Совершенствование учебного процесса с помощью геоинформационных технологий при проведении полевых учебных практик на территории УНС «Саблино»

УДК 004.9.378.147.88

Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2013. Вып. 4

А. А. Заболотский

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА С ПОМОЩЬЮ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОЛЕВЫХ УЧЕБНЫХ ПРАКТИК НА ТЕРРИТОРИИ УНС «САБЛИНО»

Геоинформационные технологии стремительно внедряются во многие сферы жизни общества. Большинство производственных процессов немыслимо без геоинформационных систем (ГИС), которые позволяют не только экономить время, финансы и трудозатраты, но и эффективно прогнозировать результаты деятельности и неминуемые риски.

Несмотря на то что преимущества использования ГИС для рационализации практически любого вида деятельности очевидны, в образовательном процессе они используются недостаточно.

Летняя полевая практика студентов, закончивших первый курс обучения на факультете географии и геоэкологии, проходит на территории уникального Са-блинского памятника природы, где на площади в две сотни гектар расположены несвойственные для равнинной местности формы рельефа — каньоны и водопады, а так же обнажения древних пород, позволяющие проследить геологическую историю района [1]. Однако особенности местности представляют научный интерес не только с геологической точки зрения, но и с точек зрения широкого спектра наук о Земле. Именно поэтому каждый год с начала июня до конца июля на Саблинской учебно-научной станции студенты-первокурсники ряда факультетов (географы, геологи и почвоведы) проходят практику по следующим дисциплинам: биогеография, геодезия, геология, геоморфология, гидрология, метеорология и почвоведение, выполняют практические задания в полевых условиях и закрепляют теоретический материал, пройденный в семестре.

Наиболее продолжительной и трудоемкой является практика по геодезии, длящаяся две недели (остальные практики — недельные). В процессе этой практики студенты должны освоить полевые и камеральные методики выполнения таких видов работ, как: геометрическое и тригонометрическое нивелирование; измерение длин линий штриховыми лентами, топографическими рулетками, оптическими нитяными дальномерами, электронными рулетками; прокладка теодолитных ходов; решение задач по определению неприступных расстояний; измерение угломерными приборами горизонтальных и вертикальных углов; тахеометрическая съемка; глазомерные маршрутные съемки; знакомство с приемниками спутникового позиционирования. Студенты выполняют поверки приборов на территории базы, работают с теодолитами и нивелирами в полевых условиях, а также производят необходимые расчеты. В результате обучающиеся должны предоставить на зачет большое количество графических работ, ведомостей вычислений и полевых журналов, а также

Заболотский Андрей Андреевич — ассистент, Санкт-Петербургский государственный университет; е-шаП: zabol.inc@gmail.com © А. А. Заболотский, 2013

вычертить крупномасштабный план местности по результатам тахеометрической съемки.

Практика по биогеографии проводится в целях получения студентами некоторого объема знаний по флоре и растительности и овладения такими умениями, как определение видов растений в условиях естественной природной среды и описание участков (на специальных бланках студенты фиксирую характеристики всех ярусов растительности, условия произрастания и многие другие параметры), а также гербаризация растений, в ходе которой студенты самостоятельно собирают гербарий, определяют виды растений, их русские и латинские названия, а в конце практики на зачете преподаватель проверяет приобретенные студентами навыки в определении видов растений и знания их русских и латинских названий.

Саблинская учебная практика по геологии проводится для обучения студентов приемам и навыкам полевых геологических изысканий, составления геологических карт, а также для ознакомления с особенностями геологического строения платформенных областей на примере Северо-Западного крыла Московской синеклизы. Студентам предоставляется возможность наглядно изучить строение древних пород на примере обнажений (выходов горных пород на поверхность), расположенных по берегам рек Тосны и Саблинки и позволяющих познакомиться с геологической историей района вплоть до самых древних видимых на поверхности пород — синих неслоистых глин раннекембрийского возраста. В программу практики входит описание обнажений горных пород и составление стратиграфических колонок, что в результате позволяет создать геологическую карту района исследования.

Русла рек Тосны и Саблинки относятся к каньонному типу, крайне не свойственному для равнинных территорий Северо-Западного региона России, что даёт достаточно интересную геоморфологическую картину. Для прохождения недельной практики по геоморфологии студенты производят съемку профилей террасированных берегов реки Тосны и, объединив данные нескольких бригад, составляют геоморфологическую карту района.

