Информационная профильно-географическая модель почвы как основа почвенной информационной системы (2010)

[Ortstein]

Код: Выделить всё

Иванов А. В., Рыбальский Н. Н. Информационная профильно-географическая модель почвы как основа почвенной информационной системы // Использование и охрана природных ресурсов в России. — 2010. — Т. 6, № 114. — С. 25–28.

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПРОФИЛЬНО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЧВЫ КАК ОСНОВА ПОЧВЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Иванов А.В., доктор биологических наук, в.н.с. кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова
Рыбальский Н.Н., аспирант кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова

Ключевые слова:
Почвенная информационная система, модель почвы, информационная профильно-географическая модель, минимальная информационная почвенная единица, индексированный показатель свойства почвы, почвенная система координат, квант почвенной информации, атрибутивная БД почв.

Аннотация:
Цель данной публикации – описать подход к созданию информационной модели описания почвы и интерпретировать ее как математический объект. Приведена принципиально новая физическая модель атрибутивной почвенной БД, основанная на информационной профильно-географической модели.

Введение

Расширение спектра возможностей получения почвенных данных, обусловленное развитием современных цифровых методов, таких как обработка ДДЗ, геостатистика, педометрика и цифровое почвенное картографирование приводит к острой необходимости ускорения получения информации нового качества с использованием почвенных информационных систем (почвенных ИС).

Исследование современного состояния зарубежных и российских разработок в области использования информационных технологий (ИТ) для работы с почвенными данными показало, что сейчас наиболее актуальными являются почвенные ИС, в которых присутствуют три компонента: геоинформационные системы (ГИС), обеспечивающие функциональность работы с пространственными данными; реляционные базы данных (БД), обеспечивающие функциональность работы с множеством физико-химических показателей свойств почв, и использующие принципы сети Интернет, обеспечивающие функциональные возможности доступа к используемым данным в реальном времени и многопользовательском режиме (Иванов, Сафрошкин, Рыбальский, 2008). На данный момент в России не существует актуальной почвенной ИС такого типа, в то время как в мире уже действует несколько десятков подобных систем – от регионального до глобального уровня (e-SOTER - esoter.net, ESDB - eusoils.jrc.ec.europa.eu/esdb _Archive/esdb, ASRIS - asris.csiro.au, NSDB - http://sis2.agr.gc.ca/cansis/nsdb, NASIS - soils.usda.gov/technical/nasis).

Поскольку реализация подобных систем обеспечивается возможностями современной вычислительной техники, мы считаем, что их создание тесно связано с решением фундаментальной проблемы математизации почвоведения – созданием класса моделей, соединяющих предметную составляющую почвоведения с формально-логической (Иванов, Рыбальский, 2010). Рассматривая модель как инструмент формализации свойств объекта и потенциальных возможностей его изучения с помощью математических расчетно-логических методов, выделим три основные группы почвенных моделей – классификационные, физико-математические и информационные.

Классификационные модели оперируют с категориями и понятиями, имеющими смысловое значение почвенных объектов. Объектная семантика этих категорий и понятий крайне ограничивает возможности использования математических методов в данных моделях. Формализация в классификационных моделях преимущественно сводится к какому-либо методу кодирования или шифрования с целью сжатия и сокращения потоков передаваемой информации. Типичным примером классификационных моделей является периодическая система химических элементов, описывающая вещественный состав соединений в виде химических формул. В классификационных моделях почвы описываются в виде вербальных модельных объектов - классов, а процессы и факторы - в форме вербальной логики высказываний (Добровольский Г.В., Трофимов С.Я., 1996).

Физико-математические модели, в отличие от классификационных, работают с категориями и понятиями, имеющими смысл показателей свойств почвенных объектов. Этот класс моделей позволяет привлекать широкий спектр математических методов исследования. Однако они ограничены рамками соответствующей семантики категорий и понятий, вследствие чего в используемый математический аппарат трудно, практически невозможно, включить объектные показатели и понятия, специфические для почв и почвенных тел. В результате чего, описание и познание почвы, как цельного и самостоятельного природного объекта, растворяется во множестве частных физико-математических моделей.

