Использование информационных технологий в социо-эколого-географических исследованиях и в географическом образовании

Актуальность темы

В становлении и развитии любой научной дисциплины очень велика роль методов, используемых в теоретических и практических разработках. Развитие каждой науки, углубление целей и задач научного познания вызывают необходимость непрерывно совершенствовать традиционные и искать новые, наиболее эффективные методы научного исследования. Это характерно и для современной географии, формирующей свои теоретические основы и углубляющей связи с практикой. «География стала своеобразным полигоном, на котором испытываются разнообразные методы исследования. Одна часть их — ее собственное достояние, а другая заимствована у различных наук о природе и обществе». [Жуков и др., 1980].

Для географии особенно значимы методы, которые не только фиксируют с желательной точностью результаты наблюдений, но и позволяющие делать необходимые выводы и прогнозы. Таковы в первую очередь разнообразные математические методы, с применением которых связывается прогресс в теоретических разработках и во многих прикладных географических исследованиях. [Тикунов и др., 1980].

Чтобы повысить практическую значимость математических моделей в географии, требуется их целенаправленная трансформация, сохраняющая все сильные стороны математического моделирования и придающая ему территориальную конкретность. Для этого в математические модели вводятся территориальные параметры. Такой подход значительно усложняет моделирование. Такой территориальной конкретностью обладают картографические модели, издавна используемые в географии, а точнее зародившиеся вместе с нею и сопровождающие географию на всех этапах ее исторического развития [Салищев, 1976 ].

Методика проведения научного географического исследования давно и хорошо разработана, но реализация конкретных методов до последнего времени была очень трудоемкой, а в некоторых случаях практически невозможной. Географией за последний период развития было накоплено огромное количество информации, так как области интересов географии чрезвычайно широки, а в настоящее время еще больше разрастаются. Буквально все, что находится в пространстве, попадает в сферу ее интересов. Соответственно, задача обработки огромнейших объемов информации становится очень сложной и практически неразрешимой без использования автоматических средств ее обработки. Поэтому «происходит интенсивное внедрение различных разделов математики и информатики в географические исследования» [Берлянт, 1996]. В этом плане особое значение приобретают информационные технологии вообще и геоинформационные системы в частности.

Средства ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя естественно, включают все основные функции получения высококачественных карт и планов. Это очень важно при проведении научных исследований. При проведении эколого-географического исследования необходимо визуализировать имеющуюся информацию в виде карты, графика или диаграммы, создать, дополнить или видоизменить базу данных, интегрировать ее с другими базами, в этом случае единственно верным путем будет обращение к ГИС.

При накоплении значительного объема данных в различных областях знаний и необходимости решения новых задач возникает проблема совместного использования этих геоданных, а следовательно возникает интеграция знаний. Интеграция означает, что помимо бесконечно больших массивов типов геоданных имеется некая концепция и методология, оптимально объединяющая разнообразие данных, технологий их обработки и аналитических алгоритмов. Такой концепцией в наше время стали геоинформационные системы (ГИС).

Основное преимущество геоинформационной технологии заключается в возможности определения пространственных связей и отношений между бесконечным множеством различных объектов. Это достигается построением геометрически подобной физико-географическому пространству топологической модели территории.

Следовательно, эффективное и возможно более полное использование накопленных данных при проведении исследований, решении научных и практических задач возможно только при использовании информационных технологий. Это и определило тему исследования.

Нами была поставлена цель исследования — разработать подходы и методы применения информационных технологий (ИТ) и ГИС при моделировании социо-эколого-географических процессов в регионе с экологическими ограничениями и на их основе предложить пути решения конкретных проблем, а также определить пути использования этих результатов в географическом образовании.

Для достижения этого необходимо решить следующие задачи: выявить современные тенденции и проблемы развития информационных технологий вообще, в частностигеоинформационных технологийизучить проблемы и особенности использования ИТ при моделировании эколого-географических процессов в регионе с экологической регламентацией хозяйственной деятельностирассмотреть существующие и разработать новые методические приемы обработки и анализа географической информациипроанализировать различные методики преподавания ГИС, предложить программные методические рекомендации по преподаванию предмета «НИТ — Геоинформационные системы», соответствующие государственному образовательному стандарту. Объектом исследования является процесс проведения социо-эколого-географических исследований.

Предметом исследования является методология организации научного исследования социо-эколого-географических процессов с использованием информационных технологий.

Методологические и теоретические основы работы разрабатывались на основе идей и трудов основоположников экономической и социальной географии, экологических и геоинформационных направлений в географии: Баранского Н. Н., Колосовского Н. Н, Сочавы В. Б., Салищева К. А., Брандмана М. К., Саушкина Ю. Г., Берлянта A.M., Червякова В. А., Хаггета П., Форрестера Дж., Вебера А., Леш А., Изарда В., Тюнена Д., Харвея Д.

При анализе методики проведения эколого-географических исследований с применением новых информационных технологий автор опирался на работы Тикунова B.C., Жукова В. Т., Сербенюка С. Н., Батуева А. Р., Гурмана В.И.

