Применение геоинформационных систем в образовании

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 должен дать студентам полное представление о структуре ГИС для геологии на примере небольшой геологической карты – учебной геологической бланковки (размер А4, несколько десятков геологических объектов, несложный рельеф). Студенты сканируют карту, составляют структуру баз данных для ГИС и векторизуют карту. Для векторизации нами применяются лицензионные программные продукты EasyTrace (EasyTrace Group, Рязань) или MapEdit (Резидент, Москва). Кроме векторизации в этих программах студенты осуществляют координатную привязку карт и привязку атрибутивной информации, заполнение баз данных.

Векторизованные данные передаются в ГИС ArcView. Далее в ArcView студенты редактируют полученное изображение, создают легенду геологической карты, удовлетворяющую существующим требованиям к геологическим картам, а также учатся работе с табличными данными и диаграммами (на примере использования в ГИС данных химических анализов и палеонтологических определений), привязке текстовых файлов (описание стратиграфических разрезов), рисунков (геологические зарисовки ) и фотографий (фотографии геологических объектов). Начальный курс обучения включает ознакомительные занятия по работе с GPS-системами (Garmin-38, Garmin-II+) с полевым выходом и последующей обработкой полученной информации в компьютерном классе. После этого студентам дается представление о включении в ГИС подобной координатно-привязанной информации (добавление темы событий).

В заключении начального курса студенты должны объединить всю собранную информацию в макет геологической карты, удовлетворяющий инструктивным требованиям и распечатать его (работа с компоновкой).

Между первым и вторым семестрами обучения ГИС студенты геологического факультета проходят учебную геологическую практику на Крымском учебном полигоне МГУ, где они самостоятельно создают полноценную геологическую карту на участок 10х15 км.

На основе этой карты и проводится занятия во втором семестре обучения ГИС. На примере реальной и знакомой геологической карты студенты получают представление о работе с крупным объектом, его координатной привязкой и векторизацией. Аналогично первому семестру студенты векторизуют карту и передают ее в ГИС ArcView, создают легенду геологической карты в соответствии с инструктивными требованиями.

По требованиям учебного плана студенты третьего курса (второй и третий семестр ГИС) должны выполнить курсовую работу на основе собственных материалов, собранных во время геологической практики (петрографические, литологические или стратиграфические исследования). Поэтому, в качестве дополнительного материала, присоединяемого к ГИС, используется собственный материал студентов (зарисовки разрезов, фотографии разрезов и шлифов, таблицы химических анализов и палеонтологических определений). Как дополнительный вид к карте обязательно присоединяется геологический разрез.

Все материалы ГИС компонуются в единую карту, отвечающую требованиям инструкции, и распечатываются как демонстрационная графика к защите курсовой работы.

Кроме работы с ГИС ArcView в течении второго и третьего семестров обучения студентам преподаются программы, обязательные к применению при производстве геологосъемочных работ - база данных первичной информации АДК (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург) и эталонная база условных обозначений для геологической карты (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург). Рассматривается создание геологических индексов в ГИС ArcView – модуль расширения GeoIndex (ГлавНИВЦ МПР, Москва) и автоматизация создания легенд геологической карты - модуль расширения "Геологическая легенда" (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург), а также требования по представлению ГИС при сдаче отчета.

Последний семестр обучения ГИС-технологиям ориентирован на самостоятельную работу студентов с материалами, полученными студентами в ходе первой производственной практики в геологических организациях и созданию ГИС-проекта на основе таких материалов. Кроме того студентам показываются некоторые элементв ГИС, не вошедшие в предыдущие семестры обучения модуль 3d-analyst, методика составления и проверки цифровой модкли, необзодимой для сдачи отчета по геологической съемки, модули преобразования координат и рисовки сеток для ArcView. Также особое внимание на заключительном этапе обучения уделяется вопросам выводаготовых карт - подбор цветов, использование компоновок ArcView и программы CorelDraw для окончательной компоновки карт перед выводом.

