Geum.ru

В. В. Морозов гіс в управлінні водними І

Вид материалаДокументы

Содержание


Результатами моделювання
4. Гіс в аграрних університетах
Бака лавр
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Рис. 3.1. Карта рівня ґрунтових вод та визначення зон ризику підтоплення земель для ділянки місцевого зрошення на закритому горизонтальному дренажі Новоолексіївської селищної ради Генічеського району Херсонської області (за даними П.І. Ковальчука, С. Шевчука)
0,0-0,5 м



0,5-1,5 м



1,5-3,0 м







3,0-5,0 м



5,0-8,0 м



Більш 8,0м



Рис. 3.2. Карта гідроізогіпс та рівня ґрунтових вод для визначення зон ризику підтоплення земель ділянки місцевого зрошення на закритому горизонтальному дренажі Новоолексіївської селищної ради Генічеського району Херсонської області (за даними П.І. Ковальчука, С. Шевчука)



Всі ці процеси є складними і багатофакторними. Великий вплив на їх виникнення і розвиток оказує специфіка ландшафту, умови і фактори його формування.

В цьому зв'язку, для розробки стратегії, тактики і методів боротьби з негативними екологічними та інженерно-геологічними процесами на зрошуваних масивах важливо розуміти походження ландшафту, історію його розвитку, структуру взаємозв'язку ґрунтів і грунтоутворюючихпорід, і форм рельєфу, еволюція і розвиток грунтово-гідрогеологічних процесів тощо.

Наприклад, знання особливостей ґрунтів, геологічних і гідрогеологічних умов та форм рельєфу, динаміка кліматичних показників та якості зрошувальної води може допомогти в ідентифікації типових вторинно засолених і осолонцьованих ділянок, або для визначення площ, які вимагають термінового меліоративного втручання і розробки заходів щодо підвищення родючості ґрунтів.

У відповідності з цими вимогами за супутниковими і аерофотозйомками методами візуального і цифрового дешифрування складаються карти форм рельєфу, літології, рівня підгрунтових вод і вологості ґрунтів, ступеню засоленості і осолонцювання ґрунтів вивчаємого району. Одержані бази даних і карти вводяться до ГІС і використовуються в якості базової інформації для створення багаторівневої схеми збору додаткових наземних даних і в якості "маски" в процесі класифікації зображення.

Карти також використовуються при моделюванні зв'язків між просторовим знаходженням засолення і осолонцювання земель, формами рельєфу, показниками меліоративного режиму для відображення ступеня небезпеки вторинного засолення, осолонцювання ґрунтів та підтоплення земель.


3.2. Картографування розповсюдження підтоплення вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів


Корекція і класифікація різночасових зображень проводяться з урахуванням характеристик ґрунту, гідрогеолого-меліоративного стану земель і форм рельєфу, даних польових і лабораторних досліджень, прив'язаних до географічних координат з використанням GPS.

Класифікація зображення включає класифікацію з навчанням, використання еталонів, вибір найкращої комбінації діапазонів і визначення пікселів методом максимальної правдоподібності. На стадії навчання з ґрунтової бази даних вибираються репрезентативні зразки окремих класів. Однорідні за спектральними характеристиками об'єкти визначаються з використанням метода класифікації з навчанням. Для зменшення джерел спектральних перешкод маска зображення перетворюється з використанням карти форм рельєфу. Одержані класифікації інтегруються на стадії, яка іде після класифікації. Для оцінки точності класифікації для кожного набору даних розраховуються матриці помилок.

Відповідні карти, які відображають типи підтоплення земель, вторинного засолення, осолонцювання за вивчаємий період (наприклад, з 2000 по 2005 рр. або весна-осінь 2005 р. тощо) створюються і використовуються як вхідні дані для розробки моделей, які оцінюють ландшафт, площу, ступінь і вірогідність вимірів змін, які відбулися в цій області. Виділяється відповідна кількість класів ґрунтів і земель (наприклад, від незасолених до засолених ґрунтів, або – від не підтоплених до підтоплених земель).


