Цифровая модель почвы (2020)

Авторский архив научных публикаций по почвоведению и наукам о Земле
Ответить
Аватара пользователя
Ортштейн
Администратор форума
Сообщения: 79
Зарегистрирован: Сб фев 23, 2013 5:28 pm

Цифровая модель почвы (2020)

Сообщение Ортштейн » Пт дек 18, 2020 9:02 pm

book.png

Ссылка для цитирования: Выделить всё

Рыбальский Н. Н., Иванов А. В. Цифровая модель почвы. — Издательские решения Москва, 2020. — 237 с.
КУПИТЬ КНИГУ: https://ridero.ru/books/cifrovaya_model_pochvy/

Фрагмент книги:

В книге приводятся результаты исследований по изучению информационных взаимоотношений и разработке методов формализации основных понятий предметной области — почвоведения, необходимых для перехода от визуально доступных форм хранения почвенных документов к электронным формам, для того, чтобы создать семантическую модель описания почв в виде почвенной информационной системы. Издание рассчитано на широкий круг специалистов, работающих на стыке почвоведения и информационных технологий.

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ПОЧВЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Общие сведения
Предпосылки и этапы создания почвенных информационных систем
СОВРЕМЕННЫЕ ПОЧВЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Почвенная информационная система SOTER
Почвенная информационная система CanSIS
Почвенная информационная система ASRIS
Почвенная база данных Европы ESDB
Почвенные информационные системы и базы данных США
Почвенная база данных WISE
Всемирная гармонизированная почвенная база данных HWSD
Цифровая почвенная карта мира – GlobalSoilMap.net
Другие почвенные информационные системы и базы данных
ОГРАНИЧЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПОЧВЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
ОБЗОР МОДЕЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПОЧВЕ
УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ПОЧВЫ
Модельные представления в почвоведении
Принцип квантования
Семантическая модель описания почвы
Разработка системы формализации почвенных метаданных
Проектирование основы почвенной информационной системы – атрибутивной БД
Вывод картографической информации в Интернет
СТЕПЕНЬ НЕОДНОРОДНОСТИ ПРИ ОПИСАНИИ ПОЧВЕННОГО РАЗРЕЗА ПО РАЗНЫМ СИСТЕМАМ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПОЧВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
ОПИСАНИЕ ТАБЛИЦ С МЕТАДАННЫМИ
Блок хранения измеренных почвенных данных
Блок индексированных показателей свойств почв
Блок почвенных объектов
Блок источников почвенных данных
Блок пользователей
ИНДЕКСИРОВАННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СВОЙСТВ ПОЧВ
Метаданные показателей свойств почв – таблица indicator
Метаданные методов определения значений показателей свойств почв – таблица method


ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная книга является плодом кандидатской диссертации «Семантическая модель описания почв и почвенная информационная система», защищенной под руководством моего учителя Александра Васильевича Иванова на кафедре географии почв факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова в 2012 году; эта работа была пиком трудов по информатизации почвоведения, которыми мы занимались с 2006 года.

К сожалению, книга выходит с опозданием в пять долгих лет; она должна была появиться на свет в 2015 году, но внезапная кончина А. В. Иванова и последующая после этого моя депрессия и даже в некотором роде травма по отношению к данному научному исследованию (почему так получилось — будет сказано ниже) затянули процесс издания книги… Прежде, чем начать научное повествование, хотел бы рассказать о своем пути в науку, о своем учителе, и о том, как развивалась наша работа.

Путь ведущего научного сотрудника кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ, доктора биологических наук, доцента Александра Васильевича Иванова начался с окончания физфака МГУ (1978); затем последовала работа на кафедре физики Ярославского государственного технического университета (1978—1999); в 1983 г. окончена аспирантура факультета почвоведения на кафедре физики и мелиорации почв и защищена кандидатская диссертация на тему «Диагностика состояния железа в почвах методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии» (1984). С 2000 г. Александр Васильевич являлся сотрудником факультета почвоведения МГУ, где в 2003 г. защитил докторскую диссертацию «Магнитное и валентное состояние железа в твердой фазе почв». Будучи сотрудником факультета, в течение ряда лет руководил Зональной практикой; читал спецкурсы; под его руководством защищали научные работы аспиранты и студенты. Соросовский доцент (1997, 1999). Автор около 80 публикаций, в том числе монографии «Магнетизм почв» (1995). У Александра Васильевича был крайне широкий спектр научных интересов: магнетизм почв (изучение состояния железа в почвах с помощью магнитных измерений и Мёссбауэровской спектроскопии), современные информационные технологии (программирование, создание баз данных и веб-приложений).

