CC BY
38
УДК 004.6+595.7(571.5)+630(571.5)
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАЗ ДАННЫХ ПО ХВОЕГРЫЗУЩИМ НАСЕКОМЫМ И ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИМ ШКАЛАМ ДЛЯ БАЙКАЛЬСКОЙ СИБИРИ В СРЕДЕ ГЕОПОРТАЛА
© И.А. Антонов1, В.А. Осколков2
Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
1,2Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН,
664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132.
Геопортал ИНЦ СО РАН является специализированным сервисом для работы с пространственно -распределенными данными. Базы данных по хвоегрызущим насекомым и дендро -хронологическим шкалам для Байкальской Сибири были интегрированы в среду геопортала. Рассмотрено содержимое этих баз данных. Установлено, что совместное использование баз данных по хвоегрызущим насекомым и дендрохронологическим шкалам в среде геопортала позволяет определять предполагаемые места вспышек массового размножения хвоегрызущих насекомых на территории Байкальской Сибири.
Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: база данных; геопортал; хвоегрызущие насекомые; дендрохронологические шкалы; Байкальская Сибирь.
COMBINED USE OF DATABASES ON NEEDLE-CHEWING INSECTS AND DENDROCHRONOLOGICAL SCALES FOR BAIKALIAN SIBERIA IN GEOPORTAL ENVIRONMENT
I.A. Antonov, V.A. Oskolkov
11rkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
2Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS 132 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
The geoportal of the Irkutsk Scientific Center SB RAS is the specialized service for dealing with distributed spatial data. Databases on needle-chewing insects and dendrochronological scales for the Baikalian Siberia have been integrated into the geoportal environment. The contents of these databases have been considered. It is specified that the use of combined databases on needle-chewing insects and dendrochronological scales in the geoportal environment allows to identify the suspected places of phytophagous insect massing outbreaks in the Baikalian Siberia.
3 figures. 1 table. 10 sources.
Key words: database; geoportal; needle-chewing insects; dendrochronological scales; Baikalian Siberia.
Направление Cloud Computing («облачные вычисления» или «облачная обработка данных») является перспективным быстроразвивающимся направлением современных информационных технологий. Идеология облачных вычислений заключается в переносе организации вычислений и обработки данных в значительной степени с персональных компьютеров на серверы Всемирной сети [6]. Этого направления не было, если бы не развитие сетевых технологий. Именно значительное увеличение в Интернете доли средне- и высокоскоростных сетей способствует бурному развитию технологий облачных вычислений.
Одним из пионеров в российской научной сфере этого перспективного направления развития современных информационных технологий является геопортал Иркутского научного центра СО РАН (http://geos.icc.ru/), который является специализированным сервисом для работы с пространственно-
распределенными данными [2]. Основная цель геопортала - это комплексирование данных из разных областей науки для получения новых знаний и обеспечения оперативного доступа научных работников к разнообразным информационным ресурсам, которые располагаются в институтах Иркутского научного центра СО РАН (рис. 1).
Внедрение технологий облачных вычислений дает ряд преимуществ:
- надежное хранение и накопление научных данных в электронном виде;
- открытый доступ к моделям и методам геообработки данных и возможность постоянного расширения их набора;
- отсутствие необходимости установки у пользователя сложного (уникального) программного обеспечения и его обслуживания;
- использование вычислений в распределенной
1Антонов Игорь Алексеевич, магистрант, тел.: 89642748287, e-mail: [email protected], [email protected] Antonov Igor, Graduate student, tel.: 89642748287, e-mail: [email protected], [email protected]
2Осколков Владимир Александрович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории биоиндикации экосистем, тел.: 89149040101, e-mail: [email protected]
Oskolkov Vladimir, Candidate of Biology, Senior Researcher of the Laboratory of Bioindication of Ecosystems, tel.: 89149040101, e-mail: [email protected]
среде (многопроцессорные системы) для ресурсоемких приложений геообработки.
В результате при использовании облачных вычислений существенно снижаются требования к ресурсам персональных компьютеров пользователей [6]. Для работы вполне достаточно недорогого компьютера, браузера и сети Интернет. В итоге технологии облачных вычислений будут способствовать развитию научной информационно-аналитической среды и повышению эффективности научных исследований в целом и исследованию биоразнообразия Байкальского региона в частности.
