ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА

«ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ НА 1997 — 2000 ГОДЫ»

В.В.Иванов

МЕТОДЫ И ПРОГРАММНЫЕ

СРЕДСТВА АНАЛИЗА

СУДОВЫХ

ЭКСПЕДИЦИОННЫХ

НАБЛЮДЕНИЙ

Санкт-Петербург Гидрометеоиздат УДК 551.465.41 Представлены базовые сведения из области методов обработки океанографической ин­ формации с использованием персонального компьютера. Книга не претендует на всесторон­ ний охват вопроса, который является одним из обширных, динамично развивакпцихся разде­ лов экспериментальной океанографии и находится на «стыке» различных фундаментальных и прикладных дисциплин. Она предоставляет возможность проверить полученные знания пу­ тем ответов на контрольные вопросы и выполнения практических заданий.

Первая глава посвящена описанию основных зондирующих устройств, применяемых в настоящее время в практике экспедиционных океанографических исследований в России и за рубежом. Во второй и третьей главах рассмотрены существующие в настоящее время спо­ собы усвоения, хранения и оперативного использования океанографической информации, полу­ чаемой при проведении экспедиционных исследований и методы их обработки с использовани­ ем компьютерных технологий. В четвертой главе затронуты вопросы, связанные с использо­ ванием всемирной компьютерной сети Internet для информационного обеспечения океаногра­ фических исследований.

Данная книга предназначена для студентов и аспирантов гидрометеорологических спе­ циальностей, а также может представлять интерес для специалистов-океанологов, обра­ щающихся в своей профессиональной деятельности к вопросам управления данными и их визу­ ализации.

с\ Издание осуществлено при финансовой поддержке Федеральной целевой программы ^ «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки j на 1997 — 2000 годы».

сО.. r_ j ' 4.v'V у —-----------, -и с д а к А | Л-, Малоохтиваий яр* 1 ЯПЧГМПЙПП_64 ® Центр «Интеграция», 2000 г.

]\f _ © Государственный научный центр РФ 069(02)-2000 ' Арктический и антарктический научно-исследовательский институт ISB N 5-286-01401-1 (ГНЦ РФ ААНИИ), 2000 г.

ВВЕДЕНИЕ

Современные океанографические исследования и прикладные разра­ ботки немыслимы без активного применения мощных средств информа­ ционной поддержки. Эта область океанографии является достаточно мо­ лодой и, по сути, еще находится в стадии становления. В начале 1980-х годов стимулом к внедрению разнообразных средств автоматизации для обработки и анализа океанографической информации стало применение в практике судовых наблюдений измерительных приборов, позволяющих за сравнительно короткое время получать большое количество информа­ ции. К таким приборам в первую очередь следует отнести малоинерцион­ ные гидрозонды, осуществляющие высокодискретные измерения темпера­ туры, электропроводности и гидростатического давления с борта судна.

Объем информации, получаемый таким прибором при единичном глубо­ ководном зондировании, может достигать нескольких тысяч значений по каждому из параметров. Вполне понятно, что при выполнении даже не­ большой серии океанографических разрезов, попадающая в руки исследо­ вателя информация не может быть эффективно обработана без привлече­ ния средств автоматизированного контроля данных и их обработки (ви­ зуализации). Первоначально, для этих целей использовались вычислитель­ ные машины серии СМ, которые, будучи достаточно дорогими, устанав­ ливались только на больших научно-исследовательских судах. Программ­ ное обеспечение таких ЭВМ было крайне ограниченным и позволяло осу­ ществлять лишь непосредственный ввод данных и их редактирование.

Дальнейшая обработка выполнялась уже в береговых условиях на более мощных ЭВМ, серии ЕС. Отсутствие высококачественных периферийных устройств (мониторов и принтеров с высоким разрешением) чрезвычайно осложняло задачу графического представления данных. Повсеместное вне­ дрение в практику океанографических исследований усовершенствован­ ных методов автоматизации обработки данйых стало возможным с нача­ ла 1990-х годов, когда наметился повороу от использования громоздких ЭВМ к персональным компьютерам (ПК). Бурное развитие высокопроиз­ водительной портативной вычислительной техники подхлестнуло разра­ ботку специализированных программных пакетов, предназначенных для обслуживания самых разнообразных сфер человеческой деятельности.

Учитывая запросы потребителей и специфику машинной обработки ин­ формации, особое внимание было уделено созданию программных паке­ тов, обеспечивающих эффективную работу с большими объемами данных.

Применительно к конкретным океанографическим задачам к их числу от­ носятся различные системы управления базами данных (СУБД) и графи­ ческие пакеты, позволяющие быстро генерировать двумерные и трехмер­ ные графические объекты (вертикальные профили, разрезы, горизонталь­ ные карты и т.д.). В настоящее время активно развивается принципиально новый подход к использованию различных географически структуриро­ ванных данных. Это так называемые геоинформационные системы (ГИС).

ГИС представляют из себя интегрированные программные пакеты, пред­ назначенные для сбора, систематизации, обработки, анализа и выдачи по запросам пользователей разнообразных знаний, координатно «привязан­ ных» к поверхности Земли. Очевидно, что применение ГИС-технологий способно существенно повысить эффективность решения традиционных океанографических задач, а также принести пользу при внедрении резуль­ татов океанографических исследований в практику.

Предлагаемое вниманию учебное пособие призвано дать читателю базовые сведения из области методов обработки океанографической ин­ формации с использованием ПК. Пособие не претендует на всесторон­ ний охват вопроса, который является одним из обширных, динамично развивающихся разделов экспериментальной океанографии и находится на «стыке» различных фундаментальных и прикладных дисциплин. Д ан­ ный курс является сугубо практическим и предоставляет читателю воз­ можность проверить полученные знания путем ответов на контрольные вопросы и выполнения практических заданий. Курс построен таким об­ разом, что не требует от читателя обязательного знакомства с какимлибо алгоритмическим языком. Обязательным условием при изучении курса является лишь наличие элементарных навыков работы на персо­ нальном компьютере.

Пособие состоит из 5 глав, списка рекомендуемой литературы и при­ ложения.

Первая глава, включающая два раздела, посвящена описанию ос­ новных зондирующих устройств, применяемых в настоящее время в прак­ тике экспедиционных океанографических исследований в России и за ру­ бежом. Поскольку данное пособие не является техническим руководством для специалиста по приборам, а ориентировано на исследователя, в за­ дачи которого входит грамотное применение прибора в полевых усло­ виях, в главе достаточно кратко описаны технические принципы работы приборов и их конструкционные особенности. В то же время значитель­ ное внимание уделено описанию особенностей эксплуатации приборов в судовых условиях, подробно рассмотрен порядок действий при выпол­ нении зондирования, охарактеризованы получаемые в результате зон­ дирования данные и программные средства их первичной обработки и усвоения.

