=Paper=
{{Paper
|id=None
|storemode=property
|title=Информационная система поддержка мониторинга состояния крон деревьев международного экологического мониторинга ICP Forests на территории России
(Information System for Crown Condition Monitoring Support for the ICP Forests International Ecological Monitoring in the Russian Federation)
|pdfUrl=https://ceur-ws.org/Vol-934/paper40.pdf
|volume=Vol-934
|dblpUrl=https://dblp.org/rec/conf/rcdl/Shashkov12
}}
==Информационная система поддержка мониторинга состояния крон деревьев международного экологического мониторинга ICP Forests на территории России
(Information System for Crown Condition Monitoring Support for the ICP Forests International Ecological Monitoring in the Russian Federation)
==
https://ceur-ws.org/Vol-934/paper40.pdf
Информационная система поддержки мониторинга
состояния крон деревьев международного
экологического мониторинга ICP Forests
на территории России.
© М.П. Шашков
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН,
лаборатория моделирования экосистем,
г. Пущино.
max.carabus@gmail.com
Аннотация экстенсивный, интенсивный и интегрированный
мониторинг.
В статье описывается опыт разработки
информационной системы для сопро- 1.1 Организация мониторинга
вождения мониторинга состояния крон Мониторинг охватывает разные компоненты
деревьев в системе международного эколо- лесных экосистем и факторы среды: состояние крон
гического мониторинга ICP Forests на деревьев, скорость прироста и продуктивность
территории России. Система основана на древостоев, химический состав листвы и хвои,
открытой СУБД PostgreSQL. Применяется напочвенный растительный покров, химию почв,
для систематизации многолетних данных по фенологические явления, метеорологические пара-
мониторингу, является источником инфор- метры. На разных уровнях мониторинга наблюдение
мации для составления отчетов, ГИС и идёт за разным набором компонентов и с разной
моделирования экосистем. периодичностью. На первом уровне мониторинга
1. Введение ежегодно отслеживаются наиболее важные
параметры, на втором больший набор параметров
Начало процессов, приведших к организации несколько раз в год, а на третьем уровне может быть
международного экологического мониторинга непрерывное слежение с использованием электрон-
ICP Forests, было положено в 70-80х годах XX века, ных регистраторов и видеокамер.
когда в европейских странах сообщалось о Первый уровень – экстенсивный мониторинг:
повреждениях лесов, проявляющихся независимо от широкомасштабное наблюдение за первичными
видов деревьев, вызванных неизвестными причи- параметрами разных компонентов леса: состоянием
нами. Среди гипотез, объясняющих это быстро и крон деревьев, содержанием химических элементов в
широко распространившееся явление, наиболее листве и хвое, химией почвы. Наблюдения
подтвержденными оказались предположения о проводятся на основе регулярной транснациональной
повреждении биоты воздушными поллютантами, сети постоянных пунктов наблюдений (ППН) с
даже в районах, удаленных от источников шагом 16х16 км (32x32 км для бореальных лесов).
промышленного загрязнения [1]. Сеть мониторинга охватывает территорию более
В 1985 году было проведено первое совещание тридцати европейских стран и включает в себя более
рабочей группы ICP Forests по организации 7500 ППН. Основа мониторинга первого уровня -
мониторинга. Главной целью проекта стало наблюдение за процентом преждевременного опаде-
наблюдение за влиянием загрязнений воздуха на ния листвы (дефолиация) и преждевременного
леса. Постепенно были поставлены разнообразные пожелтения (дехромация). Кроме того, в российском
задачи разного уровня сложности. Первая из них, национальном мониторинге оценивают категорию
собственно основа мониторинга – приобретение санитарного состояния дерева (КСС). Периодичность
знаний о пространственной и временной изменчи- мониторинга: состояние крон оценивается ежегодно,
вости состояния лесов. Так как все экосистемные описание растительного покрова и анализ содержа-
процессы отследить чрезвычайно трудоёмко, ния химических элементов в хвое, листве и почве
мониторинг был разделен на три уровня: проводятся раз в 5 лет.
258
Мурманская область
республика Карелия
Ленинградская область
Псковская область
Новгородская область
Калининградская область
Рис. 1 Схема сети пробных площадей на территории России
Второй уровень – интенсивный мониторинг: Несмотря на то, что правительством СССР в
проводится на меньшем числе ППН, но при этом 1988 году было подписано соглашение о расшире-
оценивается большее число параметров, с большей нии сети мониторинга на территорию Советского
частой (несколько раз в год). Союза в 500-километровой полосе вдоль западной
Третий уровень – интегрированный монито- границы, реальные работы по организации сети
ринг: анализ лесных экосистем с целью более глу- были начаты только в 1997 году.
