Sběr a zobrazení pozičních dat pomocí webové aplikace

Transkript

1 Sběr a zobrazení pozičních dat pomocí webové aplikace Abstrakt Web application for Collection and visualization of positional data Ing. Jan Masner 1, Ing. Michal Stočes 1 1 Katedra informačních technologií Provozně ekonomická fakulta Česká zemědělská univerzita v Praze V příspěvku je řešena problematika sběru, zpracování a vizualizace pozičních dat. Získané poznatky a principy byly využity například k vyhodnocení prostorové aktivity lesní zvěře v Doupovských horách a Národním parku Šumava v České republice. Datovou základnu pro analýzu a zpracování tvoří rozsáhlé soubory dat, získané na základě spolupráce Fakulty lesnické a dřevařské ČZU v Praze s Vojenskými lesy a statky ČR, s.p. a Národním parkem Šumava. Analytické a softwarové řešení bylo vyvinuto Katedrou IT PEF, která také systém administruje a provozuje. Klíčová slova Abstract webová aplikace, dovoká zvěř, poziční data, Česká republika, GPS, GSM. These papers deal with issues of making a general web application for collection and visualization of positional data. Principles and knowledge obtained have been used in evaluation of animal s spatial activity in Šumava National Park, Doupovské Mountains and in Ore Mountains. The data for analysis are placed in database, obtained via GPS and GSM systems in cooperation with the Military Forests and Estates of the Czech Republic, the Šumava National Park and the Faculty of Forestry and Wood Sciences at the Czech University of Life Sciences in Prague. The application for processing, analyzing and visualization of the data was developed by the Department of Information Technologies Faculty of Economics and Management at the Czech University of Life Sciences in Prague. It is also being administered, managed and run by this department. Key Words web application, wild animals, position data, Czech republic, GPS, GSM

2 ÚVOD Díky rozvoji moderních informačních a komunikačních technologií je technologicky relativně velmi snadné a finančně nenáročné získávat poziční data a přenášet je online ke zpracování. Poziční data lze využít v celé řadě odvětví, od bezpečnostních technologií, přes logistické systémy až po zemědělství a ochranu životního prostředí. Poziční data jsou samozřejmě využívána i ve výzkumu. Poziční data jsou nejčastěji získávána za pomoci radiového pozičního systému GNSS (Global Navigation Satellite System). V současné době jsou veřejně dostupné dva funkční systémy; GPS (Global Positioning System) vytvořen a řízen ministerstvem obrany spojených států amerických a GLONASS (Globalnaya navigatsionnaya sputnikovaya sistema) řízený ruskými vzdušnými silami. Data lze získávat celou řadou mobilních zařízení vybavených čipy pro zpracování satelitních dat. (zvířecí obojky, chytré telefony,...) Naměřená data jsou ukládána do paměti zařízení a následně po dávkách odesílána ke zpracování. Získaná data lze ze zařízení získat prostřednictvím bezdrátových komunikačních technologiích a protokolů (GSM, UHF, VHF nebo satelitní komunikace). MATERIÁLY A METODY Pro sběr, přenos a zpracování pozičních dat lze volit řadu způsobů. Jako optimální se jeví online sběr, dávkový přenos dat dle zvolené technologie a časové periody s následnou validací dat, která jsou archivována s možností jejich dalšího zpracování a zobrazování, například v mapových výstupech. Analýzou potřeb byly získány principy a znalosti pro online sběr, validaci, archivaci a zobrazení pozičních dat. (Stillwell, 2004) Získané znalosti a principy byly použity například při hodnocení prostorové aktivity zvěře v Doupovských hor a Národního parku Šumava v České republice. Databáze pro analýzu a zpracování, byly vytvořeny z velkého souboru dat získaných za pomoci spolupráce s Vojenskými lesy a statky ČR, Národního parku Šumava a Fakulty lesnická a dřevařské České zemědělské univerzity v Praze. Hlavním cílem prezentovaného řešení je vizualizace průběžně získávaných prostorových dat - monitoring lesní zvěře. (Jarolímek, 2012) Celé řešení je založeno na webové aplikaci, která zpracovává validovaná pozičních data uložená v databázi (datový archiv) a zpřístupňuje výstupy pro uživatele. Webová aplikace je vyvinuta v prostředí jazyka PHP 5 s využitím knihoven frameworku Nette (Nette, 2013). Aplikace získává data z databázového serveru prostřednictvím dibi database layer. (Dibi, 2013) Pro zobrazení pozičních dat zvěře jsou použity mapové podklady Google Maps vyvinuté firmou Google Inc. Komunikace s Google Maps je realizována pomocí Google Maps JavaScript API V3. (Application Programming Interface) Zobrazení informací sledované zvěři je vytvořena pomocí client-side programovacího jazyka JavaScript s využitím JQuery frameworku. (Thanopoulos, 2012) Aplikace je optimalizovaná pro většinu rozšířených webových prohlížečů, a to prohlížečů běžících na různých operačních systémech a zařízeních; desktopech, noteboocích ale i na mobilních zařízeních typu tablet nebo smartphone. Běh aplikace zajišťuje webový server Apache v. 2.