Базы данных по хвоегрызущим насекомым и дендрохронологическим шкалам были интегрированы в среду геопортала. К нему создан интерактивный разграничительный доступ, позволяющий оперативно пополнять, обновлять эти базы данных и сохранять их актуальность на протяжении длительного периода времени. Для передачи на геопортал данных большого объема используется защищенный протокол FTPS (File Transfer Protocol + SSL). Протокол FTPS является аналогом FTP (File Transfer Protocol), но соединение с сервером защищено при помощи криптографических протоколов SSL (Secure Sockets Layer) или TLS (Transport Layer Security). В результате применения этих протоколов вся передаваемая информация шифруется, обеспечивая конфиденциальность как идентификационных данных, так и передаваемой информации [2].
Для осуществления доступа к геопорталу по протоколу FTPS установлен и настроен FTP-сервер FileZilla, который является свободным FTP-сервером с открытым кодом и GNU-лицензией. FileZilla поддерживает как FTP, так и FTPS, SFTP (SSH File Transfer Protocol) протоколы передачи данных. Сервер является кроссплатформенным, что позволяет использовать его даже в случае изменения программной платформы, на которой базируется геопортал. Управление сервером FileZilla осуществляется геопорталом [2].
В среде геопортала базы данных созданы в СУБД Postgre SQL, которая обрабатывает пространственные данные. Пользовательские данные в СУБД Postgre SQL хранятся в системе хранения данных Ready Storage 3994 класса SAN (Storage Area Network), в которой порядок хранения информации на жестких дисках определяется файловой системой. Это повышает надежность хранения важной научной информации на несколько порядков и увеличивает скорость доступа к данным, по сравнению с обычным персональным компьютером пользователя. Для баз данных выделены отдельные директории. Управление файловой системой (например, загрузка на геопортал новых данных по хвоегрызущим насекомым и т. д.) в рамках выделенной директории производится с помощью файлового менеджера, который позволяет производить все основные операции с файловой системой через Web-браузер [2].
Структуру баз данных на геопортале можно изменять с помощью редактора тем (рис. 2). Он позволяет:
- создавать новые таблицы, определяя их структуры (список полей и их типы) и приводя к удобному виду для редактирования и анализа;
- создавать интерфейс на основе существующей таблицы;
- геокодировать табличные данные для отображения объектов на карте;
- просматривать и редактировать данные с выводом на печать и с применением фильтров [2].
В среде геопортала разработан механизм визуализации атрибутивной картографической информации, содержащейся в базах данных. Информация может быть отображена на электронной карте одновременно из разных баз данных, причем информация из базы данных по хвоегрызущим насекомым будет отражена в одном слое электронной карты, а информация из базы данных по дендрохронологическим шкалам - в другом.
Рис. 1. Геопортал ИНЦ СО РАН
Рис. 2. Редактор тем в среде геопортала
Рассмотрим базы данных, совместное использование которых в среде геопортала будет особенно полезно для решения задач по защите леса.
Исследования проводились на территории Байкальской Сибири, в которую включают территории юга Иркутской области (Предбайкалье), Республики Бурятии (Западное Забайкалье) и Забайкальского края (Восточное Забайкалье).
Хвоегрызущие насекомые (филлофаги) - одна из главнейших групп вредителей леса. Их вредоносность варьирует в широких пределах от практически неощутимой до экстремально высокой, когда филлофаги становятся мощным экологическим фактором, способствующим изменению структуры насаждений или даже смене типов растительности [8].
В лаборатории природных и антропогенных экосистем СИФИБР СО РАН создана геоинформационная реляционная база данных по хвоегрызущим насекомым Байкальской Сибири [2]. Она состоит из набора связанных между собой таблиц. Данные о насекомых организованы в таблицы таким образом, чтобы обеспечить объединение разнородной информации о филлофагах, исключить дублирование информации, а также предоставить оперативный доступ к имеющимся сведениям. Это позволяет существенно экономить время (порой в несколько раз) при добавлении и анализе информации.
База данных включает сведения о 141 виде хвоегрызущих насекомых из 14 семейств, относящихся к двум отрядам - перепончатокрылым и чешуекрылым. Для каждого вида указаны географическое распространение, места находок, биотопическая приуроченность, кормовые породы и т.д.
В лаборатории биоиндикации экосистем СИФИБР
СО РАН создана геоинформационная база данных, содержащая дендрохронологический материал (стандартизированная и «выбеленная» хронологии, данные прироста индивидуальных деревьев). База охватывает более 60 местообитаний наиболее характерных для региона Байкальской Сибири.
