CC BY
21
УДК 004.9:681.3 ББК 32.81 К 68
Коробков Виктор Николаевич
Старший преподаватель кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593911, e-mail: vicor2004@mail.ru Варшанина Татьяна Павловна
Доцент, кандидат биологических наук, доцент кафедры географии, заведующий центром интеллектуальных геоинформационных технологий Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593944, e-mail: gic-info@yandex.ru Плисенко Ольга Анатольевна
Старший преподаватель кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления Адыгейского государственного университета, Майкоп, тел. (8772) 593911, e-mail: olg.plisenko2017@yandex.ru
Особенности проектирования базы данных мониторинга земель сельскохозяйственного назначения на примере Республики Адыгея
(Рецензирована)
Аннотация. Рассмотрены вопросы разработки информационного обеспечения геоинформационных систем поддержки экологически сбалансированного точного земледелия в Республике Адыгея. Представлены этапы проектирования базы данных земель сельскохозяйственного назначения. Обоснован выбор программных средств реализации системы.
Ключевые слова: геоинформационная система, база данных, земли сельскохозяйственного назначения, точное земледелие.
Korobkov Viktor Nikolaevich
Senior Lecturer of Department of Automated Systems of Processing Information and Control, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 593911, e-mail: vicor2004@mail.ru Varshanina Tatyana Pavlovna
Associate Professor, Candidate of Biology, Associate Professor of Geography Department, Head of the Center for Intellectual Geoinformation Technologies, Adyghe State University, Maikop, ph. (8772) 593936, e-mail: gic-info@yandex.ru
Plisenko Olga Anatolyevna
Senior Lecturer of Department of Automated Systems of Processing Information and Control, Adyghe State University, Maikop, ph, (8772) 593911, e-mail: plisenko_olji@fromru.com
Features of land monitoring database design for agricultural purposes using an example of the Adyghea Republic
Abstract. The paper considers the issues of development of geographic information system dataware for support of ecologically balanced accurate agriculture in the Republic of Adyghea. The stages of agricultural land database design are presented. The choice of software tools for implementing the system is justified.
Keywords: geographic information system, database, agricultural land, accurate agriculture.
Введение
В рамках создания геоинформационной системы (ГИС) поддержки экологически сбалансированного адаптивно-ландшафтного и умного точного земледелия в Республике Адыгея [1, 2] была поставлена задача разработки информационного обеспечения создаваемой ГИС.
Информационное обеспечение позволяет наглядно представить логическую структуру всех данных автоматизированной системы. Наилучшим способом хранения информации в систематизированном виде являются реляционные базы данных. Основной целью создания базы данных является повышение эффективности накопления и обработки информации для оптимизации выполнения запросов пользователей. Для реализации этой цели необходимо решение следующих задач:
- структуризации и унификации хранимых данных;
- хранения текстовой и графической информации в одном месте;
- формирования запросов для доступа к данным.
В рамках ведения базы данных программные средства системы должны обеспечивать выполнение следующих функций:
- автоматизированный ввод записей в таблицы базы данных;
- удаление записей из таблиц базы данных;
- автоматизированное упорядочивание данных по заданным критериям;
- выполнение запросов и группировки данных по заданным параметрам.
При разработке цифровой платформы поддержки экологически сбалансированного адаптивно-ландшафтного и умного точного земледелия необходимо создать систему автоматизированного ведения паспорта полей севооборота и сельскохозяйственного мониторинга [3, 4]. Таким образом, тематически разрабатываемая база данных должна хранить пространственные данные по показателям ландшафтного, климатического, агроклиматического и почвенного районирования [5].
Основная часть. Процесс разработки базы данных состоит из трех этапов: концептуального, логического и физического проектирования. В качестве пространственного компонента и общегеографической подосновы были взяты карты Республики Адыгея в масштабе 1:50000 для привязки атрибутивных тематических данных.
1. Концептуальное проектирование базы данных
Комплекс задач этого этапа состоит из выявления общих информационных объектов и связей между ними, анализа общих информационных требований к системе и выявления информационных потоков, отражающих процессы обработки и взаимодействия данных. На данном этапе проектирования составляется список всех используемых и сопоставляемых данных с их разделением по типам и идентификаторам данных.
