Интерактивная информационная система дендроклиматического мониторинга

С начала 90-х гг. XX в. в России формируется единая государственная система экологического мониторинга, в состав которой входит раздел дендрохронологического и дендроклиматического мониторинга, т. е. информационная система слежения, оценки и прогноза изменений годичного прироста деревьев и определяющих этот прирост факторов [1–7].

В настоящее время накоплен уникальный дендрохронологический материал, включающий не только данные по обширной территории России, но и данные по Западной Европе, Южной и Северной Америке, Азии [1–3; 5; 7–15]. По сравнению с другими прямыми и косвенными источниками информации о состоянии биосферы дендрохронологический материал, или временные ряды (ВР) радиального прироста деревьев (древесно-кольцевые хронологии, ДКХ) имеют важные особенности: высокое временное разрешение (1 год); достаточную длительность (ДКХ живых деревьев покрывают интервал до 700...800 лет, с использованием ископаемой древесины – несколько тысячелетий, что позволяет оценивать изменение климата); четкую количественную основу; практически повсеместное распространение на территории суши по земному шару. Система таких пространственно-распределенных ДКХ характеризует основное поведение и динамику одного из важнейших лесных компонентов биосферы Земли. Сами ДКХ, представляющие собой временные ряды или случайные функции (СФ) с дискретным аргументом, несут разнообразную информацию о факторах, определяющих прирост деревьев: внутренних (организменных), фитоценотических и внешних.

Совокупность пространственно-распределенных ДКХ и климатических временных рядов является исходным источником информации для выявления, анализа и моделирования изменений в росте древесных растений, имеющих как специфические (региональные) особенности, так и общие для обширной территории России и Западной Европы характеристики. Такие изменения могут быть ассоциированы с сигналом, характеризующим взаимодействие биосферы с факторами климатической природы.

Выявить, проанализировать и визуализировать подобные закономерности в приросте древесных растений в связи с изменениями климатических факторов можно при помощи разнообразных математико-статистических методов, как новых, так и традиционно используемых в дендроклиматологии, реализованных в виде программного обеспечения с бесплатной лицензией. Но такие задачи являются очень трудоемкими и затратными по времени, так как связаны с обработкой больших массивов данных, а также обобщением и визуализацией пространственно-распределенной информации на огромных территориях.

В связи с этим представляется важной автоматизация решения подобного рода задач на основе соответствующих специально разработанных систем обработки информации, которые позволяли бы решать их в полуавтоматическом режиме с минимальными затратами по времени. Такие системы могут стать информационной основой дендроклиматической системы мониторинга России при выявлении и анализе системных связей и закономерностей в приросте древесных растений в связи с меняющимся климатом на территории страны.

Функциональные возможности и особенности интерактивной информационной системы дендроклимати-ческого мониторинга. Авторами спроектирована интерактивная система дендроклиматического мониторинга, являющаяся частью системы экологического мониторинга Российской Федерации [1–5; 7]. Система включает обновляемую базу первичных дендрохронологических и климатических данных на основе PostgreSQL-технологий. Дендрохронологические временные ряды получены с более чем 300 дендрохронологических тест-полигонов (участков), равномерно расположенных на территории Урала и Сибири для нескольких основных лесообразующих пород, а климатические данные представляют собой временные ряды суточного разрешения с более чем 40 климатических станций РФ (рис. 1).

Данная интерактивная система характеризуется следующими основными особенностями:

• –    платформа базируется на операционной системе Windows и прикладном обеспечении (ПО), распространяемом по открытым лицензиям (Expect, TCL, PostgeSQL, httpd.tcl);

• –    используется модульная архитектура проектирования;

• –    существует возможность интеграции системы с ПО других производителей;

• –    используются открытые форматы представления данных и протоколов передачи (TCP/IP, SQL, HTML, XML, XSL, SOAP, TMS/TMX и др.);

• –    обеспечена гибкость настройки ПО;

• – реализована масштабируемость.

В системе осуществляется клиентский доступ к базам данных (рис. 2), который позволяет выполнять запросы по поиску необходимой дендрохронологической и климатической информации по географическим координатам.

В перспективе планируется организация взаимодействия этой системы с уже существующими базами данных, размещенными на других открытых веб-ресурсах (например, fm_createpages.treering) (рис. 3).

В настоящее время интерактивная система дендрок-лиматического мониторинга позволяет обрабатывать дендрохронологическую и дендроклиматическую информацию при помощи неграфического прикладного ПО, но уже решается вопрос о подключении для этих целей графических приложений. Более того, дальнейшее совершенствование этой системы предполагает частичную репликацию опубликованной ранее дендрок-лиматической информации на один из открытых серверов, чтобы расширить ее функциональные возможности за счет использования новых TCL- и других приложений, разработанных не только администраторами и системными программистами представленной интерактивной системы, но и добровольными wiki-специалистами при соответствующем продвижении разработанного веб-ресурса (см. рис. 3).

