К вопросу создания электронной библиотеки
Электронный атлас
"Биоразнообразие растительного мира Сибири" *

Байков К.С., Ермаков Н.Б., Коропачинский И.Ю.,
Федотов А.М., Хорев А.Г., Шокин Ю.И.
Центральный сибирский ботанический сад СО РАН
Институт вычислительных технологий СО РАН

В работе обсуждаются проблемы и задачи, возникающее при создании электронной библиотеки "Биоразнообразие растительного мира Сибири" как части Электронного атласа "Биоразнообразие растительного и животного мира Сибири". Эта информационная система предназначена для аккумуляции данных о видах растений и растительных сообществах, а также экологических, ресурсных характеристик регионов Сибири и обеспечения доступа к этим данным через ИНТЕРНЕТ для решения различных задач сохранения биоразнообразия, включая задачи поддержки принятия управленческих решений.

1. Введение

Не секрет, что информация является стратегическим ресурсом, таким же как и традиционные материальные и энергетические ресурсы. Информационные ресурсы, переведенные в электронную форму, приобретают новое качество, обеспечивая им более широкое распространение и эффективное использование.

Современные информационные технологии позволили приступить к широкомасштабному переводу накопленной человечеством информации в электронную форму и созданию принципиально новых видов информационных ресурсов, каким являются электронные библиотеки. Организация доступа к электронным библиотекам стала одной из важнейших задач информационного обслуживания науки и образования. Создание электронных библиотек представляет собой качественно иной уровень производства, хранения, организации и распространения самой разнообразной информации (текст, графика, звук, видео и др.). С другой стороны эти технологии предоставляют широкие возможности для управления большими объемами данных и для их последующей математической обработки [1].

Биологи в процессе научной деятельности собирают гигантский фактический материал, характеризующий различные аспекты разнообразия животного и растительного мира. В настоящее время этот оригинальный материал находится в виде бумажных архивов и не представляет организованную информационную среду, которая является необходимой основой для современных научных исследований. Между научными подразделениями как в России, так и за рубежом отсутствуют надежные и быстродействующие каналы обмена информацией, что является существенным препятствием на пути развития новых интеграционных проектов и других форм научного взаимодействия. Многие важные результаты ботанических и геоботанических исследований публикуются в региональных и местных научных изданиях, которые малодоступны для широкого круга исследователей.

Электронная библиотека представляет собой новую форму хранения и обмена информацией для проведения научных исследований и выработки рекомендаций для задач поддержки принятия решений, связанных с сохранением биоразнообразия и рационального использования растительных ресурсов. Для такой формы хранения информации характерны прежде всего динамичность (возможность обновления) и глобальный доступ (через компьютерные сети). На сегодняшний день такой способ использования информации пока еще не доминирует в общем объеме информационных ресурсов, но его доля стремительно растет. Изначально электронная публикация появилась как электронный вариант бумажной, но в последние годы она приобретает самостоятельное значение. Более того, часть научных проектов, например, Flora of North America, в процессе их выполнения была переориентирована с бумажной формы опубликования на электронную. В электронной форме планируется публиковать и новую "Флору России" [2]. Во всяком случае, электронная форма представления информации признается уже сейчас как приоритетная по сравнению с типографской.

В последние годы, преимущественно за рубежом, были предприняты попытки издания баз данных на CD-ROM дисках по ботаническим тематикам, например база данных по экосистемам и видам растений Средней Европы [3], имеющая общеобразовательный характер. Имеются и отечественные разработки в этой области ("Деревья Германии", "Бобовые Северной Азии" и др.). С другой стороны, все большее количество ученых-ботаников используют информационные система и базы данных для оптимизации работы, систематизации предметной области, быстрого и качественного оформления результатов своей деятельности. Подобная работа не пользуется коммерческим спросом, хотя имеет высокий научный интерес. Необходимо создание и внедрение удобной системы, обеспечивающей быстрое опубликование научных данных в Интернет с возможностью поиска и анализа данных. Среди готовых зарубежных работ в данном направлении авторам известны только личные коллекции и WEB-странички институтов и ботанических садов. Похожей задачей в России занимаются коллективы в ЗИН РАН и ВИР в Санкт-Петербурге. В России попытку разработки похожей системы выполнила фирма FLORIN/DataX (http://www.florin.ru/florin/ [4]), возглавляемая ботаниками из Главного ботанического сада РАН и МГУ. Распространению программных продуктов FLORIN (Floristic Investigations) в России препятствует их относительно высокая цена, отсутствие возможности анализа и распределенной обработки информации.

Поддержание разнообразия природных систем невозможно без их рационального использования, поэтому информационная система должна быть не просто хранилищем материалов ботанических исследований, но и должна предоставлять развитый аппарат их анализа с целью выявления закономерностей распределения, структуры, динамики растительности для разработки оптимальных режимов использования растительных ресурсов.

Важной проблемой выступает организация разнородной информации в удобном для конечного пользователя виде, что требует новых исследований и разработок интерфейсов для корректного отражения предметной области. Другой задачей является стандартизация данных (прежде всего соблюдение требований интероперабельности), разработка технологических решений и юридических аспектов использования информации, включая вопросы интеллектуальной собственности. Отличительной чертой создаваемой электронной библиотеки является возможность параллельного использования различных поисковых механизмов и средств доступа к разнородным банкам электронных данных

2. Проблемы, связанные с представлением данных по биоразнообразию в электронном виде

Представление данных по биоразнообразию в электронном виде через среду Интернет принципиально не отличается от электронной публикации других данных, но имеет некоторые особенности: уникальность описаний биологических объектов во времени и пространстве, высокая степень изменчивости признаков объектов на протяжении географического пространства (ареала), а также в результате непрерывных природных процессов и различных форм антропогенных воздействий; большой объем текстовой и графической информации; обязательная географическая привязка.

