Введение к работе
Актуальность темы. Научная обоснованность прогнозов и комплексная оценка состояния окружающей среды, рекомендации по рациональному использованию природных ресурсов невозможны без наличия достоверной информации об объектах исследования. Эффективность охраны природы, управления качеством окружающей среды, использования и воспроизводства природных ресурсов напрямую зависит от уровня развития и степени внедрения в практику систем контроля состояния окружающей среды.
В настоящее время не существует единой системы мониторинга, которая обеспечила бы решение в полной мере всех поставленных проблем. Однако объединение ряда имеющихся и разрабатываемых систем, решающих различные частные задачи, позволит уже в ближайшее время подойти к созданию комплексных средств экологического и природно-ресурсного мониторинга. Такая комплексная система должна иметь многоуровневую структуру с различными подсистемами сбора, обработки и оперативного распространения информации. Важнейшей подсистемой, несомненно, должна стать космическая подсистема мониторинга окружающей среды, которая обеспечивает большую обзорность, оперативность и регулярность получения информации.
Экологические проблемы, как правило, возникают в регионах со значительной концентрацией промышленного производства, в регионах интенсивного природопользования и перспективных с точки зрения использования природных ресурсов, в районах потенциально опасных с точки зрения возникновения чрезвычайных ситуаций.
Основной объект исследований и научно-техническая проблема, решаемая в диссертационной работе - это разработка концепции и создание программно* технологического комплекса для приема, обработки и распространения спутниковой информации в региональном Центре космического мониторинга окружающей среды (далее РЦКМ) с последующей передачей этого комплекса для использования в существующих и проектируемых Центрах.
Диссертация обобщает результаты теоретических и прикладных исследований и разработок, выполненных автором в области автоматизации приема, обработки, распространения спутниковой информации и в области технологической организации регионального космического мониторинга окружающей среды.
Актуальность теоретических и прикладных исследований и разработок в вышеперечисленных областях определяется:
расширением области применения спутниковой информации при решении широкого спектра научных, хозяйственных и экологических задач, отраженным в работах российских и зарубежных ученых;
необходимостью повышения уровня автоматизации процессов приема, обработки и распространения информации с целью улучшения качества получаемой информации и повышения оперативности ее доведения до пользователей;
отсутствием комплексного подхода к проблемам разработки
программно-технологического обеспечения центров приема и обработки
спутниковых данных, ориентированных на региональный космический
мониторинг окружающей среды.
Исследования проводились в Вычислительном центре СО РАН (ВЦ СО РАН, г.Новосибирск) в 1979-1985 гг., в Западно-Сибирском региональном Центре приема и обработки спутниковых данных (ЗапСиб РЦПОД, г. Новосибирск) Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 1986- 2001 гг. и в Югорском научно-исследовательском институте информационных технологий (ЮНИИ ИТ, г,Ханты-Мансийск) в 2002-2005 гг.
Цель н задачи исследований. Основная цель - комплексное исследование научных, технических и прикладных проблем создания программно-технологического комплекса Центра космического мониторинга окружающей среды регионального уровня (РЦКМ) на базе разработанных математических моделей объектов и процессов РЦКМ, реализация численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для приема, обработки и интерпретации космической информации.
Основные задачи исследований включали:
разработку принципов информационного обеспечения мониторинга окружающей среды на базе современных информационно- космических технологий;
разработку и анализ концепции аппаратно-программного обеспечения типового регионального Центра космического мониторинга окружающей среды;
разработку и исследование математических моделей, алгоритмизацию процессов приема и обработки спутниковой информации, их реализацию в виде комплекса взаимосвязанных программ, обеспечивающего функционирование наземного комплекса: автоматическое ведение антенн, оцифровку и регистрацию данных, предварительную, тематическую обработку, распространение данных в типовом Центре космического мониторинга окружающей среды;
апробацию разработанного программно- технологического комплекса в виде оперативных технологий решения практических задач экологии и гидрометеорологии.
Методы исследований. В работе использованы методы математического моделирования, многомерного статистического анализа, вычислительной математики, теории переноса излучения, распознавания образов, цифровой обработки изображений, системного и прикладного программирования и ряда других дисциплин.
Для исследования эффективности и достоверности разработанных моделей, методов, алгоритмов и программ проводились экспериментальные исследования и моделирование изучаемых процессов и объектов на тесовых и реальных данных.
Научная новизна. Проведенные исследования позволили получить ряд новых результатов:
предложена н обоснована структура комплекса для приема и
обработки спутниковой информации, обеспечивающая его функциональную
полноту, гибкость, способность к развитию;
впервые предложена и обоснована Intranet- архитектура программно-
технологического комплекса регионального Центра космического
мониторинга окружающей среды;
предложены методы и созданы быстрые алгоритмы для расчета
координат движения антенн, регистрации информации, предварительной
обработки изображений, учитывающие особенности процесса съема
информации и специфику решаемых задач;
создано новое методическое и программное обеспечение для решения
* ряда прикладных задач космического мониторинга окружающей среды;
разработан и практически реализован современный программно-
технологический комплекс РЦКМ мирового уровня.
