Применение геоинформационных систем в образовании
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: "Геоинформацинные системы"
На тему: " Применение геоинформационных систем в образовании "
Воронеж 2006 г.
Содержание
1. Факультативная подготовка по ГИС-технологиям в школе ………… 3
2. Экологический практикум для школьников на оз. Горькое
Звериноголовского района (курорт «Сосновая роща») ……………… 4
3. Обучение геоинформатике в колледже ……………………………….. 5
4. Опыт Курганского ГУ по обучению современным
геоинформационным технологиям ……………………………………. 7
5. Геоинформационная система Нижегородского ГТУ на базе
программного продукта AutoCAD Map ……………………………… 9
6. Геоинформационное обеспечение учебных и производствен-
ных практик геологического факультета МГУ: обучение
через составление реальных ГИС-проектов …………………………. 11
7. Обучение ГИС-технологиям на геологическом факультете МГУ ….. 13
8. Геоинформационные системы на кафедре картографии СПбГУ …… 15
9. Среда получения оценок на базе ГИС – технологии как основа
обучения специалистов в области экологии ………………………….. 18
10. Содержание обучения в области геоинформационных
систем и транспортная логистика в Уральском ГУ ………………… 20
11. Геоинформационное образование в Уральской
горно-геологической академии ………………………………………. 22
12. Геоинформационные системы в учебном процессе
телекоммуникационных специальностей …………………………… 24
13. Учебно-методическое обеспечение ГИС-образования ……………... 25
14. Заключение …………………………………………………………….. 27
Литература …………………………………………………………………. 28
1. Факультативная подготовка по ГИС-технологиям в школе
Развитие информационных технологий ставит перед педагогами общеобразовательных школ новые методические задачи. В рамках оказания помощи школе были проведены факультативные занятия по геоинформатике с учениками десятого класса.
Школа, в которой проводились занятия, давно подлежит ремонту. В аварийном состоянии находятся перекрытия и потолки здания. Поэтому, чтобы снизить затраты на ремонтные работы с одной стороны и одновременно оценить примерную стоимость необходимых материалов была выбрана данная тема.
Вначале была осуществлена подготовка школьников к восприятию и использованию пространственно распределенной информации. Для этого пришлось обратиться к дополнительным занятиям по инженерной графике, элементам картографии и знакомству с ГИС.
Силами учеников были смоделированы поэтажные планы школы и привязаны к карте города. В качестве основы использовались чертежи этажей от 1985 года. Они оказались устаревшими, многие перегородки были перенесены, поэтому заново делались замеры и наносились на план.
В качестве векторизатора был выбран пакет AutoCAD (Autodesk), т. к. он обладает мощным графическим редактором, большим набором средств для построения и редактирования двумерных и трехмерных объектов и модель, созданная в формате AutoCAD, принимается в любых других инструментальных ГИС. Затем чертежи были импортированы в ArcView, была создана и наполнена база данных, содержащая информацию о помещениях, в том числе и фотографии помещений до ремонта. ArcView выбрана в связи с удобным интерфейсом и наглядным представлением слоев. Система позволяет решать как административные так и хозяйственные задачи, может быть включена в городскую ГИС, а также служить источником справочной информации. Ученики получили новые знания и опыт работы над проектом в коллективе.
Результаты работы представлялись на районном конкурсе школьных работ и были оформлены в виде школьных диссертаций.
Выполнение указанной работы потребовало дополнительной подготовки в следующих направлениях и объеме:
Элементы инженерной и компьютерной графики.
Проекционное черчение в объеме освоения работы с поэтажными планами. Основные положения ЕСКД (Форматы, масштабы, виды, разрезы, сечения, нанесение размеров) – 12 час.
Знакомство с графическим пакетом AutoCAD как инструментом геометрического моделирования и векторизации поэтажных планов – 18 час.
Элементы картографии и основы ГИС
Элементы картографии – 6 час.
Введение в ГИС (Понятие ГИС. Области и примеры применения) – 4 час.
Изучение инструментальной системы ArcView (Работа с растровыми и векторными слоями. Таблицы. Запросы. Тематическое картографирование) – 12 час.
Элементы дизайна и инструментальные средства презентации результатов
Photoshop и PowerPoint – 10 час.
2. Экологический практикум для школьников на оз. Горькое
Звериноголовского района (курорт «Сосновая роща»)
Практикум проводился под эгидой областного экологического центра учащихся ГлавУНО Курганской области. В ландшафтно-экологическую группу входит шесть учащихся 8–10-х классов. Основные цели работы — построение и анализ трех карт на район курорта и озера: ландшафтной (до уровня типов урочищ), сохранных и редких ландшафтов, антропогенной нагрузки.
Оборудование: компьютер (в стационаре) и приемник GPS E-Trex с кабелем для соединения с PC. Программное обеспечение: Mapinfo Professional, Geographic Tracker (Special MapInfo Edition), WayPoint+, GPS TrackMaster.
Ввод данных осуществляется напрямую в MapInfo с помощью протокола NMEA, программ Geographic Tracker и текстовых файлов WayPoint+ и GPS TrackMaster. По линиям траков строились площадные объекты и выносились точечные, проводились зонирование, районирование. В результате наложения карт и с помощью специальных инструментов был выполнен географический анализ.
Методика работы в полевых условиях: маршрутное исследование, включающее изучение ландшафтов с одновременным выявлением слабоизмененных природных комплексов и, наоборот, видов и пространственных очагов человеческого воздействия на геосистемы.
При движении по маршруту приемник GPS постоянно включен, он записывает трак — линию движения человека с прибором. Таким образом, при фиксации контуров ландшафтов или очагов антропогенной нагрузки (размером более 30 м) достаточно «обойти» контур по его границе и затем с необходимой точностью отобразить его в компьютере.
