Розподілена ГІС "Банк знань про Байкалі":

"Сучасний стан екосистеми озера Байкал"

*

ІДСТУ СО РАН

завідуючий лабораторією

, К.т.н.

Бичков І.В.,

ІДСТУ СО РАН

аспірант

Кухаренко Є.Л.

.,

Лін СО РАН

вчений секретар, к.б.н.

Земська Т.І.

Лін СО РАН

завідуючий лабораторією

, К.б.н.

Мельник Н.Г.

Лін СО РАН

керівник групи автоматизації наукових досліджень

Сергєєва В.М.

Лін СО РАН

завідуючий лабораторією

, К.б.н.

Тимошкин О.А.

Держкомітет з охорони навколишнього середовища Іркутcкой області

Базаров П.С.

Держкомітет з охорони навколишнього середовища Іркутcкой області

завідувач сектором

, К.г.-м.н.

Овчинников І.П.

Розробляється розподілена ГІС "Банк знань про Байкалі" забезпечує доступ на основі глобальних телекомунікаційних мереж до унікальної інформації про оз. Байкал, підготовленої на основі багаторічних спостережень співробітників Лімнологіческого інституту, Байкальського музею та інших організацій і установ Инц СО РАН. В даний час всі інститути Инц СО РАН об'єднані оптоволоконною мережею з пропускною спроможністю до 100 Мбіт / с в єдину інформаційно-обчислювальну мережу (ІІВС) Инц

(Рис.1).

Рис.1 ІІВС Инц СО РАН

Для опису екосистеми оз. Байкал були використані:

• експериментальні дані по хімічному складу, гідрофізичним і гідрологічним властивостями вод Байкалу і його приток, атмосферним і донним опадів, аерозолів, фауні і флорі озера, (на Рис. 1 приведена схема розташування станцій спостереження);
• карти розподілу розглянутих параметрів і представників біоти;
• зображення видів рослинного і тваринного світу та їх опис;
• бібліографічні відомості про Байкалі.

Рис.2 Станції спостереження

Дана різнорідна інформація розосереджена по різним організаціям, для її спільного використання застосовувалися технології, що забезпечують побудову корпоративних інформаційних систем - WWW-технології, технології "клієнт-сервер" і т.д. Інформація, яка використовується в системі, "прив'язана" до простору, часу і автору. Для її просторового уявлення, аналізу та ін. Застосовуються ГІС-технології,

в яких кожен об'єкт крім традиційних атрибутів, характеризується також і своїм географічним положенням. В даний час основний напрямок розвитку ГІС-технологій зосереджено з одного боку на аналітичних операціях з картографічною інформацією, з іншого - на інтегрування з Інтернет. Системи створені на основі геоінтернет не тільки забезпечують віддалену обробку даних, а й включені в Web-вузли значно збільшують ефективність представленої вище просторово - розподіленою інформації.У даному проекті використовуються технології геоінтернет, і ГІС-клієнти тільки приймають інформацію з ГІС-сервера, і не мають прав на зміну його стан. Такі системи можуть бути віднесені до класу довідково-пошукових систем, і найчастіше вони включають в себе різні атласи, карти міст і т.д. В даному проекті це обумовлено класом вирішуваних завдань - інформування громадськості про екологічний стан оз. Байкал - ГІС, що відображає сучасний стан (за даними 90-х років) екосистеми оз. Байкал (пелагіаль і притоки) з урахуванням наступних характеристик:

• санітарно-біологічні показники:
• загальна чисельність бактерій,
• чисельність сапрофітних бактерій,
• колі-індекс.
• сумарна чисельність пікопланктона водоростей, включаючи вид

Synechocystis limnetica;

Дана робота є логічним продовженням робіт Лімнологіческого інституту - з 1993р. в в ЛИН СО РАН створюється інформаційно - пошукова системі знань про Байкалі. У цій системі зібрана інформація з різних галузей знань про Байкалі. На Рис.3 показаний скорочений каталог даних банку знань.

Рис.3 Скорочення каталог даних банку знань.

В інформаційному сховищі системи інтегрується інформація за трьома напрямками: екології Байкалу, палеоклімата і біології. Вона включає понад 300000 даних первинних і усереднених за хімічним складом атмосферних опадів, вод Байкалу і його приток, аерозолів, гідрологічні та гідрометеорологічні характеристики Байкалу. Також в системі зберігаються дані про чисельність бактерій, чисельності та біомаси фіто-і зоопланктону, чисельності губок, стулок діатомових водоростей в опадах,% вміст пилку в опадах. В системі представлена ​​поло-вікова структура і морфометричні характеристики більш ніж 1500 звірів нерпи. Практично всі розділи знань захищені авторськими свідоцтвами. Структура інформації про біологічний вид приведена на Рис. 4.

