Технологии и методы использования спутниковых данных в системах мониторинга Единой территориально-распределенной информационной системы дистанционного зондирования Земли

Создание и развитие космических средств и технологий дистанционного зондирования Земли является в настоящее время одним из важнейших направлений применения космической техники для социально-экономических и научных целей.
В ОАО «НИИ ТП» ведутся работы по созданию Единой территориально-распределенной информационной системы дистанционного зондирования Земли (ЕТРИС ДЗЗ) для обеспечения качественного обслуживания потребителей.
ЕТРИС ДЗЗ функционально объединяет наземные комплексы, центры, пункты приема, обработки и распространения данных ДЗЗ различных органов, ведомств, организаций, а также их соответствующие ресурсы в единое информационное пространство.
Одним из важнейших элементов информационной инфраструктуры ЕТРИС ДЗЗ является единый банк геоданных.
Единый банк геоданных создается в виде распределенной информационной системы, объединяющей геоданные федеральных, ведомственных, региональных и других банков.
Для решения прикладных задач социально-экономической сферы в банк геоданных требуются данные ДЗЗ, которые должны удовлетворять ряду требований, основным из которых является оперативность доставки КИ ДЗЗ потребителям.
В целом совокупные возможности орбитальной группировки ближайшего периода в десятки раз повышают нагрузку на наземную инфраструктуру эксплуатации КС ДЗЗ. Проведенные оценки показывают, что потребуется ежесуточно проводить более 100 сеансов приема данных с КА группировки с обработкой в потоковом режиме (в темпе приема) около 15 ТБ разнородной информации. В этих условиях устойчивый режим по своевременному предоставлению данных ДЗЗ потребителям может быть обеспечен только путем реализации комплекса мероприятий по созданию всех необходимых технологических компонентов эффективного целевого применения ОГ КС ДЗЗ:
• экспериментальную отработку и внедрение автоматизированной системы комплексного планирования целевого применения совокупного информационного ресурса орбитальной группировки ДЗЗ;
• создание распределенной сети приемных станций;
• создание системы валидационных подспутниковых наблюдений как составной части процесса целевого применения каждого КА группировки;
• обеспечение технологической готовности Оператора КС ДЗЗ к работе с новыми видами космической съемки (гиперспектральной и радиолокационной) и создание на ее основе информационных продуктов.
В России решение данной задачи обеспечивается разработкой и централизованной эксплуатацией российским Оператором КС ДЗЗ максимально унифицированных технологий формирования и ведения распределенного банка базовых продуктов ДЗЗ межведомственного использования. Основным технологическим требованием к такому банку информационных продуктов является наличие единой технической платформы (серверного ядра), обеспечивающей выполнение всех функций банка данных с использованием технологий виртуализации процессов обработки и архивации информации. Заполнение банка данных должно проводиться в потоковом режиме обработки получаемой первичной информации.
Жесткие требования к оперативности информационных сервисов ДЗЗ, повышение на порядок объемов первичной разнородной космической информации, значительная вычислительная ресурсоемкость обработки радиолокационных и гиперспектральных данных в сочетании с неравномерностью их поступления практически предопределяют необходимость использования платформы «облачных» вычислений в качестве универсальной информационной среды ведения банка информационных продуктов, обеспечивающей динамическое распределение вычислительных ресурсов при пиковых нагрузках потоковой обработки.
Эффективность использования платформы «облачных» вычислений подтверждена на практике созданием технологии резервного функционирования Геопортала Роскосмоса в «облачной» среде ОАО «Российские космические системы». Это первый положительный опыт реализации такого подхода в области ДЗЗ в России. Создание «зеркальной копии» Геопортала на резервной площадке обеспечивает гарантированную отказоустойчивость и работоспособность общедоступного удаленного сервиса ДЗЗ даже в случае более чем 1000 единовременных обращений через Интернет.
«Облачные» вычисления (англ. cloud computing), в информатике — это модель обеспечения повсеместного и удобного сетевого доступа по требованию к общему пулу конфигурируемых вычислительных ресурсов (например, сетям передачи данных, серверам, устройствам хранения данных, приложениям и сервисам — как вместе, так и по отдельности), которые могут быть оперативно предоставлены и освобождены с минимальными эксплуатационными затратами и/или обращениями к провайдеру.
Потребители «облачных» вычислений могут значительно уменьшить расходы на инфраструктуру информационных технологий (в краткосрочном и среднесрочном планах) и гибко реагировать на изменения вычислительных потребностей, используя свойства вычислительной эластичности (англ. Elastic computing) «облачных» услуг.
С точки зрения поставщика, благодаря объединению ресурсов и непостоянному характеру потребления со стороны потребителей, «облачные» вычисления позволяют экономить на масштабах, используя меньшие аппаратные ресурсы, чем требовались бы при выделенных аппаратных мощностях для каждого потребителя, а за счёт автоматизации процедур модификации выделения ресурсов существенно снижаются затраты на абонентское обслуживание.
С точки зрения потребителя, эти характеристики позволяют получить услуги с высоким уровнем доступности (англ. high availability) и низкими рисками неработоспособности, обеспечить быстрое масштабирование вычислительной системы благодаря эластичности без необходимости создания, обслуживания и модернизации собственной аппаратной инфраструктуры.
Удобство и универсальность доступа обеспечивается широкой доступностью услуг и поддержкой различного класса терминальных устройств (персональных компьютеров, мобильных телефонов, интернет-планшетов).
При выборе программного обеспечения и технологий для применения в Едином банке геоданных учтён современный мировой опыт, проведён анализ существующих общепризнанных коммерческих и открытых решений в области:
- разработки программного обеспечения;
- систем управления базами данных;
- средств обработки данных ДЗЗ;
- построения сетей хранения данных;
- обеспечения высокой доступности (кластерные решения);
- и т.п.
Разработанное программное обеспечение является кроссплатформенным, что позволяет обеспечить доступ к системе всех пользователей, а также упрощает использование наработок в схожих системах.
Почти всё используемое общее программное обеспечение является открытым:
- операционная система Suse Linux Enterprise Server 11, использованная для серверов и технологических рабочих станций;
- программное обеспечение для реализации кластеров серверов приложений высокой готовности и для обеспечения репликации и распределения нагрузки на серверы баз данных;
- СУБД PostgreSQL с расширениями для работы с пространственными типами данных;
- Web-серверы Apache2 и NGinx;
- ПО для удалённого оповещения о состоянии работы системы.

