Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка распределенного исследовательского центра для мониторинга и прогнозирования региональных климатических и экологических изменений

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
веб и гис технологии, большие геопривязанные данные, исследования климата, исследования окружающей среды, распределенные вычисления, климатические сервисы

Цель проекта:
Основной целью проекта является совместная разработка прототипа аппаратно-программной платформы распределенного исследовательского центра (РИЦ) для мониторинга и прогнозирования региональных климатических и экологических изменений на внетропических территориях Северного полушария, представляющих взаимный интерес и демонстрация преимуществ такого подхода, объединяющего взаимодополняющий опыт и знание региональных особенностей этих территорий. В рамках проекта инновационный подход "облачной" обработки и анализа больших наборов геопривязанных данных об окружающей среде будет реализован на технических платформах двух организаций США и России, вовлеченных в изучение климатических изменений и их последствий. Планируемые результаты откроют возможность разработки и создания виртуальных международных тематических исследовательских центров, направленных на междисциплинарные исследования, выполняемые международными коллективами исследователей.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов проекта.
В рамках выполнения проекта планируется получение следующих результатов:
- модель хранения и обработки наборов больших геопространственных данных;
- модель хранения и доступа растровых и векторных картографических слоев, получаемых в результате анализа геопространственных данных;
- база метаданных, описывающая наборы геопространственных данных NCEI, интегрированные в РИЦ;
- действующий прототип аппаратно-программной платформы РИЦ, включающий вычислительное ядро, программные компоненты, реализующие функциональность поиска и выборки больших наборов геопространственных данных, а также тематический геопортал и веб-клиент, предоставляющие доступ к инструментам анализа климатических данных и визуализации полученных результатов через типовой графический веб-браузер.

