Основы использования геоинформационных систем в образовании

Рецензенты:

Шептуховский М. В. — доктор педагогических наук, заведующий кафедрой географии и методики обучения ФГБОУ ВПО «ШГПУ».

Введение

Если задать вопрос: «Что такое геоинформатика?», то вряд ли Вы сможете сразу легко на него ответить. Скорее всего, в Вашем сознании этот сложный термин разложится на две составляющие: «гео» — что-то связанное с Землей и «информатика» — наука, имеющая отношение к компьютерам. В этом случае Вы будете недалеки от истины, так как геоинформатика — это научная дисциплина, изучающая принципы, технику и технологию получения, накопления, передачи, обработки и представления данных о пространственно-временных явлениях. Это сложное научное определение скрывает за собой сущность, которая Вам хорошо знакома. Кроме того Вы сталкиваетесь с ней каждый день. При просмотре телевизора Вы часто встречаетесь с электронными интерактивными картами, на которых отображаются происходящие в мире события. Когда Вы играете в компьютерные игры, то оказываетесь в условном пространстве, практически всегда снабженном картой или навигатором. Во всех современных мобильных телефонах есть модуль определения местоположения, сходный по функциям с GPS, а также приложение из серии Google Maps, на котором отображается электронная карта и космоснимок (иногда даже крупного масштаба). Вам уже очевидно, что качественное учебное или научное исследование по естественным наукам без использования геоинформационных технологий сегодня выполнить практически невозможно. При этом базового курса географии средней школы для освоения всего многообразия продуктов современной геоинформационной индустрии уже недостаточно. Именно поэтому и потребовалось издание этой книги. В ней Вы найдете ответы на многие вопросы, связанные с геоинформационными технологиями, а также откроете перед собой новые горизонты их использования.

Широкое распространение геоинформатики требует от нас хорошего развития географического мышления. В XXI веке внедрение компьютерной техники в российское образование является одним из важнейших направлений его модернизации [Роберт, 2009]. Недостаточно развитая информационная культура препятствует освоению современных программных продуктов и не позволяет реализовать те возможности, которым обладают существующие инновационные разработки.

Значительные затруднения у большинства учащихся школ возникают при изучении сложного прикладного программного обеспечения, к которому относятся геоинформационные системы (ГИС). ГИС все активнее используются в повседневной жизни и уже давно стали стандартом при проведении учебных, научных и инженерных исследований в сфере естественных наук [Трифонова, 2005; Капралов, 2008]. Современные ГИС являются по своей сути программными продуктами, которые предоставляют пользователю инструменты для обработки пространственно-временной информации (обычно привязанной к некоторой части земной поверхности) и используемые для управлению ею [Толковый, 2009].

Однако огромные функциональные возможности ГИС могут быть в полной мере реализованы Вами только в случае разрешения затруднений, возникающих в процессе их изучения. Важнейшие из которых связаны с тем, что помимо освоения общих принципов работы с информацией при выполнении геоинформационных проектов необходимо синтезировать данные, полученные из разных источников (GPS, карты, базы данных и др.), а также выполнять «привязку» всех пространственных и связанных с ними атрибутивных материалов к единой системе координат. Это требует от Вас владения широким спектром компетенций: от базовых знаний теории и практики работы с информационными и коммуникационными технологиями (ИКТ) до использования основ программирования и серьезной географической подготовки (без знания основных категорий картографии невозможно выполнить даже простейший ГИС-проект).

Настоящее пособие призвано снизить выраженность указанных проблем, оно построено по принципу ответа на вопросы, которые могут возникнуть при проведении самостоятельной исследовательской работы. Ответить на некоторые вопросы Вы можете самостоятельно, тогда читать пояснение будет вовсе не обязательно. Последовательно знакомясь с содержанием книги, Вы сформируете представление о широком спектре возможностей, которыми обладают современные ГИС, а также о сфере их возможного применения. После каждой темы приведен перечень контрольных вопросов и заданий. Цифровые материалы, необходимые для их выполнения, приведены на сайте http://geotown.ru/htm/educatio.html.

Появление данной работы стало возможным благодаря помощи и советам доктора педагогических наук М. В. Шептуховского, развивающего направление информатизации образования в сфере естественных наук. Автор искренне благодарит его за плодотворные идеи, доброжелательную критику и ценные замечания, высказанные при обсуждении рукописи.

