Веб-ориентированная информационная система для комплексного мониторинга поверхностного слоя озера Байкал на основе спутниковых и натурных данных

Озеро Байкал – крупнейший по площади и объёму пресноводный водоём Евразии, объект Всемирного природного наследия ЮНЕСКО, играющий ключевую роль в регулировании климата Восточной Сибири. Рост антропогенной нагрузки в сочетании с глобальными климатическими изменениями приводит к трансформации гидрологического и гидробиологического режимов: изменяется температурный режим поверхностного слоя, сдвигаются сроки ледостава и вскрытия, растёт частота цветения водорослей, снижается прозрачность воды. Для своевременного выявления этих изменений необходим систематический контроль всей акватории площадью более 31 тыс. км².
Традиционные измерения in situ дают высокоточные, но точечные данные. Спутниковое дистанционное зондирование (MODIS/Terra+Aqua, VIIRS/Suomi NPP, OLI и TIRS/Landsat, OLCI/Sentinel-3, MSI/Sentinel-2) обеспечивает регулярный охват всей акватории. Однако ключевой проблемой ДЗЗ воды остаётся вопрос достоверности получаемых параметров [1]. Поэтому для получения достоверных и интерпретируемых результатов необходима совместная обработка спутниковых и натурных данных. Последние служат для калибровки и верификации спутниковых алгоритмов. Существующие сервисы либо не имеют специализированных продуктов для Байкала, либо ограничены в доступе и не предусматривают интеграцию наземных данных.
В докладе будет представлена разрабатываемая в настоящее время в ФИЦ ИВТ веб-ориентированная информационная система (ИС) «Байкал» (https://baikal.ict.nsc.ru), предназначенная для комплексного мониторинга состояния акватории озера на основе интеграции спутниковых и натурных данных [2]. Система обеспечивает централизованное хранение, автоматическое обновление, визуализацию и интерактивный анализ многолетних рядов (с 2000 г.) температуры поверхности воды и концентрации хлорофилла-a по данным MODIS/Terra+Aqua, VIIRS/Suomi NPP, OLI и TIRS/Landsat, OLCI/Sentinel-3, MSI/Sentinel-2. Пользователям системы, в том числе не имеющим навыков программирования, доступны как готовые продукты, так и онлайн-расчёты через облачную платформу Google Earth Engine (GEE). Они могут выбирать точку или полигон на карте и задавать временной интервал, получая значения температуры поверхности воды (для полигона – среднее, минимальное и максимальное значения), просматривать наземные наблюдения с метеостанций и экспедиций (температура поверхности воды, атмосферное давление, скорость ветра, прозрачность, хлорофилл-a и др.), строить временные ряды, выполнять статистическую обработку и экспортировать результаты в форматах GeoTIFF, CSV и XLS. Ролевая модель разграничивает доступ: гости просматривают данные, зарегистрированные пользователи скачивают продукты и выполняют онлайн-расчёты, привилегированные экспортируют наземные данные, администратор управляет учётными записями и загружает измерения in situ.
Архитектура ИС построена на микросервисном принципе с взаимодействием компонентов через REST API. Серверная часть включает API-шлюз с JWT-аутентификацией, слой доступа к PostgreSQL и системе хранения, модуль обработки растровых данных, тайловый сервис на GDAL2Tiles, модуль интеграции с GEE, ETL-систему фоновой актуализации, почтовый сервис и сервис управления наземными данными.
Входные данные делятся на две категории: спутниковые и наземные. Спутниковая информация включает продукты двух типов: готовые (среднемесячные температуры поверхности Terra/MODIS с 2000 г., Aqua/MODIS с 2002 г., температуры поверхности Suomi NPP/VIIRS с 2012 г., тепловые снимки Landsat-8/9, мультисенсорный продукт хлорофилла-a CMEMS GlobColour (Copernicus V6)) и онлайн-продукты, формируемые пользователем в интерактивном режиме через GEE. Наземные данные – измерения метеостанций и экспедиций – интегрированы в единую базу: более 2 млн записей за 2018–2024 гг.
Хранение структурированной информации организовано на PostgreSQL. База данных включает справочные таблицы («Источник данных», «Координаты», «Измеряемое устройство», «Измеряемый параметр», «Единица измерения», «Тип данных») и основные таблицы «Натурные данные» и «Спутниковые данные». Бинарные растры хранятся отдельно в системе хранения данных; результаты онлайн-запросов к GEE не сохраняются, что экономит ресурсы.
Пользовательский интерфейс реализован как одностраничное приложение с вкладками «Продукты и данные», «Руководство», «Публикации», «Внешние ресурсы», «Статистика» и «О проекте». Визуализация наземных данных использует кластеризацию точек (React-Leaflet), что упрощает работу с большими массивами наблюдений.
Система уже используется в тестовом режиме для анализа температурных аномалий, оценки динамики цветения водорослей и изучения мезомасштабных гидродинамических процессов на Байкале. Она восполняет пробел в отечественном экологическом мониторинге, предоставляя альтернативу ограниченно доступным зарубежным сервисам. Перспективы развития: расширение спектра рассчитываемых продуктов, внедрение методов машинного обучения для прогнозирования временных рядов и обнаружения аномалий, масштабирование архитектуры на другие крупные водоёмы России.