Информационные модели представляют собой симбиоз классификационных и физико-математических моделей. Основанные на информационных технологиях, они описывают почву с любой степенью точности в форме информационных объектов и позволяют преодолеть основные недостатки описанных выше классов моделей, связанные с различной семантикой почвенных категорий и понятий.

Поскольку в качестве центрального ядром современных почвенных ИС служат атрибутивные базы данных, содержащие описание свойств конкретных почв и их показатели, то исходным шагом является разработка информационной модели описания почвенного профиля.


Информационная профильно-географическая модель описания почвы

Основная идея модели заключается в установлении связей между семантически различными категориями, имеющими смысл показателей свойства и элементов строения почвенных тел. Данная операция представляется возможной, если использовать современные представления об уровнях иерархической организации строения почвенных тел и рассматривать используемые в почвоведении категории и понятия как некоторые множества.

Центральное понятие информационной профильно-географической модели описания почвы – минимальная информационная почвенная единица (SUmin) – наименьший однородный набор информационных элементов, связывающих два пространства – множества показателей свойств почв и множества почвенных объектов.

Рассмотрим базовые понятия, используемые для создания модели:

Показатель свойства почвы – поименованное определение какого-либо объекта, процесса или его результата. Наименование показателя является одной их характеристик любого свойства, описывающего какой-либо почвенный объект, например профиль – географические координаты, классификационное положение, микрорельеф; почвенный горизонт – цвет, индекс горизонта, гранулометрический состав; морфологический элемент – новообразование, зоогенные элементы, растительные остатки; почвенный образец – содержание SiO2, емкость поглощения и т.д.

Метод определения значения показателя свойства почвы – поименованный способ, с помощью которого определяется значение показателя свойства почвы. Одному показателю могут соответствовать несколько методов, например, для показателя географических координат могут быть следующие методы: с использованием GPS, с использованием топографической карты, с использованием Google Earth и т.д.; для показателя SiO2 в почве: гравиметрический, фотометрический, атомно-абсорбционный и др.

Значение показателя свойства почвы – количественная или поименованная качественная мера степени проявления свойства почвенного объекта, определенная одним из методов. Пример: значения показателя географических координат по методу «с использованием GPS» - 55.69167 37.53433, «с использованием Google Earth» - 55°45′20.83″ с. ш. 37°37′03.48″ в. д.; значения показателя пористость - тонкопористое, пористое, губчатое и т.д.

Почвенный объект – любой элемент строения почвы, рассматриваемый или анализируемый как ее целостная, условно однородная часть и характеризующийся значением какого-либо показателя.

Для формализации показателей, методов и значений, применяется индексация – метод упорядочения и установления связей между информационными объектами с использованием индексов. Рационально использовать самый простой – числовой способ индексирования – присвоение объекту индексации порядкового номера. Чаще всего индексирование подразумевает однонаправленную задачу – нахождение объекта по его индексу, однако ничто не запрещает обратного решения – нахождения индекса по какому-либо значению индексируемого объекта. В этом случае объект индексирования и индекс, сохраняя свои собственные значения, обмениваются только смысловым содержанием процедуры индексирования. Вторая функция индексации, кроме упорядочения, – установление реляционных отношений между индексируемыми объектами по одинаковым индексам, которые в этом случае называются ключевыми индексами или ключами (К. Дж. Дейт, 2008).

Совокупность проиндексированных почвенных объектов и понятий образует разнообразные счетные, конечные и бесконечные множества. Согласно смысловому значению формализованные с помощью числовых индексов объекты и понятия можно объединять в группы и говорить о соответствующих пространствах и подпространствах.

Пространство почвенных показателей - множество категорий и понятий, отражающих смысл, степень проявления и метод определения значения свойств почв. Пространство почвенных показателей составляют: показатели свойств почв, методы определения значений показателей свойств почв и значения показателей свойств почв – в дальнейшем – множества показателей, методов, значений.

Пространство почвенных объектов - множество категорий и понятий, характеризующих пространственное строения почвенного тела. С учетом специфики его изучения можно выделить: профили, горизонты, морфологические элементы (в пределах почвенных горизонтов) и образцы (часть почвенного горизонта, отбираемая для физико-химических анализов) при изучении вертикального строения почвы; площадные (контура, полигоны), линейные (трансекты, катены) и точечные элементы (разрезы, профили), используемые при географическом изучении почв.

