Борщ С.В., Леонтьева Е.А., Симонов Ю.А., Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации
Затягалова В.В., Кровотынцев В.А., Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета»; e-mail: z-victoria@yandex.ru
Application of WEB and GIS technologies for the development of Flood Monitoring, Forecasting, and Early Warning System «GIS Amur»
Гидрометцентром России и НИЦ «Планета» создана система мониторинга, прогнозирования и раннего оповещения о наводнениях – «ГИС Амур» в целях осуществления эффективного контроля гидрологической обстановки в бассейне реки Амур. Система реализована на основе Веб и ГИС технологий, что позволяет в единой среде интегрировать и отображать географическую, гидрологическую, метеорологическую, синоптическую, спутниковую геопространственную информацию. Система обладает высоким быстродействием, надежностью и безопасностью, обеспечивает оперативность доведения до конечных пользователей выходной продукции, что способствует принятию правильных и своевременных решений, нацеленных на минимизацию ущерба, связанного с прохождением паводков в бассейне р. Амур.
Введение
Мониторинг гидрометеорологической обстановки на реках и прогнозирование паводков составляют ключевую задачу оперативной гидрометеорологии, успешное решение которой позволяет снизить риски от наводнений на реках, включая сохранение человеческих жизней и снижение экономического ущерба. Согласно современным представлениям система мониторинга и прогнозирования должна быть автоматизированной, основываться на математических моделях формирования стока при выпуске прогнозов, а также использовать последние достижения ГИС и ВЕБ технологий при создании и для доведения продукции до потребителей информационно-аналитической и прогностической информации. Доведение информации до потребителей является одной из ключевых компонент таких систем, поскольку своевременное получение информации в доступном для анализа виде и формате является залогом принятия быстрых и правильных управленческих решений, нацеленных на снижение возможных негативных последствий от развития опасной гидрологической ситуации на реках. Ведущие гидрометеорологические службы мира разрабатывают и внедряют такие системы для их круглосуточного использования специалистами в области оперативной гидрологии. Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО) рассматривает системы мониторинга и прогнозирования паводков как ключевой элемент снижения рисков от прохождения опасных паводков.
В статье рассматриваются технологии построения системы мониторинга, прогнозирования и раннего оповещения о наводнениях «ГИС Амур», основное внимание уделяется Веб и ГИС компонентам, входящим в подсистему доведения выходной продукции до пользователей. Система «ГИС Амур» разработана специалистами Гидрометцентра России и НИЦ «Планета» [1, 2] в рамках исполнения поручения Правительственной комиссии по обеспечению устойчивого функционирования водохозяйственного комплекса Сибири и Дальнего Востока от 26 февраля 2014 года. Кроме того, актуальность создания системы «ГИС Амур» продиктована катастрофическим паводком на реке Амур летом-осенью 2013 года [5]. При разработке системы учитывались последние достижения в области инновационных технологий, а также требования (в том числе ВМО) к системам оперативного мониторинга и гидрологического прогнозирования.
Примеры систем – мировой опыт
В настоящее время ведущие гидрометеорологические службы мира (США, Франция, Великобритания, Швеция, Польша и др.) имеют национальные системы мониторинга, прогнозирования и раннего оповещения о прохождении наводнений. В таких системах геоинформационные технологии (ГИС) широко используются как на уровне разработки и расчета, так и на уровне визуализации, анализа и распространения результатов мониторинга и прогнозирования. Согласно данным ВМО, более 80% гидрологических служб применяют ГИС в оперативной практике [6].
К наиболее продвинутым относится система гидрологического прогнозирования AHPS (Advanced Hydrologic Prediction Services) Национальной службы погоды США. Она основана на использовании широкого спектра гидрометеорологических ресурсов, автоматизированных средств прогнозирования, а также технологий ГИС. Прогностическая продукция расчетов гидрологических моделей предоставляется пользователям в графическом, текстовом и картографическом форматах в режиме реального времени через Интернет. Помимо оперативной фактической и прогностической информации, можно обратиться к многолетним данным, что позволяет в полном масштабе оценить складывающуюся или спрогнозированную обстановку относительно нормы или наблюдавшихся экстремумов.
