АНАЛИЗ И ВЫБОР СРЕДСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

На основании накопленных статистических данных известно, что некоторые составляющие ГМВ могут воздействовать как на биологические, технические и прочие объекты и системы в целом, так и на человека в частности. Искаженные нормальные условия существования системы вынуждают ее приспосабливаться к изменениям окружающей магнитной обстановки либо продолжать существовать в ней в стрессовом (неустойчивом) режиме [4]. Особенно остро проблема минимизации негативного воздействия ГМВ стоит в области построения и эксплуатации аэрокосмической техники различного целевого назначения. Такая ситуация первостепенно обусловлена взаимодействием человека со значительным количеством сложных навигационных, информационно-измерительных и управляющих систем в условиях непрерывности процесса полета и удаленности от наземных технических служб [1-2]. Вследствие всего этого был разработан сервис для 2D/3D - визуализации параметров геомагнитного поля на базе технологии WebGL, с помощью которого можно преждевременно оповестить о появлении геомагнитных бурь.

Традиционным результатом обработки и отображения пространственных координатно-зависимых данных посредством геоинформационных технологий и систем является двухмерная карта, которая дополняется таблицами, линиями уровня, изоповерхностями, объемными поверхностями, глифами, рельефными цветными изображениями реальных и смоделированных объектов и пр. Вместе с тем двухмерное изображение не может дать такого полного представления об объекте визуализации, как трехмерная модель, которая позволяет наилучшим образом описать реальную местность, объекты окружающего мира и их взаимное расположение. В контексте геоинформационных технологий речь идет о виртуальном глобусе - трехмерной модели Земли, воссозданной с некоторой точностью посредством спутниковых данных с интерактивным программным обеспечением и инструментарием визуализации геопространственных данных.

Проведенный авторами анализ средств двух- и трехмерной визуализации геопространственных данных позволил выделить 11 веб-ориентированных программных библиотек и технологий, которые могут быть использованы для разработки геоинформационного приложения с возможностью интерактивного графического представления параметров главного ГМП (по состоянию на октябрь 2016 г.). Результат проведенного анализа приведен в табл. 1.

Сравнение представленных в табл. 1 альтернатив методом анализа иерархий показало, что оптимальным решением задачи 2D/3D-визуализации параметров главного ГМП является программная библиотека Cesium API, предназначенная для создания трехмерных виртуальных глобусов и двумерных карт в веб-браузере без какого-либо дополнительного программного обеспечения [2].

Cesium API является кроссплатформенной кроссбраузерной библиотекой и использует веб-ориентированную технологию WebGL для рендеринга аппаратно-ускоряемой графики (большая часть программного кода исполняется непосредственно на видеокартах пользовательских устройств). Независимость от дополнительного программного обеспечения повышает безопасность его применения на клиентской стороне, что отличает данную библиотеку от ряда других плагинозависимых интерфейсов и технологий (табл. 1).

Таблица 1.

Программные библиотеки и технологии веб-ориентированной визуализации геопространственных данных

Основным назначением библиотеки Cesium является динамическая геопространственная визуализация данных в виде набора комбинируемых тематических слоев изображений, представленных в форматах KML, GeoJSON, TopoJSON или CZML. При этом Cesium эффективно использует инструментарий геоинформационных технологий, обеспечивая поддержку таких функций, как геолокация, прямое и обратное геокодирование, масштабирование геопространственных данных, переключение между графическими слоями и пр. [6].

Помимо прочего, поскольку Cesium использует графическую библиотеку стандарта WebGL, являющуюся частью рабочего стандарта HTML5, данное программное решение работает на любой платформе, поддерживающей эти стандарты.

В основе предлагаемого программного решения задачи визуализации параметров главного ГМП лежит совокупность современных средств компьютерной визуализации данных Cesium и WebGL, которые, в свою очередь, базируются на веб-ориентированной платформе HTML5, эффективно реализующей представление мультимедийных данных (в частности, трехмерных изображений) в веб-приложениях. Посредством указанных технологий трехмерная графическая интерпретация геопространственной привязки визуализируемых параметров главного ГМП реализуется на уровне специализированного компонента - виртуального глобуса, предназначенного для представления как земной поверхности, так и характера распределения на ней параметров ГМП. При работе с веб-приложением конечный пользователь взаимодействует непосредственно с интерактивным виртуальным глобусом, управляя им с помощью курсора мыши для оперативного обновления данных, отображения отдельных географических точек или областей и изменения масштаба их представления.