1. Теория геоинформатики

Ознакомившись с этим разделом пособия, Вы узнаете, что такое геоинформатика и геоинформационная система, как создаются электронные карты и какие моменты Вы должны учитывать при разработке своих проектов.

Можно ли провести самостоятельное учебно-научное исследование по естественным наукам без использования картографических материалов?

Географическая карта является своеобразной образно-знаковой моделью действительности [Занков, 1999], которая необходима для определения местоположения какого-либо объекта или явления на земной поверхности. При этом подавляющее большинство школьных исследовательских проектов направлено на изучение природных и социальных процессов, которые имеют четкую пространственную локализацию. Например, изучая экологическое состояние территории, Вы должны определить ее пространственное положение по отношению к сторонам горизонта и соседним объектам, указать преобладающие типы растительности и расположение точек неблагоприятного антропогенного воздействия. Сделать это в традиционной текстово-табличной форме можно, но это, во-перв ых, затруднительно, а во-вторых, нерационально с точки зрения сложности последующего использования информации. Графическая форма представления данных в этом случае является более выигрышной, так как она позволяет быстро и наглядно представить себе процесс или явление. В качестве примера приведем результаты исследования по оценке радиационного фона на территории рекреационной зоны р. Теза.

Попробуйте по приведенной таблице за 5 секунд определить, в какой точке радиационный фон выше и ниже всего. А теперь сделайте то же по рисунку. Очевидно, что графическое представление информации является более информативным и позволяет обрабатывать большее количество материала.

В исследованиях по географии, биологии, экологии и истории, которые, как правило, посвящены изучению природных или социальных явлений и процессов, имеющих точную локализацию на земной поверхности, использование картографических материалов является необходимым условием эффективного выполнения проекта. Поэтому нам необходимо определиться с теми средствами, которые необходимо использовать для создания собственных карт.

Что такое ГИС?

Если говорить строго, то ГИС — это инструменты для обработки пространственно-временной информации (обычно привязанной к некоторой части земной поверхности) и используемые для управления ею. Геоинформационные системы в общем случае представляют собой не только информационные системы для географии (геологии, геодезии), но имеют более широкое значение и применение. Приставка «гео» означает использование «географического», т.е. пространственного принципа организации информации [Толковый, 2009].

При этом нужно разграничивать понятия «геоинформационные системы» и «геоинформационные технологии».

Геоинформационные технологии — совокупность методов и приемов практического использования достижений геоинформатики для манипулирования пространственно-временными данными, их сбора, представления и обработки, в том числе анализа. Геоинформационные технологии возникли на стыке географии, информатики, теории информационных систем и картографии. В настоящее время геоинформационные технологии становятся междисциплинарным интегрирующим средством, позволяющим объединять и изучать любые пространственно-временные и тематические данные [Толковый, 2009].

Как работают ГИС?

Мы уже знаем, что под ГИС понимают прикладные компьютерные программы, которые позволяют анализировать размещение объектов, процессов и явлений по территории с учетом правил картографии и проводить работу по сбору, хранению, анализу и отображению пространственной и атрибутивной (электронные таблицы) информации. В самом первом приближении ГИС можно представить как единый комплекс редактора растровой (Paint, Adobe Photoshop) и векторной (Corel Draw) графики с редактором электронных таблиц (MS Excel, Ststistica). При использовании такого «комбайна» мы можем анализировать графическую и статистическую информацию, интегрировать ее и отображать в удобном виде. Представление о функциональных возможностях современных ГИС дает следующий рисунок.

Примером принципиальной структуры ГИС является следующий рисунок, иллюстрирующий работу с базой данных «Шуя».

Указанная база данных создана с использованием средств ГИС ArcGIS 10.0. Она представляет собой электронную карту города, которая состоит из последовательности слоев, каждый из которых представляет собой аналог прозрачной пленки. Слои накладываются один на другой и формируют составное изображение. Пользователь может включить или отключить отображение слоя, соответственно карта будет изменяться в зависимости от решаемых задач. Важной составной частью ГИС является встроенный редактор электронных таблиц (во многом аналогичный MS Excel). Электронная таблица содержит текстовую и цифровую информацию, а также гиперссылки и позволяет проводить ряд статистических операций. При этом каждый объект, нанесенный на карту, отображается в таблице, и наоборот. Есть у ГИС еще одно важное преимущество по сравнению с другими прикладными программами — они позволяют отображать информацию с учетом кривизны земной поверхности (о системах координат и проекциях мы поговорим ниже).

