Обзор плагинов OPEN SOURCE QGIS в лесном хозяйстве

© 2021                                                         Е. С. Подольская

        Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Россия, 117997 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, стр. 14

E-mail: podols_kate@mail.ru

Поступила в редакцию 13.04.2021

После рецензирования 12.05.2021

Принята к печати 21.06.2021

К настоящему времени в лесной отрасли есть определенный опыт использования программ Open Source. В статье представлено описание плагинов Open Source QGIS для решения задач лесной отрасли в части управления лесными пожарами и лесными ресурсами в научных и прикладных исследованиях. Выполненный анализ функциональности упростит задачу подбора инструментов для лесного геоинформационного проекта в настольном и web-вариантах. Дана общая краткая характеристика современным плагинам в QGIS (версия 3.18.1), выделены и охарактеризованы плагины, используемые в лесном хозяйстве. Результаты анализа внешних плагинов QGIS для работы с лесными ресурсами и лесными пожарами показали разнородность исследований, не позволяющую пока выделять тенденции. Вариантом будущих тем могут стать разработки плагинов с доступными данными в форме картографических сервисов для территорий разного пространственного охвата, при этом для лесной отрасли важна возможность доступа к архивным данным. Ниша тематических лесных задач в современном репозитории плагинов QGIS продолжает оставаться достаточно узкой. Транспортные и экологические приложения, реализованные в виде ГИС-инструментов, более многочисленны и могут решать отдельные задачи проекта по лесу. Обзор функциональности плагинов необходимо выполнять на регулярной основе, следуя за новыми разработками и новыми версиями QGIS.

Ключевые слова: лесные ресурсы, лесные пожары, управление в лесной отрасли, QGIS, плагин

Согласно стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года (Распоряжение Правительства РФ от 20.09.2018 № 1989-р), лесное хозяйство представляет собой отрасль, занимающуюся воспроизводством лесов, охраной их от пожаров и защитой от вредных организмов и иных негативных факторов, регулированием использования лесов и учетом лесных ресурсов для удовлетворения потребностей экономики в древесине и другой лесной продукции при сохранении экологических и социальных функций леса. Из понимания задач отрасли следует потребность в инструментах, в особенности геоинформационных, при помощи которых поставленные тематические задачи будут решаться. К началу третьего десятилетия XXI века в лесном хозяйстве накоплен определенный опыт использования открытого программного обеспечения (Open Source ПО). Так, в 2010 г. филиалами ФГУ «Рослесозащита» были проведены пробные работы по созданию схем состояния насаждений и численности вредителей в среде QGIS (Крылов и др., 2012). Международными примерами служат такие тематические проекты, как построение в QGIS и GRASS карт опасности лесных пожаров для органов местного самоуправления (https://qgis.org/ru/site/about/case_studies/australia_queens.html; https://www.researchgate.net/publication/317357966_Land_Use_Change_Analysis_and_Modeling_Using_Open_Source_QGIS_Case_Study_Boasher_Willayat). Экологические вопросы использования QGIS рассмотрены в учебном пособии (Коросов, Зорина, 2016). Open Source активно используется в транспортном планировании, в частности, большой современный обзор инструментов для географического анализа сделан в работе Lovelace (2021), которая описывает создавшуюся «экосистему» инструментов, динамичную во времени и содержании, и состоящую на текущий момент из порядка 25-ти наименований.

Систематизация современных геоинформационных инструментов для решения задач лесного хозяйства полезна в форме набора ссылок с описаниями и результатами использования, который можно будет брать за основу при начале нового тематического лесного ГИС-проекта. В нашем случае необходимость такого описания возникла в начале работы междисциплинарной и межлабораторной рабочей группы «Картографирование экосистемных услуг лесов», созданной в ЦЭПЛ РАН в феврале 2021 г.

В последние годы увеличивается число разработок для Open Source QGIS, занимающей важное место в современном ландшафте ГИС (https://gisgeography.com/mapping-out-gis-software-landscape/). Известны примеры книг с описанием технологии для определенной тематической задачи, например, QGIS в дистанционном зондировании в лесной отрасли и сельском хозяйстве (QGIS and applications in agriculture and forest, 2018), содержащая раздел по распознаванию и картографированию сплошных рубок на оптических космических снимках. Базовые операции с растровыми и векторными данными выполняются при помощи стандартных и универсальных плагинов, которые нужны в любой тематической области (например, объединенных в коллекции так называемых топ-5-10 инструментов https://digital-geography.com/top-5-qgis-plugins/) или плагинов для решения узкой профильной задачи (например, https://anitagraser.com/2019/07/07/five-qgis-network-analysis-toolboxes-for-routing-and-isochrones/). Нередко публикация плагина в репозитории сопровождается ссылкой на опубликованную статью (например, представленные в научной социальной сети ResearchGate, https://www.researchgate.net/) о его разработке, например_, в работах М. Jung (2013) и L. Duarte с соавторами (2018). Образовательный модуль, описывающий решение задач лесной отрасли (Forest Application), включен одним из разделов в документацию, пример для версии QGIS 3.16 (https://docs.qgis.org/3.16/en/docs/training_manual/forestry/index.html).