ГИС-проект и геологическая карта на основе этого проекта является основой для защиты курсовой работы студентами четвертого курса.

Авторы статьи благодарят фирмы ESRI, Дата+, "Easy Trase Group", "Резидент" , ГлавНИВЦ МПР и ВСЕГЕИ за предоставленное на льготных условиях программное обеспечение для обучения студентов.

8. Геоинформационные системы на кафедре картографии СПбГУ

Идеология ГИС-образования строится на том, чтобы с одной стороны обеспечить содержание читаемых курсов теоретическим содержанием и современным практикумом, и с другой стороны использовать компьютерные технологии для организации учебного процесса. Особенно это проявляется на разработке учебно-научных ГИС. Данные системы служат средством планирования и организации топографо-геодезических работ, многих видов географических, биогеографических и геологических съемок, результатами которых могут пользоваться преподаватели трех факультетов СПбГУ. При этом следует заметить, что на 90% эти ГИС создаются руками студентов, которые проходят все циклы ГИС-картоґграґфиґрования – от проектирования до создания тематических БД и карт. Геоинформационные системы являются эффективным средством создания демонстрационно-методического материала и электронных пособий для выполнения лабораторных работ. За прошедшие 8 лет на кафедре картографии накопилась большая библиотека растров и электронных карт, хранящихся в различных форматах. В среде редактора Word подготовлены методические указания по работе с такими системами как Surfer, MapInfo, Geodraw/Географ, Microstation, иллюстрированные примерами выполнения отдельных процедур.

К особой задаче ГИС-образования студентов мы относим обучение управлением данными и, что более важно, использование при тематическом картографировании профессиональных моделей социально-экономических и природных процессов, приемов многомерного анализа и экспертно-оценочного анализа при оптимизации природопользования и мониторинга природной среды.

Основу блока ГИС-дисциплин составляют:

1. введение в ГИС;

2.  базы данных;

3. компьютерная графика;

4.  создание ГИС и

5. использование ГИС.

Во введении в ГИС рассматриваются прообразы ГИС, историческая справка, типовая архитектура ГИС, функции базовых модулей, форматы данных, организация управления данными, базовые методы анализа данных, обзор современных ГИС-оболочек и их сравнительные характеристики, отраслевая специализация современных ГИС.

Содержание предмета “Базы банных” достаточно типовое для студентов геоинформационных специальностей. В него включены следующие разделы. БД и файловые системы. Функции СУБД. Типовая организация СУБД. Системы, основанные на инвертированных списках, иерархические и сетевые СУБД. Общие понятия реляционного подхода к организации БД. Базисные средства манипулирования реляционными данными. Проектирование реляционных БД. System R: общая организация системы, основы языка SQL. Ingres: общая организация системы, основы языка Quel. Cтруктуры внешней памяти, методы организации индексов. Управление транзакциями, сериализация транзакций. Язык SQL. Функции и основные возможности. Стандартный язык баз данных SQL. Язык SQL. Средства манипулирования данными. Использование SQL при прикладном программировании. Архитектура “клиент-сервер”. Распределенные БД. Объектно-ориентированные СУБД. Системы баз данных, основанные на правилах.

Компьютерная графика включает преимущественно практические вопросы работы с картографическим изображением. Графические примитивы и топология элементов изображения. Дигитайзеры и дигитализация. Растр и векторизация по растру. Типовые библиотеки графических примитивов. Способы штрихового оформления и цветовые палитры. Машинные приемы реализации картографических способов изображения. Проекционные преобразования изображения. Слоевое деление картографического изображения. Специализированные графические редакторы. Графические редакторы геоинформационных систем.

