Распределенная ГИС “Банк знаний о Байкале”:

“Современное состояние экосистемы озера Байкал”*

ИДСТУ СО РАН

заведующий лабораторией, к.т.н.

Бычков И.В.,


ИДСТУ СО РАН

аспирант

Кухаренко Е.Л.,

ЛИН СО РАН

ученый секретарь, к.б.н.

Земская Т.И.

ЛИН СО РАН

заведующий лабораторией, к.б.н.

Мельник Н.Г.


ЛИН СО РАН

руководитель группы автоматизации научных исследований

Сергеева В.Н.

ЛИН СО РАН

заведующий лабораторией, к.б.н.

Тимошкин О.А.

Госкомитет по охране окружающей среды Иркутcкой области

Базаров П.С.

Госкомитет по охране окружающей среды Иркутcкой области

заведующий сектором, к.г.-м.н.

Овчинников И.П.

Разрабатываемая распределенная ГИС “Банк знаний о Байкале” обеспечивает доступ на основе глобальных телекоммуникационных сетей к уникальной информации об оз. Байкал, подготовленной на основе многолетних наблюдений сотрудников Лимнологического института, Байкальского музея и других организаций и учреждений ИНЦ СО РАН. В настоящее время все институты ИНЦ СО РАН объединены оптоволоконной сетью с пропускной способностью до 100 Мбит/с в единую информационно-вычислительную сеть (ИИВС) ИНЦ (Рис.1).

 

Рис.1 ИИВС ИНЦ СО РАН

Для описания экосистемы оз. Байкал были использованы:

 

 

Рис.2 Станции наблюдения

Данная разнородная информация рассредоточена по различным организациям, для ее совместного использования применялись технологии, обеспечивающие построение корпоративных информационных систем - WWW-технологии, технологии "клиент-сервер" и т.д. Информация, используемая в системе, “привязана” к пространству, времени и автору. Для ее пространственного представления, анализа и пр. применяются ГИС-технологии, в которых каждый объект кроме традиционных атрибутов, характеризуется также и своим географическим положением. В настоящее время основное направление развития ГИС-технологий сосредоточено с одной стороны на аналитических операциях с картографической информацией, с другой - на интегрирование с Интернет. Системы созданные на основе геоинтернет не только обеспечивают удаленную обработку данных, но и включенные в Web-узлы значительно увеличивают эффективность представленной выше пространственно – распределенной информации.В данном проекте используются технологии геоинтернет, и ГИС-клиенты только принимают информацию с ГИС-сервера, и не имеют прав на изменение его состояние. Такие системы могут быть отнесены к классу справочно-поисковых систем, и чаще всего они включают в себя различные атласы, карты городов и т.д. В данном проекте это обусловлено классом решаемых задач – информирование общественности об экологическом состоянии оз. Байкал - ГИС, отражающая современное состояние (по данным 90-х годов) экосистемы оз. Байкал (пелагиаль и притоки) с учетом следующих характеристик:

Данная работа является логическим продолжением работ Лимнологического института - с 1993г. в в ЛИН СО РАН создается информационно - поисковая системе знаний о Байкале. В этой системе собрана информация по различным областям знаний о Байкале. На Рис.3 показан сокращенный каталог данных банка знаний.

Рис.3 Cокращенный каталог данных банка знаний.

В информационном хранилище системы интегрируется информация по трем направлениям: экологии Байкала, палеоклиматам и биологии. Она включает более 300000 данных первичных и осредненных по химическому составу атмосферных осадков, вод Байкала и его притоков, аэрозолей, гидрологические и гидрометеорологические характеристики Байкала. Также в системе хранятся данные о численности бактерий, численности и биомассы фито-и зоопланктона, численности губок, створок диатомовых водорослей в осадках, % содержание пыльцы в осадках. В системе представлена поло-возрастная структура и морфометрические характеристики более чем 1500 зверей нерпы. Практически все разделы знаний защищены авторскими свидетельствами. Структура информации о биологическом виде приведена на Рис. 4.

