Ермаков Н.Б. Центральный cибирский ботанический сад СО РАН, Новосибирск, Россия
Формирование четких представлений об особенностях распространения живых организмов - одна из актуальных проблем изучения биоразнообразия. Каждый элемент биоразнообразия (отдельный организм, популяция, вид, экосистема и биохора) характеризуется ареалом - распространением по земной поверхности, т.е. четко выраженным пространственно-географическим признаком. Этот признак является одним из важнейших информационных элементов при характеристике биоразнообразия наряду с биологическими и экологическими составляющими.
Решение этих задач возможно только на основе биологических данных, в которых информация организована в соответствии с географическими стандартами и записана в определенном формате. Большинство существующих ботанических и геоботанических баз данных в настоящее время не имеет четкой георафической привязки, хотя и содержат географическую информацию (координаты описания объекта - первичного документа, географические или административные регионы, названия горных систем или речных долин). Основная часть информации о распространении организмов представлена бумажными карто-схемами с точечным или контурным изображением.
Проблемы накопления, презентации и обработки пространственной информации решаются в рамках разработки информационной системы ``Биоразнообразие растительного мира Сибири''.
Даная работа ведется Центральным сибирским ботаническим садом (ЦСБС) СО РАН и Институтом вычислительных технологий (ИВТ) СО РАН [1,2] в рамках проекта ``Электронный атлас Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири'' [3,4], который выполняется по программе ``Электронная библиотека Сибирского отделения РАН'' [5-7].
Данная информационная система призвана обеспечить систематизацию и организацию широкого доступа к разнообразной информации по биоразнообразию растительного мира Сибири на основе современных информационных технологий.
При разработке данной системы решаются следующие задачи:
разработка и создание технологии ввода, хранения, анализа и представления разнородных пространственных географических данных;
разработка информационной структуры системы в целом и отдельных баз данных в частности;
разработка и создание системы информационного моделирования для оценки динамических характеристик объектов биоразнообразия и прогнозирования их развития;
разработка и создание технологии доступа к распределенным ресурсам электронной библиотеки с использованием технологий удаленного доступа через сеть Internet;
cистематизация объектов пространственной географической информации в документах, описывающих биоразнообразие.
Информация в системе структурирована в соответствии с направлениями исследования биоразнообразия, которые представлены отдельными модулями.
Видовое разнообразие:
Интернет-каталог Растения Северной Азии (содержит сведения по морфологии, условиям обитания, распространению в административных районах Сибири, хозяйственному использованию видов, рисунки и фотографии растений и их частей и пр.);
Гербарий" содержит информацию об отдельных гербарных образцах: видовое название собранного растения, географические и экологические характеристики пункта сбора, фамилии коллекторов, дата сбора, данные о переопределениях и пр.);
Дневниковые записи" содержит данные о пунктах наблюдений и видах, отмеченных в полевых дневниках исследователей, в частности, о видах, не включенных в то или иное геоботаническое описание и не подкрепленных гербарными сборами: географические и экологические характеристики местообитания, в котором были отмечены вид или группа видов, список видов, примечания исследователя.
Разнообразие сообществ:
Геоботанические описания" (содержит документы - полевые описания растительных сообществ и эколого-географические характеристики их местообитаний).
Синтаксоны растительности Сибири" содержит списки и характеристики синтаксонов, полученных в результате классификации растительности и представленные точечными или контурными объектами.
Электронные карты растительности, выполненные для различных регионов Сибири.
Охрана природы:
Охрана генофонда природной флоры Сибири.
Редкие и исчезающие растительные сообщества Сибири.
Географическая информация содержащаяся в каждой из перечисленных баз данных представляется в виде следующих типов объектов: точка, линия, полигон.
Основные первичные документы инвентаризации биоразнообразия - полевые описания растительных сообществ и парциальных флор, гербарные этикетки, описания популяций, описания взятых из природы образцов, как правило, принадлежат к точечному типу географических объектов, посколько описывают эколого-фитоценотически однородный участок земной поверхности на фиксированной (или условно фиксированной) пробной площади от нескольких десятков квадратных сантиметров до нескольких сотен квадратных метров. Для каждого первичного документа полевого описания биологического объекта используются следующие формы географической привязки:
Указание географической широты и долготы. Этот тип географической привязки универсален, соответствует наибольшей степени точности привязки и распространен в современных полевых записях.
