Вычислительно-геоинформационная веб-платформа «Климат» как шаг к вычислительно-информационной инфраструктуре для наук об окружающей среде

Рассмотренная в предыдущем параграфе тематическая система решает определенные вопросы, возникающие при анализе климатических изменений. Однако простое использование подхода для создания подобных систем для других тематических задач и организация связи между ними еще не создают желаемую инфраструктуру, в которой нуждаются науки об окружающей среде. В такой инфраструктуре должен быть обеспечен доступ к сложным и «тяжелым» с вычислительной точки зрения моделям и результатам соответствующих вычислений. Кроме того, специалистам нужна среда профессионального общения и, конечно же, для воспроизводства научных кадров нужна поддержка профессионального образования (Гордов, Лыкосов, 2007). В отличие от системы, которая является законченным целым, платформа просто объединяет все необходимые приложения, прикладные объекты и другие информационные ресурсы в единое целое и, конечно, допускает их замены и дополнение новыми элементами. Созданный недавно (Гордов и др., 2011, 2012, 2013) экспериментальный образец программно-аппаратной платформы «Климат» обеспечивает вычислительно-информационную поддержку исследований изменений регионального климата, объединяя современные концепции ?еЬ 2.0 и возможности доступа к климатическим моделям, большим наборам геофизических данных, средствам визуализации, совместной разработки приложений распределенными научными коллективами, а также организации обучения студентов и аспирантов. При этом доступ для конечного пользователя ко всем функциям платформы обеспечивается через веб-портал с использованием возможностей стандартного браузера.

Платформа представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из следующих основных компонент: 1) распределенное системное программное обеспечение (СПО), представленное веб-ГИС-порталом и распределенным вычислительным ядром; 2) распределенное прикладное программное обеспечение (ППО), размещенное на нескольких серверах и представленное климатическими и метеорологическими моделями, а также модулями вычислительного ядра, обеспечивающими доступ, обработку и анализ наборов геофизических данных, визуализацию результатов и запись их в выходные файлы; 3) распределенные наборы геофизических данных, представленные результатами численного моделирования и натурных наблюдений и размещенные на нескольких удаленных серверах но тематическому признаку; 4) аппаратное обеспечение, представленное несколькими системами хранения данных (СХД) вместе с высокопроизводительными вычислительными серверами для их обработки, анализа и визуализации, а также необходимой инфраструктурой, обеспечивающей устойчивое функционирование (источники бесперебойного питания, системы кондиционирования технических помещений) и высокоскоростной интернет-доступ (выделенные серверы, сетевое и кабельное оборудование); 5) специальное программное обеспечение (операционная система, ПО распределения вычислительной нагрузки, управляющее и обслуживающее ПО). В частности, в составе ППО имеются подсистемы для запуска и контроля выполнения численных моделей «WRF» и «Planet Simulator»; программные компоненты для поддержки создания пользователями новых конфигураций численных моделей, интегрированных в Платформу; программные компоненты, обеспечивающие возможность совместной разработки приложений распределенными коллективами (система контроля версий); и подсистемы, реализующие возможности Платформы, связанные с технологией Web 2.0. Последние включают программные компоненты: а) добавления новых ресурсов - пакетов, результатов расчетов, презентаций, статей; б) создания пользовательских групп, для которых обеспечена конфиденциальность - материалы группы доступны только ее членам; в) создания публичных или с ограниченным доступом Wiki-ресурсов и блогов.

В целом веб-платформа предоставляет пользователю широкие возможности: 1) по обработке и анализу наборов геофизических данных, состоящих из наборов геопривязанных климатических и метеорологических величин, полученных в результате численного моделирования, а также данных дистанционного зондирования; 2) проведению совместных исследований с другими пользователями; 3) обмену полученными результатами и использованию в работе собственных наборов данных. Для общения, обмена информацией и совместных исследований в веб-платформе имеются форум и система Wiki для наполнения выделенных разделов веб-сайта собственным содержанием. Кроме того, веб-платформа может использоваться для обучения основам исследования изменений регионального климата и климатообразующих факторов, для чего в ней предусмотрен специальный раздел, содержащий образовательные материалы и интерактивные обучающие курсы. Использование в веб-платформе форматов W3C (World Wide Web Consortium), OGC (Open Geospatial Consortium, http://www.opengeospatial.org), ГОСТ P 52573-2006 и ISO 19115:2003 при описании результатов вычислений и предоставления соответствующих веб-сервисов обеспечивает интероперабельность с другими вычислительно-информационными системами.