Таким образом, алгоритм визуализации параметров главного ГМП при помощи Cesium и WebGL предполагает создание и последующее манипулирование экземпляром виртуального глобуса, который на уровне программной реализации инициируется базовым классом Cesium API Viewer. Объекту ставится в соответствие структурный блок div, размечаемый в процессе блочной верстки веб-страницы и выполняющий функции контейнера для ряда ее элементов (здесь во многом прослеживается аналогия с контейнером-холстом canvas, который является основным инструментом двухмерной визуализации в HTML5). Его настройка осуществляется на уровне дочернего компонента scene, служащего, в свою очередь, контейнером для всех трехмерных графических компонентов, размещенных на виртуальном глобусе.

Библиотека Cesium и технология WebGL обеспечивают возможность отображения и комбинирования на виртуальном глобусе различных по степени детализации графических слоев, источниками которых являются как стандартные картографические веб-сервисы, так и пользовательские или проблемноориентированные геопространственные данные в формате KML, JSON (GeoJSON, TopoJSON) или CZML. В контексте решаемой задачи файлы формата KML представляют собой совокупность геопространственных данных, включающих значения одного из параметров главного ГМП, а также соответствующие сделанному замеру или расчету географические широту, долготу и высоту над уровнем моря [2].

Еще одним преимуществом программной библиотеки Cesium являются предусмотренные по умолчанию инструменты геолокации и обратного геокодирования, что позволяет в полной мере использовать возможности современных геоинформационных технологий при решении задач визуализации геопространственных данных. Благодаря такой функциональности конечный пользователь одним нажатием кнопки может найти свое местоположение на виртуальном глобусе или переместиться в точку, соответствующую введенному им текстовому адресу (на русском или английском языке). При этом реализация такой функциональности не требует дополнительного программного кода со стороны разработчика приложения.

В качестве ключевых технических требований к механизму реализации предложенного решения особо выделяются его мобильность и оперативность. В данном случае под мобильностью понимается возможность использования приложения в условиях минимальных аппаратных и программных возможностей - без привязки к типу устройства, среде использования и пр. Оперативность понимается как анализ параметров  геомагнитного поля и 2D/3D визуализация картографической информации в режиме реального времени, по нажатию всего нескольких кнопок [3].

С учетом перечисленных требований предлагаемое инструментально-программное средство предоставит ученым-специалистам возможность оперативно и с надлежащей точностью анализировать картины распределения вектора геомагнитной индукции в околоземном пространстве с любой необходимой разрешающей способностью в автоматизированном режиме, для того, чтобы делать какие-либо прогнозы и заранее предвещать о появлении геомагнитных бурь [4].

Список литературы:

1. Воробьев А. В., Шакирова Г. Р. Автоматизированный анализ невозмущенного геомагнитного поля на основе технологий картографических веб-сервисов // Вестник УГАТУ. 2013. Т. 17, № 5(58). С. 177-187.
2. Воробьев, А.В. Геоинформационная система для амплитудно-частотного анализа данных наблюдения геомагнитных вариаций и космической погоды / А.В. Воробьев, Г.Р. Воробьева // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 1
3. Воробьев А. В. Моделирование и исследование эффекта геомагнитной псевдобури // Геоинформатика. 2013. № 1. С. 29-36.
4. Воробьев А.В., Воробьева Г.Р. Методы резервирования в задачах восстановления временных рядов геомагнитных данных  / А.В. Воробьев, Г.Р. Воробьева //  Информационные процессы, Том 19, № 1, 2018, стр. 1–18
5. Cesium [Электронный ресурс]. URL: http://cesiumjs.org/ (дата обращения: 23.03.2018).