CC BY
65
УДК 910(075.8)+ 004.75 ВАК 25.00.35, 0513.11
РОЛЬ ГЕОИНФОРМАТИКИ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ В ОБЛАСТИ НАУК О ЗЕМЛЕ
Д. В. Рундквист, д. г.-м. н., академик РАН, директор
Тел.: (495) 629-77-03, e-mail: [email protected] В. М. Ряховский, д. г.-м. н., профессор, зав. отделом Тел.: (495) 692-30-36, e-mail: [email protected] Геологический музей им. В. И. Вернадского РАН www.sgm.ru
The article considers the role and value of geoinformatics in fundamental research in the field of geosciences over the last 15-20 years. There are three main stages in the development of geo-informatics as a science, which is an integral part of interdisciplinary research in geology.
В статье рассматривается роль и значение геоинформатики в фундаментальных исследованиях в области наук о Земле за последние 15-20 лет. Выделяются три основных этапа становления геоинформатики как науки, являющейся неотъемлемой частью междисциплинарных исследований в геологии.
Ключевые слова: геоинформационные системы, геоинформатика, геоинформационные технологии, базы данных, электронные карты.
Keywords: geoinformation systems, geoinformatics, geoinformation technologies, databases, electronic
maps.
Введение
В конце 80-х годов началась эпоха массовой компьютеризации научных исследований. Энтузиастами компьютерных технологий были сотрудники, работавшие на больших стационарных машинах, знающие языки программирования. Как правило, эти исследователи имели глубокие математические познания, которые позволяли им писать программы для прикладных задач, используемые в геологических науках. В то время персональные компьютеры (ПК) стоили очень дорого и были единичны, но со временем это положение стало исправляться и все больше исследователей осваивали новые программы, позволяющие им резко повысить эффективность своего труда. В развитии геоинформационных технологий в России можно выделить три этапа: конец 80-х до 1995 года, 1996-2003 гг., 2004 год и по настоящее время.
Начальный этап
Первые задачи в геологических исследованиях с использованием ПК уже решались в начале 90-х, а появление в России геоинформационных технологий позволило на новом уровне проводить комплексную интерпретацию информационных потоков в пространственно-временных координатах. Главное внимание исследователей на первом этапе уделялось формированию баз данных по широкому спектру геолого-геофизической информации. В рамках Международного проекта по геологическим корреляциям (IGCP) под руководством проф. Ф. Чей-за (США) была создана подкомиссия «Базы и банки данных в петрологии». В результате деятельности этой подкомиссии при участии 17 стран, в том числе и России, был сформирован Банк данных по магматическим породам (IGBA) в соответствующем формате, который обеспечил унифицированность записи комплексной петрологической информации. В 1990 году в ИГЕМ АН СССР была проведена Всесоюзная конференция «Банки и базы данных в геологии», а в 1991 году в Миассе организована Международная школа по этой же тематики. В 1992 году начала работать группа российских и зарубежных геологов в раках Комиссии геологической карты мира (CGVW) по созданию Металлогенического атласа мира (MAW), были созданы серии электронных карт и сформирована база данных по полезным ископаемым.
В этот же период начали интенсивно развиваться геоинформационные системы, использование которых позволило создать электронные варианты геологической информации (карты, схемы, предметно ориентированные базы данных и пр.) на магнитных носителях, имеющие географическую привязку (координаты). Оцифрованные карты представляют собой математическое описание геологических объектов и отношения между ними с учетом законов картографической генерализации в принятых для проекций карт системах координат, по содержанию и точности соответствующих заданному масштабу. Исследователь может вывести на дисплее (на
печать) отдельные покрытия и конкретные геологические объекты, селектировать необходимую информацию атрибутивных таблиц, проводить статистический анализ данных, строить графические приложения - диаграммы, гистограммы и пр.
Именно в это время возникла необходимость создания в академических институтах лабораторий, в задачи которых входило бы создание баз данных, формирование банка электронных карт и обработка многоаспектной информации в интерактивном режиме реального времени.