Некоторые проблемы более широкого использования информации в электронном виде зависят от целого ряда объективных и субъективных причин. Среди объективных причин выделяется слабая формализованность данных, которая возникает из-за значительной вариабельности признаков основных объектов (растений и растительных сообществ) и приводит к неоднозначности в трактовке таких базисных при изучении биоразнообразия понятий как биогеоценоз, популяция (различные типы), вид, растительное сообщество, а также из-за отсутствия единых подходов к классификации некоторых природных объектов (например экосистем). Как результат, в настоящее время отсутствует единая форма описания и презентации элементов биоразнообразия (паспортов видов и растительных сообществ), которая бы позволила в максимальной мере использовать преимущества электронной публикации (быстрый ввод, поиск данных, формирование отчетов). Среди субъективных причин выделяется традиционно сложившаяся схема исследований в ботанике, ориентированная на бумажные носители информации. Имеются профессиональные трудности в освоении вычислительной техники, сказывается недостаток технических средств (собственно персональных компьютеров), существует боязнь потери данных на магнитных носителях. Негативную роль играет недостаточное знание современных информационных технологий и методов анализа информации [5].

Разработка электронной библиотеки, в качестве одной из целей, ставит демонстрацию для исследователей природных объектов новых возможностей оперативного получения и управления информацией по биоразнообразию, которые возникают благодаря широкому применению электронной формы публикации. Среди этих новых возможностей выделяются следующие:

  1. Принципиально новые удобные формы представления данных в электронном виде (гипертекст): цветные иллюстрации, многовходовый доступ, развитая поисковая система, оформление перекрестных ссылок, географическая привязка данных с использованием геоинформационных систем, обеспечение связи с другими информационными ресурсами по данной тематике.

  2. Получение биологами новых возможностей оперативного доступа к данным и обмена данными.

  3. Принципиально новые возможности создания коллективных монографий и выполнения крупных проектов (таких как коллективные "Флоры" и сводки по растительности больших территорий) в режиме удаленного доступа, т.е. возможность широкого привлечения к совместной работе широкого круга специалистов из других городов и стран.

  4. Представление о том, что по завершении работы готовый продукт автоматически становится валидной публикацией, которую можно включать в список опубликованных работ и делать на нее ссылки.

  5. Возможность вовлечения новых, более эффективных программных средств организации, хранения и актуализации разнородной биологической информации, удобного и быстрого доступа к ней (дружественный интерфейс), автоматизация поиска и анализа информации, создание экспертных систем, помогающих исправлять ошибки и генерировать новую информацию по имеющимся данным.

  6. Администрирование баз данных с оформлением прав доступа к информации по схеме пользователь (только чтение), автор (изменение и дополнение информации), администратор базы (изменение структуры данных), защита данных от несанкционированного доступа, документирование работы каждого автора.

  7. Возможность широкого привлечения к совместной работе широкого круга специалистов из других городов и стран.

Информационные ресурсы, представленные в электронном виде (в виде хорошо организованных информационных систем) обладают большой гибкостью благодаря тому, что могут состоять из отдельных блоков, часть из которых может функционировать самостоятельно как, например, базы данных для морфологических характеристик видов, базы данных геоботанических описаний или системы статистического анализа данных. Связь этих информационных блоков, представляющих самостоятельные направления в исследовании биоразнообразия, осуществляется через эталонные списки объектов (таксонов и синтаксонов) и эколого-географических и биологических понятий. С другой стороны, исследователь имеет неограниченные возможности подключать новые блоки по мере возникновения новых задач. Важным фактом является возможность использования и накопления информации из различных источников: литературные данные разных лет, записи полевых дневников геоботанических, флористических и др. исследований, характеристики экологических профилей. Однако для интенсивного использования информационных технологий необходимо пройти рутинный этап адаптации и определенной организации накопленных (как правило эмпирических) эколого-биологических данных к современным требованиям информатики. Под адаптацией данных подразумевается прежде всего их формализация и паспортизация на основе общепринятых стандартов, форматов и устоявшихся понятий. Под организацией данных понимается принятие определенной структуры, т.е. установление определенных иерархий и связей (вертикальных и горизонтальных) между информационными блоками. В данной работе, впервые в России, предпринята попытка установления таких иерархий и связей для геоботанической информации при инвентаризации разнообразия растительных сообществ Сибири.

3. Проект "Биоразнообразие растительного мира Сибири"

Создание электронной библиотеки "Биоразнообразие растительного мира Сибири" проводится Центральным сибирским ботаническим садом (ЦСБС) СО РАН и Институтом вычислительных технологий (ИВТ) СО РАН [6,7] в рамках проекта "Электронный атлас Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири" [8,9], который выполняется по программе "Электронная библиотека Сибирского отделения РАН" [10,11].