Практическая значимость и реализация научных результатов работы.
Результаты, полученные в диссертации, использовались при выполнении следующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:
"Разработка макета регионального центра обработки аэрокосмических изображений", гос. per. № 79044183,1979-1981гг.;
«Пакет прикладных программ обработки изображений для ЭВМ БЭСМ-б», гос. per. № 79044185,1982г.;
«Пакет прикладных программ "БАРС», гос. per. Jfe П007372,1983г.;
«Пакет прикладных программ "ЭЙДОС"», гос. per. № П007372,1983г.;
"Центр обработки геоинформации. Создание системного и функционального программного обеспечения обработки данных дистанционных измерений", гос. per. №81032966,1981-1984гг;
"Разработка и создание инструментального комплекса анализа
картографической базы данных Западной Сибири с предоставлением сетевых
информационных услуг для обеспечения фундаментальных исследований",
грант РФФИ №96-07-89489,199б-1998гг.;
«Космический мониторинг нефтяных загрязнений и нефте- и газопроводов», грант ERUNET Европейского космического агентства (ESA) и Международной федерации астронавтики (1AF), 2004-2006гг.;
«Всепогодное обнаружение лесных пожаров и оценка их последствий в северной Сибири», грант ID3110 (CatI) Европейского космического агентства, 2005-2006 гг.;
«Мониторинг наводнений в северной Сибири с применением ДЗЗ и ГИС», грант ID3161 (Catl) Европейского космического агентства, 2005-2006гг.;
«Космический мониторинг загрязнения окружающей среды в районах добычи нефти», грант Ю3159 (Catl) Европейского космического агентства, 2005-2006ГГ.;
«Организация окружного центра хранения и распространения авиационных, спутниковых н векторных данных для решения задач рационального недропользования и охраны окружающей среды Ханты-Мансийского автономного округа», гос. per. № 0120.0 508576,2005г.;
«Развитие систем оперативного мониторинга и предсказания природных и техногенных процессов в Ханты-Мансийском автономном округе- Югре на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса, наземных измерений, геоинформационных систем и имитационного математического моделирования», гос. per. № 0120.0 508578,2005-2006гг.;
«Создание технологии Internet- доступа к результатам космического мониторинга природных и техногенных явлений на территории Западной Сибири и Урала на базе Ханты-Мансийского суперкомпьютерного центра», грант РФФИ Ка 04-07-90-3 7 8-В, 2004-200бгт..
Результаты исследований реализованы и внедрены в виде пакетов прикладных программ и наборов программных модулей в ряде организаций России: в ГУ НИЦ "Планета11 (г.Москва), в филиале ГУ НИЦ "Планета"-центре приема и передачи спутниковой информации в г.Обнинск, в Алтайском государственном университете ( г.Барнаул ), в Дальневосточном региональном центре приема и обработки данных (г.Хабаровск), в автономных пунктах приема спутниковой информации в г. Надым и г Кызыл, в НПЦ «Мониторинг» (г.Ханты- Мансийск), в Гидрометцентре Западно-Сибирского межрегионального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЗапСиб УГМС), в лаборатории русловых процессов рек Алтая Алтайского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (пБарнаул ).
Основные научные результаты диссертационной работы были использованы при создании аппаратно-программного комплекса Западно-Сибирского Регионального центра приема н обработки спутниковых данных (г.Новосибирск), входящего в наземный комплекс приема и обработки информации с космических систем метеорологического, океанографического и природно-ресурсного направлений и находящегося в ведении Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Результаты диссертационной работы легли в основу программно-технологического комплекса Центра космического мониторинга Сибири (ЦКМС, г. Новосибирск), организованного совместными усилиями Межрегиональной ассоциации «Сибирское соглашение», СО РАН и ЗапСиб УГМС.
На базе результатов диссертационной работы также создан программно-технологический комплекс Центра дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса Югорского научно-исследовательского института информационных технологий (г.Ханты-Мансийск).
Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы явились базой для создания курсов лекций «Дистанционные методы исследования геосистем» и «Технологии программирования», читаемых автором на факультете информатики и прикладной математики Югорского государственного университета (г. Ханты-Мансийск).
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Intranet- архитектура программно-технологического комплекса Регионального центра космического мониторинга окружающей среды (РЦКМ), многие принципы которой в полной мере реализованы в действующих комплексах — Центре космического мониторинга Сибири (ЦКМС) и центре ДЗЗ ЮНІШ ИТ.