Во второй главе рассмотрены существующие в настоящее время спо­ собы усвоения, хранения и оперативного использования океанографи­ ческой информации, получаемой при проведении экспедиционных иссле­ дований. Вводятся основные понятия, связанные с управлением данны­ ми: массив данных, база данных (БД), банк данных, информационная система. Проанализированы их взаимосвязь, назначение, архитектура и функциональные возможности. Во втором разделе главы подробно изу­ чается специализированная океанографическая база данных H DB, опи­ сана ее структура, функции и особенности эксплуатации. Детально рас­ смотрены основные компоненты HDB: «ядро» (управляющая програм­ ма) БД, информационные массивы, пользовательский интерфейс, моду­ ли графического представления данных. На конкретных примерах ра­ зобраны технология загрузки, редактирование, модификация данных в БД и охарактеризованы возможности экспресс-анализа данных средства­ ми H DB (выборка данных по заданным критериям, создание производ­ ных («дочерних») суббаз, использование графики). В третьем разделе рассматривается расширение возможностей H DB путем создания так называемых сервисных программ. Сервисные программы HDB, являю­ щиеся внешними модулями по отношению к управляющей программе, обеспечивают весьма гибкий механизм повышения эффективности рабо­ ты с базой данных, поскольку могут наращиваться и модифицироваться самим пользователем в зависимости от конкретных задач, стоящих пе­ ред ним. В разделе дается классификация сервисных программ, устанав­ ливаются базовые принципы их применения и приводятся примеры наи­ более полезных и часто применяемых сервисных программ: загрузчиков, конверторов, интерфейсов с графическими и вычислительными програм­ мами.

В четырех разделах третьей главы последовательно излагаются про­ цедуры обработки, применяемые от момента получения «сырых» дан­ ных (измерений) до их представления в виде «конечных» продуктов (карт, числовых массивов, атласов, ГИС). Первый раздел главы обращается к чрезвычайно важной и достаточно редко затрагиваемой в литературе про­ блеме, возникающей при первичной обработке результатов эксперимен­ тальных океанографических исследований, так называемой фильтрации данных. П од фильтрацией понимается формальная проверка адекватно­ сти результатов измерений реальности. Поскольку практически любые данные, полученные в результате проведения натурных наблюдений или экспериментов, содержат ошибки, первичная обработка предполагает вы­ полнение определенных действий (алгоритмов), направленных на выяв­ ление и, по возможности, устранение ошибок в данных. Следующим шагом после проверки достоверности данных является их интерполяция, методам которой, применительно к обработке океанографических дан­ ных, посвящен второй раздел главы. В разделе определены основные понятия, связанные с интерполяцией, сформулированы типичные океа­ нографические задачи, решаемые посредством интерполяции, проанали­ зированы преимущества и недостатки методов двумерной интерполяции, доступных в графическом пакете SU RFER. Пути повышения качества интерполяции для специфических океанографических задач рассмотре­ ны на примере использования алгоритма многомерной классификации водных масс в районах резких горизонтальных градиентов характерис­ тик (гидрофронтов). В третьем разделе изложены основные принципы применения программных пакетов SU R F E R и G R A P H E R для графичес­ кого представления океанографических данных. Проанализированы пре­ имущества и недостатки графических пакетов для обработки и анализа океанографической информации. П одробно разбираются действия пользователя при построении вертикальных профилей, ^ -ди агр ам м, вертикальных разрезов и карт горизонтальных распределений океаног­ рафических параметров. Особое внимание при изложении уделяется нео­ днозначным моментам, которые могут вызывать сложности у пользова­ теля, впервые осваивающего данные программные пакеты. В заключе­ нии раздела приводятся базовые сведения об использовании встроенно­ го языка Бейсик-скриптов (GSScriptor) для автоматизации часто повто­ ряющихся графических построений. Последний раздел главы посвящен описанию «конечных» океанографических информационных продук­ тов — океанографических атласов и ГИС. Рассмотрены широко приме­ няемые в настоящее время электронные океанографические атласы: оке­ анографический атлас Мирового океана (World Ocean Atlas 1994), со­ зданный в лаборатории климата океана Национального Центра океа­ нографических данных (Вашингтон, США) под руководством С.Левитуса и океанографический атлас Северного Ледовитого океана (Joint US Russian Atlas o f the Arctic Ocean, 1997,1998), подготовленный в ААНИИ и ряде институтов США и Канады в рамках российско-американского сотрудничества. Помимо общего описания структуры и возможностей применения данных информационных продуктов, изложены конкретные способы выполнения выборок данных для их последующего использова­ ния. В качестве иллюстрации эффективности ГИС-технологий для реше­ ния океанографических задач рассмотрена экспериментальная версия электронного океанографического справочника (ЭОС) по морям Северо-Европейского бассейна, разработанная в ААНИИ.

Завершающая основной материал пособия четвертая глава затраги­ вает вопросы, связанные с использованием всемирной компьютерной сети Internet для информационного обеспечения океанографических исследо­ ваний. В главе дается краткая характеристика сети Internet, описаны спо­ собы представления океанографической информации на Internet-ca.ma.x, проанализированы существующие протоколы передачи данных и пути их использования для океанографических задач. В конце главы приводятся некоторые полезные t/iJL-адреса.

Для закрепления материала и получения практических навыков в пособие включено шесть практических заданий, охватывающих основные разделы курса. Предполагается, что читатель выполняет практические за­ дания по мере усвоения отдельных глав. Для выполнения заданий потре­ буются программные пакеты HDB (версия 3.10) SU RFER (версия 6.02) и G R A PH ER (версия 1.22).

Приводимый список литературы включает как наименования, непос­ редственно использованные при написании пособия, так и рекомендован­ ные для дополнительного изучения источники.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И М ЕТОДЫ

СУДОВЫХ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ НАБЛЮ ДЕНИЙ

В главе рассмотрены основные зондирующие устройства, применяе­ мые в настоящее время в практике экспедиционных океанографических исследований в России и за рубежом. К ним относятся: обрывные темпера­ турные зонды (ХВТ) и многопрофильные зонды, позволяющие определять целый ряд параметров морской воды (CTD). Современные высокие тре­ бования к точности океанографических данных (в частности, стандарты ЮС — Международной океанографической комиссии при ЮНЕСКО) про­ диктованы необходимостью адекватного отражения в результатах изме­ рений достаточно «тонких» процессов, развивающихся в толще воды.

