Climate Wikience: 3D визуализация и анализ больших объемов данных экологического мониторинга
Climate Wikience предоставляет возможность интерактивно исследовать в 3D и выполнять анализ более 700 показателей с глобальным покрытием за последние 13-35 лет (см. раздел Данные). Пользователю не требуется загружать на свой компьютер никаких файлов: данные загружаются автоматически по Интернет по мере надобности. Благодаря интеграции со средой R доступно более 5000 пакетов для анализа предоставляемых данных. Система Climate Wikience свободно доступна по адресу http://wikience.donntu.edu.ua
Доступные показатели
На сегодняшний день, Climate Wikience предоставляет доступ к более 700 показателям:
- физические и радиационные свойства облаков, информацию о переходных фазах, радиус и дисперсность составных частиц облаков, оптическую плотность облаков, температуру, высоту, фазу, долю в дневное либо ночное время и другие характеристики;
- для аэрозолей: оптическую толщину, концентрацию масс, оптические свойства и радиационную силу;
- свойства водяного пара;
- концентрации газов: диоксид серы (SO2), озон (O3), диоксид азота (NO2), оксид углерода (СО), диоксид углерода (СO2);
- метеорологические показатели на разных вертикальных уровнях: давление, температуру, влажность, скорость и направление ветра, геопотенциал.
Данные доступны
- с высоким пространственным разрешением (до 18 х 27 км) ;
- с 1979 года либо 2000 года по сегодняшний день (это последние 13 либо 35) лет в зависимости от показателя;
- с шагом в один день, 6 часов либо 1 час в зависимости от показателя.
 |
|
| Диоксид азота NO2 (Aura OMI) | Скорость ветра (MERRA) |
Перечень доступных показателей постоянно пополняется. На сегодняшний день, объем доступных данных составляет несколько терабайт и хранится в центре данных Донецкого национального технического университета. При этом Climate Wikience автоматически загружает по Интернет на компьютер пользователя только небольшую часть данных, которая необходима в данный момент. Это позволяет исследовать любые показатели за любой промежуток времени на домашнем компьютере, независимо от их объема.
Подробнее о структуре данных можно узнать из соответствующей презентации [1]
Данные временных рядов
Анализ трендов является одним из наиболее важных направлений в исследовании климата и окружающей среды. Система Climate Wikience – первая в своем роде, которая предоставляет временные ряды показателей для каждой ячейки регулярной широтно-долготной решетки. Для этого достаточно задать название показателя и координаты, чтобы получить временной ряд в среде R. В распоряжении пользователя более 100 пакетов среды R для исследования временных рядов.
 |
| Временной ряд концентрации CO2 над частью Африки.
Измерения спутника НАСА. Ежедневные данные усреднены за месяц для наглядности |
Преимущества представления данных экологического мониторинга в виде временныз рядов подробно описаны в статье [2]
Трехмерная визуализация данных
Climate Wikience визуализирует показатели в трехмерном режиме. Поддерживается визуализация трех видов:
- в виде маркеров в узлах регулярной широтно-долготной решетки, размер и цвет которых пропорциональны значениям данных;
- трехмерных изолиний;
- трехмерных поверхностей с интерполяцией цветов.
Интерфейс системы Climate Wikience
Climate Wikience содержит новые наглядные инструменты навигации в данных геомониторинга.
Временная шкала компактно и наглядно отображает весь временной интервал показателя, который доступен для навигации. Используя только мышь можно точно задать время, за которое будут отображаться данные, установив на шкале месяц, день и час.
Climate Wikience интегрирует множество данных, которые имеют разные типы и форматы. Для того, чтобы организовать единообразный доступ ко всем показателям независимо от типа и формата, они систематизированы и объединены в единое древовидное представление. Это облегчает ориентацию в данных и позволяет визуализировать любой показатель одним щелчком мыши, выбрав его в дереве.
