По материалам Esri
Sea-Ice and Iceberg Maps for Navigation in Polar Regions
Национальный ледовый центр США использует возможности ArcGIS для обработки спутниковых снимков полярных регионов, анализа ледовой обстановки и создания карт морских льдов и айсбергов для навигации в коварных полярных водах. Спутниковые снимки загружаются в систему обработки и анализа изображений, в которой аналитики изучают морские льды и еженедельно создают десятки стандартных ГИС-карт. Они используются ВМС, пароходствами, рыболовецкими предприятиями, нефтяными компаниями и океанологами.
В целях безопасности судоходства в полярных регионах капитаны судов, находящихся вблизи льдов, а также во льдах и под ними, используют данные, поставляемые Национальным ледовым центром (NIC – National Ice Center), организацией, создающей карты морских льдов и айсбергов с помощью программного обеспечения ArcGIS компании Esri. Специалисты по льдам обрабатывают в ГИС спутниковые снимки для изучения ледовой обстановки и ее отображения на карте.
Они используют дополнительный модуль к ArcGIS, который называется Система обработки и анализа спутниковых снимков (SIPAS – Satellite Image Processing and Analysis System). «Подавляющее большинство информационных продуктов, посвященных льдам, создается нами с использованием редактора SIPAS, – говорит Марк Денил (Mark Denil), специалист NIC по ГИС. – Эта среда редактирования автоматически выполняет большинство операций по обработке и обслуживанию данных, позволяя редакторам сосредоточиться на интерпретации ледовой обстановки. Большинство продуктов создается на основе многопользовательской корпоративной базы геоданных».
На сайте Национального ледового центра доступны разные картографические продукты.
По тонкому льду
Арктический ледовый покров постепенно утончается и сокращается. Как следствие, увеличивается период навигации, морские пути дольше остаются доступными для коммерческого судоходства; месторождения становятся более удобными для разработки; появляются возможности использования более коротких, более эффективных транспортных маршрутов. Однако оживленное судоходство в водах, где присутствует лед, небезопасно. В таких условиях основными инструментами навигации становятся карты льдов и айсбергов.
Эти карты и создаются NIC, кооперативным партнерством с участием ВМС США, Береговой охраны США и Национальной администрации по океану и атмосфере (NOAA). NIC находится в Центре спутниковых исследований NOAA в Сьютленде, штат Мэриленд, в угловой части замечательного здания в стиле постмодерн с множеством спутниковых тарелок. В операционном зале 15 – 18 специалистов по льдам (большинство из них имеет метеорологическое образование) изучают и интерпретируют снимки покрытых льдом акваторий. Им помогают небольшие группы специалистов по криогенике и техников ГИС/ИТ.
На картах NIC показаны и такие пространственные объекты, как полыньи – пространства чистой воды, окруженные паковым льдом. Фото: Подводные силы ВМС США, Тихоокеанский флот.
Ежедневно, еженедельно и раз в две недели специалисты NIC анализируют данные спутниковых снимков и других источников для оценки морской ледовой обстановки в Арктике, Антарктике, на Великих Озерах, в Чесапикском заливе, заливе Делавэр и нижнем течении реки Потомак. Они дешифрируют данные о различных типах льда в полярных районах, главным образом на основе снимков различных спутников, таких как RADARSAT-1 и 2 Канадского космического агентства (CSA), Envisat Европейского космического агентства, Terra и Aqua агентства NASA.
Интерпретация ледовых данных существенно отличается от дешифровки данных землепользования, так как на снимках морских льдов нет аналогичных типов пространственных объектов. Здесь требуются особые навыки. Вместо изучения растительности, рек и застройки, специалист по льдам ищет визуальные признаки, указывающие на такие характеристики, как концентрация, стадия развития (возраст) и форма льда (является ли он льдиной, т.е. плоским куском плавучего льда?).