Формально пространство почвенных показателей может быть выражено с помощью индексированного показателя свойства почвы – тремя числовыми индексами (IndicatorID. MethodID. ValueID), через которые устанавливается связь с содержательным смыслом показателей, методов и значений, описанным и зафиксированным в форме метаописаний в соответствующих таблицах реляционной базы данных (indicator, method, value).

Для формализации объектных категорий и понятий имеет смысл выйти из привычных физических пространственных представлений и ввести систему координат почвенных объектов или почвенную систему координат – способ задания и определения положения отдельных элементов строения почвы в пространстве почвенных объектов с помощью набора числовых индексов. В качестве возможных решений использована иерархия пространственной вложенности условно однородных элементов строения почвы – профиль → горизонт → морфологический элемент в двух вариантах: в форме профильных осей координат IndicatorID, HorizonID, MorphonID, где роль координат почвенного объекта или почвенных координат играют уникальные числовые значения идентификаторов; и в форме прямого уровневого описания иерархического дерева объектов (ObjectID), где вложенные элементы описываются системой идентификаторов (ParentOID), ссылающихся на идентификатор родительского объекта. В обоих случаях каждый объект характеризуется дополнительным индексом, указывающим на различие объектов, находящихся на одном и том же координатном уровне или ветви вложенности (ObjectTypeID) (рис. 1).




Рис. 1. Координатные уровни и типы почвенных объектов

Таким образом, можно определить минимальную информационную почвенную единицу как однородный информационный элемент, состоящий их индексированного показателя свойства почвы, координат и типа почвенного объекта:

SUmin = [IndicatorID, ValueID, MethodID, ProfileID, HorizonID, MorphonID, ObjectTypeID])
или: SUmin = [IndicatorID, ValueID, MethodID, ObjectID, ObjectTypeID]).

SUmin представляет собой наименьшую порцию информации, имеющей почвенный смысл и передаваемую в вербальных утверждениях, то есть играет роль своеобразного кванта почвенной информации, которым описывается многообразие почвенных тел. Ее внутренняя структура связывает категорий пространств почвенных показателей и почвенных объектов: с одной стороны, позволяя по значению показателя восстановить объект, к которому относится показатель или, наоборот, по объекту восстановить показатели, которыми характеризуется данный объект; а с другой стороны, позволяет описывать почвенное тело как множество однородных элементов с формальными правилами и языком, определяемыми индивидуально для всей совокупности элементов SUmin⦗i⦘, выборки из SUmin⦗i⦘ и отдельных элементов внутренней структуры информационного кванта.

Использование минимальной информационной почвенной единицы для описания почвенного профиля S имеет простую математическую и географическую интерпретацию. В координатном представлении это массив индексированных показателей свойств почв, отбираемых из глобальной выборки SUmin⦗i⦘ по условию ProfileID=const, а в объектном – дерево многомерных ассоциативных массивов гетерогенных данных индексированных показателей свойств почв в индексированном пространстве почвенных объектов. Если в состав показателей уровня почвенного профиля включены известные географические координаты, то математический объект S представляет собой развернутое описание почвенного профиля в вертикальном направлении (в пространстве профильных осей почвенной системы координат) и точечный (пиксельный) элемент на географической карте (в пространстве географических осей координат).


Атрибутивная почвенная БД

Основная практическая реализация информационной профильно-географической модели – разработка атрибутивной почвенной базы данных, проводимой в рамках совместного проекта факультета почвоведения МГУ им. М.В Ломоносова и Почвенного института им. В.В.Докучаева (Колесникова, Алябина и др., 2010). В качестве важнейшего требования к проектированию данной БД ставилась задача наиболее полной инвентаризации разнообразных почвенных данных.

Принципиально новая физическую модель атрибутивной почвенной БД, разработанная на основе концепции информационной профильно-географической модели почвы представлена на рис. 2 и состоит из пяти блоков:

1. блок хранения измеренных почвенных данных,
2. блок индексированных показателей свойств почв,
3. блок почвенных объектов,
4. блок источников почвенных данных,
5. блок пользователей,
6. блок добавочных данных.