бокого понимания взаимодействия их компонентов
(проводится на небольшом числе участков).
259
Рис. 2 Схема Организации ППН (по Manual Visual Assessment of Crown Condition [5]
В России первые работы по мониторингу были точек учета (ТУ), на каждой из которых описано и
проведены на территории Ленинградской области в промаркировано как минимум 24 модельных дерева.
1997 и 2003 годах. В оба сезона мониторинг Схема организации ППН представлена на рис. 2.
единовременно не охватывал всю территорию
области и ни на одной ППН в этот период не было Для каждого модельного дерева при закладке
повторных описаний. С 2007 года начался новый ППН измеряется периметр ствола на «уровне груди»
этап развития мониторинга на территории России – (130 см от комля) и определяется происхождение
организация полноценной регулярной мониторин- (семенное или порослевое), а оценка параметров
говой сети. В течение 2007-2009 годов были состояния кроны и описание наблюдаемых симпто-
восстановлены (в Ленинградской области) и заново мов и повреждений производятся ежегодно. При
заложены более 700 ППН. В настоящее время в этом для описания одного симптома используется
России мониторинг ICP Forests ведётся на набор параметров: положение на дереве (какая часть
территории шести субъектов: Ленинградской, затронута), симптом, спецификация симптома,
Новгородской, Псковской, Калининградской, степень выраженности и давность возникновения.
Мурманской областей и республики Карелия. На Для всей ППН производится таксация древостоя.
территории республики Карелия и Мурманской Таксация древостоя и измерение периметров
области ППН были заложены по квадратной стволов производятся раз в пять лет. В процессе
расчетной сети 32х32 км, в остальных субъектах – этой работы заполняются бумажные ведомости,
16х16 км. Схема сети ППН на территории которые являются источником первичных данных.
Российской Федерации представлена на рис. 1. Для систематизации и обработки этих данных с
Каждая ППН представляет собой кластер из 4х первого года нового этапа мониторинга была начата
260
разработка специализированной информационной В настоящее время ИС лесопатологической
системы. части мониторинга ICP Forests состоит из двух
основных компонентов:
2. Информационная система 1. Базы данных
2. Пользовательского приложения.
Для упорядочения и обработки первичных
2.1 База данных
данных, собираемых в процессе полевых работ на
База данных состоит из 8 рабочих таблиц и 18
ППН, потребовалось создание информационной
справочников. Справочники организованы согласно
системы (ИС). Данная работа посвящена описанию
Руководству международной методики проведения
информационной системы обработки данных
исследований по проекту ICP Forest [5].
первого уровня по состоянию крон деревьев.
В системе мониторинга выделяют следующие
Рабочее название ICP Crown Condition Data Manager,
уровни организации:
версия 1.0. База по почвам, растительности и другим
1. Мониторинговая сеть
данным первого уровня разрабатывается и ведётся
2. Постоянный пункт наблюдений (ППН)
сотрудниками ЦЭПЛ РАН.
3. Точка учета (ТУ)
Задачи, решаемые данной информационной 4. Модельное дерево (МД)
системой: Эта иерархия отображена в структуре базы. В
базе имеются рабочие таблицы: расчетной сети,
1. Проверка первичных данных на корректность и
характеристик заложенных ППН, свойств точек
связность с ранее введенными данными
учета, характеристик модельных деревьев и значе-
2. Систематизация собранных данных. ний параметров ежегодного мониторинга. Еще один
3. Вычисление расчетных параметров (средние уровень не имеет собственной рабочей таблицы –
показатели дехромации, дефолиации, категории повреждаемые части дерева. Однако имеется спра-
санитарного состояния, а также параметры вочник, коды из которого используются при описа-
таксации древостоя) на разных территориальных нии симптомов и повреждений. Таким образом,
уровнях организации мониторинга (ППН, элементарная единица базы – модельное дерево.
лесничество, субъект). Рабочие таблицы связаны между собой
4. Подготовка к полевым работам: генерация иерархическим ключом, по шаблону
карточек со списками модельных деревьев для РРПППТТДДГГ, где
внесения данных при обследовании ППН, РР – код субъекта,
напоминание о необходимости проведения на ППП – номер ППН в данном субъекте,
ППН тех или иных работ. ТТ – код точки учёта,
ДД – номер модельного дерева
5. Предоставление пространственных данных для
визуализации в ГИС. ГГ – две крайние цифры года мониторинга.