Одним из ярких примеров такого рода является тонкая термохалинная структура (ТТС) в зонах контакта водных масс с различными характери­ стиками гидрофронтов [7]. Характерный масштаб образующихся при этом интрузий составляет десятые доли градуса и сотые доли промилле, а ли­ нейные размеры — от нескольких метров по вертикали до десятков кило­ метров по горизонтали. При этом ТТС не относится к разряду океаногра­ фической «экзотики» поскольку, во-первых, это достаточно распростра­ ненное явление, а во-вторых, его корректное описание необходимо для объяснения и параметризации крупномасшабных процессов: перемешива­ ния водных масс, переносов тепла и соли, конвекции и др. В качестве при­ мера другого рода можно привести типичную задачу, возникающую при анализе долговременной изменчивости параметров глубинных и придон­ ных водных масс. Глубинные и придонные воды Мирового океана харак­ теризуются чрезвычайно высокой консервативностью характеристик. В силу отсутствия прямого контакта с атмосферой процессы их обновления идут крайне медленно (десятки и сотни лет). В то же время даже крайне незначительные изменения их характеристик (сотые доли градуса и ты­ сячные доли промилле) в течение короткого временного интервала могут являться свидетельством изменения баланса факторов, ответственных за формирование глубинных и донных вод [1]. Из приведенных примеров видно, что только применение надежных зондирующих устройств с разре­ шением, существенно превышающим масштабы измеряемых явлений, по­ зволяет получать данные, которые в дальнейшем могут быть уверенно использованы для анализа, расчетов и теоретических обобщений.

1.1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ

ПРИ ПОМОЩИ ОБРЫВНЫХ ТЕРМОЗОНДОВ

Обрывные термозонды (ХВТ) чрезвычайно эффективные инструмен­ ты для быстрого измерения температуры воды в верхнем 500— 1000-метпроволока ровом слое. Важным достоинством этого прибора является возможность его использования на ходу судна, что позволяет за сравнительно корот­ кий промежуток времени выполнить измерения на значительной аквато­ рии. В последние годы за рубежом налажено серийное производство об­ рывных зондов, позволяющих измерить не только температуру, но и соле­ ность - XCTD зондов (рис. 1).

Описание прибора Стандартная конфигурация прибора включает сам обрывной термо­ зонд — ХВТ, персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением и ленчер (пусковую установку для сбрасывания зонда в воду).

Электрическая цепь между зондом и считывающим устройством замыка­ ется при установке контейнера с зондом в ленчер. Передача информации на приемный компьютер начинается с момента касания зондом поверхно­ сти воды (вода при этом играет роль «земли»). Усвоение информации осу­ ществляется в реальном масштабе времени. В головной части зонда поме­ щен высокоточный термистор. Изменение температуры воды обусловли­ вает изменение электрического сопротивления термистора по мере его опускания. Сигнал передается по кабелю на приемный компьютер, где происходит его преобразование в температуру. Внутри зонда расположе­ ны две катушки с проволокой, одна из которых компенсирует вертикаль­ ное движение зонда, а другая — горизонтальное смещение судна. Прибор позволяет осуществлять измерения температуры воды с разрешением 0,01°, точностью 0,1°, точностью привязки к глубине — 65 см при скорости суд­ на до 15 узлов. Существуют различные модификации ХВТ зондов, позво­ ляющие зондировать до глубины 200 — 1500 м. Глубина зонда определя­ ется по формулам зависимости от времени свободного падения зонда. Во время зондирования эта процедура осуществляется автоматически с по­ мощью программных средств.

Подготовка к зондированию Для выполнения ХВТ-зондирований на палубе выбирается подхо­ дящая открытая площадка (желательно поближе к поверхности воды).

При этом необходимо учитывать направление ветра. Ветер не должен наваливать проволоку на борт, в противном случае зашумленность про­ филя помехами может привести к полной его отбраковке. К этой пло­ щадке прокладывается кабель, соединяющий приемный компьютер с ленчером. При подходе судна к выбранной точке зондирования контейнер с зондом устанавливается в ленчер, и человек, выполняющий бросок, за­ нимает позицию у борта. При прохождении судна через точку зондиро­ вания оператором приемного компьютера подается команда на выпол­ нение броска (для оперативной связи желательно иметь портативные радиостанции на ХВТ площадке и в лаборатории).

При использовании ручного ленчера* бросок осуществляется в сле­ дующей последовательности:

— рука с ленчером максимально выносится за борт, при этом дол­ жны соблюдаться все меры безопасности, чтобы избежать падения за борт;

— по команде оператора ленчер наклоняется вниз под углом 30—50° и за кольцо выдергивается фиксирующий штифт;

— команду об окончании зондирования подает оператор, контроли­ рующий весь процесс зондирования по профилю на экране.

При выполнении зондирования необходимо избегать касаний про­ волокой борта и любых других предметов, в том числе и на морской по­ верхности.

В исключительных случаях (при работе в сплоченных льдах), когда открытая вода существует только в кильватерной струе судна, бросок ХВТ может осуществляться с кормы, за буруны винтов, хотя это не рекоменду­ ется во всех указаниям по ХВТ зондированиям. Для этого зонд вынимает­ ся из контейнера и плавно (чтобы не порвать сигнальную проволоку), и сильно (чтобы зонд не попал в винты судна) забрасывается на 5— 8 м. Как показывает опыт, такая техника зондирования иногда бывает единствен­ но возможной и эффективной.

Выполнение зондирования По мере опускания зонда сигнал непрерывно передается на прием­ ный компьютер. После разматывания всей проволоки происходит обрыв зонда. При попадании на дно зонд продолжает передавать постоянную температуру до тех пор пока не произойдет обрыв зонда из-за движения судна. При работе на мелководье обрыв проволоки производится самим бросающим по команде оператора.

Программное обеспечение ‘ Пакет программ усвоения и отображения данных зондирования пред­ назначен для работы на ПК. Программный пакет включает процедуры пред спусковой настройки оборудования, усвоения данных зондирования в реальном масштабе времени^ сохранения данных зондирования на жест­ ком диске, обработки данных и их графического представления. После завершения зондирования данные сохраняются на жестком диске в ASCII или двоичном формате. Удобный экранный интерфейс позволяет доста­ точно быстро освоить работу в программном пакете.

Необходимой процедурой является определение глубины достиже­ ния зондом дна при работе на мелководье. Определение глубины происхо­ дит по характерным всплескам на кривых распределения температуры, не всегда достаточно четким. Здесь необходим некоторый опыт и сравнение с показанием эхолота. Программное обеспечение включает все необходи­ мые графические средства для упрощения этой процедуры: выбор фраг­ ментов профилей, их увеличение, движущийся маркер с параллельным выводом значений для определения точной глубины.

1.2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

ВОДЫ П РИ ПОМОЩ И ГЛУБОКОВОДНЫХ ЗОНДОВ

ТИПА NEIL BROWN1 SEABIRD

В настоящее время в океанографической практике принято выпол­ нять судовые измерения основных параметров морской воды — темпера­ туры и электропроводности (солености) при помощи глубоководных зон­ дирующих устройств. Наиболее распространенными среди них являются гидрозонды типа SeaBird (производитель: SeaBird Electronics, Inc.) и Neil Brown (один из производителей: Falmouth Scientific, Inc. (FSI)). Дополни­ тельным аргументом в пользу использования именно этих приборов явля­ ется то, что они официально утверждены Международной океанографи­ ческой комиссией при ЮНЕСКО (ЮС) в качестве приборов, соответству­ ющих современным требованиям к точности океанографических данных.

