ГИС ГеоЕСИМО - Конференции

Программный комплекс анализа пространственно-временной
информации об обстановке в Мировом океане - ГИС ГеоЕСИМО
В.Г. Гитис, А.П. Вайншток, А.Б Дерендяев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем передачи
информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук (ИППИ РАН)
Аннотация
Рассматривается сетевая проблемно-ориентированная ГИС, предназначенная для решения
аналитических прикладных задач ЕСИМО. Описывается взаимодействие ГИС с
технологическими компонентами ЕСИМО: СРБД, РМК, ГИС-сервер. Приводятся
функциональные возможности и представлены примеры применения ГИС.
1. Введение
В настоящее время изучение природных и техногенных процессов в окружающей среде
требует создания распределенных многофункциональных телекоммуникационных систем
мониторинга пространственно-временных данных. Это системы интегрируют большие
информационные и вычислительные ресурсы, аналитические средства и сетевые сервисы.
Такие системы создаются в рамках международных и российских проектов, таких, как Global
Earth Observation System of Systems (GEOSS), Global Ocean Observing System (GOOS), ФЦП
«Мировой океан» (Вязилов и Михайлов, 2005) и др.
По программе «Мировой океан» создана Единая государственная система информации об
обстановке в мировом океане (ЕСИМО). Для интерактивной визуализации и
геоинформационного анализа данных ЕСИМО разработана многофункциональная
динамическая ГИС ГеоЕСИМО (Дерендяев и др., 2010). ГИС ГеоЕСИМО развивает
технологию анализа пространственно-временных процессов, разработанную в ИППИ РАН в
ГИС ГеоТайм (Гитис и Ермаков 2004, Гитис, 2012, Gitis et al, 2012).
ГИС ГеоЕСИМО является внешним программным приложением, которое подключается
как компонента в СОИ инфраструктуру ЕСИМО (Технические спецификации СОИ ЕСИМО
с учетом сетевой архитектуры и технических требований к web-сервисам, версия 1.2 от
06.06.2011). В данной работе рассматриваются технологические и алгоритмические решения
задач интеграции ГИС в ЕСИМО.
Разработка ГИС ГеоЕСИМО потребовала решения ряда задач, связанных с доступом и
многопоточной загрузкой больших объемов разнотипных данных, с взаимодействием с
другими компонентами ЕСИМО, с обеспечением запуска вычислений на удаленных серверах
и т.д.
2. Интеграция ГИС в ЕСИМО
2.1. Требования интеграции
Интеграция динамической ГИС в ЕСИМО потребовала обеспечения следующих функций:
 Доступ к данным по регламенту, обеспечивающий работу с разными форматами,
определяемыми в файлах метаданных.
 Многопоточная загрузка в ГИС потоков данных с серверов среды, их обновление в
реальном времени и мониторинг загрузки данных СРБД с сервера интеграции (СИ).
 Загрузка и отображение WMS геосервисов из базы интегрированных данных ГИСсервера ЕСИМО.
1
 Запуск задач на распределенных расчетно-модельных комплексах (РМК) ЕСИМО на
серверах среды с использованием ГИС-интерфейса для формирования задания и
получения результатов.
 Создание новых ГИС-проектов и их подключение к портлету ГеоЕСИМО.
 Сохранение полученных в ГИС слоев на ПК пользователя для повторного их
использования или для передачи другому пользователю.
 Публикация результатов, полученных средствами ГИС (новые слои, карты, таблицы
графики).
 Анимационное представление результатов ГеоЕСИМО в KML формате для
отображения их в сетевых вьюверах с наложением на тайловые картоосновы.
 Мониторинг взаимодействия ГеоЕСИМО с компонентами ЕСИМО, включающий
регистрацию и анализ сбоев,
статистику применения,
отслеживание хода
выполнения внешних задач.
 Создание и подключение портлета ГеоЕСИМО к порталу ЕСИМО, обеспечивающего
представление ГИС-приложений пользователю согласно его профилю, вызов и
загрузку ГИС-приложений ГеоЕСИМО.
 ГеоЕСИМО должно использовать общую систему аутентификации и авторизации
ЕСИМО и удовлетворять регламенту безопасности ЕСИМО.
2.2. Взаимодействие ГИС с системой распределенных баз данных (СРБД) ЕСИМО
Объектами СРБД ЕСИМО являются информационные ресурсы, хранящиеся как в
локальных сетях, так и на HTTP и FTP-серверах организаций – центров ЕСИМО и
организаций-поставщиков данных:
 Базы данных SQL-подобных СУБД.
 Структурированные по определенному формату файлы данных, обрабатываемые
программными компонентами технологий ЕСИМО.
 Объектные файлы (текстовые документы, изображения и др.), не обрабатываемые
программными компонентами технологий ЕСИМО.
 Приложения, обеспечивающие прямой доступ к локальным системам данных через
Интернет или VPN (Virtual Private Network - виртуальная частная сеть).
 Гео-сервисы (OGC WMS).
Технология интеграции информационных ресурсов ЕСИМО обеспечивает полную
функциональность для их администрирования и обеспечения к ним доступа пользователей.