Александр Васильевич был просто… хорошим человеком. Это редкая характеристика, если давать ее искренне, а не как шаблонный штамп ради соблюдения приличий. Василич был добрым, веселым, отзывчивым человеком.. Вот только сейчас вспомнил — а ведь наши пути первый раз пересеклись еще задолго до научных изысканий. Впервые я с ним обособленно встретился в «зоналке» (зональная полевая практика для студентов 2-ого курса), которую он вел. Будучи шальным студентом, я попал там в щекотливую ситуацию, и он повел себя в высшей степени корректно. Но это отдельная история, которую быть может я расскажу на страницах другой книги.

В общем, такие "бриллианты", как мой учитель практически не встречаются в нынешние шкурные времена. Я очень рад, что мне довелось провести с ним немало часов.

Наше научное знакомство началось с того, что в спешке и с большим опозданием (в несколько недель — о бурная и глупая молодость!) пришел к Александру Васильевичу с понурой головой как побитый щенок — уже скоро защита курсовых, а я только-только пришел познакомиться с научником. В то время, я был случайным пассажиром на факультете почвоведения; всю юность мечтавший быть рок-музыкантом (коим в итоге в какой-то мере и стал) и не высовывающий нос из-за компьютера; на факультет поступил, чтобы не идти в армию — мой отец, известный эколог и выпускник факультета почвоведения, предложил мне туда поступать, когда я был в 10 классе — я в меру пассивности по отношению к своей судьбе (лишь бы в армию не идти; все мысли были только о музыке и других подростковых заботах) согласился, пару лет ходил к репетиторам и с некоторой протекцией — поступил на факультет. Учился с половинки на четвертинку, как-то сдавая сессии и не особо получая удовольствие от обучения (за исключением разудалых полевых практик), чувствуя себя несколько чужим на этом празднике жизни, — к тому времени серьезно увлекся интернетом, ИТ, созданием веб-сайтов и сильно жалел, что учусь не на мехмате или каком-то другом факультете с фокусом в информационные технологии.

Именно с таким бэкграундом и настроем первый раз увидел Александра Васильевича. Я как только мог откладывал знакомство с научным руководителем, и когда уже деваться было некуда и считай объявили дату защиты курсовых работ — наконец-то набрался храбрости с ним встретиться, не зная что ожидать.. Ну а что можно ожидать, когда ты учишься на факультете, где изучается дюжина разных химий от аналитической до коллоидной, которые от тебя бесконечно далеки…

Встреча меня удивила. Конечно, АВИ (так Александр Васильевич себя величал в компьютерной вселенной) как следует меня наругал, было за что. Но меня удивило, что сразу увидел в нем «своего» — человека, который знает с какой стороны мышку в порт воткнуть; что на нашем факультете в то время было большой редкостью. Начиная с первого курса, я сделал пару-тройку разных неофициальных студенческих сайтов факультета, наблюдая вокруг довольно дремучее в плане работы в интернете сообщество; а тут, повстречавшись мы сразу нашли точку соприкосновения — АВИ как раз разрабатывал первый сайт факультета на CMS — это было новое поколение сайтов, которые я и сам-то еще не успел изучить в своих домашних любительских изысканиях.

Александр Васильевич сразу же смог завоевать мое внимание (что редко удавалось кому-то из преподавателей) своей технической подкованностью — и мы нашли точки соприкосновения в плане интереса в интернет-технологиях. Первая встреча, конечно, прошла на повышенных тонах из-за моего столь позднего прихода («Виноват я, виноват, Александр Васильевич!»), но я стойко терпел поругания и обещал исправиться. В кои-то веки удалось найти на факультете то, что действительно меня заинтересовало — окно в информационные технологии. И открыл его для меня Александр Васильевич.

