Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Теория и практика создания обучающих ГИС для географических исследований

ВАК РФ 11.00.12, Географическая картография и геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Теория и практика создания обучающих ГИС для географических исследований"

'") г / • - г-.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ЛУРЬЕ Ирина Константиновна

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОЗДАНИЯ ОБУЧАЮЩИХ ГИС ДЛЯ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

11.00.12 - географическая картография и геоинформатика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

Доктор географических наук, профессор Лютый А.А.

Доктор технических наук, профессор Мартыненко А.И.

Доктор географических наук, профессор Симонов Ю.Г.

Ведущая организация: Научный совет РАН по проблемам геоинформатики

Защита диссертации состоится " /9 " 1998 г. в 15 часов

на заседании Диссертационного совета по геоморфологии, эволюционной географии, гляциологии и геокриологии, географической картографии и геоинформатике (Д-053.05.06) при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, географический факультет, аудитория 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан " Ь " ¿Х/ъреи^ 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д-053.05.06 профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена развитию геоинформационных методов исследования в науках о Земле, теории и практики построения геоинформационных систем (ГИС) - созданию проблемно-ориентированных обучающих ГИС для географических исследований и фундаментальной подготовки специалистов высшей квалификации в этой области.

Актуальность диссертации обусловлена широким внедрением компьютерных и информационных технологий в науки о Земле и недостаточной научной и методологической разработанностью проблем рационального использования возрастающего объема пространственно-координированной информации для изучения и выявления новых географических закономерностей. Актуальность работы обусловлена также потребностью науки и народного хозяйства в специалистах высшей квалификации, обладающих знаниями геоинформационных методов исследований.

Цель диссертационного исследования состоит в разработке теории, методов и практических приемов создания обучающих ГИС для развития геоинформационных методов географических исследований и картографирования.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать и теоретически обобщить задачи геоинформатики и направления применения геоинформационного метода исследований в науках о Земле;

- выявить проблемы и тенденции развития геоинформационного образования в мире и в нашей стране и сформулировать основные положения фундаментального природоведческого ГИС-образования;

- на основе теоретических и практических требований к созданию ГИС разработать концепцию обучающей географической информационной системы и пути ее реализации в типовой обучающей ГИС; обосновать информационное и алгоритмическое обеспечение такой ГИС;

- разработать структуру типовой тематической базы наземной, картографической и аэрокосмической информации обучающей ГИС для различных природных территорий, методические и практические приемы решения географических задач различных типов на основе применения ГИС-технологий;

- реализовать разработанные концептуальные и методологические положения в действующих обучающих ГИС.

Научная новизна работы. Автором впервые разработана научная концепция создания географических информационных систем особого типа - проблемно-ориентированных обучающих ГИС для географических исследований и высшего профессионального образования.

Научной новизной обладают:

- обоснование целей и функций проблемно-ориентированных обучающих ГИС как междисциплинарных интерактивных компьютерных средств фундаментальной подготовки специалистов с приоритетом практической направленности на решение задач двуединого содержания - предметно-тематического и информационно-технологического;

- принципы информационного и алгоритмического обеспечения таких систем и их базовых элементов;

- логическая и методическая увязка основных подсистем для решения типовых географических задач с использованием картографической и аэрокосмической информации;

- практическая реализация защищаемых положений в созданных обучающих ГИС.

Практическая значимость результатов работы, представленных в виде методик создания, функционирования обучающей ГИС и решения географических задач разных типов на ее базе, заключается в том, что они способствуют повышению уровня географического образования и географических исследований на основе применения новых современных методов и технологий и обеспечения их специалистами высшей квалификации, владеющими теоретическими, и в особенности, практическими сторонами геоинформационных методов решения научных и прикладных задач.

Реализация (внедрение) результатов работы. Результаты выполненных исследований реализованы в работах: по межкафедральной научной теме географического факультета МГУ "Разработка научно-методических основ локальных ГИС и создание обучающей ГИС "Сатино" (автор - ответственный исполнитель); по ведущей проблеме "Аэрокосмические методы геоинформационного географического картографирования и геоэкологических исследований" (фундаментальная, № 01.9.70003796); по программам "Университеты России", ЭБР; грантам МИФ Сороса (№ 4300), поддержки ведущих научных школ (№ 96-15-98414); международному проекту "База

данных по окружающей среде Арктики: программа для Российской Федерации".

Концепция и методика создания обучающих ГИС внедрены в университетах России по линии Межуниверситетского аэрокосмического центра при географическом факультете МГУ. Теоретические и практические результаты работы реализованы в действующих обучающих ГИС, лекционных курсах в Московском университете, в первом в стране ГИС-пракгикуме на базе обучающей ГИС "Сатино", используемом при обучении студентов географического факультета, а также при повышении квалификации преподавателей университетов России и ряда стран СНГ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на 12 Международных конгрессах и конференциях: Европейских конференциях по ГИС (EGIS): - Мюнхен, 1992 г., Генуя, 1993 г., Париж, 1994 г., Вена, 1997 г.; Международных географических конгрессах - Москва, 1995 г., Гаага, 1996 г.; Международных картографических конференциях - Барселона, 1995 г., Стокгольм, 1997 г, Международном аэрокосмическом конгрессе - Москва, 1994 г.; Международных конференциях "Интеркарто" - Москва, 1994 г., Иркутск, 1996 г.; II Международном конгрессе ЮНЕСКО "Образование и информатика" , Москва, 19S6 г.; 6 Всероссийских конференциях: по тематической картографии -Санкт-Петербург, 1991 г., Москва, 1997 г.; ГИС-форумах -Москва, 1994 г., 1995г., 1997 г. (март и июнь).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 51 научная работа.

Структура диссертации. Работа объемом 259 стр. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы 143 наименований и приложений, в которых приводятся материалы и программы для реализации разработанных методик.

Работа выполнена в лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ.

Автор благодарит заведующего кафедрой картографии и геоинформатики проф. A.M. Берлянта за содействие исследованиям. Особую признательность автор выражает проф. Ю.Ф. Книжникову за инициативную поддержку работы на всех ее этапах. Автор признателен также д.г.н. В.И. Кравцовой за постоянное внимание, ценные советы и замечания. Автор благодарит проф. B.C. Тикунова, в.н.с. Ю.В. Свентека, сотрудников кафедры и лаборатории аэрокосмических методов, а также коллег, принимавших участие в создании ГИС "Сатино".

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Глава 1. Научно-методические основы создания обучающих ГИС для географических исследований

На основе анализа и обобщения задач и направлений применения геоинформационных методов в науках о Земле и образовании разработано научно-методическое обоснование обучающих ГИС для географических исследований, базирующееся на научно-познавательной сущности и системной роли геоинформатики как научной дисциплины, изучающей природные и природно-общественные геосистемы путем создания и комплексного исследования их цифровой информационной модели с широким применением математических методов и информационных технологий.

Геоинформационные методы географических исследований - одни из новых методов исследований наряду с картографическими и аэрокосмическими - базируются на новой науке - геоинформатике. Обширный перечень ее различных определений и толкований (С.Н. Сербенюк, 1990; A.M. Бер-лянт, 1991, 1996; A.B. Кошкарев, В.С.Тикунов, 1993 и многие др.), отражая современное состояние проблемы и показывая ее выдающуюся системную роль, лишь подчеркивает отсутствие однозначности в понимании задач, предмета и метода геоинформатики, что естественно для быстро развивающейся отрасли знания. Можно только однозначно выделить два отчетливо проявляющихся аспекта во взглядах на геоинформатику - инженерно-технический, при котором делается упор на разработку методов создания и эксплуатации ГИС, и научно-познавательный, при котором внимание сосредотачивается на отображении и исследовании земной поверхности посредством ГИС, на изучении геосистем различного иерархического уровня и территориального охвата. Согласно первому часто утверждают, что геоинформатика - это теория ГИС, в то время как последнее и позволяет относить геоинформатику к наукам о Земле. При этом следует подчеркнуть два определяющих момента: географические информационные системы прежде всего имеют дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и генерализованной в пространстве и времени, используя законы информатики, которая в свою очередь есть система знаний, относящихся к производству, переработке, хранению и распространению всех видов информации в обществе, природе и технических устройствах.