Хорошо известно, что численность популяций каждого вида хвоегрызущих насекомых колеблется (то возрастает, то понижается). Знание закономерностей этих колебаний позволяет правильно осуществлять прогнозы массового появления насекомых и ожидаемого вреда, своевременно планировать и проводить истребительные мероприятия [1]. Насекомые, образующие периодические крупномасштабные вспышки, существенно отличаются от видов насекомых, не образующих таких вспышек. Прежде всего они способны к быстрому отклику на изменения окружающей среды и качества кормового субстрата, обладают значительным потенциалом адаптации к этим изменениям, сильным полиморфизмом, высоким миграционным потенциалом [10]. Ключевым фактором функционирования механизма реализации вспышек служит фактор абиотического стресса (весенне-летние засухи), который и включает основной биотический фактор - способность этой группы насекомых-филлофагов к быстрой адаптации к изменению условий среды [3].
Перспективными методами исследования факторов популяционной динамики насекомых-фитофагов являются дендрохронологические и, в первую очередь, метод количественного анализа отклика древо-стоев на фактор абиотического стресса с помощью анализа степени снижения годичного радиального прироста в год наступления засухи [3]. При этом стоит отметить, что на величину годичного прироста дере-
вьев (или активность камбиальных клеток) оказывает влияние большое количество как внутренних, так и внешних комплексно действующих факторов. Из внутренних факторов наибольшее влияние оказывают порода дерева, наследственная индивидуальная изменчивость, возраст и плодоношение [4]. Из внешних факторов на величину прироста влияют: климатические и почвенные условия, фитоценотические взаимоотношения, разного рода катастрофы (пожары, буреломы, нападения насекомых-вредителей), а также хозяйственная деятельность человека. Радиальный прирост деревьев (ширина годичного кольца) находится под контролем внутренних факторов и модифицируется внешними.
При довольно неплохой изученности Байкальского региона с точки зрения дендроклиматологии, отдельные районы (например, Приольхонье) до сих пор остаются «белыми пятнами» [5]. Данное обстоятельство объясняется сложностью объекта. Здесь на деревья влияет обширный ансамбль природных и антропогенных факторов. Вычленить и интерпретировать климатический сигнал не всегда удается. В наших исследованиях сделана первая попытка денд-роклиматического анализа этого региона. Для проведения исследований динамики радиального прироста деревьев, нами были отобраны образцы древесины лиственницы и сосны в нескольких местообитаниях Приольхонья.
Индивидуальные древесно-кольцевые хронологии были построены по отобранным образцам, после измерения ширины годичных колец. Хронологии перекрестно датировались методом cross-dating с приме-
нением автоматизированной системы LINTAB в программном пакете TSAP. После этого датировка была проверена тестированием программами ARSTAN и COFECHA из программного пакета DPL-99 [9]. Индивидуальные древесно-кольцевые хронологии лиственницы и сосны были датированы и затем анализировались с использованием программы ARSTAN, входящей в программный пакет DPL-99 (рис. 3). Градации насекомых устанавливались по специфическим сочетаниям серий годичных колец, образовавшихся в годы повреждения кроны деревьев хвоегрызущими насекомыми.
Следует отметить, что анализируемые породы деревьев Приольхонья испытывают частое влияние негативных факторов, таких как градации хвоегрызущих насекомых (прежде всего это характерно для лиственницы), засухи и пожары. Это приводит к образованию многочисленных ложных, выпадающих и выклинивающихся годичных слоев, что затрудняет датировку сравниваемых древесно-кольцевых серий (таблица).
В результате выявлен ряд дат вспышек массового размножения хвоегрызущих насекомых, вызвавших в свое время резкое снижение прироста лиственницы. Так, установлены следующие градации хвоегрызущих насекомых: 1932, 1937, 1963, 1967, 1968, 1969, 1978 годы - серая лиственничная листовертка, пяденица Якобсона, лиственничная пяденица; 1948-1950 гг., 1955-1959 гг. - непарный шелкопряд, пяденица Якобсона; 1980-1981 гг. - античная волнянка; 19972000 гг. - непарный шелкопряд [5, 7].
