Politechnika Łódzka MARCIN KUZASKI Politechnika Łódzka
Artykuł przedstawia moliwoci zastosowa informatyki do tworzenia aplikacji słucych do oceny rodowiska i jego elementów. Opisana została równie ogólna koncepcja budowy tego typu oprogramowania. Aplikacje te wykorzystywane s w klasycznych badaniach naukowych, dydaktyce i monitorowaniu rodowiska przez odpowiednie instytucje do tego powołane. Znaczna cz projektów informatycznych wspiera działania informacyjno-ochronne, std narzdzia te s zalecane przez organy unijne i uzyskuj dofinansowanie z ich funduszy.
The article presents usability of computer science for creating applications for environment conservation. General conception of building such software is given. Those applications are using in classical science, teaching and environment monitoring for appropriate institutions. The most of biology projects assist protection activity, thus are supported by European funds.
1. Wprowadzenie
Informatyka wkracza obecnie w badania ekologiczne i rodowiskowe, tworzc uyteczne narzdzia słuce do przechowywania informacji oraz wzbogacajc metody diagnozowania stanu rodowiska naturalnego. Znaczenie informatyki w badaniach ekologicznych dostrzegły wielkie koncerny Hewlett-Packard i Ellery Systems Inc., które z pomoc amerykaskich specjalistów ds. ekologii podjły prób stworzenia pierwszego globalnego systemu przetwarzania i przekazywania informacji o tematyce ekologicznej. Jego zadaniem jest ułatwianie gromadzenia danych dotyczcych takich problemów, jak: dziury ozonowe, efekt cieplarniany, itp48. Podobnie uczyniły inne firmy, miedzy innymi polska firma ESAProjekt, która projektuje i wdraa systemy komputerowe do zarzdzania sieciami monitorujcymi rodowisko na obszarze danego kraju (Włochy, Brazylia, Bułgaria, Singapur).
Oprócz kompleksowych rozwiza do zarzdzania informacjami o rodowisku, informatyka znajduje zastosowanie w mniejszych projektach ukierunkowanych na wyspecjalizowane zagadnienia, takie jak ekologia i taksonomia konkretnych grup rolin i zwierzt lub ocena stanu rodowiska wodnego na podstawie wybranych organizmów bioindykacyjnych. W dobie metodologicznego zrónicowania bada i rosncych zasobów wiedzy ekologicznej usystematyzowanie danych (oraz nieograniczony dostp do nich poprzez Internet) i automatyzacja oblicze stała si nieodzownym narzdziem bada rodowiska. Tworzenie takich narzdzi jest zgodne z dyrektyw VI Programu Działa na Rzecz Ochrony rodowiska Unii Europejskiej z 2001 r. dotyczcych tworzenia instrumentów, których wdroenie i stosowanie powinno przyczyni si do osignicia celów polityki ekologicznej w zintegrowanej Europie. Systemy informatyczne znajduj si w grupie tzw. poziomych instrumentów wspomagajcych, które słu pozyskiwaniu, przechowywaniu i rozpowszechnianiu informacji o stanie rodowiska.
W pracy opisano ide tworzenia systemu informatycznego, jego struktur oraz bezporednie wykorzystanie w ekologii na podstawie wybranych programów komputerowych. Przedstawiono podstawowe wymogi jakimi naley kierowa si przy tworzeniu tego typu aplikacji.
2. Rola i budowa systemu informatycznego
Pomiar stanowi wane ogniwo naukowej interpretacji wiata zewntrznego, pozwalajce przypisa wartoci liczbowe interesujcym nas cechom obiektów. System pomiarowy jest obecnie podstawowym narzdziem realizacji technicznej pomiarów. Mona go okreli jako odpowiednio zorganizowany zestaw elementów, stanowicych cało organizacyjn i objtych wspólnym sterowaniem, przeznaczony do wydobycia informacji pomiarowej z obiektu badanego i przekazania jej obserwatorowi w uytecznej formie.49 Od strony merytorycznej celem rozwoju systemów pomiarowych jest umoliwienie człowiekowi poznania nowych, niemierzalnych dotd obszarów, za od strony uytkowej - stworzenie mechanizmów i narzdzi uwalniajcych uytkownika od koniecznoci rcznego dokonywania oblicze i symulacji.