3.3. Моделювання підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів


За допомогою ГІС можливо здійснювати моделювання і прогнозування процесів підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів, розповсюдження цих явищ тощо.

Додаткові оцінки приросту площ підтоплення або вторинного засолення земель, швидкості і ступеня розповсюдження цих явищ і процесів можуть бути одержані по класифікованим супутниковим зображенням з використанням різних методів (наприклад, метода нечітких множин). Мова графічного просторового моделювання, програмного забезпечення – потужний інструмент, який дозволяє комбінувати шари інформації, формувати сценарій моделювання (наприклад, небезпеки підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів) і здійснювати перекодировку, що базується на відповідних правилах.

В результаті може бути створена модель еколого-меліоративного моніторингу і прогнозу процесів підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів. Використовуючи шляхи об'єднання класифіцированих зображень за ряд років (наприклад, 1990, 1995, 2000, 2005 рр.) створюють карти, які вміщують можливі зміни за цей період часу.

Для оцінки достовірності, походження та величини змін створюються експертні системи. Наприклад, при застосуванні ГІС і технології обробки даних дистанційного зонування для картографування і аналізу небезпеки засолення ґрунтів в Болівії [6] був використаний метод нечітких множин та експертні оцінки. При цьому вірогідність поточних вимірів була визначена за ступенем подоби конкретному зафіксованому виміру. Це дозволяє при вирішенні відповідної задачі поєднати знання з ряду фахових дисциплін (таких, як геодезія, геологія, гідрогеологія, геохімія, гідрологія, ґрунтознавство, гідромеліорація, економіка, інформаційні технології тощо) в базові набори правил.

Експерти в Болівії класифікували вірогідність змін з використанням "коефіцієнта достовірності" в діапазоні от 0 до 1 як: абсолютно схожі (з достовірністю, що дорівнює 1), дуже схожі (0,9), схожі (0,6), схожі і несхожі (0,5), несхожі (0,4), дуже несхожі (0,2), абсолютно несхожі (0). Ці вірогідності включаються в ГІС з використанням правила "Якщо – То" [6]. Моделі дозволяють виявляти природу вивчаємих процесів і тенденції їх змін. Наприклад: всіх показників засоленості ґрунтів, або метаморфізму хімічного складу підгрунтових та дренажних вод.

Вищеописана інформація важлива для прийняття оптимальних управлінських рішень в галузі меліорації і водного господарства та органів землекористування для планування ландшафтно-меліоративних заходів.

Результатами моделювання є карти.

Основними картами гідрогеолого-меліоративних експедицій, які здійснюють еколого-меліоративний моніторинг, є карти рівня підгрунтових вод їх хімічного складу, засоленості (загальної і токсичної) ґрунтів, осолонцювання, меліоративні карти. На практичних заняттях доцільно вивчити особливість цих карт для відповідних зрошуваних масивів, районів, господарств та набути навичок їх використання для розробки еколого-меліоративних заходів.

В прикладі Болівії [6] результатом моделювання є три карти: "східності змін", "природи змін" та "ступеня змін". Ці карти суміщуються з інформацією про ландшафт і створюється карта "небезпеки засолення ґрунтів".

В подібних випадках ГІС забезпечує можливість аналізу всіх даних про ландшафт і процеси, які відбуваються при зрошенні з багаточисельних джерел інформації. Це можуть бути такі дані як: види ландшафту, природна дренованість території, положення рівня підгрунтових вод, ступінь засоленості і осолонцювання ґрунтів, концентрація токсичних солей та їх склад в зв'язку із розміщенням в ґрунтах і ґрунтоутворюючих породах, розподіл типів солей і ступеня засоленості, іонний склад, рН, електропровідність.

Визначення просторової відповідності між всіма вищепереліченими параметрами покращує точність прогнозів. Висока просторова відповідність між ареалами параметрів і ознаками деградації ґрунтів, ідентифікованими на місцевості, дозволяє встановити вірогідність розповсюдження вторинного засолення, осолонцювання та підтоплення на площі, які ще не потерпають від визначених проблем [1].

