CC BY
88
АКТУАЛЬНАЯ ТЕМА
УДК. 631.471
ОБУЧЕНИЕ ЦИФРОВОЙ КАРТОГРАФИИ И ГИС-ТЕХНОЛОГИЯМ
В.С. Крыщенко, д.б.н., О.М. Голозубов, Ю.А. Литвинов
Южный Федеральный университет, e-mail: litvinov_ua@mail.ru
Изложен опыт преподавания информационных технологий по направлению «03.03.12 - Почвоведение». Двухуровневая система образования бакалавр-магистр обусловила разделение всего блока дисциплин для подготовки специалиста по направлению «Почвоведение» на 4 этапа: подготовительный, первый, второй и заключительный. Отличительная особенность методики преподавания - применение, наряду с лицензионным программным обеспечением, бесплатных программ, находящихся в открытом доступе. В ходе преподавания курсов «Цифровая картография» и «ГИС-технологии» студенты выполняют ГИС-проекты по теме их научных исследований.
Ключевые слова: почвоведение, информационные технологии, образовательные технологии.
TEACHING OF DIGITAL MAPPING AND GIS-TECHNOLOGY V.S. Kryschenko, O.M. Golozubov, Yu.A. Litvinov
The article describes the experience of information technology education in the field of «03.03.12 - Soil science» discipline. Double level education system bachelor-magister divided whole «Soil science» discipline block into 4 stages: preparation, first, second and final. Distinguishing feature of education is the use offree software and remote sensing data available from open source. During education of «Digital mapping» and «GIS-technology» disciplines students are presenting their investigations.
Keywords: soil science, informational technologies, educational and teaching methods.
Почвоведение - фундаментальная наука, в которой на первое место выходят методы математической статистики, моделирования, применения геоинформационных технологий (ГИС) и баз данных (БД). На кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов факультета биологических наук Южного федерального университета накоплен опыт преподавания информационных технологий в частности таких курсов, как цифровая картография и ГИС-технологии. В течение всего периода обучения студенты поэтапно изучают блок дисциплин, начиная с азов работы с персональным компьютером до изучения современного программного обеспечения.
Двухуровневая система образования «бакалавр - магистр» обусловила разделение блока дисциплин на следующие этапы: подготовительный - обучение навыкам работы с персональным компьютером (ПК) и рядом бесплатных программ; первый - использование полученных знаний и умений при изучении курсов, посвященных математическому моделированию, обработке растровых и векторных изображений, цифровой картографии; второй - изучение структур пространственных данных, обучение основам ГИС-технологий. Заключительный -создание ГИС проекта.
Подготовительный и первый этапы реализуются при обучении бакалавров: «Математическое моделирование», «Математические методы в почвоведении» - 2 курс, «Математические модели в почвоведении» - 3 курс. Второй и заключительный этапы ориентированы на магистров: «Математическое моделирование», «Компьютерные технологии с основами моделирования почвенных процессов», «Информационные технологии в почвоведении» - 1 курс магистратуры, «Геоинформационные системы и технологии» - 2 курс.
Отдельным блоком проходит повышение квалификации по программе «Базы данных почвенно-
экологического мониторинга земель сельскохозяйственного назначения». Программа состоит из 3 разделов: организационно-методического, лекционного курса и практических занятий. Объем курса 72 часа (лекции 12, практические занятия 60 часов).
Организационно-методический раздел. Предмет, метод и задачи курса. Междисциплинарный характер курса. Необходимость внедрения информационных технологий в почвоведение и специфика этого инструмента-метода. Понятие об элементарных информационных единицах почв, их эталоны и идентификация. Иерархия информационных единиц почв и почвенного покрова (разномасштабность баз данных). Приложение общей теории систем к разработке базы данных почв: почва -как полидисперсная гетерогенная система и ее элементы.
Содержание лекционной части: 1. Теоретические и методологические предпосылки к формированию БД почв. 2. Элементарные информационные единицы почв и почвенного покрова. Их почвенно-генетическая и административно-территориальная ветви. Реляционные зависимости между ними. 3. «Кодификатор» базы данных. Его структура: адресная, классификационная и атрибутивная составляющие. 4. Использование БД почв для решения различных прикладных задач: учебных целей, кадастра и бонитировки почв, точного земледелия и долгосрочного почвенно-экологического мониторинга.