Рис. 1. Пространственное распределение дендрохронологических тест-полигонов (участков), метеорологических станций и споро-пыльцевых тест-полигонов, включенных в систему дендроклиматического мониторинга России

Применяемые технические средства и программное обеспечение. В интерактивной системе дендроклиматичес-кого мониторинга используется TCL-SQL-проект, который предусматривает общий TCL-интерфейс к базам данных.

Реализация системы на начальном этапе состояла в доступе к интерактивной базе данных (на основе техно- логии PostgreSQL1), в которой находятся данные измерений (рис. 4).

Отметим, что стандартный скрипт-язык TCL² ( Tool Command Language – командный язык инструментов) не содержит средств для доступа к PostgreSQL. Однако этот язык выполнен таким образом, что он может расши-

Операционная система клиентской ПЭВМ

Каналы свя зи

Базы данных сервера интерактивной дендрокли мат и ческой системы

Серверное программное обеспечение TCL httpd.tcl

Браузер Веб-страниц (Firefox, Chrome, IE,Opera)

Клиент Expect

Клиент Прикладное ПО...

Прочее взаимодействие с файловой системой

Рис. 2. Схема клиентского доступа к серверу баз данных

Рис. 3. Общая схема спроектированной интерактивной системы

рять свои возможности через подгружаемые новые библиотеки, а следовательно, наличие нужной библиотеки – это необходимое и достаточное условие для того, чтобы использовать в проекте все преимущества SQL.

Для интегрирования унаследованных приложений, т. е. специального ПО, с разрабатываемой интерактивной системой в качестве инструмента для автоматизации и тестирования в ОС Unix/Window XP была выбрана технология Expect, являющаяся расширением к TCL для неграфических интерактивных унаследованных приложений [16].

Для данного проекта был создан домен третьего уровня на базе домена Красноярского государственного торгово-экономического института , через который проброшен туннель по порту 8015 на Windows-машину с сервером приложения. Это позволяет использовать смешанную архитектуру доступа, в результате реализации которой повышается безопасность и надежность функционирования системы.

В разработанной интерактивной системе используются спроектированные авторами веб-службы, т. е. программы, доступ к которым осуществляется через протокол HTTP, а обмен данными происходит в форматах XML, JSON и REST (см. рис. 2). В отличие от обычных динамических библиотек неграфических программ такой подход обладает рядом преимуществ:

– веб-служба находится на серверах, c которыми она взаимодействует. Поэтому в любой момент пользователю доступна самая свежая версия данных и ему не при-

Реляционная

Браузер пользователя

CGITCL приложение

Expect автоматизация

Открытые программы (прикладное ПО)

Рис. 4. Общая схема функционирования системы дендроклиматического мониторинга

ходится заботиться об обновлениях и вычислительных мощностях, требуемых для выполнения операции;

– инструменты для работы с HTTP и XML есть в любом современном языке программирования, поэтому эта система (веб-служба) переходит в разряд платформонезависимых.

В качестве сервера приложений выбран TCL-веб-сервер, который характеризуется высокой надежностью, а также хорошо стыкуется со скриптами и open-source ПО. Сервер использует свою систему ввода-вывода, что позволяет ему без проблем оперировать данными между дисковыми накопителями и сокетами.

Таким образом, спроектированная интерактивная информационная система позволяет вести комплексный анализ дендроклиматической информации, а именно:

• –    выполнять различные запросы по покоординатному поиску дендрохронологических и климатических данных;

• –    строить стандартные древесно-кольцевые хронологии [1; 5; 6; 13];

• –    вести различные преобразования климатических данных суточного разрешения;

• –    анализировать функции отклика древесных растений на изменение климатических факторов [1; 6; 8; 9; 15];

• –    моделировать годичный прирост деревьев по ведущим климатическим факторам на основе VS-модели.

В дальнейшем к этой системе планируется подключение графических приложений, позволяющих рассчитывать различные скользящие характеристики годичных колец на основе непараметрических статистик, а также проводить пространственную экстраполяцию полученных результатов на анализируемое географическое пространство [4; 5].

Предложенная авторами интерактивная информационная система дендроклиматического мониторинга может быть использована специалистами в области экологии, биогеографии, а также всеми занимающимися решением подобного рода задач в физике, экономике, социологии. Эта система может быть задействована в учебном процессе для решения типовых задач по экологии и написания курсовых и дипломных работ по соответствующей тематике.