Я в спешке написал курсовую работу, буквально за пару дней. На основе своих прошлых наработок по сайтостроению, сделал сайт-портал по почвоведению; получилась довольно симпатичная страничка; не чета современным сайтам, но, наверное, лучшее, что существовало в 2006 году в русскоязычном сегменте сети в рамках нашей, тогда еще практически не представленной в интернете предметной области — почвоведения. С текстом курсовой мне помог мой отец — просидел со мной целый день, помогая делать литобзор; помогали и его коллеги — с поиском материалов для списка литературы. В свое оправдание скажу, что это был первый и единственный раз, когда мне кто-то помогал писать научную работу; в дальнейшем осознал, что научные изыскания — это одно из тех занятий, что приносят мне удовлетворение. Название курсовой было громкое: «Анализ интернет ресурсов в сфере земельных ресурсов и почв и создание популярного Национального почвенного интернет-портала (ПОЧВА.РУ)» (2006), не совсем соразмерное сайту, который я наваял, но в то время и такой сайт был в диковинку.

Защита курсовой прошла на удивление неплохо; по крайней мере ожидал как минимум забиения камнями — учитывая то, что это была, наверно, первая курсовая работа по такой неканоничной («Сайт? В интернете? По почвоведению? Зачем он нужен?») теме на факультете. Но видимо мой энтузиазм в представлении сайта и горячая поддержка Александра Васильевича, который увидя мое выступление, видимо, во мне что-то разглядел — помогли, и защита прошла успешно.

К слову, именно в этот момент в моей жизни начался коренной пересмотр приоритетов. В первую очередь это было связано с тем, что я встретил свою любовь — однокурсницу Веру Долгинову (впоследствии также и моя коллега в плане научных изысканий) — примерную студентку-отличницу, которая видя мое к ней внимание, четко дала понять, что с троечником встречаться она не собирается, так что пришлось взяться за учебу… На третий год обучения крайне сложно было наверстать упущенные знания, но упорным трудом и благодаря поддержке Веры постепенно стал учиться на «отлично». Немаловажную роль сыграл в этом и Александр Васильевич, который благодаря нашему сходству интересов в сфере интернет-технологий сильно добавил мне мотивации заниматься наукой.

Но это было потом, а сейчас, сразу после защиты моей первой и в некотором роде «коллективной» курсовой, АВИ еще разок меня как следует поругал в воспитательных целях, хоть и отметил, что сайт получился неплохой. В дальнейшем наша работа с Александром Васильевичем стала налаживаться. У нас был общий интерес в создании почвенного интернет-портала, который мы совместными усилиями довольно быстро реализовали. В процессе его реализации и анализа зарубежных интеренет-сайтов коллег-почвоведов мы наткнулись на упоминание проекта по базам данных (БД) — European Soil Database, крайне им заинтересовались (ведь они выложили все материалы в открытом доступе в интернет!) и осознали гигантскую пропасть отставания отечественных разработок в плане нового и наиболее актуального направления развития информатизации в почвоведении — а именно создания БД с использованием современных интернет-технологий. С этого начался новый этап наших научных изысканий.

В процессе изучения вопроса стало понятно, что и наши зарубежные коллеги при всей своей видимой ИТ-продвинутости (в рамках нашей предметной области) пользуются довольно устаревшими технологиями; и нам показалось, что даже наших скромных сил может хватить для того, чтобы совершить рывок в данном направлении — достаточно лишь было первыми освоить самые свежие ИТ-разработки. Но после начала работы в данном направлении, к нам пришло понимание главных проблем информатизации почвоведения — отсутствие формализации и огромное количество показателей свойств почв, полученных разными методами. Все существующие на тот момент БД были негармонизированы, несовместимы друг с другом и в целом выполнены с рядом особенностей, которые приводили к большим трудностям при работе с ними (решению этих задач как раз и отведена большая часть этой книги).