Практические занятия.
Раздел 1.
Принципы построения баз геоданных. Элементы электронной карты. Основные топологические элементы геоданных - точка, контур, растровое изображение. Правила формирования и изменения элементов топологии. Понятие слоя, правила отображения и наложения слоев и топологических элементов. Понятие атрибутив-
ной информации. Описание и форматы данных. Базы данных почв. Понятие реляции (отношения). Справочники (одно- и многоуровневые). Форматы данных (текст, число, порядок, выбор).
Раздел 2.
Практические задачи по сбору и вводу картографической и атрибутивной информации о почвах в БД SoilMa-trix с использованием различных сценариев ввода данных: а) заполнение PDF-формы и экспорт внесенных данных в XML-файл; b) проверка и редактирование XML-файлов в текстовом редакторе; c) ввод и редактирование справочной информации через веб-интерфейс; d) ввод и редактирование данных разреза, почвенного образца, земельного участка, почвенного контура через веб-интерфейс; e) просмотр статистики и построение графиков. Элементы статистической обработки.
Раздел 3.
1. Виды и примеры карт и картосхем. Карта спутниковой и аэрофотосъемки. Сканированные карты. Карты на бумажных носителях. Почвенные карты (Ростовская область) и очерки к ним. Карта-схема хозяйств. Топографические карты. Оцифрованные карты и карты, хранящиеся в цифровой форме. Растровые и векторные карты.
2. Геоинформационные системы. Знакомство с Arc-GIS. Топографическая основа и тематические карты Ростовской области. Слои карт. Административно -территориальное деление. Почвенная карта, карта редких растений и животных. Элементы карты - точка, полигон, растровая площадь. Определение координат и расстояний в ГИС.
3. Понятие о масштабе карт как степени детализации. Размеры элементарных деталей в миллиметрах карты, пикселях растрового изображения, отображении на экране. Точность географических координат точек в десятичных градусах и пересчет погрешности в метры. Практические упражнения по приближенному определению масштаба и разрешения карт.
4. Методика совмещения (наложения) растровых карт различного происхождения. Принцип совмещения по реперным точкам, элементам рельефа и гидрографии. Трансформация карты при наложении (вращение, перенос, координатное растягивание). Методы работы при совмещении карты и схемы.
5. Разметка растровых карт - векторизация. Принцип уточнения векторных элементов при повышении детализации карт. Расчет достаточного количества точек интерполяции при построении полигонов. Маркировка векторных элементов и привязка дополнительных данных.
6. Универсальные форматы представления геоинформационных данных. Экспорт данных. Формат KML как подмножество формата XML. Представление геоинформационных структур (растровое изображение, точка, полигон, дополнительные данные) в формате KML.
Практические работы:
1. Программа ArcReader. Установка на персональный компьютер. Ознакомление с почвенной и другими картами Ростовской области. Сравнение с детальной картой почв хозяйства. Экспорт карты районов в KML-формат.
2. Программа XMLNotepad. Установка. Открытие и сохранение файла. Работа со структурами данных. Редактирование и объединение геоинформационных дан-
ных. Отображение полученных результатов в ГИС GoogleMap.
3. Программа разметки. Установка необходимого компонента Adobe Flash Player. Техника работы с программой - изменение прозрачности слоев, установка и удаление точки, установка и удаление многоугольника, изменение границ контура, добавление и удаление точек контура, внесение дополнительной информации для точки и контура. Сохранение и восстановление записанных данных.
4. Разметка (уточнение) контура границ хозяйства. Исходные данные: векторная карта границ района, кос-моснимок хозяйства, топографическая карта хозяйства, почвенная картосхема хозяйства. Индивидуальное выполнение работы. Сдача работы в виде одного KML-файла на район по электронной почте.
5. Разработка карты землеустройства хозяйства. Оцифровка границ полей, земельных участков и сельхозугодий. Исходные данные: космоснимок хозяйства, почвенная картосхема хозяйства. Индивидуальное выполнение работы. Сдача работы в виде одного KML-файла на район по электронной почте.