Электронная библиотека призвана обеспечить систематизацию и организацию широкого доступа к разнообразной информации по биоразнообразию растительного мира Сибири на основе современных информационных технологий. Предполагается разработать общие подходы по систематизации и сохранению разнородной ботанической и экологической информации, интегрировать эту информацию в Геоинформационную систему (ГИС), сделать доступными через сеть Internet массивы данных материалов и коллекций. Основные источники информации: данные собранные исследователями в течении нескольких десятилетний в ЦСБС, научные журналы, монографии, учебники, материалы, хранящиеся в музеях и гербариях, а также результаты экспериментальных исследований и полевые журналы экспедиций. В рамках библиотеки создаются базы данных со средствами поиска по важнейшим группам растений и растительных сообществ. В частности, базы данных "Интернет-каталог растений Сибири", "Растительные сообщества Северной Евразии", "Охраняемые природные территории", "Определители таксономической принадлежности", "Охрана генофонда природной флоры Сибири", "Лекарственные растительные ресурсы Сибири" и т.д. В качестве примера, уже работающих баз данных, можно указать Информационную систему "Редкие и нуждающиеся в охране растительные сообщества Сибири" (База данных "Зеленая книга Сибири", [12]) и "Интернет-каталог растений Сибири [13].

В настоящий момент на этих БД отрабатываются основные технологические подходы для создания электронной библиотеки и создание автоматически актуализируемых баз данных растительных сообществ и биологических видов на основе системы классификаторов, а также поддержка распределенной работы исследователей, находящихся в разных регионах.

Составляющими электронной библиотеки являются тематические связанные базы данных (БД), содержащие информацию уникальных коллекций и фондовых материалов ЦСБС и литературные данные по биоразнообразию растительного мира Сибири. Основные разделы электронной библиотеки содержат эталонные названия таксонов (семейств, родов, видов) и синтаксонов, информацию о видовом разнообразии и разнообразии сообществ, данные о видах, имеющих ресурсную ценность (ресурсное разнообразие), информацию по природоохранной тематике и интродукции видов.

В ЦСБС в настоящее время сохраняются и поддерживаются уникальные коллекции и массивы данных по биоразнообразию растительного мира Сибири. Так, в гербариях ЦСБС хранится около 410 тыс. образцов высших сосудистых растений (в том числе и уникальные типовые образцы), собранных на территории Сибири и в сопредельных регионах. Имеются коллекции мхов, грибов и лишайников. В фитоценотеке хранятся материалы более чем 10 тыс. описаний разнообразных растительных сообществ. Коллекция древесных растений ЦСБС насчитывает около 800 видов, гибридов и форм, что в 2.5 раза превышает количество видов дендрофлоры Сибири. Уникальна информация по интродукционным испытаниям более 2000 видов, гибридов и форм, из которых 136 рекомендовано к выращиванию в Южной Сибири. Ценные данные содержатся в полевых дневниках исследователей.

4. Информационная структура электронной библиотеки

Составляющими электронной библиотеки являются тематические связанные базы данных (БД), содержащие информацию уникальных коллекций и фондовых материалов ЦСБС и литературные данные по биоразнообразию растительного мира Сибири, и программные модули анализа и обработки информации. Основные разделы библиотеки содержат эталонные названия таксонов и синтаксонов, информацию о видовом разнообразии и разнообразии сообществ, данные о видах, имеющих ресурсную ценность (ресурсное разнообразие), информацию по природоохранной тематике и интродукции видов. В свою очередь разделы состоят из тематически связанных БД [6].

Раздел 1. Эталонные списки таксонов:

БД "Таксоны" содержит эталонные латинские и русские валидные названия семейств, родов, видов, подвидов, а также их синонимов, составленные на основе современных таксономических сводок [14-16].

Раздел 2. Видовое разнообразие:

  1. БД "Интернет-каталог растений Сибири" (содержит сведения по морфологии, условиям обитания, распространению в административных районах Сибири, хозяйственному использованию видов, рисунки и фотографии растений и их частей и пр.);

  2. БД "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.);

  3. БД "Конкретные флоры Сибири" содержит географическую характеристику, список видов и подвидов, площадь обследованного участка - конкретной флоры (КФ).

  4. БД "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.

Раздел 3. Разнообразие сообществ:

  1. БД "Геоботанические описания" (содержит документы - натурные описания растительных сообществ и экологические характеристики их местообитаний).

  2. БД "Синтаксоны растительности Сибири" содержит списки и характеристики синтаксонов, полученных в результате классификации растительности. В настоящее время реализуются две альтернативных системы классификации - Эколого-фитоценотическая и эколого-флористическая (известная как система Браун-Бланке).

  3. БД "Электронные карты растительности" содержит отцифрованные карты, выполненные для различных регионов Сибири.

Раздел 4. Охрана природы

БД "Охрана генофонда природной флоры Сибири".

БД "Редкие и исчезающие растительные сообщества Сибири".

Каждая из тематических БД решает ряд как научных задач, так и прикладных. Среди последних особо выделяются: оценка глобальных изменений биоты (мониторинг), оценка ресурсного потенциала растительности, инвентаризация и сохранение биоразнообразия. Структура электронной библиотеки разработана таким образом, чтобы максимально охватить все информационные уровни и отразить особенность потоков информации между ними. Изучение растительного покрова Сибири тесно связано с географией, потому что основные объекты - виды растений и растительные сообщества характеризуются определенным распространением по поверхности Земли, обусловленным географическими (макроэкологическими) факторами. Поэтому предполагается что все тематические БД на всех информационных уровнях будут поддержаны современными ГИС-технологиями.

С увеличением объема коллекций становится все более трудоемкой задача извлечения требуемой информации. Биологические коллекции традиционно организуются по таксономическому принципу и в гербарии, например, достаточно просто найти образцы, принадлежащие к тому или иному таксону. Поиск же в коллекции образцов, собранных в пределах какого-либо региона, или же в каком либо конкретном местообитании, крайне затруднителен и требует применения информационно-поисковой системы.