Первыми плодами нового фронта работ стала курсовая «Разработка научно-информационного портала по почвоведению, формирование стандартов для электронных баз данных» (2007). Помимо разработки и представления почвенного веб-портала, был взят фокус на создание современной почвенной БД; для этого были изучены существующие методы описания морфологических свойств почв; составлен список шкал и таблиц, форматы и стандарты, используемые в различных схемах описаний почвенных профилей. Затем мы выбрали модель построения БД и разработали её примерную структуру. Несмотря на необычность подобной темы, кафедра восприняла эту работу довольно позитивно; хотя и с множеством критических замечаний (в дальнейшем я был очень благодарен своей кафедре за то, что на всех предзащитах нам «не давали спуску» — это крайне помогло натренировать искусство выступления и в целом помогало продвижению научной работы, открывая, порой «замыленные» глаза на незамеченные нами проблемы).

После этой курсовой работы, где мы впервые подошли к вопросам БД, было взято направление на морфологические свойства почв, которое отразилось в отчете «О летней учебной практике по разработке стандартов для электронных баз данных морфологических описаний профиля почв» (2007). Если на первой курсовой мы замахнулись на все почвенные свойства, после начала работы стало понятно, что охватить и формализовать их все (химические, физические и проч.) — нам вдвоем будет нереально. Морфология почв была выбрана как наиболее «осязаемая» для почвоведов и интересная нам с Александром Васильевичем область почвоведения, который много лет руководил зональной практикой — без шуток скажу — в местах заложения большинства почвенных разрезов России (учитывая абсолютное число разрезов за все эти годы в локациях по мере продвижения экспедиции), так что морфология почв была Александру Васильевичу не в новинку, несмотря на его изначальный «технический» бэкграунд физфака МГУ.

Итак, впереди был год работы над дипломом. Подробный анализ литературы (хотя скорее это было исследование «на ощупь» реально существующих систем) показал, что зарубежными коллегами было создано несколько почвенных информационных систем (почвенных ИС), а не только ESDB на которую мы изначально наткнулись; каждую из них необходимо было детально изучить, выявить их проблемные места и найти способы их разрешения. В то же время нужно было составлять списки показателей морфологических свойств почв, изучать способы их формализации, разбираться в принципах функционирования и разработки БД. Итогом этих трудов стало создание «черновой документации к базе данных морфологических свойств почв для построения почвенных информационных систем» и защита дипломной работы «Разработка и создание сетевых информационных систем по почвоведению» (2008). По сути уже была создана первая физическая модель БД морфологических свойств профилей почв построенной на реляционной архитектуре в Microsoft Visio, т.е. программный продукт, который обеспечивал физическую генерацию базы данных; что представляло определенный ИТ-прорыв в рамках нашей предметной области.

Так окончился мой студенческий путь и началась аспирантура. Впоследствии я вспоминаю это время, как в некотором роде «Понедельник начинается в субботу». Мы с Александром Васильевичем зачастую уходили с факультета последними, просиживая до полуночи над нашими разработками, ведя яркие дискуссии. Именно тогда порой «нападало» настоящее вдохновение и мы генерировали самые интересные идеи.

В это время на факультете до руководства и других заинтересованных лиц дошло эхо наших с Александром Васильевичем исследований по БД, которые мы с начала 2007 года вели на факультете, и на высшем уровне был инициирован проект «Почвенно-географическая база данных России» (ПГБД). Изначально нас с Александром Васильевичем туда не позвали; да мы и не просились — у нас было четкое осознание того, что нужно сделать, и у нас были технические навыки для реализации наших идей. Но затем Александр Васильевич решил, что работать параллельно над двумя проектами, будучи на одной кафедре — контрпродуктивно, и присоединился к проекту ПГБД.

Сейчас, по прошествии многих лет, понимаю, что это было ошибкой. Место, где замешаны деньги, ресурсы и в целом интересы множества людей, которые «делят» новую тему — не лучшее для двух героев повести «Понедельник начинается в субботу».