В зависимости от таблицы (блока данных) этот
6. Формирование запросов (представлений) для
ключ имеет ту или иную длину (минимум,
экспорта данных во внешние базы данных.
идентификатор ППН – первые пять цифр).
Разработка данной системы начата с первого Кодировка справочников задана согласно
полевого сезона регулярного мониторинга в 2007 году Руководству [5], субъектов - согласно порядковому
в национальном координационном центре (ЦЭПЛ номеру в первой редакции Конституции (от 25
РАН), затем в течение 2008-11 годов продолжалась в декабря 1993 года), также часто называемой
Центре защиты леса Ленинградской области (г. Санкт- «кодировкой ГИБДД».
Петербург), с 2012 года разработка продолжается в Первичная информация в базе объединена в
Институте физико-химических и биологических четыре логических блока:
проблем почвоведения РАН (г. Пущино). 1. Описание ППН
Для разработки информационной системы была 2. Данные таксации древостоя
выбрана открытая клиент-серверная СУБД 3. Оценка состояния крон
PostgreSQL [3]. Данная СУБД позволяет создавать 4. Описание симптомов и повреждений.
сложные базы с представлениями, хранимыми Пример списка параметров, входящих в эти
процедурами, а также разрабатывать на их основе блоки, приведен в таблице 1, схема базы данных
веб-ориентированные системы. представлена на рис. 3.
261
дехромации
Рис. 3 Информационная структура базы данных состояния для
крон деревьев модельного
экологического дерева ICP
мониторинга (по
Forests
Так как база основана на реляционной модели, в коду) и прочие. Функции написаны на встроенном
таблицах хранятся только первичные данные, для процедурном расширении SQL для PostgreSQL –
вычисления расчетных параметров используется PL/pgSQL.
система запросов. Только для параметров, расчет По данным таксации древостоя рассчитываются
которых может занимать много времени, допуска- формула древостоя, бонитет, полнота и страта. Для
ется создание временных полей или временных этого используются справочники бонитетов, возрас-
таблиц с рассчитанными параметрами. тов рубки (для определения группы возраста), типов
Для удобства написания запросов, в базе опреде- леса, полнот и запасов. Для расчета страты исполь-
лен набор пользовательских функций (хранимых зуется следующий набор функций для вычисления:
процедур). Среди них функции, возвращающее группы возраста, полноты, бонитета, возраста
среднее значение дефолиации по номеру ППН и рубки.
году мониторинга или, например, актуальной
262
Таблица 1 Первичные и расчетные параметры, диапазонам, нет ли «оживших» деревьев из числа
содержащиеся в базе перешедших в состояние сухостоя, выбраны ли
Блок данных Параметры в Расчетные новые модельные деревья взамен погибших и т.д.
таблицах параметры Для вывода расчетных данных предусмотрена
(первичные (представления) форма работы с запросами. Используя заранее
данные) заданный набор запросов, предоставляемый фор-
мой, можно вывести необходимые расчетные
Таксация высота, возраст, полнота, параметры на выбранные территории (субъект или
древостоя сумма площадей бонитет, лесничество). Полученные данные можно сохранить
сечений формула в виде таблицы CSV.
древостоя,
запас, страта 3 Практическое применение и
перспективы развития информационной
Описание дата закладки,
ППН координаты, тип системы
леса, ТЛУ, С первого года разработки ИС является
рельеф, возраст источником данных для формирования отчетов по
древостоя и мониторингу ICP Forests на территории России,
проч. сначала в ЦЭПЛ РАН, а затем ЦЗЛ Ленинградской
области [2]. С 2008 года, данные из ИС импортиру-
Модельные вид дерева, средние ются в интегрированную базу данных мониторинга
деревья и диаметр, показатели ЦЭПЛ РАН. ИС также является источником данных
состояние возраст, дехромации и для верификации модели динамики лесных экосис-
кроны происхождение, дефолиации на тем EFIMOD [6]. В 2009 году данная разработка
дехромация, ППН, была взята за основу для создания федеральной
дефолиация лесничество, лесопатологической базы, т.к. на большей части
субъект субъектов РФ мониторинг также проводится на
ППН, но на основе стратификационной сети.
