DIGITAL ELEVATION MODELING IN RESEARCH AND EDUCATIONAL PROJECTS (E-LEARNING TECHNOLOGIES).pdf Одним из существенных преимуществ технологий географических информационных систем (ГИС) над обычными «бумажными» картографическими методами исследований является возможность создания пространственных моделей в трёх измерениях. Основными координатами в таких ГИС-моделях помимо широты и долготы служат также данные о высоте. При этом система может оперировать с десятками и сотнями тысяч высотных отметок, а не с единицами и десятками, что было возможно при использовании методов «бумажной» картографии. В связи с доступностью быстрой компьютерной обработки громадных массивов высотных данных становится реально выполнимой задача создания максимально приближенной к действительности цифровой модели рельефа (ЦМР). Цифровые модели рельефа - это особый вид трёхмерных математических моделей, представляющий собой отображение «рельефа» как реальных, так и абстрактных геополей (поверхностей) [1]. При этом в качестве «рельефа поверхности» в цифровой модели могут выступать кроме реального рельефа различные другие показатели и характеристики: атмосферное давление, температура воздуха, осадки, пластовое давление нефти, геофизические поля, концентрация загрязняющих веществ и т.п. Геополя могут быть как континуальными, так и дискретными, но для обоих типов применяется дискретная форма представления исходных данных. Следует заметить, что обычно первичные данные цифрового моделирования рельефа имеются или приводятся с использованием тех или иных операций к одному из двух наиболее широко распространенных представлений поверхностей в ГИС: растровому представлению (модель GRID) и триангуляционной модели (TIN). Исходя из этого, исторически выделились 2 альтернативные модели ЦМР [2]: • основанные на чисто регулярных (матричных) представлениях поля рельефа отметками высот; • структурные, одной из наиболее развитых форм которых являются модели на основе структурно-лингвистического представления. В Томском государственном университете (ТГУ) на кафедре географии технологии цифрового моделирования рельефа стали внедряться в научную и образовательную деятельность в конце 1990-х гг. Первым успешным опытом стала цифровая модель рельефа, созданная на основе оцифрованных горизонталей и высотных отметок с топографических карт на район учебных географических практик в Северной Хакасии. В качестве программного обеспечения первоначально использовалась программа МАГ, разработанная на кафедре картографии и геоинформатики МГУ и предоставленная географам ТГУ [3]. Модель рельефа была построена методом кригинга и являла собой регулярную сеть высот. Эта модель легла в основу учебной ГИС «Июс», созданной для территории района учебных практик [4]. В дальнейшем на кафедре географии ТГУ были апробированы методики полуавтоматической оцифровки высотных данных с помощью специализированных программ-векторизаторов AutoVec, EasyTrace и создания ЦМР в программном комплексе Surfer (Golden Software). В конце 1990-х гг. уже была создана и ЦМР для учебной ГИС «Актру» [5]. Появление и быстрое развитие новых геоинформационных технологий потребовало пере-осмысления структуры подготовки специалистов-географов в ТГУ и изменений в учебном плане. До 1998 г. в учебном плане географов была лишь одна учебная дисциплина, связанная с новыми информационными технологиями, - геоинформатика (36 ч) в 3-м семестре. Этого было явно недостаточно. Поэтому с 1998 г. по инициативе авторов на кафедре географии ТГУ в учебный процесс была внедрена концептуальная схема обучения геоинформационным технологиям. Так, были разработаны новые курсы: «Компьютерная графика», «ГИС», «Настольные картографические системы», «Построение баз геоданных», «Цифровые модели рельефа». Серьёзным толчком к изменению подхода к ГИС-образованию в ТГУ благодаря сотрудничеству геолого-географического факультета ТГУ и ООО «Дата+» стало появление специализированного программного обеспечения компании ESRI Inc.: ARC/INFO 7.0.1 и ArcView GIS 3.0. Например, с помощью модуля 3D Analyst ArcView GIS (ESRI Inc.) были освоены и внедрены в образовательный процесс методы построения ЦМР на основе триангуляции Делоне в формате TIN и создания тематических карт важнейших морфометрических показателей (гипсометрии, крутизны и экспозиций склонов). Основным принципом ГИС-образования на кафедре географии ТГУ стала непрерывность обучения, т.