Рис. 2. Физическая модель атрибутивной почвенной БД

Блок хранения измеренных почвенных данных построен с использованием минимальных информационных почвенных единиц и разделен на четыре таблицы в зависимости от метода ввода/вывода и типа данных (базовые таблицы r_data, n_data, f_data, c_data). Таблица r_data – предназначена для хранения ссылочных показателей – вводимых и выводимых с использованием описанных в блоке почвенных показателей классификаторов. Другие таблицы предназначены для хранения значений показателей, вводимых корреспондентом: n_data – целочисленных, f_ data –дробных числовых, c_data –символьных значений показателей.

Блок индексированных показателей свойств почв состоит из базовых таблиц indicator, method, value, содержащих формализованные списки и полные метаописания показателей, методов определения значений и ссылочных значений свойств почв, используемых для ввода/вывода данных. Выходными параметрами этого блока являются: идентификатор показателя (IndicatorID), идентификатор метода определения показателя (MethodID) и собственно значение показателя в виде ссылочного идентификатора (ValueID) или вводимого значения (Value).

Блок почвенных объектов предназначен для описания координат и типа объектов в иерархии профиль, горизонт, морфон, образец (базовые таблицы object, profile). Выходным параметром этого блока является идентификатор почвенного объекта (ObjectID).

Блок источников почвенных данных предназначен для описания источников данных (базовая таблица source).

Блок пользователей предназначен для разделения ролей различных участников – корреспондентов, администраторов и незарегистрированных пользователей в сборе данных и организации доступа к данным (базовая таблица user).

Блок добавочных данных предназначен для ввода дополнительной неорганизованной информации (таблицы images, commentary).

Использование информационной профильно-географической модели почвы как основы для БД, позволяет избежать основных недостатков существующих почвенных БД, связанных с проблемами полноты и точности описания предметной области и требованиями к ним, как элементов ИС.


Заключение

Отличием атрибутивной БД почв, построенной на основе информационной профильно-географической модели почвы, является возможность наиболее полного описания показателей свойств почв, используемых для разнообразных классификационных и аналитических целей. Это достигается использованием оригинальной физической структуры БД, обеспечивающей ее масштабируемость и открытость для использования в составе почвенных ИС.

Интернет-адреса ресурсов для использования результатов работы по проекту http://db.soil.msu.ru, http://open.soil.msu.ru.

Работа выполняется при поддержке РФФИ, грант №_09-07-00315-а.

Литература
1. Добровольский Г.В., Трофимов С.Я. Систематика и классификация почв (история и современное состояние): Учеб. Пособие. – М.: Изд-во МГУ, 1996. – 80 с.
2. Иванов А.В. Рыбальский Н.Н. Информационная профильно-географическая модель почвы. Бюллетень "Использование и охрана природных ресурсов в России". - М.: НИА "Природа", №5 (113), 2010. - с. 68.
3. Иванов А.В., Сафрошкин В.Ю., Рыбальский Н.Н. Сетевые почвенные информационные системы и цифровые модели почв. Научный сервис в сети Интернет: решение больших задач: Труды Всероссийской научной конференции (22-27 сентября 2008 г. Новороссийск). – с. 448
4. К. Дж. Дейт. Введение в системы баз данных. – 8-е изд. – М.: «Вильямс», 2006. – с. 359-364.
5. Колесникова В.М., Алябина И.О., Воробьева Л.А., Молчанов Э.Н., Шоба С.А., Рожков В.А. Почвенная атрибутивная база данных России. Почвоведение, 2010. №8. с. 1-10.

Код: Выделить всё

Иванов А. В., Рыбальский Н. Н. Информационная профильно-географическая модель почвы как основа почвенной информационной системы // Использование и охрана природных ресурсов в России. — 2010. — Т. 6, № 114. — С. 25–28.

Information profile-geographical model of soil as foundation of soil information system

Ivanov A.V., Doctor of Biological Sciences, Senior Researcher of Department of Soil Geography, Soil Science Faculty, Moscow State University
Rybalskiy N.N., PhD student of Department of Soil Geography, Soil Science Faculty, Moscow State University

Key Words:
Soil Information System, a model of the soil, information profiled geographical model, minimal soil information unit, indexed indicator of soil property, soil coordinate system, the quantum of soil information, attribute database of soil.

Summary:
The purpose of this publication – to describe the approach to developing soil information model and to represent soil as a mathematical object. Proposed a fundamentally new physical model of the soil attribute database based on information profiled geographic model.