Указанные измерительные приборы достаточно близки между собой. В дальнейшем для их обозначения будет использоваться термин «зонд» с уточнением, в случае необходимости, о каком именно приборе идет речь.

Зонд состоит из подводного модуля, на котором размещаются дат­ чики электропроводности, температуры, давления; насоса для прокачки воды, обеспечивающего одинаковую инерционность датчиков температу­ ры и электропроводности*; дополнительных датчиков (рис.2); палубного Рис. 2. Общий вид подводных модулей S ea B ird (а) и IC T D N eil Brow n (б) модуля; персонального компьютера с программным обеспечением для ус­ воения и отображения данных зондирования.

Подводный модуль соединяется с палубным при помощи кабель-тро­ са, наматываемого на барабан лебедки. Существуют также модификации, позволяющие обходиться без кабель-троса и палубного модуля, благода­ ря встроенному в подводный модуль запоминающему устройству. В этом случае считывание информации на ПК осуществляется после подъема зонда на борт судна. Подводный модуль помещен в металлический или пластико­ вый кожух, позволяющий опускать зонд до глубины 6800 м. Под кожухом Рис. 3. Фрагмент подводного модуля SeaBird (SBE9plus) размещено по одному датчику температуры и электропроводности, насос, обеспечивающий постоянную прокачку воды через датчики и температурно-скомпенсированный датчик давления (рис.З). Предусмотрены также дополнительные разъемы для подключения дублирующих датчиков. Под­ ключение дополнительных датчиков для определения растворенного кис­ лорода, флуоресценции, Ph, обеспечивается 8-канальным преобразовате­ лем. Для зондирования на глубинах свыше 6800 м существует модифика­ ция прибора в титановом кожухе. Палубный модуль S B E llp lu s включает интерфейсы передачи данных, устройства считывания и преобразования сигнала и записывающее устройство. Палубный модуль поставляется как отдельный блок, снабженный разъемами для соединения с кабель-тросом и ПК. Программное обеспечение S E A S O F T Version 4 позволяет усвоить и отобразить данные зондирования и предназначено для работы на IBMсовместимом компьютере. Программный пакет включает процедуры предспусковой настройки оборудования, усвоения данных зондирования в ре­ альном масштабе времени, сохранения данных зондирования на жестком диске, обработки данных и их графического представления. Предусмот­ рены также процедуры расчета производных параметров — солености, Характеристики точности измерений основных параметров Температура, °С Давление, дБ плотности и скорости звука. После завершения зондирования данные со­ храняются на жестком диске в A S C II или двоичном формате. Удобный экранный интерфейс позволяет достаточно быстро освоить работу в про­ граммном пакете. Характеристики точности измерений основных пара­ метров рассмотрены в табл. 1.

При работе с борта судна зонд, как правило, монтируется на специ­ альную раму (розетту*). На розетту крепятся батометры в количестве от 12 до 36 штук (в зависимости от типа розетты). В эти батометры осуществ­ ляется пробоотбор забортной воды с различных горизонтов. Команда на закрытие батометра подается оператором, осуществляющим контроль за зондированием путем нажатия зарезервированных для этого функциональ­ ных клавиш. Для дополнительного предохранения от касания дна зонд может быть оснащен подводным альтиметром, присоединенным к одному из дополнительных разъемов или пингером — небольшой металлической болванкой, подвязываемой на лине к розетте и обеспечивающей подачу звукового сигнала при касании дна.

Подготовка к зондированию Подготовка к зондированию включает два вида работ: подготовку розетты и настройку оборудования. При подготовке розетты выполняют­ ся следующие действия:

— крышки батометров фиксируются с помощью специальных тро­ сиков в открытом состоянии, краны для слива воды закрываются (внутри помещения);

— розетта выводится/выкатывается/выносится на палубу и подвеши­ вается на кабель-тросе;

— с датчиков снимаются защитные кожухи, подвязывается пингер (в случае его использования).

Настройка оборудования предусматривает запуск программы зон­ дирования, установку времени, координат и глубины места, выбор и уста­ новку границ отображения на экране параметров зондирования.

Выполнение зондирования После вывода зонда с розеттой за борт, они вывешиваются на не­ сколько минут на нулевом горизонте (практически горизонт 2— 3 м) для адаптации датчиков температуры и электропроводности*. При резком различии в температуре воды и воздуха зонд, для лучшего приспособле­ ния к температуре воды и для освобождения датчика электропроводности от кусочков льда, перед вывешиванием на нулевом горизонте прогоняется до глубины 20— 50 м и обратно. После этого начинается собственно зон­ дирование от поверхности до дна.

Скорость зондирования обычно выбирается 1 м/с, но иногда может снижаться до 0,5 м/с (в случае сильной изменчивости вертикальной струк­ туры). Остановка зонда осуществляется по альтиметру (пингеру) в 8— 12 м от дна. В этот момент снимаются показания глубины места по эхолоту и координаты. Отбор проб осуществляется при подъеме зонда на заданные горизонты. Выбор горизонтов отбора воды обычно определяется в соот­ ветствии с конкретными задачами пробоотбора по профилям, получен­ ным при первом проходе зонда (вниз).

После завершения зондирования (подъеме зонда на палубу) датчики закрываются чехлами с соленой водой комнатной температуры. Розетта промывается пресной водой. Пробоотбор производится в помещении ла­ боратории при комнатной температуре воздуха. Данные зондирования сохраняются на жестком диске ПК в заданном формате.

1. Каким образом при попутных ХВТ зондированиях учитывается движение судна?

2. Как оператор, выполняющий ХВТ зондирование на мелководье, определяет мо­ мент его завершения?

3. Для чего нужен пингер?

4. В какой момент запускается программа усвоения данных CTD зондирования?

5. Отбор проб осуществляется при опускании или при подъеме зонда?

УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ: УСВОЕНИЕ, ХРАНЕНИЕ И

ОПЕРАТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ОКЕАНОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ_ Эффективность решения любой задачи, связанной с анализом боль­ шого количества экспериментальных данных зависит от возможности ис­ следователя максимально сократить временные затраты на выполнение рутинных процедур, сосредоточившись на содержательной части пробле­ мы. Это означает, что, во-первых, данные наблюдений должны быть спе­ циальным образом структурированы (объединены в некие логические бло­ ки), во-вторых, должен существовать быстрый способ выборки данных (доступа к отдельным данным и их произвольным комбинациям). Нако­ нец, поскольку данные наблюдений, как правило, представляют интерес не сами по себе, а как исходный материал для анализа (выполнения мате­ матических или графических операций), необходимо, чтобы средства ана­ лиза (соответствующие компьютерные программы) имелись в наличии и могли оперативно обрабатывать разнообразные конгломераты исходных данных. Последнее означает, что средства анализа должны быть интегри­ рованы в информационную среду. Решение сформулированных задач сред­ ствами программирования составляет основное содержание управления данными, вопросам которого применительно к океанографическим дан­ ным посвящена данная глава.

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ

Для того чтобы понять, каким образом реально осуществляется уп­ равление большими объемами данных, число которых в некоторых совре­ менных океанографических архивах может доходить до нескольких милли­ онов вертикальных профилей (архив ВНИИГМИ МЦ Д или МЦД-1), рас­ смотрим для начала традиционный пример телефонного справочника, со­ держащего имена, адреса и телефоны абонентов. Каждая строка в таком справочнике представляет собой запись, состоящую из соответствующих рек­ визитов. При этом (если хозяин телефонного справочника достаточно ак­ куратен) каждый реквизит упорядочен, т.е. занимает определенную пози­ цию (поле) в пределах записи. Кроме того, группы записей в справочнике объединены в логические блоки: каждая страница или несколько подряд идущих страниц соответствуют определенной букве алфавита, с которой начинаются фамилии, размещенных на этой странице абонентов. Такое раз­ мещение информации обеспечивает очевидные преимущества для пользо­ 366^ вателя, желающего, как правило, быстро найти требуемый в данный мо­ мент телефон или адрес. По существу, описанный в примере телефонный справочник представляет собой не что иное, как прообраз базы данных, сфор­ мированный на бумажном носителе. Перенос информации, хранящейся в справочнике, на компьютерный диск и создание программы, способной заг­ ружать новые данные, а также осуществлять выборку и отображение на эк­ ране требуемой по запросу пользователя информации, означает построение полноценной базы данных, хотя и простейшей структуры.

В рассмотренном примере конструктивно введен ряд терминов, ши­ роко применяемых при манипулировании данными. Определим их более строго. Информационный массив — набор однотипных данных, который может быть представлен в виде таблицы (матрицы). Данное определе­ ние интуитивно понятно и достаточно очевидно для знакомых с основами линейной алгебры и/или программирования на алгоритмических языках высокого уровня (FO RTRAN, TU RBO PASC AL). В то же время оно содер­ жит ряд важных положений, которым следует уделить внимание, приме­ нительно к океанографическим данным. Во-первых, данные, входящие в массив, должны быть одного типа, т.е. недопустимо, например, нахожде­ ние в одном и том же массиве скалярных и векторных величин (температу­ ра воды и скорость течения). Это требование распространяется и на фор­ мат данных. Возможность представления данных в виде таблицы или на­ бора таблиц для океанографических данных выполняется практически всегда. Важно лишь оптимальным образом выбрать «модель» представле­ ния данных (структуру таблицы /таблиц), поскольку от этого выбора мо­ жет существенно зависеть эффективность дальнейшей работы с ней. Забе­ гая несколько вперед, следует отметить, что в большинстве случаев обра­ ботки судовых океанографических наблюдений наиболее эффективной формой базового массива является группа океанографических станций, объединенных по какому-либо принципу (например станции, относящие­ ся к одной экспедиции или выбранному району). Запись — одна строка в таблице (информационном массиве), включающая одно или несколько позиционированных полей. Например, данные, описывающие параметры морской воды на фиксированной станции. Поле — элемент данных в запи­ си, например, значение температуры воды на фиксированном горизонте определенной станции. Наиболее важным инструментом для работы с дан­ ными является база данных. База данных (БД) — это набор логически свя­ занных информационных массивов, обращение к которым с целью загрузки, просмотра, корректировки, выборки и выгрузки данных осуществляется при помощи системы управления базой данных (СУБД) (рис.4). Базы данных, в зависимости от их размеров и назначения, могут размещаться на различ­ ных аппаратных платформах. В дальнейшем будут рассматриваться толь­ ко ПК-ориентированные БД, т.е. БД, предназначенные для работы на пер­ сональном компьютере. Существует два основных вида БД: двумерные «плоские» (flat-file) и реляционные (relation). Однако в океанографичес­ кой практике используются, как правило, только последние. Важное пре­ имущество реляционных баз данных состоит в том, что информация хра­ нится в различных массивах, связанных между собой посредством индек­ сов. Индекс — значение определенного поля или комбинации полей, явля­ ющееся одинаковым для связанных записей. Например, запись, содержа­ щая призначную часть океанографической станции (время выполнения, координаты и т.д.), и запись, содержащая ряды этой же станции (измерен­ ные горизонты, температура, соленость и др.) имеют один и тот же индекс.

Использование индексов существенно повышает производительность ра­ боты, поскольку при выполнении любой содержательной операции по манипулированию данными (поиск, выборка, сортировка и др.) отпадает необходимость перемещаться по всем записям, достаточно лишь просмот­ реть массив индексов. Другим чрезвычайно полезным инструментом, реа­ лизуемым в реляционных БД, являются ключевые поля. Ключевое поле (ключ) — установленное поле, являющееся одинаковым для некоторой группы записей. Характерным примером ключа может служить поле, со­ держащее значение географической координаты (широты или долготы) океанографической станции. Из данного определения, в частности, следу­ ет, что одна запись может иметь несколько ключей (координаты, время выполнения, название судна и др.), определяемые при проектировании БД.

Следует помнить, что их количество не должно быть чрезмерно большим, поскольку это повлечет замедление работы БД. Программным ядром лю­ бой базы данных является СУБД. В настоящее время существует доста­ точно широкий спектр СУБД {dBASE, FOXPRO, AC C ESS, P A R A D O X и др.), разработанных различными фирмами— производителями программ­ ного обеспечения. Для океанографических задач практически применима любая из этих программных оболочек. Однако максимальный учет осо­ бенностей представления океанографических данных потребовал исполь­ зовать оригинальный подход, результатом которого стала специализиро­ ванная база гидрологических данных (HDB), разработанная в Государ­ ственном океанографическом институте и успешно применяемая в ААНИИ. Структура и возможности HDB будут подробно рассмотрены в следующем разделе. Здесь укажем лишь основные элементы СУБД и их функции, единые для всех реляционных БД. СУБД состоит из двух основ­ ных частей: программного интерфейса, который образуется из пользова­ тельского интерфейса и запросов на получение данных, и процессора БД.

Пользовательский интерфейс осуществляет взаимодействие между процес­ сором БД и пользователем и отображает результаты этого взаимодействия на дисплее. Пользователь передает свои запросы о требуемых операциях с данными через текстовые поля, переключатели и командные кнопки эк­ ранного меню. Обратно он получает информацию о выполненных про­ цессором действиях в текстовом и графическом окнах. Запросы — это ко­ манды специального встроенного языка, воспринимаемые процессором БД. Процессор БД обеспечивает механизмы для физического хранения дан­ ных, их считывания, обновления, поиска и индексирования.

