Разработка программмной среды открытых систем для баз знаний и данных в глобальном геоинформационном мониторинге Проф. В. Ф. Крапивин, директор института проблем экоинформатики, академик РАЕН, проф. А. Я. Олейников, заместитель председателя Совета по автоматизации научных исследований РАН "Проблемы Окружающей Среды и Природных Ресурсов", 1998, ? 10, с. 2-10  Информационная инфраструктура типовой системы геоинформационного мониторинга (СГМ) должна обладать адаптивностью, обеспечивающей автоматическую настройку ее ресурсов на предметную область. Известные СГМ как правило не обладают этой функцией, так как технология открытых систем практически не используется при синтезе систем контроля за окружающей природной средой. Прогрессу в этом направлении препятствует отсутствие методик формирования вычислительной среды для СГМ, управляющей информационными потоками между системой обработки данных и базой знаний, а также устанавливающей стандартизованные интерфейсы между СГМ и пользователями. Определенный успех в обеспечении СГМ функциями открытых систем за последние годы достигнут за счет применения ГИС-технологии [6]. В рамках этой технологии решены вопросы масштабирования и сочленения разнопрофильных баз данных и их доступности по сети Internet. Однако тематическая и предметная привязка баз данных решается не в стандартизованной форме, что создает серьезные препятствия для их практического использования, а особенно при определении необходимой структуры и наполнении баз данных. Возникающие здесь трудности преодолеваются технологией геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС) [2]. ГИМС-технология предлагает механизм совмещения ГИС-технологии с имитационным моделированием, позволяющий проектировать оболочки с широким набором функций для проблемной ориентации. Имеющиеся здесь достижения связаны с созданием пакета компьютерных программ для формализованного представления объектов окружающей среды [3,8,9]. Однако работы в этом направлении только начинаются. Безусловно, что здесь предстоит проанализировать многие ответвления в теории экспертных и обучающихся систем, связанных с решением задач контроля окружающей среды, а также установить взаимосвязь многих компьютерных технологий проектирования, таких как СASE-технология [7], с развитием теории открытых систем в области мониторинга природной среды [4]. В данной работе, выполненной в рамках Российской национальной программы "Перспективные информационные технологии" (проект ? 0201.05.009) предлагается алгоритм стандартизации функций ГИМС как открытой системы. Разработка систем экологического и геофизического мониторинга независимо от пространственных масштабов ведется практически без централизованного контроля в области стандартизации. Уже сейчас исследователи и разработчики таких систем сталкиваются с серьезными трудностями при использовании полученных результатов. Наметившиеся в последнее время достижения по стандартизации глобальной информационной инфраструктуры способствуют началу аналогичных работ в области геоинформационного мониторинга и в первую очередь при разработке глобальной ГИМС. Схематически информационные потоки в глобальной ГИМС представлены на рис. 1. Рис.1. Принципиальная схема применения ГИМС технологии для синтеза глобальной системы контроля  окружающей среды с использованием стандартизованных средств телекоммуникаций. В сети Internet задействованы многие глобальные и даже национальные базы данных. Использование таких источников данных об окружающей среде основывается на множестве эталонов этой сети . Но как только информационные каналы переходят в ранг внутрисистемного обеспечения, проблема стандартизации становится достаточно острой. В самом деле, не существует ни одного уровня БЗОС, который бы согласовывался с другими уровнями ГМ или БД. Поэтому создание интерфейсов внутри ГИМС является первоочередной задачей. Синтез ГМ не может быть осуществлен без создания стандартизующих интерфейсов между ее блоками, БД и БЗОС. Огромное количество моделей биогеохимических, биогеоценотических, климатических и социально-экономических процессов в окружающей среде уже создано и используется без какой-либо корреляции между ними и, тем более, без учета прикладных аспектов у других пользователей. Этот недостаток достаточно емкой части БЗОС можно устранить путем введения в ГМ блоков, обладающих функциями интерфейса и согласующих цель пользователя с доступной ему базой данных. Например, для параметризации процесса эвапотранспирации имеется не менее десяти моделей, входы в которые принципиально различаются [5]. Соответствующий интерфейс ГМ должен по результатам анализа БЗОС выбирать