Для предоставления возможности использовать удаленные и географически распределенные
данные пользователям (сервисы портала, АРМы ЕСИМО, узлы СРБД, другие
информационные системы и технологии) используется Сервер Интеграции (СИ). Каждый
пользователь имеет учетную запись и свой интерфейс, предоставляющий набор доступных
ему сервисов технологии и ресурсов, а также определяющий категорию взаимодействия (по
запросу и/или расписанию). Пользователь формирует запрос к СИ посредством передачи
сообщения-запроса в заданную точку, в свою очередь, СИ выдает результат пользователю
как в виде сообщения-ответа с указанием местоположения файлов данных, так и
посредством доставки данных в точку СИ и/или FTP-сервер.
ГИС ГеоЕСИМО является пользователем информационных ресурсов СРБД ЕСИМО и в
настоящее время используется доставка необходимых для ГИС-приложений данных, в точку
СИ. ГеоЕСИМО получает доступ ко всем файлам, находящимся в хранилище ГеоЕСИМО
на СИ, которое создается при регистрации каждого нового приложения в ЕСИМО. В
хранилище доставляются необходимые файлы меняющихся во времени информационных
ресурсов (наблюдения, прогноз, навигация и т.д.), в соответствии с временным регламентом,
записанным в карточке регистрации приложения. Особенностью данных ЕСИМО является
то, что значительная их часть представляется потоком, например, метеорологические
прогнозные данные для морских регионов рассчитываются на 48 часов с интервалом в 1 час
2
и периодически обновляются в реальном времени (каждые 12 часов). Обновление данных в
СРБД ЕСИМО может происходить с интервалом от нескольких минут до нескольких часов.
Объем большинства информационных ресурсов составляет десятки МБ и они загружаются в
упакованном виде. В ГеоЕСИМО управление загрузкой данных производится в отдельном
операционном потоке, при этом параллельно с загрузкой пользователь может выполнять
любые другие операции ГеоЕСИМО.
Загрузка больших объемов данных с удаленного СИ требует значительного времени и в
связи с этим в ГеоЕСИМО производится кэширование данных, которое реализуется
следующим образом: запрашиваемые с СИ данные сначала записываются на диск ПК
пользователя, а затем с диска поступают в ГИС-приложение ГеоЕСИМО. При повторных
запусках или запросах данных ГеоЕСИМО сначала проверяет: есть ли необходимые данные
на ПК и синхронизированы ли версии файлов на ПК клиента и на СИ. Если на СИ версии
обновлены, то ГеоЕСИМО производит замену соответствующих файлов на диске клиента.
ГеоЕСИМО также проверяет правильность последовательности файлов временных срезов
информационных ресурсов, корректными считаются те файлы, время обновления которых
равно/позднее времени обновления предыдущего файла (первый файл по умолчанию
считается корректным), некорректные файлы не грузятся. Корректные по времени
обновления файлы загружаются, проверяются на корректность содержания (не пустой файл)
и отображаются. В файлах данных содержится информация о моменте времени, к которому
относятся данные, в частности, для прогнозных данных приводится время, когда был сделан
прогноз и момент времен, на который был сделан прогноз.
Т.к. файлы данных могут быть структурированы по-разному, то ГеоЕСИМО перед их
загрузкой осуществляет парсинг (разборку) файлов метаданных, описывающих каждый
ресурс.
Важным элементом взаимодействия приложения является мониторинг обмена данными с
СРБД, который отслеживает ход загрузки и осуществляет логирование событий. Схема,
отражающая ход загрузки, представлена на рис. 1.
3
Запрос ресурса
ЕСИМО
Авторизация на
сервере ЕСИМО
Успешно?
Конец
Нет
Да
Вывод ошибки
пользователю,
запись в лог
Запись в лог
Получения
списка файлов,
соответствующих
ресурсу ЕСИМО
Есть ли еще
файлы?
Нет
Проверка по времени: если
модификация нынешнего
файла была раньше
прошедшего, то такой
файл некорректен
Да
Корректен ли
файл?
Да
Запись в лог списка
загружаемых файлов
Нет
Добавить файл в
список для
загрузки
Конец
Загрузить
полученные
файлы
Успешно?
Нет
Вывод ошибки
пользователю,
запись в лог
Да
Конец
Запись в лог
Рис. 1. Схема получения данных ЕСИМО.
2.3. Взаимодействие ГеоЕСИМО с удаленными расчетно-моделирующими
комплексами (РМК)
Значительная часть вычислительных ресурсов ЕСИМО, решающих прикладные задачи
(ПЗ), являются локальными РМК. Доступ к РМК специфицируется в регистрационной
карточке внешнего приложения. Рассмотрим взаимодействие ГИС ГеоЕСИМО с РМК на ПЗ
"Экспресс анализ аварийного разлива нефти" (Техническая спецификация программного
интерфейса и входных гидрометеорологических данных для решения задачи “Экспрессанализ аварийных разливов нефти в море”, версия 1.2.0 от 26.06.2012)
Для взаимодействия с РМК ГИС ГеоЕСИМО должна обеспечить следующие функции:
 Интерфейс пользователя для формирования передаваемого РМК задания.
