Геоинформационное обеспечение учебных и производственных практик геологического факультета МГУ: обучение через  составление реальных ГИС-проектов

Современные требования к организации Государственных геологосъемочных работ масштаба 1:200 000 предполагают использование компьютерных технологий (включая ГИС-технологии), начиная с самых первых этапов работ. Однако инструктивными документами Министерства Природных Ресурсов не оговаривается полная технологическая цепочка обработки геологических данных и в принципе не требуется составление полноценного ГИС-проекта – достаточно предоставление баз данных в форматах АДК и цифровых моделей комплекта геологических карты в форматах ArcInfo. Такое положение не может устраивать геологов-исполнителей, поскольку огромная рутинная работа не находит выхода на них самих, не позволяет свободно ориентироваться в море фактического материала (в сотнях точек наблюдения, буровых скважин, горных выработок, зарисовок, фотографий, в тысячах фаунистических определений, в десятках тысяч анализов горных пород, в необозримом количестве описаний рудных объектов и других материалов) как из-за громоздкости применяемых стандартных программных средств (АДК и др.), так и из-за отсутствия в этом

ПО удобных средств организации связей между разнородными данными, а также гипертекстовых документов. Т.е. цифровое представление геологических данных пока что является самоцелью, а не методом работы самих геологов. Отсутствие идеологической базы использования компьютерных методов в производстве сильно снижает эффективность обучения студентов, т.к. они видят в ГИС-технологиях почти исключительно оформительскую функцию. Преподавание же предмета только на учебных примерах еще менее эффективно.

Все эти соображения заставили нас еще на этапе проектирования работ по Государственной геологической съемке масштаба 1:200 000 территории Южного Урала разработать рациональную методику информационного обеспечения всех этапов получения, обработки, анализа и использования геологических данных: от позиционирования координат полевых точек наблюдения GPS-приемниками до создания ГИС-проекта в среде ArcView, увязанного с гипертекстовой информации. Фактически, речь идет о создании полноценной среды геологических исследований, объединяющей как пополняемые, онлайновые базы данных, так и инструменты их анализа.. Проводимые на Южном Урале исследования являются базовыми для производственных практик студентов-геологов, поэтому данная работа была задумана одновременно и как программа комплексного обучения студентов, которые (помимо собственно геологических маршрутных и других работ) для начала оцифровывали различные карты геологического содержания, вводили текстовую информацию, заполняли базы данных, затем – компоновали материал в ГИС-проектах, создавали гипертекстовые описания, а в конце – приобретали навыки полноценной работы с готовыми проектами. В целом технологическая цепочка выглядит следующим образом.
По окончании полевого геологического маршрута в распоряжении геолога оказывается следующая информация: записи в полевой книжке, точки определения координат прибором спутниковой привязки, номера проб химических анализов, образцов и шлифов горных пород, полевые зарисовки и фотографии (благодаря использованию электронного фотоаппарата, они готовы к использованию по окончании маршрута).

