Każdy pomiar jest opisany przez: (a) nazwę instytucji, która go dokonała, (b) współrzędne geograficzne miejsca pomiaru, (c) dzień pomiaru, (d) zmierzoną wiekość fizyczną. Serwer WWW Instytutu Budownictwa Wodnego umożliwia proste wyszukiwanie informacji o pomiarach. Można wyszukać pomiary dokonane przez wszystkie instytucje albo przez jedną, wybraną instytucję. Można wyszukać wszystkie mierzone wielkości fizyczne albo uzyskać informację o pomiarach jednej, wybranej wielkości fizycznej. Można także zawęzić poszukiwania do wskazanego, prostokątnego rejonu (przez podanie współrzędnych geograficznych) lub zawęzić poszukiwania do wskazanego przedziału czasu (przez podanie daty początku i końca).

W trakcie projektowania bazy danych zrezygnowano z przechowywania niektórych informacji:

• czas pomiaru jest przechowywany z dokładnością do dnia, czyli nie ma informacji o godzinie i minucie pomiaru,
• miejsce pomiaru jest zredukowane do dwóch wymiarów, czyli brakuje informacji o głębokości (wysokości) pomiaru.

Część brakujących informacji można umieścić w formie swobodnej w polu uwagi, które jest atrybutem pomiaru, albo w polu opis, które jest atrybutem miejsca pomiaru. Również w formie swobodnej można opisać okres (częstotliwość) pomiarów w polu okres, które jest atrybutem mierzonej wielkości fizycznej.

Oprócz informacji o pomiarach przechowywane są również informacje o instytucjach, które przystąpiły do Porozumienia, oraz informacje o osobach, które pracują w tych instytucjach i są odpowiedzialne, za przygotowywanie danych o pomiarach. Te osoby są również odpowiedzialne za udzielanie informacji o sposobach pozyskaniach danych pomiarowych, gdyż właścicielami danych pomiarowych są instytucje, które je wykonały a nie Trójmiejski Integrator Pomiarów.

Ponieważ, jednym z celów było zaprezentowanie punktów pomiarowych na tle mapy Zatoki Gdańskiej, dlatego trzeba zapamiętać jeszcze kontur Zatoki Gdańskiej. Można by go odczytywać z pliku ale o wiele prościej przechowywać go również w bazie danych.

Projekt bazy danych

Zdecydowano, że dane będą gromadzone w relacyjnej bazie danych. Do przechowywania informacji o pomiarach wykorzystano RDBMS PostgreSQL w wersji 7.4 pracującym pod kontrolą systemu operacyjnego Linux (Debian Sarge). PostgreSQL jest najlepszym zarządcą relacyjnych baz danych w świecie Open Source, najbardziej zgodnym ze standardem języka SQL oraz przygotowanym do przetwarzania ogromnych ilości informacji.

Do udostępniania danych wykorzystano serwer stron WWW o nazwie Apache. Serwer Apache w wersji 1.3 pracuje pod kontrolą systemu OpenBSD. Z serwerem stron zintegrowany jest interpreter języka PHP w wersji 4.3, który jest odpowiedzialny za budowanie dynamicznych stron WWW prezentujących dane pobrane z bazy PostgreSQL. Do dynamicznego tworzenia mapy z zaznaczonymi miejscami pomiarów wykorzystano bibliotekę GD, która jest dodatkowym modułem interpretera PHP.

Do bazy danych istnieje również dostęp autoryzowany. Przeznaczony jest dla administratora systemu, którego zadaniem jest wprowadzanie, aktualizowanie i modyfikowanie danych o pomiarach. Dostęp autoryzowany umożliwia serwer stron WWW Apache w wersji 2.0. Serwer ten udostępnia strony po łączu szyfrowanym HTTPS. Pracuje pod kontrolą systemu Linux (Debian Sarge) i jest z nim zintegrowany interpreter języka PHP w wersji 4.3.

Kodowanie polskich znaków diakrytycznych jest ujednolicone we wszystkich trzech składnikach systemu. Wybrano kodowanie 8-bitowe zgodne z normą ISO-8859-2.