2. Основные характеристики планируемых результатов.
Модель хранения и обработки наборов больших геопространственных данных обеспечит высокую скорость поиска, доступа и выборки многомерных массивов, и их анализа. На основе этой модели соответствующие алгоритмы будут разработаны и реализованы в виде набора программных компонент, которые станут доступны элементам разрабатываемого РИЦ через унифицированный интерфейс разработки программного обеспечения (API). Модель хранения и доступа растровых и векторных картографических слоев, получаемых в результате анализа геопространственных данных, будет использована при разработке программных компонент, реализующих веб-сервисы WMS/WFS, а также разделение прав доступа пользователей. База метаданных, описывающая наборы геопространственных данных, интегрированных в РИЦ, объединит в себе всю информацию об архивах геопространственных данных, интегрированных в РИЦ, включая их пространственно-временные характеристики, перечни параметров, входящих в каждый архив, а также параметры их размещения на распределённых системах хранения данных. Разработанный Прототип аппаратно-программной платформы РИЦ предоставит возможность выполнять совместные мультидисциплинарные исследования климатических и экологических изменений с использованием распределённых архивов больших геопространственных данных, размещённых на технической площадке NCEI. Доступ к инструментам обработки и анализа будет выполняться через единый интернет-портал, включающий в себя специализированный веб-клиент для управления процессом анализа данных и визуализации геопривязанных результатов с использованием веб- и ГИС-технологий. По результатам выполнения проекта планируется публикации результатов исследований в высокорейтинговых изданиях, повышающих научную репутацию Российской Федерации на мировом уровне.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения проекта будет создан действующий прототип аппаратно-программной платформы РИЦ, который позволит проводить совместные мультидисциплинарные исследования климатических и экологических изменений международными исследовательскими коллективами с использованием распределённых архивов больших геопространственных данных, размещённых, в том числе, на технической площадке NCEI. С его помощью можно будет выполнять сопоставление данных моделирования с данными инструментальных наблюдений, выявление и анализ ситуаций экстремальных проявлений климата, получение информации о сценарных климатических изменениях, оценку и прогнозирование состояния окружающей среды. В целом, в ходе выполнения ПНИ будет создана и апробирована научно-технологическая основа для разработки и развёртывания сети тематических РИЦ для всестороннего изучения происходящих и возможных в будущем климатических изменений, и анализа их последствий. Такие центры обеспечат полную информационно-вычислительную поддержку данному направлению науки и его практическим приложениям на выбранной территории и получен новый вид услуг – общие и тематически ориентированные климатические услуги. Инновационные подходы и алгоритмы, полученные в результате выполнения проекта, откроют новые перспективы в проведении анализа больших геопространственных данных с использованием «облачных» технологий.
На сегодняшний день ни одна из существующих систем в области наук о Земле не может в принципе решать весь спектр задач, возникающих в области климато-экологического мониторинга, и нужно создавать тематически-направленные системы, удовлетворяющие необходимым требованиям к общей схеме интерактивного взаимодействия геопространственных данных, метаданных, пользователей и вычислительных инструментов. Использование этого подхода для разработки доступных через Интернет тематических вычислительно-информационных систем, а также организация обмена данными и знаниями между ними, являются перспективным способом создания распределенной коммуникационной среды (вычислительно-информационной инфраструктуры) поддержки междисциплинарных региональных и глобальных исследований в области наук о Земле. В частности, она нужна и для анализа климатических изменений и их влияния на поведение всех компонент окружающей среды, на социальную ситуацию и экономическую активность человечества. Наличие такой инфраструктуры особенно важно для интегрированных научных исследований окружающей среды регионального масштаба, где большое число географически распределённых специалистов различных направлений должны работать совместно. Следует добавить, что в начальных реализациях такого подхода почти не учитывалась геопривязанность данных наблюдений и моделирования. В то же время, тематические вычислительно-информационные системы и опирающаяся на них вычислительно-информационная инфраструктура наук об окружающей среде должны основываться на комбинированном использовании потенциала веб- и ГИС-технологий. Следовательно, тематические прикладные вычислительно-информационные веб-системы, являющиеся ключевыми элементами такой инфраструктуры, должны обладать функциональностью ГИС. Действительно, только комбинирование потенциала веб- и ГИС-технологий позволяет использовать мощные вычислительные ресурсы, обеспечить распределенный доступ и обработку огромных архивов данных и сохранить наглядность анализа и его результатов, присущую традиционным ГИС. Преимущества использования веб-ГИС технологий достаточно очевидны: теоретическая независимость от веб-браузеров и операционных систем; возможность комбинированного использования географически распределённых источников данных в случае совместимых проекций, масштабов и качества данных; возможность совместного использования централизованных хранилищ данных; автоматическая установка и обновление версий приложения. Для создания прототипа аппаратно-программной платформы РИЦ будет разработана модель хранения и обработки наборов больших геопространственных данных, алгоритмы её реализующие и информационно-вычислительный аппаратно-программный комплекс анализа климатических изменений по данным наблюдений и моделирования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
По оценкам экспертов, потери, вызванные негативным воздействием климатических изменений, включая и потери за счёт их экстремальных проявлений, уже достигают сотен миллиардов долларов США. В связи с этим растут вложения в разработку мер по адаптации к климатическим изменениям и уменьшению их негативных воздействий. В частности, ВМО в 2013 г. объявила о начале работ по созданию системы подготовки климатических услуг. Ожидается, что, подобно метеорологическому обслуживанию, такие услуги будут востребованы управляющими структурами, населением и отраслями промышленности.
Современным инструментом подготовки климатических услуг являются вычислительные геоинформационные системы. По данным экспертов Global Industry Analysts Inc. мировой рынок геоинформационных систем достигнет 10,6 млрд. долларов США к 2015 г. По оценке аналитической компании Daratech, в 2010 г. объем продаж геоинформационных и геопространственных продуктов (ПО, услуги и данные) увеличился на 10,3 % и достиг 4,4 млрд. долл. С этого года начался рост рынка после спада 2009-го, когда ввиду экономического кризиса наблюдалось его сокращение на 2 %. По данным экспертов, подъем продолжился и в 2011 году – рост составил порядка 8,3 %, а объем – около 5 млрд. долл. По мнению аналитиков, спрос на геоинформационные и геопространственные продукты стимулирует потребность в географической информации. С появлением многочисленных географических сайтов, таких как Google Earth, и потребительских навигационных систем, например, TomTom приложения с поддержкой ГИС получили широкое распространение для удовлетворения потребностей потребителей. Так, ГИС применяются для поддержки национальной безопасности, служат для управления добычей полезных ископаемых и соответствующей инфраструктурой, позволяют предприятиям повышать эффективность текущей деятельности, помогают людям в решении разнообразных житейских задач: выбор местожительства, навигация в путешествиях и т.д. Геопространственная информация используется для принятия решений при создании законов по охране природы, выборе места для строительства промышленных предприятий или магазинов, управлении телекоммуникационными объектами и жилищно-коммунальным хозяйством.
По данным экспертов компании Data+ российский рынок геоинформационных систем в 2011 году вырос на 20-30 % и составил 1,2 миллиарда долларов США. Стабильный рост рынка говорит о востребованности геоинформационных сервисов. При этом в 2010 году рост рынка составил 20 %, а в кризисные 2008–2009 гг. рынок падал на 30 %. 2011 год характеризуется повышенным вниманием государственных структур (в том числе, региональных) к геоинформационным системам как эффективному инструменту управления, а также инфраструктурной основе комплекса информационных сервисов и госуслуг, предоставляемых в электронном виде. Ещё одним фактором роста стало максимальное упрощение пользовательского интерфейса профессиональных ГИС-решений, что значительно расширило круг людей, применяющих это программное обеспечение в повседневной работе.