Рис. 4 Структура информации о биологическом виде

 

Структурно система состоит из трех блоков: тезауруса, баз данных и знаний и интерфейса пользователя. Система реализована в двух вариантах - с интерфейсом на английском и русском языках. В базу вводятся опубликованные знания и неопубликованные экспедиционные данные научных сотрудников, накопленные ими за 40 лет. Эти данные закрыты, имеют пароли. Базы данных включают ряды наблюдений абиотических и биологических показателей, каждое значение которых имеет координаты, дату, время и автора. Библиографическая база насчитывает более 14000 документов за 1971 – 1998 годы на русском и английском языках. Обобщенная структура Банка знаний приведена на Рис. 5.

Рис.5 Обобщенная структура Банка знаний

Созданная система, обеспечивает достижение трех целей (Рис.6):

 

Рис. 6 Функциональная схема системы.

 

Сбор и накопление идет снизу, с рабочих мест исследователя. Для повышения эффективности ввода и обработки информации разработаны специализированные формы ввода, ориентированные на каждую группу специалистов - гидрологов, гидрохимиков, фитопланктонистов, зоопланктонистов и др. Например, вводятся первичные данные по фитопланктону на уровне размеров клеток, рассчитывается биомасса и численность по всем видам. Разделы знаний на схеме представлены как бы отдельными базами, на самом деле на настоящий момент они находятся в единой базе. Пользователь имеет возможность за один сеанс по любой станции наблюдения или району выбрать всю хранящуюся информацию; провести предварительный анализ по любому показателю или их сочетанию; в завершении, он может рассчитать все основные статистические характеристики и построить их графическое представление по Байкалу в целом, его котловинам и районам, разрезам, станциям. Пакет программ унифицированный и может при необходимости быть использован на каждом рабочем месте.

Интерфейс с пользователем и процесс взаимодействия с системой понятен из приведенных ниже иллюстраций.

Рис. 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27

На следующих рисунках показаны основные возможности представления данных, которые может использовать пользователь:

Результаты обработки были использованы при формировании закона о Байкале и в различных проектах Института. Первая версия системы создана с использованием СУБД Paradox 5.0.

В настоящее время система развивается на основе представленных выше геоинтернет-технологий. Структура системы приведена на Рис. 32. Основное хранилище данных строится под управлением СУБД Oracle, в которое конвертируются информация фактографических и библиографических БД, схемы, рисунки, фотографии и описания к ним. Обзоры по оз. Байкал, резюме разного типа хранятся в текстовой БД и используются при формировании динамических HTML-страниц. ГИС-подсистема позволяет, отражать современное состояние экосистемы оз. Байкал. Пользователь имеет возможность сформировать запрос на построение карт пространственного распределения экспериментальных данных и их взаимосвязей. К каждой точке на карте привязана разнообразная информация, которая выводится на экран в дополнительных окнах и содержит изображение видов фито-и зоопланктона, краткое описание, фотографии, ссылку на источник данных (публикацию). Для представления библиографических данных используется широко распространенная библиографическая система Pro-Cite. Данная система обеспечивает ввод, индексирование (автор, название, тип издания, содержание, ключевые слова и т.д.), поиск, конвертирование (в текстовый вид и DBase формат) информации о публикациях. Подсистема WWW-доступа – центральный блок системы обеспечивает конвертацию библиографической информации, верификацию соответствия БД СУБД Oracle (раздел библиографических данных) и БД системы Pro-Сite и все основные функции взаимодействия пользователя с “Банком знаний о Байкале” посредством Интернет:

 

Рис.32. Структурная схема распределенной ГИС

“Банк знаний о Байкале”

 