W chwili obecnej serwer baza danych i autoryzowany dostęp jest posadowiony na komputerze klasy CELERON 400 (mistral.ibwpan.gda.pl), a serwer publicznych stron WWW na komputerze klasy PENTIUM 120 (www.ibwpan.gda.pl).

Normalizacja danych

Normalizacja polega na przedstawieniu wszystkich gromadzonych danych w postaci powiązanych ze sobą relacji (zwanych w języku SQL tabelami). Nie ma sensu przedstawiania całego procesu normalizacji. Zostanie tu przedstawione jedynie końcowe rozwiązanie.

Cztery relacje narzucają się same: (a) mierzone wielkości fizyczne, (b) instytucje, (c) telefony kontaktowe do osób zatrudnionych w tych instytucjach, (d) kontur Zatoki Gdańskiej.

Relacja przechowująca informacje o mierzonych wielkościach fizycznych nosi nazwę PARAMETR i wiąże ze sobą trzy atrybuty: identyfikator parametru, nazwę parametru, jednostkę parametru. Dla zwiększenia czytelności zdecydowano się, że identyfikator parametru będzie ciągiem liter, dalej zwanym symbolem parametru. Symbol parametru musi być unikalny, gdyż jest kluczem głównym tej relacji.

Relacja przechowująca informację o instytucjach, które przystąpiły do porozumienia nosi nazwę INSTYTUCJA i wiążę ze sobą 5 atrybutów: identyfikator instytucji, nazwę instytucji, adres instytucji (dwa atrybuty: ulica z numerem budynku i miasto z kodem pocztowym), adres strony domowej instytucji. Dla zwiększenia czytelności zdecydowano się, że identyfikator instytucji będzie ciągiem liter, dalej zwanym symbolem instytucji. Symbol instytucji musi być unikalny, gdyż jest kluczem głównym tej relacji.

Relacja przechowująca informację o telefonach kontaktowych nosi nazwę KONTAKT. Instytucja może mieć wiele telefonów kontaktowych ale telefon kontaktowy nie może należeć do wielu instytucji. Stąd wynika, że związek z relacją INSTYTUCJA jest typu jeden-do-wielu. Relacja KONTAKT wiążę ze sobą 6 atrybutów: identyfikator instytucji, priorytet kontaktu, nazwę kontaktu, numer telefony, adres poczty elektronicznej (dwa atrybuty: nazwa użytkownika i nazwa serwera pocztowego). Para atrybutów: identyfikator instytucji i priorytet kontaktu muszą jednoznacznie identyfikować krotkę w tej relacji, gdyż ta para jest kluczem głównym. Z tego wynika, że dla jednej instytucji nie może być dwóch kontaktów z tym samym priorytetem. Priorytet jest liczbą całkowitą. Im większa jest to liczba tym niższy jest priorytet kontaktu. Nazwa kontaktu może być nazwiskiem pracownika (np. dr Antoni Walter), albo funkcją (np. Sekretariat), albo urządzeniem (np. fax). Jeśli jest znany adres poczty elektronicznej związanej z tym kontaktem to należy wypełnić pola nazwa użytkownika (to co jest przed @) i nazwa serwera pocztowego (to co jest za @). Rozbicie adresu poczty elektronicznej na dwa pola nie jest przypadkowe. Umożliwia ono zabezpieczenie adresu poczty elektronicznej przed przechwyceniem przez spamerów.

Relacja przechowująca informację o konturze Zatoki Gdańskiej nosi nazwę MAPA. Mapa będzie składała się z wypełnionych wielokątów rysowanych jeden na drugi. Przyjęto, że ląd będzie tłem, a na niego będą nakładane wielokąty wypełnione kolorem niebieskim (woda) i jeśli trzeba znowu ląd (wyspy). Oprócz wielokątów można nałożyć linię łamaną (granica). Ten sposób reprezentowania mapy wymusza następujące atrybuty relacji: numer kolejny punktu, numer warstwy, typ warstwy, długość i szerokość geograficzna. Numer kolejny punktu jest kluczem głównym tej relacji i jednocześnie decyduje o kolejności rysowania punktów w każdym wielokącie. Numer warstwy też nie jest obojętny gdyż rysowanie poszczególnych wielokątów odbywa się w kolejności rosnących numerów warstwy.