Изначально мы представляли масштаб работы и не пытались объять необъятное; тем не менее, АВИ решил присоединиться к коллегам и изменить курс с чисто морфологических показателей, на которые была «заточена» наша система, на показатели самого широкого плана (химия, физика почв и проч.); список этих показателей уже составлялся коллегами по проекту ПГБД.

В целом, логичнее выглядело как раз наоборот — чтобы не мы присоединялись к проекту коллег, а чтобы они к нам — так как мы уже год как работали над нашей системой и инициирование аналогичной, конкурирующей работы коллегами по кафедре выглядело по меньшей мере странно. Изначально, АВИ довольно сильно негодовал по этому поводу. Но так как чаша весов, на которой трудятся двое энтузиастов довольно мало значит по сравнению с ресурсами вышестоящих субъектов, инициировавших новый проект, — АВИ все-таки решил к нему присоединиться.

Суть решения Александра Васильевича была понятна и формально логична (если бы мы жили в идеальном мире). К тому времени мы уже проанализировали все зарубежные почвенные ИС и БД и стало ясно, что все они выполнены с использованием устаревших технологий; что было не самой большой проблемой. Основной недостаток был не в программном обеспечении, который, к примеру, в принципе не подразумевал нормальной одновременной работы с системой нескольких пользователей, а недостаточное понимание зарубежными коллегами сути перевода «аналоговых» почвенных данных в цифровой формат — и следующей из этого крайне слабой формализации предметной области, и отсутствием четкой семантической модели отношений в рамках описания ее объектов.

В процессе работы над моей кандидатской диссертацией мы с Александром Васильевичем подобную модель изобрели, разработали и реализовали. Эта модель являлась фундаментом, на котором должны были функционировать почвенные информационные системы нового поколения в почвоведении, а не только БД морфологических свойств почв, над которой мы ранее работали. Именно поэтому, чтобы на практике реализовать новый подход, АВИ принял решение «вступить» в проект ПГБД, который изначально представлял примерный аналог зарубежных систем, со всеми свойственными им проблемами, разработанная же нами с АВИ архитектура системы эти проблемы решала.

В рамках совместной работы с коллегами из ПГБД было достигнуто «джентльменское» соглашение, что мы станем частью проекта, переведя его на нашу модель и структуру БД; при этом мы получим доступ к спискам почвенных свойств (который был действительно внушительный и его сбор был большой работой; но кроме него в «конкурирующем» проекте по сути ничего не было). У нас до этого был и свой список свойств, но в довольно черновом варианте. Получив новый список свойств от коллег, мы в свою очередь его формализовали, получив «живой» материал, позволивший нам апробировать систему, которую мы разрабатывали. Также в рамках заключенного джентльменского соглашения, я вывел «картографическую» часть ПГБД в интернет в виде отдельного веб-сервиса.

Эти работы по сути и являлись частью моей диссертации, описанной в данной книге. Нашей с Александром Васильевичем целью была не реализация конкретной системы, а разработка научно-обоснованного аппарата по ее созданию. То есть, это было не просто решение конкретной частной задачи, а разработка модели и методов решения подобных задач в принципе.

Изначально наша с АВИ система задумывалась и проектировалась как полностью открытая, open-source платформа с открытым исходным кодом. Любой человек должен был иметь возможность использовать систему без ограничений, иметь возможность сделать свой «форк» (клон-версию) системы, использовать данные любым способом (в зависимости от типа лицензии, для каждого профиля внесенного в систему контрибьютор мог назначить разные лицензии). В целом, была идея убедить и мотивировать людей публиковать свои данные под «открытой» (CC0) лицензией, в том числе с помощью системы персонального рейтинга при работе с платформой. Планировалось создать консорциум почвоведов с горизонтальной структурой взаимодействия, которые занимались бы этой системой в режиме краудсорсинга; для этого был создан портал «Открытая почва» (в то время он находился по адресу open.soil.msu.ru).

В целом, изначально система задумывалась как научный проект, в том смысле, что его практическая реализация с точки зрения зарабатывания денег в ближайшей перспективе не рассматривалась. Коммерческое использование подобной системы или ее огосударствление не позволило бы (что в итоге и произошло) решить главную проблему — сбор данных. Покуда наука зависит от сиюминутных денежных интересов — невозможно мотивировать сообщество к работе с энтузиазмом, а не с оглядкой на «профит», и данные так и продолжат «пылиться» у людей в столах, вместо того, чтобы быть ими опубликованными ради общего научного познания.