 Составление пакета с параметрами задания, включая ID региона.
 Передачу задания веб-сервису.
4
 Получение результатов текущего шага моделирования от веб-сервиса в виде слоя
полигонов с таблицей атрибутов.
 Оповещение пользователя о нештатных ситуациях работы РМК.
На рис. 2 представлена общая схема взаимодействия ГИС ГеоЕСИМО и РМК через webсервис взаимодействия RMKWS1.
Запрос
пользователя
ГЕО-ЕСИМО
UUID сессии
2 СЕРВИСНАЯ ШИНА СОИ ЕСИМО
Web-сервис
RMKWSNew
UUID сессии, Тип района, Параметры рассчета
startRMK
getFiles
Файл-запрос .mes
РМК
Файлы
промежуточных
результатов
Рис. 2. Общая схема взаимодействия ГЕОЕСИМО и РМК с помощью web-сервиса.
Процесс включает следующие шаги: 1. Пользователь через форму ввода параметров в
ГеоЕСИМО задает параметры экспресс-анализа; 2. Перед обращением к web-сервису РМК
(через Сервисную шину СОИ ЕСИМО) ГеоЕСИМО генерирует уникальный ключ сессии
(UUID). Данный ключ передается вместе с запросом на прогнозирование методу startRMK
web-сервиса RMKWSNew и используется для связывания текущей сессии и подготовленных
выходных файлов на каждом шаге прогнозирования; 3. Метод startRMK web-сервиса
RMKWS сохраняет ключ сессии, валидирует запрос и, в случае его корректности, генерирует
по заданным параметрам mes-файл и осуществляет запуск РМК. Бизнес–логика web-сервиса
взаимодействия с РМК (RMKWSNew) производит преобразование параметров,
содержащихся в запросе, в последовательность ключей и их значений, передаваемых на вход
РМК при его вызове. 4. ГеоЕСИМО осуществляет вызовы метода getFiles web-сервиса
RMKWSNew (через Сервисную шину СОИ ЕСИМО) с любой периодичностью, передавая на
вход методу UUID сессии. В ответ ГеоЕСИМО получает ссылки на промежуточные файлы
результатов, которые подготовлены к моменту вызова.
Web-сервис RMKWS содержит 2 метода: метод запуска РМК (startRMK) и метод
получения подготовленных выходных файлов на каждом шаге прогнозирования (getFiles).
Метод startRMK осуществляет непосредственно вызов РМК с заданными параметрами, а
также обеспечивает сохранение подготовленных промежуточных файлов для каждой сессии
в папку открытого доступа. Метод getFiles позволяет получить подготовленные РМК файлы
на каждом шаге прогнозирования для заданной сессии, используя UUID. Вызов метода
Web-сервис взаимодействия ГеоЕСИМО с РМК “Экспресс-анализ аварийных разливов нефти в море”
(RMKWS) разработан С. Беловым и К. Беловой (ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД»)
1
5
осуществляется с той периодичностью, с которой необходимо получать подготовленные
файлы.
Таким образом, основными функциями бизнес-логики web-сервиса RMKWS являются:
 получение и валидация запроса;
 преобразование парметров запроса в последовательность ключей, передаваемых на
вход РМК и генерация mes файла;
 запуск экземпляра РМК в зависимости от заданного района;
 сохранение подготовленных файлов на каждом шаге прогнозирования для каждой
сессии;
 выдача подготовленных файлов в любые промежутки времени;
 сообщение о возникновении нештатной ситуации при моделировании пользователю
ГеоЕСИМО.
2.4. Взаимодействие с ГИС-сервером ЕСИМО
Для предоставления и распространения пространственных данных и сопутствующей
информации об обстановке в Мировом океане в ЕСИМО применяется ГИС-сервер, который
взаимодействует как поставщик услуг (сервисов) с заказчиком (потребителем) в
технологии «клиент-сервер». Геосервис предоставляет пользователю стандартные WMS
сервисы (стандарт OGC - Open Geospatial Consortium), которые позволяют загружать
комбинации
слоев пространственных данных в виде картографических сервисов.
Размещенные на ГИС-сервере ЕСИМО пространственные данные включают оперативные
наблюдения и временные прогнозы, поступающие в различном виде и форматах от
поставщиков данных, а также стационарные данные Электронной картоосновы и
Электронного морского атласа. Слои снабжены настроенными легендами и сгруппированы в
тематические блоки, соответствующие структуре информационных ресурсов ЕСИМО.
В ГеоЕсимо возможен выбор слоев из загружаемых WMS и их отображение в
картографическом окне. Для этого в ГеоЕСИМО формируется и обрабатывается запрос ГИСсерверу.
2.5. Взаимодействие с веб-вьюверами
Для представления результатов ГеоЕСИМО в сетевых вьюверах используется KML
формат. Формат KML файлов (Keyhole Markup Language - язык разметки Keyhole) позволяет
отображать географические данные в программах Google Планета Земля, Карты Google и
Карты Google для мобильных устройств. KML использует основанную на тегах структуру с
вложенными элементами и атрибутами и создан на основе стандарта XML. Файлы KML и
связанные с ними изображения можно сжимать с помощью формата ZIP в архивы KMZ.