Доступ к сервисам, предоставляемым веб-платформой, обеспечивается через любой стандартный браузер с любого компьютера, имеющего выход в Интернет. Клиент-серверная архитектура веб-платформы, построенная с использованием веб-ГИС-технологий, обеспечивает следующие возможности: 1) выбор пользователем наиболее адекватных для рассматриваемого региона наборов геофизических данных (реанализов, климатического моделирования и спутниковых наблюдений) для выявления и анализа возможных климатических, метеорологических (включая экстремальные), экологических и социально- экономических последствий; 2) проведение климатического и метеорологического моделирования с использованием моделей «WRF» и «Planet Simulator»; 3) выполнение статистического анализа современных и прогнозируемых климатических и экологических изменений в выбранном регионе и расчет их характеристик с визуализацией полученных результатов; 4) организация обучения студентов и аспирантов практическим основам исследования климатических и экологических изменений, обеспеченная включением в состав веб-платформы тематических образовательных ресурсов (Мартынова и др., 2012; Шульгина и др., 2012, Гордова и др., 2013), подготовленных для доступа через Интернет с помощью свободно распространяемой образовательной веб-системы MOODLE (http://www.moodle.org).

По сути, платформа «Климат» создает прототип того, что получило название «виртуальная исследовательская среда» (virtual research environment). Действительно, она создает для специалистов различных направлений наук, изучающих климатические изменения, такую информационно-вычислительную среду, в которую включены необходимые им для выполнения исследований сервисы и инструменты. Эта среда интегрирует все слои необходимой для работы инфраструктуры (сетевое взаимодействие, данные, вычисления, программное обеспечение и интерфейсы пользователя) и обеспечивает трансдисциплинарную интероперабельность данных.

В заключение необходимо заметить, что за пределами нашего обсуждения осталось два бурно развивающихся в настоящее время направления. Одно из них связано с создаваемой инфраструктурой пространственных данных (ИПД) как универсальной среды предоставления доступа к геопривязанным данным и специализированным сервисам их обработки и визуализации, а второе - с решением тех проблем, которые возникают при работе с очень большими объемами данных.

Требования к общей схеме интерактивного взаимодействия пространственно привязанных данных, метаданных, пользователей и вычислительных сервисов, которая должна обеспечивать их эффективное и гибкое использование, уже сформированы (Steiniger, Hunter, 2012) в схеме, получившей название SDI (Spatial Data Infrastructure, инфраструктура пространственных данных, ИПД). Большинству специалистов уже ясно, что для комплексной вычислительно-информационной поддержки прикладных геофизических исследований, в частности в области климатических изменений, необходимо создание соотвегсгвующей инфраструктуры пространственных данных. Конечно, ИПД определяет принципы разработки сетевой инфраструктуры, позволяющей, в частности пользователю удаленно обрабатывать архивы данных значительного объема и извлекать из них необходимую информацию, однако, ситуация с созданием элементов ИПД для климатической науки далека от завершения.

Очевидно, что элементы требуемой программной инфраструктуры должны удовлетворять общим требованиям архитектуры ИПД (Кошкарев и др., 2010; Steiniger, Hunter, 2012). Это подразумевает использование современных технологий обработки геофизических данных, позволяющих интегрировать различные программные решения для организации таких информационных ресурсов. Единой точкой доступа к пространственно-привязанным геофизическим данным и продуктам их обработки в рамках концепции ИПД является тематический геопортал (Кошкарев и др., 2010; Краснопеев, 2011), предоставляющий возможность поиска геоинформационных ресурсов (наборов и источников данных) по каталогам метаданных, формирования выборок пространственных данных по их характеристикам (функциональность доступа), а также управления сервисами и приложениями обработки данных и картографической визуализации (Кошкарев, 2008).