Ограничения точности привязки объекта в данном случае определяются масштабом карт, используемых в полевых работах. Это как правило карты масштаба от 1:200000 (1:100000) до 1000000, на которых координаты для каждой точки высчитываются с точностью до минуты. Применение более точных способов определения координат (например, при помощи GPS) в настоящее время ограничивается высокой стоимостью приборов.
Точечная форма привязки первичного документа описания объекта биоразнообразия имеет место при дешифрировании аэро- и космической информации при специальных исследованиях. Она впоследствии легко переводится в запись широты и долготы соответствующим точности аэро-космоснимка.
Словесное описания локалитета (например: 5 км западнее с. Ивановка вдоль трассы). Это наиболее распространенный тип географической привязки, который всегда сопровождает полевые записи, но сильно варьирует по степени точности. Иногда форма словесной записи может быть преобразована в точечный объект (с традиционной точностью до географической минуты), но часто это не представляется возможным.
Привязка к административным территориальным единицам: республика, область (край), район. Этот тип информации соответствует полигональному типу географических объектов и обладает низкой степенью точности локализации первичных документов.
Привязка к географическим объектам - бассейнам рек, горным хребтам, равнинам, озерам и т.п. Также как и предыдущий тип обладает низкой степенью точности локализации объектов, но очень удобен и широко использовался (и используется) в полевых исследованиях.
Вторичные документы пространственных объектов биоразнообразия, основанные на систематизации (классификации первичных - натурных описательных документов), соответствуют в основном типам географических объектов линия и полигон (однако могут быть представлены и точечным объектом). Они широко используются в различных тематических картах. Это контуры (полигоны) в картах растительности, растительных ресурсов, охраняемых природных территорий, ареалы видов растений, карты миграций видов растений и т.п.
В настоящее время на различные регионы Сибири накоплен значительный фондовый материал, характеризующий пространственные объекты биоразнообразия, однако для создания на его основе электронной информационной системы возникает ряд существенных проблем:
Изображения большинства пространственных объектов биоразнообразия выполнены на бумажной картографической основе без четкого указания проекции, системы координат, а иногда объекты биоразнообразия изображены на картографической основе, искаженной по техническим или режимным причинам. При переводе такой информации на точную электронную картографическую основу требуются большие затраты ручного труда и появляется риск увеличения искажений.
Информация представлена в разном масштабе, с разной степенью точности и требуется ее дополнительная систематизация по размерности объектов.
Перевод географической информации в электронный вид - трудоемкий технологический процесс, сопряженный со значительными финансовыми затратами.
Для преодоления некоторых существенных проблем, возникающих при формировании баз пространственно-географических данных по биоразнообразию,разрабатывается инструментарий для корректного ввода, выборки и презентации данных о распространении биологических объектов. Данный инстументарий позволяет:
Обеспечить возможность формирования баз данных о географическом распространении биологических объектов.
На основе доступных цифровых карт различной детальности в известных картографических проекциях и системах координат обеспечить визуальный ввод точечных, линейных и полигональных объектов в соответствии с традиционными в биологии формами записи локализации объектов.
Обеспечить связь существующих ботанических и геоботанических баз данных со стандартной картографической основой при вводе и презентации первичной информации.
Представть удобный интерфейс для ввода, коррекции и выборки данных по биоразнообразию и генерации отчетов.
Важным условием формирования баз пространственных данных о биологических объектах является представление об их размерности. В ботанической географии приняты три основные уровня размерности объектов: планетарный, региональный и топологический. Каждому из этих уровней соответствует определенный масштаб картографической основы, а также определенный круг решаемых задач. Поэтому был реализован подход использования нескольких картографических основ вложенных масштабов.
Электронное представление топографической карты включает в себя набор следующих слоев: населенные пункты, рельеф суши, гидрография и гидротехнические сооружения, дорожная сеть и дорожные сооружения, растительный покров, границы, подписи и другие элементы содержания.
На начальном этапе формирования баз пространственно-географических данных исследователи биоразнообразия решают следущие задачи:
Перевод в электронную форму записей полевых дневников (первичных документов) и их географическая привязка.
Для решения этой задачи реализована возможность ввода точечных объектов - локалитетов первичных полевых описаний элементов биоразнообразия на электронную карту и автоматическая запись значений географической широты и долготы в соответствующее поле тематической базы данных, т.е. исследователь вводит документ в соответствующую базу данных, которая кроме тематической информации содержит специальный объект (поле) описывающий координаты биологического объекта (широта-latitude, долгота-longitude).
Допускается коррекция уже внесенной информации и презентация документов с использованием картографической подложки и выборка из базы необходимых элементов биоразнообразия и представление их на карте масштаба 1:1 000 000.
