Информационно-аналитическая система сохранения биоразнообразия горнопромышленного региона Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 504.064.36

Счастливцев Евгений Леонидович

доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования геоэкологических систем, Институт вычислительных технологий СО РАН, Кемеровский филиал, 650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21 e-mail: schastlivtsev@,ict.sbras.ru

DOI: 10.18454/2313-1586.2016.01.089

Schastlivtsev Evgeny L.

Doctor of Technical Sciences,

Head of the laboratory simulation

of ecological systems,

Institute of Computational Technologies

SB RAS, Kemerovo branch,

650025 , Kemerovo, Rukavishnikova st., 21

e-mail:schastlrvtsev@,ict.sbras.ru

Юкина Наталья Ивановна

кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт вычислительных технологий СО РАН, Кемеровский филиал e-mail: leonakler@mail. ru

Yukina Natalya I.

Candidate of Technical Sciences, Researcher,

Institute of Computational Technologies SB RAS, Kemerovo branch e-mail: leonakler@mail. ru

Харлампенков Иван Евгеньевич

ведущий специалист, Институт вычислительных технологий СО РАН, Кемеровский филиал e-mail: [email protected]

Kharlampenkov Ivan E.

Leading Specialist,

Institute of Computational Technologies

SB RAS, Kemerovo branch

e-mail: [email protected]

Сидоренко Павел Витальевич

аспирант,

Институт вычислительных технологий СО РАН, Кемеровский филиал e-mail: [email protected]

Sidorenko Pavel V.

graduate student,

Institute of Computational Technologies SB RAS, Kemerovo branch e-mail: [email protected]

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СОХРАНЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА*

INFORMATION-ANALYTICAL SYSTEM BIODIVERSITY CONSERVATION MINING REGIONS

Аннотация:

Разработана информационная модель информационно-аналитической системы для сохранения биоразнообразия горнопромышленного региона. Проанализированы основные алгоритмы оценки биоразнообразия и разработаны диаграммы, отражающие стадии выполнения основных операций.

Abstarct:

The information model of information-analytical system for the conservation of the mining region. We analyzed the basic algorithms of biodiversity and developed diagrams that show the stage performing basic operations.

Ключевые слова: информационная система, ГИС-технологии, базы данных, модели, ГИС-сервер, биоразнообразие

Keywords: information systems, gis technology, databases, models, gis server, biodiversity

Биологическое разнообразие определяет возможность существования и функционирования как отдельных экосистем, так и биосферы в целом. Постоянное антропогенное воздействие на экосистемы и отдельные части биосферы, а также загрязнение воды, воздуха и почв сопровождается общим снижением уровня биологического разнообразия и вымиранием некоторых видов. Утрата биологического разнообразия представляет прямую угрозу для человека как биологического вида, поскольку потеря устойчивости экосистем вызывает негативные необратимые изменения в окружающей природной среде.

* Работа выполнена в рамках проекта ПРООН/ГЭФ-Минприроды РФ «Задачи сохранения биоразнообразия в политике и программах развития энергетического сектора России»

Сохранение биоразнообразия — это не только вопрос целостности видов и экосистем, но и сохранение качества окружающей среды, обеспечивающей нормальную жизнедеятельность человека.

Наиболее полную комплексную оценку и анализ состояния окружающей среды можно провести только с использованием современных информационно-вычислительных технологий. Современные программно-инструментальные ГИС-пакеты, в отличие от жестко конфигурированных систем (под ключ), позволяют настраивать систему с учетом ее прикладной направленности [1 - 10]. Отличительными особенностями их является применение концепции «открытых систем», позволяющее встраивать собственные приложения пользователя на языках высокого уровня [1 - 6].

Для решения задачи сохранения биоразнообразия разработана информационно-аналитическая система, охватывающая регион целиком (инфраструктура информационной системы (ИС) представлена на рис. 1, модель базы данных - на рис. 2).

В качестве экспериментальной территории выбран горнодобывающий регион с тяжелой экологической обстановкой - Кемеровская область. Для разработки программного обеспечения выбрана опробованная на ряде приложений архитектура, которая включает в себя сервер баз данных на основе PostgreSQL c PostGIS, картографический сервер GeoServer, сервер приложений Tomcat и web-клиент. Такое сочетание компонентов обеспечивает отображение собранных данных как на электронных картах, так и в виде таблиц.

Рис. 1 - Инфраструктура информационной системы (ИС) «Биоразнообразие Кемеровской области»

Взаимодействие пользователя с системой осуществляется через веб-интерфейс. Поступающие запросы обрабатывает сервер приложений с установленными на нем компонентами ИС. Вызов вычислительных модулей осуществляется через сервис WPS, расположенный на картографическом сервере, который отвечает и за отображение пространственных данных и результатов расчетов. Его масштабируемость обеспечивается

за счет объединения кэширующего сервера с набором картографических серверов. Сервер данных обеспечивает решение задачи хранения данных, содержит средства загрузки и преобразования информации. Для организации взаимодействия между основными компонентами используются стандартные протоколы, разработанные OGC (WMS, WFS, WCS, WPS и так далее). Управление картографическим сервером осуществляется через REST API.

Отряд

ЙР-----

Класс

S wiaccjd

integer(IO)

уагсчаг(2 .

M—

--Qй

Отряд_1<1 integer)...

□ название varchar(...

^•Класскласс id integer(10)j

-h-OÍ

' Семейство

семейство id int еде...

U название vaichar...

^ОтрядОтряд id integer (...

^ ПооядокПорядок id inteaert. J

Порнцо<

Порядок_к1 integer)...

j Название varchar(...

.' Кпасскласс ¡d integerflOj,

фото

'ií фото_1() integer(IO)

eudid integer(W) j фото bit

«Cu,

* N ^

Род

Pofl_id ¡ntege...

j название varcha...

^ Семействосемействo íd integer...

Статус_ защищенности

4 вид id inlegt...

j НомерКласса 'varch. . .j ОписаниеКласса vareh. j

"-Vr

Антропогенное

местоОбитания_к! integer...

j название vaichar(...

j КраткоеОписание vaichar(...

□ х_координата decimal)..

П у_координата decimal).,.

Вид -1

ií вид id integer(IÛ)

D эид_рус varchar(2S5}

Ü эид^лат varchar(255)

П КраткоеОписание varchar(255)

^PodPodJa integer(10)

Внд_Места_обитания

v вид id

^ Mecmo06umaHue_id

. Л плотность

5

lnteger(10) integer(10)

inteqerflOI M

-Ы

Природное

lj местообитания id integer...

0 название varchar)...

0 Краткое О писание varchar)...

(Ц х_координата decimal)...

П у_координата decimal)...

Места обитания

V местообитание id inte...

П BHA_id inte...

3 * координата deci...

3 у координата deci...

ПриродноеместоОбитания id inte...

АнтропогенноеместоОбитания_10 inte...

иву уймп»;Г'-л

Рис. 2 - ER-модель базы данных «Биоразнообразие»

База данных «Биоразнообразие» состоит из 12 таблиц, в которых хранятся данные по видам, семействам, отрядам, классам, порядкам, местам обитания и плотности расселения животных и растений на исследуемых территориях.

В то же время особое внимание уделено вопросу обработки данных. Внедрен ряд методик оценки состояния биоразнообразия, которые позволяют ранжировать территории по степени их ценности для его сохранения (на рис. 3 представлена информационная модель ранжирования и пространственного деления территории на классы ценности). Для обеспечения их работы использованы данные, полученные в ходе полевых исследований, результаты обработки космических снимков и материалы, предоставленные администрацией области. Так как большинство вычислительных процедур ориентированы на применение пространственных данных, то доступ к ним осуществляется по протоколу OGC Web Processing Service (WPS). Для этого предложенная архитектура дополняется специализированным сервером обработки данных.

Впервые при выделении зон сохранения биоразнообразия включена оценка состояния биоценозов на техногенно-нарушенных территориях на основе интегрального показателя. На рис. 4 представлена информационная модель определения Интегрального показателя состояния биоценозов на техногенно-нарушенных территориях, а на рис. 5 -ER - модель базы данных для обеспечения расчетов по данной методике.