5. Функциональная структура электронной библиотеки

Технологическую основу электронной библиотеки "Биоразнообразие растительного мира Сибири" составляют базовые технологии Internet [1, 17] в виде интегрированной информационной системы, работающей в сети Интернет на основе интернетовских клиент-серверных технологий с использованием HTTP-SQL интерфейса, Java приложений и CORBA брокеров. Основной принцип, заложенный в систему, состоит в создании удобных WWW интерфейсов для работы биологов по созданию и актуализации баз данных и работы с электронными информационными ресурсами. Перечисленные технологии позволяют обеспечить сопряжение различных типов информационных серверов как в составе одного информационного узла, так и находящихся в различных информационных узлах региональной компьютерной сети. Использование Internet-технологий обеспечивает технологические предпосылки для построения территориально распределенных, проблемно-ориентированных и корпоративных информационных сетей и систем в виде логических надстроек над единой информационно-телекоммуникационной средой, а также интеграции их в единое информационное пространство России и мирового сообщества.

Основу обслуживания пользователей информации составляют услуги, связанные с передачей информации (информационный транзит) и с предоставлением в их пользование информационных ресурсов. Пользователи обладают равными правами на доступ к информационным ресурсам и не обязаны обосновывать перед владельцем этих ресурсов необходимость получения запрашиваемой информации. Исключение составляет информация с ограниченным доступом. Работы, связанные с технологической поддержкой, включают следующие основные направления:

  1. Разработка структуры хранения разнородной биологической информации, создание справочной системы по структуре информации в базах данных и методах ее получения.

  2. Разработка диалогового интерфейса для доступа и актуализации данных через общедоступные просмотрщики (браузеры) WWW страниц.

  3. Автоматизация процессов поиска и анализа информации. Разработка унифицированных средств ввода запросов для получения необходимых выборок из множества баз данных и их математическая обработка, включая статистический анализ данных; создание экспертных систем, позволяющих генерировать новую информацию по имеющимся данным.

  4. Автоматизация работы с информацией. Разработка системы, позволяющей авторам вносить изменения в свои данные с удаленных компьютеров, в том числе и через электронную почту. Разработка системы защиты данных от несанкционированного доступа и незарегистрированного копирования в недопустимых объемах. Документирование работы каждого автора.

  5. Привлечение авторов из любого научного учреждения России к публикации своих экспериментальных данных в данной системе.

  6. Представление информации о географической привязке биологических данных с использованием имеющихся в наличии геоинформационных систем

Некоторые из перечисленных выше блоков электронной библиотеки уже работает в создаваемых базах данных (например, БД "Интернет-каталог растений Сибири" [13], БД "Редкие и исчезающие растительные сообщества Сибири" [12]), другие находятся в стадии разработки.

Создаваемые коллекции можно разделить на две группы: первая - это коллекции, которые являются Интернет отображением уже созданных ранее не сетевых информационных систем (например, "Флора Новосибирской области" А.А.Красникова [18]); вторая - коллекции, изначально создаваемые на базе Интернет технологий (например, упомянутые выше коллекции [12], [13]).

6. Геоинформационное обеспечение

Значительная часть информации представленной в электронной библиотеки имеет пространственную привязку. Необходимость интеграции, анализа и управления разнородной информацией, а также представление ее в виде тематических карт, схем, диаграмм и др. документов делает привлекательным использование геоинформационных систем. В связи с этим одним из важнейших вопросов является геоинформационное обеспечение электронной библиотеки "Биоразнообразие растительного мира Сибири".

Основной целью создания геоинформационной системы электронной библиотеки является построение информационной системы, обеспечивающей выявление пространственных закономерностей распределения элементов биоразнообразия. В рамках создаваемого геоинформационного обеспечения предполагается решить следующие задачи:

Основой геоинформационной системы электронной библиотеки является картографическая база данных, которая состоит из цифровой картографической основы и различных цифровых карт, отражающих как тематическую нагрузку электронной библиотеки, так и пространственно-временную характеристики исследуемых объектов. Картографическая основа состоит из цифровых топографических карт различной детальности в известных картографических проекциях и системах координат. Для используемой цифровой картографической основы можно выделить три уровня масштабных рядов, которые соответствуют традиционному пониманию картографирования тематических объектов при проведении ботанических, биологических и других исследований: крупный масштаб (1:25000-1:100000), средний масштаб (1:100000-1:500000) и мелкий масштаб (1:500000 и мельче). Для каждого уровня определяются типы тематических объектов и дополнительная информация, которая будет гекодирована для данного масштабного ряда. Для крупного масштаба выполняется привязка точечной документированной информации (гербарные этикетки, геоботанические описания и др. точечные измерения). Для среднего масштаба выполняется привязка точечных измерений, а также генерализация актуальных и потенциальных ситуаций биоразнообразия (геоботанические карты среднего масштаба, карты экосистем, эколого-динамические карты ситуаций и т.п.). Для мелкого масштаба выполняется привязка обзорных карт ареалов таксонов, обзорных карт растительности и т.д.

Задач первых двух уровней реализуются с использованием как картографической информации, так и ДДЗ (например, аэро-космоснимков) и результатов полевых геодезических измерений( например GPS измерений).