-
Алгоритмы и разработанный на их основе пакет программ для расчета на ПК расписаний сеансов связи с космическими аппаратами (КА), координат движения антенн нескольких типов, следа орбит.
-
Функциональное программное обеспечение предварительной обработки спутниковых данных, которое позволяет проводить разноуровневую обработку данных с КА метеорологического и природно-ресурсного назначения.
-
Технология архивации и автоматизированной каталогизации спутниковых данных с оперативным обновлением и удаленным доступом к каталогам и архивам.
-
Методики, алгоритмы и разработанные на их основе пакеты программ для тематической обработки видеоинформации с метеорологических КА: экспресс- обработки для синоптического анализа, уточнения метеопрогнозов, корректировки гидрологических прогнозов.
-
Математическое и программное обеспечение оперативных технологий космического мониторинга окружающей среды: долгосрочного и краткосрочного прогнозов притока воды в Новосибирское водохранилище в период весеннего половодья, мониторинга паводковой обстановки на реках, раннего обнаружения и мониторинга лесных пожаров.
-
Методика и программное обеспечение экологического анализа воздействий нефтедобычи на природную среду на базе космических снимков.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на многих международных и российских конференциях (с 1979г.), в том числе с 2000г.: на 4-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (г. Новосибирск, 2000), на Международной конференции ENVIROMIS-2000 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» {г.Томск, 2000), на Международной конференции «Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг» (г. Ханты-Мансийск, 2001), на Региональной научно-практической конференции «Совершенствование защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (г, Новосибирск, 2001),на Международной конференции «Аэрозоли Сибири» (г.Томск, 2001), на Международной конференции «Суверенный Казахстан: 10-летний путь развития космических исследований» (г.Алма-Ата, 2001), на Международном симпозиуме «NOAA Image of Siberia» (г.Новосибирск, 2002), на Всероссийской конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (пХанты-Мансийск, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной информатизации и пути их решения» (пХанты-Мансийск, 2002), на Международной конференции
«Математические методы в геофизике» (г.Новосибирск, 2003), на 5-м Сибирском совещании по климато- экологическому мониторингу (г.Томск, 2003), на 7-й Региональной научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО» (г.Ханты-Мансийск, 2003), на Международной конференции «Математическое моделирование экосистем» (г.Алнаты, 2003), на 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Электронная Россия» (г.Ханты-Мансийск, 2004), на Международной конференции "Vulnerabilities and Integrated Diagnostics Systems for Trunk Pipelines: Regional Aspects" (Испра, Италия, 2004), на 2-й Всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (г. Москва, 2004), на Международном научно-практическом семинаре «Мониторинг наводнений на северных реках с использованием данных ДЗЗ» (г. Уайтхорс, Канада, 2005), на Международной конференции "Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования" (г. Ханты-Мансийск, 2005г.), на 3-й Всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (г. Москва, 2005).
Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок неоднократно обсуждались на Ученых советах и на семинарах ВЦ СО РАН (ИВМиМГ) (г.Новосибирск), НИЦ "Планета" (г.Москва), ЮНИИ ИТ (г. Ханты-Мансийск), на заседаниях Координационного совета по космическому мониторингу Сибири при Межрегиональной ассоциации "Сибирское соглашение" (г.Ханты-Мансийск, г. Новосибирск).
Разработка автора "Аппаратно-программный комплекс АРТ-монтаж" на конкурсе научно-практических работ Федеральной службы России по гидрометеорологии в 1995 году, заняла 1-« место.
Программно-технологический комплекс ЗапСиб РЦПОД получил в 2000г. сертификат Центра сертификации ракетно-космической техники Российского авиационно-космического агентства на соответствие установленным в России техническим требованиям к наземным приемным комплексам.
Решением Российского космического агентства от 14.01.2005г. центр ДЗЗ ЮНИИ ИТ включен в состав наземного комплекса приема, обработки и распространения информации с планируемого к запуску КА детального наблюдения «Ресурс-ДК» № 1 в качестве одного из двух планируемых для работы с КА центров.
В июне 2005г, в центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ состоялось официальное открытие первой в России станции приема и обработки радиолокационной информации с КА ERS-2 Европейского космического агентства. Личный вклад. Участие автора заключается в постановке рассматриваемых в диссертационной работе теоретических и прикладных проблем, разработке моделей, алгоритмов и большей части описанных в работе программных средств. Создание технологий решения прикладных задач выполнено под руководством автора и с использованием разработанного им программного обеспечения.
Участие других авторов в определенных этапах работы полностью отражает приводимый в диссертации список литературы и ссылки на него.
Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 44 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы. Материал изложен на 229 страницах, включая 65 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 205 наименований.