С помощью файлов KML можно:
 устанавливать различные значки и делать подписи для обозначения мест на
поверхности Земли,
 создавать различные ракурсы для выбранных объектов, изменяя положение камеры,
 использовать различные накладываемые изображения,
 определять стили для настройки отображения объекта, применять код HTML для
создания гиперссылок и встроенных изображений,
 использовать папки для иерархической группировки элементов,
 динамически получать и обновлять файлы KML из удаленных или локальных узлов
сети.
ГеоЕСИМО генерирует KML-файл и записывает в виде архива KMZ по задаваемому
пользователем адресу. Этот файл можно открыть в Google Планета Земля (Google Earth).
ГеоЕСИМО записывает координаты и атрибуты векторных объектов в KML-файл файл,
символы векторных объектов экспортирует в PNG-рисунки, сеточные данные также
6
преобразуются в PNG-рисунки. Анимационные изображения
рисунков.
преобразуются
в набор
2.6. Логирование событий в ГИС ГеоЕСИМО
Функциональность ГИС ГеоСИМО определяет логируемые события, связанные с
другими компонентами ЕСИМО. Логируются процессы, обеспечивающие запуск ГИСприложения ГеоЕСИМО и транзакцию объектов (наборы данных, задания и результаты
РМК).
Действия (операции с данными и события) ГеоЕСИМО, которые заносятся в журнал
логирования:








Загрузка ядра ГИС ГеоЕСИМО.
Загрузка ГИС-проекта ГеоЕСИМО.
Чтение данных в свободном доступе (запрос данных).
Передача свободно доступных данных (получение данных).
Чтение данных с СИ ЕСИМО (запрос данных).
Передача данных с СИ ЕСИМО (получение данных).
Запрос к РМК.
Получение результатов и сообщений от РМК.
Процесс запуска ГИС-приложения включает два этапа: загрузка ядра и загрузка xml-файла
ГИС-проекта.
В процессе «загрузка слоя» загружаются метаданные каждого слоя,
прописанного в xml-файле ГИС-проекта. Загрузка самих данных осуществляется по
требованию. Различаются процессы загрузки "свободных" и авторизуемых данных. Каждый
файл, который требуется загрузить, ставится в очередь в один из двух загрузчиков. Первый
загрузчик работает в один поток и грузит файлы с локального компьютера (считается, что
многопоточный доступ к локальному диску может снижать производительность), второй
загрузчик работает с удаленными данными в несколько потоков (4 потока). Многопоточный
загрузчик работает с неавторизируемыми информационными ресурсами с открытым
доступом (в основном это ресурсы, доступные по http). После загрузки вызывается
специальный обработчик, который отображает загруженные данные. Контрольная точка после загрузки файла, перед передачей их обработчику.
В случае запроса ресурсов ЕСИМО (в частности, прогнозных данных) ГИС ГеоЕСИМО
сначала авторизуется как пользователь на ftp-сервере ЕСИМО и получает доступ ко всем
файлам последовательных временных срезов потока данных ресурса, находящегося на СИ
ЕСИМО. Контрольные точки: 1. после авторизации на FTP-сервере ЕСИМО 2. После
составления списка файлов для загрузки 3. После загрузки всех файлов.
Процесс логирования событий работы с РМК включает 3 контрольные точки: 1. Передача
параметров запроса на веб-сервис 2. Получение ответа веб-сервиса 3. Загрузка и проверка
данных результатов РМК с СИ.
Логируемые элементы (категории) идентифицируются в соответствии с правилами,
определенными в документе ГУ «ВНИИГМИ-МЦД»
«Мониторинг взаимодействия
компонент ЕСИМО (версия 0.9, 18.03.2011)»
Пример строки параметров, передаваемых web сервису LoggingWebService для
регистрации этапа «загрузка xml-файла ГИС-проекта (ProjectLoad)» процесса «запуск ГИСприложения (Starting)»:
"GeoESIMO","RIHMI-WDC", "Starting", 61262312655000, "", "ProjectLoad","","30-03-2011
17:04:12", "30-03-2011 17:04:15", "INFO","", "Project is Loaded".
7
3. Портлет ГеоЕСИМО
Для ГеоЕСИМО портлет выполняет роль пользовательского интерфейса, реализующего
доступ к разработанным приложениям ГеоЕСИМО и подключение новых приложений. Для
каждой прикладной задачи создается отдельный экземпляр портлета.
ГеоПортлет поддерживает следующие режимы:
1.
Представление регионов, для которых разработано ГИС-приложение ГеоЕСИМО,
задание размера выделяемой памяти на ПК пользователя, запуск ГИС-приложения
(режим view).
2.
Вывод списка регионов и запуск базового ГИС-приложения ГеоЕСИМО
соответствующего региона для создания нового приложения. Добавление вновь
созданного приложения в список разработанных (edit).
3.
Помощь с кратким описанием функций (Help).
Для реализации описанных режимов в портлете настраиваются следующие параметры: 1.
название ГИС-приложения/прикладной задачи (например, "Разлив нефти), 2. список
регионов для которых приложение разработано и имена соответствующих файлов
метаданных (ГИС-проектов), 3. путь к файлам проектов, 4. путь к файлам базовых проектов.