Мал. 4 Структура інформації про біологічний вид

Структурно система складається з трьох блоків: тезауруса, баз даних і знань та інтерфейсу користувача. Система реалізована в двох варіантах - з інтерфейсом на англійській і російській мовах. У базу вводяться опубліковані знання і неопубліковані експедиційні дані наукових співробітників, накопичені ними за 40 років. Ці дані закриті, мають паролі. Бази даних включають ряди спостережень абіотичних і біологічних показників, кожне значення яких має координати, дату, час і автора. Бібліографічна база нараховує понад 14000 документів за 1971 - 1998 роки російською та англійською мовами. Узагальнена структура Банку знань приведена на Рис. 5.

Рис.5 Узагальнена структура Банку знань

Створена система, забезпечує досягнення трьох цілей (Рис.6):

• збір і накопичення інформації;
• отримання нових знань;
• популяризація знань.

Мал. 6 Функціональна схема системи .

Збір і накопичення йде знизу, з робочих місць дослідника. Для підвищення ефективності введення та обробки інформації розроблені спеціалізовані форми введення, орієнтовані на кожну групу фахівців - гідрологів, гідрохіміків, фітопланктоністов, зоопланктоністов і ін. Наприклад, вводяться первинні дані по фітопланктону на рівні розмірів клітин, розраховується біомаса і чисельність за всіма видами. Розділи знань на схемі представлені як би окремими базами, насправді на даний момент вони знаходяться в єдиній базі. Користувач має можливість за один сеанс по будь-якій станції спостереження або району вибрати всю що зберігається інформацію; провести попередній аналіз з будь-якого показника або їх поєднанню; в завершенні, він може розрахувати всі основні статистичні характеристики і побудувати їх графічне представлення по Байкалу в цілому, його котловинам і районам, розрізах, станціям. Пакет програм уніфікований і може при необхідності бути використаний на кожному робочому місці.

Інтерфейс з користувачем і процес взаємодії з системою зрозумілий з наведених нижче ілюстрацій.

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

На наступних малюнках показані основні можливості представлення даних, які може використовувати користувач:

• розгорнути вихідну таблицю за показниками і побудувати графіки

Результати обробки були використані при формуванні закону про Байкалі і в різних проектах Інституту. Перша версія системи створена з використанням СУБД Paradox 5.0.

В даний час система розвивається на основі представлених вище геоінтернет-технологій. Структура системи приведена на Рис. 32. Основне сховище даних будується під управлінням СУБД Oracle, в яке конвертуються інформація фактографічних і бібліографічних БД, схеми, малюнки, фотографії та опис до них. Огляди по оз. Байкал, резюме різного типу зберігаються в текстовій БД і використовуються при формуванні динамічних HTML-сторінок. ГІС-підсистема дозволяє, відображати сучасний стан екосистеми оз. Байкал. Користувач має можливість сформувати запит на побудову карт просторового розподілу експериментальних даних і їх взаємозв'язків. До кожній точці на карті прив'язана різноманітна інформація, яка виводиться на екран в додаткових вікнах і містить зображення видів фіто- та зоопланктону, короткий опис, фотографії, посилання на джерело даних (публікацію). Для подання бібліографічних даних використовується широко поширена бібліографічна система Pro-Cite. Дана система забезпечує введення, індексування (автор, назва, тип видання, зміст, ключові слова і т.д.), пошук, конвертація (в текстовий вигляд і DBase формат) інформації про публікації. Підсистема WWW-доступу - центральний

блок системи забезпечує конвертацію бібліографічної інформації, верифікацію відповідності БД СУБД Oracle (розділ бібліографічних даних) і БД системи Pro-Сite і всі основні функції взаємодії користувача з "Банком знань про Байкалі" за допомогою Інтернет:

• завантажує ГІС-підсистему;
• відображає огляди по оз. Байкал, різноманітні інформаційні резюме, повідомлення;
• підтримує зв'язок з громадськістю - анкетування, запитання-відповідь режим і т.д .;
• доступ за запитом до бібліографічним відомостям про оз.Байкал;
• перегляд наявних числових даних з різних галузей знань про Байкалі в табличному вигляді;
• виклик пакета статистичної обробки даних і видача результатів у вигляді графіків (дво- і тривимірні, лінійні, гістограми тощо.).