Следует отметить, что в силу ряда объективных причин (большой объем наборов данных; сложность используемых моделей их организации; различия в синтаксисе и семантике, затрудняющие создание и использование общей терминологии) разработка сервисов доступа и обработки данных в области наук о Земле (геопроцессинга) не является тривиальной задачей. Эти обстоятельства замедляют создание тематических вычислительно-информационных систем, обеспечивающих комплексную поддержку геофизических исследований на базе современных веб- и ГИС-технологий в рамках геопорталов ИПД. Однако работа в этом направлении уже начата (Титов и др., 2012) и есть надежда, что уже в ближайшее время ее первые результаты будут использованы, в частности, в платформе «Климат», в которой существующий веб-портал станет полноценным тематическим геопорталом - точкой доступа к метеорологическим и климатическим данным и вычислительным сервисам в рамках создаваемой национальной и академической ИПД.

Что же до вызовов уже пришедшей эры больших объемов геофизических данных, го здесь пока больше проблем и вызванных ими вопросов, чем внятных ответов. Пока ясно одно: создаваемые вычислительно-информационные системы обработки и анализа геофизических данных должны стать частью центров данных и, возможно, инициатива ВМО по созданию многоуровневой сети таких центров должна быть немного дополнена - эго должны быть центры данных и их обработки. Кроме того, по мере развития систем глобального и регионального климатического моделирования и поддерживающих его вычислительных ресурсов, стоит готовить возможность удаленного запуска таких моделей для ситуации, интересующей конкретного пользователя. Отдельного исследования заслуживает и вопрос о том, должна ли одна и та же тематическая вычислительно-информационная система обслуживать все типичные группы пользователей (исследователи, обучаемые и лица, принимающие решения). В силу разного типа возникающих задач, может быть, более эффективно будет организовать их адресацию на системы разного уровня. В целом в данной области науки уже наступило время перемен, а опыт учит, что для ученых это очень благоприятный период.

ЛИТЕРАТУРА

Гордое Е.П., Богомолов В.Ю., Генина Е.Ю., Шульгина Т.М. Анализ региональных климатических процессов Сибири: подход, данные и некоторые результаты // Вестник НГУ. Информационные технологии. 20! 1. Т. 9, вып. № 1. С. 56, 66.

Гордое Е.П., Лыкосов В.Н. Развитие информационно-вычислительной инфраструктуры для интегрированного исследования окружающей среды Сибири // Вычислительные технологии. 2007. Т. 12, спец. вып. 2: Информационные технологии для эколого-биологических исследований. С. 19-30.

Гордое Е.П., Лыкосов В.Н. Информационно-вычислительные технологии для наук об окружающей среде: синтез науки и образования // Вычислительные технологии. 2008. Т. 13, спец, вып. №3. С. 3-11.

Гордое Е.П., Лыкосов В.Н., Крупчатников В.Н., Окладников И.Г., Титов А.Г., Шульгина Т.М. Вычислительно-информационные технологии мониторинга и моделирования климатических изменений и их последствий. Новосибирск : Наука, 2013. 199 с.

Гордое Е.Л., Окладников И.Г., Титов А.Г., Богомолов В.Ю., Шульгина Т.М., Генина Е.Ю. Г'еоин- формационная веб-система для исследования региональных природно-климатических изменений и первые результаты ее использования И Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №2. С. 137-143.

Гордое Е.П., Окладников И.Г., Титов А.Г. Использование веб-ГИС-технологий для разработки информационно-вычислительных систем для анализа пространственно-привязанных данных // Вестник НГ'У. Информационные технологии. 2011. Т. 9, вып. № 4. С. 60-67.