Краткая характеристика пробных площадей (ПП), на которых были отобраны образцы древесины (в скобках даны названия дендрохронологических шкал в среде геопортала)
Пробные площади Тип леса Координаты
Лиственничники
Харга (harga-l) Сосняк разнотравный с примесью лиственницы N 53002'47,5" - E 106043'36,8", выс. 582 м над ур. моря
Шида (shida) Лиственничник разнотравно-злаковый N 53005'29,6" - E 106047'40,2", выс. 659 м над ур. моря
Куркут (Kurk) Лиственничник разнотравный N 53001 '20,6" - E 1060 48'15,6", выс. 668 м над ур. моря
Загалмай (zagalmai) Лиственничник осоково-разнотравнозлаковый с синузиями мхов N 52052'37,4" - E 106044'56,9", выс. 715 м над ур. моря
Сосняки
Мод.полигон (mod-p) Редина сосны осоково-разнотравнозлаковая (кизильник-карагана) N 53002'38,1" - E 106042'58,9", выс. 719 м над ур. моря
Харга (harga-s) Сосняк разнотравный N 53002'40,1" - E 106043'32,2", выс. 575 м над ур. моря
Рис. 3. Датированные индивидуальные древесно-кольцевые серии лиственницы (урочище Куркут). Условно одновозрастной древостой, образовавшийся после пожара 1936 г. Одни из наиболее больших редукций прироста 1978-1984 и 1997-2000 годов вызваны дефолиацией деревьев хвоегрызущими насекомыми (показано стрелками)
Хорошо известно, что подъему численности популяции и возникновению вспышки массового размножения насекомых-фитофагов обычно предшествует несколько засушливых лет [3]. Поэтому очень важным является динамика годичного радиального прироста у деревьев с разной энтоморезистентностью в течение нескольких лет засухи, предшествующих вспышке хвоегрызущих насекомых. Из литературных источников известно, что древостои по-разному реагируют на фактор абиотического стресса, то есть различия заключались в разной степени снижения годичного радиального прироста древостоев в год засухи [3]. Уро-
вень снижения годичного радиального прироста хорошо коррелирует со степенью дефолиации крон деревьев, вызванной насекомыми-фитофагами [3, 7].
Таким образом, в среде геопортала, при совместном использовании баз данных по хвоегрызущим насекомым и дендрохронологическим шкалам, можно определять предполагаемые места вспышек массового размножения хвоегрызущих насекомых на территории Байкальской Сибири.
Работа выполнена при поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 17.
Библиографический список
1. Воронцов А.И. Биологические основы защиты леса. М.: Высшая школа, 1963. 324 с.
2. Интеграция базы данных по хвоегрызущим насекомым Байкальской Сибири в среду геопортала / И.А. Антонов [и др.] // Известия Иркутского государственного университета. Серия «Биология. Экология». 2013. Т. 6, вып.2. С. 159-162.
3. Колтунов Е.В. Дендрологические аспекты реакции древостоев на абиотический стресс как фактор популяционной динамики в очагах массового размножения насекомых-фитофагов // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. 2012. Т.5, вып.1. С. 52-69.
4. Крамер П.Д., Козловский Т.Т. Физиология древесных растений. М.: Лесная промышленность, 1983. 464 с.
5. Осколков В.А., Воронин В.И. Общая характеристика радиального прироста сосны и лиственницы, их связь с климатическими факторами в различных местообитаниях Приольхонья // Сиб. экол. журн. 2005. Вып.4. С. 717-730.
6. Тарнавский Г.А. Облачные вычисления в Интернете: краткий экскурс в Центр компьютерного моделирования // Модел. и анализ информ. систем. 2010. Т. 17. Вып.2. С. 112121.
7. Шубкин Р.Г., Осколков В.А., Воронин В.И. Выявление крупномасштабных лесных пожаров и градаций хвоегрызущих насекомых в Байкальской Сибири методом дендрохронологии // Лесное хоз-во. 2006. №2. С. 45-47.
8. Эпова В.И., Плешанов А.С. Зоны вредоносности насекомых-филлофагов Азиатской России. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. 147 с.
9. Holmes R.L. Dendrochronology program library - users manual. Laboratory of Tree-Ring Research, Univ.of Arizo-na,Tucson. - Arizona USA, 1998. 130 p.
10. Wallner W.E. Factors affecting insect population dynamics: differences between outbreak and non-outbreak species // Ann. Rev. Entomol. 1987. Vol. 32. P. 317-340.