Геоинформатика как научная дисциплина обладает принципиально новыми качествами, выражающимися в возрастающем взаимодействии с другими отраслями знания и в совместном комплексном исследовании сложных проблем. Стремление к более глубокому пониманию сущности и возможностей применения ГИС приводит к необходимости разработки философских и методологических проблем геоинформатики на основе теории познания, оценки роли геоинформатики в научном описании, анализе и познании реального мира. Такой подход к геоинформатике коррелирует с взглядами К.А.Салищева на познавательную сущность карт, являющихся основой для получения и ввода информации в ГИС, получивших развитие в работах А.М.Берлянта, О.А.Евтеева, И.П.Заруцкой, С.Н.Сербенюка, В.С.Тикунова и других ученых.

На нынешнем уровне развития роль ГИС не ограничивается сбором, обработкой, хранением и передачей информации. Сочетая в себе функции моделирования и принятия решений (т.е. анализа и познания) с функциями отображения и передачи информации (т.е. коммуникации) при использовании цифровой реализации языка карты, геоинформационные системы позволяют интегрировать модельно-познавательные, коммуникационные и языковые концепции, разработанные в свое время для картографии (Н.Н.Баранский, КАСалищев, А.Робинсон, Дж.Моррисон, А.Ф. Асланика-швили, А.А.Лютый, Я. Правда и многие их последователи), и распространить их на все области географических исследований, разделы наук о Земле и обществе.

Но ГИС-технологии - это только набор средств, по разному применяемых специалистами для решения задач, тогда как более важно понимание того, каким должен быть этот набор и как с его помощью достичь существенного повышения эффективности решения стоящих перед пользователями задач.

С рассмотренных позиций и необходимо подходить к внедрению ГИС и ГИС-технологий в образование в области наук о Земле. Речь должна идти о развитии системы геоинформационного образования, объединяющей: специалистов разных направлений деятельности (геоинформатика, математика, компьютерные методы и графика, геосистемные исследования, и т.д.); технические и программные средства; информационное обеспечение. Создание такой системы будет способствовать развитию геоинформационной инфраструктуры страны.

Внедрение геоинформационных технологий в фундаментальную подготовку специалистов с высшим профессиональным образованием в области

s

наук о Земле выдвигает целый ряд проблем в теоретическом, методическом, техническом, программном, информационном и кадровом обеспечении. Подходы к их решению отражены в работах A.M. Берлянта, Е.Г. Капралова, Ю.Ф. Книжникова, A.B. Кошкарева, A.B. Симонова, Ю.Г. Симонова, В.С.Тикунова и др. Предложено несколько различных концепций геоинформационного образования.

В работе отмечается, что ГИС-образование обладает рядом специфических черт, отличающих его от других направлений подготовки специалистов: это прежде всего междисциплинарный характер, высокая техничность, информационная насыщенность, широкий спектр приложений.

Сформулированы основные положения геоинформационной составляющей фундаментального образования в области наук о Земле (в том числе - природоохранного (Ю.Г.Симонов и др., 1996)). Главное из них -учебный курс по геоинформатике на природоведческих факультетах вузов должен иметь практическую направленность с двуединым ее содержанием: предметно - тематическим и геоинформационным, технологическим. Основная цель геоинформационной подготовки природоведческих (и в первую очередь географических) кадров должна состоять в творческом овладении геоинформатикой ради приобретения новых знаний о мире путем геоинформационного метода исследования, т.е. применения ГИС для научного описания, анализа и познания действительности. Фундаментальность образования предполагает его тесное взаимодействие с научными исследованиями.

Исследованы методологические, технические и прикладные аспекты ГИС-образования. При рассмотрении последних использована систематизация прикладных задач на инвентаризационные, оценочные, динамические и прогнозные, разработанная ранее автором для применения автоматизированной обработки аэрокосмической информации (1989). Показано, что использование ГИС-методологии и ГИС-технологий позволяет по новому подойти к решению этих задач, расширить их круг и методы практической реализации (это в первую очередь касается прогнозных задач, рассматривавшихся как перспективные), а также совершенствовать постановку географического образования.

В настоящее время многие вузы получили доступ к коммерческим ГИС-пакетам, разрабатываемым ведущими фирмами, в основном профессионального уровня и назначения. Их освоение целесообразно, но достаточно трудоемко и дорогостояще для учебного процесса, и кроме того, придает овладению ГИС-технологиями технический аспект.

Выполненная оценка возможностей применимости распространенных коммерческих ГИС-пакетов в качестве программного обеспечения в Преобразовании показала, что внедрение ГИС-технологий и ГИС-продуктов в прикладные научные исследования и практическую деятельность приводит к необходимости создания компьютерных учебных ГИС-пособий. Это связано и с тем, что людям, традиционно работавшим с пространственными данными, действительно технически трудно ориентироваться в сложных компьютерных средах. Создание таких учебных продуктов возможно тремя путями:

- создание демонстрационных учебных ГИС пакетов (например, ARCDEMO, DEMOGIS (для ERDAS), DEMOSpans, MAP);

- создание учебных коммерческих ГИС (растровых, векторных, гипертекстовых), основанных на использовании учебных баз данных и ГИС-технологий (IDRISI, OSUMAP, GISTutor, GeoCube);

- создание специализированных учебных ГИС.

Автором утверждается, что реализация одного из основных положений природоведческого ГИС-образования - превалирования в подготовке специалистов, владеющих геоинформационными технологиями, географического направления над техническим - должна опираться на специально создаваемые обучающие ГИС, представляющие собой совокупность взаимоувязанных информационных, математических, технических и методических (учебные задания и указания по их выполнению) средств, создаваемую на базе ЭВМ. В науках о Земле они направлены на углубленное познание существа изучаемых объектов и явлений, а не на решение актуальных технологических проблем геоинформатики, таких как ввод и преобразование цифровой информации.

Число вузов и факультетов и разнообразие их специализаций и дисциплин, относящихся к наукам о Земле, иллюстрируют многосторонность требований к тематике ГИС и их типам. Поэтому создание обучающей ГИС (впрочем, как и любой другой) не только рутинно-техническая, но и сложная организационная, и прежде всего - географическая проблема, существенно осложняемая комплексом параметров, среди которых разнотипность, раз-номасштабность, условность информации, различия в уровне ее территориальной организации и разнообразие решаемых задач. Особенно сложна работа по тематическому содержанию баз данных, отличающемуся чрезвычайным многообразием. Существенны различия научных школ как в разных областях исследования, так и в пределах одного направления, неодинакова

обеспеченность вузов исходной информацией должного качества и полноты.

В свое время аналогичные проблемы стояли перед разработчиками комплексной системы карт для высшей школы, созданной под руководством К.А.Салищева лабораторией комплексного картографирования географического факультета МГУ. И здесь важно подчеркнуть, что на современном уровне именно ГИС позволяют реализовать идею комплексности.

Обучающие ГИС для наук о Земле должны в первую очередь обеспечивать фундаментальные курсы, отражающие главные и современные представления природоведческой, в том числе географической науки, образующие основу высшего образования и формирующие научное мировоззрение студентов как будущих специалистов. Основными потребителями таких ГИС должны стать прежде всего университеты России, их природоведческие факультеты.

Такой подход нашел отражение в концепции типовой ГИС для университетов России, изложенной в гл.2. Этот проект, разрабатываемый впервые не только в России, но и за рубежом, был доложен на международной конференции Е61Б в Мюнхене в 1992 г. [Ктг11п'|коу, 1_оипе, 1992] и вызвал большой интерес и поддержку специалистов. На заседании Межуниверситетского аэрокосмического центра в 1993 г. представители 28 университетов России поддержали решение о создании типовой интегрированной учебной геоинформационной системы и о путях участия в этих работах разных университетов.

Глава 2. Концепция типовой обучающей ГИС для университетов России

В главе изложены положения концепции типовой обучающей геоинформационной системы для географических исследований и способы ее реализации в обучающей ГИС для университетов России.

