Svět, který známe, je postaven na složité síti spojení. Každý ekosystém, komunita a habitat závisí na neustále se měnící síti vztahů, které mohou být obtížně viditelné i s nejlepšími dostupnými daty.
Mapy byly vždy nezbytným nástrojem pro pochopení tohoto světa. Mapy biodiverzity mohou ukázat, kde byly pozorovány ohrožené druhy. Prediktivní modely habitatů mohou odhadnout, kde se druhy pravděpodobně v budoucnu vyskytují na základě environmentálních podmínek. Tyto produkty hrají klíčovou roli v plánování ochrany přírody a vědeckém výzkumu.
Ale ekosystémy jsou víc než jen soubor jednotlivých druhů zabírajících stejný prostor.
Opylovač závisí na kvetoucích rostlinách. Pták závisí na hmyzu a hnízdním prostředí. Houba může podporovat zdraví celého lesa prostřednictvím neviditelných podzemních vztahů. Tyto interakce vytvářejí ekologickou strukturu, která udržuje život. Když je jeden prvek odstraněn, účinky se mohou rozšířit daleko za hranice jednoho druhu.
Když se podíváte na mapu místní flóry a fauny, vidíte tyto závislosti okamžitě? Dokážete si představit řetězec vztahů spojující zranitelného opylovače s kvetoucí rostlinou nebo ohroženého ptáka s habitatem, na kterém závisí?
Tato otázka se stala inspirací pro Extinction Explorer.
Extinction Explorer kombinuje ArcGIS Knowledge Graph, 3D potravní síť, a 3D mapu pozorování druhů k zviditelnění ekologických vztahů. Aplikace umožňuje uživatelům prozkoumat jak místa výskytu druhů, tak jejich vzájemná propojení, čímž proměňuje soubor pozorování v živou síť, kterou lze interaktivně prozkoumávat.
Budování grafu
Jádrem aplikace je ArcGIS Knowledge Graph vytvořený z dat o ekologických pozorováních a vztazích mezi druhy.
Graf se skládá ze tří hlavních entit:
- Druhy: rostliny, živočichové, houby a další organismy pozorované v rámci studované oblasti.
- Pozorování: jednotlivé záznamy o pozorování obsahující informace o lokaci a čase.
- Dokumenty: zdrojové záznamy zachycující původ dat o pozorováních.
Vztahy mezi druhy jsou nesmírně složité a neustále se vyvíjejí. Naštěstí iniciativy jakoGlobal Biotic Interactions (GloBI)shromažďují data o ekologických interakcích ze vědecké literatury a komunit zabývajících se biodiverzitou, což pomáhá odhalit, jak si druhy navzájem ovlivňují v rámci ekosystémů.
Pro tento projekt byly tyto interakce normalizovány do osmi hlavních typů vztahů: PREDATES, POLLINATES, HOST_OF, PARASITIZES, NESTS_IN, SYMBIOTIC_WITH, ASSOCIATED_WITH, CO_OCCURS_WITH
Tyto vztahy společně tvoří síť, kterou lze dotazovat, analyzovat a vizualizovat v rámci ArcGIS Knowledge Graph.
Proč ArcGIS Knowledge Graph?
Tradiční aplikace pro biodiverzitu jsou často postavené kolem vrstev, tabulek a spojení. Vynikají v odpovědích na otázky jako:
- Kde se tento druh nachází?
- Kolik existuje pozorování?
- Jaký je jeho stav ochrany?
Odpovědi na otázky týkající se vztahů však rychle komplikují situaci.
- Kteří opylovači podporují tuto rostlinu?
- Na kterých druzích závislí predátoři?
- Jaké další organismy jsou ovlivněny zmizením druhu?
ArcGIS Knowledge Graph poskytuje přirozený rámec pro modelování těchto otázek.
V Extinction Explorer se druhy stávají entitami a ekologické interakce explicitními vztahy. Pomocí dotazů openCypher aplikace začíná u druhů klasifikovaných jako Critically Endangered, Endangered, nebo Vulnerable, poté rozšiřuje hledání přes jednu, dvě nebo tři úrovně ekologických spojení.
Ty samé dotazy do grafu také získávají související záznamy o pozorováních, což umožňuje jednomu datovému modelu pohánět jak vizualizaci sítě, tak mapu.
Na úrovni tří skoků obsahuje graf San Bernardino National Forest přibližně 3 000 druhů, 8 000 ekologických vztahů a desítky tisíc pozorování.
Dva pohledy, jeden ekosystém
Aplikace prezentuje stejný ekosystém ve dvou synchronizovaných pohledech.