Геоинформационная система как нельзя более подходит для хранения и объединения такой разнородной информации. Информация из полевых дневников заносится в текстовый файл, которые позже преобразуется в HTML или HLP файл (см. ниже), информация с приборов спутниковой привязки скачивается на компьютер (в текстовом формате, который впоследствии преобразуется в *.dbf файл). Полевые зарисовки сканируются, электронные фотоизображенния переносятся в компьютер, файлам изображения присваиваются номера точек наблюдений. Далее, после загрузки тем точек наблюдения в вид ArcView, в специально разработанном диалоговом окне редактируются данные по каждой конкретной точке – вводится тип карты, тип точки наблюдения, тип геологического объекта, наличие проб на фауну, на силикатный анализ и т.д.). Во избежание ошибок все значения выбираются из выпадающих списков. По окончании заполнения таблицы атрибутивной информации система тестируется на взаимодействие программ для просмотра всех компонентов. Широкие аналитические и информационные возможности предлагаемых ГИС-проектов связаны прежде всего с развитой атрибутивной базой тем полевых наблюдений. В полном виде таблица атрибутов точек наблюдений содержит 25 полей, которые заполняются либо автоматически, с помощью специально разработанных скриптов, либо с помощью внутренних средств GIS ArcView, либо в интерактивном режиме с помощью разработанных av диалогов, и лишь в редких случаях полностью вручную.
Географические и геологические привязки объектов наблюдений записываются в таблицу атрибутов автоматически, с помощью скриптов определения пространственной принадлежности, входящих в стандартные пакеты ArcView. По такой технологии были построены полигональные покрытия топографических листов масштаба 1:50 000 (поле Sheet), речных бассейнов (Valley), картируемых геологических единиц (Background), площадных четвертичных образований (Q-areal), магматических массивов (Massif). По мере развития проекта количество полей привязок и соответствующих мишеней будет увеличиваться, а аналитические возможности ГИС – расширяться. Прежде всего будут введены тектонические и структурно-геологические атрибуты, а затем минерагенические, экологические, геофизические и пр.
В информационном обеспечении текущих геолого-съемочных работ огромное значение имеют внешние базы данных, включающие собственные и литературные описания объектов наблюдения, обобщенные характеристики геологических и других картируемых тел, сведенные в отчеты, статьи, монографии, а также геологическую графику разного содержания, фотографии обнажений и ландшафтов, видео и аудио-информацию. Удобное использование этих информационных массивов предполагает объединение их в гипертексты. Поскольку стандартные hot links в ArcView гипертекстовых ссылок не поддерживают, были разработаны два метода привязки внешней информации.
Простой способ заключается в использование html формата для записи текстовых сообщений и обычной процедуры html ссылок (с помощью закладок) на требуемые фрагменты текста. В качестве закладки используется номер точки. Удобство этого способа заключается в простоте подготовки исходных массивов текстовых сообщений, которые реально могут храниться в виде единого, легко дополняемого html файла. Трудность метода в том, что по мере разрастания внешнего текста, системные требования к компьютеру резко увеличиваются.
Другой способ заключается в подготовке внешней базы данных в виде гипертекстовой системы стандартных файлов подсказки Windows. Этот метод значительно более трудоемок, но имеет несколько выразительных преимуществ. Это минимальные требования к компьютерам, возможность представления материалов разного содержания и из разных источников в различно оформленных окнах, возможность использования гипертекста в качестве самостоятельного, хорошо структурированного информационного ресурса, легкость подключения текстовой, видео и аудиоинформации в любых удобных форматах. Сложность метода прежде всего в том, что добавление новой информации в гипертекстовую систему требует перекомпилирования всего исходного материала. Выход в гипертекст также осуществляется через пользовательские скрипты «горячей связи» с экранных точечных, линейных и полигональных тем.

7. Обучение ГИС-технологиям на геологическом факультете МГУ.

Кафедре региональной геологии и истории Земли готовит специалистов-геологов по специальности "Геологическая съемка и поиск месторождений полезных ископаемых". По требованиям Министерства природных ресурсов все отчеты по геологической съемке должны представляться в виде ГИС-системы. Поэтому на кафедре, готовящей специалистов по геологической съемке и картированию были разработаны учебные курсы для подготовки специалистов в области применения ГИС в геологии.

Цикл учебных курсов продолжается 4 семестра, с четвертого по седьмой (2-4 курс).

Курс предусматривает, что к его началу студенты уже умеют уверенно обращаться с компьютером и владеют программами электронных таблиц, векторными и растровыми редакторами.

Для лучшего усвоения технологии создания ГИС-проектов в основу курса положен принцип самостоятельного составления студентом ГИС на по полному циклу - от бумажной геологической карты до полностью сделанной ГИС и ее распечатки. Опыт проведения курса показал, что наилучшее усвоение материала происходит при работе студента на индивидуальном компьютере со своим индивидуальным ГИС-проектом.