Данная функция E-Trex и других навигационных приемников бесценна для географа-ландшафтоведа, которому в рамках карты-основы землепользования постоянно приходится отделять друг от друга фации, составляющие урочище. Так, даже на лесохозяйственных картах невозможно увидеть разграничения, скажем, между бором мертвопокровным и травяным (не позволяет это сделать и большинство данных ДЗЗ). Теперь оконтуривание фаций, которое зачастую приходилось делать почти на глаз, с помощью многократных измерений рулетками, что занимало длительное время, выполняется в два приема — «обход» контура с прибором и установка путевой точки в месте замыкания контура, обозначающей тип фации (например, БТЗ-2 — бор травяной злаковый, точка № 1). Стандартно приемник записывает шесть символов (GPS12-XL — до 16 букв), остальное описание выполняется традиционно — в полевом дневнике (или в карманном компьютере). Полностью исключается необходимость в трудоемкой и занимающей много времени операции — географической привязке маршрутных точек. При фиксации небольших объектов (5–15 м в диаметре) применяется способ путевых точек (WayPoints), когда каждому такому объекту (кострище, микросвалка, отдельно стоящее дерево и т. п.) соотносится точка, обозначенная условным знаком из базы прибора и имеющая уникальный идентификатор (Kost1, Sval16, Derev5).
Значительно упрощается работа по ландшафтной съемке при использовании двух приборов. В этом случае нет необходимости в полном обходе контура, во-вторых, появляется возможность фиксации протяженных, параллельных друг другу границ. Поясним это на примерах.
1. При использовании одного прибора для описания контура целинной типчаково-ковыльной степи работа выполняется в следующей последовательности: установка путевой точки, затем полный обход контура с возвратом в начальную точку.
При использовании двух приборов выполняется установка путевой точки на одном из приборов с одновременный обходом контура с двух сторон с перекрещиванием траекторий в конце обхода.
Время, затрачиваемое на операцию, сокращается в 3 раза.
2. При использовании одного прибора в процессе изучения расстояния от границы пашни до кромки воды в озере приходится постоянно менять траекторию, переходя от кромки воды к границе распашки. Кроме того, необходима установка множества путевых точек в местах перехода от одной границы к другой. Результат такой работы неточный — траектории получаются не сплошные, а с разрывами.
При использовании двух приборов постоянно фиксируются две параллельные траектории. Время, затраченное на работу, сокращается примерно в 2 раза, и заметно улучшается точность результатов.
В ходе практикума школьники освоили прибор за 2 ч, а к концу первого дня уже свободно заносили в приемник путевые точки, выполняли их описание. Чуть больше времени заняло обучение операции ввода данных из GPS в ГИС и, конечно, их географическому представлению и анализу. К концу шестидневного практикума школьники самостоятельно построили все искомые карты, о чем с удовольствием доложили на заключительной конференции.
3. Обучение геоинформатике в колледже
Среди причин, сдерживающих развитие геоинформационных технологий в России, — финансовых, правовых, организационных, режимных и др. — подготовка кадров занимает на одно из первых мест. От уровня подготовки специалистов, в том числе в области геоинформатики, во многом зависит и решение многих других проблем. Необходимость совершенствования системы геоинформационного образования осознается многими педагогами и специалистами, пока, однако, работа держится на инициативе отдельных личностей, занимающихся самообразованием.
До начала изучения геоинформатики учащиеся должны освоить основы: геодезических измерений, в том числе современные методы сбора информации о земной поверхности и явлениях; картографии, в том числе цифровой информатики.
Программа курса «Геоинформатика» в колледже должна содержать разделы:
Введение, где рассматриваются:
определение и терминология ГИС;
области применения ГИС-технологий;
Организация данных в ГИС:
пространственные данные. Регистрация. Топология;
атрибутивная информация в ГИС. Базы данных;
связь пространственных и атрибутивных данных;
редактирование данных в ГИС;
импорт-экспорт графических и атрибутивных данных.
Функциональные возможности современных ГИС:
выбор объектов по пространственным и атрибутивным данным. SQL-запросы;
задачи, решаемые по выбранным объектам;
пространственный анализ. Анализ цветного растрового изображения;
3D-изображение, GRID, TIN-модели;
задачи, решаемые с использованием объемного изображения;
организация работы в локальной сети. Удаленный доступ;
перспективы развития ГИС.
В заключение курса следует осветить проблемные вопросы традиционных подходов и решений на основе ГИС-технологий. По такому тематическому плану идет становление преподавания геоинформатики в Читинском лесотехническом колледже (ЧТЛК) на специальности «прикладная геодезия». В процессе обучения используются рабочие и демонстрационные версии программ векторизации, CAПР, обработки и анализа векторной и растровой графики. Для контроля знаний по предмету предлагается ответить на теоретический вопрос и подготовить практический пример, основанный на использовании стандартных функций ArcView GIS.
Приходится сожалеть, что в колледже для изучения геоинформатики, в отличие от других базовых дисциплин, отводится минимум учебного времени -60 ч, в том числе 20 - на практику. Предусмотренная форма контроля результата обучения зачет - не повышает значимости предмета.
Существенную помощь в организации практических занятий оказывает колледжу Забайкальское АГП: цифровыми картами, аэро- и космическими снимками и ГИС, разработанными специалистами предприятия. Преподает предмет один из специалистов предприятия. Часть студентов проходит производственную практику на Забайкальском АГП. Эффективность обучения намного повышается, когда практические занятия проводятся с использованием картографических материалов территории края, района, города, села. Многочисленные примеры по запросам, соединению и связыванию таблиц, геокодированию, агрегированию, буферизации, геопроцессингу, построению профилей, поверхностей, подсчету площадей и объемов, выбору площадок, определению видимостей учитывают специфику предмета.
Преподавание осложняется из-за отсутствия учебной литературы. Очевидной становится необходимость подготовки российского учебника по геоинформатике, соответствующего современному уровню развития ГИС-технологий. ГИС-Ассоциация могла бы выступить инициатором его создания.
4. Опыт Курганского ГУ по обучению современным
геоинформационным технологиям
Полноценное современное образование в области геоинформатики невозможно без изучения теории и практики геоинформационных систем, методов и технологий создания пространственных данных, в том числе с помощью дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) и навигационных систем.
Одной из главных проблем, тормозящих развитие геоинформационного образования, является высокая (для государственных учебных заведений) стоимость программно-аппаратного обеспечения полного комплекса работ. По грубой оценке, стоимость комплекта из одного приемника Trimble, нескольких сцен, полученных SPOT, и лицензии ERDAS
Imagine (ERDAS, Inc., США) и ArcGIS (ESRI, Inc., США) составляет около 60–70 тыс. дол., а комплекта из одного приемника Ashtech или Javad, нескольких снимков, полученных Landsat, одной инсталляции ER Mapper (Earth Resourse Mapping, Ltd., Австралия) и MapInfo Professional (MapInfo Corp., США) — около 50 тыс. дол. (без учета стоимости цифровых карт и компьютерного оборудования). Более того, для успешного учебного процесса необходимо иметь как минимум три приемника, а также программное обеспечение для функционирования 10–15 рабочих мест.