Для представления пространственных объектов важна модель данных. Она должна обеспечивать способ представлять данные в компьютерной памяти, позволять выполнять желаемую операцию на этом представлении и позволять пользователю видеть результаты в форме, которую он использует.
Более того, ввиду того, что любая информация о реально существующих объектах имеет ограниченную точность, необходимо задание точности географической приязки биологических объектов в базе.
В связи с этим для задания географической привязки объектов выбрана векторно-сеточная (grid) модель.
Объекты биоразнообразия представляются ареалами распространения видов. Каждому ареалу соответствует запись в базе данных. Кроме атрибутивной информации, в базе данных имеется специальный объект, описывающий географическую привязку.
Существует много альтернатив для структурирования пространственных данных для цифрового хранения. Для построения нашей векторной модели представления координат пространственных объектов были рассмотрены некоторые наиболее общие форматы:
1) Пространственные объекты - точки, линии и полигоны могут быть закодированы координатными парами:
point (x,y)
line (x1,y1), (x2,y2), :, (xn,yn)
area (x1,y1), (x2,y2), :, (xn,yn)
Чтобы представить линию или полигон, мы просто соединяем каждую последовательность пар точек прямыми линиями. В этом случае для полигонов предполагается, что последняя точка соединяется с первой прямой линией, чтобы замкнуть полигон.
2) Для представления линий используются методы сглаживания кривых. В качестве основных элементов сглаживания используются следующие:
отрезки прямой (сплайн 0-го порядка);
дуга окружности;
сглаживающие сплайны (для данных заданных с погрешностью).
Основной объем информации электронной библиотеки хранится в распределенных базах данных, которые рассредоточены по различным организациям. Для ее совместного использования применяется технология, обеспечивающая построение корпоративных информационных систем: WWW-технологии, технологии ``клиент-сервер'' и т.д.
Для доступа к удаленным пространственным данным с возможностью осуществления визуализации, масштабирования, поиска и копирования разработан WWW-интерфейс (ГИС WEB-сервер). При этом для работы на клиентском компьютере используется стандартный WEB - броузер (Internet Explorer или Netscape), иногда - со встроенным картографическим компонентом (PlugIn или ActivеX).
Федотов А. М., Артемов И. А., Ермаков Н. Б., Красников А. А., Потемкин О. Н., Рябко Б. Я., Федотов А. А., Хорев А. Г. Электронный атлас ``Биоразнообразие растительного мира Сибири'' // Вычислительные технологии, Том 3, N 5, 1998.
http://www-sbras.nsc.ru/win/elbib/bio/atlas_flora.html
Байков К.С., Ермаков Н. Б., Красников А. А., Коропачинский И.Ю., Потемкин О. Н., Рябко Б. Я., Федотов А. М., Хорев А. Г., Шокин Ю.И. Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири (Проект) //
http://www-sbras.nsc.ru/win/elbib/bio/flora.html
Байков К.С., Банаев Е.В., Ермаков Н.Б., Железнов А.В., Киселева Г.Н., Коропачинский И.Ю., Резникова Ж.И., Рябко Б.Я., Соловьев В.С., Федотов А.А., Федотов А.М., Фролов А.С., Харитонов А.Ю., Хорев А.Г., Шумный В.К. Электронный атлас ``Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири'' (Проект) http://www-sbras.nsc.ru/win/elbib/bio/
Тезисы IV Международного рабочего совещания по электроным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999. //
http://www.ict.nsc.ru/win/mathpub/el-pub99/abstract.dhtml?57
Коропачинский И.Ю., Шокин Ю.И., Шумный В.К., Ермаков Н.Б., Колчанов Н.А., Федотов А.М. Электронный атлас ``Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири'' // Труды первой всероссийской конференции ``Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции''. - РФФИ. СпбГУ. РАН. - 1999. - С. 187-192.
Шокин Ю.И., Федотов А.М. Электронная библиотека Сибирского отделения РАН // Доклад на российско-британском семинаре "Электронные библиотеки", Москва, 17-19 июня 1999 г. // Электронные библиотеки. - 1999, Т. 2, вып. 4.
http//www.iis.ru/el-bib/1999/199904/fedotov/fedotov.ru.html
Леонова Ю.В. К проблеме использования географических информационных систем для формирования баз данных по биологическому разнообразию //Труды Конференции молодых ученых, посвященной 10-летию ИВТ СО РАН. Т. I. C.44-48.
Ваши комментарии
![[SBRAS]](/gif/s_sigma.gif)
