Lepaan maakirjaston kehittäminen

Lepaalle on rakennettu maakirjasto, jossa on tarkoitus mitata maaperän lämpötilaa, kosteutta, sähkönjohtavuutta ja dielektrisiteettiä¹ sekä kuvata kasvien kasvua. Näistä saadaan sekä numeerista että visuaalista tietoa, jota voivat hyödyntää esimerkiksi maanviljelijät ja tutkijat. Tämän ympärille on kehitetty oma sivusto ja avoin rajapinta, jotka löytyvät osoitteesta http://maakirjasto.fi. Tavoitteena oli julkaista mittaukset ja muut tiedot avoimena datana sekä selattavana suoraan verkossa. Tässä julkaisussa käydään läpi sivuston kehitysprosessia ja kerätyn tiedon julkaisua avoimena datana.

¹ Dielektrisiteetti tarkoittaa sitä, miten väliaine reagoi nopeasti muuttuvaan magneettikenttään.

Mitä rajapinta tarkoittaa?

Rajapinnan määritelmä on joukko määrityksiä ja protokollia sovellusten kehitykseen ja integrointiin. Rajapinnan avulla yksi järjestelmä voi kommunikoida muiden järjestelmien kanssa tietämättä, miten toinen järjestelmä on pohjimmiltaan rakennettu. (Red Hat, n.d.)

Rajapintoja on käytössä sekä verkossa että käyttäjän omalla tietokoneella. Kun käyttäjä kopioi tietoa Excelistä Wordiin, tieto liikkuu taustalla rajapinnan kautta, vaikka se ei näy käyttäjälle mitenkään. Maakirjaston rajapinta taas toimii käyttäjälle tiedon välittäjänä. Käyttäjä voi koneellisesti hakea rajapinnasta tietoa vaikkapa Excelissä käytettäväksi.

Rajapinnat voidaan jakaa toiminnallisiin ja informatiivisiin. Toiminnallisessa rajapinnassa käyttäjä lähettää rajapinnalle arvot X ja Y, joka sitten käsittelee niitä tietyllä tapaa ja palauttaa käyttäjälle tuloksen, esimerkkinä laskin. Informatiivisessa rajapinnassa käyttäjä joko syöttää tai hakee tietoa, kuten esimerkiksi maakirjaston rajapinta.

Avoin data avattuna

Avoin data on määritelty seuraavasti:

• Datan tulee olla saatavilla ilmaiseksi, helppokäyttöisessä ja muokattavassa muodossa.
• Datan lisenssin tulee sallia uudelleen käyttö ja yhdistäminen muiden datalähteiden kanssa.
• Datan käyttöä ei saa rajoittaa, esimerkiksi dataa tulee saada myydä eteenpäin.
  (Open Knowledge Open Definition Group, n.d.)

Avoimen datan lisensointiin on käytettävissä useita erilaisia lisenssejä. Osa saatavilla olevista lisensseistä on kirjoitettu suoraan avoimen datan pariin. Yhtenä vaihtoehtona ovat Creative Commons -lisenssit, joita ei ole suoraan kirjoitettu avoimen datan pohjalle, mutta niitä on kuitenkin laajalti hyödynnetty sen parissa. Esimerkiksi Suomen julkishallinnon avoimen datan standardilisenssiksi on valittu CC BY. (Creative Commons, 2014)

Avoin data itsessään ei ole ratkaiseva tekijä yrityksen menestyksen kannalta, vaan sitä voidaan käyttää laajentamaan yrityksen olemassa olevaa omaa dataa. Esimerkiksi sateenvarjoja myyvä yritys voi sääennusteen perusteella muuttaa tuotteensa hintaa, sateisella säällä nostaa hintaa ja vastaavasti hyvällä säällä laskea hintaa. Avatessa omia datojaan muiden käyttöön, ei tarvitse julkaista omalle yritykselle tärkeää dataa. Esimerkiksi ravintola voisi julkaista ruokalistan koneluettavassa muodossa kuvan sijaan, ja tätä voitaisiin hyödyntää ruokalistat näyttävässä sovelluksessa.

