Новые информационные технологии в учебном процессе

В государственные образовательные стандарты и учебные планы по специальностям 020501.65 «Картография», 020401.65 «География», 020804.65 «Геоэкология» с недавнего времени включены новые информационные дисциплины: «Геоинформатика», «Новые информационные технологии», «Новые информационные технологии в учебном процессе», «Геоинформационные системы». Введение в образовательный процесс геоинформационных систем (ГИС) и ГИС-технологий имеет ряд особенностей, одна из которых состоит в том, что они, будучи элементами информатизации общества, представляют собой интегрированные информационные системы, предназначенные для решения различных задач на основе использования пространственно-координированных данных об объектах, процессах и явлениях природы и общества. Значительное влияние на подготовку современного специалиста оказывает внедрение ГИС в науку и производство [1]. Интегрирующий аспект ГИС заключается в исследовании и совместном использовании пространственных отношений между объектами в конкретной области приложений. К числу перспективных направлений применения новых информационных технологий (НИТ) относится формирование интегрированного информационного пространства поддержки междисциплинарных исследований, базирующихся на пространственных данных, а также геоинформационное картографирование на основе новейших методов и технологий. Все это находит отражение в практике учебной и научной работы выпускников географического факультета. При моделировании возможностей решения поставленных задач студенты применяют принципы географической картографии, выбирают необходимые методы и приемы картографирования, используют ГИС, внедряют НИТ в научные исследования [4].

В качестве примера рассмотрим некоторые возможности использования НИТ при создании цифровых ландшафтных карт (ЦЛК) в учебном процессе. Применение геоинформационных технологий в ландшафтных исследованиях становится актуальным по целому ряду причин. Значительные объемы картографических и тематических данных, характеризующих ландшафты и их компоненты с точки зрения географического положения, имеют четко выраженную пространственную привязку. Этим определяется необходимость активного применения современных автоматизированных средств и функций ввода, редактирования, систематизации, согласования, хранения и инвентаризации информации; поиска и управления, оперативного и удобного доступа к ней на основе местоположения; оценки, обработки, анализа, преобразования, моделирования и отображения (включая создание на этой базе разнообразной картографической и графической продукции) [3]; распространения исходных и новых, полученных на их основе данных о тер

риториальном аспекте пространственновременных явлений, т. е. использования технологии ГИС и соответствующего программного обеспечения. ГИС обеспечивают не просто и не только сбор, обработку и хранение информации или выполнение сложных запросов для ее обработки, анализа и получения новых данных. Их главное преимущество — уникальные возможности осуществления мониторинга, моделирования и интерпретации географической действительности, разнообразных явлений, процессов и ситуаций, определения их пространственно-временных связей и взаимодействий. Одно из первостепенных предназначений ГИС-технологий — служить средством обеспечения планирования, принятия решений управленческого характера и прогнозирования возможных последствий предпринимаемых действий.

Многие функции традиционных ландшафтных карт (сбора, оперативного анализа, оценки, систематизации, хранения информации о геосистемах и др.) соответствуют рассмотренным функциям ГИС. Важной особенностью, обусловливающей возможность применения и дальнейшего развития геоинформацион-ных технологий ландшафтоведами, следует признать сочетание традиционных приемов работы с базами данных и преимуществ полноценной визуализации и пространственного анализа с помощью карт [3]. Необходимость применения ГИС-технологий определяется также тем, что ландшафтное картографирование, систематика ландшафтов и физикогеографическое районирование относятся к традиционным видам географического моделирования, без которых невозможно ни одно региональное ландшафтное исследование. С этим самым непосредственным и тесным образом связано пространственное ГИС-моделирование — создание упрощенных представлений географической действительности в виде набора тем (слоев карты) и анализа пространственных взаимосвязей между ними (характеристик различных слоев для каждого конкретного местоположения). Подавляющая часть разработок прикладного характера и экологи ческой направленности, базирующихся на учете региональных особенностей, нуждается в комплексном физико-географическом обосновании. Анализ природных и антропогенных комплексов и региональных ландшафтных структур является главным источником требующихся для этого исходных материалов [5]. Фундаментальное свойство геоин-формационного картографирования и ландшафтоведения — системность — также служит причиной применения ГИС-технологий. Кроме того, геоинфор-мационное картографирование позволяет осуществлять оперативную обработку и анализ значительных объемов информации и в полной мере использовать предоставляемые возможности создания полноцветных визуальных картографических изображений.

С учетом актуальности и практической значимости задачи разработки региональных и специализированных геоин-формационных систем особую важность приобретает подготовка цифровых тематических карт. В качестве исходного материала для создания с помощью ГИС-технологий подобных карт в учебном процессе студентов-картографов по дисциплине «Новые информационные технологии» используется авторский вариант ландшафтной карты Акмолинской области Республики Казахстан. Он представлен на бумажном носителе в масштабе 1:5 00 000 следующей тематической информацией: административная граница, гидрографическая сеть, границы и номера видов ландшафтов, характерные урочища и фации [2].