Статья ставит своей целью представить обзор плагинов для решения задач лесной отрасли в части мониторинга лесных пожаров и управления лесными ресурсами в актуальной по состоянию на апрель 2021 г. настольной версии Open Source QGIS 3.18.1. Выбранные для анализа плагины в разной степени связаны с решением транспортной задачи наземного доступа и транспортным моделированием, которому посвящены работы, ведущиеся в Лаборатории мониторинга лесных экосистем ЦЭПЛ РАН (http://cepl.rssi.ru/transport-modeling/), в том числе с использованием программ Open Source и открытых данных Open Street Map (OSM, https://www.openstreetmap.org/), в частности, в работе (Podolskaia et al., 2020). Опыт использования инструментов QGIS систематизирован в практическом пособии (Подольская, 2020).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Лидирующая позиция в настоящее время для Open Source ПО в научных исследованиях принадлежит продукту QGIS (Quantum GIS) c библиотекой плагинов (QGIS plugins web portal), размещенной по адресу https://plugins.qgis.org/plugins/. Плагины представляют собой программные модули, позволяющие расширить стандартную функциональность QGIS-приложения для Desktop и web-проектов, решить определенную пространственную тематическую задачу с использованием пользовательских или предопределенного разработчиками наборов данных, сервисов, классификаций, форматов (характерный пример: https://plugins.qgis.org/plugins/ontario_efri_treelist_generator/). Плагины делят на базовые и внешние (https://docs.qgis.org/3.16/en/docs/user_manual/plugins/index.html). Базовые (или Core) поддерживаются командой разработчиков QGIS, создаются на C++ или Python и являются частью каждой новой версии QGIS. Внешние (или External) плагины большей частью написаны на Python и поддерживаются усилиями самих разработчиков.

Предлагаемый обзор посвящен внешним плагинам. Интерфейс таких плагинов может быть представлен на разных языках (английский язык приоритетен) в зависимости от целевой аудитории, для которой разрабатывается плагин, самих данных и страны разработки. Функциональность плагинов тесно связана с версиями QGIS, производительность определяется возможностями компьютера, на котором запускается плагин, при подключении сторонних картографических сервисов важна скорость и стабильность интернет-соединения. Разнообразие доступных в репозитории плагинов (по состоянию на 08.04.2021) для лесной инфраструктуры и лесных пожаров представлено в виде списка на рис. 1.

Рисунок 1. Плагины по темам лесной инфраструктуры и лесных пожаров (а) и инструменты для решения задач лесной отрасли (поиск по ключевому слову «forestry» (б) https://plugins.qgis.org/plugins/tags/forestry/) 

Plugin Builder (плагин для плагинов), согласно информации репозитория, поддерживался первыми версиями QGIS 1.x и 2.x (https://plugins.qgis.org/plugins/pluginbuilder/) и используется с 2011 г. для создания основ (шаблонов) разработки самих плагинов. Наибольшей востребованностью по количеству просмотров и загрузок пользователями в настоящее время отличаются инструменты для работы с данными проекта OSM. Одним из самых «старых» для лесной отрасли является плагин статистики ландшафтной экологии, LecoS (Landscape Ecology Statistics, https://plugins.qgis.org/plugins/LecoS/), который доступен для использования начиная с версии QGIS 1.8. Написан на Python и использует его библиотеки SciPy и Numpy для вычислений основных и дополнительных метрик ландшафтного анализа, источником которых является ПО FRAGSTATS (http://www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html).

Среди доступных плагинов есть варианты в статусе «экспериментальный», примером может служить модуль по построению сети маршрутов для доступа к ресурсам леса и лесным пожарам (LCPNetwork, https://plugins.qgis.org/plugins/LCPNetwork/). Он использует классический для транспортных приложений алгоритм Дейкстры (Dijkstra) и применяется для построения оптимальных маршрутов между объектами двух точечных векторных слоев. Результатом работы плагина является суммарная карта стоимости (accumulated cost map) для каждой из точек и линейный слой маршрутов движения.