одну из моделей или запрашивать у пользователя дополнительные данные. Попытка решить эту задачу без выхода в Internet делается в работах [2,3,8,9]. Глобальная ГИМС в силу своей специфики должна рассчитываться на длительный жизненный цикл с возможностью эволюционного развития. При этом необходимо выполнять требования функциональной расширяемости, мобильности алгоритмического и программного обеспечения и стабильности структуры пользовательского интерфейса. Замена или добавление отдельных блоков ГИМС не должны влиять на структуру ее внутренних и внешних информационных потоков. Мониторинг окружающей среды относится к области наукоемких экспериментов. Он требует создания системы сопряженных между собой подсистем наблюдения и обработки данных. Реализация такой глобальной системы возможна лишь при использовании иерархии пространственных шкал, согласованных с временными масштабами. Образцом подобного согласования является шкала Тиллера [11], схематически представленная на рис. 2. Рис.2. Классификационные механизмы использования информации об окружающей среде в глобальной ГИМС. Внутри каждого блока этой схемы с использованием ГИС-технологии развертываются картограммы, отражающие общий план территории, структуру речной сети, дислокацию населенных пунктов и других антропогенных объектов, инвентаризационные схемы использования земельных ресурсов, границы географических зон и структур, топографический облик территории, прогнозные сценарии изменения территорий. Наполнение шкалы пространственно-временного согласования элементов окружающей среды должно охватывать все возможные комбинации корреляций между пространственными размерами и временными масштабами. Этот этап синтеза ГИМС является самым трудоемким и наиболее ответственным. Для его реализации предлагается следующий алгоритм стандартизации. Вся территория земной поверхности W ={(j,l)} покрывается географической сеткой с шагами Dj по широте Dj и Dl по долготе l. Вертикальная структура атмосферы, почвы и гидросферы представляется совокупностью слоев с толщиной Dz, где ось z перпендикулярна поверхности ячейки Wij Í W и с началом отсчета на уровне Мирового океана (z = 0). Таким образом, природная окружающая среда V делится на объемные компартменты Vijk Í V. Процедура дискретизации может продолжаться внутри каждого компартмента Vijk неограниченно до l-того уровня, где величина l определяется экспертно или исходя из других критериев. Например, в национальной программе США по Арктике, выполняющейся с 1992 г. [10], l=5 и каждый уровень дискретизации арктического региона привязывается к определенной пространственно-временной классификации объектов и процессов окружающей среды (табл. 1). На современном уровне развития науки обоснованность такого выбора шкалы спорна, тем не менее другого алгоритма, отличного от экспертного, пока не существует. Поэтому предлагается для определенного уровня формализации этой процедуры синтезировать ГМ, опирающуюся на указанную иерархию компартментов и снабженную некоторыми преобразователями-переходниками от баз данных и знаний к параметрическому пространству ГМ. Другими словами, зададим множество семантических структур {As}, элементы которого будут выполнять функции идентификаторов объектов и процессов окружающей среды. В результате на входе ГМ будут фигурировать только эти структуры и только они будут связывать базы данных и знаний с отдельными блоками ГМ. Схема рис.3 поясняет процедуру взаимодействия пользователя с ГМ. Все функции преобразования данных, изъятия знаний и их адаптации к требованиям пользователя выполняет блок управления вычислительным экспериментом ГМ. Настройка предметных блоков ГМ осуществляется с помощью встроенного редактора семантических структур {As}, доступ к которым реализуется несколькими путями за счет иерархических диалоговых блоков и пиктограмм. Програмирующие блоки ГМ обеспечивают генерацию рабочей среды по выбранному пользователем сценарию. Рис.3. Схема управления ресурсами ГИМС. Возможный набор базовых идентификаторов описан в табл. 2. Этот набор обеспечивает определенную универсальность входов ГМ и дает пользователю возможность синтеза сценариев для плохо параметризуемых природных и антропогенных процессов. В общем случае As = êêai1,i2, ...., isê, где элемент ai1,i2,...,is отождествляет объект, процесс, явление, событие или другое сечение окружающей среды путем парметрического описания его образа с помощью сочетания символов или любых аттрибутов компьютерной символики, в том числе сочетание цветовых оттенков. Параметр s указывает размерность информационного образа, понимаемую в широком смысле. Опыт показывает, что большинство