Ко второму режиму получают доступ пользователи, имеющие соответствующие
права. Аутентификация пользователей, управление учетными записями и контроль доступа
пользователей к страницам портлета лежит на системных библиотеках портала и в классах
приложения не описывается. Это обеспечивает единый механизм аутентификации и
авторизации пользователей системы на всех уровнях ЕСИМО в соответствии с
согласованной политикой доступа к ресурсам системы. Взаимодействие с компонентом
безопасность ЕСИМО основано на использовании механизма JOSSO (Java Open Single SignOn - http://www.josso.org), обеспечивающего единую регистрацию пользователя на портале
ЕСИМО и получение ролевой функции. При авторизации пользователь получает сквозной
доступ ко всем приложениям в соответствии с его профилем.
ГеоПортлет инициализируется из портала ЕСИМО, работающего с интернет
браузерами IE 7.0+, FF 2+, Opera 9.0+, Chrome.
На Рис. 3 представлена страница экземпляра портлета2 для запуска ГИС-приложений
ГеоЕСИМО по разным регионам прикладной задачи "Моделирование разливов нефти"
(http://portal.esimo.net/portal/portal/user/services/geoesimo). Регионы, для которых ГИСприложение создано, выделены на карте.
2
Картографический интерфейс разработан Д. Мельниковым (ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД»)
8
Рис. 3. Страница портлета ГеоЕСИМО.
4. Функциональность ГИС ГеоЕСИМО
4.1. Инструментарий ГИС ГеоЕСИМО
Технология ГИС ГеоЕСИМО поддерживает следующие процессы: загрузка, обработка,
визуализация и анализ данных, сохранение и публикация результатов анализа.
В инструментарии ГИС ГеоЕСИМО реализованы следующие функции:
1.
Настройка ГИС-проекта пользователя:
 выбор загружаемых исходных данных (район, ресурсы СРБД ЕСИМО, слои ЭКО и
ЭМА ЕСИМО, ресурсы других опубликованных источников пространственных
данных);
 выбор инструментов (плагинов);
 задание получаемой дополнительной информации (документы, изображения) о
визуализируемых объектах;
 выбор стилей отображения визуализируемых данных (цвет, шрифт, размер и др.);
 установка проекции отображения (географическая, стереографическая для
арктического региона до 30-го градуса широты).
2.
Операции с данными по расписанию обновления данных и действию пользователя:
 загрузка данных из файловых хранилищ и базы интегрированных данных ЕСИМО с
произвольных узлов ЕСИМО, других серверов и компьютера пользователя;
 загрузка данных ГИС-Сервера ЕСИМО (копирование слоев, обращение к WMS
сервисам), с произвольных WMS серверов;
 динамическое обновление изменяющихся во времени данных: по запросу
пользователя и расписанию в течение сеанса работы с ГеоЕСИМО;
 сохранение обновленного ГИС-проекта на компьютере пользователя;
 создание нового ГИС-проекта;
 логирование процессов получения данных и оповещение о нештатных ситуациях.
9
3.
Картографические измерения:
 измерение и отображение координат курсора, значений атрибутов выбранного
векторного объекта с использованием имен элементов данных, общих кодов и
классификаторов ЕСИМО;
 измерение значений набора 2D сеточных слоев;
 измерение срезов 3D сеточных слоев в данной точке;
 измерение и отображение расстояний и площадей произвольное и по заданным
полигонам и полилиниям;
 вычисление и отображение статистик сеточных слоев в площади, задаваемой
произвольно;
 вычисление и отображение статистик точечного слоя и сеточных слоев в круге
задаваемого радиуса;
 построение и отображение разреза сеточных слоев по произвольному профилю и
интерактивное измерение их значений с одновременным указанием положения
курсора на профиле и его координат.
4.
Пространственная обработка и анализ:
 динамическое создание тематических векторных слоев по загруженным данным:
вычисление новых атрибутов векторных объектов по имеющимся атрибутам с
помощью произвольной формулы, конструируемой пользователем из элементарных
функций с использованием алгебраических и логических операций;
 вычисление сеточных слоев по нескольким исходным 2D, 3D и 4D сеточным слоям
с помощью произвольной формулы, конструируемой пользователем из
элементарных функций с использованием алгебраических и логических операций;
 фильтрация 2D/3D/4D сеточного слоя: вычисление слоя элементарных статистик
(среднее, среднеквадратичное отклонение, минимум, максимум), преобразование
сеточного слоя (аномалия, градиент, тренд и др.);
 вычисление слоя «силовых линий» по сеточному полю (не реализовано);
 вычисление сеточного слоя, равного плотности точек и плотности линий;
 вычисление сеточного поля, представляющего собой буферные зоны точек, линий,
полигонов;
 вычисление по 2D сеточному слою векторного слоя изолиний и наоборот;
 многомерный анализ пространственно-временных процессов (в частности,
оценивание сходства точек региона по нескольким свойствам, заданным сеточными
полями).
5.