При решении социо-эколого-географических проблем Байкальского региона большую роль сыграли труды Воробьева В. В., Буянтуева Б. Р., Раднаева Г. Ш., Недешева А. А., Тулохонова А. К., Викулова В. Е., Шагжиева К. Ш., Раднаева Б. Л., Мангатаевой Д. Д., Думовой И. И., Ишмуратова Б. М., Михайлова Ю. П., Мисевич К. Н., Рященко С. В., Гомбоева Б. О., Михеевой А. С., Задорожного В. Ф., Котельникова A.M.

Методы исследования анализ научно-методической литературы по теме исследованиястатистическийсравнительно-географическийматематическое моделированиекартографическийаналитическийгеоинформационный.

Исходными материалами исследования послужили материалы Госкомстата республики Бурятия, доклады Госкомитета республики Бурятия по экологии и природопользованию, доклады Центра Госсанэпиднадзора в РБ, Бюро медицинской статистики МЗ РБ, литературные, картографические источники и данные исследований автора.

Научная новизна исследования заключается в том, что: разработана методика проведения комплексного социо-эколого-географического исследования с применением информационных технологийпредложены комбинированные методы анализа географической информации путем совмещения ГИС-технологий и математического моделированиясоставлена серия социо-эколого-географических карт Республики Бурятия, отображающих пространственно-временную связь факторовразработана методика проведения курса ИТ-ГИС для студентов геолого-географических специальностей.

Практическая значимость исследования состоит в том, что результаты работы могут быть использованы при выполнении экологогеографических исследованиях работниками научно-исследовательских организаций, преподавателями учебных заведений, аспирантами, студентами. Отдельные результаты работы были использованы при выполнении научных тем кафедры экономической и социальной географии и кафедры информатики и ВТ БГУ. Материалы диссертационного исследования используются в процессе подготовки и преподавания курсов Новые информационные технологии, Геоинформационные технологии на биолого-географическом факультете БГУ.

Апробация результатов работы. Результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях преподавателей и аспирантов БГУ 1998;2000 гг., на региональной научно-методической конференции «Современные проблемы совершенствования системы обучения по физико-математическим и общеинженерным дисциплинам» (Улан-Удэ, 2000), на II всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2000), на 2-ой международной конференции «Компьютер в современном мире» (Чита, 2000), на научно-практической конференции «Экология и здоровье населения» (Оренбург, 2001 г.), на 8-ой межрегиональной научно-практической конференции преподавателей школ, инновационных учебных заведений и вузов «математика и информатика в школе и вузе: обучение и развитие» (Иркутск, 2001).

Основные положения исследования опубликованы в 8-и печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем работы 146 страниц, 14 таблиц, 14 рисунков.

Список литературы

насчитывает 156 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным результатом исследования явилась разработка подходов и методов применения НИТ и ГИС при моделировании эколого-геотрафических процессов в регионе с экологическими ограничениями. Были выявлены современные тенденции и проблемы развития информационных технологий вообще, в частности — геоинформационных технологий, изучены проблемы и особенности использования НИТ при моделировании эколого-географических процессов в регионе с экологическими ограничениями.

Это особенно актуально, когда объектом исследования является регион с экологической регламентацией хозяйственной деятельностисложнейшая система, где множество процессов протекают, существенно влияя друг на друга. Одной из таких территорий является Байкальский регион. Здесь ответственность за состояние окружающей среды и требования по ограничению негативного воздействия хозяйственной деятельности должны быть особенно высоки. Для того, чтобы они автоматически не превращались в факторы, ограничивающие экономический рост и повышение благосостояния населения необходимо решать задачи таких территорий на основе принципа «ответственности за целостную социо-эколого-географическую систему». При этом роль математических и информационных технологий в решении этих проблем значительно возрастает. Нами проведена оценка различных методических подходов к проведению эколого-географических исследований. На основе этих оценок предложен наш подход к проведению таких исследованийкомбинированный подход. Была разработана методика проведения комплексного эколого-географического исследования с применением информационных технологий, предложены методы анализа географической информации путем совмещения ГИС-технологий и математического моделирования. Основным методическим приемом подобного исследования является — укрупнение отдельных элементов и связей исследуемых объектов. Наша модель основывается на определении взаимозависимости различных факторов и определении тесноты связи, как между отдельными факторами, так и между группами факторов.

В нашем исследовании рассматриваются экологические, демографические, социальные, природно-экономические особенности развития региона в разрезе административных районов. Так как рассматривается большое количество различных факторов, то ставится задача укрупнения отдельных факторов, введение синтетических показателей, т. е. решается задача по снижению размерности рассматриваемой системы. Отбор факторов производится на основе факторного и компонентного анализов, это делается для того, чтобы в систему не попали несущественные характеристики явлений. На основе составленной модели проводится изучение внутрисистемных связей и определение значения каждого из рассматриваемых факторов в модели. Разработка модели и определение ее характеристик производится с помощью информационных технологий, как универсальных пакетов, например таких, как STATISTICA, так и для узкого решения задачпрограмм, разработанных самостоятельно. Данная методика проведения эколого-географического исследования является результативным средством анализа пространственно-временных связей социо-эколого-географических условий.

