Анализ тенденций и определение приоритетных направлений развития технологий построения систем дистанционного мониторинга
Взрывной рост информационных возможностей современных систем ДЗЗ привел к резкому расширению областей их применения. В частности, в нашей стране и за рубежом стали активно развиваться и внедряться различные научные и прикладные системы спутникового мониторинга. При этом, несмотря на создание и быстрое развитие технологий, позволяющих быстро создавать различные блоки таких информационных систем и эффективно их поддерживать, развивать и обслуживать, создание специализированных систем дистанционного мониторинга требует значительных финансовых ресурсов. В то же время, развитие технологий создания и поддержки распределенных информационных систем позволило начать менять подходы к использованию технических и, в первую очередь, вычислительных ресурсов, которые во многих случаях позволяют сократить финансовые и временные расходы на создание и внедрение современных систем дистанционного мониторинга.
В то же время следует отметить, что сегодня сложилась достаточно устойчивая обобщенная схема организации работы со спутниковыми данными в различных СДМ, которая представлена на рис 1.1.1 Важно также отметить, что если в составе основных блоков в последние годы не происходит значительных изменений, то их функциональность, технологии и подходы к построению постоянно развиваются. Для того чтобы определить основные направления изменений была проанализирована их эволюция и выделены наиболее характерные стадии развития. Кратко рассмотрим основные особенности данных стадий.
Стадия 1. На данной стадии для создания конкретной СДМ физически строилась вся техническая инфраструктура работы с данными, начиная с центров приема и обработки спутниковых данных и заканчивая центрами архивации и распространения спутниковой информации и результатов ее обработки. Это требовало значительных капиталовложений и времени для создания специализированных систем дистанционного мониторинга. Кроме того, по мере появления новых КА ДЗЗ, для того чтобы обеспечить работу с поступающими с них данными в конкретной СДМ, требовалось проведение дооснащения центров, принадлежащих СДМ. Также следует отметить, что подобная схема построения СДМ ведет к тому, что поддержка функционирования СДМ также становится достаточно дорогостоящей, поскольку нужно поддерживать фактически всю техническую инфраструктуру работы с данными, в том числе и несколько центров приема и обработки информации, что необходимо в тех случаях, когда нужно осуществлять оперативный мониторинг значительных территорий. На основе такого подхода в России изначально строились информационные системы спутникового мониторинга Росгидромета и информационная система спутникового мониторинга чрезвычайных ситуаций МЧС.
Рисунок 1.1.1 - Обобщенная схема организации работы со спутниковыми данными в СДМ
Стадия 2. На данной стадии стало понятно, что нет необходимости создавать специализированные центры приема и обработки спутниковых данных для реализации конкретной СДМ. Стало возможным использовать ресурсы уже существующих крупных многофункциональных центров приема. Это позволило значительно снизить начальные капиталовложения и время для создания специализированных систем дистанционного мониторинга. Кроме того, отпала необходимость проводить дорогостоящую техническую доработку и дооснащение центров, принадлежащих СДМ, по мере появления новых КА ДЗЗ. В то же время, на данной стадии центры приема могли обеспечить преимущественно предоставление исходной, фактически полусырой информации в системы обработки конкретной СДМ. Поэтому в рамках конкретной СДМ приходилось создавать фактически всю цепочку обработки данных и СДМ должна была размещать свои ресурсы на территории центров приема для того, чтобы избежать необходимости перекачки значительных объемов исходных спутниковых данных (телеметрии). Также в центрах приходилось размещать вычислительные ресурсы СДМ для решения задач специальной (тематической) обработки данных и обеспечения доступа к данным пользователей СДМ. Подобная схема построения также требовала существенных начальных затрат и достаточно сложной технологии поддержки СДМ. Изначально на основе такой схемы создавалась, например, Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз). Отсутствие необходимости создания собственных центров приема позволило запустить первую версию системы в промышленную эксплуатацию менее чем через год с начала работ по ее созданию.