Роль ГИС
Более 95% данных, используемых в анализе морских льдов, поставляют спутники с полярной орбитой. Каждый день Центр получает порядка 6000 снимков или около 160 гигабайт данных, которые с помощью автоматизированных программ преобразуются в растровые файлы, готовые для использования в ГИС. Эти изображения каталогизируются и к ним предоставляется доступ аналитикам в пользовательском приложении – Обозревателе изображений. Аналитики загружают свои выборки снимков в модуль SIPAS, и в нем выполняется большая часть каждодневной работы.
С помощью утилиты Обозреватель изображений аналитик может найти снимки по географической области, дате и сенсору.
Этот модуль делает рабочий процесс более эффективным. Аналитик открывает SIPAS, приближает полярный сектор, выбирает снимки в Обозревателе изображений и принимается за работу. Он изучает и сравнивает снимки и выбирает наиболее подходящий источник для определения основных характеристик льда в данной географической области. Затем аналитик тщательно оцифровывает границы каждого типа льда (определяемого толщиной, размером льдин и возрастом – однолетний, двухлетний или еще старше), чтобы отделить его от соседних льдов других типов и от открытого моря.
Фиксируются также такие пространственные объекты, как трещины, разводья и полыньи (fractures, leads, and polynyas (FLAP)). Трещина – это разлом или разрыв в паковых льдах, разводье – это трещина или проход в морских льдах, разрешающие навигацию надводных судов, а полынья – это криволинейная область чистой воды, окруженная льдами. Все эти признаки характеризуют льды и окружающие их водные поверхности. Имея эту информацию, капитан судна знает обстановку и риски впереди по курсу и может определить, является ли данный участок маршрута судоходным и как его следует проходить.
Интерфейс модуля SIPAS позволяет загрузить изображение спектрорадиометра MODIS в ГИС и редактировать этот район Чукотского моря.
Освобождая аналитиков от многих забот, SIPAS позволяет им сосредоточиваться на трудной и важной задаче уяснения ледовой обстановки. Например, заранее заданные ограничения, встроенные в инструменты кодирования атрибутов, помогают обеспечивать высокое качество данных. Имеются правила топологии векторных карт, запрещающие создание осколочных (кусочных) или перекрывающихся полигонов. Дополнительные проверки качества позволяют убедиться, соответствуют ли линии и атрибуты границы данного района уже созданным полигонам соседних районов. Оцифрованные полигоны напрямую вводятся в многопользовательскую базу геоданных NIC.
Помимо картографирования морских льдов, NIC именует, отслеживает и включает в еженедельные отчеты большие айсберги Южного полушария. Заслуживающие первоочередного внимания айсберги должны быть не менее 10 морских миль в поперечнике, поэтому это скорее ледяные острова, а не горки, как сравнительно небольшие айсберги. NIC отследил 41 такой объект в 2011 году и 223 объекта за период с 1973 года. Эта задача выполняется сегодня в среде ArcGIS for Desktop.
Еженедельно NIC создает 70 – 80 стандартных ГИС-карт, используемых ВМС США, пароходствами, нефтяными компаниями, рыболовецкими предприятиями и океанологами. Почти все эти продукты находятся в открытом доступе на веб-cайте NIC (http://www.natice.noaa.gov/Main_Products.htm).
Помимо этого, NIC создает аналитические карты льдов и отчеты по запросу для поддержки ряда специальных задач. Эти карты в различных форматах напрямую поставляются клиенту, обратившемуся с запросом.
Специалист по льдам рисует полигон на изображении MODIS и использует инструмент атрибутирования SIPAS для создания овальной диаграммы, описывающей концентрацию и тип льда.
