнофункциональная ГИС-платформа, позволяет построить не только географическую информационную систему любого масштаба и назначения, но и сформировать на ее основе эффективную систему мониторинга.
Функционирование системы мониторинга начинается со сбора и хранения информации. ArcGIS позволяет интегрировать сведения различных информационных систем в единую базу данных и управлять ею. Реализована возможность хранения как в собственной базе данных ArcGIS, так и в стандартной СУБД.
Собранная информация не представляет прямого практического интереса, пока она не будет должным образом структурирована и представлена в наглядном виде. При этом для обработки получаемых данных требуются профессиональные инструменты статистического, пространственного и других видов анализа.
Для решения этих задач в ArcGIS в дополнение к базовой функциональности разработаны специальные аналитические модули:
- ArcGIS Spatial Analyst – модуль пространственного анализа. Позволяет выполнять построение и анализ поверхностей, проводить гидрологические расчеты и моделирование. В нем реализованы и такие возможности как растровая статистика, методы нечеткой логики, оптимизация размещения объектов, поиск кратчайшего пути и многое другое.
- ArcGIS Geostatistical Analyst – набор статистических моделей и функций, предназначенных для исследования пространственных данных и построения поверхностей. Используя инструментарий этого модуля, на основе ограниченной выборки измерений можно создать статистически обоснованную прогнозную поверхность, дополненную оценкой ее надежности.
- ArcGIS GeoEvent Processor for Server – этот недавно появившийся модуль предназначен для получения сообщений от множества источников данных, поступающих в реальном режиме времени, проведения непрерывного анализа и фильтрации поступивших данных, а также для предоставления доступа к сформированным потокам данных различным клиентам или другим системам.
Кроме того, в составе ArcGIS также имеется более десяти других дополнительных модулей, предоставляющих широкий спектр возможностей для работы с геоданными и их визуального представления, которые мы не будем рассматривать в рамках данной статьи. Помимо этого, существует много приложений и расширений к ArcGIS от фирм-партнеров компании Esri, которые ориентированы на решение узкоспециализированных задач, таких как оценка состояния окружающих сред (акватория, почвы, растительность) или прогнозирование развития природных явлений и техногенных чрезвычайных ситуаций.
В ряде задач мониторинга эффективным способ наблюдения является использование данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Космические аппараты позволяют получать изображения поверхности нашей планеты, в некоторых случаях ежедневно, невзирая на облачность или время суток, и с набором характеристик, по которым достаточно точно может быть определено возникновение или изменение каких-либо процессов. Одним из интересных примеров является возможность обнаружения нефтяных загрязнений на радиолокационных изображениях (рис. 1). Данные ДЗЗ – ценный источник информации, поэтому ArcGIS предоставляет своим пользователям разнообразные возможности для работы с изображениями, а в последних версиях программы постоянно добавляются новые инструменты и функции для обработки материалов космической съемки.
Рис. 1. Радиолокационной снимок Керченского пролива. Темные области на морской поверхности сигнализируют о наличии нефтесодержащих пятен. Copyright Infoterra Gmbh 2007.
Помимо наблюдения за событием и его фиксации, достаточно важной составляющей комплексного мониторинга является математическое моделирование. С его помощью можно предусмотреть различные сценарии дальнейшего развития ситуации и принять превентивные и эффективные меры и решения. Сегодня уже существуют программные решения, позволяющие моделировать специфические задачи в ArcGIS. Большинство из них реализованы в виде самостоятельных приложений, которые могут взаимодействовать с ГИС за счет импорта/экспорта пространственных данных. Но есть и интегрированные решения, реализованные в виде дополнительных модулей к ArcGIS. В продолжение примера нефтяного загрязнения на рисунке 2 показаны результаты прогнозирования (реконструкции) масштабов разлива за несколько суток до проведения радиолокационной съемки.
Рис. 2. Результаты прогнозирования разлива нефтепродуктов за несколько суток.
Наличие средств приема онлайн информации, обработки данных ДЗ, инструментов математического моделирования, пространственного и сетевого анализа в составе единой геоинформационной системы позволяет обеспечить непрерывный процесс, при котором постоянно происходит уточнение, верификация и повышение качества накапливаемой информации.
Таким образом, современная система мониторинга не может и не должна основываться только на одном источнике данных. В большинстве случаев требуется комплексный анализ поступающей на вход системы информации, а также её хранение и предоставление заинтересованным специалистам, которые могут быть территориально удалены друг от друга. Такие задачи позволяют успешно решать серверные технологии ArcGIS, включая облачную инфраструктуру ArcGIS Online. Общая структура системы мониторинга, на примере системы мониторинга нефтяных разливов, представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Общая структура системы мониторинга (на примере системы мониторинга нефтяных разливов).
Основным результатом работы системы мониторинга является предоставление интегрированной и проанализированной информации заинтересованным специалистам для достижения соответствующих целей и задач. Наиболее оперативно информация может быть передана по сети интернет, а интерфейс вывода должен быть удобным, не перегруженным лишними данными и не зависимым от установки специализированного программного обеспечения. Для этого в ArcGIS реализована возможность доступа к информации через адаптированные под конкретную задачу веб-приложения (рис. 4) или через приложения на мобильных устройствах.
Рис. 4. Пример веб-интерфейса «Система мониторинга нефтяных разливов» на базе платформы ArcGIS.
Практический опыт в построении систем мониторинга на базе семейства продуктов ArcGIS позволяет выделить следующие ключевые принципы:
- Использование моделей пространственных данных, разработанных для конкретной предметной области. Многие из таких моделей представлены на официальном сайте Esri в разделе «Техническая поддержка».
- Ориентация на стандарты в области информационных технологий и использование готовых компонентов без дополнительного программирования. Например, сбор метеорологических данных с международной сети метеостанций, которые обновляются каждые 3 часа, их пространственная обработка и представление в веб-приложении в виде удобного временнОго слоя.
- Разделение средств анализа ситуаций на экспресс-оценку и детализированный расчет. Первые могут быть встроены в простые веб-приложения и доступны большому числу непрофессиональных пользователей. Вторые используются экспертами в составе настольных продуктов ArcGIS for desktop с возможностью экспорта результатов на геопортал.
- Грамотное комбинирование средств сбора данных и инструментов анализа, при котором полученных данных достаточно для проведения общего анализа, а результаты анализа указывают на ареалы, требующие более детального наблюдения.
Сегодня мы становимся свидетелями появление новых стандартов и технологий в мониторинге распределенных гетерогенных объектов, качественно повышающих уровень и сложность решаемых задач. И компания Esri, предоставляя соответствующие продукты и решения, является одним из флагманов в развитии и совершенствовании эффективных систем мониторинга. Ведь пространственно-временной мониторинг как раз и является одной из наиболее сильных сторон ГИС-технологии, а его актуальность и востребованность постоянно возрастают.