Стадия 3. Существенным шагом на данной стадии стало то, что многие центры приема создали у себя полностью автоматизированные системы первичной обработки данных, позволяющие формировать базовые информационные продукты, необходимые для проведения специальной тематической обработки данных в интересах специализированных СДМ. Это позволило снять с СДМ задачи первичной обработки данных и сосредоточить внимание только на решении задач тематической обработки при их создании. Это также позволило снизить начальные капиталовложения и время создания специализированных систем дистанционного мониторинга. В то же время, на данной стадии оставалась необходимость размещать в центрах вычислительные ресурсы СДМ для решения задач специальной (тематической) обработки данных и обеспечения доступа к данным пользователей СДМ. Подобная схема построения СДМ несколько упростила как начальный этап создания специализированных СДМ и их эксплуатацию, так и этапы развития СДМ, связанные с включением в них информации, поступающей от новых КА ДЗЗ (отпала необходимость создания процедур первичной обработки данных под каждый КА ДЗЗ). По подобной схеме строилась, например, система мониторинга вулканической активности Камчатки и Северных Курил.
Стадия 4. Существенным шагом на данной стадии стало то, что центры приема стали предоставлять не только возможности получения данных, но и вычислительные ресурсы для размещения специальных процедур работы с данными в интересах СДМ и сервисы по оперативному представлению различных тематических продуктов. Это позволило существенно снизить как начальные капиталовложения и время создания специализированных систем дистанционного мониторинга, так и существенно упростить их эксплуатацию. Это также позволяет использовать внешнюю техническую поддержку для обеспечения работы системы, что во многих случаях может быть предпочтительно (в первую очередь из-за возможности использования высококвалифицированного персонала для организации поддержки и текущего развития СДМ, который может выбираться на конкурсной основе). На основе подобной схемы в настоящее время организована, например, работа со спутниковыми данными в Информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз).
Стадия 5. Существенным шагом на данной стадии стало то, что появились возможности эффективной поддержки сложных распределенных информационных систем, в том числе стало возможно не создавать собственные вычислительные центры, обеспечивающие работу с большими объемами данных, а арендовать такие мощности в распределенных датацентрах. Это позволило начать уходить от создания собственных вычислительных узлов СДМ, и перейти на создание таких узлов на арендованном оборудовании в датацентрах. Такой подход позволяет принципиально снизить начальные капиталовложения и время создания СДМ, а также существенно повысить устойчивость работы всех его элементов. Данный путь, видимо, будет активно использоваться в ближайшие годы.
Отметим, что реализация подхода, представленного на пятой стадии, стала возможной лишь в последние годы после появления технологий, позволяющих эффективно использовать в работе конкретной СДМ информационные и вычислительные ресурсы различных центров представления спутниковой информации и других СДМ. Это позволяет существенно сократить ресурсы, необходимые для создания специализированных СДМ. Фактически, современные СДМ могут создаваться и эксплуатироваться на основе использования уже имеющихся ресурсов, которые могут предоставляться СДМ, как сервисы. В пределе, при таком подходе в интересах конкретных СДМ необходимо лишь создавать специализированные процедуры и интерфейсы работы с данными, которые могут функционировать, используя не принадлежащие СДМ информационные и вычислительные ресурсы, фактически получая в аренду вычислительные мощности и подписываясь на сервисы предоставления данных. Это, в конечном итоге, должно позволить существенно сократить расходы, как на создание, так и на эксплуатацию многих специализированных СДМ.
Современные тенденции построения систем работы с данными дистанционного мониторинга показывают, что наиболее целесообразным вариантом их создания является развитие крупных центров, обеспечивающих ведение архивов данных и проведение как минимум первичной обработки данных для получения базовых продуктов, и создания на их основе тематических, специализированных систем, обеспечивающих необходимую тематическую обработку и специфические инструменты для работы с результатами такой обработки. Такой подход позволяет минимизировать повторяющиеся этапы разработки, снизить затраты ресурсов на разработку и поддержку системы и сконцентрировать усилия разработчиков на специфических проблемах для решения конкретной задачи. Все это приводит к необходимости специализированной информационной среды, которая в перспективе могла бы служить основой для разработки различных специализированных научных и прикладных информационных систем дистанционного мониторинга. Разработка такой среды может быть выполнена, например, в рамках проектов, направленных на развитие Единой территориально распределенной системы работы с данными ДЗЗ (ЕТРИС ДЗЗ), которая в настоящее время активно развивается в России. В рамках работ, проведенных в 2017 году в ИКИ РАН, были выработаны требования к такой среде, определены ее потенциальные возможности и приоритетные направления работ, которые должны обеспечить возможность ее создания. Также был проведен анализ технических возможностей создания подобной среды и ее возможное влияние на расширение областей применения методов и технологий ДЗЗ. На основе выполненных работ были подготовлены предложения в эскизные проекты развития различных элементов ЕТРИС ДЗЗ.