Одной из наиболее развитых систем мониторинга и прогнозирования, принятой в настоящий момент и рекомендуемой ВМО в качестве основной для оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков, является информационно диагностическая система FFGS (Flash Flood Guidance System). На основе использования данных наблюдений, радарной и спутниковой информации о поле осадков, прогноза осадков, концептуальной модели формирования стока и ГИС-технологий система FFGS позволяет осуществлять мониторинг и краткосрочный прогноз паводков в горных районах в круглосуточном режиме. Система активно внедряется во многих странах мира.
Общими отличительными чертами современных систем мониторинга, прогнозирования и оповещения о наводнениях являются бассейновый принцип, автоматизированный счет прогнозов, современная методическая база для гидрологического прогнозирования, использование спутниковых данных и продукции, применение ГИС, обеспечение on-line доступа к продукции.
При разработке системы «ГИС Амур» был использован опыт эксплуатации подобных систем, применяемых в развитых гидрометеорологических службах ряда стран.
Структура системы «ГИС Амур»
Система автоматизированного краткосрочного прогнозирования и мониторинга наводнений на реке Амур состоит из трех подсистем: информационного обеспечения, расчета и прогнозирования, подготовки и доведения выходной прогностической и информационно-аналитической продукции до пользователей. Подобная структура успешно зарекомендовала себя в оперативной практике многих гидрометеорологических служб. На протяжении нескольких лет она также используется в Гидрометцентре России для рек бассейна Кубани и Черноморского побережья Кавказа.
Информационная подсистема включает систему управления бассейновой базой гидрометеорологических данных, разработанную в Гидрометцентре России и функционирующую в рамках автоматизированной системы обработки оперативной информации АСООИ Гидрометцентра России [4]. В режиме реального времени в базу данных поступает большой объем информации с сети наблюдений Росгидромета, прогностические поля метеорологических величин, рассчитываемых в Гидрометцентре России и поступающих по сети глобального обмена данными. Информационная подсистема является основой для расчета и выпуска гидрологических прогнозов, а также для последующей визуализации данных гидрометеорологического мониторинга и прогнозирования.
Вычислительным ядром «ГИС Амур» является подсистема гидрологических расчетов и прогнозов [3]. Ее функционирование обеспечивается постоянным взаимодействием с информационной подсистемой – требуемые для прогнозов исходные данные отбираются из оперативной бассейновой базы гидрометеорологических данных. В качестве входной информации используются данные наблюдений с сети гидрологических постов и метеорологических станций, а также метеорологические прогнозы четырех метеорологических моделей: COSMO (Гидрометцентр России), JMA (Японское метеорологическое агентство), NCEP (Национальный центр по прогнозированию окружающей среды США), UKMO (Метеорологическая служба Великобритании). Методики прогнозов реализованы в виде автоматизированных программных средств при помощи языков программирования Python и Fortran 90.
После завершения расчетов выходная информация (результаты прогнозов) записывается в оперативную базу данных. Реализация всего программного комплекса осуществлена в операционной среде Linux на серверах Гидрометцентра России. Выполнение расчетного блока происходит в автоматизированном режиме в рамках технологии АСООИ. Затем эта информация доводится до потребителей.
Подготовка и доведение выходной продукции до пользователей
Для оперативного обеспечения потребителей фактической и прогностической информацией разработана подсистема подготовки, визуализации, анализа и распространения информации о гидрологической обстановке в бассейне реки Амур. Подсистема реализована на основе технологий Веб и ГИС, что позволяет интегрировать в единой информационной среде (сети Интернет) и отображать географическую, гидрологическую, метеорологическую, синоптическую, спутниковую геопространственную информацию. Подсистема развернута на базе Главного вычислительного центра Росгидромета и является территориально распределенной. Подготовка гидрометеорологической продукции, включая расчеты и прогнозы, осуществляется в Гидрометцентре России, прием и обработка спутниковых данных производятся в Дальневосточном центре НИЦ «Планета», сбор и обработка информации с зарубежных спутников, поступающей по системе международного обмена EARS (EUMETSAT Advanced Retransmission Service), выполняются в Европейском центре НИЦ «Планета». Сибирский центр используется как резервный.