Ряд крупных компаний (ESRI, Inc., Intergraph Corp., США) имеют программы работы с вузами, оказывают им широкую поддержку, но это пока, скорее, исключение, чем правило, и всю технологическую программно-аппаратную линейку (по пятилетнему опыту работ) такая политика вряд ли обеспечит (тем более, что основные финансовые ресурсы придется потратить на приемники GPS).
Еще одна проблема геоинформационного образования — сложность освоения аппаратуры и программного обеспечения, которая большой частью субъективна, но является, прежде всего, психологическим барьером (в большей степени для преподавателей, а не для студентов или школьников). Однако «с нуля», самостоятельно геодезический приемник GPS, сопровождающее его программное обеспечение, профессиональные пакеты обработки данных ДЗЗ и ГИС быстро не освоишь.
Есть ли решение этих проблем? Не существует ли какого-либо щадящего финансового и образовательного варианта? Специалисты Курганского государственного университета считают, что в качестве одного из вариантов можно предложить следующий: навигационные GPS Garmin — многозональные сканерные снимки MODIS, ASTER (Terra) и снимки, полученные со спутников «Ресурс» и «Метеор» (МСУ-Э, МСУ-СК) — программные продукты ИТЦ «СканЭкс» (ScanViewer, ImageTransformer, ScanEx-NeRIS) — ГИС GeoMedia Professional (Intergraph Corp.) и MapInfo Professional (MapInfo Corp.).
Большинство программных продуктов передано в университет для тестирования и обучения по договоренности с производителями, а Mapinfo Professional получено победителем конкурса студенческих работ «ГИС-проектў2001», ежегодно проводимого ГИС-Ассоциацией. Снимки со спутников Terra распространяются бесплатно, собственный архив российских снимков сформирован на базе сотрудничества и взаимопомощи с региональным информационно-аналитическим центром, принимавшим их в течение 1997–1998 гг., и ИТЦ «СканЭкс».
Для университета самым сложным в финансовом отношении моментом долгое время оставалось приобретение спутниковых приемников, пока не открыли для себя возможности и преимущества навигационных GPS. Получив в компании «Навиком» 30% скидку, мы смогли купить два навигационных приемника — E-Trex и GPS-12XL за 350 дол. (с кабелями для подключения к PC). Эти затраты на два порядка меньше стоимости прибора геодезической точности. Именно поэтому, не ввязываясь в давний и бесперспективный спор, какой программный продукт лучше в области обработки данных ДЗЗ и ГИС, сосредоточим внимание на одной из базовых, наиболее современных составляющих ГИС — получении, обработке и применении GPS-данных. Рассмотрим этот вопрос на основе использования навигационных приемников и проиллюстрируем их применение на конкретных примерах.
Главная цель навигационных GPS, как ясно из названия, — навигация, ориентирование при движении по маршруту, возврат в нужную точку, движение по заданной траектории, запоминание пройденного пути для повторного полного или частичного прохождения. Однако, как показал наш опыт, приборы могут с успехом применяться для решения некоторых картографических и геоинформационных задач. Этому способствует:
наличие интерфейса двусторонней связи с PC;
использование программ предварительной обработки геодезических определений с помощью GPS для применения в ГИС (OziExplorer, WayPoint+, GPS TrackMaster и т. д.);
возможность большинства приемников работать по протоколу NMEA 0183, воспринимаемого некоторыми ГИС (MapInfo Professional, ArcView GIS);
поддержка большого числа эллипсоидов, систем координат (в том числе с возможностью задания собственных параметров);
отмена режима селективного доступа, увеличившая гарантированную точность определения координат навигационными GPS до 15 м.
Естественно, навигационные GPS не могут заменить геодезические приборы при топографических и кадастровых работах, но могут быть использованы для решения большинства природно-ресурсных задач: в лесной, водной отраслях и в сельском хозяйстве. Мониторинг и анализ большинства региональных, социальных и природных явлений могут осуществляться с опорой на данные, полученные с помощью навигационных GPS. И если вышеуказанные применения вообще-то формально, юридически необоснованны (приборы не сертифицированы для картографических целей, поэтому могут быть использованы лишь дополнительно или при проведении работ «для себя»), то для образовательного процесса они просто созданы — чрезвычайно просты в освоении и работе, компактны, мало весят, удобны, эстетичны.
Следует отметить, что из-за непродолжительного времени работы с навигационными GPS раскрыты не все их преимущества (равно как и недостатки), однако, уже сейчас можно утверждать, что применение таких приборов в образовательном процессе, как в вузе, так и в школе вполне оправдывает себя.
В ближайших планах коллектива университета — использование навигационных приемников GPS при проведении полевых практик и дипломных работ по социально-географическим проблемам, в частности по поведенческой географии.
5. Геоинформационная система Нижегородского ГТУ на базе
программного продукта AutoCAD Map
Нижегородский государственный технический университет (НГТУ) уделяет серьезное внимание подготовке студентов в области геоинформационных технологий. Силами студентов и преподавателей созданы первые геоинформационные системы и по самому НГТУ. Так в 1999 году завершен пилотный проект информационной системы НГТУ в технологии ГеоГрафGeoDraw (ЦГИ ИГРАН), в котором нашли полное отражение богатая география, структура и история вуза. Для НГТУ, как для технического вуза, интересной сферой приложения геоинформационных технологий являются инженерные приложения. В 2000 году начат новый проект геоинформационной системы НГТУ, который рассчитан на поддержку эксплуатации инженерных коммуникаций территории и сооружений вуза, на решение задач хозяйственного управления вузом на уровне ректората, деканатов, кафедр, а также на решение задач охраны труда на рабочих местах. Проект рассчитан на несколько лет.
