ГЕОИНФОРМАТИКА:
ТЕХНОЛОГИИ,
НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ
С 20 по 25 сентября в Барнауле проходила II Международная конференция «Геоинформатика: технологии, научные проекты», организованная Институтом вычислительных технологий и Институтом водных и экологических проблем СО РАН.
Ю. Плотников, «НВС»
Мечты становятся реальностью
Для многих видов научного исследования конечным этапом является зримое представление результатов в виде карты или графика. Карта — это проверенный веками, очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи информации. И уже очень давно, ещё на заре картографии, человечество стало пытаться сопровождать чисто пространственную информацию иной, дополняющей представление об окружающем мире (причём не только о его реалиях, но и о чудесах). Многие из древних и средневековых карт плотно забиты обширными текстовыми фрагментами, изображениями местных достопримечательностей, знаменитых строений, людей, животных и прочих «кунштов куриозных и достопамятных». Развитие научных основ картографии в новое время вытеснило эту информацию «за поля». Но мечта видеть всё и сразу осталась. И только с началом компьютерной эры эти мечты начали сбываться. Географические информационные системы (ГИС) вооружают человечество новыми удивительными инструментами, расширяющими и развивающими благородное искусство картографии.
Если обойтись без лишнего пафоса, ГИС — это совокупность современных компьютерных технологий, предназначенных для картирования и исследования объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете. ГИС-технологии объединяют традиционные операции работы с базами данных, такие, например, как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают их применение в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий, с осмыслением и выделением их главных причин и вероятных последствий, с планированием стратегических решений и текущих действий.
В русле мировых тенденций
В Сибирском отделении давно существует пристальный интерес к этой проблематике. Об истории и научных традициях исследований в области геоинформационных систем в СО РАН на открытии конференции рассказал сопредседатель её научного и организационного комитетов академик Ю. И. Шокин.
Первый большой толчок работе в этом направлении дал В. А. Коптюг, когда провёл в 1995 году первое совещание по ГИС-технологиям, где впервые было собрано всё, что делалось в Сибирском регионе, в академических институтах и вузах, в отраслевых академиях. После этого были организованы ГИС-подразделения во всех научных центрах и ряде институтов СО РАН.
Вторым и необходимым этапом, без которого было бы невозможно дальнейшее продвижение, явилось создание сети передачи данных Сибирского отделения. И третий этап начался, по сути дела, три года назад, с принятием в 2007 году программы СО РАН 4.5.2 «Разработка научных основ распределённой информационно-аналитической системы на основе ГИС и веб-технологий для междисциплинарных исследований». Задания одиннадцати проектов программы были определены в рамках трёх основных направлений: теоретические исследования в области информационных и вычислительных систем; технологические разработки, алгоритмы, методы и программы; предметно-ориентированные исследования природных, техногенных и социально-экономических процессов. В результате успешного выполнения программы были созданы новые и дополнены существующие информационные системы, классификаторы, каталоги и базы данных, объединённые в сеть локальных и распределённых информационных ресурсов СО РАН. Опубликованы более 400 научных работ, защищены несколько диссертаций.
Немаловажным стимулом для развития ГИС стала заинтересованность власти, когда полномочный представитель Президента РФ в СФО
А. В. Квашнин поставил перед Сибирским отделением и всем научным сообществом Cибири цель посильного внедрения геоинформационных технологий в задачи принятия решений на разных уровнях властных структур.
Первая международная конференция по геоинформатике состоялась два года назад в Иркутске. Время доказало важность такого мероприятия, где встречаются и обмениваются опытом активно работающие люди, которые реально создают продукт, используемый в тех или иных предметных областях.
В зеркале статистики
В конференции приняло участие более 90 специалистов из научных центров, академических институтов, вузов и предприятий Барнаула, Иркутска, Кемерова, Красноярска, Кызыла, Москвы, Нижнего Новгорода, Новосибирска, Омска, Томска, Тюмени, Улан-Удэ, а также Кыргызстана, Сербии и Чехии. Высок научный квалификационный уровень участников — академик и член-корреспондент РАН, действительный член Кыргызской национальной академии наук, 36 докторов наук и 38 кандидатов наук (т.е. «остепенённость» участников — около 80 %). С другой стороны, 40 участников относятся к категории молодых учёных, что составляет более 40 % от общего количества.