Характерной особенностью создания предлагаемой нами ГИС-модели является то, что указано с помощью какой из стандартных программ можно провести тот или иной этап работы, а также представлена последовательность выполнения операций.

Итоги моделирования представлены на картах, которые создаются также с применением информационных технологий — геоинформационных систем (ARCINFO, ARCVIEW). Все карты, представленные в работе и предлагаемые для анализа созданы на основе данной ГИС-модели. Составлена серия эколого-географических карт Республики Бурятия, отображающих территориальную связь факторов.

Мы апробировали нашу модель, рассмотрев некоторые эколого-географические процессы, в т. ч. и моделирование влияния различных эколого-географических факторов на здоровье. В нашем случае была поставлена цель: выявление степени влияния этих факторов на состояние общественного здоровья.

На основе модельных расчетов, в целях выявления пространственных различий и наглядного представления была использована геоинформационная система на основе пакетов Arclnfo и ArcView состоящая из трех подсистем: информационной, аналитической и технологической.

Мы получили, что наибольшее влияние из всех рассмотренных факторов на здоровье оказывают экологические факторы, несколько меньшее в равной степени социально-экономические факторы и демографические факторы, в меньшей степени влияют природные факторы.

Вся предлагаемая нами методика базируется на том, что необходимые информационные массивы будут рассматриваться с помощью информационных технологий, т.к. такие объемы данных не могут быть проанализированы без средств автоматизации.

Предлагаемая модель проведения эколого-географического исследования не противоречит общим принципам создания и реализации моделей и позволяет применять ее исследователям, которые не достаточно сильно владеют математическим аппаратом, различными статистическими методами, т.к. на каждый этап проведения исследования предлагается готовый алгоритм и описано с помощью каких средств — информационных технологий поставленная задача может быть решена.

В различных эколого-географических исследованиях часто возникают ситуации, когда по имеющейся информации требуется предсказать некоторую величину, связанную с первой, но которую непосредственно измерить невозможно. Так, например, может представлять интерес прогноз демографического состояния конкретного региона в зависимости от состояния социально-экономической и экологической ситуации. Также представляют интерес задачи прогнозирования урожайности различных сельскохозяйственных культур и т. д. Во всех этих случаях речь идет о величинах, недоступных непосредственному наблюдению в данный момент и которые надо прогнозировать с помощью доступных наблюдению сопутствующих величин.

Предлагаемая методика проведения прогнозирования эколого-географических исследований позволит выявлять тенденции дальнейшего развития событий. Это позволит предугадывать негативные последствия некоторых явлений и заранее предпринимать меры по их снижению или пытаться усиливать положительные тенденции других явлений. Разумеется, что любой прогноз выполняется с некоторой долей вероятности, но наличие точных и разносторонних данных о предмете исследования, а также выверенная методика позволят увеличить вероятность прогноза. С течением времени можно вводить корректирующие коэффициенты в рассматриваемую модель для увеличения точности прогноза.

Мы рассмотрели актуальность изучения геоинформационных систем и ГИС-технологий, причем отметили, что важность этой проблемы характерна не только для России, но и для многих других стран, где идет бурное внедрение ГИС в повседневную жизнь. Эта проблема характерна для нашего региона, т.к. вопросы применения геоинформационных систем и ГИС-технологий рассматриваются не так давно, а вопросами ГИС-образования стали заниматься лишь в последние несколько лет.

Нами проанализированы различные методики преподавания НИТ, сформулирована система дидактических условий преподавания предмета «Новые информационные технологии — ГИС», разработаны и приведены в соответствие с государственным образовательным стандартом рабочие программы и методика проведения курса «Новые информационные технологии — геоинформационные системы» для студентов геолого-географических специальностей.

Методика изучения ГИС, предлагаемая нами, содержит основные требования к студентам перед изучением данного курса и систему контроля знаний студентов. Одной из основных особенностей предлагаемой методики является то, что подготовка к изучению данного предмета проводится при изучении курса информатики на младших курсах, получается непрерывный процесс обучения работе с информационными технологиями. Студенты плавно переходят от изучения более общих технологий к специальным, географическим. Изучение данного курса проводится с использованием местного материала. Задания,.

146 предлагающиеся к выполнению разрабатываются с привлечением специалистов — предметников, ведущих цикл географических наук.

Рассмотрев все приведенные нами примеры исследований можно сделать вывод о том, что предложенная методика проведения исследования социо-природно-экологической направленности, теоретически и практически полезна для подготовки и принятия научно-обоснованных решений, а предлагаемая методика изучения предмета «НИТ — Геоинформационные системы» позволит наилучшим образом готовить специалистов в области географии, владеющих навыками работы с новыми информационными технологиями.