Рис.32. Структурна схема розподіленої ГІС

"Банк знань про Байкалі"

Байкал унікальний, унікальні його фауна, флора і екосистема в цілому, всі ланки якої тісно взаємопов'язані і взаємозумовлені. Щорічно в Байкалі відтворюється близько 60 м3 неповторною за якістю води. Її рідкісна чистота і інші властивості обумовлені життєдіяльністю тваринного і рослинного світу озера. Обрані характеристики відображають якість води - основний цінності оз. Байкал і основні первинні ланки трофічного ланцюга. Коротко опишемо ці дані. Продуценти Байкалу представлені кількома видами водоростей. Фітопланктон або планктонні водорості - це нижчі хлорофіллсодержащіе організми, представлені, найчастіше, мікроскопічними одноклітинними або колоніальними формами. Як відомо, у великих водоймах, де прибережні вищі рослини і донні водорості мають невелике значення, основну частину органічної речовини і кисню в процесі фотосинтезу створюють саме планктонні

водорості, включаючи пікопланктона. Це особливо характерно для Байкалу, де до 90% органічної речовини створюється фітопланктоном. У планктоні Байкалу мешкають близько 300 видів і різновидів водоростей, але в більших кількостях розвиваються тільки близько 20 видів.

Внесена інформація дозволяє наочно уявити весняне розподіл чисельності домінуючих видів (в "тисячах клітин / літр") і біомаси ( "мг / м

3 ") всього фітопланктону оз. Байкал (автори Бондаренко Н.А., Воробйова С.С., Логачева Н.Ф., Помазкіна Г.В. та ін.). Первинні дані отримані по двадцяти семи станціях збору даних в 1995 р, наведені середні значення в шарі 0-50 метрів товщі води. Дані знаходяться в СУБД Oracle і використовуються ГІС ArcView (ESRI Inc.). Дані мають просторову прив'язку по координатах, і відображаються у вигляді карт з використанням топо-основи масштабу 1: 1000000 і нанесеною батиметрія:

1. розподілу чисельності бактерій, чисельності та біомаси фіто- і зоопланктону і температури поверхневого шару по акваторії оз. Байкал на основі матеріалів експедицій 90-х років;
2. розподілу гідрохімічних показників (фосфор фосфатний, розчинений кремній і нітратний азот) по акваторії оз. Байкал;
3. залежність чисельності домінуючих видів фітопланктону від вмісту у воді біогенних елементів;
4. залежність змісту зоопланктону у воді від її санітарно-біологічних характеристик;
5. зміна накопичення важких металів в донних відкладах по роках;
6. залежність змісту зоопланктону від чисельності різних видів фітопланктону;
7. вплив температури води на чисельність фітопланктону.

Додатково, в якості інформаційного вкладу Державного Комітету з охорони навколишнього середовища Іркутської області надана інформація про рідкісні, ендемічних і реліктових видах рослин по території південно-західного Прибайкалля. Дана інформація (Рис. 33) містить відомості про місцезнаходження (точка на карті), видової приналежності (семантика), докладний опис і зовнішній вигляд.

Мал. 33 Екран з "Електронної червоною книги Іркутської області"

Загальна кількість первинних і усереднених даних, що містяться в БД, становить більше 1250 значень, суміщених з часу і простору. Крім того, в БД включені бібліографічні посилання, малюнки та фотографії розглянутих видів з короткими поясненнями.

Також колектив авторів починає створення баз даних з біорізноманіття Байкалу, які будуть включати на перших порах таксономию, опис, еволюцію, екологію і колекційні відомості. Предметною основою системи з біорізноманіття є таксономические списки фауни і флори озера (М.М. Кожов, О.А. Тимошкин). Інтерфейс користувача включає підсистеми введення, виведення, обробки, пошукову систему та різні додатки.

Описуваний проект, з огляду на його універсальність, автори припускають розширювати інформаційно-пошуковими системами різного рівня (наприклад, атласи-визначники живих організмів озера Байкал), системами моделювання прогнозу змін клімату включення, системами обробки даних дистанційного зондування Землі

та ін.

Розподілена ГІС "Банк знань про Байкалі", інтегруюча в собі комплексні знання з різних напрямків дослідження оз. Байкал, надає користувачеві досить повну картину про екосистему озера, розширює коло розв'язуваних міждисциплінарних завдань як фундаментального, так і прикладного характеру.

*

Робота виконана за підтримки

• РФФД грант 98-07-

90236, 98 07-90314;

№ ENVRUS 9501.