Байкал уникален, уникальны его фауна, флора и экосистема в целом, все звенья которой тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены. Ежегодно в Байкале воспроизводится около 60 м3 неповторимой по качеству воды. Ее редкая чистота и другие свойства обусловлены жизнедеятельностью животного и растительного мира озера. Выбранные характеристики отражают качество воды – основной ценности оз. Байкал и основные первичные звенья трофической цепи. Кратко опишем эти данные. Продуценты Байкала представлены несколькими видами водорослей. Фитопланктон или планктонные водоросли - это низшие хлорофиллсодержащие организмы, представленные, чаще всего, микроскопическими одноклеточными или колониальными формами. Как известно, в крупных водоемах, где прибрежные высшие растения и донные водоросли имеют небольшое значение, основную часть органического вещества и кислорода в процессе фотосинтеза создают именно планктонные водоросли, включая пикопланктон. Это особенно характерно для Байкала, где до 90% органического вещества создается фитопланктоном. В планктоне Байкала обитают около 300 видов и разновидностей водорослей, но в больших количествах развиваются только около 20 видов.

Внесенная информация позволяет наглядно представить весеннее распределение численности доминирующих видов (в ”тысячах клеток/литр”) и биомассы (”мг/м3”) всего фитопланктона оз. Байкал (авторы Бондаренко Н.А., Воробьева С.С., Логачева Н.Ф., Помазкина Г.В. и др.). Первичные данные получены по двадцати семи станциям сбора данных в 1995 г., приведены средние значения в слое 0-50 метров толщи воды. Данные находятся в СУБД Oracle и используются ГИС ArcView(ESRI Inc.). Данные имеют пространственную привязку по координатам, и отображаются в виде карт с использованием топо-основы масштаба 1:1000000 и нанесенной батиметрией:

  1. распределения численности бактерий, численности и биомассы фито- и зоопланктона и температуры поверхностного слоя по акватории оз. Байкал на основе материалов экспедиций 90-х годов;
  2. распределения гидрохимических показателей (фосфор фосфатный, растворенный кремний и нитратный азот) по акватории оз. Байкал;
  3. зависимость численности доминирующих видов фитопланктона от содержания в воде биогенных элементов;
  4. зависимость содержания зоопланктона в воде от ее санитарно-биологических характеристик;
  5. изменение накопления тяжелых металлов в донных осадках по годам;
  6. зависимость содержания зоопланктона от численности различных видов фитопланктона;
  7. влияние температуры воды на численность фитопланктона.

Дополнительно, в качестве информационного вклада Государственного Комитета по охране окружающей среды Иркутской области предоставлена информация о редких, эндемичных и реликтовых видах растений по территории юго-западного Прибайкалья. Данная информация (Рис. 33) содержит сведения о местоположении (точка на карте), видовой принадлежности (семантика), подробное описание и внешний вид.

 

Рис. 33 Экран с " Электронной красной книги Иркутской области"

 

Общее количество первичных и осредненных данных, содержащихся в БД, составляет более 1250 значений, совмещенных по времени и пространству. Кроме того, в БД включены библиографические ссылки, рисунки и фотографии рассматриваемых видов с краткими пояснениями.

Также коллектив авторов начинает создание баз данных по биоразнообразию Байкала, которые будут включать на первое время таксономию, описание, эволюцию, экологию и коллекционные сведения. Предметной основой системы по биоразнообразию являются таксономические списки фауны и флоры озера (М.М. Кожов, О.А. Тимошкин). Интерфейс пользователя включает подсистемы ввода, вывода, обработки, поисковую систему и различные приложения.

Описываемый проект, учитывая его универсальность, авторы предполагают расширять информационно-поисковыми системами различного уровня (например, атласы-определители живых организмов озера Байкал), системами моделирования прогноза изменений климата включения, системами обработки данных дистанционного зондирования Земли и пр.

Распределенная ГИС “Банк знаний о Байкале”, интегрирующая в себе комплексные знания по различным направлениям исследования оз. Байкал, предоставляет пользователю достаточно полную картину об экосистеме озера, расширяет круг решаемых междисциплинарных задач как фундаментального, так и прикладного характера.

* Работа выполнена при поддержке