Гордое Е.П., Окладников И.Г., Титов А.Г. Разработка элементов информационно-вычислительной системы на основе веб-технологий для исследования региональных природно- климатических процессов И Вычислительные технологии. 2007. Т 12, спец. вып. № 3. С. 20- 28.

Гордое Е.П., Фазлиее А.З. Научные информационные ресурсы для поддержки исследований об атмосфере в сети Интернет // Вычислительные технологии. 2004. Т. 9, ч. 1, спец. вып. С. 123-136.

Гордова Ю.Е., Генина Е.Ю., Горбатенко В.Л., Гордое Е.Л., Кужееская И.В., Мартынова Ю.В., Окладников И.Г., Титов А.Г., Шульгина Т.М., Барашкова Н.К. Поддержка образовательного процесса в области современной климатологии на основе веб-ГИС'-платформы «Климат» // Открытое дистанционное образование. 2013. № 1 (49). С. 14-19.

Гордое Е.Л., De Rudder А., Лыкосов В.И., Фазлиее А.З., Fedra К. Веб-портал АТМОС, как основа для выполнения интегрированных исследований по окружающей среде Сибири // Вычислительные технологии. 2004. Т. 9, ч. 1, спец. вып. С. 3-14.

Зайцев А.С., Мелешко В.Л, Ильин Б.М., Махоткина Е.Л., Надежина Е.Д., Решетников А.И., Светлова Т.Л. Система наблюдений за климатом в России // Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 1 : Изменения климата. М. : РОСГИДРОМЕТ, 2008. С. 19-30.

Краснопеев С.М. Опыт развертывания ключевых элементов инфраструктуры пространственных данных на базе веб-служб // Груды XIV Всероссийской объединенной конференции «Интернет и современное общество» (IMS-2011). СПб., 2011. С. 92-99.

Кошкарев А.В. Геопортал как инструмент управления пространственными данными и геосервисами // Пространственные данные. 2008. № 2. С. 6-14.

Кошкарев А.В., Ряховский В.М., Серебряков В.А. Инфраструктура распределенной среды хранения, поиска и преобразования пространственных данных // Открытое образование. 2010. №5. С. 61-73.

Мартынова Ю.В., Гордое Е.П., Крупчатников В.Н., Шульгина Т.М. Анализ климата будущего : учеб.-метод. пособие. Томск : Томский государственный университет, 2012. 20 с.

Окладников И.Г., Титов А.Г., Мельникова В.Н., Шульгина Т.М. Веб-система для обработки и визуализации метеорологических и климатических данных // Вычислительные технологии. 2008. Т. 13, спец. выи. № 3. С. 64-69.

Окладников И.Г., Титов А.Г., Шульгина Т.М., Гордое Е.П., Богомолов В.Ю., Мартынова Ю.В., Сущенко С.П., Скворцов А.В. Программный комплекс анализа и визуализации данных мони- торина и прогноза климатических изменений // Вычислительные методы и программирование. 2013. Т. 14. С. 123-131.

Титов А.Г., Гордое Е.П., Окладников И.Г. Информационно-вычислительная система для хранения, поиска и аналитической обработки данных по окружающей среде, основанная на технологиях SEMANTIC WEB // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно- технический журнал). КУЗБАСС-З. 2009. № ОВ18. С. 162-165.

Титов А.Г., Гордое Е.П., Окладников И.Г. Использование технологий Semantic Web в информационно-вычислительной системе для анализа данных по окружающей среде // Вестник НГУ. Информационные технологии. 2010. Т. 8, выи. № 1. С. 60-67.

Титов А.Г., Гордое Е.П., Окладников И.Г. Программно-аппаратная платформа «Климат» как основа геопортала локальной инфраструктуры пространственных данных // Вестник НГУ. Информационные технологии. 2012. Т. 10, вып. № 4. С. 104-111.

Шокин Ю.И., Антонов В.Н., Добрецов Н.И., Кихтенко В.А., Лагутин А.А., Смирнов В.В., Чубаров Д.Л., Чубаров Л.Б. Распределенная система приема и обработки спутниковых данных Сибири и Дальнего Востока. Текущее состояние и перспективы развития /7 Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 5. С. 45-54.