Таблица 1 систематизирует описание плагинов для решения задач лесной отрасли (репозиторий https://plugins.qgis.org/ по состоянию на 08.04.2021). Статус всех плагинов, представленных в таблице 1, определен авторами как «не экспериментальный», за исключением Manejo.

Таблица 1. Внешние плагины QGIS для управления лесными ресурсами и мониторинга лесных пожаров

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для тестов была выбрана группа из трех внешних плагинов (Active Fire, NAFI Fire Maps и Manejo), работоспособность которых была проверена в QGIS версии 3.18.1, все указанные инструменты были написаны на одном из основных языков разработки QGIS для внешних плагинов — Python.

Два слоя формата shp в географических координатах WGS84 «MODIS C6 1 км» (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) c пространственным разрешением пиксела 1000 м и «VIIRS 375 м» (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) c пространственным разрешением 375 м доступны для загрузки в плагине «Active Fire». Оба источника представляют собой известные и популярные в научных и прикладных исследованиях продукты для мониторинга природных (лесных) пожаров, описания доступны по ссылке (https://earthdata.nasa.gov/earth-observation-data/near-real-time/citation#ed-firms-citation).

Плагин NAFI Fire Maps позволяет загрузить в настольный проект QGIS актуальные и архивные данные (ретроспективно до 2000 г. включительно) по природным пожарам в Австралии, одного из континентов с постоянной многолетней природной пожарной опасностью. В числе доступных наборов: территории, пройденные огнем (fire scars), и обработанные термоточки (cleaned up hotspots), распределенные по месяцам и годам. Данные по пожарам сопровождаются блоком слоев общегеографической основы в пределах области интереса преимущественно северной Австралии (NAFI base layers) и слоями Google (стандартный набор Streets, Satellite и Hybrid) на весь мир. Данные доступны в проекции Меркатора в форматах сервисов WMS и WMST.

Коллекция данных проекта представлена в виде web-GIS-приложения, размещенного по ссылке (https://firenorth.org.au/nafi3/), с базовой функциональностью изменения масштаба, легенды и возможностью сохранения и печати выбранного фрагмента карты (рис. 2). Возможна загрузка файла данных в формате kml для просмотра, например, в Google Earth. Архив 2000–2020 гг. можно загрузить в форматах растра (geotiff) и вектора (shp) по ссылке (https://firenorth.org.au/nafi3/views/data/Download.html).

Другим экспериментом является плагин для управления лесными участками под ЛЭП Manejo (Managing Forest Areas Under The Power Lines Network, https://plugins.qgis.org/plugins/manejo/). Плагин создает сеть линий из точек (опор ЛЭП), затем буферную и защитную зоны; инструменты сопровождены справочными указаниями. Скриншоты с результатами представлены в таблице 2 (репозиторий https://plugins.qgis.org/ по состоянию на 08.04.2021).

Таблица 2. Результаты тестов внешних плагинов QGIS для управления лесными ресурсами и мониторинга лесных пожаров

      

 

По количеству и содержанию опубликованных плагинов, которые, как показывают табл. 1 и 2, являются очень разнородными для сопоставления друг с другом примерами, пока сложно делать какие-либо предположения о трендах в разработке и функциональности инструментов для мониторинга природных (лесных) пожаров и управления лесных ресурсов. Основным рабочим форматом для настольного QGIS-приложения в указанных плагинах остается shp-файл, также данные доступны в формате сервиса WMS, что позволяет, помимо пользователей QGIS, представить результаты работы плагинов и в других ГИС-приложениях. Системой координат для данных охвата мира является WGS84, для отдельного материка (Австралии) используется австралийская система координат. Возможность доступа к архивным данным является преимуществом для решения задач лесной отрасли. В этом смысле примером является проект для Австралии NAFI Fire Maps, который, помимо актуальных данных, предоставляет доступ к архиву. Заметим, что в этом проекте QGIS-плагин стал продолжением и расширением web-GIS-части (https://www.gaiaresources.com.au/fire-mapping-qgis-plugin/).

В завершении обсуждения отметим, что в репозитории плагинов QGIS пока немного примеров для работы с данными о лесе, лесных пожарах, ресурсах леса и лесной инфраструктуре. Так, по состоянию на 13 апреля 2021 г. по запросу «forest» (https://plugins.qgis.org/search/?q=forest) в репозитории был получен список из 12 плагинов разного статуса, по запросу «resources» (https://plugins.qgis.org/search/?q=resources) — всего 5, из которых один относится к лесным ресурсам (Ontario EFRI Treelist Generator). Родственной областью являются более многочисленные транспортные (дорожная инфраструктура) и экологические приложения. По запросу «routing» (https://plugins.qgis.org/search/?q=routing) был получен список из 31 плагина, «ecology» (https://plugins.qgis.org/search/?q=ecology) — 23, «transport» (https://plugins.qgis.org/search/?q=transport) — 8, «forestry» (https://plugins.qgis.org/search/?q=forestry) — 6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ниша хозяйственных и инфраструктурных лесных приложений в современном репозитории плагинов QGIS достаточно узка. Так, например, указанных в статье плагинов нет в списке первых 20-ти популярных и загружаемых на странице https://plugins.qgis.org/plugins/popular/ (по состоянию библиотеки на 08 апреля 2021 г. из суммарного количества 1380). Среди актуальных примеров лесной отрасли отметим плагин FireHunter, представленный в апреле 2021 г., который занимает 4-ю строчку в списке новых плагинов (https://plugins.qgis.org/plugins/fresh/) из 19-ти по состоянию на 8 апреля 2021 г.

Возможный путь дальнейших исследований состоит в разработке плагинов со связанными и предварительно обработанными наборами данных для континента, региона или субъекта административного деления той или иной страны мира. В части плагинов для лесного транспортного моделирования будет интересно развитие Forest Road Designer (https://plugins.qgis.org/plugins/forestroaddesigner/) и Forest Roads Network (https://plugins.qgis.org/plugins/ForestRoadsNetworksUPLOAD/), а также Road Emission Calculator (https://plugins.qgis.org/plugins/RoadEmissionCalculator/), которым мы планируем посвятить отдельное исследование на примере данных по тестовой территории в России.

Разработка, публикация в репозитории и тестирование плагинов QGIS-пользователями в настоящее время продолжает оставаться очень динамичной областью, в которой новости могут появляться во временном интервале квартала или полугодия. Подобный обзор функциональности необходимо делать регулярно для того, чтобы составить представление о новых плагинах и их работоспособности в постоянно обновляемых версиях QGIS.

БЛАГОДАРНОСТИ

Исследования выполнены в рамках контракта с государственным финансированием «Методические подходы к оценке структурной организации и функционированию лесных экосистем», номер государственной регистрации — АААА-А18-118052590019-7.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Коросов А. В., Зорина А. А. Экологические приложения Quantum GIS: учебное пособие для студентов биологических специальностей. Петрозаводск: ПетрГУ, 2016. 211 с.

Крылов А. М., Владимирова Н. А., Малахова Е. Г. Использование свободных ГИС в системе дистанционного лесопатологического мониторинга // Лесной вестник. 2012. № 1. С. 148–152.

Подольская Е. Основы работы в геоинформационном приложении Open Source QGIS: геоданные, координаты, базовая функциональность, контроль качества данных, оформление и публикация проекта. Практическое пособие. Изд-во Lab-publisher. 52 c. URL: www.morebooks.shop/store/ru/book/основы-работы-в-геоинформационном-приложении-open-source-qgis/isbn/978-620-2-51526-9 (дата обращения: 12.05.2021)

Распоряжение Правительства РФ от 20.09.2018 № 1989-р (ред. от 28.02.2019) «Об утверждении Стратегии развития лесного комплекса РФ до 2030 года»

Duarte L., Silva P., Teodoro A. C. Development of a QGIS Plugin to Obtain Parameters and Elements of Plantation Trees and Vineyards with Aerial Photographs // International Journal of Geo-Information. 2018. Vol. 7. No. 3. P. 109. DOI: 10.3390/ijgi7030109

Jung M. LecoS — A QGIS plugin for automated landscape ecology analysis // PeerJ PrePrints, 2013. P. 1–10. DOI: 10.7287/peerj.preprints.116v2

Lovelace R. Open source tools for geographic analysis in transport planning // J. Geogr. Syst. 2021. P. 1–32. DOI: 10.1007/s10109-020-00342-2

Podolskaia E., Ershov D., Kovganko K. Comparison of data sources on transport infrastructure for the regional forest fire management // Reyer, C., Bilogub, M., Mahnken, M., Gutsch, M., Kruger, K., Ramming, A., Reineking, B., Seidl, R., Schelhaas, M.-J., Makela, A., Verkerk, H. (Eds.) Managing forests in the 21^st century: Book of abstracts, Managing forests in the 21^st century, Conference at the Potsdam Institute for Climate Impact Research. Potsdam 2020. 59 p. DOI: org/10.2312/pik.2020.002

QGIS and applications in agriculture and forest / Baghdadi N., Mallet C., Zribi M. (Eds.). 2018. Vol. 2. Wiley-ISTE. 364 p.

 

Рецензент: к.т.н. Перфильева О.В.