Основой концепции является положение, что обучающая ГИС - это проблемно-ориентированная ГИС. Ее проблемная ориентированность имеет двоякое направление: с одной стороны, разработка и создание обучающей ГИС способствует решению общей проблемы внедрения ГИС в науки о Земле, с другой - обучающая ГИС служит компьютерным учебным пособием для практического освоения основ геоинформатики и структуры ГИС, геоинформационных методов решения прикладных задач, требующих анализа разнообразных пространственных данных, а также аккумулирования опыта и знаний ведущих специалистов в этой области. Этому способствует и ми-

ровое развитие вычислительной техники и информатики, которые делают ГИС-технологии все более "дружелюбными" к ГИС-пользователю, что придает использованию географической информации оттенок "высокой технологии" и приводит к возрастанию интереса к географии, природоведческому образованию.

На основе научно-методического анализа специфики обучающих ГИС в области наук о Земле определены основные функции и базовые составляющие обучающей ГИС.

Стратегию создания любой ГИС определяют функции, которые она будет выполнять. Кроме традиционных - сбор, хранение, обработка и передача информации, обучающие ГИС должны обладать функциями, способствующими сочетанию сложившихся ранее и новых геоинформационных методов решения задач по специальности (например, геоэкологии, ландшаф-товедения, геоморфологии, гидрологии и т.п). Сама геоинформатика как предмет обучения включает теоретические и практические вопросы, относящиеся к целому ряду вполне самостоятельных дисциплин, таких как информатика, теория баз данных, системное программирование, компьютерная графика и обработка изображений, дистанционное зондирование, автоматизированная картография. Такая многоаспектность задач позволяет определить функции специализированной обучающей геоинформационной системы как междисциплинарное интерактивное компьютерное учебное средство, характеризуемое следующими показателями:

- наглядность представления геоинформации, доступные возможности работы со снимками и картами, построения картографических изображений, имитация и автоматизация технологий географических исследований;

- увеличение количества информации для индуктивных умозаключений по сравнению с традиционными формами обучения за счет большего количества рассматриваемых задач, за счет возможности наглядного представления взаимосвязей и взаимозависимостей процессов и явлений;

- возможность выхода в смежные области знаний;

- возможность проведения индивидуальных самостоятельных исследований и использования при дистанционной форме обучения - перспективного направления современного образования;

- предоставление возможностей для создания новых методик преподавания и модернизации содержания тематических учебных курсов по специальности, которые обычно читаются без использования компьютера.

Базовые составляющие обучающей ГИС как проблемно-ориентированной ГИС представлены тремя основными компонентами: решаемая про-

блема, пространственные данные, технические и программные средства реализации ГИС-технопогий (рис.1).

Проблема. Важное свойство ГИС как модели геосистемы (реальности) -ее содержательное соответствие решаемой проблеме. Проблемы, решаемые обучающей ГИС, в конечном счете, сводятся к формированию набора географических задач с методическими указаниями по их решению -системы практических заданий ГИС-практикума, согласованных с направлением специализации и с учебной программой. Такая система заданий должна охватывать как типичные задачи, возникающие при географических исследованиях, так и основной набор современных приемов и процедур компьютерной обработки пространственной информации.

С проблемой неразрывно связан строго определенный набор пространственных данных - исходной информации для ее решения, обусловливающий содержание базы данных и представляющий, по существу, сложную информационную модель соответствующей прикладной задачи (объекта исследования).

Определение системы тематических задач обучающей ГИС, состава и тематического содержания пространственной информации, необходимой для решения этих задач (в сочетании с вопросами определения системы координат, в которой создается основа базы данных, структуры и модели данных, методов и средств цифрования и хранения данных, оценки их точности и достоверности), приводит к необходимости выработки требований к территориальному уровню системы, к содержательной и пространственной структуре данных.

Требования к территориальному уровню. Для обучающей ГИС выбор территориального уровня и системы территориальных единиц сбора и представления информации имеет принципиальное значение. Обучающая ГИС для природоведческих специальностей - это конфетная информационная система, ориентированная на определенную территорию и определенный круг приложений. Их территориальный уровень может быть разным, например, обучающая ГИС глобального уровня, содержащая сильно обобщенные карты Мира и позволяющая анализировать основные глобальные закономерности (типа известной ГИС PC GLOBE, ГИС, разработанной в Тбилисском университете под руководством Н.Л. Беручашвили), или ГИС регионального уровня.

Утверждается, что наиболее методически целесообразны интегрированные обучающие ГИС локального уровня для территории учебно-научной станции, полигона площадью не более 25-30 кв.км. Такие станции и полиго-

ПРОБЛЕМА

-О-

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

ДАННЫЕ --1 1—-

Подготовка специалистов Развитие методов географических исследований

Типовые географические задачи: инвентаризационные оценочные динамические прогнозные_

Обеспечение междисциплинарных ГИС-практи кумов

Содержание тематической базы данных:

цифровые карты

цифровые аэроснимки

табличные данные

данные полевых обследований, систем вРЭ 41

данные из других баз данных

данные дистанционного зондирования цифровые космические снимки I

Другие обучающие ГИС

Технические и программные средства

ввод и хране- анализ

коррек ние и -> и моде-

ция обнов- лирова-

ление ние

\

карты изображения

таблицы данные для других БД и моделей анимации

ГИС-технологии и системы мультимедиа

Пользователь (студент)

Экспертная система (преподаватель)

Рис. 1. Структурная схема и базовые составляющие проблемно-ориентированной обучающей ГИС для географических исследований и картографирования

ны для проведения полевой практики студентов и стационарных исследований имеют многие природоведческие факультеты. Проводимые на их территориях практики студентов различных курсов и специализаций позволяют определить предметную ориентацию обучающих ГИС (например, природные условия, природоохранные мероприятия) и проблемную направленность (инвентаризация, оценка, прогнозирование). Такой подход делает возможным создание типовой обучающей ГИС для университетов

России, рекомендуемой для базовой геоинформационной подготовки специалистов различной природоведческой ориентации.

Следует отметить, что зачастую небольшие территории учебных полигонов затрудняют получение информации для проведения социально-экономических, полномасштабных ландшафтных, метеорологических и других исследований, требующих существенно большего пространственного охвата, но вполне подходят для изучения и моделирования многих процессов, относящихся к окружающей среде, а также моделирования процесса прикладных географических исследований.

В качестве перспективного направления в области создания обучающих ГИС определена организация сети локальных ГИС на ключевых участках университетов страны, находящихся в разных природных зонах. Построенная в единой программной среде и на совместимых технических средствах такая система обучающих ГИС обеспечит постановку практических работ по всему спектру географических задач, информационное обеспечение практикумов, что в конечном счете компенсирует локальность исследовательского уровня обучающей ГИС.

В силу важности взаимосвязи ГИС и дистанционного зондирования (ДЗ) выявлены особенности применения разработанной концепции обучающих ГИС к географическим исследованиям на базе данных ДЗ. Обоснована необходимость выделения в особый тип обучающих ГИС с преимущественным использованием аэрокосмической информации, которые рекомендуются прежде всего для подготовки специалистов в области картографии и решения задач мониторинга и охраны окружающей среды. Использование аэрокосмической информации в ГИС повышает и требования к территориальному охвату - для таких обучающих ГИС территорий учебно-научных полигонов недостаточно, но тем не менее уровень исследований не должен превышать регионального, а территории полигонов могут играть здесь роль эталонных участков.

Требования к содержательной и пространственной структуре данных. Эти требования определяются перечнем географически важных характеристик территории и набором решаемых учебных задач ГИС-практикума, наличием, доступностью и стоимостью получения исходной информации.

Следует учитывать и тенденцию наращивания объемов доступной для разных пользователей цифровой информации (например, по сети INTERNET), хранящейся как в мировых, так и региональных, ведомственных и т.п. банках данных, что частично снимает зависимость процесса обучения ГИС-технологиям от технических средств. Первостепенную роль играет ис-

пользование в качестве опорных данных информации, получаемой от систем глобального позиционирования - GPS.

