УДК 528.9

Разработка научно-образовательного геопортала Сахалинского климатического центра для работы с климатическими данными

Ващенко Дмитрий Алексеевич – аспирант кафедры геологии и нефтегазового дела Сахалинского государственного университета.

Шумилов Илья Валерьевич – младший научный сотрудник Сахалинского климатического центра Сахалинского государственного университета.

Москалев Роман Павлович – ведущий инженер Научно-исследовательской лаборатории дистанционного зондирования Земли (ЮСНИС) Сахалинского государственного университета и Российской академии наук.

Аннотация: В данной статье представлена методика создания геопортала Сахалинского климатического центра (СКЦ), предназначенного для комплексного анализа климатических данных. Геопортал предоставляет исследователям и образовательным учреждениям доступ к широкому спектру климатических параметров, таких как температура воздуха и воды, влажность, атмосферное давление и др. В статье описаны этапы разработки геопортала, включая определение требований пользователей, сбор и обработку данных, их загрузку и интеграцию в систему, а также приведены примеры использования геопортала в научных исследованиях и образовательных целях.

Ключевые слова: геопортал, Сахалинский климатический центр, геоинформационные системы, geomixer, большие данные, дистанционное зондирование Земли.

Введение

Современное научно-образовательное пространство подвергается существенному влиянию процессов цифровизации. Внедрение геоинформационных систем (ГИС) и методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) существенно влияет на улучшение методик сбора, систематизации, анализа и визуализации пространственно-временных данных. Разработка комплексных систем, обеспечивающих эффективное управление этими данными, становится ключевой задачей в области современных информационных технологий [1-2]. Это открывает новые возможности для глубокого анализа и понимания широкого спектра процессов, способствуя решению различных научных и практических задач.

Системы дистанционного зондирования, такие как сеть спутников Sentinel, разработанная Европейским космическим агентством, являются важной частью глобальных усилий по мониторингу состояния окружающей среды. Согласно оценкам, один только спутник Sentinel-2 ежедневно генерирует около 1,6 терабайт данных, что указывает на значительный объем информации, производимый авиационными и космическими средствами. Большие массивы данных, полученные дистанционными методами, представляют собой типичный пример "больших данных" (big data). Они охватывают широкий спектр проблем, включая природные и антропогенные процессы, и являются неотъемлемой частью современных научных исследований и образовательных программ.

Помимо спутниковых данных, существует также значительный объем климатических данных, собираемых наземными метеостанциями. Этот массив данных охватывает разнообразные метеорологические параметры, включая температуру воздуха, осадки, скорость ветра и влажность и др. Согласно сведениям Всемирной метеорологической организации (ВМО) и других научных институтов, глобальная сеть метеостанций ежедневно производит гигабайты данных. Однако, несмотря на значительный объем аккумулированных пространственных данных, которые, по некоторым оценкам, могут превышать 1 петабайт в год, существует заметный дисбаланс между их объемом и доступностью для научного сообщества и образовательных институций [6].

Цель работы: разработке методологии создания геопортала, который позволит эффективно организовать работу с большими данными для решения прикладных задач в различных областях науки и образовательной деятельности.

Материалы и методы исследования

Методика создания геопортала включает следующие ключевые этапы:

1. Определение требований и разработка концепции геопортала.

В основе геопортала Сахалинского климатического центра (СКЦ) лежат тщательный анализ требований и ожиданий пользователей, представляющий собой краеугольный камень для определения параметров и функциональности системы. Этот критический важный этап включал в себя проведение опросов с представителями академического сообщества - учеными, преподавателями, студентами, а также заинтересованными лицами. Использование Google Форм для проведения онлайн-опросов позволило эффективно и оперативно выполнить сбор данных, необходимые для разработки концепции геопортала.

Опросный лист, предназначенный для сбора данных о требованиях и ожиданиях пользователей геопортала СКЦ, включал 20 вопросов (Рис. 1).Эти вопросы охватывали широкий спектр тематик, включая функциональность геопортала, пользовательский интерфейс, предпочтения по дизайну и др. Сочетание вопросов с фиксированными вариантами ответов, вопросов с множественным выбором и открытых вопросов позволило получить всестороннее понимание потребностей пользователей и сформировать основу для разработки концепции геопортала.