Шульгина Т.М., Гордое Е.П., Окладников И.Г., Титов А.Г., Генина Е.Ю., Горбатенко В.П., Кужев- скаяИ.В., Ахметшина А.С. Комплекс программ для анализа региональных климатических изменений // Вестник НГУ. Информационные технологии. 2013. Т. 11, вып. № 1. С. 124-131.

Шульгина Т.М., Гордое Е.П., Окладников И.Г. Анализ региональных изменений климата : учеб.- метод. пособие. Томск : Томский государственный университет, 2012. 25 с.

Хвостова Р.Н., Семенюк Е.А. Характеристики температурно-влажностного режима для мониторинга климата (по данным суточного разрешения) // Информационный сайг ГУ «ИГ'КЭ» Росгидромета и РАН. 2007. URL: http://climatechange.igce.ru

Якубайлик О.Э. Геоинформационный Интернет-портал И Вычислительные технологии. 2007. Т. 12, спец. вып. № 3. С. 116-125.

Якубайлик О.Э., Кадочников А.А., Попов В.Г., Токарев А.В. Формирование геоинформационного Интернет-портала для задач мониторинга состояния природной среды и ресурсов // J. of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2008. № 1 (4). C. 375-384.

Adamov D.P., Akhlyostin A. Yu., Fazliev A.Z., Gordov E.P., Kaiyakin A.S., Mikhailov S.A., Rodimova O.B. Information-computational system: atmospheric chemistry // Proceedings of SP1E 6 International Conference Atmospheric and Ocean Optics. 1999. V. 3983. P. 578-581.

Berrick S. IV., Leptoukh G., Farley J.D., Rui H. Giovanni: A Web sendee workflow-based data visualization and analysis system // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2009. V. 47, No. I. P. 106-113.

Dianskii N.A., Galin V.Ya., Gusev A. V., Smyshlyaev S.P., Volodin E.M., Iakovlev N.G. The model of the Earth system developed at the 1NM RAS // Russ. Journal Numer. Anal. Math. Modelling. 2010. V.25,no. 5. P.419-429.

Dragicevic S.. Balram S„ Lewis./. The role of Web GIS tools in the environmental modeling and decisionmaking process // 4th International Conference on Integrating GIS and Environmental Modeling (GIS/EM4): Problems, Prospects and Research Needs, Banff, Alberta, Canada, September 2-8. 2000.

Fraedrich K., Jansen H., Kirk E., Luksch U., Lunkeit F. The Planet Simulator: Towards a user friendly model // Meteorologische Zeitschrift. 2005. V. 14, No. 3. P. 299-304.

Frans J.M., van der Wei. Spatial data infrastructure for meteorological and climatic data // Meteorological Applications. 2005. V. 12, No. 1. P. 7, 8.

Gorelov E.P., Vaganov E.A. Siberia Integrated Regional Study: multidisciplinary investigations of the dynamic relationship between the Siberian environment and global climate change // Enviromental Research Letters. 2010. V. 5(1), No. 015007. doi: 10.1088/1748-9326/5/1/015007

Gorelov E.P.. Lykosov V.N.. Fazliev A.Z. Web portal on environmental sciences “ATMOS" // Advances in Geosciences. 2006. V. 8. P. 33-38.

Gorelov E.P., Golovko V.F., Rodimova O.B., Fazliev A.Z. Information-computational system “Integrated model of atmospheric optics” as a background for propagation problems // Optical waves propagation and adaptive systems. SP1E. 2000. V. 4338. P. 47-56.

Gorelov E. and Coauthors. Development of Information-Computational Infrastructure for Environmental research in Siberia as a baseline component of the Northern Eurasia Earth Science Partnership Initiative (NEESP1) Studies / Regional Environmental Changes in Siberia and Their Global Consequences // Series: Springer Environmental Science and Engineering / P.Ya. Groisman, G. Gutman (eds.). 2013. V. 12. P. 19-55.