К сожалению, нашим планам не суждено было сбыться. Все наши мечты об открытости системы, краудсорсинге и консорциуме были не интересны руководству проекта ПГБД, которое поставило АВИ перед выбором — или продолжать работать над системой в качестве технического персонала или же покинуть проект, на который мы потратили четыре года — проект, который мы полностью спроектировали и создали, взяв у инициаторов ПГБД лишь списки почвенных свойств, которые в итоге мы сами же и формализовали.

Со свойственным мне в том время юношеским максимализмом я отказался продолжать работать в подобных условиях — для меня был критически важен наш изначальный «фокус» проекта на open-source, его доступность для всех пользователей и независимость от бюрократического аппарата. Для АВИ же с его мудрым пониманием несовершенства окружающего мира было важно продолжить работу над проектом, в который было вложено столько сил; несмотря на всю несправедливость ситуации в которую мы с ним попали — когда система, которую мы спроектировали и реализовали — взяли под контроль люди, которые к ней имели весьма далекое отношение. И дело тут не в самом факте контроля, а в том, что наши планы по реализации открытого краудсорс проекта, консорциума почвоведов и других идей были зарезаны на корню.

Так наши пути с Александром Васильевичем разошлись. После защиты диссертации работа по созданию «Открытой почвы» фактически была свернута; при этом ПГБД была успешна продвинута новыми интерпретерами на государственном уровне. В завершение нашей совместной работы с АВИ было решено лишь издать книгу, которую вы сейчас читаете. Сейчас, спустя годы решил опубликовать ее примерно в том виде, в котором информация была представлена в диссертации, лишь с некоторыми дополнениями.

В заключении выражаю глубокую признательность всем сотрудникам факультета почвоведения и других почвенных организаций — всем коллегам, принявшим участие в обсуждениях и консультациях.

Особо хотелось бы отметить помощь и поддержку В. А. Долгиновой, без участия которой эта книга никогда бы не появилась на свет.



ВВЕДЕНИЕ

В почвенных исследованиях все чаще применяются информационные технологии (ИТ). Еще совсем недавно большинство почвоведов оперировало полученными данными при помощи бумаги и ручки; сегодня же ни один научный проект не обходится без работы с цифровыми табличными редакторами; а серьезные исследования строятся на фундаменте обширного ИТ-инструментария, зачастую включающего в себя комплексные системы пространственных и атрибутивных баз данных (БД).

Однако глобальные ИТ-проекты в почвоведении только начинают получать отклик среди исследователей и большинство почвоведов пока что предпочитает проводить локальные вычисления в программах на подобие MS Excel. Это связано с неоднозначностью интерпретации почвенных признаков и свойств. Почва — сложное динамическое биокосное тело с множеством количественных и качественных признаков, поэтому применение ИТ, основывающихся на точных математических методах, постоянно сталкивается с рядом ограничений. Известно множество цифровых методов, но зачастую их невозможно применить из-за отсутствия системных подходов к формализации предметной области.

И в первую очередь необходимость формализации сводится к проблеме сохранения первичного смысла исходной информации о почвах при переводе почвенной информации из текстового, «бумажного» формата в электронную форму. ИТ — это не просто инструмент, ускоряющий обработку данных, это информационная среда, позволяющая генерировать знания основываясь на принципиально других принципах или даже скорее «законах». Эти «законы» не приемлют привычных людям вербальных, зачастую неполных с точки зрения формальной логики, утверждений. Если эти «законы» игнорировать, мы получим совершенно искаженную информацию, неполнота которой существенно снизит точность цифровых методов. К сожалению, ИС зачастую воспринимают как некий «черный ящик», в который можно положить исходные данные, где они каким-то «волшебным» образом хранятся и обрабатываются для получения необходимой информации. Данная интерпретация оказывает существенное негативное влияние на результаты исследований и является следствием недостатка модельных представлений описания предметной области. Фактически, мы сталкиваемся с фундаментальной проблемой математизации почвоведения — отсутствием класса моделей, позволяющих включить в активное использование специфические почвенные категории и понятия.