Prostym rozwiązaniem relacji przechowującej informacje o pomiarach byłaby relacja o atrybutach: kto (instytucja), gdzie (długość i szerokość geograficzna), kiedy (dzień), co (parametr) zmierzył. Ale okazuje się, że liczba krotek przechowywanych w takiej relacji niesłychanie szybko by się powiększała. Na przykład Wydział Ochrony Środowiska UM Gdańsk przez cały rok, codziennie mierzy 11 parametrów w 15 stacjonarnych punktach i 10 innych parametrów w innych 14 stacjonarnych punktach. Po prostym wymnożeniu otrzymujemy 111325 krotek. A jest to tylko jedna instytucja w jednym roku. Pierwszą redukcję krotek można uzyskać zastępując dzień pomiaru przez dzień początku i dzień końca okresu pomiarowego (np: 2003-01-01 i 2003-12-31). Dla tych samych danych będziemy mieli już tylko 305 krotek. Co więcej, jeśli w następnym roku te same parametry będą mierzone w tych samych stacjach pomiarowych to wystarczy we wszystkich krotkach zamienić koniec okresu pomiarowego 2003-12-31 na 2004-12-31 i liczba krotek pozostanie 305. Dalszą redukcję można uzyskać jeśli się zauważy, że te krotki są realizacją dwóch iloczynów kartezjańskiego: 11 parametrów w 15 punktach i 10 parametrów w 14 punktach. Podstawową cechą języka SQL jest tworzenie iloczynu kartezjańskiego zbiorów i obróbka wyników tego iloczynu (filtrowanie, sortowanie itp.) Należy w osobnej relacji umieścić mierzone parametry i w osobnej relacji punkty pomiarowe. Aby można było spiąć ze sobą te krotki należy w obu relacjach umieścić atrybut z identyfikatorem grupy pomiarów. Dla ogólności wprowadzono jeszcze trzecią relację, która przechowuje listę okresów pomiarowych. To daje możliwość przechowywania pomiarów, które na przykład wykonuje się przez tydzień na wiosnę i przez dwa tygodnie na jesieni.

Ostatecznie pomiary są przechowywane w czterech relacjach. Relacja centralna o nazwie POMIAR ma atrybuty: identyfikator grupy pomiarów, identyfikator instytucji, która tą grupę wykonała, uwagi w formacie swobodnym o tej grupie.

Druga relacja o nazwie MIEJSCE ma atrybuty: identyfikator grupy pomiarów, długość i szerokość geograficzna, opis punktu w formie swobodnej. Kluczem głównym w tej relacji jest trójka: identyfikator grupy pomiarów, długość geograficzna i szerokość geograficzna. Oznacza to, że dla tej samej grupy pomiarów nie może być dwóch takich samych punktów.

Trzecia relacja o nazwie CZAS ma atrybuty: identyfikator grupy pomiarów, dzień początku i dzień końca okresu pomiarowego. Kluczem głównym w tej relacji jest para identyfikator grupy pomiarów i dzień początku. Oznacza to, że dla tej samej grupy pomiarów nie może być dwóch okresów zaczynających się w tym samym dniu. Tak na prawdę sens mają tylko okresy, w których początek następnego okresu jest późniejszy końca wcześniejszego okresu.

Czwarta relacja o nazwie CZUJNIK ma atrybuty: identyfikator grupy pomiarów, identyfikator parametru i okres (częstotliwość) pomiaru w formacie swobodnym. Kluczem głównym w tej relacji jest para identyfikator grupy pomiarów i identyfikator parametru. Oznacza to, że dla tej samej grupy pomiarów nie można dwa razy mierzyć tego samego parametru. Teoretycznie może się zdarzyć, że są dwa pomiary tego samego parametru różniące się częstotliwością pomiaru (np. raz na godzinę i co sekundę. Ale ponieważ atrybut okres ma format swobodny więc można napisać 1h i 2s.

Jak widać z atrybutów tych relacji nie jest przechowywana kolejność okresów pomiarowych, kolejność mierzonych parametrów, ani kolejność punktów pomiarowych.