Gorelov E.P., Fazliev A.Z., Lykosov V.N., Okladnikov I. G.. Titov A. G. Development of web based information-computational infrastructure for Siberia Integrated Regional Study / Environmental Change in Siberia // Earth Observation, Field Studies and Modelling, Series: Advances in Global Change Research. 2010. V. 40. P. 233-252.

Gupta A., Marciano R.. Zaslavsky I.. Ваги C. Integrating G1S and Imagery through XML-Based Information Mediation // Integrated Spatial Databases: Digital Images and G1S. Lecture Notes in Computer Science / P. Agouris, A. Stefanidis (eds.). 1999. 1737 p.

PengZ.-R., Tsou M.-H. Internet GIS - Distributed Geographic Information Systems for the Internet and Wireless Networks. N.Y. : John Wiley & Sons, 2003. 679 p.

Ramapriyan H.K., Behnke J. Sojinowski E., Lowe D., Esfandiari M.A. Evolution of the Earth Observing System (EOS) Data and Information System (EOSDIS) // Standard-Based Data and Information Systems for Earth Observation: Lecture Notes in Geoinformation and Cartography / D. Liping, H.K. Ramapriyan (eds.). Springer-Berlin. Heidelberg, 2010. doi: 10.1007/978-3-540-88264-0_5.

Samet R., Tiered S. Web based real-time meteorological data analysis and mapping information system // WSEAS Transactions on Information Science and Applications. 2010. V. 7, No. 9. P. 1115-1125.

Sillmann ./., Roeckner E. Indices for extreme events in projections of anthropogenic climate change // Climatic Change. 2008. V. 86. P. 83-104.

Simmons A.J., Jones P.D.. da Costa Bechtold V. et al. Comparison of trends and low-frequency variability in CRU, ERA-40, and NCEP/NC'AR analyses of surface air temperature // Journal of Geophysics Research. 2004. Vol. 109 (D24). doi: 10.1029/2004JD005306.

Shulgina T.M., Genina E.Yu., Gorelov E.P. Dynamics of climatic characteristics influencing vegetation in Siberia // Environmental Research Letters. 2011. V. 6. 045210 (7 p.). doi: 10.1088/1748- 9326/6/4/045210.

Skamarock W.C., Klemp J.B., Dudhia J.. Gil! D.O., Barker DM., Duda M.G., Huang X.-Y., IVang W., Powers J.G. Description of the Advanced Research WRF Version 3 // Technical note NCAR/TN- 475+STR, NCAR. 2008. 125 p.

Steiniger S., Hunter A.J.S. Free and open source GIS software for building a spatial data infrastructure / E. Bocher, M. Neteler (eds.). // Geospatial Free and Open Source Software in the 21^st Century. LNGC, Heidelberg, Springer, 2012. P. 247-261.

Thorne P.W. and Coauthors. Guiding the Creation of A Comprehensive Surface Temperature Resource for Twenty-First-Century Climate Science // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2011. V. 92. ES40-ES47. doi: http://dx.doi.Org/l O.'l 175/2011BAMS3124.1.

Titov A., Gorelov E., Okladnikov L, Shulgina T. Web-system for processing and visualization of meteorological data for Siberian environment research // International Journal of Digital Earth. 2009. V. 2, No. SI. P. 105-119.

Vatseivai R.R., Burk Th.E., Wilson В. T.. Shekhar S. A Web-based rowsing and spatial analysis system for regional natural resource analysis and mapping // Abslracrs of reports al the 8th ACM Symposium on Advances in geographic information systems. US : Washington, D.C., 2000. P. 95-101.

Welp L.R., Randerson J.T., Finlay J.C. et al A high-resolution time series of oxygen isotopes from the Kolyma River: Implications for the seasonal dynamics of discharge and basin-scale water use // Geophysical Research Letters. 2005. Vol. 32 (L14401). doi:10.1029/2005GL022857.