7. Структура информационных уровней базы данных "Растительные сообщества Северной Евразии"

База данных "Растительные сообщества Северной Евразии" разрабатывается как информационный модуль электронной библиотеки "Биоразнообразие растительного мира Сибири". Основными функциями этой БД являются:

  1. Создание открытого для общего пользования электронного фитоценария, содержащего элементарные геоботанические документы - описания растительных сообществ, опубликованные в печати или переданные авторами для свободного использования.

  2. Электронная поддержка исследований по созданию системы классификации и инвентаризации типов растительных сообществ Северной Евразии. Презентация постоянно обновляющегося Продромуса единиц растительности и монографических обзоров синтаксонов.

  3. Презентация в электронном виде опубликованных в открытой печати работ по разнообразию растительности, а также обновляемого списка библиографических ссылок по данной тематике.

  4. Проведение телеконференций по обсуждению различных проблем разнообразия растительности.

  5. Концентрация метаинформации о наличии и локализации геоботанических данных за пределами данной электронной библиотеки.

  6. Создание "дочерних" тематических баз данных по редким и исчезающим типам растительных сообществ, охраняемым территориям, растительным ресурсам.

Важнейшим элементом организации данных о растительных сообществах является оценка уровней геоботанической информации, которые реализуются как информационные подсистемы. Выявляется три таких основных уровня:

1-й уровень информации - база данных геоботанических описаний.

Основным информационным элементом этого уровня выступает геоботаническое описание конкретного участка растительности. Функции введения, хранения и экспорта описаний в настоящее время выполняет стандартный Европейский пакет фитосоциологических данных TURBOVEG [19]. Этот пакет является базой данных описаний, а его внутренний модуль MegaTab предназначен для анализа фтосоциологической информации (для создания элементов второго уровня информации - синтаксонов и для ординации растительных сообществ). TURBOVEG широко распространен среди фитосоциологов в Европе и в настоящее время он является наиболее популярным прикладным геоботаническим пакетом в России. Он также был рекомендован Рабочей группой по изучению растительности Европы для создания транснациональных баз данных. TURBOVEG содержит большинство данных в таблицах dBase формата (DBF), которые могут быть напрямую использованы базами данных более высоких информационных уровней, в том числе и через HTTP-SQL интерфейс.

При работе с TURBOVEG используется эталонный список видов, представленный электронными версиями списка сосудистых растений [14], мохообразных [16], а также рабочей версией списка лишайников, выполненного специально для данного пакета С.Пристяжнюком. При вводе геоботанических описаний программа предлагает использовать стандартные поля для экологических и фитоценотических характеристик: Releve nr. - уникальный номер описания, Cover abundance scale - шкала оценки обилия или проективного покрытия видов, Country_code - код страны, Date - дата выполнения описания, Releve area (m2) - площадь описания, Altitude (m) - высота над уровнем моря, Aspect (degrees) - экпозиция склона, Slope (degrees) - крутизна склона, Cover total, tree, shrub, herb, moss layers (%) - общее проективное покрытие растительности, а также покрытие раздельно по ярусам: древесному, кустарниковому, травяному и моховому, Cover bare rock and open water (%) - покрытие обнаженной материнской породы и открытой воды (в случае описания водных сообществ), Height tree, shrub, herb layers (m) - высота древесного, кустарникового и травяного ярусов. Помимо стандартных полей имеется возможность добавления полей со специфичной информацией. Генерация отчетов в проводится в табличной форме и информация экспортируется как в собственном, так и в нескольких широко используемых обменных форматах.

2-й уровень информации - база данных синтаксонов.

В настоящее время примером базы данных синтаксонов растительности, работающей в режиме удаленного доступа, является разработка фитосоциологов Римского университета под руководством Prof. Sandro Pignatti. Это первый опыт презентации данных по разнообразию растительности Европы, выполненный в международной системе Браун-Бланке, как часть деятельности рабочей группы по изучению растительности Европы. В России пока подобные завершенные разработки отсутствуют. Еще одним примером электронной базы данных по европейским синтаксонам является разработка фитосоциологов J.Rodwell и J.Dring из Ланкастеровского университета (Великобритания) и реализована в не совсем стандартном пакете ACCESS-2. Эта база данных содержит разностороннюю информацию о синтаксонах растительности Европы (включая Россию) и разработана также в рамках деятельности Рабочей группы по изучению растительности Европы.

Основным элементом 2-го уровня геоботанической информации выступает типологическая единица растительности (тип экосистемы). Собственно оценка разнообразия экосистем (бетта - разнообразие) проводится на основе типологических единиц растительности (синтаксонов), распространенных на определенной территории. Отсутствие в настоящее время единых подходов к классификации растительности создает определенные трудности при идентификации синтаксономических единиц и составления эталонного списка синтаксонов общего пользования. Поэтому в базе данных реализуется идентификация единиц растительности в двух системах: в эколого-фитоценотической (ассоциация, группа ассоциаций, класс ассоциаций, формация, группа формаций, класс формаций, тип растительности) и в системе классификации Браун-Бланке (вариант, субассоциация, ассоциация, подсоюз, союз, подпорядок, порядок, класс). Кроме этого в базе данных предусмотрено введение единиц растительности без четкого ранга, которые обычно используются в картографии растительности. Для каждой единицы предусмотрены поля для введения синонимов (2-х). Для единиц системы Браун-Бланке предусмотрена связь с номенклатурным блоком.