6. Разметка почвенной карты хозяйства. Оцифровка почвенных контуров и разрезов. Привязка к контуру дополнительной информации из легенды. Индивидуальное выполнение работы. Сдача работы в виде одного KML-файла на район по электронной почте.
Раздел 4.
Практическое применение, преимущества и перспективы СУБД и ГИС в почвоведении:
1. Совместимость почвенных баз данных и ГИС.
2. Системы точного земледелия. Задачи точного земледелия.
3. Понятие мониторинга агроландшафтов как комплексного инструмента сбора и анализа почвенных и связанных данных, изменяющихся в пространстве и времени.
4. Многомасштабное картирование и вариабельность почв.
Устанавливаемое программное обеспечение: XML
Notepad - Microsoft, ArcReader - ArcGIS, Flash Player -Adobe. Программа разметки, Класс: локальная сеть, Windows 2008 server, SQL 2005 server, IIS 7, СУБД Soil-Matrix. Класс: ArcGIS 9.2.4-client, MSOffice 2003 (2007), Adobe Reader.
На кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов оборудован компьютерный класс, укомплектованный современным оборудованием и программным обеспечением. Базовым является лицензионное программное обеспечение - пакет программ MS Office, ArcGIS 9.3, Statistica. Тем не менее, в основе многих курсов лежит применение бесплатных программ: графический редактор GIMP, просмотр и редактирование XML-документов - XML Notepad 2007, просмотр PDF-файлов - Adobe Acrobat Reader, средства для просмотра и распечатки карт ArcReader и программа GoogleEarth для работы с космическими снимками. Среди интернет ресурсов следует отметить проект кафедры почвоведения - база данных состава и свойств почв SoilMatrix. Помимо всего на кафедре создана программа для векторизации почвенных карт - SoilContour. Это простой и удобный инструмент, на котором строится все обучение дисциплине «цифровая картография».
Обучающиеся имеют возможность работать с обширной библиотекой электронных книг по почвоведению и смежным дисциплинам, находящейся на сервере компьютерного класса. Работа в классе проходит в группе 8-9 человек. Практические занятия ведет преподаватель, которому ассистирует лаборант учебного класса. В процессе подготовки применяется дифференцированный подход, поскольку в начале курсов студенты имеют разный уровень владения ПК. Последний уровень предполагает творческое применение полученной информации посредством выполнения индивидуальных самостоятельных работ. На этом уровне обучающийся демонстрирует умение самостоятельно выполнять научно-исследовательскую работу с применением ГИС. В соответствии с начальным уровнем подготовки студента строится его дальнейшее обучение.
На базе курса «Математическое моделирование» основной акцент делается на практические занятия, построенные на модульной основе. Каждый модуль содержит в себе теоретическую часть по изучаемому предмету и небольшое практическое занятие, которое могло бы не только закрепить полученные знания, но и приобрести опыт в работе с ПК, необходимый для дальнейшего изучения цифровой картографии и ГИС-технологий. На занятиях студенты знакомятся со структурами данных и системой управления базами данных (СУБД), отрабатывая навыки работы с пакетом программ MS Office, а именно: MS Excel - работа с электронными таблицами, выполнение простейших статистический операций; MS Access - работа с реляционной СУБД, построение электронных форм и SQL-запросов. При изучении структур данных студенты знакомятся с языком разметки XML, с которым они работают в бесплатной программе XML Notepad 2007.
Обучение навыков работы с растровыми изображениями происходит с помощью графического редактора GIMP. Эта бесплатная альтернатива программы Photoshop проста в работе и позволяет студентам быстро освоить азы работы с растровой (и частично с векторной) графикой.
Изучение структуры почвенно-географических данных невозможно без материалов дистанционного зондирования (ДЗ). С помощью программы GoogleEarth обучающиеся получают навыки работы с пространственными данными. На практических занятиях они знакомятся с элементами дешифрирования космических снимков, изучают структуру стандарта представления пространственных данных KML 2.2, осуществляют географическую привязку объектов (почвенных карт, космических снимков) на местности. GoogleEarth позволяет получить навыки работы с векторной графикой.