Симптомы и часть дерева,
Как видно, применение данной разработки
повреждения симптом,
весьма разнообразно и затрагивает деятельность
спецификация
нескольких организаций, поэтому в дальнейшем
симптома,
необходима разработка веб-приложения для автори-
возраст
зированного доступа к данным через Internet. В
симптома,
настоящее время есть два варианта передачи соби-
степень, причина
раемых данных в базу:
1. бумажные носители –> пользовательская форма
2.2 Пользовательское приложение –> база
Графический интерфейс пользователя 2. бумажные носители –> файлы Excel (по
реализован в интегральной среде разработки (IDE) шаблону) –> база.
Turbo Delphi. Приложение содержит несколько В дальнейшем возможно разработка еще двух
форм для проверки, ввода, импорта, просмотра и вариантов:
редактирования данных. Набор форм отображает 3. КПК –> база
блоки данных базы: характеристики ППН, 4. ввод данных в базу (с любого носителя) через
состояние крон, симптомы и повреждения, таксация веб-форму
древостоя. Пространственная информация, имеющаяся в
Вводить данные в базу можно как через базе, позволяет использовать её (базу) как источник
визуальную форму, так и путем импорта с карточек, данных для геоинформационных систем (ГИС). Для
заполненных в виде файлов Excel (аналогичных визуализации используется открытая ГИС
бумажным ведомостям). Перед импортом произ- QuantumGIS [4]. Пространственная информация
водится проверка данных на корректность и представлена в виде абсолютных данных (геогра-
соответствие (связность) с данными ранее введен- фические координаты) и относительных (указания
ными в базу. Например, для всех ли модельных на субъекты и лесничества). В первом случае по
деревьев была произведена оценка кроны, данным базы можно строить точечный векторный
соответствуют ли вводимые параметры допустимым слой, во втором случае для визуализации надо
263
использовать уже готовый полигональный слой u_sostoyaniya_lesov_po_programme_ICP_Forests
(административного или лесохозяйственного _v_2010_godu.pdf (дата обращения: 02.09.2012)
территориального деления). [3] PostgreSQL: The world`s most advanced open
В качестве еще одной перспективы развития ИС source database. Available from
http://www.postgresql.org Accessed May 2012.
можно предположить интерактивную карту, на
которой будет отображаться состояние сети в тот [4] Quantum GIS - Open Source Geographic Infor-
mation System. Available from
или иной год, а также изменения по сравнению с
http://www.qgis.org Accessed May 2012
предыдущими годами (для открытого доступа).
[5] Manual of methods and criteria for harmonized
Можно считать, что ядро ИС к настоящему sampling, assessment, monitoring and analysis of
времени сформировано и успешно функционирует. the effects of air pollution on forests. Part II.
Дальнейшая разработка должна идти по пути Visual Assessment of Crown Condition. Updated
развития интерфейса (для удобства ввода и 06/2006. Availible from http://www.icp-
forests.org/pdf/Chapt2_compl06.pdf Accessed
манипуляций с данными), визуализации результатов
June 2012.
(отслеживание динамики на уровне отдельных
[6] Chertov О., Komarov A., Loukianov A., Mikhai-
деревьев, ППН, лесничеств и регионов), форми- lov A., Nadporozhskaya М., Zubkova E. The use
рования отчетов и подробных характеристик ППН (с of forest ecosystem model EFIMOD for research
указанием сводной информации, необходимых and practical implementation at forest stand, local
работ и т.п.). К двум уже имеющимся компонентам and regional levels // Ecological modeling, 194,
(база и пользовательский интерфейс), для 2006. P. 227-232.
превращения в полноценную систему необходимо
The Monitoring Information System for
добавить компонент ГИС и веб-интерфейс.
Crown Condition Monitoring Support in
Литература International Ecological Monitoring ICP
Forests in Russian Federation
[1] Руководство по методам и критериям согласо-
ванного отбора проб, оценки, мониторинга и Maxim P. Shashkov
анализа влияния загрязнения воздуха на леса. The development practices of information system
Часть I. Структура и функции ICP Forests. for crown condition monitoring support in system of
URL: http://www.icp- international ecological monitoring ICP Forests in
forests.org/pdf/Rmanual1.pdf (дата обращения : Russian Federation described in this paper. The system
15.05.2012). based on object-relational database management system
[2] Синкевич А. Е., Костяев М. Г., Глебов Р. Н. PostgreSQL. This system used for systematization
Состояние лесов по результатам мониторинга perennial information of monitoring, is data source for
по программе ICP Forests в 2010 году (отчет). reports, GIS and ecosystem modeling.
URL:
http://czlspb.ru/fs/files/289/Otchet_po_monitoring
264