Pohled Mapa zobrazuje tisíce pozorování shromážděných prostřednictvím komunitních vědeckých iniciativ jako iNaturalist a dalších veřejně dostupných datasetů biodiverzity z GBIF. Pozorování jsou vykreslena jako 3D špendlíky v rámci ArcGIS SceneView, což umožňuje uživatelům prozkoumávat rozložení druhů napříč terénem San Bernardino National Forest.
Pohled Síť vizualizuje ty samé druhy jako 3D graf řízený silami.
Druhy se stávají uzly.
Vztahy se stávají spojeními.
To, co bylo dříve sbírkou bodů, se proměňuje v živou síť ekologických interakcí.
Protože oba pohledy jsou řízeny stejným ArcGIS Knowledge Graphem, zůstávají synchronizované. Výběr druhu v jednom pohledu jej okamžitě zvýrazní i v druhém.
Místo přepínání mezi samostatnými aplikacemi mohou uživatelé plynule přecházet mezi geografií a vztahy.
Zviditelnění ekologických změn
Nejpoutavější část Extinction Explorer začíná výběrem druhu uživatelem.
Každý výběr lze považovat za událost vyhynutí.
Když je druh odstraněn ze sítě, Extinction Explorer vypočítá, jak tento ztrátový dopad ovlivní sousední druhy a vizualizuje důsledky v obou pohledech.
Aplikace zaznamenává tyto dopady do Extinction Logu, dokumentujícího:
- Přerušené ekologické vztahy
- Nově izolované druhy
- Kaskádové efekty napříč sítí
Druhy ovlivněné událostí jsou zvýrazněny pomocí odlišných barev, což umožňuje uživatelům sledovat šíření narušení ekosystému.
S postupujícím počtem událostí vyhynutí se efekt vlnění stává viditelným jak v síti, tak v krajině.
Tato zkušenost pomáhá překlenout propast mezi ekologickou teorií a intuitivním porozuměním.
Místo čtení o kaskádových ekologických dopadech je mohou uživatelé sledovat přímo při jejich rozvíjení.
Neméně důležité je to, že každý krok lze vrátit zpět. Druhy lze obnovit a ekologická spojení znovu vybudovat, což umožňuje uživatelům prozkoumat jak narušení, tak zotavení.
Technické detaily
Z technického hlediska byl Extinction Explorer navržen jako lehká webová aplikace zaměřená na rychlé experimentování.
'Mapovací' zážitek je poháněn 'ArcGIS Maps SDK for JavaScript', využívající 'SceneView'' k vykreslení tisíců pozorování jako 3D špendlíků nad terénem. Stav pozorování je spravován pomocí rendereru řízeného polem 'alertStatus', což umožňuje aktualizaci kaskád vyhynutí pouze u postižených prvků místo přestavby celých vrstev.
'Vizualizace sítě je postavena pomocí '3d-force-graph', 'three.js', a 'd3-force-3d', vytvářející interaktivní 3D reprezentaci ekosystému. Ohrožené druhy jsou symbolizovány barvami inspirovanými IUCN zatímco širší taxonomické skupiny mají vlastní palety kategorií.
'Za oběma vizualizacemi stojí 'ArcGIS Knowledge Graph'' dotazovaný pomocí openCypher.
'[ExtinctionExplorer] openCypher (seeds):'
'MATCH (s:Species)'
' WHERE toUpper(s.iucn_status) STARTS WITH 'CR''
' OR toUpper(s.iucn_status) STARTS WITH 'EN''
' OR toUpper(s.iucn_status) STARTS WITH 'VU''
RETURN collect(DISTINCT s) AS nodes
The application dynamically expands through ecological relationships, retrieves observation records, and constructs the connected network displayed in both views.
One of the more interesting design decisions was keeping the architecture intentionally simple. The application runs entirely as a client-side experience using modern ES modules and the ArcGIS Maps SDK's module-loading capabilities.
Connecting GIS and Relationships
The San Bernardino National Forest serves as the prototype dataset, but the underlying pattern is much broader.
Any ArcGIS Knowledge Graph that models entities, relationships, and observations could support a similar experience. Whether the subject is biodiversity, infrastructure, supply chains, emergency management, or utilities, the combination of spatial context and graph relationships opens the door to new ways of exploring complex systems.
Traditional GIS helps answer where things happen.
Knowledge graphs help answer how things are connected.
Extinction Explorer explores what happens when those two perspectives come together. By linking a map of real-world observations with a dynamic network of ecological relationships, the prototype transforms a collection of points into a living system that users can interact with, question, and explore.
Try the demo: Extinction Explorer