На конференции прозвучали 94 доклада, из них 10 — на пленарных заседаниях и 84 — в трёх секциях: «Новые модели, методы, алгоритмы и технологии», «Интеграция данных, метаданные и геосервисы», «Геоинформационные системы, геоинформационное картографирование».
Доклады были посвящены развитию технологий геоинформационного моделирования, функциональным возможностям геоинформационных систем, проблемам создания и поддержания инфраструктуры пространственных данных, баз метаданных, геосервисов, геопорталов, методам обработки и применения данных дистанционного зондирования Земли для решения широкого круга задач изучения и мониторинга природной среды и социально-экономических процессов, вопросам интеграции данных и технологий в единое информационное пространство. Пленарные доклады транслировались в научные центры Сибирского отделения по корпоративной Сети передачи данных СО РАН, осуществлялась видео- и аудиозапись.
Заметным явлением стало проведение второго (первый состоялся в прошлом году в Кемерово) мастер-класса для молодых сотрудников научных и образовательных организаций Сибири. Мастер-класс — это новый и, как представляется, очень удачный формат профессионального общения, сочетающий лекционный материал, демонстрацию практических примеров, неформализованное общение и проблемные дискуссии с ведущими специалистами России и Европы (Барнаул, Новосибирск, Красноярск, Москва, Брно) в интерактивном режиме.
В рамках конференции состоялись выездные заседания научно-координационных советов программы фундаментальных исследований СО РАН № IV.31.2. и программы «Телекоммуникационные и мультимедийные ресурсы СО РАН», совещания исполнителей заказного интеграционного проекта СО РАН № 9, а также интеграционных проектов СО РАН №№ 4, 116, 121.
Естественно, нет никакой возможности в рамках газетной статьи подробно рассказать обо всём, что происходило на этой интереснейшей конференции. Без сомнения, ряд конкретных вопросов, поднимавшихся в Барнауле, мы рассмотрим в последующих публикациях. Пока же постараемся несколькими широкими мазками передать читателю палитру затронутых тем.
Дестабилизация системы
Проблема прогнозирования и предупреждения катастроф в природной и техногенной сферах относится сегодня к числу приоритетных исследований как в России, так и за рубежом. На её решение в последнее время выделяются значительные научные и финансовые ресурсы. Основным инструментом этих исследований является моделирование катастрофических природных процессов и техногенных аварий.
 |
|
— Все проблемы природно-техногенной безопасности являются результатом дестабилизации тройственной системы социума, техносферы и природной среды, — убеждён д.т.н. В. В. Москвичёв. — Поэтому требуется переход от решения отдельных экологических проблем к комплексному обеспечению экологической и природно-техногенной безопасности регионов. При этом основной задачей должна стать защита населения и территорий от ЧС природного и техногенного характера. Эта проблема тесно связана с экономическими задачами, и контроль экологической и природно-техногенной безопасности необходимо рассматривать как фактор стабилизации кризисных явлений в экономике, обеспечивающий сохранность и функционирование основных производственных фондов. Оценка уровня природных и техногенных рисков должна стать основой экономических механизмов регулирования безопасности. Снижение рисков так или иначе обеспечивает устойчивое функционирование экономического потенциала регионов и повышает их конкурентоспособность.
Исследования в области природно-техногенной безопасности ведутся в разных институтах Сибирского отделения, в первую очередь в ИВМ, ИВТ, ИДСТУ, ИУУ, ИФТПС, СКТБ «Наука». Однако, к сожалению, за последние 10 лет так и не удалось сформировать программу Сибирского отделения по проблемам природно-техногенной безопасности.
В результате многолетних усилий в ряде институтов СО РАН были разработаны базовые модели антропогенных рисков. Их количество уже приближается к сотне. Оценка степени опасности территорий по субъектам СФО показывают серьёзные проблемы в ряде регионов. Большинство из них относится к первой категории опасности. В этой ситуации необходимо развитие соответствующих систем мониторинга.
В. В. Москвичёв продемонстрировал несколько из них: систему геодинамического мониторинга Алтае-Саянского региона, сейсмического мониторинга Ангаро-Енисейского каскада ГЭС, оценки экологических рисков на угледобывающих и нефтегазодобывающих территориях и ряд других.