Предмет изучения практики по гидрологии — реки Тосна и Саблинка. На их примере студенты учатся несколькими способами определять скорость течения реки и, произведя промеры глубин, рассчитывать расход реки — объем воды, проходящей через поперечное сечение русла в единицу времени. Кроме того, обучающиеся выполняют глазомерную съемку русла и прибрежной территории, а также прокладывают нивелирный ход для определения уклона реки. В результате студенты составляют поперечный профиль реки и план русла с нанесенными на него характеристиками.

Практика по метеорологии заключается в обучении студентов круглосуточным метеорологическим наблюдениям: за влажностью и температурой воздуха, скоростью и направлением ветра, атмосферным давлением, облачностью и температурой почв. На основе полученных данных создаются графики изменения метеорологических характеристик за определённый период, и производится их анализ.

Задачей недельной полевой практики по почвоведению является закрепление теоретических знаний по почвоведению, знакомство с основными типами почв подзоны южной тайги, распространенных на территории Саблинской учебно-научной станции СПбГУУ приобретение навыков документирования результатов полевого обследования (заполнение бланков описаний, ведение дневников полевых наблю-

дений, зарисовки), а также камеральная обработка собранных в поле материалов. Обучающиеся составляют описания почвенных разрезов на участках с различными типами почв и в результате составляют почвенную карту определенного района [2].

Полевые практики факультета географии и геоэкологии организованы таким образом, что работы студентов (такие, как планы местности, стратиграфические колонки, описания растительности и почв и отчеты о проделанной работе) существуют в основном в бумажном виде и впоследствии обрабатываются недостаточно полно. Иными словами, не происходит эффективного накопления данных о районе работ и, как следствие, отсутствует та научная составляющая практик, которая могла бы быть использована в дальнейшем.

При проведении практик на Саблинском полигоне, студенты ежегодно направляются на одни и те же площадки, из-за чего собранные данные из года в год повторяются в этих местоположениях. В результате теряется уникальная возможность ежегодного накопления новых данных на всю территорию полигона учебно-научной базы, теряется целостность картины местности. Это делает невозможным проведение научного анализа собранной в ходе практик тематической информации по полигону в целом и исключает возможность его комплексного исследования.

В решении вышеописанных проблем можно использовать ГИС, позволяющую собирать, обрабатывать и накапливать данные о Саблинском учебно-научном полигоне. Такая локальная ГИС предлагается для информационной поддержки и совершенствования учебного процесса в ходе полевых практик студентов, обеспечения интегрированного подхода к сбору и анализу получаемых на практике результатов с целью внедрения в образовательный процесс современных программных технологий и продуктов, способов обработки и представления данных [3].

В 2000-е гг. студентами и аспирантами велись работы по оцифровке топографических планов масштаба 1:5000, составленных путем дешифрирования аэрофотоснимков Саблинского полигона в 1983 г. Таким образом, самые современные топографические данные были получены более 25 лет назад.

С целью создания новой топографической карты на всю территорию Саблинско-го полигона в 2012 г. была произведена съемка территории при помощи беспилотного аппарата, и на основе полученных снимков созданы ортофотопланы (рис. 1).

Пространственное разрешение снимков ортофотоплана варьируется от 0,050,07 метра на территорию Саблинской УНС и до 1,00 метра на весь Саблинский полигон.

С 2012 г. ведутся работы по дешифрированию снимков и созданию плановой топографической основы на территорию полигона в электронном виде. В настоящее время составлен топографический план масштаба 1:500 на территорию Саблинско-го полигона, для создания которого кроме ортофотопланов использовались данные, собранные студентами в процессе проведения тахеометрических съемок на практике по геодезии, проведено дешифрирование снимков территории в радиусе четырёх километров от Саблинской УНС и подготовлены материалы для составления топографической карты масштаба 1:10 000 на эту территорию (рис. 2).

Одним из актуальных вопросов ГИС-сопровождения полевых учебных практик является обеспечение съемок надежной высотной основой, полученной с точностью, позволяющей проверять нивелировку во время практики по геодезии. Для решения этой задачи планируется закладка новых реперов, прокладка нивелирных и теодолитных ходов в целях сгущения геодезической сети. Создание топографической основы проектируемой локальной ГИС на Саблинский полигон — первый шаг к созданию геоинформационной системы, которая позволит выйти на новый уровень организации учебного процесса при проведении полевых учебных практик.