3 VÝSLEDKY A DISKUZE Telemetrie divoké zvěře Označené zvířata jsou sledována pomocí GPS, ve formě obojku (Obrázek č. 3), který zaznamenává polohu zvířete s přesností na několik metrů, umístění, záznamy o GPS přijímači zvířete, datum a čas v naprogramovaných intervalech (tj. obvykle 1 hodina). Obojek také obsahuje senzor aktivity, který zaznamenává aktivitu zvířete (ať už je to krmení, odpočinek, nebo stěhování). (Owen-Smith, 2012) Kromě toho senzor zaznamenává teplotu a přesnost měření. Novější obojky jsou vybaveny GSM moduly, jež obsahující telefonní SIM (subscriber identity module) karty, které umožňují přenos dat do počítače uživatele. (Obrázek č.1.) V obecném případě je výhodné data validovat a uložit v databázovém sytému pro následující zpracování, zobrazení. (Fan, 2004) Obrázek č.1. Schéma GSM komunikace (Vectronic Aerospace, 2013)

4 Zpracování dat Informace o pohybech dovoké zvěře jsou získávána za pomocí GPS (Global Positioning System) obojku vybaveným GSM modulem. Data jsou přijímána prostřednictvím pozemní stanice (ground station) dále validována a uložena v databázovém serveru (Obrázek č. 4). Tento proces je realizován pomocí pro tyto účely speciálně vyvinutého SW - Ground Station Harvester (GSH 1.0). (GSH, 2012) Obrázek č. 2. Webová aplikace trasa pohybu prasete divokého jménem Karel První sledování zvěře a sběr dat byly prováděny v roce 2009 u druhu Jelen Sika. V současné době ( ) jsou sledována již tři druhy divoké zvěře- Jelen Evropský (Cervus elaphus), jelen sika (Cervus nippon) a prase divoké (Sus scrofa). K dnešnímu dni databáze obsahuje více jak pozičních záznamů od 42 zvířat (ne všechna mají obojek s GSM modulem, nebo ještě funkční). (Tabulka č. 1) Počet sledovaných zvířat se neustále rozšiřuje. Obrázek č. 3. Single application modules.

5 Tabulka č. 1. Počty pozičních dat Druh zvěře Počet sledovaných kusů Počet dat pozičních Začátek pozorování Typ sběru Jelen evropský GSM/UHF/VHF Sika japonský GSM/UHF/VHF Prase divoké GSM Poziční data jsou na zvěři zaznamenávána několikrát denně a dávkově jsou zasílána prostřednictvím služeb GSM sítě nebo UHF/VHF. (Obrázek č. 3) Kromě informací o pozici jsou zaznamenávány i další informace získané prostřednictvím dalších čidel. Jedná se především o senzor aktivity a teplotní senzor. (Krop-Benesch, 2011) Sběr pozičních dat prostřednictvím obojku. Hromadné odeslání dat - GSM, UHF/VHF. Příjem dat a zpracování prostřednictvím softwaru GPS Plus X (GPS Plus X, 2013) Zpracování prostřednictvím sw GSH 1.0 Validace dat prostřednictvím sw GSH 1.0 Uložení dat do databázového serveru Zobrazení dat prostřednictvím webové aplikace Obrázek č. 4. Proces sběru dat Ground Station Harvester (GSH 1.0) GSH (gsh, 2013) byl vyvinut Katedrou informačních technologií PEF ČZU v Praze. Aplikace provádí automatizované načítání a validaci pozičních dat za pomoci programu GPS Plus X (GPS PLUS X, 2013); ze zařízení typu ground station (např. zařízení vybavené komunikačním GSM modulem pro příjem pozičních dat z mobilních zařízeních - obojky zvěře). Získaná poziční data jsou zpracována - upravena a vyčištěna (např. validována na základě přesnosti stanovené pozice) a následně uložena na databázový server, odkud jsou dále využitelná různými navazujícími aplikacemi (klasické, webové, mobilní). Jedná se o obecnou SW komponentu využitelnou pro sběr a validaci pozičních dat v řadě různých oborů. Softwarové řešení je vyvinuto ve standardním prostředí jazyka PHP 5 s využitím knihoven dbase a Dibi database