структур As имеет четыре измерения: i1 - широта, i2 - долгота, i3 - высота или глубина, i4 - время. Уровень дискретности обеспечивается иерархией пространственно-временных шкал в БД, а в случае несоответствия между этими шкалами и требованиями пользователя применяются алгоритмы пространственно-временной интерполяции [11]. В заключение отметим, что разработка программной среды открытых систем для баз знаний и данных в глобальном геоинформационном мониторинге ведется в соответствии с изложенной здесь концепцией на основе Microsoft Visual C++ под управлением Windows 95. Настройка среды к условиям имитационного эксперимента осуществляется за счет генерации множества функций интерфейса, которые в процессе эксперимента оптимизируют использование ресурсов всей системы ГМ и управляют структурой ввод/вывод. Конечная цель данного цикла исследований состоит в создании операционной среды для управления информационными потоками в глобальной инфраструктуре иерархических систем мониторинга окружающей среды. Таблица 1 Иерархия пространственных шкал в национальной программе США по Арктике [10]. Пространственная шкала   Изучаемые системы и процессы окружающей среды Глобальный масштаб (Dj,Dl ³ 1o) Циркуляция атмосферы, изменения климата, рассеивание газовых компонентов в атмосфере. Мезомасштаб (0.1o < Dj, Dl  < 1o) Изменение уровня грунтовых вод, эмиссия газов. Ландшафты (0.01o < Dj,Dl £ 0.1o)  Биологические сообщества, корреляция между рельефом местности и влажностью почвы. Небольшие участки территории (0.001o < Dj, Dl £ 0.01o) Растительные сообщества, водные экосистемы, замерзание рек. Микромасштаб ( Dj, Dl £ 0.01o ) Aктивность микроорганизмов, физиологические особенности отдельных растений при изменении концентрации СО2 в атмосфере. Таблица 2 Перечень базовых семантических структур ГМ As Описание семантической структуры A1 Контурирование территории  X Í W для геоинформационного мониторинга. A2 Идентификация топологической структуры X с выделением водных объектов,              элементов суши, смешанных территорий. A3 Идентификация пространственного распределения типов водных объектов территории X с выделением однородных для конкретного масштаба Dj´Dl элементов. A4 Идентификация пространственного распределения типов почвенно- растительных формаций, биомов и других образований на поверхности суши. A5 Идентификация типов источников возможного загрязнения окружающей среды. A6 Идентификация форм рельефа. A7 Классификатор источников загрязнения с детализацией химических элементов и указанием шкалы интенсивностей. A8 Идентификатор антропогенных ландшафтов. A9      Идентификатор характеристик социально-экономических                структур (плотность населения, возрастной состав, медицинские                аспекты, профессиональный уровень, религиозные и культурные              традиции и т.д.). A10   Классификатор синоптических трендов и других климатических  параметров Литература 1. Беллман Р., Роус Р.С. Метод анализа широкого класса биологических систем. В кн.: Кибернетические проблемы бионики. М.: Мир. - 1971.-С. 158-169. 2. Буй Т.Л., Крапивин В.Ф. Технология имитационного моделирования в системах геоинформационного мониторинга мегаполисов. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов.-1998.- вып.2.- С. 79-85. 3. Гольфельд Г.Б., Крапивин В.Ф. Замечания о технологии оценивания и прогнозирования национальной экологической безопасности России. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов.-1997.- вып.2.-С. 28-40. 4. Гуляев Ю.В., Олейников А.Я. Технология открытых систем - основное направление информационных технологий. Информационные технологии и вычислительные системы.-1997.- ¹ 3.- С. 4-14. 5. Bras R.L. Hydrology. New York: Addison-Wesley.- 1990.- 641 pp. 6. Fisher P.F. Spatial data and data problems. In: Geographical Information Systems. Vol.1-Principles. Ed. by D.J. Maguire et al., New York: Longman Sci. & Technical.- 1991.- Pp. 175-189. 7. Jones R. Review of current CASE technologies. In: The Distributed Development Environment. Ed. by S. Holloway, London: Chapman and Hall.- 10. 1990.-Pp. 1-14. 8. Krapivin V.F. Mathematical model for global ecological investigations. Ecological Modelling, 1993.- 67.- Pp. 103-127. 9. Krapivin V.F. The estimation of the Peruvian current ecosystem by a mathematical model of biosphere. Ecological Modelling, 1996.- 91.- Pp. 1-14. 10. McCauley L.L., Meier M.F. (Eds.). Arctic system science. Fairbanks: ARCUS.- 1990.- 48 pp. 11. Tiller M.N. Systems theory application in multimedia risk assessment. Taipei: CER Council ASCE.- 1986.- Pp. 413-420.

Персоналии	История	Открытые системы	Проекты	Партнеры	Новости