Использование классификации растительности методом Браун-Бланке, которая имеет Кодекс фитосоциологической номенклатуры [20], и методически наиболее тесно связана с геоботаническими данными первого уровня (полными описаниями растительности), предоставляет наибольшие возможности для создания многоуровневой информационной системы. Единицы этой системы, основанные на вполне определенных номенклатурных правилах типификации и построения названий, являются надежной основой для создания единого эталонного списка синтаксонов растительности Сибири в настоящее время. Единственное ограничение - это недостаточный охват данной системой всех типов растительности и территорий Сибири. Однако, учитывая рост популярности метода Браун-Бланке на территории Сибири, можно ожидать, что создаваемая электронная библиотека будет способствовать развитию этого метода. В настоящее время существует полный список синтаксонов гемибореальных лесов и высокотравной растительности для территории Северной Азии [21]. Современный полный эталонный список синтаксонов создается в результате критической переработки опубликованных продромусов (см. [21-24]). Разработка электронной библиотеки предусматривает возможность периодического обновления, пополнения и корректировки списка синтаксонов через специальный синтаксономический модуль с использованием технологий удаленного доступа через ИНТЕРНЕТ.

Связь с 1-м уровнем геоботанической информации (с базой данных описаний) поддерживается через коды синтаксонов, которые проставляются в специальное поле каждого описания. Однако часть синтаксонов (особенно введенная из литературных источников или легенд карт) имеет только общие характеристики видового состава, типа местообитания и не представлена конкретными описаниями в базе данных первого уровня. Эта информация является менее ценной, однако она может быть полезной для представления слабо исследованных типов растительности.

Основной элементарной единицей классификации растительности и презентации геоботанической информации 2-го уровня в электронной библиотеке является ассоциация. К настоящему времени отсутствует описание этой единицы по единым параметрам (за исключением требований Кодекса фитосоциологической номенклатуры в системе Браун-Бланке). Поэтому для целей создаваемой электронной библиотеки нами была разработана форма стандартного описания ассоциации в системе Браун-Бланке. На примере ассоциации гемибореальных лесов эта форма включает следующие параметры:

Стандартная форма характеристики основной единицы растительности - ассоциации.

