Применение геоинформационных систем в образовании

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.