Основные принципы и технологи создания публичного геопортала для представления результатов эколого-геохимических исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные принципы и технологи создания публичного геопортала для представления результатов эколого-геохимических исследований

Информационные технологии совершили серьёзный скачок в своём развитии, предоставляя возможность создавать информативные и удобные картографические сервисы, размещенные в сети Интернет. Такие сервисы могут использоваться для множества целей, но в рамках заявленной темы нас интересует применение веб-картографических сервисов научными организациями. Одним из наиболее перспективных направлений, востребованных на современном этапе работы научных организаций России, является представление в сети информации о конкретных результатах научной деятельности, не только в виде статей, но и в виде картографических представлений, существенно более удобных для восприятия. К примеру, результаты экологического мониторинга окружающей среды, представленные при помощи геоинформационных систем (ГИС) и отображенные в картографическом веб-интерфейсе, могут представлять интерес для широкого круга специалистов, для местных властей, а также для обычных граждан, в частности, Байкальского региона. Это весьма выгодно и для авторов данных, поскольку о наличии у специалистов какой-либо научной организации актуальных и необходимых кому-то из внешних потребителей данных, эти потенциальные потребители могут не знать. Однако хранящиеся в авторских архивах результаты исследований зачастую требуют адаптации под новые технологии хранения и обработки пространственной информации. Как нельзя лучше для систематизации и представления таких материалов подходят геоинформационные системы и геопорталы.

Внедрение информационно-картографических систем в практику существенно сдерживается двумя взаимосвязанными проблемами. Первая принципиальная проблема связана с тем, что на интернет-платформе нецелесообразно и даже невозможно представлять всю первичную информацию, поскольку не каждый ученый захочет, чтобы результаты его многолетней работы находились в открытом доступе, и скачать или даже на качественном уровне проанализировать их картографические представления мог любой желающий без согласования с авторами. Это требует замены представления первичных данных - некими метаданными, создающими представление о результатах работ, содержащими информацию с указанием состава работ, контактов авторов, дат и т.п. При этом для того, чтобы вызвать интерес к обращению к авторам, представленные информационно-картографические материалы, не раскрывая непосредственно самих данных, должны обеспечить полное представление об их качестве и информативности.

Нежелательное для многих специалистов представление первичных данных, например, химического анализа компонентов геосистем, выполняемого по большому ряду показателей, можно заменить на некие интегральные высокоинформативные характеристики качества среды уровня «хорошо-плохо», которые понятны для восприятия широкими слоями общественности, но не раскрывают непосредственно первичных данных [1],[2]. Это особенно актуально для Байкальского региона, поскольку, для оценки качества среды уникальных геосистем малоприменимы государственные нормативы качества среды: ПДК, САНПИН и прочие, в соответствии с которыми можно было бы классифицировать информацию о качестве среды на нормальное, допустимое и плохое [3], [4]. Поскольку геопорталы эколого-геохимической природы являются живой системой и должны постоянно дополняться новыми данными, при создании таких систем необходимо предусмотреть разработку автоматизированных методов генерализации и полиэлементной визуализации геохимических данных без потери информативности и с учетом вычисляемого локального или регионального фона [2].

В данной статье описывается разработка прототипа веб-ориентированной геоинформационной системы и связанного с ней веб-ресурса, на котором будут представлены результаты масштабных геохимических исследований учёных Института геохимии СО РАН с 80-90-х годов по настоящее время на территории Прибайкалья и республики Бурятия [2], [4], [5]. В рамках прошлых и текущих исследований был собран большой массив данных по содержанию ряда химических элементов в различных компонентах гео-экосистем (порода, почва, вода, донные осадки, снег и др.), были созданы отдельные тематические базы данных [6]; [7], при этом представляется возможным создать информационную среду, эффективно обеспечивающую и современные исследования.

Веб-ориентированная геоинформационная система должна иметь в своём составе несколько обязательных элементов, без которых невозможна её полноценная работа. Первым элементом является хранилище данных - база данных, в которой храниться вся пространственная, атрибутивная и описательная информация об исследованиях (метаданные). Следующее звено - картографический сервер, обслуживающий карты и данные для их отображения в сторонних клиентах. Картографический сервер связан с базой данных и использует пространственные данные непосредственно из неё. Третий компонент - инструментарий для создания веб-интерфейса, через который пользователь сможет взаимодействовать с картографическим сервисом. На основе этого инструментария и будет создан веб-ресурс. Схема информационного потока представлена на рис. 1.