Список свойств в виде пар «имя свойства»–«значение свойства» позволяет оперативно сориентироваться в доступных возможностях визуализации
 |
|
| Дерево показателей | Окно свойств отображения |
Все инструменты компактно размещены вместе в одном окне системы:
Инструменты анализа данных
Все данные доступны непосредственно из среды анализа данных R (http://www.R-project.org/). Достаточно трех команд для получения данных:
- library(RWikience)
- w <-WikienceConnect()
- m <- getFloatMatrix(w, "Modis L3 Atmosphere.AEROSOL.LAND AND OCEAN.Optical Depth.Maximum", "09 08 2010")
Расшифровка приведенного выше перечня команд:
- Загрузка пакета RWikience (разработан специально для связи Climate Wikience и среды R)
- Подключение к Climate Wikience
- Вызов функции получения данных, просто указывая в параметрах функции название показателя и дату.
Такой подход позволяет воспользоваться всеми инструментами и преимуществами среды R, которая содержит более 5000 пакетов на сегодняшний день. Среда R активно развивается, имеет свой язык и среды интегрированной разработки, например, RStudio (https://www.rstudio.com/)
Примеры решения практических задач с помощью Climate Wikience
На сегодняшний день, имеющаяся информация о загрязнении атмосферного воздуха основывается на наблюдениях разреженной сети стационарных постов контроля атмосферного воздуха, расположенных в основном крупных городах. Например, в Украине функционирует 162 поста гидрометеоцентра в 53 городах. По этим данным получить целостную и достоверную картину загрязнения атмосферы над территорией всего государства невозможно.
Данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) позволяют получать экологическую информацию с высоким разрешением, достоверностью, покрытием и частотой. Например, спутниковые измерения диоксида азота (NO2) ведутся радиометром OMI спутника Aura с 01 октября 2004 г. ежедневно. Данные доступны для Украины с разрешением примерно 18 х 27 км, что дает 2304 ячейки в пределах территории Украины. Таким образом, спутниковые данные предоставляют в 14 раз больше покрытие (2304/162), чем наземные посты Украинского гидрометеоцентра.
Построим с помощью Climate Wikience и среды R карту рисков умеренного уровня загрязнения атмосферного воздуха Европы диоксидом азота (NO2). Метод вычисления рисков довольно прост, однако дает наглядное представление о характерной картине загрязнения атмосферного воздуха на основе данных ДЗЗ [3].
Карта рисков высокого разрешения наглядно отражает характерную картину загрязнения атмосферного воздуха и позволяет ответить на ряд актуальных вопросов экологической безопасности. Например, какой регион страны имеет самые высокие риски загрязнения и какова степень загрязнения атмосфер стран по сравнению друг с другом.
Можно видеть, что максимальные риски умеренного загрязнения диоксидом азота атмосферы Европы и Украины относятся как 3:1. Воздух в городах Европы просто чище, потому что опасные предприятия вынесены за территорию городов и существуют решения обеспечения экологически эффективного движения транспорта. Однако этого нельзя сказать обо всей атмосфере развитых стран Европы.
Дополнительные материалы
На YouTube (https://www.youtube.com/user/Wikience/) размещены подробные видео-руководства по работе с Climate Wikience. Также по вопросам установки Climate Wikience, работы с системой и анализу данных создана почтовая группа Google (https://groups.google.com/climate-wikience). В этой же группе есть возможность сообщить о том, какие еще показатели Вы бы хотели видеть в системе. Дополнительную информацию можно также найти в русскоязычной презентации и статьях по адресу: http://wikience.donntu.edu.ua/seminars/
Примеры визуализации данных в 3D c помощью Climate Wikience
 |
 |
Ссылки
- ↑ Презентация о системе Climate Wikience
- ↑ Rodriges Zalipynis R.A., Representing Earth remote sensing data as time series, Journal of system analysis and information technology in environmental and social sciences, № 1(2) – 2(3), 2012. – 212 pp. – P. 135 – 145. [http://wikience.donntu.edu.ua/rodriges/publications/C3_02_Rodriges_eng.pdf Статья (формат PDF)]
- ↑ Rodriges Zalipynis R.A. The place of Ukraine in Europe according to the level of air pollution using Earth remote sensing data, Proceedings of IV All-Ukrainian Congress of Ecologists with International Participation, Vinnytsia, Ukraine, 25 - 27 September, 2013. – 552 pp. – P. 130 – 132. [http://wikience.donntu.edu.ua/rodriges/publications/rodriges-vinnytsia-2013.pdf Статья (формат PDF)