Концептуальное проектирование базы данных выполнялось с применением правил ER (Entity-Relationship) моделирования, которые включают в себя выделение сущностей предметной области и связей между ними.
Сущностями являются реальные или воображаемые объекты рассматриваемой предметной области, информацию о которых необходимо сохранять в базе данных.
В результате анализа рассматриваемой предметной области выделено 5 основных сущностей: территория, геология, рельеф, климат и почвы [6].
В качестве основных видов территории Республики Адыгея рассматриваются мезорайоны и подрайоны.
Сущность «Геология» характеризуется ландшафтными показателями.
Рельеф включает в себя информацию о его типе, распределении по площади, классификации элементарных поверхностей и отметках высот.
В сущности «Почвы» выделены эколого-почвенные районы, типы почв, деградация почв, геохимические аномалии и природно-хозяйственные районы.
Сущность «Климат» описывается такими характеристиками, как осадки, температура, солнечная радиация и ветер.
2. Логическое проектирование базы данных
Логическое проектирование заключается в выборе модели представления данных и описании их в терминах этой модели. Классической моделью представления данных в информационных системах является реляционная модель данных, которая была разработана в 1970-х годах и до сих пор остается актуальной. Все данные в реляционной модели представляются в виде таблиц, а операции над данными сводятся к операциям над таблицами. Каждая сущность, выявленная на концептуальном уровне, преобразуется в одну или несколько таблиц в зависимости от хранимых данных и соблюдения принципов нормализации данных. Атрибуты, описывающие объекты, становятся полями таблиц. Связи между таблицами обра-
зуются путем задания первичных ключей и добавления их в подчиненные таблицы в виде внешних ключей.
На рисунке 1 представлена база данных в нотации реляционной модели данных, где:
- жирным шрифтом выделены поля, обязательные для заполнения;
- РК - первичный ключ, обеспечивающий идентификацию каждой записи таблицы;
- БК - внешний ключ, необходимый для установления связи между таблицами;
- стрелочкой указывается направление подчинения объектов друг другу.
Для удобного и наглядного представления данных и связей между ними база данных разбита на три части: рельеф (рис. 1а), почвы (рис. 1б) и климат (рис. 1в). Соединительным звеном между ними является таблица «Ландшафт».
Подрайон
PK Код прн
FK1 Код_мрн
Название
Номер
Легенда
Геометрия
Мезо район
PK Код мрн
Название
Геометрия
Описание
Ландшафт
PK Код лнт
FK1 Код_мрн
Тип
Коэф_увл
Высота
Размер
Геометрия
Рельеф
PK,FK1 Код рлф
Наименование Экспозиция Крутизна Геометрия
Рис. 1. Логическая модель базы данных: а) подсистема «Рельеф»
Ландшафт
PK Код лнт
Тип
Коэф_увл
Высота
Размер
Геометрия
Почва
PK Код пчв
FK1 Код_лнт
FK2 Код_арл
Ареал
Округ
Название
Тип_почвы
Химсостав
Мех состав
Мощн_слоя
Плотн слоя
Геометрия
Почв_ареал
PK Код арл
Наименование Геометрия
Деградац_почвы
PK Код дгп
FK1 Код_пчв
Вид_почвы
Назначение
Степень_деградац
Аномалии
Геометрия
Рис. 1. Логическая модель базы данных: б) подсистема «Почвы»
Темп по месяцам
PK Код ллсц
FK1 Код_тмс Месяц Значение
Температура
PK Код тмр
FK1 Код_лнт
Год
Среднемес_темп
Среди егод_темп
Мин темп
Макс 1Е?ми
Осадки по месяцам
PK Код осм
FK1 Код_оск Месяц Значение
Радиация
PK Код рдц
FK1 Код_лнт
Год
Радиац_баланс
Период
Длительн_сияния
Ландшафт
PK Код лнт
Коэф увл
Высота
Размер
Геометрия
Снежн_ покрое
PK Код снп
FK1 Код_лнт
Год
Дата появления
Дата_схода
Дата_обр_покрова
Дата разр покрова
Запасводы
j
Осадки
PK Код оск
FK1 Код_лнт
Год
На именование
Интенсивность
Обеспеченность
Год_колич
Мим знач
Макс_знач
Ветер
PK Код втр
FK1 Код_лнт Направление Повторяемость
Ветерпомесяцам
PK Код втм
FK1 Код_втр Месяц Значение
Рис. 1. Логическая модель базы данных: в) подсистема «Климат»
3. Физическое проектирование базы данных
Этап физического проектирования заключается в выборе:
1. Способа хранения данных на ЭВМ.