Отображение информации:
 динамическое
отображение
информации
на
электронной
карте
(увеличение/уменьшение, включение/отключение слоев и изменение статуса
активности, отображение значений и др.);
 отображение дополнительной информации, изображений, документов и др.;
 отображение значений атрибутов задаваемых точечных объектов и элементов
сеточного поля в виде таблиц и графиков;
 построение запросов к данным по названию и комплексам атрибутов векторных
слоев (в том числе пространственным) и визуализация результатов;
 изменение закраски и стилей слоя интерактивно;
 индикация значений по заданному размаху (мин./макс. слоя) и закраска;
 отображение поверхностей (3D) – модель освещенности.
 добавление маркеров (точка, полигон и др.) и пиктограмм из библиотеки ЕСИМО с
надписями и др. атрибутикой, перемещение маркеров и подписей интерактивно;
10
6. Динамическая визуализация пространственно-временных процессов:
 управляемая анимация векторных слоев (например, движение нефтяного пятна) за
заданный промежуток времени или по глубине (высоте);
 управляемая анимационная визуализация 3D векторных (векторный атрибут,
например, скорость течения), 3D и 4D сеточных слоев;
 управляемая синхронная анимационная визуализация нескольких картографических
слоев: 3D сеточного слоя, 3D слоя векторов, слоя событий и 3D слоя полигонов;
 управляемое графическое отображение показателей 4D полей (интерактивный
выбор значений двух координат слоя и отображение 2D среза для оставшихся двух
координат).
7.
Функции управления:
 сохранение и печать карты и слоев с легендой и идентифицирующим текстом;
 сохранение ГИС проекта с возможностью воспроизведения во время текущей и
новой сессии;
 создание истории геоанализа по текущей сессии с воспроизведением в новой сессии;
 публикация слоев в формате KML, включая анимационное представление пакетов
слоев;
 контекстная помощь, отображение объема занимаемой памяти, отображение
процессов выполнения операций, мониторинг обмена данными с СРБД и
выполнения внешних задач (РМК);
 настройка и подключение к порталу ЕСИМО портлета ГеоЕСИМО,
обеспечивающего представление ГИС-проекта пользователя согласно заданному
профилю.
В настоящее время ГИС ГеоЕСИМО обеспечивает взаимодействие с тремя удаленными
РМК:
1. РМК “Экспресс-анализ аварийных разливов нефти и нефтепродуктов” для расчета и
отображения изменения положения и размеров пятна дискретно во времени в зависимости
от гидрометеорологических и ледовых условий. Модель разработана, и расчет
осуществляется в ФГБУ ГОИН, задание параметров, синхронное с расчетом отображение и
анализ пятна осуществляется в ГИС ГеоЕСИМО;
2. РМК “Метеограмма” для получения параметров текущих и ожидаемых
метеорологических условий (основные характеристики состояния приводного слоя
атмосферы и поверхности моря) в задаваемых по запросу географических объектах: точках,
области, маршруту. Прогнозная модель разработана, и расчет осуществляется в ФГБУ
“Гидрометцентр России”, задание параметров и отображение привязанных к объектам
временных рядов осуществляется в ГИС ГеоЕСИМО;
3. РМК “Расчет приливов в заданной точке побережья моря” для получения параметров
текущих и ожидаемых значений приливов в фиксированных пунктах побережья морей
России. Прогнозная модель разработана, и расчет осуществляется в ФГБУ ГОИН, задание
параметров и отображение привязанных к пунктам временных рядов осуществляется в
ГИС ГеоЕСИМО.
4.2.
Функциональность ГИС ГеоЕСИМО для анализа результатов РМК “Экспрессанализ аварийных разливов нефти” с пошаговым моделированием пятна.
Кроме функций, связанных с взаимодействием с web-сервисом (составление пакета с
параметрами запроса и его передача веб-сервису, поддержание связи и получение
результатов) ГИС ГеоЕСИМО осуществляет ряд операций с результатами, получаемыми от
РМК:
1.
Формирование задания для РМК через интерфейс ГИС ГеоЕСИМО.
11
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Синхронная визуализация результатов текущего шага моделирования в виде слоя
полигонов с таблицей атрибутов.
Агрегация всех шагов моделирования в одном слое и одной таблице атрибутов.
Анимационное отображение последовательных шагов моделирования и анализ
результатов.
Оповещение пользователя о нештатных ситуациях работы РМК.
Интерактивная подготовка документа (*.doc), включающего параметры задания,
картографические и табличные данные результатов пошагового моделирования
пятна, а также комментарии пользователя результатов анализа.
Публикация результатов моделирования на ГИС-сервере ЕСИМО в формате KML.
Ввод начальных данных, передаваемых РМК для его работы, осуществляется с
применением специальной формы, в которой задается слой «Моделирование разлива»,
записываемый в древовидный список слоев ГИС-приложения. В пошаговой схеме расчетов
на РМК этот слой агрегирует полигоны, представляющие положение, форму, толщину пятна
на каждом шаге моделирования разлива для текущих моментов прогноза. В список слоев
добавляется также слой с координатами точки разлива. После обращения к web-сервису с
ним поддерживается связь до момента окончания задания или до прерывания пользователем,
при этом web-сервис должен передать РМК команду на завершение работы. По созданному
UUID происходит получение подготовленных файлов на каждом шаге прогнозирования.