Кроме того, чтобы получать релевантную информацию о почвенном покрове, необходимо изучать почву на самых разных уровнях — от молекулярного до глобального — используя особые для каждого уровня методы исследования. Это также определяет сложную специфику применения ИТ в почвоведении — многообразие почв, их свойств, процессов и методов их изучения порождают многочисленные проблемы при работе с почвенными данными в цифровом виде. Разнородность форматов хранения данных, слабая масштабируемость и необходимость трудоемких ручных приемов работы — со всем этим так или иначе сталкиваются исследователи при переводе почвенных данных из аналогового в цифровой вид.

Появление новых способов получения почвенных данных, обусловленное развитием современных цифровых методов, таких как обработка ДДЗ, геостатистика, цифровое почвенное картографирование и др., приводит к острой необходимости разработки почвенных информационных систем (почвенных ИС) — используя опыт собственных и зарубежных разработок; для чего в первую очередь необходимо разработать систему формализации разнородных почвенных данных, отражающую в себе все многообразие почвенных объектов и показателей.

Исследование современного состояния зарубежных и российских разработок в области использования ИТ для работы с почвенными данными показало, что наиболее актуальными являются почвенные ИС третьего поколения, в которых присутствуют три компонента: геоинформационные системы (ГИС), дающие возможность работы с пространственными данными; реляционные базы данных (БД), обеспечивающие функциональность работы с множеством морфологических и физико-химических показателей свойств почв; и использующие принципы сети интернет, что обеспечивает доступ к системе в реальном времени и многопользовательском режиме (Иванов, Сафрошкин, Рыбальский, 2008). Подобные системы используются для прогнозирования, моделирования и других почвенных исследований, таких как прогноз опасности эрозии, окисления и других типов химической, биологической и физической деградации почв; контроль за урожаями; глобальные изменения почвы; мониторинг орошения; агроэкологическое зонирования; расчет рисков засухи и многие др.

На данный момент известно несколько десятков региональных систем, более 10 почвенных ИС национального уровня (Australian Soil Resource Information System, Австралия; National Soil Information System, США и др.), а также несколько мультинациональных и глобальных систем (European Soil Database, Европа; SOTER, глобальная почвенная ИС и др.) (Finke, 2001; Brough, 2006; van Engelen, 1996; Lagacherie, McBratney 2006). В 70-80-х гг. XX в. российскими почвоведами был внесен существенный вклад в разработку общих идей построения почвенных ИС на первом этапе — разработке атрибутивных баз данных (Шишов и др., 1975; Рожков, 1976, 1980, 1983). Несмотря на повышение интереса к подобным разработкам (Белоусова, Мешалкина, 2009; Крыщенко, Голозубов, 2010), в РФ до сих пор не существует актуальной действующей почвенной ИС (Рожков и др., 2010), поэтому одной из важнейших задач является создание отечественной системы.

Цель работы: изучение информационных взаимоотношений и разработка методов формализации основных понятий предметной области — почвоведения, необходимых для перехода от визуально доступных форм хранения почвенных документов к электронным формам, и создание семантической модели описания почв в виде почвенной ИС.

В работе поставлены следующие задачи:

1) провести анализ современного состояния зарубежных и отечественных разработок в области использования ИТ для работы с почвенными данными, исследовать существующие модели их описания;

2) дать информационную характеристику документам предметной области исследования, оценить проблемы и возможности перехода из визуальных форм хранения почвенных данных к электронным формам;

3) разработать информационную модель описания почвы для использования в электронной среде хранения и обработки данных, и на ее основе создать систему формализации разнородных почвенных данных;

4) спроектировать и создать почвенную ИС описания предметной области;

5) исследовать возможность гармонизации почвенных описаний, выполненных с использованием разных методик морфологического описания почв.



ПОЧВЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В настоящее время зарубежными почвоведами разрабатываются и вводятся в действие почвенные ИС и БД третьего поколение, т.е. использующие сетевой протокола http:// для доступа к данным и отображения информации.

На данный момент существует более двух десятков почвенных ИС различного масштаба, которые были проанализированы, что бы определить параметры и требуемые ресурсы для разработки отечественной системы. Проведен расширенный обзор основных систем (SOTER (глобальная); ESDB (Европа); ASRIS (Австралия); CanSIS (Канада); NASIS (США); WISE (Нидерланды); HWSD (глобальная), GlobalSoilMap.net (глобальная) и другие. Большинство систем были опробованы и протестированы.

За историю отечественного почвоведения накоплен большой объем документальных и фактографических материалов по почвам страны. Высокая производительность современных методов исследования почв и большое число исследователей обуславливает огромный поток данных (Рожков, 1983).

Одновременно с развитием подходов к хранению, анализу и представлению пространственно координированных почвенных данных совершенствуются и методы их сбора. Одной из основных целей такого совершенствования декларируется достижение технологичности подхода, т.е. строгой последовательности выполнения операций, нормированности и воспроизводимости данных (Столбовой, Савин, 1996).

Современным средством организации и анализа данных с целью получения информации являются информационные системы (Отчет о НИР…, 1983). Данные, которыми оперирует почвовед (описания разрезов, результаты опытов) — это представление фактов и идей в формализованном виде, позволяющем передавать или обрабатывать их с помощью некоторого процесса (Максимович, 1999). Т.е. информация — отобранные данные, которые являются содержательным выходом системы (Тироф, 1976). Исходя из этих определений, данные и информация не вполне идентичные понятия. Данные — первичные сведения об объекте, а информация это знания полученное из этих данных. В свою очередь, что бы увеличить скорость обработки данных и получения информации используют различные системы. Под системой понимается упорядоченный набор методов и процедур, которые ускоряют достижение цели (Тироф, 1976). Исходя из этих понятий, любая система, которая преобразует данные в информацию, может называться информационной системой (ИС).

ИС — это система, которая преобразует данные в информацию (Рожков, 1993). В почвоведении ИС определяется как «система, включающая методы проведения обработки, машины, носители информации и данные, которые могут быть использованы для выполнения необходимых информационных процессов» (Schelling, 1975).

Почвенные ИС могут помочь решить множество проблем, в том числе такую актуальную тему, как изучение влияния почв на изменение климата и vice versa — как повышение температуры влияет на содержание органического углерода в почвах (van Engelen, 2010). Изучение динамики органического углерода является одним из основных направлений в работе глобальных почвенных ИС (Global Earth Observation System of Systems — GEOSS [Электронный ресурс]). Исследования на эту тему сейчас активно развиваются в России (Урусевская, 1997; Рыжова, 2008; Романенков, 2009).


Предпосылки и этапы создания почвенных информационных систем

Внешними предпосылками для их создания явилось широкое распространение разнообразных вычислительных средств и организация коллективного доступа к ним в научных организациях.

Внутренними предпосылками являлось то, что почвоведы с самого начала зарождения почвоведения постоянно имели дело с разнообразными классификационными системами организации знаний об объекте исследовании — почвах. Поэтому было разумно использовать формальные логические методы машинного анализа информации использовать для организации и обработки почвенных данных. Другим привлекательным моментом являлось ускорение этих процессов.

В истории создания почвенных ИС можно выделить три этапа, определяемые имеющимися на соответствующий момент времени возможностями аппаратного и программного обеспечения:

— этап разнообразия аппаратных и программных платформ;
— этап унифицированных аппаратных и программных платформ для индивидуального использования;
— этап объединения компьютеров в глобальную сеть.

...

Бесплатный фрагмент закончился.
Купите книгу, чтобы продолжить чтение.

КУПИТЬ КНИГУ: https://ridero.ru/books/cifrovaya_model_pochvy/


Ссылка для цитирования: Выделить всё

Рыбальский Н. Н., Иванов А. В. Цифровая модель почвы. — Издательские решения Москва, 2020. — 237 с.
ISBN: 978-5-0051-8633-1

Ответить