Современная топографическая основа нашей ГИС, охватывающая всю территорию проведения полевых учебных практик, позволит:

— совершенствовать методику проведения практик;

— создать условия для внедрения в учебный процесс современных способов представления результатов наблюдений и проверки представляемых студентами отчетов;

— сделать возможным интегрированный подход к проведению научных исследований.

В процессе подготовки топографической основы была разработана логическая схема геоинформационной системы. На территории базы «Саблино» планируется организация компьютерного класса и сервера, на котором будет хранится база данных, разработанная в общедоступной системе управления базами данных «Post-greSQL». Необходимая информация будет добавляться в базу, редактироваться, а так же извлекаться из неё посредством запросов на языке SQL. Работа с данными должна осуществляться с рабочих станций при помощи интерфейса, созданного на основе программы с открытым кодом «Open Office». Отображение, редактирование и введение новых графических данных будет производится средствами программы Quantum GIS, не имеющей ограничений на распространение [3].

Предполагается уделить особое внимание разграничению уровней доступа студентов и преподавателей к информации ГИС. В первую очередь данные должны распределяться на эталонные, проверенные и отредактированные преподавателями, и новые, добавленные студентами самостоятельно (рис. 3).

Рис. 3. Логическая схема ГИС.

С введением ГИС в образовательный процесс упростится система проверки съемок местности: данные, полученные студентами, можно будет сравнивать с эталонной картой методом наложения непосредственно в геоинформационной системе, в результате чего недочеты и грубые ошибки сразу станут очевидными.

При помощи геокалькулятора, встроенного в создаваемую ГИС, станет возможным автоматическое уравнивание результатов измерений, полученных студентами при производстве геодезических работ. В проекте ГИС предусматривается возможность ознакомления студентов с топографическим планом полигона и анализа результатов собственных наблюдений, измерений, вычислений и самостоятельной проверки этих результатов.

После проверки и обработки полученных в ходе учебной практики данных возможно ежегодное уточнение и обновление информации о территории всего Саблин-ском полигона.

Топографическая основа проектируемой геоинформационной системы Саблин-ской УНС является важным составляющим компонентом при проведении всех видов учебных практик (таблица).

Так на практике по биогеографии появится возможность хранения в базе данных ГИС значительного количества информации о видах растений, описаний растительных сообществ и создания различного вида информационных ресурсов по тематике практики. На основе описаний, данных дистанционного зондирования, сформированных гербариев, геоботанического профилирования может быть

Использование результатов практик в ГИС

Практика Содержание Результаты Информация в ГИС

Геодезия Полевые и камеральные работы: съемки местности, вычисления и составление топографического плана. Журналы съемок. Ведомости вычислений. Профили нивелирования. Глазомерные съемки. Топографический план. Расчеты с помощью геокалькулятора. Геопривязанные профили нивелирования и глазомерные съемки. Топографические планы в векторном формате.

Геоморфология Съемка профилей рельефа. Составление описаний форм рельефа. Составление геоморфологической карты. Продольные профили рельефа. Геоморфологическая карта. Геопривязанные профили рельефа. Векторная геоморфологическая карта.

Геология Описание обнажений горных пород. Сбор образцов горных пород. Составление стратиграфических колонок и геологической карты полигона. Описание обнажений горных пород. Стратиграфические колонки. Геологическая карта. Геопривязанные стратиграфические колонки и фотографии обнажений. Фотографии образцов. Векторная геологическая карта.

Гидрология Глазомерная съемка русел рек Тосны и Саблинки. Определение речных характеристик. Глазомерная съемка русел рек. Поперечные профили русел рек с характеристиками. Геопривязанные профили рек с характеристиками.

Метеорология Метеорологические наблюдения, ведение журнала. Составление графиков изменения метеорологических характеристик. Журналы наблюдений. Графики изменения характеристик. Графики изменения метеорологических характеристик по датам.

Биогеграфия Знакомство с флорой полигона. Описание участков. Сбор гербария. Гербарий. Описания участков. Фотографии растений — в природе и в гербарии. Описание участков. Карты растительности.

Почвоведение Знакомство с типами почв. Изучение почвенных разрезов. Составление почвенной карты. Описания почвенных разрезов. Почвенная карта. Геопривязанные фотографии почвенных разрезов с описаниями. Векторная почвенная карта.