Web-сервис передает ГеоЕсимо сообщения, формируемые РМК о ходе исполнения задания,
сообщения выдаются пользователю. ГеоЕСИМО по получении сообщения от web-сервиса о
готовности объекта очередного шага (shape файл с полигонами для 3-х толщин нефтяной
пленки для текущего временного отсчета) дополняет слой разлива нефти.
Логируются момент обращения к сервису и отключения от сервиса (расчет завершен,
расчет прерван), сообщения об аварийных остановах. В историю геоанализа записывается
INFO: «Запуск РМК "Нефть" с параметрами + перечисление параметров + информация о
завершении/прерывании/аварийных остановах».
В ГеоЕСИМО визуализируются и анализируются совместно результаты РМК, прогнозные
Г/М данные, другие доступные данные. Пользователь в интерактивном режиме
подготавливает документ (DOC) по результатам моделирования ситуации с разливом нефти
для последующего принятия управленческих решений.
5. Примеры применения ГИС ГеоЕСИМО
После запуска ГеоЕСИМО открывается Окно ГИС-приложения (Рис. 4), которое содержит
окно карты (в центре), окно геоинформационных слоев (называется «Слои», находится внизу
справа), окно атрибутов слоя (называется «Свойства», находится вверху справа), панель
управления визуализацией (панель в верхней строке окна карты), панель вызова
инструментов (самая верхняя панель). Расположение и размер окон и может изменяться
пользователем. Подробное описание окон, панелей инструментов и возможных операций
приводятся в документе «Руководство пользователя ГИС ГеоЕСИМО». Интерфейс
пользователя, визуализация
и отображение результатов операций разработаны в
соответствии с методическими рекомендациями документов «Технические спецификации на
графический интерфейс пользователей ЕСИМО» и «Визуальное представление информации
о морской среде и морской деятельности в ЕСИМО».
В окне карты отображаются слои, отмеченные символом «√» в списке слоев. В окне слоев
названия загруженных слоев выделены черным цветом. В структуре слоев предусмотрены
группы для всех видов ГИС-ресурсов ЕСИМО: прогноз, диагноз (наблюдения), морские
объекты. Окно «Свойства» связано с активным слоем «Волнение ветровое», отображаемым
на карте, и позволяет осуществлять настройку всех картографических атрибутов слоя. В окне
12
«Описание» выводится информация из файла метаданных ресурса. Окно для настройки
времени позволяет выбрать отображаемый на карте момент времени прогноза.
Рис. 4. Окно ГИС-приложения “Экспресс-анализ аварийных разливов нефти”
«Черное море».
Панель
управления визуализацией карты (верхняя часть окна карты) содержит
инструменты, которые обеспечивают масштабирование, сдвиг, выбор координат
визуализируемой области карты, картографические измерения (длина, площадь) и другие
операции. Действие инструментов манипуляции с картой соответствуют общепринятым.
Функции картографического измерения выполняются после активизации соответствующего
слоя карты. Инструмент «Свойства» используется для управления выбором проекции карты
(Меркатор, EPGS-4326, Cosinus) и управления параметрами отображения координатной
сетки. Проекции Меркатор и EPGS-4326 являются стандартами. Проекция Cosinus
отличается от EPGS-4326 только тем, что длина отрезка в 1º по широте ∆x связана с длиной
отрезка в 1º по долготе ∆y соотношением ∆x=∆yCosφ, где φ – значение широты для середины
отображаемого в окне фрагмента карты. Карты WMS отображаются только в проекциях
EPGS-4326, Cosinus. Данные ЕСИМО отображаются во всех трех проекциях. Тайловые
карты (OSM) отображаются только в проекции Меркатор.
В отдельных окнах для соответствующих операций выводятся числовые значения,
таблицы и графики.
Окно «Слои» представляет иерархический список загружаемых
слоев данных и
вычисляемых слоев ГИС-проекта. Список содержит названия структурированных по
группам геоинформационных слоев ГИС-приложения ГеоЕСИМО. Загрузка слоев,
отмеченных в конфигурационном файле для загрузки по умолчанию, осуществляется
автоматически.
Над элементами списка можно выполнять следующие операции:
 Загрузить слой, указанный в списке.
 Сделать слой видимым.
 Выделить активный слой для управления параметрами его визуального исследования.
 Удалить слой из списка.
 Переместить слой в списке.
13
Порядок слоев на карте определяется последовательностью слоев в списке: верхние слои
списка соответствуют нижним слоям карты.
Окно «Свойства» предназначено для управления картографическим представлением всех
типов слоев (векторные слои - точки, линии, полигоны; 2D, 3D и 4D сеточные слои). Вид
окна зависит от типа слоя. Операции управления относятся только к атрибутам активного
слоя.
В окно «Свойства» выводятся атрибуты визуализации и из него вызываются интерфейсы
для управления следующими параметрами визуализации:
 Управление параметрами закраски слоя и стиля: закраска слоя (в том числе
индикация значений по заданному размаху), для векторных слоев закраска границы
объектов, толщина линий, размер пиктограммы.