Как следует из вышеизложенного, база данных предоставляет пользо­ вателю возможность осуществлять стандартные операции по манипули­ рованию данными, однако формально в ней не предусмотрены средства для решения более сложных задач — специальной обработки данных и/ или их графического представления. В связи с этим, вводится (не являю­ щееся, впрочем, официально принятым) понятие банка данных. В даль­ нейшем под банком данных будет подразумеваться база данных с расши­ ренным сервисным обеспечением. Направленность сервисного обеспечения может быть различной, в зависимости от назначения банка данных. Сер­ висное обеспечение HDB, ориентированное на наиболее часто используе­ мые в океанографической практике алгоритмы, а также предоставляющее возможность интегрирования HDB со стандартными графическими паке­ тами SU R F E R и GRAPH ER, подробно рассматривается в последнем раз­ деле этой главы.

С наступлением эры информационной технологии одним из приори­ тетных направлений стало создание информационных систем. В них ин­ тегрируется различная информация об окружающем мире и различных сторонах человеческой деятельности. Согласно одному из определений, «информация — это все, чем могут быть дополнены наши знания, убежде­ ния и предположения». Получение адекватной и своевременной информа­ ции о состоянии и трансформации окружающей среды в настоящее время является по существу вопросом дальнейшего выживания человечества.

Иными словами информация в современном мире является одним из важ­ нейших ресурсов, которыми располагает современная цивилизация. При­ менительно к областям знания, в той или иной степени связанных с окру­ жающей средой, существует понятие географических информационных систем (ГИС). Геоинформационная система — это комплекс компьютер­ ных программ, предназначенный для сбора, хранения, систематизации, об­ работки, анализа, моделирования визуализации и выдачи по запросам пользо­ вателей пространственно-координированной (т.е. «привязанной» к поверх­ ности Земли) информации. Среди наиболее известных программных ГИСоболочек следует указать ARCINFO, A R C V IE W, M APINFO, WinGIS. В ГИС различного назначения содержится информация о природе и обще­ стве, которая может быть представлена на топографических и тематичес­ ких картах, планах городов, аэро- и космических снимках, справочных и других материалах о местности и происходящих на ней явлениях и про­ цессах. В них используются математико-картографические методы, позво­ ляющие получать пространственно-временную информацию, решать раз­ личные расчетные задачи и наглядно отображать местность и связанные с ней события [5,8]. ГИС состоят из пяти обязательных блоков:

— блок ввода информации;

— блок формирования баз данных графической и тематической (се­ мантической) информации;

— блок визуализации;

— блок управления;

— блок вывода информации.

Входная информация, воспринимаемая ГИС, может быть двух ви­ дов: алфавитно-цифровой (текстовой) и графической. В зависимости от типа и объема информации ее ввод может осуществляться либо непосред­ ственно с клавиатуры, либо с периферийных устройств (ВЗУ, сканер, гло­ бальная сеть и др.). Важным этапом при создании ГИС является формиро­ вание графической БД, в основе которой лежит цифровая картографичес­ кая информация. Исходным пунктом при подготовке такой базы данных являются карты и атласы на бумажной основе, которые сканируются, а затем оцифровываются при помощи программы— дигитайзера. Это весь­ ма трудоемкая процедура, которая требует значительных временных зат­ рат и может быть качественно выполнена только квалифицированным специалистом. Однако однажды сформированная оцифрованная карта может в дальнейшем неоднократно использоваться. Поэтому производи­ тели ГИС-оболочек обычно включают в фирменные программные паке­ ты графические базы данных, содержащие набор оцифрованных карт по­ верхности Земли. В последнее время такого рода данные можно получить и через компьютерную сеть Internet. Применительно к океанографическим ГИС фоновым объектом любой карты является береговая линия. Если со­ здаваемая ГИС будет оперировать крупномасштабными объектами (оке­ ан, море, крупный залив), то имеющиеся уже в оцифрованном виде карты, как правило, обеспечивают достаточное разрешение для размещения на них содержательной информации. Если же речь идет о малых водных объек­ тах (эстуарий, пролив, небольшой залив, озеро), то задачу оцифровки при­ ходится решать в полном объеме. Простая оцифровка карты еще не обес­ печивает ее правильного отображения на экране. Для этого необходимо выполнить преобразование координат в одну из принятых географичес­ ких проекций. Существующие ГИС поддерживают более 30 различных про­ екций и обеспечивают пересчет координат при переходе от одной проек­ ции к другой. Для океанографических задач, как правило, используются лишь три проекции: полярная стереографическая, проекция Меркатора и проекция Ламберта.

Информация на электронных картах размещается послойно. При этом соблюдается следующее правило: объект, который должен быть пол­ ностью виден на фоне другого объекта, располагается на вышележащем слое. При генерации (отрисовке) графических объектов в ГИС может при­ меняться векторный или растровый формат. Векторный формат представ­ ления информации — это способ математического описания объектов кар­ ты с помощью векторов фиксированной длины. В векторном формате эле­ ментарными графическими объектами являются точка, характеризующа­ яся своими координатами, и прямая, соединяющая две точки. В растровой графике линии, как объекта, не существует, но есть совокупность точек, которые выглядят похожими на линию. Обычно компьютер не может рас­ познать отдельную точку линии в растровой графике, т.е. вычислить ее координаты. Растровая картинка — это точечно-ориентированный гра­ фический объект, состоящий из огромного числа разноцветных точек. В ГИС растровая графика чаще всего применяется при включении в БД гра­ фической информации спутниковых и аэрофотоснимков, ледовых карт и др. Карты стандартных океанографических параметров (температура, со­ леность и др.), представляемые в виде полей соответствующих изолиний, целесообразнее создавать в векторном формате. Это же справедливо и для собственно векторных карт — течений, дрейфа льда и др.

Поскольку по определению ГИС не является простым набором элек­ тронных карт, в ее комплект должны входить средства преобразования информации, позволяющие получать новые (т.е. изначально не содержа­ щиеся в ГИС) знания. Характер и направленность этих знаний определя­ ется целью создания ГИС и номенклатурой пользователей, на которых она ориентирована. Океанографические ГИС в первую очередь представляют интерес для специалистов, чья профессиональная деятельность связана с вопросами исследования и освоения океанов и морей, а также управлен­ ческих работников, ответственных за принятие административных реше­ ний. Это означает, что, кроме описанных модулей ввода и визуализации, ГИС должна включать модули, обеспечивающие решение разнообразных (иногда достаточно специфических) задач, которые встают перед конкрет­ ным пользователем. В океанографических ГИС можно обозначить ряд обязательных функций, наличие которых требуется практически всегда. В их число входят:

— расчет производных полей (например, поля плотности по темпе­ ратуре и солености);

— построение вертикальных профилей, разрезов и ^-диаграмм;

— вырезка части карты и перенесения ее в графический файл;

— определение длин, площадей и объемов выбранных объектов;

— печать карт и производных объектов.