Aplikacje wykorzystywane w ekologii i ochronie rodowiska maj róne przeznaczenie i nierzadko s wielomodułowymi programami, jednak sposób ich projektowania podlega tym samym zasadom co ogólna koncepcja systemu informatycznego. System informatyczny jest tworzony w celu wsparcia konkretnego zagadnienia, a podstawowym zadaniem rozwiza informatycznych jest zapewnienie wysokiej jakoci otrzymywanych informacji. Główne cechy, jakie powinien spełnia taki system to:
− kompleksowo funkcjonalna, − integracja danych i procesów,
− elastyczno strukturalna (skalowalno) i funkcjonalna – czyli w miar moliwoci dynamiczne dopasowanie do zmiennych wymaga i realizowanych zada,
− otwarto – czyli moliwo rozbudowy systemu i tworzenie nowych połcze zewntrznych,
− zaawansowanie merytoryczne – moliwo pełnego informatycznego wsparcia procesów analitycznych,
− zaawansowanie technologiczne – zgodno ze standardami sprztowo-programowymi oraz moliwo przenoszenia na inne platformy,
− zgodno z ogólnymi wytycznymi danej dziedziny50.
W kadym systemie informacyjnym mona wyodrbni procesy przetwarzania danych, procesy komunikacji (przepływu informacji), ródła informacji, metody i rodki techniczne gromadzenia i przetwarzania danych, zbiory informacji (bazy danych), kanały przepływu oraz odbiorców informacji51.
Niezaleny od sprztu i oprogramowania projekt ogólny systemu obejmuje: − ocen i wybór wersji systemu,
− projekt struktury funkcjonalnej (koncepcj systemu)52, − projekt wej i wyj systemu (formatki i zestawienia), − projekt interfejsu uytkownika,
− projekt logicznej bazy danych, − integracj składników.
3. Przegl d aplikacji wykorzystywanych w ekologii
Dwa główne nurty wykorzystania aplikacji komputerowych w ekologii i ochronie rodowiska zwizane s:
− z tworzeniem internetowych baz danych,
− z tworzeniem programów, które wykonuj analizy poszczególnych elementów rodowiska na podstawie oblicze rónorodnych statystyk i indeksów ekologicznych (Tabela 1).
Bazy ekologicznych danych umieszczane w portalach internetowych słu do rozpowszechniania wyników bada i wymiany dowiadcze naukowców i analityków rodowiska. Jako przykład takiej bazy mona poda European Diatom Database (EDDI), która została utworzona poprzez zintegrowanie danych o wartoci bioindykacyjnej
50 Winiecki W. 1997 51wiskuski D. 1998 52 Winiecki W, 1997
okrzemek53 z innych mniejszych baz funkcjonujcych w Europie, rónych czciach Afryki i Azji54.
Programy wykonujce analizy rodowiska w zalenoci od zastosowa mona podzieli na:
− aplikacje do badania zalenoci midzy elementami rodowiska i oblicze statystycznych,
− aplikacje do gromadzenie danych (bazy) i raportowania o stanie rodowiska, − systemy konsolidacji danych,
− aplikacje wykorzystywane w edukacji.
Tabela 1. Przegld głównych aplikacji wykorzystywanych w badaniach rodowiskowych.
Nazwa programu Przeznaczenie Wykorzystanie
Biologia Proeko (Polska)
System do analizy mikrofauny w osadzie czynnym oraz obliczania saprobowoci metod Pantle-Buck'a. Ocena jakoci wody. OMNIDIA Catherine Lecointe Francja
Program do oceny jakoci wody na podstawie obliczenia indeksów bazujcych na okrzemkach.
Ocena jakoci wody, ochrona rodowiska, badania ekologii okrzemek. Analiza wody Proeko (Polska)
Program do gromadzenia wyników analiz fizykochemicznych wód i cieków oraz do wydruku wyników oraz sprawozda rocznych.
Ocena jakoci wody.
Ciek
Proeko (Polska)
System do gromadzenia i oceny wyników bada czystoci płyncych wód powierzchniowych oraz generowania rónorodnych zestawie i wykresów zawierajcych informacje o stopniu zanieczyszczenia rzeki.
Ocena jakoci wody.
Przepływ Proeko (Polska)
Program do gromadzenia danych liczbowych i tekstowych z pomiarów przepływów wody w rzece oraz obliczania prdkoci w poszczególnych pionach pomiarowych i sumaryczny przepływ wody.