  1. Название: ассоциация Artemisio desertorum-Betuletum davuricae Ermakov 1997
  2. Синтаксономическая принадлежность:
    Зональный тип растительности - гемибореальные леса
    Класс - QUERCO MONGOLICAE-BETULETEA DAVURICAE
    Порядок - QUERCO MONGOLICAE-BETULETALIA DAVURICAE
    Союз - Kitagawio terebinthaceae-Betulion davuricae
    Подсоюз - Paeonio lactiflorae-Betulenion davuricae
  3. Ссылка на оригинальную публикацию: Ермаков, 1997.
  4. Номенклатурный статус: нет.
  5. Типовое описание: (из базы данных описаний первого геоботанического уровня)
  6. Подчиненные синтаксоны: нет.
  7. Диагностические виды: Artemisia desertorum, Carex obtusata, Spiraea pubescens, Voila dissecta, Thalictrum petaloideum, Cotoneaster melanocarpus, Eremogone juncea, Euphorbia palassi, Potentilla tanacetifolia, Poa botryoides, Poa stepposa, Rhaponticum uniflorum, Saposhnikovia divaricata, Silene jenisseensis, Youngia tenuifolia, Adenophora gmelinii, Bupleurum sibiricum, Carex nanella, Cerastium arvense, Dianthus versicolor, Filifolium sibiricum, Iris humilis, Koeleria cristata, Lespedeza hedysaroides, Phlojodicarpus sibiricus, Sedum telephium, Spiraea dahurica, Stellera chamaejasme, Vicia amurensis.
  8. Дополнительные признаки: сообщества ассоциации характеризуются ведущей фитоценотической ролью восточно-азиатских лугово-степных мезоксерофитов, которые являются обычными видами дауро-манчжурских луговых степей класса CLEISTOGENETEA SQARROSAE. В то же время, в сообществах ассоциации сохраняется высокая роль лугово-дубравных и дубравных ксеро-мезофитов и мезофитов, что позволяет включить их в состав класса QUERCO MONGOLICAE-BETULETEA DAVURICAE и отделить от сухих континентальных южно-сибирско-монгольских лесов класса RHYTIDIO-LARICETEA. В настоящее время данная ассоциация включает наиболее ксерофитные дауро-манчжурские леса дубравного типа класса QUERCO MONGOLICAE-BETULETEA DAVURICAE.
  9. Синонимика по системе Браун-Бланке: нет.
  10. Заметки по синтаксономии и номенклатуре: нет.
  11. Установленный географический ареал: сообщество описано в восточной части Восточного Забайкалья, на южном макросклоне Ишагинского хребта, в составе лесостепного пояса.
  12. Распространение в административных регионах: Россия, Читинская область, Калгинский район (окрестности с. Доно, 8 км на северо-запад).
  13. Координаты по описаниям: (связь с соответствующим полем таблицы геоботанических описаний первого уровня).
  14. Характер встречаемости в пределах ареала: узкий ареал, низкая встречаемость, мелкий размер фитоценозов.
  15. Схема ареала: (выдача из ГИС модуля).
  16. Предполагаемый полный ареал: Восточное Забайкалье (Приаргунская часть), Восточный макросклон Большого Хингана), в пределах лесостепного пояса.
  17. Характеристика местообитания: сообщества встречаются в континентальном умеренно холодном климате с четко выраженным муссонным режимом. Они распространены небольшими участками в привершинных частях крутых (8-15o) южных склонов невысоких гряд хребтов, где непосредственно контактируют со степной растительностью на абсолютных высотах 600-800 м. Почвы темноцветные, слабокаменистые, имеются единичные каменистые обнажения на поверхности. Метеорологические станции в границах установленного ареала: Доно.
  18. Фитоценотическая структура:
    1. Древесный ярус: состав 10Бд, проективное покрытие 40-50%, средняя высота - 11 м (диаметр 15-28 см) в возрасте 100-150 лет, максимальная высота 14 м, подразделение на подъярусы не выражено.
    2. Кустарниковый ярус: образован, главным образом, мезо-ксерофильными петрофитами; проективное покрытие - 8-12 (3-25)%, средняя высота - 80 см, максимальная высота - 110 см, четкое деление на подъярусы отсутствует, доминанты и субдоминанты: Spiraea pubescens, Cotoneaster melanocarpus; константные виды: Spiraea dahurica.
    3. Травяной ярус: проективное покрытие: 65-75%, средняя высота - 32 см, максимальная высота - 54 см.
      Сухие условия экотопа и осветленность древесного яруса благоприятствуют произрастанию в сообществах большой группы ксерофитов и мезоксерофитов из окружающих даурских луговых степей: Filifolium sibiricum, Artemisia desertorum, A. gmelinii Bupleurum sibiricum, Carex nanella, Carex obtusata, Eremogone juncea, Euphorbia palassii, Phlojdicarpus sibiricus, Spiraea dahurica, Lespedeza hedysaroides, Patrinia rupestris, Stellera chamaejasme, Voila dissecta.
      Чётко выраженный петрофитный характер сообществ индицирует присутствие видов из числа степных облигатных и факультативных петрофитов: Orostachys malacophylla, Woodsia ilvensis, Adenophora gmelinii, Youngia tenuifolia, Silene jenisseensis.
      Доминанты и субдоминанты: Carex reventa, Calamagrostis brachytricha, Artemisia sericea, Dendranthema zawadski, Fragaria orientalis, Artemisia gmelimii, Iris uniflora, Artemisia tanacetifolia.
      Травяной ярус сомкнут равномерно, характер размещения растений - однородный.
    4. Мохово-лишайниковый ярус: проективное покрытие 0,1-1% или отсутствует. Представлен единичными экземплярами Rhytidium rugosum, Ceratodon purpureum.
  19. Эндемики, реликты: нет
  20. Продуктивность: нет данных.
  21. Синоптическая таблица: (выход на CVS или DBF таблицу в режиме гипертекста)
  22. Описания конкретных сообществ: (выход на таблицы геоботанических описаний первого уровня)
  23. Средняя видовая насыщенность: 61 вид на 200 м2.
  24. Среднее видовое богатство: 105 видов в 7 описаниях.
  25. Характер использования сообществ: нерегулярный выпас крупного рогатого скота местным населением.
  26. Естественность сообщества: коренное и условно-коренное.
  27. Природоохранная значимость: редкий тип сообщества, находящийся на территории России на западной границе ареала. Типичный элемент коренной растительности дауро-маньчжурской лесостепи.
    1. Категория угрожаемости: уязвимые.
    2. Современная обеспеченность охраной: отсутствует.
    3. Требуемый природоохранный статус: организация памятника природы участка коренной лесостепи в Калгинском районе Читинской области.
    4. Сокращение ареала: 4.
    5. Виды Красной Книги РСФСР, СССР и региональных Красных Книг: отсутствуют.
    6. Другие виды, требующие охраны: в составе сообществ произрастает большое число дауро-маньчжукских видов, находящихся в Восточном Забайкалье на границе ареала: Betula davurica, Euphorbia fischeriana, Phlojodicarpus sibiricus, Lespedeza juncea, Spiraea dahurica, Vicia amurensis, Dictamnus dasycarpus, Paeonia lactiflora, Serratula centauroides.
    7. Угрожающие факторы: неумеренный выпас домашнего скота, вырубка.
    8. Способность к восстановлению: Специальные исследования отсутствуют, однако полевые наблюдения позволяют заключить, что способность к восстановлению данной ассоциации низкая. Betula davurica находится в данных местообитаниях на границе экологического ареала и очень чувствительна к негативным антропогенным воздействиям. В результате выпаса домашнего скота или вырубок, сообщества ассоциации замещаются луговыми степями.
  28. Ресурсная значимость: нет данных
    1. Ценные лекарственные виды: нет данных
    2. Ценные пищевые виды: нет данных
    3. Ценные декоративные виды: нет данных
  29. Синдинамика - нет данных
  30. Синхорология - нет данных
  31. Аналогичные сообщества описанные в других классификационных системах: Черноберезовый полынно-вейниково-осоковый (Betula davurica - Artemisia desertorum + Calamagrostis brachytricha + Carex reventa) лес (Ермаков, 1996).
  32. Литературные источники: Зеленая Книга Сибири, 1996; Ермаков, 1997.
  33. Дополнительная информация - нет
  34. Автор описания ассоциации: Н.Б. Ермаков.
  35. Фото растительного сообщества

Связь синтаксонов с ГИС осуществляется несколькими путями:

Структура информации 2-го уровня (синтаксономической база данных) во многом аналогична структуре предыдущего уровня и представлена двумя связанными через уникальный код синтаксона базисными таблицами: таблицей эколого-географических и фитоценотических характеристик и таблицей видового состава сколичественными характеристиками обилия-проективного покрытия видов. Данный блок синтаксономической информации позволяет:

3- уровень информации - база данных электронных карт растительности и информации дистанционного зондирования растительности территорий.