Применяемая NIC технология позволяет создавать высококачественные продукты по запросу и быстро их публиковать. Клиент, зашедший на веб-сайт NIC, может несколькими щелчками мыши открыть карты и данные в интерактивных картографических интерфейсах и/или загрузить данные в таких форматах, как шейп-файл, класс объектов базы геоданных, растровый слой, PDF, KML и movie loop. Поскольку многие потребители данных NIC работают в отдаленных регионах с медленной связью, веб-сайт предлагает опции высоко- и низкоскоростного интерфейса. Любая из опций позволяет пользователю искать и запрашивать данные по дате и области интереса. Инструмент-календарь облегчает доступ к архивным данным, позволяющим увидеть, как изменялись льды за последние 40 лет. Сайт также имеет интерактивную справку для пользователей и дает возможность оставлять комментарии.
Поскольку NIC отслеживает состояние полярных льдов с 1972 года, существует хороший базис для оценки изменений. Раньше NIC производил все карты и схемы глобальной ледовой обстановки методами бумажной картографии и поставлял свои продукты по факсу. Начиная с 1996 года, центр начал адаптировать свои архивные данные о льдах для исследований в области охраны окружающей среды и климатологии путем оцифровки старых архивных карт и схем и подстройки данных под цифровые методы анализа.
ArcGIS ускоряет рабочий процесс
Еще в 1999 году Семен Серцу (Semeon Sertsu), директор по информационным технологиям, начал внедрять ГИС, как наиболее перспективную для нужд центра технологию. «Результат стоил усилий: ArcGIS предоставляет замечательные возможности для управления данными, анализа изображений, производства выходных данных и их раздачи, – говорит Серцу. – Возможности этого программного обеспечения даже больше, чем я мог предположить. Например, у нас есть ГИС-инструмент, выполняющий за 30 секунд процесс, на который раньше уходила неделя».
В группу аналитиков NIC входят гражданские служащие и военнослужащие ВМС США обоих полов. Большинство приходит в центр, не имея опыта работы с ГИС, однако быстро осваивает и выполняет рабочий процесс, поскольку операции обработки изображений и создания данных интегрированы в единой и понятной программной среде ArcGIS. Это означает, что пользователям не нужно долго учиться использовать и интегрировать различные типы программ и инструментов для просмотра изображений и создания данных.
Аналитик средствами ArcGIS трассирует кромку льда в модуле SIPAS.
Профессионалы, такие как ледовый аналитик Брайан Джексон (Brian Jackson), отвечают за анализ конкретной области. Используя основанный на меню графический интерфейс Обозревателя изображений, Джексон выбирает лучшие спутниковые изображения и переносит их в рабочую среду SIPAS. Затем он анализирует изображения, используя ручную оцифровку для прорисовки границ отдельных типов льда. «Управлять данными просто, – говорит Джексон. – Мне не нужно переносить данные между системами. Я могу нарисовать линию в ArcGIS и вставить ее в тот же самый файл, чтобы сохранить целостность и ясность данных. В этом программном обеспечении мне особенно нравится то, что я могу работать, например, с арктическим бассейном, а затем щелкнуть соответствующую иконку и за 20 секунд перейти к антарктическим спутниковым данным реального времени в той же самой среде ArcGIS for Desktop».
Потребность в обмене полярными данными
Хотя Джексон видит изменения в полярных регионах, он не рискует утверждать (как и никто другой в NIC), что они связаны с изменением климата. Этот вопрос аналитики оставляют решать научному сообществу. Однако они подтверждают наличие заметных изменений в районе Северного морского пути (проходящего вдоль азиатского побережья на севере Сибири). В 2011 году он был открыт в течение четырех недель, дольше всего за 40 лет работы NIC. Это дает возможность странам региона активнее развивать судоходство, рыболовство и разработку природных ресурсов.
Семен Серцу состоит в комитете, работающем над тем, чтобы приполярные страны объединили свои массивы данных. «Никто лучше них не знает их собственного “двора», – говорит он. – Если страны согласятся с этой идеей, у них будет полная полярная карта. Совместная работа над такой электронной картой может способствовать развитию глобального сотрудничества между ними по вопросам, касающимся полярных ледовых шапок».