Таким образом, ядром обучающей ГИС является база разнообразных интегрированных географических данных, отнесенных к выбранной территории, обеспечивающая комплексное географическое и системное ее изучение, и объединенная учебными заданиями по специальности. Это основной принцип информационного обеспечения обучающей ГИС. Информационное обеспечение (представленные в цифровой форме карты, аэрокосмические снимки, материалы наземных наблюдений, а также данные непространственного характера) - наиболее дорогостоящая часть обучающей ГИС.

Для комплексной характеристики территории и обеспечения типовых учебных заданий минимальная база данных должна включать 10-15 элементарных "слоев" тематических данных и аэрофотоизображения, например: геологическое строение, рельеф (с подразделением на гипсометрию, представленную в виде цифровых моделей рельефа, морфологию и генезис), гидрография, почвенный покров, растительность, ландшафты, населенные пункты и дорожная сеть, использование земель и другие. Аэрофотоизображения целесообразно использовать и как самостоятельные слои такой многослойной базы данных, и в предварительно обработанном виде (выделение содержательной информации, совмещение ее с тематической картой и т.п.), что позволит использовать их в различных географических задачах и моделях.

Выполняя роль и научно-справочной системы, обучающая ГИС служит сводом и обобщением научных знаний об отображенных в слоях ее тематической базы данных природных и социально-экономических явлениях, предназначенным для глубокого изучения их особенностей с целью научного исследования и различной практической деятельности.

Создание и работа с БД предполагает решение нескольких задач, подробно рассмотренных в работе: выбор модели данных, согласование, точность, надежность, достаточность, полнота, уровень генерализации данных с учетом их структуры, которая в большой степени зависит от логического назначения данных и приемлемых форматов, в свою очередь, определяющихся возможностями технических и программных средств реализации ГИС-технологий.

В качестве технических средств для обучающей ГИС предлагается использовать IBM-совместимые персональные ЭВМ, так как в России на данном этапе преимущественно такие компьютеры используются в информационных сетях.

В результате анализа целого ряда коммерческих программных ГНС-пакетов и доступных пакетов прикладных программ, разработанных на географическом факультете МГУ и в других университетах, в качестве базовой программной оболочки первой версии типовой обучающей ГИС для университетов России определен ГИС-пакет ЕРР1.7 (имеется лицензия на использование в учебных ГИС). Выбор в пользу этого пакета объясняется рядом его свойств, обеспечивающих реализацию основного назначения обучающей ГИС:

- простота освоения программ пакета - для освоения основных программных модулей достаточно 2 часов учебного времени; при необходимости, не выходя из программы, можно вывести на экран текст с методическими указаниями к работе;

- адекватность языка обозначений программ языку предметной области - геоинформатики; открытость, возможность расширить круг решаемых задач;

- возможность работы с данными широкого набора графических форматов за счет развитых операций конвертирования;

- отсутствие жестких требований к техническим средствам, обеспечивающее реализацию пакета на 1ВМ-совместимых компьютерах любого класса с любой периферией, что немаловажно для учебных заведений.

Недостатком ГИС-пакета ЕРР1_7 является отсутствие в нем процедур обработки данных в векторном формате и обеспечения их топологии (хотя имеется возможность создания и использования векторных слоев в БД на основе растровых или путем ввода дигитайзером). Однако известно, что наиболее ранними пользователями ГИС были организации, заинтересованные в охране окружающей среды (исследование и контроль), использовании аналитических возможностей ГИС для моделирования процессов в окружающей среде. В этой области доминируют растровые системы. Растровый принцип адекватен построению регулярной сети; он особо эффективен для географических объектов непрерывного размещения. Иерархическая многоуровневая организация регулярной сети (растр, вложенные ячейки сети) позволяет учесть и использовать различия в требованиях к выходному масштабу картографирования и пространственному разрешению.

В обучающих ГИС с преимущественным использованием аэрокосмической информации в силу большого ее объема (в совокупности с картографической), сложности ее тематического и графического содержания повышаются требования к техническим и программным средствам обучающей ГИС - они должны обладать достаточным быстродействием, хорошими видео возможностями для анализа снимков на экране монитора. В качестве

программного обеспечения таких ГИС рекомендована ГИС ЮШЭ!, обладающая функциями обработки и анализа космических снимков и более доступная для учебных заведений, по сравнению с другими растровыми ГИС-пакетами.

Среди набора ГИС-технологий определены и исследованы приоритетные в обучающей ГИС для выполнения географических исследований и картографирования. Это прежде всего технологии, обеспечивающие построение математико-картографических моделей, неоспоримый приоритет которых в ГИС неоднократно отмечался в работах В.Т. Жукова, В.Г.Линника, А.И.Мартыненко, О.Р.Мусина, С.Н.Сербенюка, В.С.Тикунова и многих других отечественных и зарубежных ученых. В обучающие ГИС достаточно включить простые модели, представляющие процесс в обобщенном виде, но не искажающие его, а задача пользователя заключается в правильном выборе метода-модели, адекватной решаемой задаче. Основная возникающая здесь проблема состоит в том, что результат моделирования может быть многовариантным при работе разных алгоритмов с одними и теми же данными, поэтому необходимо в каждом случае оценивать точность и достоверность моделирования.

Другое важнейшее направление - представление взаимосвязей в базе данных и согласование слоев. Применение в географии системного подхода - выделение геосистем разных рангов - находит в ГИС свое выражение в согласованности информационных слоев базы данных. В обучающей ГИС для исследования природных процессов и явлений каждый слой рассматривается как часть комплекса (системы); ключом для анализа природных связей может служить, например, слой ландшафтов.

Вопросы пространственного и тематического согласования слоев базы данных обучающей ГИС должны быть решены до ввода данных в БД, на этапе определения состава, выбора и подготовки к вводу информации в базу данных, т.е. на этапе формирования информационного обеспечения обучающей ГИС. Они предусматривают:

- географическую локализацию явлений не только по координатам, сетке и границам, но также по выявленным связям (индикационную локализацию), по расчетным связям, по методу научной аналогии;

- географическую интерполяцию количественных показателей, также основанную на изучении явления и его территориальных и количественных изменений под влиянием географических факторов;

- географическое обоснование процесса генерализации.

Первый этап генерализации определяет выбор отображаемых в слое БД явлений и показателей, установление их таксономического ранга и количественных ограничений и находит отражение в разработке легенды (таблицы атрибутов этого слоя). Последнее часто связано с техническими возможностями отображения информации на экране монитора - основного средства общения пользователя с обучающей ГИС..

Разработка любой ГИС включает два самостоятельных процесса -создание самой ГИС и пользование ГИС. Оба этих процесса важны для географов, так как участие в первом процессе - это наполнение информационной системы "географическим содержанием", а второй процесс - это овладение геоинформационными технологиями и использование их в конкретных географических исследованиях. Поскольку чаще географ будет выступать в роли пользователя ГИС, то пользовательская подсистема должна быть обязательной частью обучающей ГИС. Это система удобных меню, удобный доступ к базе данных и файлам, удобные средства отображения данных на экране и печатающем устройстве, доступные средства машинной графики. Такой "пользовательский интерфейс" напрямую связан с математическим и программным обеспечением.

Обучающие ГИС должны включать ГИС-технологии, позволяющие реализовать функции экспертных систем, систем принятия решений, основанных на базах знаний. На настоящее время представление и хранение данных, отражающих географические знания - чрезвычайно сложная задача, связанная с проблемой "интеллектуализации" компьютеров. В качестве аналога выработки правил принятия решений в обучающих ГИС целесообразны широко используемые в экспертных системах "продукции" (набор правил, представляемых выражениями "если, то"), позволяющие сразу описать и ситуацию, и действие, и просто реализуемые программно.

Однако обучающие ГИС могут в целом рассматриваться как экспертные системы: в них заложены все три необходимые составляющие: факты (заложены экспертами-географами изначально в каждый слой системы, отражающие качественные и количественные показатели знания ситуации, исследуемого объекта или явления - географические знания.); правила и управляющие подсистемы (процедурные знания оптимального выполнения географических исследований - методические указания).