Это высший уровень обобщенных знаний о растительном покрове, так как любая карта - это модель растительности основанная на информации предыдущих двух уровней. Информация этого уровня является основой для принятия решений по рациональному использованию ресурсного потенциала и сохранению биоразнообразия регионов. Она также является основой решения таких глобальных научных проблем как Глобальные изменения биосферы и оценка биоразнообразия больших территорий.

В настоящее время в фондах многих научных, производственных и учебных заведений имеется значительное количество разнообразных карт растительности, выполненных в различных масштабах на различные территории. Однако для того, чтобы они стали элементом базы данных электронных карт необходимо осуществить несколько этапов их дальнейших преобразований:

Аналогичные условия необходимы также и для введения в базу данных элементов дистанционного зондирования аэро-космической информации. К сожалению, в настоящее время для многих существующих карт эти условия являются невыполнимыми или трудно выполнимыми (т.е. с большими погрешностями или допусками). Многие опубликованные в открытой печати карты растительности (масштабов 1:1.500.000 и др.) выполнены без указания проекции, системы координат, координатной сети, а иногда и с сознательно внесенными искажениями в картографическую основу (по требованию госгеонадзора). Большинство карт не имеют четкой связи с информацией первых двух уровней, в результате чего снижается точность понимания единиц авторской легенды и резко снижается возможность разностороннего использования карты. В лучшем случае существует связь геоботанических карт с информацией второго уровня, когда опубликованная карта сопровождается монографией (пояснительным текстом), в которой приводятся разной степени детальности характеристики единиц растительности, отраженные в легенде. Связь опубликованных геоботанических карт с первым уровнем информации как правило отсутствует, т.к. характеристики единиц легенды редко документируются конкретными описаниями. В настоящее время из электронных карт сибирской растительности известна только Карта Растительности Новосибирской области (1:500.000), выполненная в формате Arc/Info.

В настоящее время существует быстро появляются новые возможности получения разнообразной информации о растительном покрове, имеющей четкие географические привязки методами дешифрирования комической информации, которая благодаря современной вычислительной технике легко трансформируется во многие географические стандарты.

Список литературы

  1. Шокин Ю.И., Федотов А.М. Распределенные информационные системы // Вычислительные технологии, Том 3, N 5, 1998.
  2. Гельтман Д.В. Концепция базы данных в рамках проекта "Флора России" // Компьютерные базы данных в ботанических исследованиях. Сб. науч. тр. СПб, 1997. С. 12-16.
  3. Chytry M. & Tichy L. Putovani Svetem Roslin. Vegetace stredni Evropy. CD. Rezekvitek software, Brno, 1999.
  4. Савов К.П. FLORIN/DataX - информационный сервер.
  5. Коропачинский И.Ю., Шокин Ю.И., Байков К.С., Ермаков Н.Б., Федотов А.М. Электронные публикации биологических данных. // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
  6. 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.
  7. 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).
  8. 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" // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Шокин Ю. И., Федотов А. М. Электронная Библиотека Сибирского отделения РАН (Проект).
  12. Ермаков Н.Б., Коропачинский И.Ю., Седельников В.П., Федотов А.М. База данных по редким и нуждающимся в охране растительным сообществам Сибири // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
  13. Байков К.С, Коропачинский И.Ю., Красников А.А., Федотов А.М. Информационная система (база данных) "Интернет каталог растений Сибири"
  14. Черепанов. С.К. Сосудистые растения России и сопредельных государств (в пределах бывшего СССР). Русское издание. - СПб.: Мир и семья, 1995. - 992 с.
  15. Флора Сибири. Т. 1-13. Новосибирск: Наука, 1988-1998;
  16. Игнатов М.С., Афонина О.М. Список мхов бывшего СССР. Arctoa 1 (1-2), Delphes Ltd, 1992. - C. 1-85.
  17. Шокин Ю.И., Федотов А.М. Информационные технологии Internet // Вычислительные технологии, Том 2, N 3, 1997.
  18. Ермаков Н.Б., Красников А.А., Федотов А.А., Федотов А.М., Хорев А.Г. Информационная система (база данных) "Флора Новосибирской области" // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
  19. Hennekens S.M. 1996 - TURBO(VEG). Software package for input, processing, and presentation of phytosociological data. User’s guide. IBN-DLO. University of Lancaster. Lancaster: 59 p.p.
  20. Barkman J.J., Moravec J., Rauschrt S. Code of phytosociological nomenclature. Ed. 2., 1986 - Vegetatio 67: 145-195.
  21. Solomeshch A., Mirkin B., Ishbirdin A., Golub V., Saitov M., Zhuravliova S., Rodwell J. Red Data Book of Plant Communities in the former USSR. Templar Print & Design Ltd, Birmingham: 1997, 69p.p.
  22. Korotkov, K.O, Morozova, O.V., & Belonovskaya, E.A. The USSR vegetation syntaxa prodromus. - 346 p.p. Vilchek, Moscow: 1991.
  23. Миркин Б. М., Соломещ А.И., Ишбирдин А. Р., Алимбекова Л.М. Список диагностических критериев высших единиц эколого-флористической классификации растительности СССР. ИЭМЭЖ. Москва 1989.
  24. Ermakov N., Rodwell J. & Dring J. Classification of hemiboreal forests of North Asia. Braun-Blanquetia: 1999, 19. Camerino.
 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ: проекты 98-01-00772 и 99-07-90222.