Таким чином, карти прогнозів небезпеки вторинного засолення, осолонцювання та підтоплення показують території (області), які є вже засоленими, осолонцьованими та підтопленими та, у відповідності з моделлю, мають тенденції до збільшення небажаних параметрів.


Питання для самоперевірки по розділу 3:

1. При розробці яких проектів використовуються ГІС в гідромеліорації?

2. Що є основним об'єктом гідромеліорації?

3. Назвіть основний фактор впливу на ландшафт в сухо степовій зоні України.

4. Назвіть основні екологічні проблеми агро ландшафту в процесі зрошення.

5. Що Ви розумієте під термінами: ландшафт, агро ландшафт? Охарактеризуйте умови і фактори формування зрошуваного агро ландшафту.

6. З якою метою треба вивчати історію розвитку і структуру ландшафту?

7. Для чого служать GPS в гідромеліорації?

8. Які організації здійснюють еколого-меліоративний моніторинг зрошуваних земель?

9. Які карти ГІС необхідні в системі еколого-меліоративного моніторингу?

10. Прогнози яких явищ на зрошуваних масивах необхідні для збереження екологічного стану ландшафтів і родючості ґрунтів?


4. ГІС В АГРАРНИХ УНІВЕРСИТЕТАХ


4.1. Основні аспекти підготовки фахівців з ГІС в аграрних університетах України


В аграрних університетах України підготовка фахівців з Геоінформаційних систем найбільш перспективна при розвитку нових напрямів спеціальностей: землевпорядкування і земельний кадастр, гідромеліорація, агрономія, агромеліорація, екологія і охорона навколишнього середовища, промислове та цивільне будівництво.

У кожної з цих спеціальностей є своя траєкторія і особливості ступеневої підготовки фахівців: бакалавр, спеціаліст, магістр (рис. 4.1.). Розглянемо на прикладі Херсонського державного аграрного університету (ХДАУ) основні аспекти організації підготовки фахівців з ГІС-технологій на базі спеціальності "Гідромеліорація".

Традиційно в ХДАУ проводилась підготовка фахівців спеціальностей "агрономія" і "гідромеліорація" з геодезії і основ землевпорядкування та з "інженерної геодезії". На кафедрі землевпорядкування і геодезії студентам 3 курсу спеціальності "гідромеліорація" читається курс "Інженерні вишукування" студенти проходять відповідну практику, а на 5 курсі студентам спеціалізації "Землевпорядкування на меліорованих землях" читаються навчальні курси: "Основи землевпорядкування", "Земельний кадастр", "Супутникові технології в геодезії" та "Основи дистанційного зондування", що дозволяє випускникам успішно працювати в системі землеустрою і землевпорядкування в різних організаціях землевпорядкування, земельного проектування і "Облдержродючості", в основному, в Південному регіоні України.


В останні роки підприємства і організації, для яких проводилась підготовка фахівців, почали активно впроваджувати у виробництво геоінформаційні системи і технології. До цих підприємств, організацій і управлінь (замовників фахівців) слід в першу чергу віднести:

- організації і управління системи Держводгоспу України (облводгоспи, управління зрошуваних і колекторно-дренажних систем; гідрогеолого-меліоративні експедиції);

- організації, управління і центри Міністерства аграрної політики України (головні управління сільського господарства і проводольства облдержадміністрацій; обласні державні проектно-технологічні центри охорони родючості грунтів і якості продукції "Облдержродючість");

- науково-дослідні інститути Української академії аграрних наук та їх філії (Інститут гідротехніки і меліорації, Інститут землеробства південного регіону, Національний науковий центр (ННЦ) "Інститут ґрунтознавства і агрохімії ім.. О.Н. Соколовського", ННЦ "Інститут аграрної економіки", Інститут агроекології і біотехнологій, Інститут південного овочівництва і баштанництва, Інститут землеробства, Інститут рису тощо);