Архивные материалы работ прошлого века были собраны без GPS-привязки, уровень развития информационных сетевых технологий в те годы не позволял представить результаты работ в удобном и информативном виде конечному потребителю. В связи с этим в рамках работы в первую очередь решалась проблема систематизации и корректного пространственного определения точек. В существующих таблицах за каждым пунктом опробования изначально были закреплены локальные координаты, которые впоследствии были пересчитаны в координаты в проекции WGS-84.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание геопортала требует хранения всех геохимических данных на сервере базы данных, поэтому первым крупным шагом в работе являлось создание базы пространственных данных. Архивные материалы, представляющие собой результаты химического анализа различными методами, были собраны в текстовые файлы csv, и затем экспортированы в формат файлов геометрии shp для более удобной геоинформационной обработки. Позднее весь массив данных был перенесён в СУБД PostgreSQL. Существует расширение PostGIS, позволяющее хранить в базе пространственные объекты, координаты которых записываются в специальное поле геометрии, содержащее информацию о широте, долготе и используемой географической проекции. Перенос в базу данных был выполнен для реализации возможности динамического обновления и более эффективного взаимодействия со средой геопортала. Важно отметить, что поскольку принято решение не публиковать исходные авторские данные, в веб-картографическом интерфейсе содержимое БД будет представлено контурами участков исследований со всей необходимой метаинформацией о составе и авторах работ, и производными от них интегральными картами, например, полиэлементных ассоциаций или уровней техногенной нагрузки [1], [2]. Для контуров каждого объекта исследования созданы файлы геометрии типа полигон и добавлены в базу данных.

Один из созданных примеров базы данных состоит из следующих тематических блоков: аллювиальные отложения, делювий горизонтов A и B, коренные породы, донные отложения, вода, химические анализы (рис. 2).

В качестве картографического сервера решено было использовать Geoserver- свободное программное обеспечение с открытым исходным кодом, созданное на основе набора инструментов Java.Geoserver позволит запрашивать необходимые файлы геометрии shp прямиком из базы данных PostGIS через сервисы WMS и WFS. при помощи метода GetFeature [8].

Размещено на http://www.allbest.ru/

В дополнение к Geoserver используется библиотека OpenLayers - набор инструментов, написанный на языке Javascript, также свободно распространяемый и с открытым исходным кодом. Библиотека OpenLayers позволяет очень быстро и легко создать веб-интерфейс для отображения картографических материалов, представленных в различных форматах и расположенных на различных серверах. OpenLayers даёт возможность использовать множество таких полезных функций, как, например, нанесение масштабной линейки, сдвиг карты при помощи мыши, выбор произвольного объекта и получение атрибутивной информации о нём, управление прозрачностью слоёв карты.OpenLayers позволяет создать заготовку html-страницы с блочным элементом div, внутри которого находится карта. Карта использует векторные и растровые слои из Geoserver [9]. Далее необходимо создать дизайн геопортала, используя язык разметки веб-страниц HTML, каскадные таблицы стилей CSS и java-script, чтобы выполнять различные события на веб-странице, как, например, обработку нажатия курсора мыши на видимый слой для вывода во всплывающее окно метаданных. В качестве примера на рис. 3 во всплывающее окно выведена атрибутивная информация о названии и годах работ, содержащаяся внутри файла геометрии shp.

Как и писалось ранее, помимо обработки самой пространственной информации, в рамках работы требуется разработка структуры метаинформации. Другими словами, для массива геохимических данных требуется создать удобный в использовании каталог метаданных. В 2003 году Международная организация по стандартизации приняла стандарт ISO 19115 «Географическая информация - метаданные». Стандарт даёт представление об идентификации, качестве, пространственном и временном аспектах, содержании, описании и других свойствах цифровых географических данных. Целью стандарта является предоставление чёткой процедуры для описания цифровых географических наборов данных, с тем, чтобы пользователи могли определить, будут ли хранимые данные необходимы им, и как получить к ним доступ[10]. Также существует развитие стандарта 19115 - стандарт 19139 «Географическая информация. Реализация XML-схемы». Технические требования ISO 19139 призваны стандартизировать метаданные, отвечающие требованиям ISO 19115, кодируя их в XML-файлы. Следование ISO 19115 и 19139 - дело добровольное, но позволяет упростить поиск необходимых данных для пользователей системы, поскольку стандарт на сегодняшний день является одним из наиболее популярных и распространённых в мире. В итоге за каждым слоем карты будет закреплён xml-файл, хранящий его описание. Сами же xml-файлы будут объединены в базу данных, что позволит запрашивать их через поиск по базе.