1

/ \ Нарисовать полигон / Выбрать аид > Создать буферную зону V N

И01 из карте V ч деятетъности )

Дочерние виды

№мч

Рис. 3 - Общая модель методики ранжирования и пространственного деления

территории на классы ценности

Рис. 4 - Вычисление интегрального показателя состояния техногенно-нарушенных территорий

Орографии ее й_факгор

Id biglnt(19>

0 Название va«char(50) U

fj} Описание varchar(l024) (JJ]

Q Балл ¡nteger(10)

-v.

Вланаюсгь_субстрагоо

id bigint(19)

0 Название varchar{5G) U

Q Описание varchar(l024) (JJ|

Щ Балл ¡nteger(10}

Стадии_сукцессии

Id hii)imt(19)

0 Название va<char(50J U

j j J Описание ч1"0?*1) QJ]

Q Бзлп *nleger(10>

По1енциз^но&_плодородие

Id biglnt(19)

Q Название vaichar(SOf U

[J Описание vaichar(1024| (Д

^ Балл mci)cr( 101

-I-----CK

Геолога- зноном ичесхий, район

id biglnt(19)

Название iniegerflQ)

^ Псжазатель_увлажнения float(10)

Орографичес*ий_ фактор id btginl{l9)

Попюнц иапь>«х>_ пл одородов id bigintf 19)

n/wruiOcrnb_rnoKHoa(tHtiOSO_!vuoeuRid bigintf 19)

Впажиость_су6стратов1б bigintf19)

^ Стадии _cyxu<>ccvuid bigint{19)

f Плотность техногенного элювия

i Id bigi nt(19)

¡"[^ Название varchar(SO) и

£|] Описание vaichar(1024) w

Балл inleger(10}

Коэффициент сходства

blgint(19)

т) Название varchar(50) U

^ Описание vafchar(1024) И

^ Балл jnteger(IO)

^ Мин^значение f1oal(10)

Макс_значение float(10}

{ Инде«; ловрежденмости_древостоя i

id bigi lit(19)

£[] Название vaicha[(50) U

f^ Описание varchar(1024) C3

Балл inlegef(IO)

jl] Мин_значение floai(10}

floal(10) $

Рис. 5 - ER-модель базы данных для вычисления интегрального показателя состояния техногенно-нарушенных территорий

Таким образом, на сегодняшний момент разработана информационная модель информационно-аналитической системы для сохранения биоразнообразия горнопромышленного региона. Проанализированы основные алгоритмы оценки биоразнообразия и разработаны диаграммы, отражающие стадии выполнения основных операций.

Литература

1. Johnson L.E. Geographic information systems in water resources engineering / L.E. Johnson. - New York: CRC Press, 2009. - 328 p.

2. Duckhman M. Foundations of geographic information science / M. Duckhman, M.F. Good-child, M.F. Worboys. - London: CRC Press, 2003. - 272 p.

3. DeMers M.N. GIS For Dummies / M.N. DeMers. - New Jersey: Wiley, 2009. - 384 p.

4. Турлапов В.Е. Геоинформационные системы в экономике: учебно-методическое пособие / В.Е. Турлапов. - Нижний Новгород: НФ ГУ-ВШЭ, 2007. - 118 с.

5. Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование / А.М. Берлянт. - М.: Астрея, 1997. - 64 с.

6. Демерс Майкл Н. Географические информационные системы. Основы. Пер. с англ. / Майкл Н. Демерс. - М.: Дата+, 1999. - 478 с.

7. Замай С.С. Программное обеспечение и технологии геоинформационных систем / С.С. Замай, О.Э. Якубайлик. - Красноярск: Красноярский гос. ун-т, 1998. - 110 с.

8. Геоинформатика / А.Д. Иванников, В.П. Кулагин, А.Н. Тихонов, В.Я. Цветков. - М.: Макс Пресс, 2001. - 349 с.

9. Интеллектуальные вычисления в задачах обработки данных наблюдения Земли / Н.Н. Куссуль, А.Ю. Шелестов, С.В. Скакун, А.Н. Кравченко. - Киев: Наукова думка, 2007. -196 с.

10. Лайкин В.И. Геоинформатика / В.И. Лайкин, Г.А. Упоров. - Комсомольск-на-Амуре: Изд-во АмГПГУ, 2010. - 162 с.