Mittauslaitteet ja kamerat Lepaalla

Maakirjasto koostuu yhdeksästä maalaatikosta, jotka on täytetty erilaisella maaperällä. Sen lisäksi jokaisesta laatikosta löytyy kolme anturia sekä yläpuolella kamera. Maakirjaston laitteiden lisäksi lähistöllä sijaitsee Ilmatieteen laitoksen mittausasema, josta on mahdollista hakea säätietoa avoimena datana. Maakirjaston rakenne on kuvattu kuviossa 1.

Lepaalla mittausjärjestelmä koostuu pilvipalvelusta, pääasemasta, antennista ja yhdeksästä anturista. Anturit lähettävät tietoa antennille 20 minuutin välein, joka puolestaan välittää tiedon pääaseman kautta pilvipalveluun. Anturit ovat suomalaisen Soil Scout -yrityksen itsensä kehittämiä. Olosuhteista riippuen anturit voivat lähettää dataa 20 vuoden ajan ja jopa kahden metrin syvyydessä. Laitteiden kantama riippuu asennussyvyydestä. Pilvipalvelussa on mahdollista katsella kerättyä mittausdataa ja vertailla eri laatikoita keskenään. Lisäksi palvelusta voidaan ladata mittausdataa CSV-muodossa esimerkiksi Excelissä käytettäväksi.

Avoimen rajapinnan ja verkkosivun kehittäminen

Omaa rajapintaa ja verkkosivua lähdettiin kehittämään, koska pilvipalvelussa ei ollut saatavilla rajapintaa mistä hakea tietoa sekä sen takia että kerätyt mittaukset haluttiin julkaista avoimena datana. Verkkosivun tarkoituksena oli tarjota mahdollisuus katsella ja ladata kerättyä dataa. Avoimen rajapinnan tarkoituksena oli tarjota mahdollisuus luoda omia palveluita ja hyödyntämistapoja kerätyn datan ympärille.

Maakirjastossa kehitettävät osat toimivat Microsoftin Azure -pilvipalvelussa. Tämä mahdollistaa sen, että ei tarvitse ostaa fyysisiä palvelimia, eikä niiden ylläpitoon tarvitse käyttää resursseja. Lisäksi palvelimia pystytään tarpeen mukaan skaalaamaan suuntaan tai toiseen.

Kehitysprosessin alussa selvitettiin millä kerätyn mittausdatan saa haettua omaan käyttöön. Soil Scoutilla oli rajapinta, joka toimii välittäjänä vastaanotetuille mittauksille. Tämä tallentaa datan sekä heidän omaan tietokantaan, että välittää eteenpäin kolmannen osapuolen palvelulle. Maakirjaston rajapinnan tuli sisältää päätepisteet laitteiden rekisteröinneille ja mittausten vastaanottamiselle.

Rajapinnasta kehitettiin REST-tyyppinen, jossa sallittuja http-metodeja ovat GET, eli haku, ja POST, eli lähetys. POST-päätepisteet vastaanottavat Soil Scoutilta tulevat rajapintakutsut, kun taas GET-pisteiden kautta voidaan hakea laitteita, mittaustietoja ja kuvia. Saatavilla olevasta dokumentaatiosta nähtiin, missä muodossa ja mitä tietoa rajapinnan tulee voida vastaanottaa, ja sen perusteella kehitettiin maakirjaston rajapinnan päätepisteiden toimintaa.

Kameroilla ainoa tapa lähettää kuvia on käyttää FTP-yhteyttä, jota ei rajapinnassa ole. Tämän takia kuvat tarvitsivat FTP-palvelimen, joka sekä vastaanottaa kuvia että yhdessä Azuren pilvipalvelussa olevien funktioiden kanssa siirtää kuvat tietokantaan rajapinnasta haettavaksi.