Преобразование объектов традиционной карты в цифровой формат осуществляется с применением современной сканерной технологии, включающей, как минимум, два этапа: сканирование исходных материалов с коррекцией полученного растрового изображения и его векторизацию (собственно оцифровку) с получением векторных слоев тематической информации. Сшивка отсканированных фрагментов карты производится на основе растровых операций, позволяющих совмещать растры с использованием линейного преобразования (поворот + масштабирование). Весь технологический цикл во избежание его излишнего усложнения выполняется с использованием векторизатора Easy Trace и базовой геоинформационной оболочки ArcView GIS.

Создание цифровой ландшафтной карты и ее последующие представление и использование в среде ГИС предварительно нуждаются в преобразовании к заданной системе координат и картографической проекции. В качестве таковых принимаются условная система метрических плоских прямоугольных (декартовых) координат и проекция Гаусса — Крюгера. Представленная на карте территория, имея значительную протяженность по долготе (465,16 км), целиком не умещается в одну шестиградусную зону, внутри которой координаты в проекции Гаусса — Крюгера изменяются непрерывно. В связи с этим в качестве единой используется система координат 12-й зоны, распространенная на всю картографируемую территорию. Трансформирование в принятую систему координат выполняется на основе сравнения полученных данных с использованием заложенных в векторизаторе аффинного и квадратичного методов. Наилучшие результаты дает коррекция нелинейных искажений функцией «Привязка растра по произвольному набору точек» вторым методом с использованием опорных точек на разных линиях периферии растра. Заключительным этапом трансформации является оценка качества выполненного преобразования с использованием дополнительных (контрольных) точек. Возможности использования разных моделей преобразования координат находят программную реализацию и в специализированных модулях-расширениях и скриптах на языке программирования Avenue ГИС ArcView (например, «Register and Transform Tool», «Projector!», «Shapewarp», «ArcView Projection Utility», «CS_3.0. Коллекция скриптов», «Kow2», «ГИС-КАРТОГРАФ 1», «РАСТР Профи», «Трансформирование» и т. п.), основанных на известных алгоритмах преобразования координат опорных точек из одной системы в другую [6].

Трансформированный и привязанный растр для корректной работы трассировщика инвертируется. Базовая цифровая географическая основа и тематическое содержание ЦЛК создаются с учетом инструкций и требований ГлавНИВЦ МПР России для построения цифровых моделей карт геологического содержания [7]. Основой требований к именам и параметрам полей в атрибутивных таблицах тем (слоев) служит соответствующий классификатор, с изменениями и дополнениями, учитывающими ландшафтную специфику. Для подготовки позиционной части ГИС и формирования цифрового тематического содержания создаются векторные слои и выполняется оцифровка исходной карты на основе технологии сканерной полуавтоматической интерактивной векторизации с автоматической фиксацией координат и параметров объектов во внутреннем формате Easy Trace. Параллельно осуществляется контроль топологической корректности.

В результате были получены 1 растровый и 5 векторных полилинейных слоев (названия и характеристики вариативны), представленные в таблице.

После завершения оцифровки с помощью утилиты «Проверка топологии» производятся топологическая коррекция и согласование слоев дуго-узловой структуры модели векторного материала, позволяющие оценить корректность их построения. Предварительно, исходя из специфики объектов слоев, требований конечной ГИС и формы представления выходного материала, создаются и отрабатываются стратегии верификации топологии (например, «Граница», «Озера», «Реки», «Ландшафты»). Выявленные погрешности исправляются в режиме интерактивного редактирования при отработке протокола ошибок. В случае необходимости данные дорабатываются и корректируются, а для всех векторных объектов проводится идентификация (ат-рибутизация данных).

На следующем этапе полученные слои экспортируются в растр с файлом привязки и каталоги обменного формата DXF AutoCAD. После импорта катало- гов в ГИС и их конвертации в файлы формата SHP строится топология соответствующего вида и вновь осуществляется ее верификация. Проверка топологии в этом случае может быть выполнена на базе модулей-расширений и скриптов («CLU Quality Control extension», «CS_3.0. Коллекция скриптов», «Screen Digitize», «Обработка точек, линий и полигонов» и др.). Для решения ряда сопутствующих задач дополнительно производится конвертация исходных тем с использованием модулей-расширений и скриптов («Vector Conversions Extension»,

«Vector Transformations 1.0», «CS_3.0. Коллекция скриптов», «Обработка точек, линий и полигонов», «Обработка тематических данных», «Utilities For Geological Maps», «Geoprocessing» и др.). Атрибутивные данные ландшафтной тематики включаются в базы данных ГИС посредством присоединения dbf-файлов. Затем для решения практических задач с помощью калькулятора пуля в атрибутивных таблицах всех тем создаются новые поля для расчета значений длин, периметров, площадей и ряда статистических показателей и коэффициентов.