На обучающие ГИС как экспертные системы возлагается роль учителя и экзаменатора. Они способствуют повышению роли специальных знаний географов и упрощению их передачи от учителя к ученику, создают возможности для уточнения и получения новых знаний, сопоставления между со-

бой конечных и промежуточных выводов. Особенно это важно при оперировании с нечеткими множествами и нечеткими знаниями (как правило, с нечеткими тематическими и пространственными определениями), при тематическом согласовании слоев БД.

Экспертная подсистема обучающей ГИС как подсистема-экзаменатор предназначена для оценки полученных результатов решения поставленной задачи (а значит и знаний студентов). Наиболее рационально реализовать такую систему путем создания специальной базы эталонных вариантов решения (правильно определенных классов) и программы для оценки и сопоставления их с получаемыми результатами (классами) на основе построения матрицы соответствия. Для оценки используется такой показатель, как количество правильно полученных результатов - классов (в %), вычисляемый в виде индекса «-(карра Козна), вносящего поправку на случайность:

*■= (а-ч)/(ы-ц),

где с1 - число случаев правильного получения результата (сумма значений, стоящих на диагонали матрицы соответствия); р - число случайных результатов, вычисляемое через число случайных результатов в строках (пг ) и столбцах (пс) матрицы соответствия как q = п,-пс /Ы; N - общее число элементов матрицы соответствия.

К созданию обучающей ГИС нужно подходить как к единой постоянно усложняемой и наращиваемой многоцелевой системе с многовариантным использованием, отдельные блоки которой могут формироваться и существовать относительно самостоятельно. Однако при проектировании этих блоков в них должна быть заложена возможность простой интеграции в общую систему с заранее определенной структурой и архитектурой. Здесь следует отметить и еще одну возможную ее роль, а именно, роль экспериментальной ГИС для отработки трудоемких и наукоемких процессов создания полномасштабных ГИС.

Глава 3. Типовые обучающие ГИС с тематическими базами данных для учебно-научных полигонов и станций университетов (на примере ГИС "Сатино" Московского университета)

Концепция типовой обучающей ГИС для учебно-научных полигонов и станций университетов России практически реализована в ГИС "Сатино", первая версия которой создана в результате коллективных работ кафедр географического факультета Московского университета в рамках программы

"Университеты России" по линии Межуниверситетского аэрокосмического центра, действующего при факультете.

Автором разработаны структура ГИС, ее информационного и программного обеспечения, архитектура и содержание тематической базы данных, практическая методика пространственного согласования слоев базы данных, позволившая создать основные и вспомогательные слои БД на основе цифровых материалов кафедральных информационных блоков; на базе выполненного анализа коммерческих ГИС-пакетов апробирован и предложен в качестве программной оболочки в обучающей ГИС для университетов России ГИС-пакет ЕРР1.7; в его программной среде разработаны программные модули и методики решения географических задач разных типов; создана информационно- поисковая система "Аэро-Сатино".

В процессе выполнения природно-географических исследований в районе учебной практики, проводимых уже в течение 25 лет преподавателями и научными сотрудниками, а также студентами факультета, накоплен ценнейший фонд данных и знаний. На единой топографической основе - топографической карте учебного полигона 1974 г. масштаба 1:10 ООО создана серия тематических карт территории полигона "Сатино". В свою очередь оттиск топографической карты в масштабе 1:10 ООО получен путем монтажа уменьшенных фотокопий с планшетов масштаба 1:5 ООО.

Кроме картографических материалов в процессе практики используются черно-белые и спектрозонапьные отпечатки аэроснимков крупных масштабов. Для территории полигона "Сатино" изготовлена на жесткой основе серия фотопланов за разные годы в масштабе 1:10 ООО в местной системе координат, в которой координаты X имеют диапазон 32.0 - 37.5 км, координаты У-51.5-56.0 км.

Эти материалы и послужили исходной информацией при создании слоев БД ГИС "Сатино": Использование материалов на бумажной основе, цифруемых тем или иным способом, - типичная ситуация при создании различных БД. При разработке основы базы данных ГИС "Сатино" и цифровании исходных материалов потребовалась специальная оценка их геометрической точности, методика которой демонстрирует один из возможных практических путей выполнения этой важной процедуры при создании ГИС.

Для создания основы учебной БД в лаборатории аэрокосмических методов осуществлены специальные работы на базе фотограмметрической обработки аэроснимков территории полигона масштаба 1:10000 ((=350 мм) и масштаба 1:25 000 (!=141,50 мм) залета 7.10.1986 г. В качестве геодезической опоры для получения координат использовалась сеть пунктов государ-

ственной триангуляционной и нивелирной сети, а также геодезически определенные высотные и высотно-плановые опознаки на территории полигона.

Выполненные работы позволили создать сеть опорных точек (более 800) - геодезическую сеть для территории полигона, что в свою очередь позволило осуществить оценку точности фотоплана 1986 г. и оттиска топографической карты как основных исходных материалов для формирования базы данных. Расчеты показали, что среднеквадратические ошибки координат точек в плане и по высоте близки к значениям 0,6 - 0,7 м., а максимальные величины ошибок не превышают, как правило, их удвоенных значений. Среднее расхождение координат точек, полученных в процессе фотограмметрической обработки снимков, с координатами соответствующих точек, снятыми с фотоплана, близко к 4 м на местности (60-70 % точек) при максимальных расхождениях 6-7 м (в масштабе снимка это соответственно 0,4 мм и 0,6-0,7 мм). Эти расчеты определили в дальнейшем выбор величины разрешения при цифровании фотоплана как основного слоя базы данных. Полученный размер цифрового изображения соответствует изображению масштаба 1:30 000 при выводе его на стандартный экран монитора 600x800 пикселов.

Структура базы данных ГИС "Сатино" представлена в табл. 1.

Таблица 1

_Структура базы данных ГИС "Сатино"_

ОСНОВНЫЕ СЛОИ

1. Фотоплан

2. Опорные точки

3. Основные контуры

4. Рельеф (горизонтали и гипсометрические слои)

5. Четвертичные отложения

(Приложение: база геологических данных по скважинам)

6. Геоморфология

7. Микроклимат

8. Гидрология

9. Почвы

(Приложения: почвообразующие породы, база геохимических данных)

10. Растительность

11. Ландшафты

12. Использование земель_

ПРОИЗВОДНЫЕ СЛОИ

1. Углы наклона

2. Экспозиция склонов

3. Границы водосборных бассейнов_

АЭРОФОТОИЗОБРАЖЕНИЯ

В качестве основы базы данных ГИС "Сатино" выбраны фотоплан территории учебного полигона за 20 октября 1986 г. и массив опорных точек (часть точек геодезической сети, хорошо опознаваемых на картах и фотоплане). Следует отметить, что при этом границы полигона в базе данных определяются рамкой фотоплана, что несколько превышает действительную площадь территории, но создает удобства при изображении ее на прямоугольном экране монитора.

Атрибутивная информация в слоях кодируется символами цвета цветовой палитры пакета ЕРР1.7 (файлы цвета) и представлена файлами легенд.

В работе дана характеристика и описание каждого из слоев БД обучающей ГИС (часть растровых слоев иллюстрируется на рис.2).

Для территории учебно-научного полигона "Сатино" со времени его создания в 1973 г. накоплен обширный фонд материалов аэрофотосъемки, который в настоящее время включает около 1900 различных снимков. Большая часть из них получена лабораторией аэрокосмических методов, которая в период 1981-1990 гг. проводила регулярные съемки полигона. Для снабжения пользователей информацией об аэросъемочном обеспечении учебно-научного полигона в качестве составного элемента блока получения информации в ГИС "Сатино" разработана информационно-поисковая система - ИПС "Аэро-Сатино". Она представляет собой базу данных воздушного фотографирования территории полигона с характеристиками 1092 снимков и координатной привязкой к местности, автоматизированным поиском и просмотром информации.