Подсистема подготовки и доведения выходной продукции до пользователей имеет широкие функциональные возможности по систематизации типов информационной продукции, автоматической поддержке электронных каталогов базы данных, ведению метаданных с подробным описанием каталогов и т.д. Высокая степень безопасности реализована в ней на трех уровнях (паролирование на уровне базы данных, веб сервисов, веб приложений); дополнительная защита данных обеспечивается через веб-адаптер Веб-сервера.
Подсистема включает три основных элемента (см. рис. 1):
- компонент базы данных (БД), предназначенный для управления, поддержки и ведения массивов гидрометеорологической информации;
- ГИС-компоненты для управления ГИС-серверами и автоматизированными рабочими местами (АРМ), предназначенными для расчетов и прогнозов гидрометеорологических параметров, а также для подготовки фактической и прогностической информации (серверные и корпоративные ГИС);
- Веб-компоненты для взаимодействия с пользователями (веб-сервер с веб-приложением).
Рис. 1. Структурная схема подсистемы подготовки и доведения до потребителей выходной продукции «ГИС Амур»
Компонент БД реализован на основе MS SQL Server-2012. Данная СУБД позволяет работать с большими объемами информации в ГИС и Веб системах, выполненных на платформе ArcGIS. Структурно компонент содержит три базы данных: основная БД и две БД со спутниковой информацией.
Основная БД, развернутая в Гидрометцентре России, содержит следующую оперативно пополняемую информацию: данные наблюдений на гидрологических постах (уровень и температура воды, температура воздуха и осадки с периодичностью 2 раза в сутки); данные наблюдений на метеостанциях; данные наблюдений и расчета характеристик водохранилища Зейской ГЭС; прогноз уровня воды на гидропостах; прогноз притока воды к водохранилищу Зейской ГЭС; метеорологические прогнозы; справочную информацию о гидропостах, метеостанциях, реках, водохранилищах и частных водосборах бассейна р.Амур. Кроме того, в БД содержатся данные наблюдений с сети гидрологических станций и постов бассейна р.Амур, включая наблюдения за уровнем воды на р.Сунгари, которые поступают по сети Росгидромета от Дальневосточного УГМС.
Базы данных спутниковой информации находятся в региональных центрах НИЦ «Планета». БД Дальневосточного центра включает данные космических аппаратов «Метеор-М» № 1, «Метеор-М» № 2, «Канопус-В» № 1, «Ресурс-П» № 1 и № 2, «Landsat 8», «Terra/Aqua», а также созданную по этим данным продукцию: карты зон затопления в бассейне р.Амур, карты типов и границ распространения снежного покрова Дальневосточного региона. В БД Европейского центра находится цифровая модель рельефа с разрешением 15м по вертикали, а также данные с космического аппарата радиолокационного зондирования «Sentinel 1» и спутниковая продукция, получаемая по системе EARS: карты относительной влажности почвы в бассейне р.Амур и карты приводного ветра в Амурском заливе Охотского моря, построенные по данным «ASCAT/MetOp». Для спутниковой информации в растровом формате в подсистеме отведено отдельное файловое хранилище, а в базе данных содержатся только метаданные и ссылки на саму информацию.
Для оптимизации и повышения быстродействия работы подсистемы в базу данных занесены заранее созданные векторные слои с объектами наблюдаемой территории: для наземных данных – местоположение и символьное отображение гидропостов, метеостанций и др., а также атрибутивная информация с общими сведениями об объекте; для спутниковых данных – закрепленные на карте узлы регулярной сетки. Векторные слои объектов связаны с таблицами, содержащими постоянно обновляемые данные о наблюдаемых и прогнозируемых гидрологических величинах и других характеристиках. Такая схема построения БД позволяет отображать готовые объекты векторного слоя и необходимую связанную с ними фактическую или прогностическую информацию из таблиц только на представленный на экране монитора фрагмент карты. Это существенно сокращает время визуализации данных на экране при изменении размера фрагмента или масштаба карты.
