«Геоинформационное картографирование» и «геоинформатика» - учебные дисциплины
Из материалов четвертой конференции ГИС-Ассоциации Геоинформатика и образование" (Москва, 7-8 июня 2000 г.).
И.К. Лурье, МГУ им. М.В. Ломоносова
В статье представлена концепция ГИС-образования, разработанная и реализуемая на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Рассматриваются особенности геоинформационного картографирования и геоинформатики как учебных дисциплин и их отражение в программах соответствующих учебных курсов.
Картография на современном этапе подвергается существенным преобразованиям. Воплощаются в практику теоретико-методологические исследования в области интеграции картографии и геоинформатики, возникла новая отрасль картографии - геоинформационное картографирование (ГК). В то же время новые научные направления - геоинформатика и ГК - сами продолжают интенсивно развиваться, активно взаимодействуя с новыми сферами деятельности и профессиональных знаний: науки, техники, образования, управления, маркетинга и др. Отсюда возросший интерес к ГИС и ГК.
Все это не может не сказаться на фундаментальной подготовке специалистов с высшим картографическим образованием. Проблема ГИС-образования существует и перед специалистами других областей знаний, которые опираются на пространственно определенную информацию и ее картографическое представление, поскольку карты продолжают оставаться наиболее удобной формой выдачи пространственной информации потребителю и наглядного отображения реальности.
За последние десять лет в постановке системы картографического образования наблюдается существенный прогресс. В университетские программы введены блок новых учебных дисциплин и новая специализация «геоинформатика и геоинформационное картографирование».
Становление и развитие ГИС-образования, разработка его концепции, формирование геоинформатики и ГК как учебных дисциплин уже более десяти лет являются приоритетными направлениями в деятельности кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. В основу концепции положена модель ГИС-образования, основанная на широком взаимодействии с географо-картографическими дисциплинами, науками о Земле и смежными с ними социально-экономическими науками [1]. Теоретическое и практическое овладение ГИС-технологиями, методами создания и использования ГИС, геоинформационным методом географических исследований и картографирования стало необходимой составляющей фундаментальной подготовки современных картографов.
Обучение созданию и использованию карт - один из наиболее творческих и трудно формализуемых процессов познания. Развитие ГК предполагает взаимодействие картографов со специалистами, работающими в области геоинформатики, компьютерной графики, дистанционного зондирования. Овладевая новыми методами ГК, будущие специалисты-картографы должны опираться на законы традиционного картосоставления. С другой стороны, знание картографами не только правил работы с ГИС-пакетами, но и алгоритмов выполнения хотя бы стандартных процедур, возможностей технических и программных средств будет способствовать повышению уровня ГК. Сочетание традиционных и компьютерных технологий позволит готовить специалистов, действующих не только по подсказке авторов программных разработок. Примером реализации такого подхода служит одно из первых учебных пособий по курсу «Автоматизация в тематической картографии» [5], который был поставлен на кафедре картографии еще в начале 80-х годов. На начальных этапах основное внимание уделялось процессу автоматизированного воспроизводства карт. В дальнейшем сменились аспект автоматизированного картографирования и его название, определились новые проблемы, виды и источники информации, программные и технические средства, способствующие решению проблем. Внимание сосредоточилось на теории и методах создания картографических баз данных и математико-картографическом моделировании, создании картографических моделей, как физических явлений, так и моделей картографического изображения для представления карт на печатающих устройствах. Научные разработки в этих областях послужили основой для развития методов геосистемного пространственно-временного моделирования и его графического представления посредством картографической символики, что в результате привело не только к взаимодействию, но и отождествлению ряда методов и средств картографии и геоинформатики. Следствием этого процесса явилось введение с 1992 г. курса « Геоинформатика» в программы подготовки и картографов, и географов других специализаций.