Разработка веб-геоинформационной системы на данный момент ещё не завершена, поскольку всё ещё не решена задача создания высокоинформативных интегральных карт, характеризующих качество среды. Однако полученные ранее результаты [11] позволяют считать эту задачу достижимой с использованием факторного анализа методом главных компонент в ГИС-варианте [12]. За счет применения метаданных стандарта ISO 19139, максимально подробно и удобно описывающих результаты работ в конкретном районе, при необходимости специалисты других учреждений смогут без труда установить научные контакты с авторами. Достаточно будет посмотреть интересующие участки на карте геопортала, и по щелчку мыши все заинтересованные лица получат всю необходимую, а главное, соответствующую международным стандартам метаинформацию о нужном исследовании.

Библиографический список

веб геохимия информационный научный

1. Паршин А.В. Интегральные геохимические индикаторы в основе математико-картографического обеспечения экспертных геохимических географических информационных систем / А. В. Паршин, О. И. Демина // Проблемы недропользования. - 2014. - № 2. - С. 53-59.

2. Филимонова Л.М. Оценка загрязнения атмосферы в районе алюминиевого производства методом геохимической съемки снежного покрова / Л. М. Филимонова, А.В. Паршин, В. А. Бычинский // Метеорология и гидрология. - 2015. - № 10. - С. 75-84.

3. Паршин А.В. Геоинформационное обеспечение мониторинга поверхностного слоя вод озера Байкал: диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук / А. В. Паршин. - Иркутский государственный технический университет. Иркутск, 2012. - 157.с.

4. Паршин А.В. Критерии оценки геоэкологического состояния вод оз. Байкал / А. В. Паршин, С. А. Шестаков, К. В. Чудненко, Е.П. Савельев // Вода: химия и экология. - 2013. - № 9 (63). - С. 24-31.

5. Гребенщикова В.И. Геохимия окружающей среды Прибайкалья (Байкальский геоэкологический полигон) / В. И. Гребенщикова, Э.Е. Лустенберг, Н.А. Китаев, И. С. Ломоносов. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2008. - 234 с.

6. Гребенщикова В.И. Геоинформационная система «Геохимия окружающей среды Прибайкалья» / В. И. Гребенщикова, А. О. Михалёв, А. В. Паршин А.В.// Свидетельство БД №2018620248, приоритет от 19.12.2017.

7. Паршин А.В. Информационно-аналитическая ГИС-система гидрогеохимического мониторинга приповерхностного слоя вод озера Байкал (БД «Байкал-аквамониторинг»): свидетельство №2013620406 Рос. Федерации / А. В. Паршин, С. А. Шестаков, К. В. Чудненко //заявл. 28.01.2013; опубл. 14.03.2013.

8. http://gis-lab.info/qa/geoserver-begin.html

9. http://gis-lab.info/qa/openlayers-begin.html

10. Global Spatial Data Infrastructure Association. Spatial Data Infrastructure Cookbook, 2012. - p. 153.

11. Михалев А.О. Разработка Веб-ГИС системы для информирования общественности о результатах научной и учебной геоэкологической деятельности/ А.О. Михалев, В.И. Гребенщикова // Проблемы геологии и освоения недр Труды XX Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 120-летию со дня основания Томского политехнического университета: в 2 томах; Под редакцией А. Ю. Дмитриева, 2016. - Т. 2. - С. 190-191.

12. Паршин А.В. Методические и технические решения геолого-геохимических ГИС для обеспечения комплексных научных исследований золоторудных объектов / А. В. Паршин, А. М. Спиридонов // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2014. - № 3-2 - с. 65-69.

Размещено на Allbest.ru