6 layer (Dibi, 2013). Aplikace podporuje především práci v prostředí databázového serveru MS SQL, ale díky využití Dibi database layer, umožňuje využití i v dalších běžně dostupných databázových systémech. Zobrazení dat Data mohou být zobrazeny on-line prostřednictvím webové aplikace s řadou funkcí (vizuální a statistické výstupy): Výpočet oblasti výskytu a délky dráhy pohybu v daném časovém období. Zobrazení dodatečných informací k poloze (např. teplota, nebo nadmořská výška) (Obrázek č. 2.). Projekce pozice divokých zvířat v daném období (časové období a denní). Obrázek č. 5. Hustota pohybu divokého prasete jménem Karel uprostřed jeho domovského okrsku Požadavky na webovou aplikaci. Základními požadavky na webovou aplikaci jsou jednoduché a přehledné ovládání, otevření pro širokou veřejnost a možnost prohlížení uložených dat. Z bezpečnostních důvodů (především ochrana sledované zvěře) jsou pro širokou veřejnost zobrazována jen vybraná historická data (poslední výskyty se zpožděním jednoho měsíce). Po přihlášení do interní sekce webové aplikace jsou k dispozici všechna historická i aktuální data.

7 ZÁVĚR Řešení je využito pro vyhodnocení prostorové aktivity (on-line aplikace) jelena siky (Sika Japonský), jelena evropského na území Doupovských hor a vyhodnocení prostorové aktivity prasete divokého na území Národního parku Šumava, obojí v ČR. Výsledná aplikace umožní využití validovaných dat v databázi k dalšímu vědeckému výzkumu v různých oblastech, pro pedagogické účely a k popularizaci vědeckého výzkumu. Řešení lze použít pro vizualizaci prostorových aktivit různých druhů zvěře ve vybraném prostředí, ale obecně i na monitoring a vizualizaci jakýchkoliv pohybujících se objektů. Uvedené řešení je dále zdokonalováno, je vyvíjena mobilní aplikace pro OS Android a výhledově se počítá s jeho využitím v dalších oblastech. OZNÁMENÍ Interní celouniverzitní grant České zemědělské univerzity (CIGA) číslo grantu , Analýza a vizualizace výstupů GPS telemetrie jelenovitých v Doupovských horách a NP České Švýcarsko

8 LITERATURA Barber, C.B., Dobkin, D.P. a Huhdanpaa, H. (1996) The Quickhull Algorithm for Convex Hulls, ACM Transactions on Mathematical Software, roč. 22, č. 4, s Dibi - Database Abstraction Library for PHP 5 (2013) [on-line], available: Fan, F. and Biagioni, E. S. (2004) An approach to data visualization and interpretation for sensor networks, Paper presented at the Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences, Google Maps API (2013), [on-line], dostupné z: GPS PLUS X (2013), [on-line], dostupné z: GSH - Ground Station Harvester 1.0. (2012), [on-line], dostupné z: in czech. Jarolímek, J., Masner, J., Ulman, M, Ulman a M., Dvořák, S. (2012) Cloven-hoofed animals spatial activity evaluation methods in Doupov Mountains in the Czech Republic, AGRIS online Papers in Economics and Informatics. 4(3), s ISSN: Lechner, W. and Baumann, S. (2000) Global navigation satellite systems. Computers and Electronics in Agriculture, 25(1-2), s Nette Framework (2013) [on-line], dostupné z: Owen-Smith, N., Goodall, V., and Fatti, P. (2012) Applying mixture models to derive activity states of large herbivores from movement rates obtained using GPS telemetry, Wildlife Research, 39(5), pp Stillwell, J. and Clarke, G. (2004). Applied GIS and Spatial Analysis, Wiley, Chichester, 420 pages, ISBN: Thanopoulos, C, Protonotarios, V and Stoitsis,G (2012) Online Web portal of competencebased training opportunities for Organic Agriculture AGRIS on-line Papers in Economics and Informatics, 4(1), pp ISSN: