Реализация автоматизированной обработки данных гидробиологических исследований на персональном компьютере

УДК 574.583:519.67

Р. А. Тарасова, Л. И. Тарасова

РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ

До настоящего времени не существует специализированного программного приложения, позволяющего исследователям-гидробиологам осуществлять автоматизированную обработку первичных данных, полученных в результате просмотра проб. Такая ситуация отчасти может быть объяснена тем, что при подсчете количественных характеристик гидробионтов на единицу объема или площади необходимо учитывать ряд специфических параметров и коэффициентов, которые варьируют в зависимости от водоема, метода отбора проб, а также видового состава исследуемого водоема. Проблема первичной обработки гидробиологических данных в научноисследовательских организациях решается по-разному: составляются специализированные программы для внутреннего использования; используется программа MS Excel.

В Каспийском научно-исследовательском институте рыбного хозяйства (КаспНИРХ) обработка данных гидробиологических съемок проводится сотрудниками сектора расчетного сопровождения научно-исследовательских работ (СРС НИР), операторы которого используют созданные для этой цели программы. Существующий подход имеет ряд недостатков: 1) подготовка карточек для последующей обработки оператором СРС требует значительных временных затрат; 2) результат обработки первичных данных представляется только на бумажном носителе; 3) электронный вариант не может быть экспортирован в такие программы, как MS Excel, MS Access, STATISTICA и другие широко используемые приложения для дальнейшего анализа. Кроме того, к существующим недостаткам можно отнести «временной простой» карточек «в ожидании» обработки.

Использование программы MS Excel для первичной обработки гидробиологических данных позволяет экспортировать результат в другие программные приложения для продолжения работы с данными, решает проблему быстрого поиска нужных данных, но также требует значительных временных затрат от пользователя, поскольку в этом случае приходится вводить вручную формулы, указывать адреса ячеек и индивидуальный вес организма (если это требуется). Однако перечисленные неудобства могут быть устранены созданием специализированного макроса для автоматизации подсчета количественных характеристик гидробионтов, поскольку MS Excel содержит встроенный редактор языка VBA (Visual Basic for Applications), позволяющий осуществлять подобные операции.

В связи с этим целью работы являлась реализация автоматизированной обработки первичных данных, полученных после просмотра проб зоопланктона, на базе программы Microsoft Office Excel.

Методы исследований

Обработка проб и последующий пересчет количественных характеристик зоопланктона на единицу объема осуществляется по счетному методу Гензена [1] и в соответствии со стандартной инструкцией [2]. При составлении макросов для автоматизации счета учитывались следующие аспекты данной методики:

1) перед началом обработки пробу доводят до определенного объема в соответствии с инструкцией;

2) пробу последовательно просчитывают три раза (две порции по 0,5 см3 и в третий раз просматривается 10 см3 пробы). Число организмов, полученных в третьем просмотре, пересчитывается на объем всей пробы: А3 = 0,1 Vn, где V- объем разбавления пробы; n - число организмов в третьем просмотре;

3) для пересчета численности зоопланктона на объем 1 м3 используют коэффициент, рассчитывающийся по формуле k = 1/(Sh), где S - площадь входного отверстия планктонной сети; h - глубина облова;

4) возможны два варианта подсчета численности зоопланктона в заданной единице объема. Если вид был встречен в третьем просмотре, то его численность в 1 м3 определяют следующим образом: N = (А1 + А2 + А3) k, где А1, А2, А3 - число организмов данного вида в первом, втором

и третьем просмотрах пробы; k - коэффициент пересчета; если же вид не встретился во время третьего просмотра, то его численность рассчитывается по формуле: N = (А1 + А2)У1к, где V-объем разбавления пробы. Общую численность зоопланктона получают сложением численностей всех учтенных организмов;

5) определение биомассы зоопланктона в 1 м3 производится умножением численности каждого вида организма в данном объеме на его индивидуальную массу (используются усредненные значения массы для каждого вида) [3-6]. Общую биомассу зоопланктона получают, суммируя биомассы видов, встреченных в пробе.

Статистические показатели, такие как встречаемость вида, коэффициент обилия (индекс обилия Палия - Ковнацки), индексы Симпсона, Шеннона и Маргалефа были рассчитаны по стандартным общедоступным формулам [7].

Результаты работы и их обсуждение

В результате работы был создан файл, состоящий из двух листов. На первом листе (рис. 1), названном «Счет карточек», находится форма, в которую пользователь вводит исходные данные. На втором листе расположена сводная таблица, содержащая результаты пересчета численности и биомассы зоопланктона на всех станциях. Для удобства пользователя файл содержит инструкцию, открывающуюся при нажатии на ссылку «Как пользоваться?».

Щ Microsoft Бссе! - Счет_зяапгинктаналс1в

ИЧИ) Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Дрнные Окно

і Р ЕЗ И а І а. I ^ & I а ^ а - 1 ^ - Г-1-1 т ~

ІІЕІШ Ш -э © ее ш § і А ш и?:

ши

В1

М 29.10.200Є

МоЬе РОЇ ^ і.АгіаІ Суг

Веєдитє вопрос ’

и Аа аЫ ІЛ [В © |, Ш Щ її Ш И I, .1 М І.ЕІ 10 ^,||ж|а-| ч |, ш ш р]§і |,д % оао |, ніш

, А .

1 Дата ' 29.70.2006

2 Станция 1 как пользоваться? | 1. Посчитать |

3 Глубина, м 10,&

4 Температура воды, °С справочник кодов і 1

5 Координаты Диапазон счета: 58 з. Очистить форму 1

6 Объем разбавления 70

і / Код организма Вид Первый просчет Второй просчет Третий просчет Численность, зкзїмл3 Биомасса, мгїмл3

200682 2 ^ 1 уг 0

9 200683 г 1 г Л г 0

10 200680

11 200021 4 4 0

12 200022 3 5 0

13 200023 3 3 0

14 200024 2 1 0

15 200025 0 1 70

16 200026 0 0 03

17 200028 0 14

18 30020

19 г0682

20 30053 0 14

21 200052 1 0 7

22 200056 0 0 7

23 200057 0 0 14

24 200058 0 0 28

25 200059 0 0 7

26 200054 0 1 14

27 200050

28 200732 3 3 0

29 200733 9 8 0

30 200730

31 200921 13 16 0

32 200922 18 20 0

33 200923 18 14 0

34 200924 14 0 ІІ

н <  н|\ Счет карточек чи .Ы I 2-Г

Рис. 1. Окно первого листа файла «Счет зоопланктона.хЬ» с вводной формой. Темными стрелками обозначены поля, обязательные для заполнения, светлыми - заполняемые по желанию пользователя

Разработка отличается простотой и удобна в использовании. Работа с файлом начинается со вставки необходимого числа станций на листе «Сводная таблица». Эта процедура осуществляется автоматически - необходимо нажать кнопку «Вставить станции» и указать их число. По умолчанию вместе со станцией вставляется ее номер, начиная от 1, однако при необходимости номера вставляемых станций могут быть изменены пользователем. Всего макрос позволяет вставить 94 станции на листе.

Счет количественных показателей зоопланктона производится на первом листе файла. Обязательными для заполнения являются поля: «Дата», «Станция», «Глубина, м», «Объем разбавления», «Код организма», «Первый просчет», «Второй просчет», «Третий просчет» (рис. 1). Данные в поля «Температура воды» и «Координаты» вносятся по желанию пользователя. Дату и станцию необходимо указывать, поскольку время и место гидробиологических исследований являются «именем» и «адресом» пробы. Глубина станции является одной из ее главных гидрологических характеристик, а также используется программой для вычисления коэффициента пересчета, необходимого для определения численности зоопланктона.

Код каждого организма уникален и вводится для его сокращенного обозначения. В коде содержится информация о виде гидробионта, стадии его развития или подвиде (если таковые имеются). В макросах закодированы 63 вида (включая разновидности) и группы наиболее распространенных видов Северного Каспия. При разработке макросов в основу были положены коды, используемые СРС НИР КаспНИРХ, и, кроме того, добавлены коды, ответственные за вычисление суммарной численности и биомассы науплиальных и взрослых стадий некоторых зоопланктонных видов. Каждому коду в макросе соответствует видовое название организма (вместе со стадией развития или подвидом) и значение его индивидуальной массы. Информацию обо всех кодах, используемых программой, можно получить, кликнув мышью по гиперссылке «Справочник кодов».

Пересчет численности и биомассы зоопланктона на единицу объема производится нажатием на кнопку «1. Посчитать», при этом происходит автоматическое заполнение полей «Вид», «Численность, экз./м3» и «Биомасса, мг/м3» (рис. 2). Диапазон счета (последняя заполненная данными строка) определяется также автоматически и указывается в верхней части листа. Данная программная реализация подсчета количественных гидробиологических характеристик предназначена для проб, собранных сетью Апштейна с диаметром входного отверстия 25 см.

ІІЩ Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Данные Окно Оправка /УоЬе РйР Введите вопрос т _ Я X ш еіу віт ^^^ ^ .¿і т.шх а і^аьпуд ^ ш © іішшнші,л ,шт\Ш І

Шт Щ а © ШН Ш М Ш А Пііо щЛж^ч % Ооа |, ш у ^А -1

В1 £¡29.10.2006

А - С I D I Е I F I G IE

Дата ’ 29.70.2006

2 Станция 7 как пользоваться? 1. Досчитать

3 Глубина, м 70,8

4 Температура воды, "С справочник кодов і 1

5 Координаты Диапазон счета: SB г. Очистить форму I

G Объем разбавления 70

7 Код организма Вцд Первый просчет Второй просчет Третий просчет Ч исленность, зкз/мл3 Биомасса, мгїмл3

33 200923 Acadia tonsa Hi 18 14 0 4227,4 27,0554

34 200924 Acadia tonsa IV 14 17 0 4095,3 57,3343

35 200925 Acadia tonsa V 6 Ï 0 ' 156,9 16,9096

36 200926 Acadia tonsa V! 9 7 0 2113,7 33,8193

37 200927 Acadia tonsa Vtl 0 5 315 603,9 16,3057

38 200928 Acadia tonsa Vit! 2 1 0 396,3 12,2859

39 - 00920 Всего Асагйа tonsa 21344,7 179,4971

40 20097 Асагйа tonsa (паирШ+copepodM) 24383,1 187,8198

41 20065 Harpacticoida 0 0 7 13,2 0,0925

42 200161 Halicyclops sarsi Akatova fem. 5 4 0 1189,0 7,1338

43 200162 Halicyclops sarsi Akatova fem.+ova 0 0 7 13,2 0,0793

44 200160 всего Halicyclops sarsi Akatova 1202,2 7,2130

45 20000 ВСЕГО COPEPODÄ 30016,5 234,7065

46 230671 Evadne anonyx typica Sars 0 0 7 13,2 0,2642

47 23053 Gomigenus maeoticus ssp. hircus 0 0 7 13,2 0,2642

48 230951 Podonevadne tngona typica Sars 0 14 28,3 0,3963

49 23000 ВСЕГО CLAiyOCER I 54,7 0,9247

50 24122 Synchaeta stylata Wiers 0 4 189 364,2 0,3642

51 24000 ВСЕГО ROTATOSIA ¡64,2 0,3642

52 15035 Foraminifèra 0 7 15,1 0,0000

53 22001 nauplii Balanus 1 4 0 660,5 1,3211

54 22002 cypris Balanus 0 0 21 39,6 0,4756

55 22000 ВСЕГО CIRR1PEDL 1 700,2 1,7967

56 11001 Lam ellibranchiata larvae 0 0 66,1 0,3303

57 10 ИТОГО ПО ЗООПЛАНКТОНУ 31216,8 238,1224

58 2 Итобо с учетом прочих 31216,8 238,1224

F

1Ш1 '

Рис. 2. Результат обработки исходных данных. Произошло автоматическое заполнение полей «Вид»,

«Численность, экз./м3» и «Биомасса, мг/м3»

Полученные значения численности и биомассы видов зоопланктона на определенной станции из счетной формы переносятся в сводную таблицу (рис. 3). Сводная таблица содержит только результирующие показатели по виду (отсутствует дифференцировка на стадии развития или подвиды), исключение составляют количественные характеристики представителей отряда Copepoda - данные по науплиальным и копеподитным стадиям развития представлены раздельно. Их соотношение очень показательно и позволяет судить об активности размножения одной из главных групп кормового планктона. Информация о численности и биомассе зоопланктона с учетом стадий развития и подвидов может быть сохранена пользователем путем копирования страницы с полученными результатами и сохранения ее в отдельном файле, куда могут быть впоследствии добавлены страницы с данными по другим станциям.

Щ Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Данные Окно Оправка Ajobe PDF Введите вопрос -^Закрыть

D Ef У & № В> І ^ ÉÜ [ї ЧЇ Ї I *) ’ Ї* ' ЙІ ÍI ¡Ж.™........И, g j А*.аЫ I П * Щ © I И И [Ш 11 I, І Él I И \ЯшшД

IE LÜ 1: ш Й* рШй<  1S і Ш Ш і А з 1.^:1 Уш Су~_______________________________________________щ\™щіж ^ Ч [Í % т |. &sJka. А - 1

' D94 ' V *|__________________________________________________________________________________________

А в С .0 : Е F в к і J к L 1 и N F

1

“Г 5 Вставить станции Счдя шяеграяиаїх пщниитроі

е 7 Об'їдає.число слтанций,-

8 Стакчия: 1 Сганция 2 Стакчия: 3

9 Теып-аратура Температура Температура

10 - - Вид Глубина: 10.8 Глубина: 5.3 Лтубика: 6.0

11 Дата: 29.10.20Э6 Дата: 30.10.2053 Дата: 30.10.2036

12 Численность .жМЪ Бкомассі. шЫЪ Численность , ЭЕ1/м*3 Биомасса. кг/ііҐЗ Численность , 3Ei/ií*3 Бмомэссэ, и/м*3 Сред. числ. Сред. биом ВстрЕиаемость и-» «ЬИЛЛ

58 P&tfnphiya /¡xa 9511,7 1,9323 3170,6 0,6341 33% 2.9SÍ

59 Protozoa Taknprya sp. 3302,7 0,0333 2972,4 0,0333 2091,7 0,0333 67% 3,93

60 Foranmifera sp. 15,1 0,0333 15,1 0,0333 13,6 0,0333 14,6 0,0333 100% 0,04

61 tnfusoñs sp. 43,4 0,0387 39,1 0,0378 27,5 0,0355 67% 0,05

62 Tentaculata Яплшза сталюбпэсгпы 0,0 0,0333 0% o.oJ

63 HqI lusca iBfv&tvJa fiñralwa íarvae (jiuwwyuj Єв.1 0,3303 ВО,4 0,3020 54,4 0,2718 60,3 0,3013 103% 0,17

64 Gnidaria CordySophoia caspia IF&TasJ 0,0 0,0333 0% 0,03

65 iUjiBmiapBÍs ÍEJcfa" {Aqsssiz} єзроспьіе 0,0 0,0333 0% 0,03

66 Ctermphora Mnemiopsis ÍEüdy] ИдзЕБЁ) ora 0,0 0,0333 0% 0,03

67 i. 1 I I i 0,0 0,0333 0% 0,03

68 OlHolíaeta 0.0 0,0333 оъ 0,03

69 Nemaboia 0,0 0,0333 0% 0,03

70 Не¡Леи dlvsrEÍcafnr f=№rej"sJ ova и тчинт 44,2 0,0333 14.7 0,0333 33% 0,01

71 багата liias 6533,3 0,0333 2179,8 0,0333 33% 2,05

72 356,7 0,0333 118,9 0,0333 33% 0.11

73 Водяме ГЙУІИ 0.0 0,0333 ох 0,03

74 Всего COPEPODA 30316,5 234,7065 30316,5 234,7065 27014.9 211,2358 29316,0 226,8829 103%

75 cí Всего CLADOCERA 54,7 0,9247 54,7 0,9247 49,3 0,8323 52,9 0,8933 103%

76 s- 4 Всего OSTRACODA 0,0 0,0333 0%

77 •X S Всего CIRRI PEDIA 703,2 1.7967 703,2 1,7967 630,1 1,6170 676,8 1,7368 103%

78 o e£ Всего ROTATORIA 364,2 0,3642 364,2 0,3642 327,8 0,3278 352,1 0,3521 103%

73 Ш > Всего PROTOZOA 15,1 0,0333 12872,8 1,9110 3025,1 0,0378 5304,3 0,6386 103%

ВО 3 L Всего BIVALVIA Є6.1 0,3303 60,4 0,3020 54,4 0,2718 60,3 0,3013 100%

81 £ E= Всего TENTACÜ LATA 0,0 0,0333 0%

82 a Всего CNIDARIA 0.0 0,0000 0%

83 > Всего CTENOPHORA 0,0 0,0333 0,0 0,0333 0,0 0,0333 0.0 0,0000 0%

84 ИТОГО ЗООПЛАНКТОНА 31216,8 238,1224 44068,9 240,0351 31101.5 214,2925 35462,4 230,8067

85 Итога ¡с учетом прочих 31216,8 238,1224 4406В,9 240,0351 35041,6 214,2325 37775,8 230,8367

83

87 Индекс Симпсона (D) 0,43 0,30 0,41

88 Индекс Шеннона (Н) 1,65 1,36 2,23 1,41 1,96 1,36

89 Индекс Мвргзлефа (Dmq) 0,94 1,10 1,07

SO Ш ^ІЄчєт ьншная таблица / ill El ^=1 Е wn

Готово________________________________________________________________________________________________________________________________________ ;_______________________I ,_NUM_ I _

Рис. 3. Фрагмент сводной таблицы, содержащей все результаты пересчета исходных данных

После сохранения результата пересчета пользователь может приступить к обработке материала с другой станции - для этого достаточно очистить форму, нажав соответствующую кнопку. Исправление ошибок в файле производится просто и быстро, для этого не нужно вводить исходные данные с начала. Пользователю следует ввести верные показатели в ту строку, где была допущена неточность, и нажать на кнопку, активирующую счет, при этом производится обновление результата как в счетной форме, так и в сводной таблице.

Созданный файл может также использоваться для счета некоторых статистических показателей, таких как средняя численность и биомасса каждого вида, встречаемость вида, коэффициент обилия (иначе называемый индексом доминирования Палия - Ковнацки) по численности и биомассе, индекс разнообразия Симпсона, индекс биоразнообразия Шеннона (по численности и биомассе) и индекс видового богатства Маргалефа (рис. 3). В данной работе не будет подробно рассматриваться значение перечисленных статистических показателей для гидробиологических исследований, поскольку подобное обсуждение требует интерпретации результатов и не соответствует формату данной статьи. Автоматизация подсчета этих информативных показателей полезна как с точки зрения экономии времени исследователя-гидробиолога, так и с позиции компактного представления первичных и интегральных характеристик зоопланктонного сообщества на одной странице MS Excel. Необходимо также отметить, что созданные макросы не дублируют встроенные статистические функции MS Excel и предназначены только для вычисления специфических «биологических» характеристик.

Одним из плюсов организации автоматизированной обработки гидробиологических данных в Microsoft Office Excel является возможность продолжать анализ полученных данных, используя статистические возможности этой программы, или представлять материал обобщенно, в виде графиков. Кроме того, компактное представление результатов гидробиологических исследований на одном листе обеспечивает удобство хранения данных, поиска и доступа к ним.

В настоящее время продолжается тестирование файла на выявление «слабых мест», на данном этапе возможно корректирование алгоритмов, кодирование параметров других видов и расширение функций. Все макросы прошли практическую проверку, для которой были использованы результаты просмотра проб 25 станций. После проверки значений численности, биомассы, а также интегральных параметров ошибок выявлено не было. Таким образом, созданный файл может использоваться для автоматизированной обработки первичных данных зоопланктона, результаты которой и форма представления пригодны для последующего статистического анализа.

Выводы

1. Автоматизация обработки первичных данных гидробиологических исследований была реализована написанием специализированных макросов на языке Visual Basic for Applications на базе широко используемой программы Microsoft Office Excel.

2. Созданные макросы позволяют получить значения численности и биомассы видов зоопланктона в объеме воды 1 м3, а также вычислить некоторые индексы и интегральные характеристики, используемые гидробиологами для анализа исследуемого сообщества.

3. Компактное представление результатов гидробиологических исследований на одном листе электронной таблицы обеспечивает удобство их хранения, доступа к ним, а также возможность продолжения статистического анализа средствами MS Excel.

4. Данная разработка может дополняться новыми функциями и корректироваться с учетом пожеланий пользователя.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Березина Н. А. Практикум по гидробиологии. - М.: Агропромиздат, 1989. - С. 24-30.

2. Инструкция по сбору и обработке планктона. - М.: ВНИРО, 1977. - С. 19-20.

3. Косова А. А. Вычисление веса некоторых форм зоопланктона низовьев дельты Волги / Тр. Астрахан. заповедника. - 1961. - Вып. V. - С. 151-159.

4. Лебедев Л. И., Козлов Е. И. Размерно-весовая характеристика живых и фиксированных формалином пресноводных Cladocera // Гидробиологический журнал. - 1965. - Т. 2, № 2. - С. 73-80.

5. Петипа Т. С. О среднем весе основных форм зоопланктона Черного моря // Тр. Севаст. биол. станции. - 1957. - Т. 9. - С. 39-57.

6. Студеникина Е. И., ЧерепахинаМ. М. Средний вес основных форм зоопланктона Азовского моря и Таганрогского залива // Гидробиологический журнал. - 1969. - Т. 5, № 3. - С. 50-54.

7. Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Зинченко Т. Д. Количественная гидроэкология: методы, критерии, решения. - М.: Наука, 2005. - С. 221-233.

Статья поступила в редакцию 25.03.2008

AUTOMATIC IMPLEMENTATION OF HYDROBIOLOGICAL INVESTIGATIONS DATA PROCESSING ON PERSONAL COMPUTER

R. A. Tarasova, L. I. Tarasova

The way to solve a problem of primary hydrobiological data automatic calculation is studied. A special macro development on Microsoft Office Excel base allows to apply and optimize computing of the main hydrobiological adjectives on PC. The created macros calculate values of zooplankton species quantity and biomass in 1 m3 and also some indices including biotic once, and integrated characteristics, which are used by marine specialists for scientific analysis. The significant positive side of this approach is a compact presentation of the hydrobi-ological research resulted in one electronic sheet. Such problem solution provides suitable data storage, easy access and also an opportunity to continue statistic analysis using MS Excel functions. All the macros have been verified with data processing of 25 stations.

Key words: MS Excel, macro, zooplankton quantity, zooplankton biomass, biotic index.