Скорейшему практическому освоению и использованию ГИС-технологий в ГИС-образовании на современном уровне способствовали развитие персональных компьютеров, возрастание их доступности во всем мире, а также то, что крупные фирмы-производители программных ГИС-продуктов, такие как ESRI, Inc., ERDAS, Inc., Intergraph Corp., предоставили свои пакеты бесплатно или с большими скидками ряду научных и образовательных организаций. К сожалению, это явление существенно затормозило процессы создания и применения отечественных ГИС-продуктов.
В 1995 г. требования к ГИС-образованию были закреплены в ГОСТе [2].
В структуру дисциплины «Геоинформатика и геоинформационное картографирование», рассчитанной на кафедре картографии и геоинформатики на два учебных года, включены следующие курсы:
«Введение в геоинформатику»;
«Основы геоинформационного картографирования»;
«Цифровое картографирование»;
«Базы данных»;
«Цифровая фотограмметрия»;
«Автоматизированное дешифрирование снимков»;
«Математико-картографическое моделирование»;
«Геоинформатика».
Наибольший объем часов приходится на курсы «Геоинформатика» (92 ч) и «Основы геоинформационного картографирования» (86 ч), которые продолжают совершенствоваться вслед за прогрессом в этих научных направлениях. Согласно Госстандарту геоинформационного образования ГК входит в программу подготовки по геоинформатике. Однако в учебном процессе на кафедре эти два предмета из-за сложившихся традиций разделены и по семестрам, и по задачам, рассматриваемым в них.
Задача курса «Основы геоинформационного картографирования» - овладение теоретическими представлениями и практическими навыками применения ГИС-технологий для создания и использования тематических и общегеографических компьютерных карт. Программа курса опирается на знания, полученные в курсах: «Проектирование и составление карт»; «Оформление карт»; «Картографический метод исследования»; «Высшая математика и основы программирования»; «Введение в геоинформатику», который читается в течение первого семестра третьего года обучения параллельно с ГК с тем, чтобы предоставить студентам базу для выполнения курсовых работ. Практические работы выполняются на персональных компьютерах с применением доступных программных средств (например, MAG, MapViewer, ArcView).
Курс «Геоинформатика» является итоговым в дисциплине «Геоинформатика и геоинформационное картографирование». В нем рассматривается содержание геоинформатики как научного направления, ГИС-технологии и методы географических исследований. Курс аккумулирует знания, полученные студентами в предшествующих и идущих параллельно курсах: «Основы геоинформационного картографирования»; «Базы данных»; «Цифровая фотограмметрия»; «Автоматизированное дешифрирование снимков», и опирается на знания, полученные в цикле географических дисциплин. Студенты должны овладеть: теоретическими представлениями о связях геоинформатики с картографией, дистанционным зондированием, информатикой и науками о Земле, ее роли как научной дисциплины, изучающей природные и природно-общественные геосистемы, и практическими методами и технологиями сбора, хранения, обработки, анализа, моделирования, представления результатов в ГИС. Практические работы выполняются с применением лицензионных программных ГИС-пакетов EPPL7, Idrisi, ArcView GIS.
Программа курса «Основы геоинформационного картографирования» рассчитана на два семестра и включает пять основных разделов.
«Основные положения и задачи геоинформационного картографирования». В разделе рассматриваются наиболее приоритетные направления и перспективы геоинформатики и ГК в связке: задачи - пространственно-определенная информация - моделирование и создание карт - программные и технические средства. Определяются место и задачи ГК, его общие принципы, этапы развития и структура системы ГК.
«Получение и представление данных в системах геоинформационного картографирования». Включает рассмотрение источников данных ГК, устройств и методов цифрования, структуры и форматов данных и их преобразования, представления точечных, линейных и площадных объектов на цифровой карте.
Особое внимание уделяется наиболее важной проблеме пространственной локализации картографической информации - ее точности (позиционной и атрибутивной), а также понятиям качества данных, распространения погрешностей в измерениях координат, способам контроля ошибок цифрования и представления данных.
Рассматриваются технологии хранения данных, проектирования картографических баз и банков данных для создания цифровых, электронных и компьютерных карт на основе построения концептуальной модели данных, являющейся средством точного выражения представлений человека о реальном мире.