Более сложные задачи включают статистический анализ параметров в выбранных регионах, модельные расчеты динамики вод, балансовые вычисления.

Таким образом, понятие ГИС объединяет рассмотренные информа­ ционные объекты и включает широкий класс программных средств, реа­ лизуемых на современных ЭВМ. Рассмотрению существующих в настоя­ щее время подходов к созданию океанографических ГИС посвящен один из разделов следующей главы.

2.2. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКАЯ

БАЗА ДАННЫХ HDB, ЕЕ СТРУКТУРА,

ФУНКЦИИ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

Специализированная океанографическая база данных (HDB) была разработана в Государственном океанографическом институте (ГОИН, Москва) в 1991 г. В.Терещенковым и С.Григорьевым. Она неоднократно модифицировалась (в настоящее время в основном используется версия 3.10), однако в целом сохранила основные черты, заложенные авторами при ее разработке. В ААНИИ HDB используется для обеспечения океа­ нографических исследований с 1992 г. и за это время зарекомендовала себя, как весьма эффективный инструмент для оперирования с большими объе­ мами океанографических данных [4,10].

Актуальность базы данных HDB Наличие коллекции наблюдений на океанографических станциях, постоянно пополняющейся данными новых экспедиций, настоятельно тре­ бует сервисных компьютерных программных средств по хранению и уп­ равлению этой информацией. Данная проблема не может быть удовлетво­ рительно решена путем использования универсальных СУБД типа dBASE, FOXPRO, P A R A D O X по нескольким причинам. Во-первых, универсаль­ ность неизбежно влечет определенные сложности в обращении для пользо­ вателя — неспециалиста в области управления данными. Во-вторых, эти СУБД, предназначенные для создания БД, содержащих произвольную разнотипную информацию и обслуживания ситуаций типа «отдел кадров», нерациональны, так как обладают весьма низким уровнем компактификации для конкретной задачи манипулирования чрезвычайно большими объемами однотипных данных. И наконец, самое главное, подобные базы являются «вещью в себе» в том смысле, что хранимую в них информацию пользователь не может непосредственно использовать в своих приклад­ ных программах. Отсюда, очевидна необходимость в специализирован­ ной базе данных, удовлетворяющей условию максимальной компактнос­ ти, достаточно простой в обращении и совместимой со стандартными язы­ ками программирования, например, FO RTRAN.

Структура HDB Как и любая база данных (в смысле данного выше определения) HDB состоит из 2-х обязательных компонент: программная оболочка (СУБД);

информационные массивы.

Кроме того, в стандартной конфигурации HDB имеется ряд сервис­ ных программ, что позволяет рассматривать ее как банк данных. Однако, следуя принятому названию, в дальнейшем изложении HDB будет имено­ ваться базой данных, за исключением специально оговоренных случаев.

СУБД H DB написана на языке С, незначительно использован A S S E M B L E R и FOR TRAN, функционирует на всех компьютерных средствах семейства PC, XT, А Т и совместимых под управлением M S-D O S (начиная с версии 3.0) или Windows (начиная с 3.1), может быть легко адаптирована на любую аппаратную платформу, поддерживающую С-компилятор, в том чис­ ле на системы типа UNIX, функционирует на мониторах любого типа, удов­ летворяет требованиям A N S I об интерактивном режиме (в том числе о немед­ ленном Esc-выходе на предыдущий уровень без сбоя из любого состояния).

Интерактивный режим осуществляется на английском языке.

Специализированный БД-процессор включает комплекс компьютерных программ (исполняемых ехе-модулей), позволяющих осуществлять стандар­ тные процедуры по обслуживанию алфавитно-цифровых данных: загрузку, компактное хранение, обновление, выборку и корректировку. Все указанные процедуры визуализированы через наглядный пользовательский интерфейс, что дает возможность быстрого освоения работы в среде HDB конечным пользователем. Преимуществами данной СУБД по сравнению с имеющими­ ся аналогами (типа dBASE) являются: учет особенностей цифрового представ­ ления океанографических данных, возможность непосредственного обраще­ ния к произвольно выбранным массивам данных из пользовательских про­ грамм (без процедуры промежуточного переформатирования), компактность дискового размещения СУБД и самих данных и возможность быстрого со­ здания «дочерних» информационных массивов. Последнее позволяет суще­ ственно оптимизировать работу, поскольку одна СУБД может обслуживать большое количество информационных массивов, обеспечивая равные сервис­ ные возможности. Дисковая память, требуемая для размещения СУБД, со­ ставляет менее 1 Мб, потребляемый объем оперативной памяти при работе СУБД в резидентном режиме— 150 Кб, что делает возможным ее использова­ ния на ПК с процессором типа Intel-2S6 и выше.

Размещение данных Логической единицей хранения информации в HDB являются дан­ ные по отдельной океанографической станции, состоящие из паспорта станции (время, координаты, метеорологическая информация, количество океанографических параметров и т.д.) и собственно гидрологических и гидрохимических данных — рядов. Записи паспортов и рядов имеют раз­ ную структуру и хранятся в различных файлах, но реляционно связаны друг с другом. Совокупность записей отдельных станций, объединенная по временному, пространственному или любому другому принципу (на­ пример данные одного рейса) образуют логический блок, описание кото­ рого хранится в специальном информационном файле. Это обеспечивает эффективность получения необходимой справочной информации по БД в целом и увеличивает скорость визуальной выборки данных, относящихся к одному рейсу или определенному району. Информационный файл вмес­ те с файлами паспортов и рядов образуют информационный массив. Струк­ тура записи в информационном массиве не является жестко заданной apriori, а может определяться пользователем перед загрузкой исходных данных. Для этой цели формируется текстовый файл дескриптора, в кото­ рый заносится информация о структуре записи во вновь создаваемом ин­ формационном массиве. Файлы информационного массива создаются программой-загрузчиком СУБД, преобразующим исходные данные во внут­ ренний формат БД. Запись одной станции в формате HDB занимает в сред­ нем 0,3 Кб, что позволяет разместить информационный массив в 100 тыс.

станций на диске емкостью 30 Мб.

Функционирование HDB Программа загрузки выполняет задачу перевода числовой и символь­ ной информации из стандартного текстового файла во внутренний, ком­ пактный формат, описанный в предыдущем пункте. Для выполнения заг­ рузки новых данных в БД необходимо сформировать стандартный тек­ стовый (A SC II) файл и создать файл дескриптора (.dsc). Файл дескриптора — это текстовый файл, в котором ука­ зывается количество и названия дополнительных параметров паспорта, а также максимальное количество рядов измерений, их названия и точность представления (обязательными параметрами паспорта, включаемыми программой-загрузчиком по умолчанию, являются: название платформы из­ мерений (судна), время выполнения станции, ее координаты и глубина).