е. учебные курсы были построены так, чтобы обучение геоинформационным технологиям велось от простого к сложному в каждом семестре без существенных перерывов, что позволяло студентам не «забывать» и не терять полученные навыки и компетенции. Курс «Цифровые модели рельефа» является одним из самых сложных для освоения, поэтому преподается в шестом семестре и занимает одно из последних мест в этой цепочке курсов (рис. 1). В 2003 г. в связи с открытием компьютерного ГИС-класса кафедры географии в 6-м корпусе ТГУ и получением лицензионного программного обеспечения ArcGIS 8 (ESRI Inc.) и ERDAS Imagine (Leica Geosystems) концептуальная схема обучения ГИС-технологиям была расширена курсом «Компьютерная обработка данных дистанционного зондирования (ДДЗ)». В рамках этого курса впервые в ТГУ стали преподаваться технологии трёхмерного моделирования и создания виртуальных геоизображений на основе ЦМР, драпированных космическими снимками с помощью программы ERDAS Virtual GIS. В процессе реализации инновационной образовательной программы ТГУ с 2007 г. стали активно внедряться новые формы дистанционного обучения - виртуальные лабораторные практикумы, которые являют собой электронные учебно-методические комплексы, включающие большой блок практических упражнений, созданных в пошаговом режиме с использованием мультимедийных анимационных технологий. Они доступны в сети Internet на сайте ИДО ТГУ. Авторами были непосредственно разработаны 5 виртуальных лабораторных практикумов: - Компьютерная графика для географов. - Цифровые модели рельефа. - Работа с данными дистанционного зондирования в ГИС. - Пространственный анализ в ГИС. - Учебная географическая практика в окрестностях Томска и в Хакасии: инновационные технологии. Поскольку такая форма учебников имеет очень большие возможности для анимации, в виртуальных практикумах широко используются функции трёхмерного моделирования и анимации программы ArcScene ArcGIS (ESRI Inc.). Например, в курсе «Цифровые модели рельефа» использовано более 30 трёхмерных моделей и виртуальных геоизображений равнинных и горных территорий Томской области, Хакасии и Алтая (рис. 2), в том числе видеофайлы, демонстрирующие возможности ArcScene и Virtual GIS по драпировке моделей, вращению, приближению, анализу «зон видимости» и созданию виртуальных полётов по заданному маршруту (например, вдоль тела ледника Актру на Алтае). В последнее время среди технологий e-learning большую популярность получили обучающие курсы на платформе Moodle. В 2014-2016 гг. авторами на этой платформе разработаны три курса: «Цифровые модели рельефа», «Технологии компьютерной обработки ДДЗ» и «Информационно-методические особенности оценки воздействия на окружающую среду в условиях Сибирского федерального округа России». Курсы включают в себя как теоретические блоки, состоящие из лекционных занятий (рис. 3), так и многочисленные лабораторные работы по освоению технологий цифрового моделирования рельефа и создания виртуальных геоизображений (рис. 4). Также в этих курсах раскрываются авторские методики сложного пространственного анализа на основе ЦМР: например, расчёт эрозионной устойчивости ландшафтов путём вычисления средних уклонов геосистем и коэффициентов устойчивости, переклассификация растров морфометрических показателей для выявления высотных уровней долин рек и т.п. Многие методики пространственного анализа с использованием ЦМР, вошедшие впоследствии в электронные образовательные ресурсы, были разработаны на кафедре географии ТГУ в процессе выполнения научно-исследовательских проектов, грантов и хоздоговорных работ. При создании нормативной документации экологического сопровождения проектов обустройства Чкаловского и Крапивинского нефтяных месторождений авторами была разработана методика оценки эрозионной устойчивости ландшафтов, суть которой заключается в расчёте цифровой модели рельефа в формате триангуляционной сети (TIN), конвертации TIN в растровую модель GRID и вычислении на основе GRID средних уклонов ландшафтов с помощью функции зональной статистики модуля ArcGIS Spatial Analyst. В результате была проведена интегральная оценка устойчивости ландшафтов районов обустройства нефтяных месторождений к антропогенному воздействию и создана серия цифровых тематических карт, в том числе карты степени экологической опасности природопользования [6]. В 2008 г. при выполнении проекта «Геоморфологические условия территории и площадок размещения проектируемой Северской АЭС» [7] по заказу ФГУП «РОСЭНЕРГОАТОМ» крупномасштабная ЦМР долины нижней Томи была использована для поиска разрывных тектонических нарушений (геологических разломов) и оценки экологических рисков (рис. 5). При выборе площадки для размещения АЭС с помощью ЦМР были рассчитаны уклоны русел малых рек. Участки с аномальными уклонами русел вкупе с нетипичным поведением самих русел («коленообразные» резкие повороты) помогли определить линии возможных тектонических нарушений. На основе ЦМР долины р. Томи с помощью модуля ArcGIS Spatial Analyst нами рассчитана зональная статистика для