Некоторые сведения о растровом и векторных слоях

На завершающем этапе — представления полученной ЦЛК в среде ГИС — производится выбор способов изображения и оформления карт. При этом используются возможности создания полноцветных визуальных картографических изображений заданными цветовыми схемами и условными знаками с применением различных методов классификации и отображения символов легендами различных типов, а также построения компоновок для вывода карт на печать. Процесс компоновки включает создание различных дополнительных графических элементов (рамок, координатной сетки, зарамочного оформления, подписей и т. п.). Поскольку базовые средства

ArcView в этом плане достаточно ограничены, можно вновь прибегнуть к модулям-расширениям и скриптам («Map Tools Sample Extension», «CS_3.0. Коллекция скриптов», «Ram Gaus», «Table Master 3», «Построение сетки», «Color Edit Tool», «Compiled Layout Tools» и др.).

Большое разнообразие природных условий области со значительной территорией (94 832,56 км2) и протяженностью (311,81 км с севера на юг и 465,16 — с запада на восток) лежит в основе формирования сложной ландшафтной структуры (422 выдела 44 видов ландшафтов [2]). Виды с главным диагностическим признаком — сходством доминирующих урочищ [5] — и их границы изображены на ЦЛК контурами соответствующей полигональной темы. Представление об особенностях геосистем дает система визуального изображения ландшафтной дифференциации (масштабные контурные знаки — границы контуров, фоновое обозначение — качественный фон и штриховки; числовые индексы и внемас-штабные знаки). Более полные, подробные и конкретные сведения, как и дополнительные данные, приводятся в атрибутивной таблице темы. Информационные ресурсы ЦЛК представлены в таблице так, что при грамотном использовании редактора легенды имеется возможность получения необходимой производной карты в самые сжатые сроки. Легенды подобных карт разрабатываются в каждом конкретном случае индивидуально, в соответствии с нагрузкой на исходных картографических материалах.

Таким образом, ЦЛК, отражая базовые качества картографируемых геосистем — пространственную структуру (форму) и информацию о них (содержание), — моделирует реальную картину объективной действительности. Подобные карты, будучи начальным этапом создания специализированных региональных ГИС и обладая существенными информационными ресурсами, служат фундаментом для осуществления комплексного физико-географического и отраслевого районирования и создания других разнообразных карт, позволяют уточнить особенности природной и хозяйственной дифференциации региона в условиях интенсивного антропогенного освоения и преобразования.

Применение новых информационных технологий для создания и использования ЦЛК в учебном процессе дает возможность обобщить имеющийся опыт, обосновать, уточнить и отработать методику, операции и процессы технологического цикла создания цифровых карт, содержание и последовательность работ; дополнительно разрабатывать значительное количество производных карт. Таким образом, студенты в процессе учебных занятий и самостоятельной работы знакомятся не только с возможностями использования ГИС-технологий при решении непосредственных практических задач, но и с базовым потенциалом применения наиболее распространенных ГИС и средствами его увеличения на основе расширений и скриптов.

Грамотно сформулированные и методически правильно поставленные задачи по дисциплине «Новые информационные технологии» способствуют сквозному внедрению инновационных технологий в учебный процесс, развитию познавательного интереса у студентов и их ориентации на производство, создают творческую обстановку на занятиях, а в конечном счете оказывают огромное влияние на профессионализм и компетентность будущего молодого специалиста.

СПИСОК

ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУТРЫ

• 1.    Берлянт, А. М. Картография и геоинформатика в системе наук и учебных дисциплин / А. М. Берлянт // Геодезия и картография. — 2007. — № 1. — С. 38-45.

• 2.    Ландшафты Акмолинской области [Карты] : карта/ С. А. Тесленок. — 1:500 000. — Петропавловск : Поиск, 1994. — 1к.

• 3.    Лурье, И. К. Геоинформационное картографирование. Методы геоинформатики и цифровой обработки космических снимков : учеб. / И. К. Лурье. — М. : КДУ, 2008. — 424 с.

• 4.    Манухов, В. Ф. Проблемно-ориентированный междисциплинарный подход в обучении географов-картографов / В. Ф. Манухов, Н. Г. Ивлиева, В. Н. Пресняков, Е. И. Примаченко // Геодезия и картография. — 2008. — № 11. — С. 61— 64.

• 5.    Николаев, В. А. Ландшафты азиатских степей / В. А. Николаев. — М. : Изд-во Моск. ун-та, 1999. — 288 с.

• 6.    Определение координат геодезических пунктов спутниковыми методами : учеб. пособие / В. Ф. Манухов, О. С. Разумов, А. С. Тюряхин, А. К. Коваленко. — Саранск : [б.и.], 2006. — 164 с.

• 7.    Столпаков, А. В. Временные требования к представлению цифровых моделей топографической основы карт геологического содержания в Государственный банк цифровой геологической информации и информации о недропользовании в России / А. В. Столпаков. — М. : ГУГП «Глав-НИВЦ», 2001. — 55 с.

Поступила 13.04.09.