Рисунок 1. Опросный лист

В результате комплексного опроса, охватившего свыше 50 потенциальных пользователей, был осуществлен сбор и анализ данных, что позволило сформировать перечень из более чем 20 индивидуальных требований и ожиданий, касающихся не только функциональных аспектов, но и структурной организации геопортала.

На основе глубокого анализа собранных данных была разработана структура геопортала. Один из ключевых элементов — блок «Интерактивная карта», который предоставляет пользователям возможность визуализации и анализа геопространственных данных. Пользователи могут просматривать многоуровневые слои данных, осуществлять целенаправленный поиск и проводить аналитические операции в интересующих их географических областях с использованием интуитивно понятных картографических инструментов. Структура данного раздела разработана с учетом двух основных принципов: тематического и территориального.

Помимо блока «Интерактивная карта», на геопортале представлены дополнительные разделы. Раздел «Список публикаций» включает библиографию научных работ и статей, написанных сотрудниками, охватывая исследования, выполненные с использованием портала, а также публикации, способствующие развитию соответствующих научных направлений и методологий. Раздел «Мероприятия» предоставляет информацию о предстоящих конференциях, вебинарах и семинарах, связанных с центром. Кроме того, блок «FAQ и поддержка» содержит ответы на часто задаваемые вопросы и предлагает контактную информацию для службы поддержки, которая помогает пользователям решать вопросы, возникающие при использовании геопортала.

2. Сбор данных.

В процессе сбора данных были использованы различные источники: открытые геопространственные базы данных и данные, полученные в ходе научных исследований, проводимых Сахалинским климатическим центром и другими организациями. Общий объем собранных данных составил более … терабайт. Для обеспечения максимальной полноты и точности анализа были использованы данные в различных форматах, включая, но не ограничиваясь, форматы netCDF (Network Common Data Form), используемые для хранения и обмена сложных многомерных научных данных, изображения в форматах JPG, PNG и GEOTIFF, которые отображают визуальные и геопространственные аспекты исследований, а также табличные данные в формате Excel.

3. Обработка и подготовка данных.

На третьем этапе проведения исследования, ранее собранные данные были подвергнуты тщательной обработке и всестороннему анализу. Для этих целей применялось специализированное программное обеспечение, включая такие системы как ArcGIS, QGIS, ENVI, Surfer, Scanex Image Processor, а также программное обеспечение разработанное сотрудниками СахГУ, такое как NetCDF processing, Ice Data Processing [3-4], ПК «ЛЕД» [5], Excel-макросы обработки гидрометеорологических данных, bash-скрипты командной оболочки для сбора и обработки ледовой, гидрометеорологической информации и данных ДЗЗ. Кроме того, были задействованы передовые аналитические инструменты, в том числе разработанные на языке Python, MATLAB, C Sharp что позволило реализовать сложные методы статистического анализа и машинного обучения. Этот этап включал в себя ряд критически важных процедур, начиная от стандартизации данных, их нормализации и приведения к единой геодезической системе и проекциям, и заканчивая сложными процессами их глубокой структурной аналитики и классификации.

4. Загрузка данных.

На четвёртом этапе разработки научно-образовательного геопортала ключевым моментом была загрузка обработанных данных. Этот процесс осуществлялся с использованием веб-картографической интеграционной платформы Scanex Web-GIS GeoMixer и СУБД PostgreSQL, на базе которых и был разработан сам геопортал. Использование Scanex Web-GIS GeoMixer в качестве основы для геопортала обеспечило не только удобство и гибкость в работе с данными, но и гарантировало их надёжное хранение.

Результаты исследования и их обсуждение

Завершение полного цикла разработки и тестирования привело к успешному запуску геопортала, который теперь предоставляет доступ к обширному массиву климатических данных. Эти данные были собраны и обработаны с применением передовых научных методов и подходов, что обеспечило их высокую точность и актуальность.

Геопортал предоставляет исследователям и образовательным учреждениям комплексный доступ к широкому спектру климатических параметров. Эти данные включают в себя информацию о температуре воздуха и воды, влажности, атмосферном давлении, ветровых условиях, осадках, облачности, солнечном излучении, морских аэрозолях, солености и температурных профилях воды, а также о динамике волн, течений, приливов и отливов. Кроме того, доступны данные о биологической продуктивности, включая плотность фитопланктона и зоопланктона, и влиянии водной турбулентности на распределение морского биоразнообразия.