«Методы геоинформационного картографирования». Изучаются методы ГК, охватывающие основные процессы проектирования и создания карты.
Поскольку процесс составления географических карт предусматривает локализацию (координатное фиксирование) объектов исследования на определенный момент или период времени, то большая часть раздела посвящена изучению ГИС-технологий, обеспечивающих переход между системами координат, преобразование масштабов и проекций, трансформирование векторных и растровых изображений.
Рассматривается набор алгоритмических процедур, направленных на формализацию процесса картографирования, включая: автоматизированное создание картограмм, картодиаграмм и изолинейных карт, получение синтезированных показателей, построение картографических знаков и определение положения их размещения на карте (центроид, скелетизация), подсчет площадей замкнутых контуров и определение взаимного положения точечных, линейных и полигональных объектов (например, линий и полигонов).
Теоретико-математической основой для автоматизации в картографии служат математико-картографические модели, которые в свою очередь обязаны развитию компьютерных технологий. Методы математико-картографического моделирования рассматриваются в отдельном курсе (см. выше). В этом же разделе изучаются вопросы представления, так называемых, географических полей, определяемых набором пространственных координат и скалярными значениями географических характеристик в точках с этими координатами, на примере создания карт рельефа на основе его цифровых моделей (ЦМР) и их отображения как традиционными способами изолиний, послойной окраски, так и виде трехмерных представлений. Подобные процедуры имеются во многих распространенных пакетах программ (Surfer, Idrisi, ERDAS и др.) Гораздо важнее технических возможностей понимание того, что речь здесь идет о моделировании сплошного географического распространения объектов и явлений, представленного дискретной информацией, и приближение ее непрерывной зависит как от степени аппроксимации, так и от того, насколько в этой дискретной информации отображена география. Методы построения ЦМР рассматриваются на примерах интерполяции на основе функции расстояний (по регулярной сетке) и триангуляции Делоне; анализируются способы выбора точек для построения модели. Выполняется серия практических работ по построению ЦМР по изолиниям с применением пакетов программ MAG, MapViewer, Surfer.
Следующее важнейшее направление исследований в ГК - вопросы автоматической генерализации, остающееся приоритетным и далеким от завершения, несмотря на то, что на его разработку изначально были направлены усилия ведущих специалистов. Рассматриваются:
методы «геометрической» (для позиционных данных) и « содержательной» (для атрибутивных данных) генерализации - элементы генерализации линий (упрощение, сглаживание, перемещение, структурирование, слияние, локальная обработка);
методы, основанные на использовании теории фракталов;
методы классификации;
возможности решения задачи генерализации в интерактивном режиме путем редактирования изображения на экране по картографическим правилам генерализации геометрии и содержания, использования БД и средств экспертных подсистем ГИС.
Последний блок раздела посвящен методам воспроизводства картографического изображения - компоновке графического вывода, которая имеет большое значение для эффективного восприятия информации пользователем и существенно выигрывает при использовании принципов картографического оформления, разработанных в картографии (например, используется не случайный подбор цветов, а условные шкалы, отрабатывавшиеся картографами в течение столетий). Очень часто при создании карт и изображений в ГИС эти вопросы игнорируются. Здесь рассматриваются теория и элементы цветового зрения и цветовых палитр, технологии построения электронной и компьютерной карт и визуализации пространственных данных.
«Методы компьютерной обработки снимков для создания тематических карт». Раздел посвящен программному и техническому обеспечению ГИС-технологий в области использования данных дистанционного зондирования для ГК и ГИС, особенно для оперативного и динамического картографирования. Практически ни один ГИС-пакет не поставляется без возможностей работы со снимками - от использования их как «подложки» для интерактивного создания векторных карт и получения новых изображений, на которых реальный растровый образ земной поверхности совмещен с традиционным векторным картографическим ее представлением, до осуществления компьютерного дешифрирования снимков (классификации) для создания тематических карт на их основе. Рассматриваются:
алгоритмы компьютерной обработки снимков, направленные на улучшение их яркостных и геометрических свойств;
алгоритмы выполнения операций синтеза изображений, компонентного анализа, подсчета вегетационного индекса для создания карт разной тематики;
алгоритмы контролируемой (ближайшего соседа, максимального правдоподобия) и неконтролируемой (кластеризация) классификации;
методы построения карт динамики явления (объектов) по картам и снимкам.