Пространственная модель НГТУ для ГИС включает в себя 3 уровня и создается, соответственно, на основе: 1)топопланов М1:2000 и М1:500; 2)проектов инженерных коммуникаций и поэтажных планов корпусов НГТУ; 3)планов инженерно-технического оснащения и обстановки каждого отдельного помещения. При создании ГИС НГТУ наряду с традиционными плоскими моделями используются и трехмерные модели. Несомненно, наличие в системе трехмерных моделей должно расширить ее возможности, но, с другой стороны, оно может сделать систему и необоснованно сложной, и предъявить к инструментальной программной среде неразрешимо высокие требования. Выбран путь экспериментального решения указанной проблемы. Трехмерное моделирование используется прежде всего для инженерных коммуникаций зданий и сооружений НГТУ, а также для инженерных коммуникаций территории, рельефа местности, обстановки помещений. Весьма полезным для инженерно-технических применений оказывается аппарат ГИС, предназначенный решения топологических задач. Широкое применение топологических задач, включая 3D-модели, предусматривается и ГИС НГТУ.
В качестве инструментальной геоинформационной системы для этой работы выбрана система AutoCAD Map (Autodesk). Эта система выбрана благодаря следующим обстоятельствам:
1. модель, созданная в формате AutoCAD, принимается в любых других инструментальных ГИС;
2. AutoCAD Map обеспечивает трехмерное моделирование объектов ГИС;
3. AutoCAD Map обеспечивает связывание элементов 3D-модели с внешней базой данных, а также выгрузку численных значений атрибутов и полей внутренних таблиц модели во внешние базы данных;
4. AutoCAD Map обеспечивает с небольшими ограничениями решение стандартных топологических задач и на 3D-модели;
5. AutoCAD Map позволяет расширить круг решаемых задач и возможности системы за счет использования в составе Land Development Desktop (LDD);
6. существуют и разрабатываются приложения на основе AutoCAD Map для предприятий эксплуатирующих инженерные коммуникации;
7. AutoCAD Map имеет аппарат конвертирования геоинформационных моделей в SDF-формат для использования в Internet/Intranet через Autodesk MapGuide (Server, Author, Viewer).
Благодаря последнему обстоятельству параллельно с основной системой создается ее Intranet-вариант в технологии MapGuide.
Для обеспечения функций охраны труда моделируются условия труда: внутренняя планировка и обстановка помещений, рабочие места персонала (и студентов) и их техническое и инженерное оснащение (освещение, водопровод, канализация, вентиляция, газоснабжение, компьютерные сети и т.д.). Создаются базы данных, содержащие показатели условий труда на рабочих местах.
На сегодняшний день есть работоспособные и функционально полноценные фрагменты системы:
модель рельефа и инженерных коммуникаций основной территории НГТУ;
модели 6 учебных корпусов и внутренних инженерных коммуникаций ряда корпусов;
модели внутренней обстановки помещений и рабочие места для ряда кафедр.
Анализ создания и опытной эксплуатации системы показал: увеличение объема работ по моделированию трехмерных объектов ГИС - значительное; трехмерные объекты ГИС в среде AutoCAD Map жизнеспособны, доступны для решения топологических задач и приносят практическую пользу.
6. Геоинформационное обеспечение учебных и производственных
практик геологического факультета МГУ: обучение через
составление реальных ГИС-проектов
Современные требования к организации Государственных геологосъемочных работ масштаба 1:200 000 предполагают использование компьютерных технологий (включая ГИС-технологии), начиная с самых первых этапов работ. Однако инструктивными документами Министерства Природных Ресурсов не оговаривается полная технологическая цепочка обработки геологических данных и в принципе не требуется составление полноценного ГИС-проекта – достаточно предоставление баз данных в форматах АДК и цифровых моделей комплекта геологических карты в форматах ArcInfo. Такое положение не может устраивать геологов-исполнителей, поскольку огромная рутинная работа не находит выхода на них самих, не позволяет свободно ориентироваться в море фактического материала (в сотнях точек наблюдения, буровых скважин, горных выработок, зарисовок, фотографий, в тысячах фаунистических определений, в десятках тысяч анализов горных пород, в необозримом количестве описаний рудных объектов и других материалов) как из-за громоздкости применяемых стандартных программных средств (АДК и др.), так и из-за отсутствия в этом
ПО удобных средств организации связей между разнородными данными, а также гипертекстовых документов. Т.е. цифровое представление геологических данных пока что является самоцелью, а не методом работы самих геологов. Отсутствие идеологической базы использования компьютерных методов в производстве сильно снижает эффективность обучения студентов, т.к. они видят в ГИС-технологиях почти исключительно оформительскую функцию. Преподавание же предмета только на учебных примерах еще менее эффективно.
Все эти соображения заставили нас еще на этапе проектирования работ по Государственной геологической съемке масштаба 1:200 000 территории Южного Урала разработать рациональную методику информационного обеспечения всех этапов получения, обработки, анализа и использования геологических данных: от позиционирования координат полевых точек наблюдения GPS-приемниками до создания ГИС-проекта в среде ArcView, увязанного с гипертекстовой информации. Фактически, речь идет о создании полноценной среды геологических исследований, объединяющей как пополняемые, онлайновые базы данных, так и инструменты их анализа.. Проводимые на Южном Урале исследования являются базовыми для производственных практик студентов-геологов, поэтому данная работа была задумана одновременно и как программа комплексного обучения студентов, которые (помимо собственно геологических маршрутных и других работ) для начала оцифровывали различные карты геологического содержания, вводили текстовую информацию, заполняли базы данных, затем – компоновали материал в ГИС-проектах, создавали гипертекстовые описания, а в конце – приобретали навыки полноценной работы с готовыми проектами. В целом технологическая цепочка выглядит следующим образом.
По окончании полевого геологического маршрута в распоряжении геолога оказывается следующая информация: записи в полевой книжке, точки определения координат прибором спутниковой привязки, номера проб химических анализов, образцов и шлифов горных пород, полевые зарисовки и фотографии (благодаря использованию электронного фотоаппарата, они готовы к использованию по окончании маршрута).
