Создание информационной базы данных агроэкологического мониторинга реперных участков Тувы (методический подход)

Сегодня информатизация коснулась всех сторон жизни, в том числе и в почвенных исследованиях. Собранные исследователями полевые, лабораторно-аналитические материалы достигают больших объемов. Поэтому требуется создание не только отдельных моделей или комплексов моделей параметров изучаемых объектов [7], но и создание единых информационных исследовательских и управленческих систем. Это неоднократно, было высказано в различных формах в работах исследователей–почвоведов [2; 8]. Почвенным институтом им. В.В. Докучаева, научно-исследовательскими институтами СО РАСХН и другими научными коллективами осуществлен целый ряд достаточно удачных экспериментов в этой области. Например, База данных почвенного покрова для земельного тематического картографирования [5]; автоматизированная система классификации почв [6]; база данных «Растения Республики Тыва» (более 5 тыс. видов) [4]; база данных автоматизированная электронная система (АЭС), которая позволяет оценить 1 га почвы и общую стоимость земельного участка [12; 13] и др.

Развитие вычислительной техники, особенно бурное в последние два десятилетия, повлекло за собой возможность автоматизировать сложный, рутинный процесс сбора, накопления и обработки большого количества данных различного типа. В сфере информационного обеспечения появляется большое количество систем ведения информации, начиная со сбора и кончая сложнейшими математическими расчетами. Концепция баз данных стала определяющим фактором при создании эффективных систем автоматизированной обработки информации.

При всей развитости сферы систем управления не нужно забывать, что это только «оболочки», которые позволяют «облегчить жизнь» исследователю, и только он может наполнить их конкретным смыслом. Поэтому, и в российской, и в зарубежной литературе просматривается мысль о том, что слабым местом во многих готовых системах оказывается структура базы данных [3; 10]. Основная проблема проектирования заключается в определении назначения элементов данных. Главными критериями, которым должна удовлетворять спроектированная структура, являются обеспечение функциональных требований приложений и высокая производительность системы. База данных должна обеспечивать получение необходимых данных и их эффективную обработку. Плохо спроектированная БД может затруднить процесс прикладного программирования и потребовать более сложной логики в программах, чем это необходимо для получения требуемой информации. Это, в свою очередь, увеличит время и трудоемкость использования информационной системы, а в процессе эксплуатации приведет к росту времени обработки.

Наиболее важными аспектами баз данных являются целостность и согласованность информации; не должно быть случайных потерь или разрушений данных. Кроме того, повторяющиеся данные должны соответствовать одному уровню обновления с тем, чтобы пользователь получал те сведения, которые ему необходимы. База данных должна обладать способностью к расширению и возможностью обеспечения изменяющихся требований к данным [11]. Сведения, которые находятся на бумажных носителях, являются практически единственным источником информации, они недолговечны, неудобны в использовании и доступ к ним затруднен. Поэтому использование базы данных позволит решить проблему не просто хранения, но и сохранения материала, накопленного предшествующими поколениями ученых [9]. Информация, накопленная в агрохимической службе «Тувинская» за десятилетия исследований, достигла такого объема, что становится невостребованной в силу затрудненности визуальной и ручной обработки. Объединение нужной информации и получение ее в короткий срок и стало целью нашей работы.

Цель работы – показать создание информационной системы Базы данных «Агропочвы Тувы».

Объекты и методы исследований. Объектом наших исследований являются почвы земледельческой территории Тувы. С 1993 г. ФГУ агрохимическая служба «Тувинская» проводит мониторинг на локальных участках в соответствии с «Государственной программой мониторинга земель РФ», утвержденной постановлением Правительства РФ №100 от 05.02.1993 г. Массовый материал по химической и физикохимической характеристике этих почв, хранящийся в архивах агрохимической службы «Тувинская» послужил для создания Базы данных «Агропочвы Тувы». Для создания банка данных и его основы – компьютерной базы данных, был выбран программный пакет Microsoft Access ведения баз данных (БД).

Результаты исследований и их обсуждение. Программный пакет Microsoft Access – это полнофункциональная программа для работы с реляционными базами данных. Access дает возможность не только в удобной форме непосредственно создавать БД, начиная с разработки ее структуры, первоначального внесения информации, корректировки и дополнения (ведения БД), но и служит мощным пакетом для создания законченных приложений [1].