Наполнение БД информацией происходит автоматически посредством программы на языке Python. ГИС-компоненты управления ГИС-серверами и автоматизированными рабочими местами реализованы на платформе ArcGIS в серверном и настольном исполнении. Компонент гидрометеорологической информации состоит из двух ГИС-серверов и трех АРМ гидролога. Они предназначены для разработки и поддержки БД фактической информации об уровнях и расходах воды на гидропостах, проведения предварительных расчетов и вычислений прогнозов уровня воды на гидропостах. АРМ гидролога оснащены программным обеспечением ArcGIS for Desktop Advanced (ArcInfo) с дополнительными модулями Spatial Analyst, Geostatistical Analyst, 3D Analyst и др., объединены в корпоративную сеть и управляются через ГИС-сервер. Его основная функция заключается в создании веб-сервисов гидрологической, метеорологической, синоптической фактической и прогностической информации на основе данных, хранящихся в БД, а также в оптимизации и управлении этими сервисами. Кроме того, ГИС-серверы обеспечивают разграничение доступа к данным между гидрологами согласно их зоне ответственности. ГИС-серверы оснащены ПО ArcGIS for Server Advanced и объединены в кластер с целью равномерного распределения нагрузки между ними при одновременном обращении большого числа пользователей (более 200), а также для поддержания бесперебойной работы подсистемы при выходе из строя одного из них.
ГИС-компоненты спутниковой информации в двух центрах НИЦ «Планета» содержат по одному ГИС-серверу и автоматизированные рабочие места. Эти компоненты поставляют в подсистему готовые спутниковые картографические веб-сервисы. Дальневосточный центр поставляет готовые сервисы из разработанной для решения региональных задач «Геоинформационной системы визуализации метеорологической, гидрологической и гелиофизической информации Дальневосточного УГМС». Европейский центр поставляет сервисы с данными, поступающими по системе EARS. Следует отметить, что с помощью технологий ArcGIS спутниковые изображения больших объемов (один снимок – более 500 Мб), организованные в виде сервисов, визуализируются практически мгновенно в результате отображения не самой информации, а ее образа. Эти сервисы поддерживают открытые стандарты Open Geospatial Consortium (WMS, WFS и т.д.) и могут быть подключены по сети интернет к любой информационной веб-системе, а по корпоративной сети – к любой настольной ГИС.
Компонент взаимодействия с пользователями находится на веб-сервере Гидрометцентра России. Основная функция этого веб-приложения состоит в объединении сервисов, действующих в разных подразделениях Росгидромета, на основе графического интерфейса, обеспечивающего возможности визуализации и анализа гидрометеорологической информации в бассейне Амура. В приложении реализована возможность просмотра всей наблюдаемой или прогнозируемой гидрометеорологической информации: уровня воды, его тенденции, превышения критических отметок, класса опасности гидрологической обстановки, данных метеорологических наблюдений, метеорологического прогноза, площади затоплений, влажности почвы и многих других показателей (рис. 2). При первом запуске интерфейса на экране отображается наиболее актуальная на текущую дату информация о гидрологической обстановке в бассейне реки. Также предусмотрены широкие возможности для выборки гидрометеорологической информации по ряду критериев: времени (дате, сроку наблюдений или выпуска прогноза); принадлежности к гидрологическому посту или метеостанции; территориальному признаку (субъектам Российской Федерации, районам бассейна реки Амур, принадлежности к УГМС, к отдельным притокам или произвольной области); заданным критериям, например, уровень воды выше 1м или влажность почвы не менее 50% и др.