Геоинформационная система как нельзя более подходит для хранения и объединения такой разнородной информации. Информация из полевых дневников заносится в текстовый файл, которые позже преобразуется в HTML или HLP файл (см. ниже), информация с приборов спутниковой привязки скачивается на компьютер (в текстовом формате, который впоследствии преобразуется в *.dbf файл). Полевые зарисовки сканируются, электронные фотоизображенния переносятся в компьютер, файлам изображения присваиваются номера точек наблюдений. Далее, после загрузки тем точек наблюдения в вид ArcView, в специально разработанном диалоговом окне редактируются данные по каждой конкретной точке – вводится тип карты, тип точки наблюдения, тип геологического объекта, наличие проб на фауну, на силикатный анализ и т.д.). Во избежание ошибок все значения выбираются из выпадающих списков. По окончании заполнения таблицы атрибутивной информации система тестируется на взаимодействие программ для просмотра всех компонентов. Широкие аналитические и информационные возможности предлагаемых ГИС-проектов связаны прежде всего с развитой атрибутивной базой тем полевых наблюдений. В полном виде таблица атрибутов точек наблюдений содержит 25 полей, которые заполняются либо автоматически, с помощью специально разработанных скриптов, либо с помощью внутренних средств GIS ArcView, либо в интерактивном режиме с помощью разработанных av диалогов, и лишь в редких случаях полностью вручную.
Географические и геологические привязки объектов наблюдений записываются в таблицу атрибутов автоматически, с помощью скриптов определения пространственной принадлежности, входящих в стандартные пакеты ArcView. По такой технологии были построены полигональные покрытия топографических листов масштаба 1:50 000 (поле Sheet), речных бассейнов (Valley), картируемых геологических единиц (Background), площадных четвертичных образований (Q-areal), магматических массивов (Massif). По мере развития проекта количество полей привязок и соответствующих мишеней будет увеличиваться, а аналитические возможности ГИС – расширяться. Прежде всего будут введены тектонические и структурно-геологические атрибуты, а затем минерагенические, экологические, геофизические и пр.
В информационном обеспечении текущих геолого-съемочных работ огромное значение имеют внешние базы данных, включающие собственные и литературные описания объектов наблюдения, обобщенные характеристики геологических и других картируемых тел, сведенные в отчеты, статьи, монографии, а также геологическую графику разного содержания, фотографии обнажений и ландшафтов, видео и аудио-информацию. Удобное использование этих информационных массивов предполагает объединение их в гипертексты. Поскольку стандартные hot links в ArcView гипертекстовых ссылок не поддерживают, были разработаны два метода привязки внешней информации.
Простой способ заключается в использование html формата для записи текстовых сообщений и обычной процедуры html ссылок (с помощью закладок) на требуемые фрагменты текста. В качестве закладки используется номер точки. Удобство этого способа заключается в простоте подготовки исходных массивов текстовых сообщений, которые реально могут храниться в виде единого, легко дополняемого html файла. Трудность метода в том, что по мере разрастания внешнего текста, системные требования к компьютеру резко увеличиваются.
Другой способ заключается в подготовке внешней базы данных в виде гипертекстовой системы стандартных файлов подсказки Windows. Этот метод значительно более трудоемок, но имеет несколько выразительных преимуществ. Это минимальные требования к компьютерам, возможность представления материалов разного содержания и из разных источников в различно оформленных окнах, возможность использования гипертекста в качестве самостоятельного, хорошо структурированного информационного ресурса, легкость подключения текстовой, видео и аудиоинформации в любых удобных форматах. Сложность метода прежде всего в том, что добавление новой информации в гипертекстовую систему требует перекомпилирования всего исходного материала. Выход в гипертекст также осуществляется через пользовательские скрипты «горячей связи» с экранных точечных, линейных и полигональных тем.
7. Обучение ГИС-технологиям на геологическом факультете МГУ.
Кафедре региональной геологии и истории Земли готовит специалистов-геологов по специальности "Геологическая съемка и поиск месторождений полезных ископаемых". По требованиям Министерства природных ресурсов все отчеты по геологической съемке должны представляться в виде ГИС-системы. Поэтому на кафедре, готовящей специалистов по геологической съемке и картированию были разработаны учебные курсы для подготовки специалистов в области применения ГИС в геологии.
Цикл учебных курсов продолжается 4 семестра, с четвертого по седьмой (2-4 курс).
Курс предусматривает, что к его началу студенты уже умеют уверенно обращаться с компьютером и владеют программами электронных таблиц, векторными и растровыми редакторами.
Для лучшего усвоения технологии создания ГИС-проектов в основу курса положен принцип самостоятельного составления студентом ГИС на по полному циклу - от бумажной геологической карты до полностью сделанной ГИС и ее распечатки. Опыт проведения курса показал, что наилучшее усвоение материала происходит при работе студента на индивидуальном компьютере со своим индивидуальным ГИС-проектом.
Первый семестр обучения ГИС-технологиям ㅵ㜰㼷畜〱㈸尿ㅵ㜰㼷畜〱〹
Оценка состояния объектов ОПС приводит к необходимости использования обобщающих показателей. В программной системе реализованы алгоритмы получения качественных оценок по результатам контрольных измерений, учитывающие существующие стандартные методики сложных оценок в воздухе и воде.
Комплексная оценка состояния объектов ОПС получается в результате объединения данных разного типа (результатов контрольных измерений в различных средах, результатов моделирования, обследования и экспертных оценок) с учетом важности (степени участия) каждой используемой характеристики. Степень участия определяет вес используемой характеристики при формировании сложной оценки качества объекта ОПС и назначается экспертом-специалистом. Если все характеристики равноправны коэффициенты степени участия равны 1.
На базе ГИС создана информационная среда получения комплексной оценки. Информационная среда получения комплексной оценки обеспечивает объединение и использование распределенной информации, а ГИС технология ее обработку в соответствии с географической или административной привязкой.
Каждый слой ГИС представляет собой совокупность данных, моделей или оценок. Оцифровка осуществлена послойно, т.е. каждая группа однотипных элементов (реки, озера, предприятия, фоновые концентрации) заносятся в отдельный слой. База данных цифровой карты включает два типа картографической информации: пространственную и описательную. Описательная часть БД хранится в формате DBF, что позволяет независимо заполнять ее в других программных оболочках, например FoxPro. Это особенно актуально для результатов контрольных измерений, имеющих большой объем. Пространственная информация хранится в векторном формате и используется для представления топоосновы и создания тематических слоев. Растровые карты используются как подложки для тематических карт.