 Управление анимационным представлением слоев и сохранением анимационных
представлений в форматах GIF и AVI (в том числе анимация векторных слоев за
заданный промежуток времени – полей течений, температуры, зон загрязнения
нефтью и др.).
На рис. 5 - 7 показаны примеры применения ГИС ГеоЕСИМО для прикладных задач
ЕСИМО. На рис. 5 показаны кривые прогноза метеорологических показателей в заданной
точке, полученные от РМК “Метеограмма” и временной срез прогноза направления и силы
ветра.
Рис. 5. Показатели текущих и ожидаемых метеорологических условий для заданной точки на
карте, полученные от РМК “Метеограмма” и временной срез прогноза направления и силы
ветра.
На рис. 6 показан интерфейс пользователя для формирования задания для РМК и
последовательные срезы анимационной визуализации пятна, рассчитанного на РМК
“Экспресс-анализ аварийных разливов нефти”.
На рис. 7 показаны временные срезы анимационной визуализации пятна, рассчитанного
на РМК “Экспресс-анализ аварийных разливов нефти” по запросу из ГИС ГеоСИМО и
экспортированные из ГИС ГеоЕСИМО в Google Планета Земля (Google Earth).
14
Рис. 6. Анализ результатов моделирования нефтяного пятна на РМК “Экспресс-анализ
аварийных разливов нефти”.
Рис. 7. Визуализация временных срезов моделирования нефтяного пятна, экспортированных
из ГИС ГеоЕСИМО в Google Планета Земля (Google Earth). Точка разлива показана
символом "+".
6. Заключение
Созданы технология и программный комплекс «ГИС ГеоЕСИМО» для интерактивного
картографического представления и развитого анализа пространственной и пространственновременной информации об обстановке в Мировом океане. Загружаемые данные
расположены в СРБД узлов ЕСИМО, на Геосервере ЕСИМО, WMS хранилищах, на ПК
15
пользователя и получаются по ГИС-запросу от удаленных расчетно-модельных комплексов
ЕСИМО. ГИС интегрирована в архитектуру ЕСИМО.
ГИС ГеоЕСИМО позволяет производить комплексный анализ накопленных
информационных ресурсов и динамических потоков геоданных, выявлять из данных
существенную информацию и знания для решения практических, прикладных и научных
задач предметной области. Исследование данных поддерживается анимационной
картографикой, интерактивным построением диаграмм и таблиц, а также большим набором
аналитических инструментов. Совмещение средств интерактивной визуализации со
средствами интеллектуального анализа геоданных позволяет сформировать когнитивный
образ исследуемых пространственных объектов и пространственно-временных процессов,
что дает возможность для лучшего понимания исследуемых ситуаций, способствует
выдвижению гипотез о скрытых в данных закономерностях и поддерживает принятие
решений.
ГИС ГеоЕСИМО реализована в виде Java-приложения с запуском в технологии Java Web
Start, что позволяет обеспечить высокую интерактивность операций. Кросс-платформенный
язык Java не зависит от конкретной операционной системы. На ПК пользователя не
требуется установка дополнительного ПО. ГИС-приложения ГеоЕСИМО запускаются из
ГеоПортлета, вызываемого из портала узла ЕСИМО, работающего с интернет браузерами IE
7.0+, FF 2+, Opera 9.0+, Chrome.
Значимость работы определяется тем, что пользователю ЕСИМО предоставляются: 1.
широкий набор инструментов для интерактивной визуализации и анализа распределенных,
разнотипных данных ЕСИМО, содержащихся в СРБД ЕСИМО, на Геосервере ЕСИМО, в
WMS хранилищах, на ПК пользователя; 2. средства для создания собственного ГИСприложения с настройкой информационных и инструментальных ресурсов ЕСИМО, а также
данных из других источников; 3. ГИС-интерфейс для подключения к удаленным РМК с
использованием сервис-ориентированной технологии обмена информацией между
компонентами ЕСИМО.
Литература
Вязилов Е.Д., Михайлов Н.Н. 2005. Интеграция гетерогенных информационных ресурсов в
области морской деятельности // Вычислительные технологии. 2005. Т. 10. Специальный
выпуск: Труды международной конференции и школы молодых ученых "Вычислительноинформационные технологии для наук об окружающей среде" (CITES 2005). Томск, 13-23
марта. Часть 1. С. 21-29
Гитис В.Г., Ермаков Б.В. Основы пространственно-временного прогнозирования в
геоинформатике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004 г.
Гитис В.Г. Геоинформационные технологии для научных исследований // Вестник РФФИ №
2-3, апрель-сентябрь 2011г., с. 13-32.
Дерендяев А.Б., Гитис В.Г., Вайншток А.П.. Интеграция сетевой ГИС в распределенную
информационно-аналитическую среду // Труды Конференции молодых ученых и
специалистов ИППИ РАН "Информационные технологии и системы", М.: ИППИ РАН,
2010, с. 195-199.
Gitis V., Derendyaev A., Metrikov P., Shogin A. Network geoinformation technology for seismic
hazard research (2012) // Natural Hazards: Volume 62, Issue 3 (2012), Page 1021-1036.
16