Второй этап развития геоинформатики характеризуется повсеместным развитием сети Интернет, благодаря которому стали доступны огромные массивы данных в области наук о Земле. Резко повысилась эффективность использования геоинформационных систем (ГИС) и технологий в различных сферах трудовой деятельности человека, которая определяется прежде всего тем фактом, что более 80% информации [1], с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Поэтому на сегодняшний день не вызывает сомнения потребность в разработке многопользовательских многофункциональных интернет-ГИС-приложений, которые, в свою очередь, ставят задачу совершенствования существующих и разработку новых подходов к сбору, хранению, обработке и распространению растущего объема пространственной информации и услуг. Более того, ГИСы постоянно совершенствовались и продвигались в направлении организации распределенной работы, совместного использования ресурсов и пр. При этом ввиду интеграции большого числа независимых информационных систем существенной проблемой является различная трактовка структуры и семантики информации в разных системах. Данные могут относиться к различным предметным областям, в рамках одной иметь разное выражение и интерпретацию. Инициатива Semantic Web направлена на решение таких проблем, в ее рамках предлагаются ключевые стандарты и спецификации в области описания семантики данных. В первую очередь предлагается понятие онтологии - явной формальной спецификации разделяемой концептуализации предметной области. На основе такого формального описания можно не только структурировать данные предметной области, но и делать логические выводы на основе связей между понятиями.
Следует подчеркнуть, что это бурное развитие геоинформатики, в которое сейчас мы вступили, как сказал Билл Гейтс, во второе историческое десятилетие, цифровое десятилетие, из активного развития геоинформатики мы видим, что это направление развития науки стало ведущим по нескольким причинам. Во-первых, по оперативности, при этом по синтезу данных различных наук и, во-вторых, по наглядности итоговых изображений. В целом, последнее время развития геоинформатики характеризуется резким возрастанием технических возможностей и уникальным программным обеспечением для исследований в области наук о Земле. Создают-
Рис. 1. Архитектура распределенной геоинформационной
среды
ся распределенные геоинформационные системы, где акцент делается на использование онто-логий в качестве схемы метаданных, пространственных данных и сервисов.
Метаданные необходимы для эффективного управления процессами создания, хранения, обновления и обработки пространственных данных и услуг, объемы которых в последние несколько лет достигли колоссальных размеров. Однако выработать в мировом масштабе единую спецификацию пространственных метаданных практически невозможно. Несмотря на рекомендации ISO/TC211, FGDC и OGC на использование стандартов пространственных метаданных [2, 3], ситуация на рынке пространственных данных и сервисов сложилась так, что почти в каждой стране создаются свои профили пространственных метаданных [5]. В итоге различные ГИС поддерживают и рекомендуют свои профили. В частности, с 1 января 2007 г. в России был утвержден и введен в действие стандарт пространственных метаданных ГОСТ Р 52573-2006 «Географическая информация. Метаданные» [4], который является профилем ISO 19115. К сожалению, российский стандарт не имеет полной совместимости с исходным международным стандартом, поэтому его необходимо откорректировать, чтобы не создавать новых технических барьеров. В связи с этим разработка или адаптация спецификации метаданных, которая бы помогла описать формат и содержание данных для достижения интероперабельности, является актуальной задачей нескольких инициативных групп, представляющих различные науки о Земле [6-11].
Наиболее эффективным способом обеспечения согласованного информационного обмена в таких условиях является обеспечение так называемой семантической интероперабельности систем на основе стека технологий Semantic Web: RDF, RDFS, OWL. Язык веб-онтологий OWL представляет развитые возможности для описания предметных областей взаимодействующих систем, дающий машинно-интерпретируемые определения фундаментальных понятий в предметной области и отношениях между таковыми в онтологии.
В рамках данного исследования анализируются международные и российские спецификации пространственных метаданных и предлагается простой, но в то же время достаточно полный профиль метаданных для пространственных данных и сервисов, ориентированный на максимальную совместимость, адаптируемость и расширяемость как для российских, так и для зарубежных поставщиков и потребителей пространственных ресурсов, что и привело к онтологическому подходу формирования метаданных.
С другой стороны, основной целью проводимых исследований является создание в рамках Единого научного информационного пространства РАН распределенной геоинформационной среды, основанной на интеграции децентрализовано развиваемых пространственных ресурсов институтами, входящими в РАН, и запуск в работу онлайновых механизмов автоматического обмена пространственными метаданными между информационной системой РАН на базе системы ИСИР и ЕНИП РАН [12-14]. Следовательно, решение проблемы повышения качества программного обеспечения ГИС в рамках ЕНИП также обуславливает актуальность решаемой научной задачи.