Если бы ГИС могли только интегрировать графическую и табличную (атрибутивную) информацию, они уже были бы мощным средством анализа географической информации. Но на этом функциональные возможности ГИС не ограничиваются. Современные ГИС представляют собой не просто электронное хранилище информации, они являются интерактивным инструментами взаимодействия с картами. Мы можем совмещать информацию из разных источников, проводить расчет статистических показателей, выводить результаты расчета в виде деловой графики, строить цифровые модели рельефа и выполнять другие операции. Таким образом, использование ГИС заменяет целый ряд специализированных компьютерных программ.

Зачем нужно использовать ГИС?

Как мы уже узнали изучение ГИС требует серьезной подготовки и сопряжено со значительными затратами времени и сил. Поэтому ответ на поставленный вопрос зависит от Ваших конечных целей и может быть выражен следующей аналогией — если требуется посадить растение, то достаточно использования обычного садового совка, а для разработки песчаного карьера уже не обойтись без экскаватора. Если Вашей главной задачей является создание «картинки», на которой будут отмечены «кружочки» (пунсоны), то вполне можно ограничиться использованием базового набора компьютерных программ (Paint, MS Office и др.). В принципе, создать элементарную карту можно и в многофункциональном текстовом редакторе MS Word. Правда изображение, как правило, будет не столь точным и эффектным, как хотелось бы создателю. Если же Вашей целью является получение достойного (ожидаемого) результата, за который будет не стыдно ни перед коллегами, ни перед самим собой, то, разумеется, необходимо использовать профессиональные средства. Термин «профессиональные» здесь используется не для того, чтобы испугать начинающих пользователей, а для того, чтобы указать на широкий спектр возможностей, которыми обладают эти программы.

Примером использования разных технологий при создании картографических материалов являются приведенные ниже карты. Первая из них отражает плотность сельского населения по муниципалитетам Ивановской области (создана в программах Paint и MS Word). Вторая иллюстрирует общую численность населения на 01.01.2009 г. (изготовлена с использованием полнофункциональной ГИС Arc GIS 10.0).

При сравнении иллюстраций сразу бросается в глаза то, что на карте, созданной в ГИС, точность отображения информации принципиально выше. Кроме того на изготовление этой карты ушло всего около 10 минут (не считая времени на создание картографической основы). Нужно отметить, что при использовании традиционной технологии карта создается несколько часов.

Даже без учета скорости создания проекта, возможности интеграции материалов, точной координатной привязки, совмещения данных и других параметров сравнение результатов выполнения работы позволяет определить перспективы использования ГИС.

Как описываются пространственно распределенные объекты и явления в ГИС?

Выше мы рассмотрели основные функциональные возможности ГИС и определили, что они работают с двумя основными моделями данных: пространственными и атрибутивными. Теперь пришло время познакомиться с каждой из них подробнее.

Пространственные данные описывают пространственное положение явлений. Представить их можно ответив на вопросы: «Где?», «Какой формы?» и «Какой ориентации?» объект изучается. Обычно пространственные данные отображаются в виде графических объектов на карте (собственно рисунка).

Атрибутивные данные описывают свойства явлений и позволяют ответить на вопросы: «Что?», «Как много?» и «Когда?». Атрибутивные данные обычно хранятся в электронных таблицах или базах данных.

Как уже понятно из предыдущего изложения ГИС позволяют интегрировать пространственные и атрибутивные данные и составлять в результате единую информационную систему.

Как представляются данные в среде ГИС?

После освоения базовых сведений о геоинформатике, пришло время перейти к общим принципам представления данных в среде ГИС. Для получения качественного результата по созданию ГИС-проектов эти принципы нужно неукоснительно соблюдать!

1. Один слой электронной карты должен содержать один семантический тип явлений (рельеф, гидрография, транспортная сеть и т.д.). Например, в слое, посвященном горизонталям, не должно быть гидрологических объектов. При нарушении этого принципа даже при внешне «правильном» рисунке будет невозможно выполнить даже простейшие операции геоинформационного анализа данных.