Программа-загрузчик использует имя файла-дескриптора в качестве име­ ни вновь создаваемого информационного массива и формирует файлы пас­ портов (.h_р) и рядов (.h_r) с этим же именем. Следует помнить, что программазагрузчик не поддерживает смысловой контроль загружаемых данных, что остается на ответственности пользователя. В то же время эта программа производит контроль наличия и правильности позиций данных во вход­ ном файле и выдает сообщение с номером строки ошибки в исходном фай­ ле, в случае ее обнаружения. Скорость загрузки — не менее 250 станций в минуту. По окончании работы выдается сообщение о количестве станций нового информационного массива, успешно загруженных в БД.

Управление информационными массивами, загруженными в БД, пред­ полагает следующий стандартный набор сервиса: получение справки, про­ смотр, редактирование, задание логических критериев отбора, отбор, сохра­ нение информации об отборе между сеансами. Эту задачу выполняет програм­ ма-менеджер, входящая в состав процессора БД. Для получения обзорной информации о данных, входящих в информационный массив, она создает специальный информационный файл (), в котором содержится информация о блоках данных (как правило, конкрет­ ный рейс судна, хотя это и не обязательно). При вызове команды «Информация по базе» (Base Information) содержимое этого файла выдается на экран в виде списка «Название судна— число станций». По каждому элементу спис­ ка пользователь может запросить дополнительную информацию: координа­ ты полигона, временной диапазон, пространственное расположение станций на полигоне, основные параметры (координаты, время выполнения) отдель­ ных станций, количество станций в заданном квадрате. Однажды созданный информационный файл сохраняется по окончанию сеанса работы. Если пользователь внес некоторые изменения в данные, то он может пересоздать информационный файл, что займет не более нескольких секунд.

Пользователь обеспечен стандартным сервисом по просмотру и ре­ дактированию всех загруженных данных. Он может просмотреть и отре­ дактировать любой паспорт и любой ряд. Обеспечивается как последова­ тельный просмотр, так и прямое задание номера станции. Эти действия выполняются командой «Манипулирование данными» (Base management).

Чрезвычайно полезным сервисом базы данных является возможность выбора некоторого подмножества информации. В HDB эта процедура может осуществляться двумя путями. Первый — это стандартный метод отбора по логическим критериям. Вначале пользователь должен сформи­ ровать некоторое логическое выражение — «фильтр» для отбора. Логи­ ческое выражение является произвольной комбинацией элементарных ло­ гических выражений, произвольно соединенных знаками логических опе­ раций — «И» (A N D ), «И ЛИ»( OR), «H E »(N O T ). В качестве элементар­ ного логического выражения может выступать некоторый диапазон изме­ нения величины любого из параметров паспорта, например: географичес­ кая долгота. Пользователь задает минимальное (M IN ) и максимальное (М А Х ) значения диапазона. При этом действуют следующие правила:

1) если M IN < М А Х, то диапазоном является [M IN ;M A X |;

2) если M IN = М А Х, то отбор будет производиться по конкретной величине;

3) если M IN > М А Х, то будет производиться проверка попадания параметра в один из диапазонов [MIN; +°°) или (-Уо-У где г. = (х., у); i = O-s-2; у, = jlx)-, После раскрытия определителя и элементарных преобразований, получаем привычную формулу одномерной линейной интерполяции:

которая может быть переписана в форме, идентичной (1), если ввести обо­ значения:

В двумерном координатном пространстве (например, пространство полей океанографического параметра на заданном горизонте) условием линейной интерполяции, которая в этом случае будет означать нахождение искомой точки на плоскости, построенной по трем точкам наблюдения, яв­ ляется компланарность трех векторов. Один из этих векторов соединяет ис­ комую точку с любой из наблюденных, а другие попарно соединяют две оставшиеся точки наблюдения с первой. Приравнивание к нулю определи­ теля соответствующей матрицы и несложные преобразования приводят к следующим соотношениям для весовых множителей в формуле (1):

которые читателю предлагается получить самостоятельно.

Общность формулы (1) означает, что большинство практически при­ меняемых интерполяционных формул может быть представлено в этом виде. При этом сама функция может быть любым степенным полиномом.

Более того, как показано в [3], эта же формула справедлива и для интерпо­ ляции, выполняемой путем разложения по любой системе «базисных» фун­ кций координат.

Как уже говорилось выше, при обработке океанографических дан­ ных практически всегда требуется применять интерполяцию. Сформули­ руем связанные с этим основные интерполяционные задачи:

— восстановление значений параметров зондирования на фиксиро­ ванных (стандартных) горизонтах;

— построение вертикальных разрезов океанографических параметров;

— построение горизонтальных карт распределения океанографичес­ ких параметров;

— расчет значений океанографических параметров в узлах регуляр­ ной сетки (для задач математического моделирования и ГИС);

— восстановление пропусков во временных рядах океанографичес­ ких параметров (для анализа временной изменчивости).

Рассмотрим эти задачи.

Интерполяция вертикальных профилей Современные зонды, описанные в главе 1, позволяют получать прак­ тически непрерывный вертикальный профиль температуры, солености (элек­ тропроводности) и других, измеряемых зондом параметров. В связи с этим задача интерполяции либо снимается, либо заменяется задачей осреднения и сглаживания профиля с целью исключения тонкоструктурных эффектов.

Иначе обстоит дело при обработке данных, полученных путем пробоотбора с фиксированных горизонтов и последующего лабораторного определе­ ния (например, биогенные элементы) или архивных данных, полученных при помощи батометрических серий. В этом случае, очевидно, требуется применять какой-либо интерполяционный метод. Простейший подход — рассмотренная выше одномерная линейная интерполяция оказывается впол­ не приемлемым, когда речь идет о верхнем квазиоднородном слое или сло­ ях, лежащих ниже главного пикноклина. В зонах резких градиентов (сезон­ ный пикноклин, главный пикноклин) наиболее эффективным является ме­ тод Рейнигера-Росса, называемый также методом взвешенных парабол [13], применяемый, в частности, как базовый в МЦЦ-1. Это точный метод интер­ поляции, позволяющий наилучшим образом восстановить значения в точ­ ках экстремумов вертикального профиля. Идея метода состоит в аппрокси­ мации фрагментов профиля параболой, весовые коэффициенты которой рассчитываются по значениям функции в четырех рядом лежащих точках.

Поскольку парабола однозначно определяется тремя точками, это означа­ ет, что искомая кривая может интерпретироваться как средневзвешенная между двумя смежными параболами с одной общей точкой. Расчетный ал­ горитм метода записывается в виде:

где f v f v f v f A— значение океанографического параметра в точках z,, z v zy z4, причем z,< z2< z < z3< z4.

Незначительная модификация расчетных соотношений позволяет формально применить описанный метод для интерполяции в «граничные»