Ocena jakoci wody, badania hydrologiczne. Internet Ekologia Advanced Network Technologies Sp. z o.o. (Polska)
System do przetwarzania i wizualizacji wyników pomiarów rónorodnych zanieczyszcze, w tym wód. Na podstawie tych wyników system generuje raporty i wykresy oraz po
Ocena jakoci wody, ochrona rodowiska.
53 Okrzemki s mikroorganizmami rolinnymi obecnymi powszechnie we wszystkich typach wód, a
koncentracja poszczególnych gatunków w rodowisku wodnym odzwierciedla jako wody.
Nazwa programu Przeznaczenie Wykorzystanie zweryfikowaniu poprawnoci przesyła je na
serwer WWW. System opracowany na potrzeby Orodka Bada i Kontroli rodowiska.
Cadaster - Zarzdzanie rodowiskiem
ESAProjekt Sp. z o.o. (Polska)
Wielomodułowy system informatyczny umoliwiajcy rejestracj i kontrol zanieczyszcze rodowiska, generowanych zarówno przez zakłady przemysłowe, jak i obiekty cywilne.
Ochrona rodowiska.
RHABSIM - Riverine Habitat Simulatation U. S. Fish and Wildlife Service (USA)
System do symulowania przepływów i modelowania siedlisk organizmów w ciekach.
Badania ekologii organizmów, hydrologia. ADE4 CNRS (Włochy)
System do statystycznej analizy danych ekologicznych. Badania ekologiczne. PC-ORD UCD Computing Services (Irlandia)
System do statystycznej analizy danych ekologicznych oraz obliczania wartoci wskanikowych dla poszczególnych organizmów w danym rodowisku. Badania ekologiczne. PRIMER PRIMER-E Ltd. (Wielka Brytania)
System do statystycznej analizy danych ekologicznych oraz oblicze indeksów rónorodnoci biologicznej. Badania ekologiczne. Biotas Ecological Software Solutions
Wspomaganie analiz rodowiskowych i statystycznych.
Badania ekologiczne. SPECRICH
Patuxent Wildlife Research Center (USA)
Program do szacowania ogólnej liczby gatunków w rodowisku na podstawie obecnoci
i braku gatunków w poszczególnych próbach.
Badania ekologiczne. Species Diversity and Richness Pisces Conservation Ltd. (Wielka Brytania)
Program do bada biorónorodnoci typu alfa i beta, generuje realny i symulowany rozkład liczebnoci organizmów w rodowisku.
Badania ekologiczne. RAMAS Ecosystem RAMAS Ecotoxicology Applied Biomatematics (USA)
Programy do modelowania zalenoci midzy organizmami na poziomie ekosystemu oraz populacji oraz funkcjonowania łacuchów pokarmowych.
Badania ekologiczne.
Aplikacje słuce do analizy zalenoci midzy elementami rodowiska s powszechnie wykorzystywane w ekologii. Programy te bazuj na szeregu danych uzyskiwanych z bada rodowiskowych i mog oblicza rónorodne statystyki i indeksy ekologiczne,
których wybór zaley od operatora i analizowanej sytuacji. Wród tego typu aplikacji przykładem jest program PRIMER (Plymouth Routines In Multivariate Ecological Research)55.
Rol programu PRIMER jest wielowymiarowa analiza danych zebranych dla potrzeb badania wpływu czynników rodowiskowych (zanieczyszczenie olejem, ciekami, przemieszczanie mas ziemi, zaburzenia klimatyczne) na ekologi zespołów organizmów (Rys. 1). Główne moduły obliczeniowe obejmuj nastpujce statystyki porównawcze i wielowymiarowe:
− analiza klasterowa (Cluster Analysis),
− analiza ordynacyjna (Multidimensional Scaling),
− analiza głównych składowych (Principal Component Analysis) − analiza porównawcza (ANOSIM).
Odrbny moduł tego programu słuy do oblicze indeksów rónorodnoci biologicznej na poziomie taksonomicznym. Obsługa programu wymaga minimalnej znajomoci statystyki oraz głbokiej wiedzy ekologicznej, gdy konieczna jest poprawna interpretacja wyników, które uzyskiwane s zarówno w formie liczbowej jak i graficznej
(Rys. 2, 3). Otrzymane dane s przechowywane
w systemie w postaci ogólno dostpnych baz danych, dziki czemu mog by wykorzystywane w innych aplikacjach.