составлена тематическая карта территории полигона в геоинформационной системе «Саблино».

Материалы по полевому изучению и диагностике почв, полученные студентами в ходе практики по почвоведению, после соответствующей проверки и редактирования могут быть использованы для составления почвенных карт-схем в электронном виде с помощью инструментов ГИС.

В проекте создаваемой ГИС предусмотрена система хранения и представления таких данных, как фотоматериалы и описания. Подобные возможности могут быть полезны для сопровождения практики по геологии при фиксировании в электронном виде информации о собранных геологических коллекциях, описаний обнажений и другой полевой документации. Студенты смогут использовать предложенный геоинформационной системой инструментарий для составления сводного геологического разреза Саблинского полигона и построения геологической карты района.

Накопленный в ходе практики по геоморфологии фактический материал может быть использован для составления геоморфологических карт, которые, в свою очередь, пополнят базы данных ГИС, а в дальнейшем могут быть использованы при освоении студентами основных методов полевых геомофологических исследований и приемов детального геоморфологического картографирования также в среде ГИС с использованием современной топоосновы Саблинского полигона.

Собранные в ходе практики по гидрологии многолетние наблюдения за скоростью течения и объемами воды в реке Тосне, интегрированные в ГИС, дадут возможность наблюдать динамику значений речных характеристик.

Данный подход к системе накопления достоверной современной информации различных видов на всю территорию полигона практик в рамках разрабатываемой ГИС предлагается в качестве основного для дальнейшего использования при составлении тематических карт района практик, а также для решения учебных и научных задач в образовательном процессе.

Для успешной реализации проекта создаваемой ГИС Саблинского полигона в целях совершенствования учебного процесса при проведении полевых учебных практик необходимо обратить особое внимание на вопросы организации практик. Качество, надежность и полнота собранной студентами в ходе учебных практик информации напрямую связаны с тщательнейшей методической проработкой полевой практики как целостного, единого учебно-научного процесса. В методике проведения практик следует выделить такие составляющие, как:

— последовательность (очередность) проведения практик;

— охват каждым видом практики обязательно всей территории полигона.

Существовавший прежде на факультете подход к организации практик отражал

в полной мере методическую обоснованность порядка прохождения практики. На первом курсе полевая практика проводилась по трем дисциплинам: геодезия, геология и метеорология, на втором курсе — по четырем: биогеография, геоморфология, гидрология, почвоведение. Практика по геодезии первого курса заканчивалась созданием крупномасштабного (1:2000; 1:5000) топоплана, который впоследствии использовался в качестве основы для создания тематических карт на всех практиках второго курса, а навыки, приобретенные студентами при проведении крупномасштабных съемок, нивелирных работ, глазомерной съемки под руководством преподавателей кафедры картографии, применялись в полной мере в ходе практик по

геоморфологии, гидрологии и почвоведению. Кроме того, геодезическая сеть полигона поддерживалась на должном уровне силами студентов-картографов. Работы студентов по крупномасштабной съемке планировались таким образом, чтобы покрыть всю территорию Саблинского полигона, и топопланы обновлялись ежегодно.

Для функционирования ГИС, пополнения, обновления баз данных и эффективного использования полученной в ходе практики информации необходимо, чтобы каждая из практик ежегодно территориально охватывала весь полигон, а материалы, собранные в ходе практик, обрабатывались и вносились в ГИС для дальнейшего их использования в образовательной и научной работе, а также в комплексных исследованиях территории Саблинского памятника природы.

При условии успешного внедрения Саблинской геоинформационной системы в перспективе планируется охватить подобными геоинформационными системами все учебные базы, на которых проводятся полевые студенческие практики.

Литература

1. «Саблино — неизвестная страна. Уникальные памятники природы России» СПб.: ЛООО «Сохранение природы и культурного наследия», 2007. 200 с.

2. Программы полевых учебных практик факультета географии и геоэкологии СПбГУ / под ред. В. В. Дмитриева, А. С. Федорова. СПб., 2004. 270 с.

3. Тикунов В. С. Геоинформатика. Москва: Академия, 2005. 480 с.

4. Федеральный закон «Об образовании в Российской Федерации». Москва: Проспект, 2013. 160 с.

Статья поступила в редакцию 19 июня 2013 г.