- державні аграрні університети, академії, коледжі і технікуми України, які всі мають потребу у молодих кваліфікованих науково-педагогічних кадрах, спроможних використовувати ГІС-технології у фундаментальних і прикладних сільськогосподарських дослідженнях, а також у науково-педагогічній роботі;

- управління з економіки, екології і надзвичайних ситуацій облдержадміністрацій;

- управління і організації Державного комітету України по земельним ресурсам (управління земельних ресурсів облдержадміністрацій, науково-дослідні і проектно-вишукувальні інститути "Земпроект"), державні підприємства геодезії, картографії та кадастру; проектні організації і підприємства промислового та цивільного будівництва тощо.

У всіх вищеперелікованих організаціях, підприємствах і установах на перший план професійних вимог виходить уміння випускників працювати з Геоінформаційними системами і технологіями. Знання ГІС-технологій формуються у випускників на базі володіння ними основами спеціальності, її нормативно-правовою базою, на високому рівні володіння комп'ютерними інформаційними технологіями, на знаннях англійської професійної мови, умінні використовувати сучасні методи наукових досліджень в професійній роботі.

Таким чином, володіння сучасним фахівцем знаннями і уміннями ГІС-технологій у своїй спеціальності є інтегрованим міжнародним показником якості підготовки випускників аграрних університетів.

Для впровадження ГІС-технологій в спеціальності Херсонського ДАУ в університеті в 2005-2006 рр. був проведений комплекс організаційних і науково-методичних робіт і заходів:

- створена кафедра ГІС-технологій, на якій зосереджені викладачі і навчальні дисципліни, які забезпечують підготовку з "Геоінформатики", "Геоінформаційних систем", "Системного аналізу", "Баз даних", "Апаратного комп'ютерного і програмного забезпечення ГІС", "Геотроніки і картографії", "Методів ГІС" тощо;

- організоване професійне стажування викладачів з ГІС-технологій в провідних університетах, науково-дослідних інститутах і підприємствах Європи (рис. 4.2.) і України: Університеті м. Євле (Швеція), Університеті Глазго Каледонія (Шотландія), Інституті гідротехніки і меліорації УААН (м. Київ), Національному науковому центрі (ННЦ), "Інститут ґрунтознавства і агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН" (м. Харків), Херсонському державному підприємстві геодезії, картографії та кадастру "Херсонгеоінформ";

- викладачі основних дисциплін, які забезпечують підготовку з "ГІС-технологій", пройшли обов'язкове підвищення кваліфікації з професійної англійської мови на кафедрах іноземних мов Херсонського державного університету і Херсонського державного аграрного університету;

- для організації практичної професійної роботи науково- педагогічних працівників і студентів при кафедрі ГІС-технологій створений навчально-науковий центр "ГІС-АГРО", основними функціональними обов'язками якого є виконання держбюджетних науково-дослідних робіт (проектів) із розробки, адаптації і впровадження у виробництво ГІС-технологій при вирішенні актуальних екологічних, водогосподарських, гідромеліоративних і агромеліоративних проблем і задач в Південному регіоні України; формування "портфелю замовлень" реальної тематики дипломних проектів і робіт випускників-спеціалістів і магістрів;

- відкриті філії кафедри ГІС-технологій в організаціях та підприємствах, які працюють з геоінформаційними системами і технологіями: в Херсонському державному підприємстві геодезії, картографії та кадастру "Херсонгеоінформ", Науково-дослідному і проектно-вишукувальному інституті "Землепроект", Інституті землеробства південного регіону УААН, де студенти, які спеціалізуються з ГІС-технологій, проходять виробничу практику і на базі яких виконують реальні курсові і дипломні проекти та роботи;

- організовані спеціалізовані навчально-наукові лабораторії для практичної роботи навчально-наукових працівників і студентів з ГІС-технологій: Центр системи дистанційного навчання і лабораторія ГІСАУ (GISAU), Internet - лабораторія, а також лабораторія ГІС-технологій;