В целом при создании ЕТРИС достигнуты следующие результаты:

• Разработана и внедрена автоматизированная система планирования и управления целевым применением орбитальной группировки КА ДЗЗ.
• Создан Центральный банк геоданных (ЦБГД) на базе Научного центра оперативного мониторинга Земли, являющийся основой Единого банка геоданных. ЦБГД обеспечивает запись, накопление, систематизацию, долговременное и оперативное хранение информации в базах данных и архивах.
• Создан и открыт 21 декабря 2010 года геопортал Роскосмоса (gptl.ru) для предоставления пользователям доступа к ЦБГД.
• Создан Единый каталог геоданных, находящихся в архивах различных ведомств и организаций.
• Разработан "Профиль метаданных Единого банка геоданных на основе стандартов ISO 19115, ISO 19115 2 и ISO 19139" для унификации формата хранения и передачи метаданных.
• Разработана технология формирования растровых непрерывных покрытий земной поверхности из космических снимков и средств доступа к ним для мониторинга наземных территорий и объектов во времени.
• Разработана серверная геоинформационная система (ГИС) и кроссплатформенное клиентское программное обеспечение на основе флеш-технологии, функционирующее в WEB браузере.
• Развернуты основные компоненты единой системы обмена командно-программной и целевой информацией в ЕТРИС ДЗЗ.
Перечисленные результаты являются основополагающим заделом современной российской наземной инфраструктуры ДЗЗ.