2. Инструментов обработки данных на ЭВМ.
Наиболее распространенными программными продуктами хранения и обработки данных являются системы управления базами данных (СУБД). В настоящее время на рынке программного обеспечения (ПО) имеется достаточное количество коммерческих и бесплатных СУБД, поддерживающих реляционную модель данных и позволяющих хранить географические данные. В качестве недостатка хранения геопространственных данных в СУБД является отсутствие программных продуктов, позволяющих отображать информацию без предварительной настройки. Для визуализации данных приходится конвертировать их в другой формат или создавать новый программный продукт, используя в большинстве случаев платные инструментальные средства разработки ПО.
Еще одним способом хранения геометрических объектов и атрибутивной информации по ним является формат shape-файлов. Данный формат получил широкое распространение в геоинформационных системах. Shape-файл состоит как минимум из трех файлов:
- shp - файл содержит информацию о геометрических объектах в векторном формате;
- dbf - файл хранит атрибутивную информацию объектов;
- shx - файл обеспечивает связь между данными первых двух файлов.
В настоящее время формат shape-файла де-факто является стандартом хранения геометрических данных и обмена ими между геоинформационными системами. Однако shape формат не может полностью удовлетворить требования к современной информационной
модели, так как не позволяет выполнить сложные объединения и запросы, необходимые для анализа.
В связи с тем, что разрабатываемая система является геоинформационной, и для совместимости с другими ГИС предлагается использовать свободно распространяемую объектно-реляционную СУБД PostgreSQL с подключением модуля PostGIS, содержащего специализированные функции работы с пространственными данными, и при необходимости конвертировать информацию в shape-файлы. Основные процедуры обработки данных перенесены на сервер СУБД PostgreSQL с использованием языка программирования pl/pgsql, что существенно снижает нагрузку на процедуры обработки в клиентском приложении.
4. Реализация ГИС
Для визуализации и обработки данных выбрана платформе Quantum GIS (QGIS) 3.16.1-Hannover, распространяемая на условиях лицензии GNU General Public License (GPL). Выбор основан на том, что данная система является свободно распространяемой и кроссплатфор-менной. Поддерживает обработку векторных и растровых форматов, в том числе и shape-файлов. QGIS обладает большим количеством расширений, которые устанавливаются дополнительно и позволяют решать разнообразные задачи по анализу и обработке географических данных.
В качестве расширения функционала QGIS для отображения информации из базы данных на пользовательских формах используется модуль QT Designer среды разработки QT 5.11, который позволяет создавать и изменять формы без редактирования кода. Интерфейсы, созданные таким образом, затем конвертируются в код на Python и функции на PyQT, после чего встраиваются в основной модуль проекта на QGIS.
На рисунке 2 приведен фрагмент топоосновы территории Республики Адыгея в масштабе 1:50000.
В слое чкглтм путта вмделгт« 0 обмятое. % Кюромты: 753Яв9,-497гЦ9 Мкшгаб 147 41164 • врамп*: 0.0 » И Отри ям ф ЁК&4М (ОТ?) ф
Рис. 2. Фрагмент топоосновы территории
На рисунке 3 представлен пример отображения атрибутивной информации деградации почв Кужорско-Мамацевского природно-хозяйственного района.
ЩУКЦИ'*" HrtÄiXorwrrg
H is ■■ о v - я . с » , res s- ¿ ■ D4
\ / H 4 ffij ** " ~ 4 " •V - £- Л
=8 i ' Я "JO л - л *
Рис. 3. Деградация почв
Заключение
В результате проведенных работ спроектирована информационная модель пространственной базы данных первого этапа реализации цифровой платформы мониторинга земель сельскохозяйственного назначения в Республике Адыгея. Проанализированы особенности объединения и представления пространственных и атрибутивных данных с используемым свободно распространяемым программным обеспечением Quantum GIS (QGIS) 3.16.1-Hannover и СУБД PostgreSQL. Определен список картографических слоев в формате shape-файлов и их информационных свойств в качестве базовой пространственной основы.