Access является частью Microsoft Office, а значит, совместима с другими его приложениями и с целым рядом других пакетов прикладных программ, работающих в среде Windows. Все приложения Office используют общие или во многом схожие меню и панели инструментов, что облегчает работу с другими программами. Снимаются проблемы работы с файлами данных, записанными в различных форматах (простейшими действиями данные экспортируются в табличный процессор для проведения математической обработки или в текстовый редактор, а также импортируются из других программ), и осуществления печати выходных документов. Облегчается установка усовершенствованных приложений, причем предполагается совместимость различных версий созданных БД и минимально болезненная конвертация на более высокий уровень. Поскольку создаваемая информационная система предполагает широкий круг пользователей от студентов до научных и практических работников, ее "знакомость" тоже явилась немаловажным фактором, повлиявшим на наш выбор.

Access включает в себя современный язык программирования Visual Basic for Applications. Интерфейс этого приложения настолько мощный, что существует возможность создавать разнообразные приложения без создания программ по работе с данными.

База данных “Агропочвы Тувы” предназначена для хранения, корректировки и использования в научных и практических целях информации, полученной в результате агроэкологического мониторинга почв территории Республики Тыва. Имеющаяся информация первоначально была разделена на несколько крупных блоков, которые позволили сформировать структуру БД (рис. 1):

• административно-географическую, объединяющую информацию об административных районах Тувы, сельскохозяйственных предприятиях, находящихся на данной территории, ландшафтно-климатических регионах, сельскохозяйственных угодьях, основных почвенных характеристиках;

• химико-аналитическую, состоящую из данных о химическом составе почв, о химических характеристиках урожая, удобрениях;

• гидрологическую, включающую данные о водных и снеговых характеристиках.

Состоит из 13 основных таблиц и 19 таблиц-справочников, системы запросов и отчетных форм.

Основные таблицы: «1Паспорт», «1Вода дождевая» – результаты анализа проб дождевой воды на реперных участках, «1Вода грунтовая» – результаты анализа проб грунтовой воды, «1МетрСлой» – агрохи- мическую характеристику метрового слоя почвы, «1ПахотСлой» - агрохимическую характеристику пахотного слоя почвы, «1Пестициды в почве» – остаточные количества пестицидов в пахотном слое почвы, «1Пестициды в урожае» – остаточные количества пестицидов в урожае, «1Радиология» – радиологические показатели пахотного слоя почвы, «1Снег» – результаты анализа проб снега, «1Тяжелые металлы» – характеристику содержания подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое почв, «1Удобрения» – внесение удобрений и химических мелиорантов, «1Химсостав урожая ЕстВлаж» – химический состав урожая естественной влажности и «1Химсостав урожая СухВещ» – химический состав и качество сухого вещества урожая. Эти таблицы содержат сложную информацию, причем каждая из них является самостоятельной Базой данных. Таблицы-справочники выполняют функции кодификаторов, в них записаны шифры и названия соответствующих показателей. К ним относятся: «Почвенные провинции», «Зона», «Районы», «Хозяйства», «Тип хозяйства», «Экспозиция склона», «Угодья», «Тип почвы», «Подтип почвы», «Глубины», «Гранулометрический состав», «Эродированность почв», «Тип эродированности», «Тип засоления», «Степень засоления», «Севообороты», «Сельскохозяйственные культуры», «Тип продукции» и «Методы определения».

Информация описанных выше блоков дает качественную (описательную) характеристику изучаемого объекта. Кроме того, каждая запись хранит количественные (числовые) показатели: химические и физикохимические показатели почв пахотного и метрового слоев, подвижные и валовые формы тяжелых металлов и микроэлементов почв, радиологические показатели почв, химические показатели и химический состав урожая, урожайность сельскохозяйственных культур.

Запись основной таблицы «1Паспорт», которая содержит общие сведения о реперных участках агроэкологического мониторинга Республики Тыва ФГУ ГСАС «Тувинская» состоит из 21 информационного поля. Первое поле «шифр записи» служит счетчиком во всех основных 13 таблицах Базы данных. В нем регистрируются номера записей. Заполнение его происходит автоматически; номера присваиваются последовательно. Поля таблицы «1Паспорт» два, три, одиннадцать, двенадцать и четырнадцать – числовые и набираются пользователем. Поля с пятого по десятый, тринадцатый, с пятнадцатого по двадцать первый имеют связь с кодификаторами, т.е. таблицами-справочниками, которые выводят на экран монитора названия, происходит поиск, сортировка, выборка нужных названий по требованию пользователя. Формат полей – числовой (не менее двух знаков после запятой) (рис. 2).