- всі спеціалізовані навчально-наукові лабораторії укомплектовані відповідними сучасними апаратними комп'ютерними засобами;

- проводиться програмне забезпечення навчальних дисциплін і практичної роботи з ГІС-технологій;

- в науковій бібліотеці університету сформований сектор ГІС-технологій, який постійно комплектується спеціальною вітчизняною і зарубіжною літературою, методичним забезпеченням, в тому числі електронними навчальними посібниками і підручниками; підготовлений і виданий Бібліографічний покажчик літератури з "ГІС-технологій";

- проводиться координація навчально-наукової роботи з ГІС-технологій з провідними фахівцями з університетів та науково-дослідних інститутів Європи (Швеція, Шотландія) і України (Національний аграрний університет – кафедри: ГІС-технологій і меліорацій, Миколаївський і Дніпропетровський державні аграрні університети, Інститут гідротехніки і меліорації УААН та Національний науковий центр "Інститут ґрунтознавства і агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН" та іншими організаціями;

- розроблений та затверджений вченою радою Херсонського ДАУ і одержав схвалення Міністерства аграрної політики України навчальний план магістратури за спеціальністю "Гідромеліорація", спеціалізація "ГІС в управлінні водними і земельними ресурсами" (табл. 4.1.);

- для основних фахових дисциплін навчального плану підготовлена і видана з друку бібліотечка навчальних посібників з ГІС-технологій;

- сформована з випускників 5 курсу спеціальності "Гідромеліорація" академічна група чисельністю 20 осіб для навчання в магістратурі, планується участь цих студентів в роботі Літньої школи "Геоінформаційні системи (ГІС). Сучасні технології навчання", яка проводиться 10-16 липня 2006 року в смт. Лазурне Херсонської області. Проводять Літню школу провідні фахівці ГІС-технологій Gologow Caledonian University (UK), University of Gavle (Sweden), Херсонського державного аграрного університету та Херсонського державного університету;

- планується проведення 14-15 вересня 2006 р. в м. Херсоні Міжнародної науково-методичної конференції "Географічні інформаційні системи в аграрних університетах" (GISAU) за участю провідних вітчизняних і європейських фахівців ГІС-технологій та студентів-магістрів;

- виконання дипломних випускних робіт магістратури з ГІС-технологій планується виключно з геоінформаційної тематики з гідромеліорації, управління водними і земельними ресурсами.

Основні організаційні і науково-методичні роботи з підвищення кваліфікації викладачів кафедри ГІС-технологій в університетах Швеції і Шотландії, забезпечення спеціалізованих лабораторій апаратним комп'ютерним обладнанням і відповідними програмними продуктами, комплектація наукової бібліотеки сучасною літературою з ГІС, підготовка і видання навчальних посібників з ГІС-технологій, проведення Літньої школи "ГІС" і Міжнародної науково-методичної конференції "Географічні інформаційні системи в аграрних університетах" здійснені при підтримці Glasgow Caledonian University (UK) та University of Gavle (Sweden) у рамках проекту CD-IEP-25215-2004 "Географічні інформаційні системи в аграрних університетах" (GISAU).


4.2. Орієнтовна тематика курсового і дипломного проектування з ГІС


Виконання реальних курсових і дипломних проектів (робіт) магістрів, а також проходження виробничої практики на підприємствах, які використовують ГІС-технології, поширюють професійні можливості випускників університетів, особливо у зв'язку із різко зростаючою потребою у суспільстві до нових інформаційних технологій, які підтримує геоінформатика.