«Использование коммерческих ГИС-пакетов в геоинформационном картографировании». Рассматриваются структура и картографические возможности распространенных ГИС-пакетов, дается их сопоставление. На примере ГИС-пакета ArcView GIS изучается технология создания картографических слоев на основе картографических и табличных баз данных, способы редактирования картографических слоев, построения выборок объектов разных тем, установки картографических свойств (проектированные и непроектированные данные), построения компоновки карты.
Программа курса «Геоинформатика» построена с учетом программ «Введение в геоинформатику» и «Основы геоинформационного картографирования» и включает следующие основные разделы.
«Геоинформатика и ГИС: сущность, структура, функции». Рассматриваются два теоретических взгляда на геоинформатику как научную дисциплину:
научно-познавательный, при котором внимание сосредотачивается на отображении и исследовании земной поверхности посредством ГИС, изучении природных и природно-общественных геосистем в результате создания их цифровой информационной модели;
инженерно-технический, при котором основное внимание уделяется разработке методов создания и эксплуатации ГИС.
Подчеркивается, что географические информационные системы прежде всего имеют дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и генерализованной в пространстве и времени, используя законы информатики о производстве, переработке, хранении и распространении всех видов информации в обществе, природе и технических устройствах.
«Концепция географической информации: модели данных и представление реальности». В ГИС постоянно приходится решать проблему выбора модели данных для решаемой задачи. Принятое в ГИС представление объектов или явлений точками, линиями, полигонами или ячейками сетки (пикселами) должно находиться во взаимооднозначном соответствии с географической сущностью определяющих их пространственных показателей. Поэтому раздел посвящен концептуальным вопросам отображения реального мира или абстрактных человеческих представлений о нем в базах данных ГИС: отдельными объектами, описываемыми атрибутами, определяемыми границами и положением в координированном пространстве (объектно-ориентированные модели), или географическим пространством двух-, трех-, или четырехмерной размерности в терминах координат, атрибуты в котором определяются в каждой точке и меняются непрерывно (модели географических полей). Рассматриваются различные структуры данных в ГИС - векторные и растровые, слои и покрытия, сетевые структуры, а также форматы данных для представления их в компьютере. Определяются информационное обеспечение ГИС как информационной модели территории и особенности интеграции разнотипных данных с оценкой их надежности.
«Хранение и обновление данных в ГИС». ГИС рассматривается с точки зрения структуры ее базы данных. Изучаются способы хранения и преобразования векторных и растровых данных (кодирование геометрии и атрибутов, порядок сканирования и декодирование, создание иерархических структур - дерево квадрантов), кодирования и представления топологии - связей в сетях и между полигонами, операции оверлея слоев и полигонов.
«Географический анализ и пространственное моделирование». Название раздела отражает основное назначение ГИС. Главные вопросы - изучение и установление взаимосвязей и взаимозависимости географических объектов и явлений, представленных пространственно привязанными данными, в рамках решаемой проблемы. Основные ГИС-технологии - операции оверлея, буферизации и построения различных пространственных запросов к базам данных, моделирование. Создание и применение блока моделирования в ГИС рассматривается на примере использования ЦМР для решения морфометрических и гидрологических задач (анализ форм рельефа поверхности, построение линий стока и водосборных бассейнов).