Первый этап проходит на базе курса «Математическое моделирование в почвоведении». Практика на этом этапе начинает играть все большую роль. Если на 2 курсе в ходе занятий достаточно было репродуктивной деятельности - воспроизведение по образцу под руководством преподавателя, то сейчас начинают появляться элементы творческой деятельности - индивидуальные задания для самостоятельной работы. Использование методов математического моделирования требует глубоких знаний об объекте исследования - почве, поэтому студенты приступают к изучению этого курса только по окончанию дисциплин: «Введение в специальность»,
«Почвоведение» и т.д. На 3 курсе обучающиеся проходят такие важные курсы, как «Картография почв», «Эрозия и охрана почв», создавая тем самым основу для изучения цифровой почвенной картографии и ГИС-технологий.
Одно из важных направлений в обучении студентов -работа с «почвенным наследием» - крупномасштабными почвенными картами и архивными материалами. На этом этапе изучают работу с векторизатором SoilContour. Программа проста в использовании, главными достоинствами служит удобный интерфейс и быстрое обучение. Работа с программой проходит по следующей схеме:
1. Студенты под руководством преподавателя подготавливают картографический материал - корректируют растровое изображение почвенной карты и космического снимка посредством графического редактора GIMP;
2. Полученное изображение географически привязывают на местности в программе GoogleEarth. В результате привязки формируют KML-файл, который при необходимости корректируется в программе XML Notepad 2007;
3. Изучается отчет почвенного обследования и экспликация к почвенной карте с целью формирования списка - классификатора атрибутивных данных, который вноситься в программу SoilContour;
4. Непосредственная векторизация почвенной карты;
5. Импорт данных в программу ArcMap 9.3 (на данном этапе обучения выполняется преподавателем);
6. Анализ полученных данных с использование программы ArcReader.
Второй этап предназначен для обучения магистров почвоведения. Он расширен и ориентирован на изучение структур пространственных данных, цифровое картографирование и основ ГИС-технологий. Творческая составляющая данного этапа обучения несоизмеримо возрастает по сравнению с предыдущими. Второй этап проходит на базе дисциплин «Математическое моделирование», «Компьютерные технологии с основами моделирования почвенных процессов», «Информационные технологии в почвоведении» в течение 1 года магистратуры. Особенностью этапа является полная специализация обучающихся на объекте своего исследования. Каждый студент применяет полученные навыки для решения своих научно-исследовательских задач. Причем для этого он использует весь пакет программ, по которым проходил обучение на предыдущих этапах подготовки. Прежде всего уделяется внимание пространственному распределению тех или иных признаков и свойств почв (SoilContour), их статистической обработке и интерпретации (MS Excel, Access, Statistica), визуализации посредством бесплатных программ - GoogleEarth и пакета программ ArcGIS. На этом этапе магистрам на практике дают возможность изучать ГИС, конкретно пакет программ ArcGIS 9.3.
Магистры активно участвуют в процессе пополнения БД состава и свойств почв SoilMatrix, и сохранения почвенного наследия - почвенных карт и материалов обследований.
Заключительный этап носит исключительно творческий характер, а именно создание индивидуального проекта посредством всего имеющегося пакета программ. В качестве примера можно привести:
1. Цифровую почвенную карту равнинной части Кабардино-Балкарской Республики;
2. Цифровую почвенную карту равнинной части Республики Дагестан;
3. Цифровую почвенную карту УОХ ЮФУ «Недви-говка»;
4. Цифровую карту Ростовского зоопарка.
Подобные проекты можно выполнять коллективно в
случае, если объект масштабен.