Основными пользователями геопортала являются студенты, преподаватели и научные сотрудники Сахалинского государственного университета (СахГУ). На геопортале предусмотрены различные типы пользователей, каждый из которых имеет свои уникальные права и возможности доступа:

1. Администратор. Данный тип пользователя обладает самым широким спектром прав и возможностей. Администратор отвечает за управление геопорталом, включая настройку системных параметров, управление доступом и правами других пользователей, а также обеспечение безопасности и целостности данных на платформе.
2. Владелец. Пользователь данной категории является создателем определенного ресурса на геопортале и обладает правами на его управление. Владелец может задавать параметры доступа к своим ресурсам, редактировать и обновлять их содержимое, а также делиться ими с другими пользователями геопортала, способствуя более широкому распространению и использованию информации.
3. Гость. Пользователь этой категории имеет возможность обращаться к ресурсам, просматривая общедоступные данные и материалы. Однако возможности гостя ограничены по сравнению с администраторами и владельцами.

Одним из примеров применения геопортала является оценка изменчивости ледовитости Охотского моря. Пользователи портала, включая студентов и сотрудников СКЦ, могут анализировать многолетнюю и внутрисезонную изменчивость ледового покрова в различных пространственных и временных масштабах. (Рис 2).

Рисунок 2. Спутниковое изображение. Северо-западная часть Охотского моря

Кроме того, геопортал служит важным инструментом для планирования и обеспечения безопасности мореплавания. Размещенные на платформе материалы, основанные на результатах научных исследований, позволяют морским операторам и навигаторам определять наиболее безопасные и эффективные маршруты судоходства, минимизируя риски, связанные с ледовыми условиями. Эта функциональность особенно важна для повышения надежности морских перевозок и сокращения потенциальных экологических и экономических рисков.

Данный методологический подход может быть использован для разработки геопорталов различной предметной направленности, что позволяет создавать эффективные и многофункциональные инструменты для различных областей науки и образовательной деятельности.

Финансирование

Исследование выполнено в рамках государственного задания «Создание научных основ управления процессами поглощения и накопления углерода биоморфолитосистемами прибрежно-морских водно-болотных угодий и прилегающих морских акваторий (FEFF-2024-0004)».

Список литературы

1. Merchant, J. Using geospatial data in geographic education / J. Merchant. – Текст : непосредственный // Journal of Geography. – 2008. – Vol. 106, № 6. – P. 215-216. – doi:10.1080/00221340701863840.
2. Kerski, J.J. The role of GIS in Digital Earth education / J.J. Kerski. – Текст : непосредственный // International Journal of Digital Earth. – 2008. – Vol. 1, № 4. – P. 326-346. – doi:10.1080/17538940802420879.
3. Разработка программного модуля построения карт распределения вероятностей встречи с морским льдом для изучения дальневосточных морей / И.В. Шумилов, В.А. Романюк, Д.В. Зарубина [и др.] // ИнтерКарто. ИнтерГИС. Геоинформационное обеспечение устойчивого развития территорий: Материалы международной конференции. – Mосква: Географический факультет МГУ, 2023. – Т. 29. – Ч. 1. – С. 657-667. – doi: 10.35595/2414-9179-2023-1-29-657-667.
4. Романюк, В.А. Предварительные результаты анализа дат наступления основных ледовых фаз на акватории Охотского моря по данным дистанционного зондирования Земли / В.А. Романюк, И.В. Шумилов, В.М. Пищальник // XXXVI International Multidisciplinary Conference “Innovations and Tendencies of State-of-Art Science”. Proceedings of the Conference (October, 2023). – Mijnbestseller Nederland, Rotterdam, Nederland, 2023. – 130 p. – ISBN 978-94-036-1025-2.
5. Основные принципы работы программного комплекса «ЛЁД» / В.М. Пищальник, И.Г. Минервин, А.О. Бобков, В.А. Романюк // Физика геосфер: 1Х-й Всероссийский симпозиум: материалы докладов / Учреждение Российской академии наук Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН. – Владивосток: Дальнаука, 2015. – Т. 31. – С. 556-561.
6. World Meteorological Organization (WMO) : официальный сайт. – URL: https://community.wmo.int/en (дата обращения: 10.05.2024). – Текст : электронный.