Современные информационные технологии для работы с

Современные информационные технологии для работы с данными
загрязнения атмосферы дистанционного зондирования Земли
Цель курса: приобрести студентам практические навыки работы с новой системой
Climate Wikience, средой анализа R, доступными на сегодняшний день данными
дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), научиться решать актуальные задачи в
области экологической безопасности на основе полученных знаний.
Темы курса. Курс будет проводиться в виде тренинга (лекция, во время которой
отводятся промежутки для выполнения практических работ), 1 час = 45 минут. Студентам
во время тренинга желательно иметь при себе ноутбуки.
№
Темы блоков лекций и практических занятий
Часов
1. Введение в данные ДЗЗ. Дистанционное зондирование (спектральная
подпись веществ, космические аппараты и радиометры), современные
продукты ДЗЗ (перечень, уровни обработки, форматы, структура, логическое
5
представление), характер данных ДЗЗ (измеряемое пространство, единицы
измерения, причины отсутствия значений, время измерения, погрешность
измерений).
2. Система Climate Wikience. Основные возможности пользовательского
графического интерфейса. Способы трехмерной визуализации данных ДЗЗ.
4
Навигация в данных ДЗЗ и их исследование в Climate Wikience.
3. Среда анализа данных R. Настройка среды. Введение в язык R. Типы данных
и методы в R для работы с данными ДЗЗ. Подключение к Climate Wikience,
4
извлечение карт и временных рядов данных ДЗЗ.
4. Данные повторного анализа (ПА). Назначение данных, структура, перечень
продуктов и показателей. Существующие повторные анализы, их отличия и
4
особенности. Отображение данных ПА в Climate Wikience и R.
5. Данные ДЗЗ о загрязнении атмосферы (SO2, O3, NO2, СО, СO2, оптическая
толщина аэрозоля). Характеристики, особенности данных, отличия,
«подводные камни», сферы применения, ограничения. Диоксид серы (SO2),
3
озон (O3), диоксид азота (NO2), оксид углерода (СО), диоксид углерода
(СO2), оптическая толщина аэрозоля (ОТА).
6. Работа с пространственными данными ДЗЗ. Вырезка области по границе
государства/региона, отображение карты в заданной цветовой схеме, вывод
2
границ государств/регионов.
7. Работа с временными рядами (ВР) данных ДЗЗ. Новый метод представления
данных ДЗЗ в виде временных рядов. Получение ВР для одной ячейки,
проход по всем ВР из замкнутого полигона. Агрегация ВР, наглядные
4
способы отображения ВР (напр., график, календарь, диаграмма Тьюки).
Построение розы ветров по данным ПА.
8. Практическое применение данных ДЗЗ: построение зависимостей
концентрации загрязняющего вещества по данным ДЗЗ от скорости и
направления ветра по данным ПА. Использование при исследовании
1
распространения загрязнения диоксидом серы (SO2) выбросов
теплоэлектростанций.
9. Практическое применение данных ДЗЗ: анализ состояния атмосферы во
время торфяных пожаров в России в 2010 году. Масштабы катастрофы,
обширность распространения вредных веществ, исследование
2
трансграничных переносов по данным ДЗЗ и ПА, построение карт
загрязнения и диаграмм.
10. Практическое применение данных ДЗЗ: анализ динамики загрязнения
2
атмосферного воздуха городов Европы аэрозолем за последние 12 лет.
Извлечение ВР ОТА над городом. Декомпозиция ВР на сезонную
(периодическую) составляющую и тренд.
11. Кросс-валидация данных ДЗЗ. Анализ корреляции данных ДЗЗ показаний
концентрации озона (O3) по данным различных радиометров, установленных
на различных космических аппаратах. Наглядные способы построения
корреляционных зависимостей.
12. Практическое применение данных ДЗЗ: определение рисков загрязнения
атмосферного воздуха для обширных территорий. Сравнительная оценка
загрязнения атмосферного воздуха стран Европы на основе данных ДЗЗ.
13. Практическое применение данных ДЗЗ: глобальный анализ динамики
концентрации диоксида углерода (СO2). Скорость роста концентрации СO2 в
зависимости от географической зоны. Построение карты глобального
распределения СO2, учитывая динамику за последние 7 лет.
Суммарное количество часов (лекции и практика)
1
4
1
37
Некоторые руководства по работе с Climate Wikience уже записаны на видео и находятся в
открытом доступе по адресу https://www.youtube.com/user/Wikience/videos.
Студентам во время курса будут выданы вспомогательные материалы в виде научных
статей, файлов данных ДЗЗ, программных кодов на языке R. На ноутбук необходимо
будет установить Climate Wikience, среду R и IDE RStudio; на ноутбуке необходимо иметь
версию Windows XP/7 и свободное место минимум 2 ГБ. Для ноутбуков студентов
необходимо обеспечить скоростной доступ в Интернет.
Курс рассчитан на студентов, работающих в областях, смежных с информационными
технологиями, экологической безопасностью и глобальными исследованиями.
Новая система Climate Wikience (www.wikience.org) является уникальным инструментом,
реализующим полный производственный цикл работы с данными ДЗЗ. Разработана в
Донецком национальном техническом университете (ДонНТУ, Украина), разработка
поддержана грантом Фонда гражданских исследований и развития США (CRDF Global),
грант № UKM1-2973-DO-09, 77 тыс. долл. США, 2011–2013 гг. Серверная часть системы
работает на высокопроизводительном компьютерном кластере ДонНТУ.
Среда анализа данных R содержит сегодня более 5000 аналитических пакетов, бесплатна и
имеет высокую популярность среди исследователей Европы и США как мощный и
доступный инструмент. Все данные Climate Wikience доступны напрямую из среды R, что
дает возможность воспользоваться всеми пакетами и преимуществами среды R.
Автор предложенных лекций является архитектором Climate Wikience и ответственным
исполнителем проекта. Таким образом, студенты получат возможность наиболее
детального и точного ознакомления с Climate Wikience.