Рис. 1. Схема Базы данных «Агропочвы Тувы»

^ Выделение * ^Дополнительно -

4 Перейти

^ Выбрать ’

Представле,.,

Все объекты Access

Я

Н ХТяжелые металлы

Методы определения

Н 1Пестициды в почве

Я 1Пестициды в урожае

S3 ХРадиология

Числовом Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой Числовой

Экспозиция склона Крутизна склона Тип почвы

Таблицы

3 1Вода грунтовая и 1Вода дождевая Ш ХМетрСлой

3 X Па спорт

Н ХПахотСлой

Ш ХУдобрения

Ш ХХимсостав урожая ЕстВлаж

И ХХимсостав урожая СухВещ

jfe Вырезать

—1 ^ Копировать тавить

. Формат по образцу

Буфер обмена

Код реперного участка | № реперного участка

S Создать

Провинция

Хозяйство

Тип хозяйства

Угодье

|Севооборота

Степень засоления

Подтип почвы

Рис. 2. Структура основной таблицы «1Паспорт»

Почвенные провинции

Севообороты

Сельхозкультуры

По ключевым полям таблица «1Паспорт» связана с шестнадцатью другими таблицами – кодификаторами базы. Такая организация позволяет упростить ввод данных их корректировку. Сокращает вероятность ошибок и неоднозначности данных. С помощью средств ведения БД были сделаны различные группировки. Основная группировка характеристика пахотного и метрового слоев почв, химический состав и качество продукции. Следует сказать, что методологические подходы, используемые нами при разработке структуры БД, позволяют выполнить любые группировки, которые интересуют исследователя (или пользователя БД). Для составления отчетных документов агроэкологического мониторинга разработаны запросы, которые позволяют делать выборку соответствующих данных. Система состоит из 18 запросов типовой структуры. По требованию пользователя в структуру базы можно включать различного рода «Запросы», с помощью которых можно делать необходимые выборки данных для дальнейшей обработки.

Так, для получения информации агрохимические показатели пахотного слоя почв реперных участков агроэкологического мониторинга за 2010 год и ее дальнейшего использования создается «ЗапросФ05», в который включены поля: «Название района», «№ реперного участка», «Сроки обследования», «Гумус», «Подвижный фосфор», «Подвижный калий», «Метод определения», «Алюминий подвижный», «Hr», «Обменный Са», «Обменный Mg», «Обменный натрий», «Сумма поглощенных оснований», «Нитратный азот», «Аммиачный азот». Данные выбираются из таблицы «1ПахотСлой», отсортированными по году требуемой выборки.

Система отчетов разрабатывается для внешнего представления запрашиваемой информации. По агроэкологическому мониторингу ежегодно сдаются отчеты, имеющие определенную форму. Поэтому для выборки данных и составлении бланка отчета созданы в БД «Отчеты», которые могут выбрать из основных таблиц требуемые показатели данных и составить данную форму за любой год исследований. Например, отчет по форме 05 таблица «Характеристика пахотного горизонта почв реперных участков почв по содержанию макроэлементов за _____ год Республика Тыва ФГУ ГСАС «Тувинская»», можно найти в поле «Все объ екты Acces» – «Отчеты» – «ОФ05», который содержит данную информацию по любому году исследований.

Таким образом, на современном этапе в БД введены данные из паспортов реперных участков агроэкологического мониторинга за 17 лет. К настоящему времени БД занимает 19,6 Мб дисковой памяти. Всего 1082 записи.

Выводы

• 1.    База данных “Агропочвы Тувы” предназначена для хранения, корректировки и использования в научных и практических целях информации, полученной в результате агроэкологического мониторинга почв на территории Республики Тыва.

• 2.    Структура БД сформирована с учетом информации, разделенной на несколько блоков: 13 основных таблиц и 19 таблиц-справочников, 18 запросов и 15 отчетных форм.

• 3.    Существующий файл созданной БД сейчас включает 1082 записи по 22 реперным участкам региона.