Научные результаты могут найти применение в следующих областях:
-климатология, гидрометеорология и смежные с ней области;
-мониторинг окружающей природной среды, включая ее реакцию на климатические изменения;
-геофизические процессы;
-математическое моделирование в задачах физики атмосферы и океана;
-охрана окружающей среды;
-геофизика;
-телекоммуникационные системы и математическое обеспечение суперкомпьютеров.

Прикладные результаты могут найти применение в тех отраслях промышленности, которые зависят от местных или региональных климатических условий и послужат научно обоснованным фундаментом для выработки мер по адаптации к климатическим изменениям и уменьшению их негативных последствий.

Способы использования ожидаемых результатов:
-разработка методов прогнозирования изменений состояния окружающей среды и оценки последствий климатических изменений, включая экстремальные явления, ведущие к чрезвычайным ситуациям.
- разработка научно-обоснованных рекомендаций для принятия управленческих решений по охране окружающей среды, рациональному природопользованию, предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
-разработка мер по адаптации к климатическим изменениям и уменьшению их негативных воздействий на локальном, региональном и отраслевом уровне.
-решение широкого спектра задач в области наук о Земле для получения новых знаний о различных процессах и явлениях, происходящих в атмосфере, гидросфере, геологической среде, на поверхности Земли и в околоземном космическом пространстве с использованием аэрокосмических методов и технологий.
-разработка общесистемных принципов создания сложных аэрокосмических систем и проведение многоуровневого комплексного мониторинга окружающей среды
-создание и актуализация баз данных по характеристикам различных объектов окружающей среды.

Текущие результаты проекта:
По итогам выполнения первого этапа проекта были получены следующие результаты.
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической литературы по современным подходам к хранению и обработке больших данных и методам статистического анализа климатических изменений.
2. Разработана модель хранения и обработки наборов больших геопространственных данных.
3. Разработана архитектура РИЦ и определены его ключевые аппаратные и программные компоненты для мониторинга и прогнозирования региональных климатических изменений.
4. Разработана архитектура базы метаданных, описывающая свойства наборов геопространственных данных.