«Методы тематического согласования слоев информации в ГИС». Особое внимание уделяется важнейшей задаче пространственного и тематического согласования информации. Рассматриваются возможности решения этой задачи с помощью различных ГИС технологий: оверлея и буферизации, логических и математических процедур, классификации и восстановления данных. Однако постоянно подчеркивается, что для выполнения согласования информации зачастую недостаточно только стандартных ГИС-технологий, которые не допускают перекрытия классов, частичной принадлежности к классу, «частичной правды». Географические феномены более сложные, чем другие многопараметрически определенные объекты, они описываются многими взаимосвязанными атрибутами. При их рассмотрении мы должны выполнять группировку и по атрибутивному (разделение на классы), и по географическому пространству (разделение на непрерывные области пространства). С другой стороны, мы имеем дело с модельным представлением реального мира, а модель не может точно совпадать с оригиналом из-за большого числа неопределенностей, сложности, нечеткости определения реального мира, нечеткости наших знаний. Для разрешения такой ситуации рассматривается применение известной в математике теории нечетких множеств, допускающих такие понятия, как «степень принадлежности объекта к классу», «частичная принадлежность», оперирующих с понятиями правдоподобия объекта или суждения. Основными путями согласования информации остаются решение этих вопросов до ввода данных в БД, на этапе определения состава, выбора и подготовки к вводу информации в БД, т. е. на этапе формирования информационного обеспечения ГИС, а в перспективе - создание и использование баз географических и картографических знаний.
«Экспертные подсистемы, структура подсистемы принятия решений в ГИС и технологии ее функционирования». Некоторые определения ГИС связывают их с понятием системы принятия решений. Рассматриваются роль и возможности ГИС в принятии решений, особенно в управлении природными и социальными ресурсами. Подчеркивается, что на современном этапе еще нельзя говорить о создании ГИС как системы принятия решений. ГИС может поддерживать процесс принятия решений на основе преобразования исходной информации с использованием формализованных экспертных знаний и положений нечетких множеств в новую, пригодную для формирования правдоподобных решений, и предоставляемую для окончательного анализа человеку.
«Интерфейс пользователя в ГИС». Рассматриваются современное техническое и программное обеспечение ГИС, структура распространенных ГИС-пакетов, проблемы интерфейса пользователя в ГИС.
«Создание и применение ГИС, примеры проблемно-ориентированных ГИС». Раздел посвящен созданию и применению ГИС, приведены примеры проблемно-ориентированных ГИС (природоведческих, кадастровых, социально-экономических).
На решение многоаспектных задач геоинформатики и ГИС-картографирования, распространения ГИС-технологий направлена разработанная на кафедре картографии и геоинформатики концепция создания географических информационных систем особого типа - обучающих ГИС для географических исследований и картографирования [4]. Обучающая ГИС рассматривается как специализированная проблемно-ориентированная ГИС, преимущественно локального уровня. По выполняемым функциям обучающая ГИС - это междисциплинарное интерактивное компьютерное средство подготовки специалистов с приоритетом практической направленности на решение задач двуединого содержания - предметно-тематического и информационно-технологического.
Концепция практически реализована в первой версии учебной ГИС для учебно-научного полигона МГУ - ГИС «Сатино», созданной в результате совместной работы кафедр географического факультета Московского университета по линии Межуниверситетского аэрокосмического центра. Начаты работы по созданию второй версии учебной ГИС.
Для обеспечения практических работ по курсу «Геоинформатика» разработан компьютерный ГИС-практикум - набор типовых географических задач и рекомендуемых ГИС-технологий для их решения, в процессе выполнения которого закрепляются полученные на лекциях теоретические и практические знаниях [3]. Кроме ГИС «Сатино», в ГИС-практикуме используются разработанные циклы заданий и соответствующие БД для решения задач: «Исследование состояния экосистемы на основе использования космических снимков и ГИС-технологий» (на примере района Мончегорска в программной оболочке Idrisi); «ГИС-технологии пакета ArcView GIS 3». В процессе практикума студенты знакомятся с особенностями распространенных ГИС-пакетов, включая пакеты-векторизаторы, доступных для лицензированного использования на географическом факультете МГУ.
Внедрение методов и средств ГИС и ГК в образование, создание типовых учебных ГИС позволят реализовать принципы и методы дистанционного обучения в географии.
RSS
Реклама