Обучение специалистов
Разработанная программная система служит основой при проведении практических занятий по курсу «Информационные системы в экологии». Студенты знакомятся с вопросами
ввода, накопления, хранения и обработки цифровой картографической и экологической информации;
построения тематических карт на основании полученных данных и отражающих текущее состояние экосистемы;
исследования динамики изменения экологической обстановки в пространстве и времени, построения графиков, таблиц, диаграмм;
моделирования развития экологической ситуации в различных средах и исследования зависимости состояния экосистемы от метеоусловий, характеристик источников загрязнений, значений фоновых концентраций;
получения комплексных оценок состояния объектов ОПС на основе разнородных данных.
10. Комаров К.Ю. Содержание обучения в области
геоинформационных систем и транспортная логистика в Уральском ГУ
Согласно данным статистики основные проблемы, а следовательно, и основные затраты компаний и государственных структур, ориентированных на продажу сырьевых ресурсов, приходятся не на добычу или продажу этих ресурсов, а на доставку товара в пункты переработки или покупателю. Проблема эта ресурсоемкая и в высшей степени актуальная. Об этом свидетельствуют в частности показатели величины материального вознаграждения ответственных за транспортную логистику топ-менеджеров, которыми в последнее время обзавелись все «уважающие себя» компании. Однако, один заместитель директора по логистике вряд ли способен оптимизировать перевозки даже небольшой компании. Ему необходимы квалифицированные подчиненные, а подготовка таких специалистов пока, к сожалению, не организована должным образом даже в экономически развитых государствах. Нет смысла говорить о масштабах этой проблемы в нашей стране, где экономика регионов и государственный бюджет в целом в первую очередь зависят от экспорта сырьевых ресурсов.
Трудно предположить, что в этой новой и весьма сложной сфере быстро будет организована подготовка достаточного количества высоко квалифицированных специалистов. Однако, шаги к решению упомянутой проблемы предпринимать несомненно нужно.
Исходные условия известны, и они не утешительны: негибкость профессионального образования, слабая связь с производством и реальными экономическими условиями, и наконец - дефицит финансирования всей образовательной сферы. В этой ситуации, по нашему мнению, необходимо использовать имеющиеся образовательные возможности, а также решения в области геоинформационных систем, автоматизации проектирования и как ни неожиданно – сетевых информационных технологий.
Мы предлагаем в своем докладе рассмотреть некоторые аспекты затронутой проблемы на примере исследования транспортной системы г. Екатеринбурга.
В 2001 –2002 г. город становится лидером в серии конкурсов и определяется в качестве узлового центра проектируемой транспортной магистрали, призванной соединить кратчайшим путем Европу от Шотландии и Тихоокеанский регион через Японию. Основную нагрузку несомненно берет на себя железная дорога, но статус узлового центра предполагает также наличие грузоперевозок воздушным транспортом (уже функционирует международный аэропорт) и морем (через Пермь). Стыковку этих транспортных потоков должен обеспечить автомобильный транспорт. Однако, достаточно провести за рулем автомобиля на дорогах (вернее в пробках) города несколько часов, чтобы начать сомневаться в реальности проекта. Не подлежит никакому сомнению необходимость реорганизации системы движения по автомобильным дорогам. Кое-что в этом направлении городскими властями делается и уже сделано. Однако в данной ситуации метод фрагментарного латания наиболее узких мест не может привести к требуемому результату – необходим технологически обоснованный и сбалансированный комплекс мер, который позволил бы создать современную транспортную систему, реально отвечающую весьма строгим требованиям к этому понятию.
Основная проблема на этом пути – отсутствие специалистов, способных такой комплекс спроектировать и реализовать. Решение проблемы в теории также очевидно – незамедлительная организация подготовки специалистов, выражающаяся в увеличении количества мест на соответствующих специальностях в стенах существующих профессиональных учебных заведений, открытие новых. На практике нам видятся два положения:
1) существенные сдвиги в этом направлении в ближайшее время маловероятны по ряду объективных причин, в первую очередь из-за объемов финансирования;
2) Предпринять некоторые действия в существующих условиях, которые позволят пройти первые шаги к построению транспортной системы вполне возможно.
В докладе автора раскрывается второе положение. Среди основных возможностей, которые следовало бы использовать - опыт преподавания курса «Геоинформационные системы» в некоторых вузах города. Предлагается сместить акцент с преобразования матричного представления карт и съемок местности к векторному виду в сторону связи ГИС-документации с базами данных. При этом формат представления информации (в частности и по транспортным потокам) должен соответствовать одному из стандартных видов представления, что позволило бы автоматизировать проектирование в частности при помощи CASE средств. Кроме этого некоторые интересные решения вполне могут быть заимствованы из теории и практики компьютерных сетей, где также приходится решать задачи оптимизации трафика и маршрутизации информационных потоков.
Учитывая, что «Информационный менеджмент», «Проектирование информационных систем», «Компьютерные коммуникации и сети» уже сравнительно широко и довольно успешно преподаются параллельно «Геоинформационным технологиям», можно надеяться на успех в решении поставленных задач в случае большей интеграции перечисленных дисциплин высшего профессионального образования даже в рамках существующих специализаций.
11. Геоинформационное образование в Уральской горно-геологической
академии
Внедрение геоинформационных технологий в недропользовании обусловило потребность в специалистах конкретной прикладной области, владеющих этими технологиями. Подготовку таких специалистов – геологов и геофизиков кафедра геоинформатики Уральской государственной горно-геологической академии ведет с 1995 года.
Изучение геоинформационных технологий в учебном процессе ведется по нескольким направлениям, в зависимости от задач, которые могут быть решены с их использованием.
Курс «Геоинформационные системы» является обязательным для студентов-геофизиков всех выпускающих кафедр и студентов инженерно-экономического факультета специальности «автоматизированные системы управления».
Целью преподавания данной дисциплины является знакомство с теоретическими, методическими и технологическими основами современных геоинформационных систем, изучение структур геоинформационных пакетов на территории поисков, разведки и эксплуатации месторождений нефтегазового и рудного сырья и освоение базовых приемов и методов разработки электронных картографических пакетов.
Курс «Компьютерная картография» изучают студенты специальности «геологическая съемка и поиски месторождений полезных ископаемых». В процессе изучения этой дисциплины студенты осваивают методику и технологию создания и использования геоинформационного пакета при геологической съемке. В курсе учтены все современные требования по созданию электронных геологических карт. Следует отметить, что отработка и внедрение методики создания электронных карт при геологической съемке и картировании в производственных подразделениях Уральского региона велась при активном участии сотрудников кафедры.