Основное назначение созданной обучающей ГИС "Сатино" - способствовать практическому освоению основ геоинформатики и ГИС-технологий, а также методов решения географических задач с их применением путем выполнения практических работ на компьютерах.

Разработана структура ГИС-практикума на базе обучающей ГИС "Сатино", выделены и систематизированы географические задачи, требующие применения геоинформационных методов их решения; для каждого из типов географических задач предложены оптимальные для них способы и даны рекомендации по методике использования ГИС-технологий с применением разработанных программных модулей в программной оболочке ЕРР1-7.

Компьютерный практикум состоит из наборов учебных заданий, включающих работу с различными тематическими базами данных (например, геологических данных), анализ процессов и явлений (например, ландшафтной структуры элементарных бассейнов, изучение динамических процессов),

Рис. 2. Иллюстрация ряда слоев БД ГИС "Сатино": 1 - "Фотоплан" (основа БД), 2 -"Топография", 3 -"Рельеф", 4 -"Геоморфология", 5 -"Ландшафты", 6 -"Почвы" 7 -"Растительность"

построение оценочных и прогнозных моделей (например, оценка качества сельскохозяйственных земель). Практически складывающийся сейчас набор заданий, реализованных частично на летних практиках, проводимых на полигоне в Сатино, и в занятиях по курсам "Геоинформатика", "Космическое картографирование", "Общая геоморфология", "Математические методы и ГИС в физической географии" и др., разработан кафедрами геоморфологии, физической географии и ландшафтоведения, проблемной лабораторией эрозии почв и русловых процессов, лабораторией аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики (большая часть - под руководством и при участии автора).

Эти задачи продемонстрированы на примерах, в которых в качестве исходной информации используются различные слои базы данных (см. табл.2):

- основы геоинформационных технологий для географических исследований и картографирования;

- исследование зависимости использования земель от геолого-морфологических условий (рельефа и четвертичных отложений);

- решение динамических задач на примере изучения динамики распространения лесов по разновременным снимкам и картам;

- количественные оценки и картографирование эрозионно-опасных земель на основе реализации эмпирической модели ливневого смыва, базирующейся на универсальном уравнении Уишмейера - Смита (ГАЛарионов, 1993).

Глава 4. Реализация концепции обучающей ГИС при использовании баз данных дистанционного зондирования

Представлена практическая реализация концепции обучающих ГИС на примере создания и использования базы данных, содержание которой составляет преимущественно аэрокосмическая информация.

Такая обучающая ГИС реализована в виде "аэрокосмического блока" в ГИС на район Мончегорска, выбранного в качестве примера обучающей ГИС с преимущественным использованием аэрокосмической информации по ряду причин. Территориально и по природным условиям район исследований близок к району дальней учебной практики в Хибинах студентов географического факультета МГУ (картографы, геоморфологи, метеорологи, кафедра РПП) и отсюда возможность верификации информации. Задачи, решаемые этим блоком в ГИС, типичны и актуальны и в совокупности с разнообразием используемой исходной информации предоставляют возможности

Таблица 2

Пример задач компьютерного ГИС-практикума

N Задача ГИС-технологии

1. Основы геоинформационных технологий для географических исследований и картографирования Представление и преобразование данных в растровом и векторном форматах Пространственное совмещения и согласование слоев на основе методов трансформирования и разных вариантов выполнения процедуры оверлея Построение буферных зон Выполнение морфометрических вычислений и операций создания производных слоев по цифровой модели рельефа (углы наклона и экспозиции склонов, границы водосборных бассейнов)

2. Исследование зависимости использования земель от геолого-морфологических условий (рельефа и четвертичных отложений) Выделение контуров заданных типов использования и соответствующих им типов рельефа (рекласс и оверлей) Вычленение тех же контуров на карте четвертичных отложений Получение статистических характеристик связи исследуемых объектов путем подсчета площадей

3 Изучение динамики лесных земель за несколько лет по разновременным материалам (схемам дешифрирования фотопланов) Составление подпрограммы выделения динамических категорий (конструкции "если...-то") с учетом видов замещений земель и технических условий Составление карты динамики на основе совмещения разновременных схем дешифрирования лесов Подготовка легенды карты, компоновка карты и легенды Подсчет площадей различных категорий земель Составление запроса к базе данных по годам рубок леса для анализа причин и тенденций изменения лесных земель

4. Составление карты динамики распространения лесов за 120 лет по современным снимкам и старым картам Измерение яркости и анализ гистограммы яркостей Яркостное квантование снимка для выделения лесов Измерение координат опорных точек Трансформирование снимка в проекцию карты Составление подпрограммы выделения динамических категорий (конструкции "если - то") Подготовка легенды карты и матрицы динамики Составление карты динамики на основе совмещения снимка и старой карты по составленной подпрограмме; компоновка карты и легенды Определение соотношения площадей выделенных на карте объектов

5. Прогнозирование развития эрозионных процессов Построение слоев факторов длины и крутизны склона, соответствующих эмпирическим коэффициентам уравнения Уишмейера-Смита на основе слоев использование земель (маска пашен), углы наклона и рельеф Составление подпрограммы расчета интенсивности эрозии в зависимости от параметров стока на основе оверлея построенных слоев Составление карты оценки эрозионной опасности почв

для демонстрации применения разных ГИС-технологий на примере другого круга и масштаба исследований по сравнению с задачами обучающей ГИС для учебно-научных полигонов.

Аэрокосмический блок ГИС района Мончегорска разрабатывался в рамках совместного проекта "База данных по окружающей среде Арктики: программа для Российской Федерации", выполняемого Географическим факультетом Московского университета и двумя организациями Великобритании (Кембридж) - Институтом полярных исследований (БРШ) и Всемирным центром по охране и мониторингу окружающей среды (\Л/СМС). В задачи автора входила разработка компьютерных методик обработки снимков, структуры ГИС и содержания ее базы данных. В работе принимали участие и студенты (курсовые и дипломные работы, компьютерный практикум для студентов кафедр рационального природопользования (РПП) и картографии и геоинформатики). В созданном блоке ГИС заложен многолетний опыт визуального и компьютерного дешифрирования снимков, накопленный в лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ. Объединение аэрокосмического блока в единую базу данных с многочисленными материалами исследований техногенного воздействия на окружающую среду в этом районе (метеорологическими, геоморфологическими, геоботаническими, ландшафтными, геохимическими, экономико-географическими др.) позволит создать полномасштабную проблемную ГИС и расширить сферу ее применения в качестве обучающей.

Разработаны структура подсистемы обработки и анализа азрокосмиче-ской информации в этой ГИС, отражающая набор географических задач, связанных с исследованием состояния растительности как индикатора состояния экосистемы, и набор методов - ГИС-технологий, позволяющих по разному подойти к ее решению. Предлагаемая структура обучающей ГИС определяется не только методическими соображениями, но и доступной информацией для создания слоев базы данных.

База данных обучающей ГИС состоит из двух частей: исходной информации и результатов ее обработки разными методами, используемых для проверки результатов выполнения заданий ГИС-практикума. Она содержит следующие слои информации:

Исходная информация

1. Фрагмент топографической карты территории (основа БД), М 1:200 ООО

2. Космические снимки, полученные системой Ландсат МББ, в 4-х зонах за несколько дат (1978, 1985, 1986 и 1992 гг.).

3. Карта результатов полевого и визуального дешифрирования состояния растительности по снимкам, М 1:200 ООО

Тестовая информация

1. Карты вегетационного индекса растительности, построенные по снимкам за разные даты

2. Карты классификации состояния растительности, полученные по снимкам за разные даты и разными геоинформационными методами

3. Карта изменений состояния растительности за период 1986 -1992 гг.

Разработанная целесообразная последовательность применения методических приемов и обоснование их выбора для решения поставленной задачи по данным космическим снимкам направлены на обеспечение понимания принципов дешифрирования снимков на основе спектральных яркостей и овладение спецификой большинства из основных ГИС-технологий, применяемых при обработке данных ДЗ. Представлены следующие четыре типа заданий ГИС-практикума, объединенные общей темой "Оценка состояния экосистемы на основе использования космических снимков и ГИС-технологий".