Полученные результаты являются основой для последующей разработки модулей экологически сбалансированного землепользования и поддержки экологически сбалансированного адаптивно-ландшафтного точного земледелия.
Примечания:
1. Варшанина Т.П., Солодухин А.А., Коробков В.Н. ГИС построения и анализа геодинамической модели территорий // ИнтерКарто/ИнтерГИС-18: устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт: материалы междунар. науч. конфер. Смоленск; Сен-Дье-де-Вож: Принт АП Смоленск, 2012. С. 17-23.
2. Варшанина Т.П., Пьянков В.Ю., Шехов З.А. ГИС экологически сбалансированного ландшафтно-адаптивного землепользования // Четвертые ланд-шафтно-экологические чтения, посвященные Г.Е. Гришанкову: сборник материалов междунар. на-уч.-практ. конф. 2020. С. 82-87.
3. Варшанина Т.П., Плисенко О.А., Коробков В.Н. Цифровая платформа в проекте «Цифровая Земля» для исследований и научно-практических разработок на основе онтологической модели геопространства // Биосфера и человек: сборник материалов междунар. науч. конф. Майкоп: Электронные издательские технологии, 2019. С. 184-188.
4. Варшанина Т.П., Бжецева А.Б., Плисенко О.А. Ме-
References:
1. Varshanina T.P., Solodukhin A.A., Korobkov V.N. GIS for construction and analysis of the geodynamic model of territories // InterCarto/InterGIS-18: sustainable development of territories: GIS theory and practical experience: proceedings of the international scient. and pract. conference. Smolensk; Saint-Die-des-Vosges: Print AP Smolensk, 2012. P. 17-23.
2. Varshanina T.P., Pyankov V.Yu., Shekhov Z.A. GIS of ecologically balanced landscape-adaptive land use // Fourth Landscape-Ecological Readings dedicated to G.E. Grishankov: collection of proceedings of the international scient. and pract. conference. 2020. P. 82-87.
3. Varshanina T.P., Plisenko O.A., Korobkov V.N. Digital platform in the "Digital Earth" project for research and scientific and practical development based on the ontological model of geospace // Biosphere and Man: collection of proceedings of the international scient. and pract. conference. Maikop: Electronic Publishing Technologies, 2019. P. 184-188.
4. Varshanina T.P., Bzhetseva A.B., Plisenko O.A. Basic
тодология базовой цифровой платформы умного точного земледелия Республики Адыгея // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер.: Естественно-математические и технические науки. 2020. Вып. 1 (256). С. 43-53. URL: http://vestnik.adygnet.ru
5. Варшанина Т.П., Бжецева А.Б., Шехов З.А. Цифровые технологии высокоточного экологически сбалансированного земледелия на ландшафтно-адаптивной основе // Актуальные проблемы и перспективы развития сельского хозяйства юга России: сборник докладов по материалам Всерос. на-уч.-практ. конфер. с междунар. участием. Майкоп: Магарин О.Г., 2019. С. 121-124.
6. Структурно-подобная геодинамическая модель Краснодарского края и Республики Адыгея / Т.П. Варшанина, О.А. Плисенко, А.А. Солодухин, В.Н. Коробков. Москва; Майкоп: Камертон, 2011. 128 с.
digital platform methodology for knowledge-based precision farming of the Adyghea Republic // The Bulletin of the Adyghe State University. Ser.: Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2020. Iss. 1 (256). P. 43-53. URL: http://vestnik.adygnet.ru
5. Varshanina T.P., Bzhetseva A.B., Shekhov Z.A. Digital technologies of high-precision ecologically balanced agriculture on a landscape-adaptive basis // Actual problems and prospects for the development of agriculture in the south of Russia: collection of reports based on the materials of the All-Russian scient. and pract. conference with international participation. Maikop: Magarin O.G., 2019. P. 121-124.
6. Structurally similar geodynamic model of Krasnodar Territory and the Republic of Adyghea / T.P. Varshanina, O.A. Plisenko, A.A. Solodukhin, V.N. Korobkov. Moscow; Maikop: Kamerton, 2011. 128 p.