Verkkosivulla piti olla mahdollista vertailla eri laatikoita keskenään, hyödyntää läheisen Ilmatieteenlaitoksen mittaustietoja yhdessä laatikoiden mittaustulosten kanssa sekä selata laatikoista otettuja kuvia. Lisäksi sivulla tuli olla mahdollisuus ladata tietoja CSV-muodossa. Kuvat haetaan rajapinnan kautta sivustolla esitettäväksi.

Laatikoiden vertailua kehitettiin ensin javascript-pohjaisella graafikirjastolla. Haluttujen ominaisuuksien takia, tarvittava työmäärä tällä kirjastolla olisi ollut huomattava. Sen sijaan otettiin käyttöön avoimen lähdekoodin analytiikka- ja seurantatyökalu Grafana. Kyseisestä työkalusta löytyi valmiina kaikki halutut toiminnot, datan lataus mukaan lukien. Tämä toimii hyvänä esimerkkinä avoimen lähdekoodin hyödyistä. Tähän asti tietokantaratkaisuna oltiin käytetty Azuren Table Storage -komponenttia, mutta koska Grafanassa ei ollut saatavilla sopivaa yhteystyökalua tämän käyttöön, vaihdettiin tietokannaksi Azuressa toimiva SQL-palvelin.

Mittaustietojen osalta visualisointiin hyödynnetään Grafanaa, mutta koska säätietoja saa haettua vain ulkopuolisen rajapinnan kautta, käytettiin aiemmin kokeiltua graafikirjastoa säätietojen visualisointiin. Säätietoja on tarkoitus vain näyttää kävijälle, joten isoin työ oli tietojen hakeminen ja muokkaaminen haluttuun esitysmuotoon. Mittaus- ja säätiedot esitetään vierekkäin, jolloin nähdään mahdolliset yhteneväisyydet.

Yhteenveto maakirjaston käytöstä

Lepaan maakirjastosta saadaan sekä numeerista että visuaalista tietoa. Visuaalinen tieto on kuvat, joita jokaiseen laatikkoon asennettu kamera ottaa päivittäin. Numeerista tietoa antavat laatikoihin asennetut anturit sekä Lepaan paikallinen Ilmatieteenlaitoksen sääasema. Numeerisen tiedon perusteella voidaan tarkastella, miten Lepaalla vallitseva sää vaikuttaa maaperän lämpötilaan, kosteusolosuhteisiin ja kasvien ravinteiden saantiin. Jokaiseen laatikkoon on asennettuna kolme anturia eri syvyydelle, joten sään vaikutuksesta saadaan tietoa kattavasti maan eri syvyyksiltä. Laatikkokohtaisista kamerakuvista havaitaan kasvien kasvuun lähtö keväällä ja toisaalta kasvien tuleentuminen syksyllä. Kesäaikana kamerakuvista voidaan vertailla kasvien elinvoimaa eri maalajeilla. Lumipeitteisyys on myös kätevä tarkistaa kamerakuvien perusteella. (Äystö, 2019)

Kaikki nämä tiedot ovat saatavilla avoimena datana kehitetyn rajapinnan kautta sekä verkkosivulla esitettynä. Tietoa voivat hyödyntää esimerkiksi maatalouden parissa työskentelevät, tutkijat ja opiskelijat. Opetuskäytössä tietoa voidaan käyttää materiaalina esimerkiksi tietojenkäsittelyn opiskelijoilla eikä vain biotalouteen liittyvillä aloilla.

Maakirjaston kokonaisuus julkistettiin Lepaan näyttelyssä elokuussa 2019. Avaamisen jälkeen sivustolla on ollut säännöllisesti kävijöitä. Kun mittausdataa on kertynyt pidemmältä aikaväliltä, sivuston ja datan merkitys sekä hyödynnettävyys on suurempi. Tämän myötä hyödyntäjiä on odotettavissa enemmän.