2. Необходимо грамотно выбирать какой способ представления пространственных данных необходимо использовать (растровый или векторный). Каждый из этих способов имеет свои характерные сильные и слабые стороны, о которых мы поговорим ниже. Неправильный выбор способа представления данных обычно приводит либо к снижению качества отображаемой информации, либо к сложностям ее обработки (увеличении времени на выполнение даже простейших операций).

3. Управление большими массивами информацией из разных источников эффективно выполняется при использовании средств управлениями базами данных (СУБД). Не нужно бояться этого громкого названия. Для выполнения учебных исследований, как правило, используются такие методы разработки и наполнения баз данных, которые не вызывают значительных затруднений даже у новичков.

4. Особенно внимательно нужно относиться к географическим характеристикам данных (в первую очередь проекции, масштабу, точности и разрешению). Именно этот принцип вызывает наибольшие затруднения у начинающих пользователей ГИС, так как его успешная реализация предполагает относительно высокий уровень картографических знаний. Ниже мы рассмотрим наиболее важные понятия и алгоритмы работы, которые нужно усвоить и использовать в своей работе.

Успешное выполнение этих четырех принципов позволит качественно и эффективно выполнить практически любой ГИС-проект. Рассмотрим каждый принцип более подробно.

Как грамотно создать структуру слоев ГИС?

Структура слоев ГИС зависит от цели работы и исходных данных. Например, в мелкомасштабном картографировании все гидрологические объекты могут быть объединены в одном слое «Гидрография», а при разработке крупномасштабной ГИС реки, озера, родники и колодцы могут быть размещены в разных слоях. Так как изменение структуры слоев готового ГИС-проекта является трудоемкой процедурой, нужно внимательно отнестись к ней на этапе разработки.

Примерная структура слоев тематической ГИС приведена на рисунке.

Включая и отключая отображение слоев карты можно скомпоновать изображение, необходимое для решения Ваших конкретных задач. При разработке структуры слоев ГИС важно помнить правило: «Один слой — один тип данных».

Чем различаются растровая и векторная графика?

Для создания графических объектов на карте Вам потребуется знание основ компьютерной графики. Если излагать их кратко, то в электронной картографии используются два способа представления графической информации: растровый и векторный.

Растровая графика представляет собой аналог таблицы, состоящей из квадратных мельчайших элементов — пикселей, каждый из которых имеет уникальное значение цвета, яркости и контраста. Так как пикселей в изображении очень много (иногда миллионы), при просмотре без увеличения они сливаются и формируют цельное изображение. Растровая графика активно используется в ГИС, так как ее легко изготовить (обычная цифровая фотография или изображение, введенное со сканера, являются типичными растровыми изображениями). Для обработки растровой графики необходимо воспользоваться программами Adobe Photoshop, Corel PhotoPaint или Paint.

Векторная графика описывает объекты посредством формул, каждый объект просчитывается компьютером как последовательность геометрических задач. Любое изображение может быть представлено как совокупность точек, линий и полигонов. Векторная графика сложна в создании, для ее изготовления Вам потребуются программы CorelDraw, Adobe Illustrator или любая ГИС, а также очень много времени.

Каждый тип графики имеет специфические «плюсы» и «минусы»:

Растровая графика идеальная для описания непрерывных явлений (количество осадков, рельеф и т.п.), имеет простую структуру данных, позволяет проводить моделирование и сравнение карт. При этом растровое изображение занимает большие объемы информации (иногда несколько гигабайт), искажается при трансформации и сложно редактируется.

Векторная графика идеальна для описания дискретных (прерывистых) объектов и явлений (гидрографической сети, застройки и т.п.), компактна в хранении, легко редактируется и трансформируется. Но при этом ее использование затруднительно при сравнении разных карт и пространственном анализе, кроме того ее создание является очень трудоемким, так как нужно вручную наносить каждый элемент изображения.

В ГИС растровая графика, как правило, используется для создания «подложек» — исходных данных для оцифровки (векторизации), а также для геоинформационного анализа (построения цифровых моделей рельефа и др.). Векторная графика служит для создания географических объектов и их связи с атрибутивными таблицами.