Информационная поддержка научных исследований на современном этапе представляет собой отдельную задачу, требующую решения на стыке информатики и методологии естественных наук о Земле [15]. Основной особенностью наук о Земле, в основе которых лежат географические объекты различного масштаба от локального геологического тела до земного шара в целом, является пространственная детерминированность данных. Задачей информатики при этом становится синтез и интегральный анализ большого объема многоаспектных пространственных данных и сопоставление результатов исследований для выявления общих закономерностей геологических процессов в пространственно-временных координатах на локальном, региональном и глобальном уровнях. Для решения поставленных задач необходимо привлекать достижения современных геоинформационных технологий - распределенные ГИС, представляющие собой распределенные базы данных, распределенные вычисления и стандарты взаимодействия открытых систем, а также создание на специализированных порталах инфраструктуры пространственных данных (ИПД). Именно ИПД позволит решить проблемы электронного обмена пространственными данными между порталами разной специализации, а также обеспечит массовый доступ к картографическим материалам на основе современных информационно-коммуникационных технологий (Интернет). Развитие этих направлений приведет к снижению дублирования работ за счет автоматизации координации пользователей и приведет к более рациональному использованию информационных потоков.
В настоящее время под электронной геологической картой подразумевается «база данных». Изменились методы представления геологической информации, методы доступа к ней, методы обработки и визуализации. Теперь карта это даже не многослойная конструкция из шейп-файлов или слоев SDE, а динамичное изображение, собираемое из различных источников (порталов) по всему миру. В последнее десятилетие в США и других странах для ИПД разработаны необходимые стандарты и соответствующее программное обеспечение, что дает возможность перейти от решения частных задач к обобщенному видению проблемы. Однако в своем традиционном виде геологическая карта отнюдь не потеряла своего значения, но ускорение информационных потоков и их расширение в настоящее время требует принципиально новых способов обработки информации. Исследователь, с одной стороны, должен оперативно осваивать появляющиеся новые данные (приспособить их к прежней, устоявшейся картине представлений о геологических процессах), а с другой стороны, попытаться согласовать имеющиеся данные с теоретическими моделями и новыми наблюдениями.
В общем виде ИПД - это не система и не проект. Это прежде всего принципы, на основе которых строятся конкретные системы и реализуются конкретные проекты. В концепции должно быть закреплено внедрение стандартов обмена геоданными и создание общедоступного каталога (база метаданных) геоиформационных ресурсов, без которого невозможно обеспечить эффективный поиск требуемых информационных материалов. С учетом новых оригинальных материалов, накопленных в последние годы, - по геохимии изотопов, позволяющих рассматривать баланс потоков вещества из мантии; данных по сейсмической томографии глубинного строения Земли, интерпретация которых приводит к уточнению и корректировке известных тектонических моделей [16]. На основе современных представлений о химической неоднородности мантии можно на новом уровне развивать исследования об эволюции геологических процессов в пространственно-временных координатах [17].
На современном этапе развития задачей геоинформатики является создание трехмерных компьютерных моделей глубинного строения основных структурных элементов земной коры и связи с современными геодинамическими обстановками отдельных регионов с использованием предметно-ориентированных баз данных для целей анализа природных ресурсов и выявления динамики осадочных процессов, метаморфизма, магматизма и металлогении в пространственно-временных координатах [18].
При выполнении поставленных задач открываются возможности моделирования энергетических источников в земных глубинах, а также интегрально-дифференцированного изучения мантийных геосфер. Это, в свою очередь, дает возможность при наложении комплексной геолого-геофизической информации выделять на региональном уровне перспективные участки (нефтегазоносные провинции и пр.), проводить анализ движения мегаблоков земной коры и связанных с ним сейсмических событий. Можно проводить предварительный анализ взаимосвязей размещения различных полезных ископаемых с геохимическими и геофизическими полями для целей комплексной оценки перспектив районов.
Заключение
Создание на специализированных порталах инфраструктуры пространственных данных (ИПД) в сети Интернет характеризуется рядом принципиальных достоинств, которые невозможно получить другими способами. Открываются возможности подключения к картам достаточно сложных больших баз данных, причем это могут быть распределенные постоянно обновляемые базы данных, проводить обработку пространственной информации, используя ГРИД технологии. Использование общепринятых стандартов позволит достичь интероперабельности как внутри среды, так и вовне - с внешними системами.
Литература
1. ДеМерсМ. Н. Географические информационные системы. Основы. - М.: Data+, 1999. - 450 с.