Кафедра геоинформатики является выпускающей и ведет подготовку геофизиков со специализацией «геоинформатика в разведочной геофизике» и дипломированных специалистов по специальности «информационные системы в горном деле».
Основными задачами подготовки специалистов трех уровней – бакалавров, инженеров и магистров являются:
а) изучение и освоение системы регистрации геолого-геофизической информации на основе применения методов и технологий геоинформатики;
б) изучение и освоение интегрированных методов интерпретации геолого-геофизических данных по направлениям:
- разработка, анализ и использование геоинформационных пакетов на территории недр с целью поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых (основные ресурсы – нефть и газ, техногенные месторождения и рудные объекты);
-разработка гипотез и прогноз геолого-геофизических моделей минеральных и углеводородных ресурсов;
-оценка инвестиционных проектов освоения ресурсов;
-общая система недропользования.
В результате обучения студент получает знания и опыт работ в геоинформационных технологиях, которые позволяют ему:
- выбрать методы и средства ввода геолого-геофизических данных в цифровых и графических форматах;
- определить картографическое пространство и структуру создаваемого геоинформационного пакета;
- выбрать оптимальные технологии создания цифровых карт на территорию изучения, поисков и разведки недр;
- использовать геоинформационный пакет в целях решения ряда основных задач по стандартным методам геокартирования территорий;
- применять геоинформационные методы в целях построения структурных, параметрических и тематических карт на участки разведки и освоения нефтегазовых месторождений.
Все геоинформационные курсы изучаются на практической основе современных компьютерных систем и информационных баз данных по территориям геологического картирования, участкам нефтяных, газовых и рудных месторождений, имеющихся в учебном компьютерном центре кафедры геоинформатики.
Лабораторная база кафедры включает в себя геоинформационный центр, два учебных класса и несколько специализированных лабораторий, оснащенных самым современным оборудованием. Хорошее техническое оснащение позволяет использовать современное программное обеспечение. В рамках учебной программы студенты осваивают современные геоинформационные системы: GeoDraw, WinGIS , EASY TRACE, ГИС ПАРК, ArcView, ArcInfo, GeoMedia Professional, ERDAS IMAGINE, ARCGIS. Большая часть этого современного программного обеспечения получена академией в рамках программы поддержки вузов.
Основной задачей каждого дипломного проекта является разработка геоинформационного пакета по одной из выбранных территорий:
-на площадь геолого-съемочных или поисковых работ для участка разведочных работ;
-на площадь разработки месторождения полезных ископаемых;
-на лицензионный участок.
Работа над дипломной работой начинается, как правило, с 5-6 семестра. Практически все дипломные проекты являются частью производственных или научных геоинформационных пакетов (ГИП). Вот несколько ГИП, являющихся дипломными работами:
- «Техногенные месторождения Свердловской области»;
- «Месторождения строительных материалов Свердловской области»;
- «Геоинформационное обеспечение ГДП-200 по листу NN»;
- «Перспективные участки подземных вод Свердловской области»;
- «Экологический мониторинг АЭС»;
- «Сейсмическое районирование Урала».
Кроме базового образования на кафедре можно получить второе высшее образование по специальности «Информационные системы в горном деле». Такая форма обучения очень продуктивна и удобна для специалистов-прикладников.
На кафедре существуют курсы повышения квалификации по основам геоинформатики. Курсы существуют с 1998 года, за это время обучение на них прошли около 150 специалистов Уральского и прилегающих регионов. Сотрудничество с производственными организациями в форме курсов повышения квалификации полезно не только производственникам, это позволяет преподавателям быть постоянно в курсе самых современных задач и проблем.
12. Геоинформационные системы в учебном процессе
телекоммуникационных специальностей.
Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, отслеживая потребности рынка труда, расширяет подготовку специалистов по специальностям, пользующимся спросом, таким, как «многоканальные телекоммуникационные системы» и «средства связи с подвижными объектами». Государственный стандарт на эти специальность наиболее полно удовлетворяет потребностям в специалистах фирм, организующих современную телефонную, сотовую и пейджинговую связь. Эти фирмы, создавая современные телекоммуникационные системы городов и регионов на базе импортных цифровых систем связи, должны самостоятельно решать задачи размещения телефонных станций и сетей, радиосредств и расчета зон их действия для конкретного региона. До сих пор при проектировании связисты используют бумажные карты, при этом из-за большой трудоемкости проектирование идет медленно, его сроки не удовлетворяют потребностям быстро развивающихся в условиях конкуренции коммерческих фирм. Очевидный выход из создавшегося положения ѕ в использовании электронных карт и геоинформационных технологий, однако, до сих пор при подготовке связистов эти вопросы не изучались.
В связи с этим в КГТУ им. А.Н. Туполева в рамках дисциплин, устанавливаемых решением Совета вуза, начато внедрение в учебный процесс новых дисциплин, в которых используются ГИС-технологии. В учебном процессе даются понятия пространственных баз данных, на лекционных и лабораторных занятиях изучаются пакеты MapInfo и отечественная ГИС «Карта 2000». Однако, при организации учебного процесса у вуза возникают новые проблемы: отсутствуют методики работы с электронными картами для специалистов, связанных с вопросами связи, нет учебных вариантов специальных программ, высокая стоимость программного обеспечения. Учитывая то, что современные технологии требуют пространственной привязки для анализа систем связи, особенно с подвижными объектами, требуется трехмерная карта местности. Мы уже не говорим о том, что электронных карт в соответствующих форматах нет для многих территорий или они недоступны из-за отсутствия финансовых средств и режимных ограничений. Поэтому необходимо создание учебных карт для тиражирования учебным заведениям, где поставлены соответствующие дисциплины.
Для решения перечисленных проблем, в КГТУ им. А.Н. Туполева создана научно-учебная лаборатория планирования и оптимизации использования частотно-территориальных ресурсов с использованием ГИС-технологий. Разработан программный комплекс по расчету зон действия средств связи. Программный комплекс реализует общепринятую методику Рекомендации 370 МККР и разработан средствами ГИС «Карта-2000» на языке Delphi 5.0. В этой лаборатории проводятся лабораторно-практические занятия со студентами. В ближайших планах вуза ѕ подготовка и переподготовка специалистов, направляемых не обучение операторами связи.