Предмет “Создание ГИС” посвящен темам компьютерной реализации картографического моделирования и совмещения его с другими способами модельного представления географической оболочки. В данную дисциплину включены следующие разделы. Постановка задачи создания ГИС и критерии выбора программных средств. Концептуальные модели ГИС. Картографические проекции в ГИС и создание картографических основ. Пространственный анализ и создание на его основе тематических БД. Многомерный статистический анализ материалов многозональной аэрокосмосъемки и решение классификационных задач. Экспертно-оценочный анализ и его информационное обеспечение. Геофизическое и геохимическое моделирование географических объектов в ГИС. Статистическое моделирование социально-экономических явлений в ГИС. Картографические модели в ГИС и создание БД синтетических показателей. Структуризация графических и атрибутивных БД и составление проекта ГИС.

Современный опыт применения рассматриваемых программных комплексов обсуждается в предмете “Использование ГИС”. В это дисциплине рассматриваются конкретные результаты из отечественной и зарубежной практики. Нормирование природопользования, создание проектов норм выбросов (ПДВ), сбросов (ПДС) и размещения твердых отходов (ПДРО) в среде специализированной ГИС Эколог+. Разработка пилот проекта ГИС экологического обоснования инвестиций и проектирования строительства промышленного предприятия в среде MapInfo и GeoDraw/ГеоГраф. Разработка ГИС мониторинга природопользования в среде Панорама и GeoMedia. Разработка кадастровой ГИС для городского муниципального округа в среде AutoCAD, ARC/INFO, ArcView GIS, Microstation.

В отличие от создания электронных атласов, представляющих собой картографическую информационно-справочную систему, разработка классической ГИС предполагает оснащение ее библиотекой методов анализа в виде действующих моделей адаптированных к используемому массиву данных. Как правило, базовый программный продукт, приобретаемый на рынке геоинформационных систем, требует дооснащения его аналитическими модулями. Проблема наращивания базы методов одна из основных, которая решается от части приобретением специализированных программ, а от части созданием собственных программных продуктов. Это одно из направлений, которому на кафедре картографии отдается приоритет. Именно здесь заложены возможности:

а) автоматизации районирования территории, формализуя показатели и систематизируя геосистемы по принципам сходства функциональных свойств;

б) ГИС-сопровождения мониторинговых наблюдений;

в) ГИС-обеспечения управления природопользованием.

9. Среда получения оценок на базе ГИС – технологии как основа

    обучения специалистов в области экологии

Активное использование ГИС-технологий в области экологии делает актуальной задачу подготовки специалистов в этой области. Для выполнения целого ряда задач, стоящих перед экологами, весьма перспективным является использование графического отображения полученной и преобразованной информации. Использование геоинформационных ситем позволяет наиболее адекватно отобразить распределение концентрации загрязняющих веществ или результаты их воздействия на те или иные объекты.
На кафедре Информационно-измерительных систем и технологий СПбГЭТУ разработана программная система комплексной оценки состояния объектов окружающей природной среды и на ее базе создан комплекс практических и лабораторных работ, позволяющий студентам и другим специалистам ознакомится с основными принципами сбора, обработки, представления экологической информации, моделирования и оценки состояния экологических объектов.

Общая характеристика системы

Программная система комплексной оценки является многофункциональной информационной системой, построенной на базе ГИС МарInfo. Назначение системы состоит в хранении, обработке и представлении цифровой картографической, экологической и других видов информации.
На ГИС-основе создана база моделей природных и техногенных объектов, база данных контрольных измерений, справочники вредных веществ, содержащие значения предельно допустимых концентраций. На основании базы контрольных измерений создана система мониторинга состояния окружающей среды, позволяющая оперативно оценивать экологическую ситуацию в заданном районе и представлять ее на карте.
Единая база природных объектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделирования распространения вредных веществ в воздушной и водной средах с целью исследования сложившейся обстановки и выработке рекомендаций по ликвидации последствий ситуации и по рациональному природопользованию. Модели распространения загрязняющих веществ в воде и в воздухе учитывают технологические характеристики предприятий (экологический паспорт), географическое местоположение, метеорологические условия.