К таким проектам можно отнести:
1. Создание цифровой почвенной карты Ростовской области на основе почвенной карты под редакцией С.А. Захарова 1939 г.;
2. Создание цифровой почвенной карты Белокалит-венского района Ростовской области;
На базе компьютерного класса кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов был сформирован научно-образовательный центр (НОЦ) «Информационные технологии в почвоведении». Его цель - сохранение почвенного наследия: почвенные карты и материалы почвенных обследований. В рамках НОЦ создана программа дополнительного профессионального образования и переподготовки специалистов и научных работников. Программа ориентирована на получение теоретических и практических основ в области создания почвенных баз данных, векторизации электронных почвенных карт, выбора методов и способов сбора информации, включая методы дистанционного зондирования, для решения разномасштабных задач (от систем точного земледелия до почвенно-экологического мониторинга региона).
Практической составляющей образовательной программы служит освоение навыков разработки цифровых карт рельефа, карт почвенно-экологического мониторинга с использованием передовых технологий мирового уровня, построении карт различными интерполяционными методами и выполнении пространственного геостатистического анализа.
Потенциальными потребителями этой программы могут стать: крупные сельхозпроизводители, особо охраняемые природные территории и заповедники, организации, осуществляющие почвенно-экологический мониторинг, включая рекультивацию земель в нефтегазовой промышленности, организации, выполняющие почвенную экспертизу и учет земель сельскохозяйственного назначения, а также выпускники высших учебных заведений по направлению 03.02.13, желающие повысить
уровень своей квалификации и востребованности на рынке труда.
В качестве примера приведен проект мониторинга земель Арского и Заинского государственных сортоиспытательных участков Республики Татарстан. В задачи стажировки входило:
1. Изучить принципы и методы работы с растровыми и векторными данными;
2. Создать топографическую основу ГИС-проектов, содержащую растровую модель рельефа, векторные модели границ территориально-административного деления Республики Татарстан и кадастровых планов отдельных участков, являющихся предметом исследования;
3. Произвести векторизацию и географическую привязку почвенных картосхем Арского и Заинского государственных сортоиспытательных участков;
4. Собрать полученные данные в виде многослойной ГИС-модели, дополнить точечно-векторные элементы атрибутивной информацией, взятой из почвенно-агрохимических очерков;
5. На основе пространственно-статистического анализа данных создать карты распределения почвенных показателей и наметить план полевых испытаний для уточнения границ почвенных разновидностей;
6. Изучить функциональную среду полидисперсной системы почв в аспекте формализованных отношений физической глины с фракциями физического песка и ила к пыли;
7. Установить закономерные связи содержания гумуса с коэффициентами динамического равновесия полидисперсной системы почв.
Исходными материалами были: почвенно-агрохимические очерки Заинского и Арского государственных сортоиспытательных участков; карты-схемы почвенного покрова ГСУ; картограммы содержания элементов питания; цифровая модель высот с шагом в 3'' (DEM SRTM); спутниковые снимки местности Goog-leEarth; границы кадастровых участков из публичной карты Росреестра. По окончанию курса был выполнен и успешно сдан отчет о прохождении стажировки.
Таким образом, в основе предложенной методики преподавания лежит применение материалов и программного обеспечения, находящихся в открытом доступе. Ее эффективность проверена на опыте более чем двухлетнего преподавания курсов, посвященных цифровой картографии и ГИС - технологиям.
Литература
1. Крыщенко В.С., Голозубов О.М., Колесов В.В. Технология формирования баз данных состава и свойств почв. -Ростов-на-Дону: Издательство Южного Федерального университета, 2008. - С. 10-36.
2. Крыщенко В.С., Татаринцева О.П., Голозубов О.М., Литвинов Ю.А. Методические указания к практическим занятиям по курсу «Базы данных почв» и «ГИС технологии». - Ростов-на-Дону: Издательство Южного Федерального университета, 2010. - С. 20-45.
3. Епринцев С.А., Чепелев О.А. Технология изучения ГИС-технологий в рамках курсов специальностей геоэкология и природопользование // Вестник ВГУ, серия География. Геоэкология, 2008, № 2. - С. 199-123.
4. Капустин В.Г. ГИС технологии, как инновационное средство развития географического образования в России // Педагогическое образование, 2009, № 3. - С. 68-73.
5. Якушев А.В. Формирование профессиональной компетентности будущего учителя географии на основе геоинформационных технологий // Казанский педагогический журнал, 2009, № 6. - С. 65-70.