Рис. 2. Представление гидрологической информации в веб-приложении системы «ГИС Амур»: слева представлен комплексный гидрограф уровня воды в г. Хабаровск, фактические данные наблюдений показаны линией синего цвета, прогноз – зеленого цвета; в середине показаны возможности комбинирования гидрологической информации с данными метеорологического прогноза (прогноз температуры воздуха и осадков); перечень слоев представлен в правой части
В интерфейсе широко представлен блок графического анализа информации. В частности, как показано на рис. 2, на типовом графике изменения уровня воды на гидропосту можно отобразить временной ход фактических значений уровня воды, плавно переходящих в прогностические. Доступна и возможность проверки точности прогнозов путем графического совмещения фактических и прогностических данных об уровне воды (рис. 3).
Рис. 3. Представление гидрологической и синоптической обстановки в районе поста Елабуга: сопоставление графиков фактической и прогностической информации уровней воды с поста (слева); комбинирование гидрологических и метеорологических данных (в центре); изображение со спутника «Ресурс-П»; перечень слоев приведен в правой части
Неблагоприятные гидрологические явления отображаются на картах затопления речных пойм, построенных по спутниковым данным (рис. 4). Для Зейского водохранилища имеется возможность проведения комплексного графического анализа изменения фактических и прогностических (по разным моделям) данных о притоке и сбросе воды (рис. 5). В графическом интерфейсе реализована возможность воспроизведения поперечного профиля русла речной долины и уровня воды с его критическими отметками (рис. 6), что позволяет моментально получить представление о степени опасности складывающейся гидрологической ситуации. Кроме того, с помощью графического интерфейса можно комбинировать спутниковые данные с наземной гидрологической информацией. Например, на рис. 6 карта влажности почвы, построенная по спутниковым данным, совмещена с данными измерений уровня воды на гидропостах.
Помимо представления оперативной гидрометеорологической информации, веб-приложение позволяет выбирать картографическую основу (например, картографическую подложку из ArcGIS Online, мультимасштабную карту Росреестра, карту Bing Maps и др.) для отображения разных видов гидрометеорологической информации, включая все гидрологические посты, метеостанции, ГЭС и другие объекты, расположенные в бассейне р.Амур, или выборочно по отдельным притокам. Можно получать не только фактические значения с этих постов, но и прогностические с учетом заданной заблаговременности. Результаты могут представляться в виде графиков, таблиц и анимаций, быть оформлены в электронном и печатном видах. Интерфейс предусматривает комплексирование разных видов гидрологической, метеорологической, синоптической, спутниковой информации, представленной в векторном и растровом видах. При этом используется инструментарий – вертикальная или горизонтальная «шторка», «уровень прозрачности», «уровень контрастности» и др. Графический интерфейс веб-компонента подсистемы выполнен на языке программирования JavaScript с использованием технологии API for ArcGIS, что позволяет запускать веб-приложение на любых медианосителях (компьютерах, планшетах, смартфонах и др.), имеющих выход в Интернет, без установки дополнительных программ. Компьютерный код приложения написан с использованием открытого программного кода JavaScript Viewer for ArcGIS (Esri) и Hard Cider (btfou). Веб-приложение работает во всех основных браузерах: Internet Explorer версии 6 и выше, Mozilla Firefox, Google Chrome, Yandex, Opera, Safari и др.
Рис. 4. Представление неблагоприятной гидрологической обстановки на р. Уссури: превышение фактических значений уровня воды на посту Графское критической отметки (слева); зоны затопления речных пойм, выявленные по спутниковым данным (в центре); перечень слоев (справа)
Рис. 5. Представление гидрологической обстановки на Зейском водохранилище: фактические данные уровня, притока и сброса воды (слева) и прогноз притока воды по разным модельным расчетам (справа)
Рис. 6. Представление гидрологической обстановки в бассейне Среднего и Нижнего Амура: поперечный профиль уровня воды в створе г. Комсомольск-на-Амуре (слева); совмещение карт влажности почв (по данным скаттерометра ASCAT ИСЗ MetOp) с данными гидрологической обстановки, включая класс опасности, уровень воды, изменение уровня воды, расход воды (в центре); перечень слоев (справа)
Заключение
Система «ГИС Амур» предназначена для мониторинга и прогнозирования гидрологической обстановки в бассейне р. Амур, а также раннего оповещения населения о выявленных наводнениях. Система основана на использовании данных наблюдений с гидрологических постов и метеорологических станций, расчетов и прогнозов гидрологической обстановки, спутниковых данных высокого и среднего разрешения, а также спутниковой информационной продукции, полученной на основе обработки этих данных.