Rysunek 1. Okno aplikacji PRIMER 5.0
Według autorów PRIMER posiada lepsze zastosowanie w badaniach zalenoci midzy organizmami a rodowiskiem, ni programy pełnice funkcj pakietów statystycznych
ogólnego przeznaczenia, np. STATISTICA. Oprócz typowych zada statystycznych funkcjonalno programu PRIMER jest ukierunkowana na konkretne zagadnienia ekologii, takie jak biorónorodno czy analiza dominacji gatunkowej.
Rysunek 2. Wizualizacja wyników analizy dominacji wykonanej w pakiecie PRIMER 5.0.
Rysunek 3.Wizualizacja wyników analizy PCA wykonanej w pakiecie PRIMER 5.0. Aplikacje słuce do gromadzenia danych i raportowania o stanie rodowiska znajduj szerokie zastosowanie w organizacjach zajmujcych si konserwacj systemów naturalnych, midzy innymi cieków i systemów podmokłych (np. program Ciek) i zazwyczaj powstaj na specjalne zamówienie instytucji zgłaszajcej konkretny problem.
Mog one opiera si na szeregu danych lub tylko pojedynczych wskanikach, których koncentracja odzwierciedla stan zagroenia rodowiska.
Przykładem takiej aplikacji jest OMNIDIA - oprogramowanie słuce do okrelania indeksów jakoci wód w oparciu o organizmy wskanikowe – okrzemki56. OMNIDIA powstała dla potrzeb francuskich agencji zajmujcych si okrelaniem jakoci wody (Agence De L’eau Artois Picardie, Cemagref) jednak z czasem spotkała si z wielkim zainteresowaniem specjalistów od taksonomii i ekologii okrzemek. Algolodzy powszechnie wykorzystuj ten program do dalszej eksploracji zagadnie ekologicznych, głównie wykrywania zalenoci midzy wystpowaniem rónych gatunków okrzemek a cechami rodowiska wodnego. Obliczenia w programie OMNIDIA poprzedzane s szczegółow analiz taksonomiczn - w próbie wody okrelany jest procent poszczególnych gatunków okrzemek. Nastpnie informacje te s przekazywane do programu, który dokonuje oblicze indeksów czystoci wody bazujcych na okrzemkach.
Rysunek 4. Przykład rekordu danych taksonomicznych zawartych w bazie OMNIDIA. Organizacja programu OMNIDIA jest wielopoziomowa. Wbudowanym, gotowym modułem programu jest baza danych gatunków, zawierajca około 11000 rekordów.
56 Obecne dyrektywy Unii Europejskiej dotyczce ochrony rodowiska przewiduj midzy innymi klasyfikacj i
monitoring wód w oparciu o metody biologiczne i organizmy bioindykacyjne, takie jak: makrofity, fitoplankton i fitobentos (np. projekt Rady Nadzorczej Unii Europejskiej nr 9710/98[6]). W ostatnich latach tworzy si
programy komputerowe, np. OMNIDIA zawierajce taksonomiczn i ekologiczn baz danych bioindykatorów, z podaniem ich wartoci wskanikowych i na tej podstawie ocenia si jako wody [5]. OMNIDIA bazuje na okrzemkach i jest coraz powszechniej wykorzystywana w wielu krajach europejskich, midzy innymi w Finlandii [3], Estonii [11] i Polsce [4].
Rekord zawiera pole taksonomiczne, obrazu, referencji, a take informacje o wraliwoci gatunku i jego właciwociach (Rys. 4). Program umoliwia take tworzenie własnej bazy zawierajce dane o kadej analizowanej próbie – jest to kolejny moduł oprogramowania. Kady rekord w tej bazie przechowuje dane, takie jak data, lokalizacja, temperatura i dane rodowiskowe i udział procentowy okrzemek w próbie (Rys. 5). Kady uytkownik moe wzbogaca baz danych o dowoln liczb rekordów, a liczba zapisów jest praktycznie nieograniczona dla kadego pliku.
Po wprowadzeniu kadego zapisu (rekordu) program automatycznie oblicza 13 indeksów okrzemkowych, które wskazuj na jako wody i wywietla dane o pH, zasoleniu, zawartoci zwizków pokarmowych, wymaganiach tlenowych, saprobowoci, warunkach prdowych itp.