1. Исследование спектральной отражательной способности.

Эта задача рассматривается в качестве вводной работы ГИС-практикума, дающей ключ к пониманию природы и яркостной структуры де-шифровочных признаков изучаемых объектов. В работе осуществляется построение кривых спектрального образа различных классов растительности с использованием оверлея слоев БД (зональных снимков и карты контуров объектов полевого и визуального дешифрирования).

2. Дешифрирование состояния растительности по многозональным космическим снимкам с использованием стандартных алгоритмов, широко применяющихся для дешифрирования объектов на космических снимках по спектральным признакам - кластеризации, "параллелепипеда", максимального правдоподобия; в задание входит оценка (сравнение) результатов, полученных разными способами.

3. Дешифрирование снимков за одну дату на основе пороговых значений дешифровочных признаков.

В работе применен разработанный оригинальный эвристический алгоритмический подход, целесообразный при дешифрировании снимков за одну дату; в качестве дешифровочных признаков выбраны относительные признаки, определяемые отношением зональных яркостей снимка Вк/Вик, значением нормализованного вегетационного индекса ЫО\/1, а также при-

знаки, получаемые путем синтеза изображений, преобразованных методом главных компонент; показан прием определения пороговых значений этих признаков для разных дешифрируемых объектов для каждого снимка.

4. Исследование и картографирование динамики природных процессов. Работа заключается в освоении разработанного набора методических приемов для исследования и картографирования динамики природных процессов, включающих следующие процедуры:

-коррекция снимков с учетом параметров съемочной системы (сенсора) и освещенности по методике NASA [Markham, Barker, 1986] (процедура, необходимая при работе со снимками Ландсат MSS), в процессе которой устраняется дисбаланс детекторов, изображения приводится в единую картографическую проекцию; это позволяет сделать разновременные снимки максимально сравнимыми (при условии, что сезонные различия минимальны, а облачность отсутствует);

- классификация по методу максимального правдоподобия с использованием обучающих выборок, создаваемых на основании данных наземных обследований по синтезированному изображению откорректированного на предыдущем этапе снимка, ближайшего по дате ко времени выполнения полевых работ; классификация проводится в несколько этапов до получения устойчивых результатов;

- перенос границ обучающих выборок, как векторных полигонов, по координатам на снимок за более раннюю дату, с учетом погрешностей трансформирования снимков, проверкой однородности новых выборок, отбрасыванием участков с явными динамическими изменениями и выполнение процедуры классификации;

- оценка результатов классификации: а) путем визуального экспертного анализа, с привлечением всех известных данных; б) путем проверки по координатно привязанным точкам наземных наблюдений, не использованным при наборе обучающих выборок; в) путем оценки статистических характеристик выборок и итоговых классов;

- оценка динамики техногенного воздействия путем компьютерного сопоставления результатов классификации разновременных снимков и составления соответствующей карты динамики; проводится географический анализ полученной карты с привлечением всей имеющейся информации и делается вывод о природе выявленных изменений (см. рис.3, табл.3).

Выполнение описанных процедур особенно важно для картографов, поскольку показывает все этапы использования снимков при создании карт.

HOKiM

Рис. 3. Фрагмент карты изменения состояния лесной растительности за 1986-1992 rr I. Лесная расти-, тельность: 1 - нет изменений, 2 - ухудшение, 3 - улучшение; II: 4 - участки тундр и водные объекты

Таблица 3

Обобщенная матрица изменений состояния лесной растительности и других объектов за 1986 -1992 гг.

Л ii i 11/чимп мпчллл ■ >•» илмпч iixiiniininii'i nm nnm nnni n 1/1 ta piisai iai it лЛ| i |л|"| пплш'мт!

годы 1 9 9 2

Сокращенные определения классов NN классов 1 2 3 4 5 6

техногенные пустоши с полностью уничтоженным растительным покровом, жилая застпойка. поомзоны.каоьеоы. гапи 1 1 1 60.8 3 7% 14 90 7

техногенные пустоши с почти полностью уничтоженным растительным покровом 2 2 18.8 1 0% 13 144. 9 4.8%

сильно поврежденные леса (80-100 % погибших деревьев) 9 3 7 17.6 9 3 10.6 0 6% 7.7 %

существенно поврежденные леса (60-80 % погибших и отмирающих де-оевьев) 8 4 0.9% 21. 1.1 6 % 4 23.2 1 7%

частично повреяеденные леса (40-60 % погибших и поврежденных пеоевьев> 5 8 10 11 5 239.8 12 8% 15 266 1 14 7%

слабо поврежденные леса (до 40% поврежденных деревьев), болота, сельскохозяйственные земли 6 6 37.8 2.0% 17. 5 0.9 % 70.3 3,7% 12 278.5 14.9% 6 573.8 30 в%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной итог диссертационного исследования: впервые теоретически разработана и практически апробирована концепция создания географических информационных систем особого типа - обучающих ГИС для географических исследований и картографирования. В основу концепции положено утверждение о том, что обучающая ГИС - это специализированная проблемно-ориентированная геоинформационная система двоякого назначения: 1) для решения общей проблемы внедрения ГИС в науки о Земле и развития геоинформационной инфраструктуры страны; 2) для обеспечения высшего профессионального образования, аккумулирования опыта и знаний ведущих специалистов в этой области.

В процессе исследовании получены следующие результаты:

1. Разработано научно-методологическое обоснование создания обучающих ГИС для наук о Земле, базирующееся на научно-познавательной сущности и системной роли геоинформатики как научной дисциплины, изучающей природные и природно-общественные геосистемы путем создания и комплексного исследования их цифровой информационной модели с применением математических методов и информационных технологий.

2. Сформулированы базовые положения фундаментального природоведческого ГИС-образования, основанные на интеграции профессиональных знаний, методов и средств исследований специалистов природоведческой и технической специализации. Одно из основных положений -превалирование в овладении геоинформационными технологиями географического направления над техническим, способствующее повышению эффекта внедрения ГИС-технологий в науки о Земле.

3. Определены основные функции, базовые составляющие, принципы информационного и алгоритмического обеспечения обучающей ГИС:

а.) функции - междисциплинарное интерактивное компьютерное средство фундаментальной подготовки специалистов с приоритетом практической направленности на решение задач двуединого содержания - предметно-тематического и информационно-технологического;

б) базовые составляющие: решаемая проблема - пространственные данные - технические и программные средства реализации ГИС-технологий, удовлетворяющие следующим требованиям: требования к территориальному уровню - наиболее методически целесообразен локальный уровень для территорий учебно-научных полигонов и станций; требования к содержанию ГИС - ядром обучающей ГИС является база разнообразных интегрированных географических данных, отнесенных к выбранной территории,

обеспечивающая комплексное географическое и системное ее изучение и объединенная учебными заданиями по специальности; требования к содержательной и пространственной структуре данных, принципы информационного и алгоритмического обеспечения определяются перечнем географически важных характеристик территории, множеством типов операций с данными, набором решаемых учебных задач ГИС-практикума, включающего типичные задачи, возникающие при географических исследованиях, и основной набор компьютерных технологий обработки пространственной информации.

В качестве перспективного направления в области создания обучающих ГИС определена организация сети таких ГИС для ключевых участков университетов страны в различных природно-климатических зонах, которая обеспечит постановку практических работ по всему спектру географических задач и возможность создания типовой обучающей ГИС для университетов России.

Обоснована необходимость выделения в особый тип обучающих ГИС с преимущественным использованием азрокосмической информации, которые рекомендованы прежде всего для подготовки специалистов в области картографии и решения задач мониторинга и охраны окружающей среды.

4. Разработаны и реализованы в обучающих ГИС оригинальные методики применения ГИС-технологий для решения типовых географических задач с использованием аэрокосмических снимков и карт, включающие: овладение основами геоинформационных технологий для географических исследований и картографирования; дешифрирование и инвентаризационное картографирование на примере использования земель, решение оценочных задач на примере оценки эрозионной опасности земель; изучение динамики географических объектов на примере изменения в распространении лесов и состоянии растительности.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Геоинформатика. Учебные геоинформационные системы. Учебно-методическое пособие. Изд-во Московск. ун-та, 1997, 114 с.