Выводы однозначны: состояние природно-техногенной и экологической безопасности регионов Сибири требует разработки и принятия свода нормативно-правовых актов регионального уровня. Их основой должны стать количественные оценки рисков на базе экологических критериев и показателей устойчивого развития конкретно по каждому из субъектов СФО. Первоочередная задача — нормирование уровней рисков для промышленных и урбанизированных территорий на базе данных мониторинга природной среды.
Для нужд водохозяйственного комплекса
Институт водных и экологических проблем не впервые участвует в организации научных конференций и совещаний геоинформационной направленности. Это во многом связано с тем, что при выполнении работ водно-экологической тематики использование геоинформационных технологий является для института приоритетным. Применение ГИС для обработки больших объёмов пространственной информации методом цифрового картографирования — важная часть комплексных исследований в области наук о Земле, выполняемых в ИВЭП. Для решения многих экологических задач используются спутниковые данные. Институт участвует в проекте «Разработка проблемно ориентированных ГИС и информационно-моделирующих комплексов для изучения водных объектов Сибири на основе новых методов интегрирования пространственных и междисциплинарных данных», а также активно использует предоставляющиеся возможности складывающегося единого информационного пространства Сибирского отделения, в т.ч. доступа к банкам данных и вычислительным ресурсам СО РАН. Полученные результаты нашли своё практическое приложение в крупном проекте, выполняемом по заказу Водного агентства — «Исследование современного состояния и научное обоснование методов и средств обеспечения устойчивого функционирования водохозяйственного комплекса бассейнов рек Оби и Иртыша».
О применении ГИС-технологий для создания информационно-управляющей системы Обь-Иртышского водохозяйственного комплекса рассказала к.г.н. И. Н. Ротанова.
Принятие управленческих решений в водохозяйственном комплексе, впрочем, как и везде, основано на использовании большого объёма разнородной информации. Использование геоинформационных технологий значительно облегчает выполнение задач сохранения и восстановления водных объектов, устойчивого функционирования водохозяйственного комплекса, предотвращения негативного воздействия вод.
Информационно-управляющая система (ИУС), над которой работает институт, состоит из трёх основных блоков: информационного, моделирующего и экспертного. В ней реализованы как картографические, так и табличные сервисы. Комплект цифровых ситуационных, оценочных, исполнительных и прогнозных карт позволяет выполнять комплексную оценку водных объектов Обь-Иртышского бассейна. Атрибутивная база данных отражает состав и взаимосвязи количественных и качественных параметров системы в виде логически скомпонованных показателей, привязанных к картографической основе. Создание ИУС ещё не завершено, но её возможности уже впечатляют.
Сверху видно не всё
К настоящему моменту известны два основных подхода к решению сложной проблемы атмосферной коррекции спутниковых изображений земной поверхности. Первый подход является приближённым и основан на различных допущениях, характер которых зависит от стоящей задачи. В ряде случаев, связанных с массовой рутинной обработкой больших объёмов спутниковой информации, это позволяет упростить решение. Например, в задаче спутниковых измерений температуры подстилающей поверхности учитывается поглощение излучения водяным паром, но игнорируется влияние аэрозоля и облачности. В задаче детектирования высокотемпературных источников учёт влияния атмосферы вообще отсутствует. При восстановлении коэффициентов отражения от поверхности вызывает вопросы методика учёта бокового подсвета.
Другой подход связан с применением последовательного физического (RTM) метода, в котором используется теория переноса оптического излучения через многокомпонентную среду (атмосферные газы, аэрозоль, облачность) совместно с оперативной информацией о состоянии атмосферы в момент съёмки. Несмотря на сложность и трудоёмкость, именно физический подход обеспечивает максимальную точность атмосферной коррекции спутниковых данных. Стремительное развитие вычислительных средств, применение вычислительных кластеров, суперкомпьютеров и параллельного программирования позволяют использовать RTM-подход на практике наряду с приближёнными методами.
О развитии этого подхода в Институте оптики атмосферы
им. В. Е. Зуева СО РАН рассказал д.ф.-м.н. В. В. Белов. Учёные ИОА результативно используют накопленный за многие годы багаж знаний по атмосферной оптике, теории переноса оптического излучения через атмосферу, новейшие алгоритмические и программные разработки. Практическим результатом этих работ стал программный комплекс тематической обработки данных спутниковых систем EOS/MODIS и NOAA.