2. ISO 19115:2003 - Geographic information. Metadata. URL: https://committees.standards.org.au/COMMITTEES/IT-004/PRIVATE/I0028/ISO%2019115%20.pdf.
3. ISO 19119:2005 - Geographic information. Services. URL: http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=39890.
4. ГОСТ Р 52573-2006 - Географическая информация. Метаданные. URL: http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=74833.
5. Стандарты геоданных по всему миру. URL: http://ncl.sbs.ohio-state.edu/ica/3_spatial.html.
6. AND (ADEPT/DLESE/NASA) Metadata Framework. URL: http://www.dlese.org/Metadata/adn-item/index.htm.
7. ANZLIC, ANZLIC Metadata Guidelines, 2001. URL: http://www.anzlic.org.au/infrastructure_metadata.html.
8. UK GEMINI (Geo-spatial Metadata Interoperability Initiative), Gigateway Discovery Metadata Specification. URL: http://www.gigateway.org.uk/metadata/standards.html.
9. Emerging Diseases in a Changing European Environment. URL: http://ergodd.zoo.ox.ac.uk/eden/index.php?p=289. ESRI Profile of the Content Standard for Digital Geospatial Metadata.
10. ESRI Profile of the Content Standard for Digital Geospatial Metadata. URL:
http://support.esri.com/index.cfm?fa=knowledgebase.whitepapers.viewPaper&PID=43&MetaID=239.
11. FGDC Metadata. URL: http://www.fgdc.gov/metadata/metadata.html.
12. Нестеренко А. К., Данилина А. А., Сысоев Т. М., Бездушный А. Н., Серебряков В. А. Автоматизация процессов интеграции распределенных информационных ресурсов // Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции: Труды VIII всероссийской научной конференции. - Ярославль: Ярославский гос. ун-т им. П. Г. Демидова, 2006. С. 279-290.
13. Бездушный А. Н., Кулагин М. В., Серебряков В. А., Бездушный А. А., Нестеренко А. К., Сысоев Т. М. Предложения по наборам метаданных для научных информационных ресурсов // Вычислительные технологии, 2005. Т. 10. Вып. 7. С. 29-48.
14. Вершинин А. В. Реализация распределенной информационно-аналитической системы по наукам о Земле на основе технологий ГИС и ГРИД // 49-я научная конференция МФТИ. - М.: МФТИ, 2006.
15. Рундквист Д. В., Ряховский В. М. Арбузова Е. Е., Пустовой А. А. Создание интегрированной аналитической геоинформационной системы в области наук о Земле //Системы и средства информатики. Спец. вып. Геоинформационные технологии. - М.: ИПИ РАН, 2004. С. 56-60.
16. Ряховский В. М., Шульга Н. Ю. Принципы работы и архитектура интернет-портала «Геология» // Мониторинг. Наука и Технологии, 2009. С. 78-88.
17. Ряховский В. М. Юбко А. В. Швычко П. А. Огиенко С. А. Теоретические предпосылки создания интегральной аналитической геоинформационной системы в области наук о Земле на основе технологий GRID // Наука и просвещение. - Москва, 2009. С. 355-365.
18. Вершинин А. В., Серебряков В. А., Ряховский В. М., Дьяконов И. А., Динь ле Дат, Шкотин А. В., Шульга Н. Ю. Создание среды интеграции распределенных источников пространственных данных и приложений // Открытое образование, 2008. № 4. С. 9-16.
УДК 910(075.8)+ 004.75 ВАК 25.00.35, 0513.11
ИНФРАСТРУКТУРА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СРЕДЫ ХРАНЕНИЯ, ПОИСКА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ
А. В. Кошкарев, к. г. н., с. н. с., ведущий научный сотрудник Тел.: (499) 238-03-60, e-mail: [email protected] Институт географии РАН www.igras.ru
В. М. Ряховский, д. г.-м. н., профессор, зав. отделом Тел.: (495) 692-30-36, e-mail: [email protected] Государственный геологический музей РАН www.sgm.ru
В. А. Серебряков, д. ф.-м. н., профессор, зав. отделом, Тел.: (499) 135-52-80, e-mail: [email protected], Вычислительный центр/Межведомственный компьютерный центр РАН
www.ccas.ru
The solving of the problem of creation of the academic spatial data infrastructure of distributed information resources and supplying free access to these data for the Internet users is offered. The architecture and basic components are considered (metadata standards, geoportals and so on) and technological decisions that can be used for its implementation are proposed.