Wprowadzanie danych

Dane o pomiarach wprowadza się do bazy za pośrednictwem plików tekstowych. Plik tekstowy składa się z linii. Każda linia opisuje jedną grupę pomiarów. W żadnej wartości opisującej grupy pomiarów nie mogą znaleźć się znaki specjalne, którymi są nawiasy sześcienne, przecinek i kreska pionowa: { } , |. Wszystkie spacje i tabulatory występujące na początku lub końcu oraz przed i po znakach specjalnych zostaną usunięte. Ogólna postać pliku pomiarowego wygląda następująco:

instytucja | uwagi | lista miejsc | lista okresów | lista parametrów
instytucja | uwagi | lista miejsc | lista okresów | lista parametrów
instytucja | uwagi | lista miejsc | lista okresów | lista parametrów
...

Kolejność pól w każdej linii taka, jak w powyższym przykładzie i nie można jej zmieniać. Pierwsze pole instytucja to oczywiście symbol instytucji. Pole uwagi ma format swobodny.

Trzecie pole lista miejsc jest listą miejsc pomiarowych separowanych przecinkami: miejsce, miejsce, miejsce, ... Każde miejsce składa się minimum z dwóch pól: długość i szerokość geograficzna, dlatego musi być ujęte w nawiasy sześcienne: {szerokość|długość} albo {szerokość|długość|opis}. Jak widać wolno pomijać ostatnie pola, a przyjmują one wartość null. Długość i szerokość jest liczbą rzeczywistą. Separatorem miejsca dziesiętnego musi być kropka.

Czwarte pole lista okresów jest listą okresów pomiarowych separowanych przecinkami: okres, okres, okres, ... Każdy okres składa się z dwóch pól: dzień początku i dzień końca okresu. Data musi być w formacie rrrr-mm-dd. Jeśli użytkownik wpisze tylko jedną datę nie ujętą w nawiasy sześcienne to system przyjmie tę datę jako dzień końca i dzień początku okresu. Innymi słowy będzie to jednodniowy okres pomiarowy. Jeśli użytkownik ujmie pojedynczą datę w nawiasy sześcienne to system przyjmie jako dzień końca wartość null, co wygeneruje błąd, bo koniec okresu pomiarowego jest atrybutem obowiązkowym.

Piąte pole lista parametrów jest listą zmierzonych wartości fizycznych separowanych przecinkami: parametr, parametr, parametr, ... Każdy parametr może się składać się z dwóch pól: symbol parametru i okresu (częstotliwość) pomiaru. Jeśli użytkownik chce wpisać obie wartości to ten element listy musi być ujęty w nawiasy sześcienne a wartości muszą być odseparowane pionową kreską: {parametr|okres}. Jeśli okres (częstotliwość) pomiaru nie jest znany to można napisać symbol parametru ujęty w nawiasy sześcienne, albo prościej, tylko symbol parametru (bez nawiasów sześciennych).

Dwa przykłady:

UMSop | zmiana czujnika temperatury w maju 2003 | {18.5633 | 54.4633 | Sopot na wysokości PTTK}, {18.5667 | 54.4583} | {2003-03-01 | 2003-09-30} | Tot_Col, Faec_Col, pH, BOD5, DO, clr

Powyższy rekord spowoduje wpisanie jednej krotki do relacji POMIAR (identyfikator grupy pomiarów zostanie nadany automatycznie), dwóch krotek do relacji MIEJSCE, jednej krotki do relacji CZAS i pięciu krotek do relacji CZUJNIK. Ta jedna linia zawiera w sobie 10 elementarnych faktów o dokonanych pomiarach.

MIR-ZO | ICES: 520 | {18.412000 | 55.425333 | Z13, głęb. 85m} | 2003-10-18 | POP, temp, S, DO

Drugi przykład spowoduje wpisanie jednej krotki do relacji POMIAR, jednej krotki do relacji MIEJSCE, jednej krotki do relacji CZAS i czterech krotek do relacji CZUJNIK. Ta jedna linia zawiera w sobie 4 elementarne fakty o dokonanych pomiarach.