В помощь геологу
Территория Кыргызстана характеризуется широким распространением руд благородных
металлов. К настоящему времени накоплен огромный материал, освещающий геологические, минерало-геохимические, структурные и другие особенности этих месторождений. Задачи его систематизации заставляют обратиться к модельным построениям. Перспективам оценки благороднометаллоносности на основе геоинформационных моделей был посвящён доклад академика АН Кыргызстана А. Жайнакова.
Модели основных рудных формаций, прослеженных на сотни и тысячи километров, позволяют вскрыть закономерности появления родственных месторождений, что создаёт возможность прогнозирования скрытого оруденения и оценки глубоких горизонтов даже при ограниченном объёме информации.
— Для модельных построений на основе компьютерной программы необходимо соблюдать ряд условий, — считает академик А. Жайнаков. — С одной стороны, группа месторождений должна отвечать требованиям единства, т.е. их формирование некогда было обусловлено единым рудообразующим процессом и происходило в близких геологических условиях. С другой стороны, это должны быть месторождения руд определённого состава. Это требование не исключает необходимости построения моделей для крупных, уникальных месторождений. Но в целом моделирование должно базироваться на совокупности факторов и процессов, установленных на примере месторождений небольших и средних размеров.
Индекс достоверности
Столкновение нашей планеты с кометой или астероидом занимает одно из первых мест в рейтинге излюбленных заокеанским кинематографом сценариев конца света. Но такой возможности уделяют внимание и серьёзные учёные.
В настоящее время в мире существует свыше десяти каталогов и баз данных по импактным (т.е. вызванным падением на поверхность планеты космических тел) структурам Земли. Особенностью разработанной в отделе математических задач геофизики ИВМиМГ СО РАН под руководством д.ф.-м.н. В. К. Гусякова базы EDEIS (Expert Database on the Earth Impact Structures) является включение в неё сведений не только о достоверных (доказанных) случаях, но также о предполагаемых структурах, перспективных для дальнейшего изучения. Поэтому в основу их описания положен индекс достоверности, показывающий вероятность того, насколько та или иная структура имеет импактное происхождение.
Индекс достоверности — это экспертная оценка, выражаемая в баллах от 1 до 4 и отражающая наличие сведений по четырём группам признаков (морфологические, структурно-геологические, петрографические, микроструктурные), по которым обычно и проводится доказательство. Оценка 4 показывает, что критериям импактности соответствует информация по всем четырём группам признаков, значение меньше 4 — только по отдельным.
Каталог импактных кратеров и кратерных полей в настоящее время содержит 1073 структуры, с разной степенью достоверности имеющих внеземное происхождение. Из них 203 кратера имеют достоверность 4, 211 — достоверность 3, 477 — достоверность 2 и 68 — достоверность 1. Помимо этого, в базе данных содержатся сведения о 114 структурах с нулевой достоверностью, т.е. о таких, в отношении которых когда-то было высказано предположение об их импактном происхождении, но дальнейшие исследования опровергли эту гипотезу (см., например, статью о Патомском кратере). Поскольку «что написано пером, не вырубишь топором» и информация об этих структурах так или иначе присутствует в литературе и Интернете, они сохраняются в основном каталоге, но в дальнейшем анализе не участвуют.
Учёт параметра достоверности существенно меняет оценку частоты падений метеоритов на Землю. Например, включение в расчёты данных о предполагаемых и вероятных событиях приводит возрастанию этой оценки на 3—4 порядка. В особенности это касается частоты падений на современном этапе геологической истории (последние 10 тыс. лет), поскольку малые кратеры, наиболее часто обнаруживаемые, имеют существенно меньший период сохранности на поверхности Земли.
До новых встреч!
На заключительном пленарном заседании было единодушно признано, что конференция состоялась как значимый научный форум. Особо отмечена её роль в определении приоритетов научных исследований в области геоинформатики. В итоговом решении рекомендовано продолжить и расширить практику организации мастер-классов, привлекая к участию в этом мероприятии новых слушателей и ведущих специалистов-лекторов, а также высказано предложение об организации и проведении III Международной конференции по геоинформатике в 2012 году.
Участники конференции выразили благодарность за поддержку Российскому фонду фундаментальных исследований и Сибирскому отделению Российской академии наук.
Фото автора
стр. 8-9
|