Rysunek 5. Przykład rekordu danych uzyskanych dla jednej próby (OMNIDIA). Coraz powszechniej stosowane s take globalne systemy monitorowania i analizy zanieczyszcze wody, powietrza lub gleb, np. Cadaster lub EcoSystem (System Zarzdzania Informacjami o rodowisku Naturalnym, ESAProjekt) z sukcesem wdroony na terenie 80% Włoch i w wielu innych krajach. Nowoczesne podejcie tego typu przedsiwzi informatycznych polega na istnieniu lokalnych bezobsługowych stacji pomiarowych, centrów regionalnych i centrali krajowej, które s w pełni zdalnie administrowane. Wstpna agregacja danych rodowiskowych wykonywana jest na stacjach pomiarowych na podstawie rónorakich algorytmów analizy, tu te odbywa si monitorowanie sytuacji alarmowych i automatyczne powiadamianie central regionalnych. S to tzw. inteligentne stacje pomiarowe. W centralach odbywa si analiza pobranych danych połczona z generowaniem rónego rodzaju raportów rodowiskowych, równie tych wynikajcych z dyrektyw Unii Europejskiej.
4. Wnioski
Nowoczesne podejcie do bada ekologicznych wymaga połczenia wielu dziedzin midzy innymi biologii i informatyki. Ta konsolidacja dziedzin umoliwia lepsze i szybsze dokonywanie pomiarów, co istotne jest zwłaszcza, gdy analizowane parametry informuj o zagroeniu rodowiska konkretnym zjawiskiem i konieczne jest szybkie reagowanie.
Budowane systemy informatyczne stanowi nieodzowny element poznawania otoczenia. Dziki zastosowaniu algorytmów i zautomatyzowaniu oblicze jest to nowoczesne, wielofunkcyjne narzdzie umoliwiajce otrzymanie podanego wyniku. Wybór odpowiedniego programu zaley od zjawiska, jakie podlega ocenie, a gromadzone dane prowadz do lepszego zrozumienia zasad rzdzcych w ekosystemach. Wiele programów pełni jednoczenie funkcje informacyjne i edukacyjne, które kształc kolejne pokolenia ekologów i specjalistów w dziedzinie ochrony rodowiska.
Wród pokazanych przykładów brakuje programów, które wspomagaj identyfikacj organizmów na podstawie szeroko pojtej analizy obrazu. Wynika to z faktu, e do tej pory podjto niewiele prób zautomatyzowania trudnego procesu analizy taksonomicznej. W dotychczasowych eksperymentach dotyczcych rozpoznawania glonów osignito ju zadawalajce rezultaty57, dlatego mona prognozowa, e w nastpnych latach zastosowanie informatyki bdzie rozwija si szczególnie w tym kierunku.
Bibliografia
1. Clarke K. R., Warwick R. M.: Change in marine communities: an approach to statistical analysis and interpretation – 2-nd edition; Primer-e Ltd, Plymouth 2001
2. Ekologia w rkach komputeryzacji, Computerworld 1993
3. Eloranta P., Soininen J.: Ecological status of some Finnish rivers evaluated using benthic diatom communities; Journal of Applied Phycology, 14, s:1-7, 1998
4. Kwandrans J., Eloranta P., Kawecka B., Wojtan K. 1998. Use of benthic diatom communities to evaluate water quality in rivers of southern Poland. J. Appl. Phycol., 10: 193-201, 1998.
5. Leiconte C., Coste M., Prygiel J.: Omnidia: software for taxonomy, calculation of diatom indices and inventories management; Hydrobiologia, 269/270: 509-513, 1993
6. Pech J. L., Cristobal G., Alvarez-Borrego J., Cohen L., Automatic system for phytoplanktonic algae identyfication, Limnetica 20, 1: 143-158, 2001
7. Szydłowski W.: Pomiary fizyczne za pomoc komputera, Wyd. UAM, Pozna 1999
8. wiskuski D., Laboratorium z systemów pomiarowych , Politechnika Gdaska, Gdask 1998
9. [http://www.geog.ucl.ac.uk/ecrc/eddi/index.stm]
10. UE Council: Amended proposal for a Council Directive establishing a framework for a Community action in the field of water policy; European Union, The Council, 9710/98, 1998
11. Vilbaste S.: Application of diatom indices in the evaluation of the water quality in Estonian streams; Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. Biology. Ecology, 53, 1, 2004
12. Winiecki W., Organizacja Komputerowych Systemów Pomiarowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997
![[2007/Nr 3] Produkty z owoców żurawiny błotnej - zawartość związków fenolowych i właściwości przeciwutleniające](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)