Система «ГИС Амур» является территориально распределенной, ее основные компоненты, связанные с расчетами и прогнозами гидрометеорологических параметров, находятся в Гидрометцентре России, спутниковые компоненты в виде готовых картографических веб-сервисов поставляют Европейский и Дальневосточный центры НИЦ «Планета», Сибирский центр является резервным поставщиком спутниковых данных.
«ГИС Амур» разработана на основе Веб и ГИС технологий, на платформе ArcGIS в серверном и настольном исполнении. ГИС-серверы объединены в кластер с целью поддержания бесперебойной работы подсистемы и равномерного распределения нагрузки между ними.
В ходе оперативной эксплуатации весной-летом 2015г. система продемонстрировала высокую эффективность работы: точность и надежность прогнозирования, оперативность доведения продукции до конечных пользователей, широкое разнообразие типов и форматов выходной продукции, что позволяет использовать ее в качестве прототипа при развитии подобных систем для других крупных бассейнов рек Российской Федерации.
Система ориентирована на широкий круг пользователей, в том числе на органы исполнительной власти. Она позволяет в режиме, близком к реальному времени, получать доступ ко всему массиву гидрометеорологической информации в бассейне р. Амур, что способствует принятию правильных и своевременных решений, нацеленных на минимизацию ущерба от прохождения паводков.
«ГИС Амур» получила международное признание, а ее разработчикам в лице Гидрометцентра России и НИЦ «Планета» в 2015 году вручена высшая награда Esri за особые достижения в области применения геоинформационных технологий.
Литература
- Фролов А.В., Асмус В.В., Борщ С.В., Вильфанд Р.М., Жабина И.И., Затягалова В.В., Кровотынцев В.А., Кудрявцева О.И., Леонтьева Е.А., Симонов Ю.А., Степанов Ю.А. «ГИС Амур»: система мониторинга, прогнозирования и раннего оповещения о наводнениях //Метеорология и гидрология, 2016, №3, с. 5, -21.
- Борщ С.В., Жабина И.И., Затягалова В.В. и др. Доведение прогностической продукции Гидрометцентра России до пользователей средствами ГИС-технологий. /Тезисы доклада на 20-й Конференции Esri в России и странах СНГ, Московская область, пансионат «Клязьма», 22–24 октября 2014г. (электронное издание http://esri-cis.ru/download/public/klyazma2014/nic_planeta2.doc).
- Борщ С.В., Симонов Ю.А., Христофоров А.В., Юмина Н.М. Краткосрочное прогнозирование уровней воды на реке Амур // Труды Гидрометцентра РФ, 2015, вып.353, с.26–45.
- Жабина И.И., Пурина И.Э., Степанов Ю.А., Чекулаева Т.С. Новые оперативные технологии обработки гидрометеорологических данных и управления прикладными программами с использованием супер-ЭВМ CRAY. /В сб.: 70 лет Гидрометцентру России. — СПб, 1999, с.90–117.
- Фролов А.В., Георгиевский Ю.В. Экстремальный паводок 2013 года в бассейне реки Амур. //В сб.: Экстремальные паводки в бассейне р. Амур: причины, прогнозы, рекомендации. — М., Росгидромет, 2014, c. 5–39.
- Fürst J. Application of Geographical Information Systems (GIS) in Operational Hydrology. Report to WMO RA VI.—WMO, 2002, 30p.