13. Учебно-методическое обеспечение ГИС-образования
За 10 лет, прошедшие со времени введения в учебные программы университетов России курса «Геоинформатика», в области ГИС-образования произошли коренные перемены. Открыты кафедры геоинформатики, ГИС, геоинформационного картографирования и т. п., разрабатываются отечественные учебники и учебные пособия, учебные ГИС, появились специалисты, получившие высшее образование в области создания и использования ГИС. Однако хороших учебников по геоинформатике для специализированной подготовки кадров для разных направлений деятельности по-прежнему не хватает. Не уделяется должного внимания методикам практического освоения ГИС-технологий; среди них все еще преобладают инструкции по работе с выбранным ГИС-пакетом. По-прежнему остается проблемным техническое и программное обеспечение в силу их дороговизны. И это, не смотря на то, что крупные фирмы-производители программных ГИС-продуктов, такие как ESRI, Inc., ERDAS, Inc.,, Intergraph Corp, Mapinfo Corp. (все ѕ США), проводят в России политику поддержки образовательных организаций.
Развитие учебно-методического обеспечения должно стать приоритетным направлением деятельности в области ГИС-образования. Как первоочередные следует выделить следующие задачи:
- разработка структуры научно- и учебно-методического обеспечения подготовки специалистов с высшим образованием для разных областей науки, производства, управления, образования и т. д.;
- повышение квалификации преподавателей вузов;
- постановка геоинформационного Интернет-образования;
- создание специализированных Web-сайтов;
- проведение тематических Интернет-школ по обмену опытом в постановке ГИС-образования.
Решение этих задач направлено на совершенствование концепции ГИС-образования для подготовки кадров, владеющих современными методами получения и обработки пространственно определенной информации, моделирования и анализа геоизображений, геоинформационных методов прикладных исследований.
Разработка структуры учебно-методического обеспечения должна базироваться на интеграции достижений ведущих отечественных и зарубежных вузов. В то же время она должна достаточно свободно адаптироваться учебными организациями разного уровня. Учебно-методическое обеспечение должно предполагать сочетание традиционных и компьютерных технологий прикладных исследований с тем, чтобы будущие специалисты не следовали слепо подсказкам авторов программных продуктов. Разработки должны быть ориентированы на постоянно обновляющиеся технологии сбора, обработки и анализа геопространственной информации, а также на прогресс в развитии Интернет-технологий и компьютерных систем, способствующих быстрому доступу к информации.
Наряду с подготовкой специалистов, необходимо осуществлять переподготовку и подготовку новых преподавателей в области ГИС-образования. Повышение квалификации может осуществляться через Интернет-школы, с размещением на специализированном сайте необходимых учебных материалов и методик их использования для вузов разного профиля, презентаций вариантов учебных заданий. К проведению Интернет-школ могут приглашаться ведущие специалисты как в области ГИС-образования, так и практического создания и использования ГИС. Это ускорит реализацию принципов и методов дистанционного обучения.
Разработка специализированного Web-сайта становится все более актуальной. Размещение на нем различных учебных материалов, включая учебные базы данных и образовательные документы, будет способствовать адаптации вузов разной категории, поднимет ГИС-образование на новый качественный научный и технический уровень. Доступность разработок с помощью Интернет позволит существенно расширить число подготовленных преподавателей, по сравнению с традиционным способом повышения квалификации с отрывом от основной работы, а также определить направление научной, учебной и технологической ориентации ГИС-образования в вузе.
Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова на базе Центра геоинформационных технологий кафедры картографии и геоинформатики в течение нескольких лет работает по программе REAP ѕ Региональное сотрудничество университетов, руководимой Британским советом. Целью работ является разработка учебных программ и учебно-методического обеспечения для подготовки специалистов в области применения ГИС-технологий и методов дистанционного зондирования для исследований в области управления и охраны окружающей среды, геоэкологии, рационального природопользования. По этой программе на факультете проходят обучение магистры-географы разных специализаций, планируется ввести спецкурс для студентов 4–5 курсов, предлагается курс дополнительного образования для всех желающих повысить свою квалификацию. Материалами, разработанными в рамках этой программы, могут воспользоваться и другие участники программы REAP. Межуниверситетский аэрокосмический центр при факультете регулярно проводит Интернет-семинары для преподавателей по методам аэрокосмических исследований. Накопленный опыт и выполненные разработки могут послужить решению общей задачи создания учебно-методического обеспечения ГИС-образования.
14. Заключение
Несмотря на полное отсутствие координирующей роли Министерства образования РФ, образовательное направление в области ГИС-технологий развивается, но по-прежнему, в основном, благодаря деятельности преподавателей-энтузиастов. Однако уже можно упомянуть и другие весьма примечательные обстоятельства.
Например, усилия в сфере образования некоторых коммерческих фирм, среди которых следует отметить «Дату+» и НПК «Кредо-Диалог». Такая деятельность является частью стратегии развития компаний и, несомненно, будет способствовать как повышению общего уровня образования, так и более широкому использованию в России предлагаемых ими программных продуктов.
Второй отрадный момент - деятельность передовых вузов по организации системы ГИС-образования.
И, наконец, последним примечательным обстоятельством является все более широкое проникновение ГИС в школьное и среднее специальное образование. Несомненно, лидерами этого направления являются учебные заведения системы бывшего Минтопэнерго РФ, для которых ведомственный учебно-методический комитет по разработанным типовым программам регулярно проводит семинары.
Если пять лет назад можно было с достаточной степенью условности назвать не более 20 вузов, где в различных курсах рассматривались или применялись элементы ГИС-технологий, то в начале 2000 г. на объявленный “Датой+” конкурс по оснащению лицензионными программными продуктами ESRI, Inc. специализированных учебных классов было подано более 60 заявок. Думаю, что это является ярким свидетельством активизации процесса ГИС-образования, хорошим подспорьем которому, очевидно, станет серия публикаций о деятельности вузов, имеющих значительный опыт преподавания, серьезный багаж методических материалов и навыки практической разработки ГИС-проектов.
Литература
Абросимов А.В. Опыт Курганского ГУ по обучению современным геоинформационным технологиям.
Материалы пятой конференции ГИС-Ассоциации “Геоинформатика и образование" (Москва, 5-8 июня 2001 г.).
Гайгул А.В. Обучение геоинформатике в колледже.
Лурье И.К. Учебно-методическое обеспечение ГИС-образования.