Первый семестр обучения ГИС-технологиям должен дать студентам полное представление о структуре ГИС для геологии на примере небольшой геологической карты – учебной геологической бланковки (размер А4, несколько десятков геологических объектов, несложный рельеф). Студенты сканируют карту, составляют структуру баз данных для ГИС и векторизуют карту. Для векторизации нами применяются лицензионные программные продукты EasyTrace (EasyTrace Group, Рязань) или MapEdit (Резидент, Москва). Кроме векторизации в этих программах студенты осуществляют координатную привязку карт и привязку атрибутивной информации, заполнение баз данных.

Векторизованные данные передаются в ГИС ArcView. Далее в ArcView студенты редактируют полученное изображение, создают легенду геологической карты, удовлетворяющую существующим требованиям к геологическим картам, а также учатся работе с табличными данными и диаграммами (на примере использования в ГИС данных химических анализов и палеонтологических определений), привязке текстовых файлов (описание стратиграфических разрезов), рисунков (геологические зарисовки ) и фотографий (фотографии геологических объектов). Начальный курс обучения включает ознакомительные занятия по работе с GPS-системами (Garmin-38, Garmin-II+) с полевым выходом и последующей обработкой полученной информации в компьютерном классе. После этого студентам дается представление о включении в ГИС подобной координатно-привязанной информации (добавление темы событий).

В заключении начального курса студенты должны объединить всю собранную информацию в макет геологической карты, удовлетворяющий инструктивным требованиям и распечатать его (работа с компоновкой).

Между первым и вторым семестрами обучения ГИС студенты геологического факультета проходят учебную геологическую практику на Крымском учебном полигоне МГУ, где они самостоятельно создают полноценную геологическую карту на участок 10х15 км.

На основе этой карты и проводится занятия во втором семестре обучения ГИС. На примере реальной и знакомой геологической карты студенты получают представление о работе с крупным объектом, его координатной привязкой и векторизацией. Аналогично первому семестру студенты векторизуют карту и передают ее в ГИС ArcView, создают легенду геологической карты в соответствии с инструктивными требованиями.

По требованиям учебного плана студенты третьего курса (второй и третий семестр ГИС) должны выполнить курсовую работу на основе собственных материалов, собранных во время геологической практики (петрографические, литологические или стратиграфические исследования). Поэтому, в качестве дополнительного материала, присоединяемого к ГИС, используется собственный материал студентов (зарисовки разрезов, фотографии разрезов и шлифов, таблицы химических анализов и палеонтологических определений). Как дополнительный вид к карте обязательно присоединяется геологический разрез.

Все материалы ГИС компонуются в единую карту, отвечающую требованиям инструкции, и распечатываются как демонстрационная графика к защите курсовой работы.

Кроме работы с ГИС ArcView в течении второго и третьего семестров обучения студентам преподаются программы, обязательные к применению при производстве геологосъемочных работ - база данных первичной информации АДК (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург) и эталонная база условных обозначений для геологической карты (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург). Рассматривается создание геологических индексов в ГИС ArcView – модуль расширения GeoIndex (ГлавНИВЦ МПР, Москва) и автоматизация создания легенд геологической карты - модуль расширения "Геологическая легенда" (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург), а также требования по представлению ГИС при сдаче отчета.

Последний семестр обучения ГИС-технологиям ориентирован на самостоятельную работу студентов с материалами, полученными студентами в ходе первой производственной практики в геологических организациях и созданию ГИС-проекта на основе таких материалов. Кроме того студентам показываются некоторые элементв ГИС, не вошедшие в предыдущие семестры обучения модуль 3d-analyst, методика составления и проверки цифровой модкли, необзодимой для сдачи отчета по геологической съемки, модули преобразования координат и рисовки сеток для ArcView. Также особое внимание на заключительном этапе обучения уделяется вопросам выводаготовых карт - подбор цветов, использование компоновок ArcView и программы CorelDraw для окончательной компоновки карт перед выводом.

ГИС-проект и геологическая карта на основе этого проекта является основой для защиты курсовой работы студентами четвертого курса.

Авторы статьи благодарят фирмы ESRI, Дата+, "Easy Trase Group", "Резидент" , ГлавНИВЦ МПР и ВСЕГЕИ за предоставленное на льготных условиях программное обеспечение для обучения студентов.