Rysowanie mapy

Pierwsze założenie polega na tym, że elipsoidę obrotową jaką jest ziemia (geoidę) przybliżam kulą.

Dowolny punkt na kuli można wyrazić liczbami $[x,y,z]$ w przestrzeni kartezjańskiej albo we współrzędnych geograficznych $[R,\varphi ,\lambda ]$. Stała $R$ to promień kuli ziemskiej, która wynosi: 6370289 m. Kąt $\varphi$ to kąt wzniesienia (dodatni na północ), a kąt $\lambda$ to kąt odchylenia (dodatni na wschód). Gdańsk jest w okolicach $\varphi =54o$ i $\lambda =18o$.

Jeśli mamy punkt $[x,y,z]=[R,0,0]$ to po obrocie o kąt $\varphi$ wokół osi OY mamy:

$$\left[\begin{array}{c}x\text{'}\\ y\text{'}\\ z\text{'}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\varphi & 0& -sin\varphi \\ 0& 1& 0\\ sin\varphi & 0& cos\varphi \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}R\\ 0\\ 0\end{array}\right]$$

A następnie po obrocie o $\lambda$ wokół osi OZ mamy:

$$\left[\begin{array}{c}x\text{'}\text{'}\\ y\text{'}\text{'}\\ z\text{'}\text{'}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\lambda & -sin\lambda & 0\\ sin\lambda & cos\lambda & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Rcos\varphi \\ 0\\ Rsin\varphi \end{array}\right]$$

Ostatecznie otrzymujemy:

$$\{\begin{array}{l}x=Rcos\varphi cos\lambda \\ y=Rcos\varphi sin\lambda \\ z=Rsin\varphi \end{array}$$

Rzut równoległy

Wrzucie równoległym obieramy punkt na kuli, który ze środkiem kuli tworzy wektor rzutowania. Możemy ten wektor oznaczyć $[x_0,y_0,z_0]$. Ten wektor jest nachylony do płaszczyzny równika pod kątem ${\varphi }_0$ i odchylony od południka zerowego o kąt ${\lambda }_0$ Płaszczyzna na którą będziey rzutować jest prostopadła do tego wektora i można ją umieścić w dowolnym miejscu przestrzeni np. w początku układu współrzędnych. Wtedy będzie opisana równaniem: $x_{0}x+y_{0}y+z_{0}z=0$. Prostą, wzdłuż której rzutujemy możemy opisać parametrycznie:

$$\{\begin{array}{l}x=x_{0}t+x_p\\ y=y_{0}t+y_p\\ z=z_{0}t+z_p\end{array}$$

gdzie $x_p$, $y_p$, $z_p$ są współrzędnymi punktu, który chcemy rzutować. Rozwiązując układ równań z czterema niewiadomymi wyznaczamy współrzędne $x$, $y$, $z$ z punktu na płaszczyźnie rzutowania.

Jednak o wiele prostsze rozważania będą gdy dokonamy obrotu kuli o kąty $-{\varphi }_0$ i $-{\lambda }_0$. Obrót o $-{\lambda }_0$ nie powoduje zmiany współrzędnej $z$, dlatego możemy uprościć obrót do dwóch współrzędnych.

$$\{\begin{array}{l}x\text{'}=xcos{\lambda }_0+ysin{\lambda }_0\\ y\text{'}=-xsin{\lambda }_0+ycos{\lambda }_0\\ z\text{'}=z\end{array}$$

Teraz dokonujemy obrotu o $-{\varphi }_0$

$$\{\begin{array}{l}x\text{'}\text{'}=x\text{'}cos{\varphi }_0+z\text{'}sin{\varphi }_0\\ y\text{'}\text{'}=y\text{'}\\ z\text{'}\text{'}=-x\text{'}sin{\varphi }_0+z\text{'}cos{\varphi }_0\end{array}$$

Po takiej transformacji płaszczyną rzutowania jest płaszczyna o równaniu $x=0$. Obliczona współrzędna $y\text{'}\text{'}$ staje się współrzędną $x$ na płaszczyźnie rzutowania, a współrzędna $z\text{'}\text{'}$ staje się współrzędną $y$ na płaszczyźnie rzutowania.