ландшафтных систем ранга урочищ по карте крутизны склонов и определён средний уклон каждого урочища, что позволило оценить степень дренированности геосистем и снизить субъективизм при характеристике рельефа в названии урочища. Так, урочища со средним уклоном менее 0,2о были определены как плоские участки, 0,2-0,5о - выровненные участки и более 0,5о - пологонаклонные участки. Сделан вывод о лучшей дренированности геосистем верхнего участка долины (выше г. Томска), где средний уклон геосистем составил 0,92о против 0,58о у геосистем нижнего участка. Разновременные источники картографической информации также позволили оценить эрозионно-аккумулятивную деятельность р. Томи и выявить динамику ландшафтных систем речной долины [8]. Ещё один аспект использования ЦМР - оценка геоморфологических ресурсов для целей рекреации. Суть этой методики, разработанной авторами совместно с коллегами из Института водных и экологических проблем СО РАН, состоит в совмещении ландшафтной карты, карт климатического районирования, экспозиций и крутизны склонов, рассчитанных на основе ЦМР. Методика была апробирована на примере территории трансграничного Горного Алтая, где было выделено 25 природно-рекреационных районов [9]. В 2016 г. в ТГУ начата работа по созданию геопортала Томской области, в основе которого лежит I-GIS - высокопроизводительная геоинформационная система мониторинга и прогнозирования состояния природных объектов. Одно из наиболее востребованных приложений Геопортала - «Паводок», в котором с помощью технологий цифрового моделирования рельефа реализованы функции прогнозирования уровней подтопления вблизи населенных пунктов, а также трёхмерная визуализация этих участков. Первоначально эти функции были реализованы только для нескольких населённых пунктов в долине р. Томи, что было описано нами ранее [10]. В настоящее время созданы трёхмерные модели рельефа и на отдельные участки долины р. Оби (Победа-Мельниково, Колпашево). Также создана обширная база геоданных по населённым пунктам и домам в зонах подтопления и с помощью программы ArcScene комплекса ArcGIS (ESRI Inc.) реализована идентификация объектов в зоне подтопления - например, домов и их домовладельцев (рис. 6), что очень актуально для предупреждения службами ГО ЧС жителей во время паводка. Следует отметить, что созданные цифровые модели рельефа речных долин р. Томи и Оби не являются статичными, а постоянно корректируются на основе новых данных. Если первоначально для создания моделей использовались высотные данные с оцифрованных топографических планов и карт масштабов 1:5 000 - 1:25 000, то в настоящее время нами разработана технология создания ЦМР из облака точек по результатам съёмок с БПЛА (рис. 7). Такой подход позволяет актуализировать информацию о рельефе, однако является также достаточно трудоёмким, так как требуется «маскирование» объектов (домов, деревьев) для получения именно модели рельефа, а не поверхности. В качестве перспективных научных разработок с использованием ЦМР, на наш взгляд, следует отметить объединение ландшафтных баз геоданных с моделями рельефа для создания сплошных «ландшафтных геополей», что позволит вывести на новый уровень ландшафтно-экологический мониторинг с использованием полностью автоматизированной обработки ДДЗ, в том числе методами нейросетевого анализа и BIG DATA. Такой подход хорошо согласуется с активно разрабатываемыми в последнее время зарубежными географами методиками создания «ландшафтно-градиентных» моделей с одновременным привлечением морфометрических индексов рельефа, рассчитанных по ЦМР, и вегетационных индексов, рассчитанных по космическим снимкам [11]. На базе параметров и индексов каждой ячейки такой модели можно определять сложные интегральные показатели различных территорий для решения прикладных задач с использованием технологий «дерева принятия решений», описанных в трудах французских [12] и японских географов [13]. В целом, анализируя 20-летний опыт реализации научных и образовательных проектов с использованием технологий цифрового моделирования рельефа географами ТГУ, можно сделать ряд выводов: технологии ЦМР являются одними из самых перспективных и «прорывных» технологий анализа в ГИС и безусловно востребованы обществом; непрерывный подход к обучению с помощью цепочки взаимосвязанных курсов полностью оправдал себя; использование учебных ГИС существенно облегчает освоение технологий ЦМР; высоко востребованы работодателями умения студентов создавать цифровые модели рельефа «с нуля», т.е. с бумажной карты или по результатам съёмок с БПЛА; электронные учебники и курсы на платформе Moodle отлично дополняют аудиторные занятия и поощряют студентов к самостоятельной работе.

Скачать электронную версию публикации