2. Космические методы изучения среды. Автоматизированный аэрокосмический практикум. Учебно-методическое пособие /Под ред. А.П. Капицы, Ю.Ф, Книжникова, изд-во Московск. ун-та, 1990, 144 с. Коллектив авторов

3. Автоматизированная обработка космических снимков при решении задач рационального природопользования //Вестник Моск. ун-та, сер.5, География, 1990, №4,С.32-37 (соавтор Кравцова В.И.)

4. Автоматизированное дешифрирование аэрокосмических снимков при подготовке природоведов в высших учебных заведениях //Известия Высш. учебн. завед. "Геодезия и аэрофотосъемка", 1990, №6, С.82-89 (соавторы Книжников Ю.Ф. Кравцова В.И.)

5. Учебная геоинформационная система: облик, проект создания // Вестник Моск. ун-та, сер.5 География,1991, №З.С.ЮЗ-108 (соавторы Бал-дина Е.А. Книжников Ю.Ф)

6. Геоинформационные системы в практике управления природопользованием //Вестник Моск. ун-та, Сер.5, География, 1991, №5, С. 97-98 (соавтор Балдина Е.А.)

7. An Educational Geographic Information System for Training of Geographers in Universities //Conference proceedings of Third European Conference on GIS (EGIS'92), Munich, Germany, 1992, v2, pp.1614-1617, (соавтор Книжников Ю.Ф)

8. Географические информационные системы //Геодезия и картография 1992, № 8 С.56-57 (соавтор Тикунов B.C.)

9. Геоинформационные технологии в учебной подготовке географов // М1жужверситетський навчально-методичний семжар "Досв1д досконалення навчапьного процесу з топографП та картографН на географмних факультетах унюерсителв", Травень, 1993, Харьюв, 1993, С.8-10

10. Проблемы аэрокосмического эколого-географического картографирования //География. Программа "Университеты России". Изд. Московск.ун-та,1993.С.242-250 (соавторы Книжников Ю.Ф, Кравцова В.И)

11. Геоинформационные технологии в университетской подготовке географов (Современное состояние ГИС- образования в России) // Геоинформационное картографирование, Московск. центр Русского географич. общества Москва,1993,С.59-65

12. GIS Education in Russian universities:modern state and prospects //Conference proceedings of Fifth European Conference on GIS (EGIS/MARI'94), Paris, France, March 29-April 1,1994, pp.557-562

13. ЕРР1_7-программное средство ГИС для начинающих и искушенных // ГИС-обозрение, весна 1994, С.25-26 (соавтор Кошкарев А.В)

14. GIS Education in Russia //Notes on GIS Education in selected European countries. EGIS Foundation, Utrecht/Amsterdam, March, 1994, pp.64-67

15. Geoinformation and Environmental Aspects of the Activities of the Interuniversity Aerospace Centre //Proceedings of InterCarto: GIS for Environmental Studies and Mapping Conference, Moscow, Russia, 23-25 May 1994, pp.71-73 (соавторы Книжников Ю.Ф, Кравцова В.И)

16. Проблемы ГИС образования в России//ГИС-обозрение, весна 1994, С.52-53 (соавторы Берлянт А.М., Капралов Е.Г.)

17. Коммерческие ГИС. Учебное пособие II Материалы Всероссийского Форума "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес" Гос. Академия нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 6-11 июня 1994. 8 с.

18. Аэрокосмическое зондирование и геоинформатика. Учебные геоинформационные системы//ГИС-обозрение, весна 1995, М. С.51-52

19. Учебные геоинформационные системы в университетской подготовке географов //Материалы международной конференции ИНТЕРКАРТО 2: ТИС для изучения и картографирования окружающей" среды (26-29 июня 1996), Иркутск, 1996,С. 122

20. Картографирование техногенных повреждений северотаежной и тундровой растительности по многозональным космическим снимкам с использованием спектрального образа объектов съемки (на примере района Мончегорска) //Создание картографических произведений по материалам космической съемки. М., ЦНИИГАиК, 1995, С.44-55 (соавтор Кравцова В.И.)

21. Mapping of Industrial Disturbed Northern Taiga and Tundra Vegetation by Multiband Space Images with Spectral Signatures Use (Monchegorsk Area as a Case Study) //Proceedings of 17 International Cartographic Conference, Barcelona, 1995, p.398-402 (соавтор Кравцова В.И.)

22. Russian Interuniversity Aerospace Centre for Cartographers and geographers Education in Remote Sensing //Proceedings of 17 International Cartographic Conference. Barselona, 1995, p.393-397 (соавторы Книжников Ю.Ф, Кравцова В.И)

23. Problems of aerospace ecological geographical mapping //Geography. Program "Universities of Russia", block II, Moscow University Pablishing House, 1995, pp.219-225 (соавторы Книжников Ю.Ф, Кравцова В.И)

24. Изучение динамики распространения лесов Московского региона с использованием геоинформационных технологий //Вестник Моск. ун-та, серия География, 1995, №3, С.76-82 (соавторы Кравцова В.И. Тутубалина О.В)

25. Концепция геоинформационного образования на 8 школе-семинаре Межуниверситетского аэрокосмического центра //Вестник Моск. ун-та, серия География. М. 1995, №4,С.93-94 (соавторы Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И.)

26. Дешифрирование последствий техногенного воздействия на растительность по многозональным космическим снимкам с использованием спектрального образа объектов съемки (на примере района Мончегорска)

//География и природные ресурсы, 1995, №3, С.143-149 (соавторы Кравцова, В.И. Рессле А.И.)

27. A New Approach to Aerospace Education: the Interuniversity Aerospace Centre Global Change and Geographical Education: Proceeding of the Special Conference of the IGU Commission on Geographical Education /Editors J.Lidstone, E.Romanova and A.Kondakov. Moscow State University, 14-18 August 1995, pp.91-95 (соавторы Книжников Ю.Ф, Кравцова В.И)

28. Method for Computer Classification of Industrial Impact on Northern Vegetation Using Space Images //Earth Space Review, Vol.5, №.2, USA, 1996, pp.18-23. (соавторы Кравцова В.И., Рессле А.И, Тутубалина О.В.)

29. GIS in Training on Geographers in the Moscow State University //Conference Proceedings "GIS Frontiers in Business and Science" and ICA MAP Commission Session. April 20-24, 1996, Brno, Czech Republic, pp. Vll-2 - VII-5. (соавтор Тикунов B.C.)

30. The Conception of GIS Education for Geographers in Universities //Abstract Book of 28th International Geographical Congress "Land, Sea and Human Effort, the Hague, August 4-10, 1996. Utrecht, 1996, pp.224-225. (соавтор Книжников Ю.Ф)

31. GIS practical work for geographers in universities //Conference proceedings of Joint European Conference on Geographical Information (JEC 97) Austria, Vienna, 16-18 April, 1997, pp.757-761

32. Mapping of dynamics of industrial damage to vegetation in Monchegorsk region by multitemporal satellite images computer processing //Proceedings 18th ICA/ACI International cartographic conference ICC 97, Stockholm Sweden, 23-27 June 1997, v.1, pp.67-73 (соавторы Кравцова В.И., Тутубалина О.В.)

33. A Method for Space Image Computer Processing to Study the Dynamics of Technogenic Impact on Vegetation //Russian Space Bulletin, 1997, v.4, №2, pp.29-32 (соавторы Кравцова В.И., Тутубалина О.В.)

34. Теоретико-методологические и прикладные задачи учебных ГИС для подготовки специалистов в области наук о Земле // Картография на рубеже тысячелетий. Сб. докл. I Всеросийской научной конференции по картографии (Москва, 7-10 октября 1997), М. 1997, С.594-598

35. Обучающие ГИС для наук о Земле II Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. Москва, ГИС-Ассоциация №1(13), 1998, С.86-89.