До реальної тематики курсових і дипломних проектів магістерської підготовки фахівців з ГІС можуть бути віднесені питання:




Рис.4.2. Група викладачів з ГІС-технологій Херсонського державного аграрного університету та Херсонського державного університету під час стажування в Університеті м. Євле (Швеція) зліва-направо, верхній ряд: доцент Плоткін С.Я., професор Стіг Жоран Йохансон, професор Морозов В.В., асистент професора Молін Карлсон (куратор групи з України), доцент Мацко П.В., професор Пія Холквіст, доцент Ладичук Д.О., доцент Морозов О.В., нижній ряд: доцент Лебідь О.М., академік УААН Ушкаренко В.О., професор Андерс Остман – директор ГІС-інституту, університету м.Євле, професор Бєляєв Ю.І., професор Співаковський О.В. (лютий 2006 року).

Освіт-

ньо – кваліфікаційний рівень

Об’єкти проектування

Мета проекту (роботи)

Задачі проекту (роботи)

Бака

лавр

1

2

4

3

B

A



Підвищити ефек­тивність системи (1) шляхом удоскона­лення її елемента (2) - об’єкта проектування (3), надання йому нових кількісних і якісних характеристик
1 – Вивчення цілісної системи (1), виявлення недосконалості її елементів (2) та системи (1) в цілому.

2 – Визначення і характеристика об’єкта проектування (3).

3 – Поглиблене вивчення (досліджен­ня) об’єкта проектування (3).

4 – Проектування нового стану об’єкту (3) : розрахунки параметрів, креслен­ня, моделювання, техніко – економіч­не обґрунтування нових рішень.

5 – Розробка рекомендацій для впро­вадження проекту (роботи) у вироб­ництво з урахуванням оточуючого зовнішнього середовища (4).

Спеціа

ліст

4





B

A



1



Підвищення ефек­тивності системи (1) – об’єкта проек­тування (3) шляхом вдосконалення її основних елементів (2), надання їм нових кількісних і якісних характе­рис­тик
1 - Вивчення цілісної системи (1), оцінка її стану та виявлення її недосконалості.

2 – Визначення і характеристика елементів системи (2) як складових об’єкту проектування і всієї системи як складного об’єкта проектування (3).

3 – Поглиблене вивчення об’єкту проектування (3), його складових елементів (2).

4 – Проектування нового стану об’єктів (2 і 3) : розрахунки парамет­рів, креслення, моделювання, техніко – економічне обґрунтування нових рішень кожного елемента і системи (3) в цілому.

5 – Розробка нової технології управління об’єктом (3) з урахуванням зовнішнього оточуючого середовища (4), бізнес плану і рекомендацій для впровадження проекту у виробництво.

Ма

гістр

4

B

A

3



Підвищення ефек­тивності системи (1) шляхом дослід­жен­ня і вирішення її актуальних проблем
1 - Вивчення цілісної системи (1), виявлення її проблем.

2 – Вивчення однієї з проблем, аналітич­ний огляд літератури, формування робочої гіпотези, мети і завдань досліджень.

3 – Результати досліджень елементів (2) і системи (1) в цілому та у взаємозв’язку із зовнішнім оточуючим середовищем (4).

4 – Розробка шляхів і рекомендацій щодо підвищення ефективності системи (1), нової технології управління об’єктом (3) у взаємозв'язку з зовнішнім оточуючим середовищем (4), бізнес плану і

пропозицій щодо впровадження проекту у виробництво.


Умовні позначення : 1 – вивчаєма система; 2 – елементи системи; 3 – об’єкт проектування;




4 – оточуюче зовнішнє середовище;


А – вхід до системи (ресурси); В – вихід з системи (мета, результати діяльності системи)




Рис. 4.3. Зміст дипломного проектування для освітньо-кваліфікаційних рівнів: бакалавр, спеціаліст, магістр

- розробка цифрових топографічних карт і планів різних масштабів і різного призначення;

- створення цифрових ортофотопланів по аеро- і космічним зйомкам;

- розробка геоінформаційних систем (комплексні проекти), таких як ГІС еколого-меліоративного моніторингу зрошуваного масиву (району, господарства); ГІС родючості ґрунтів і якості продукції; ГІС моніторингу радіоактивного забруднення, підтоплення; ГІС раціонального використання водних ресурсів і управління якістю поливної води; ГІС управління якістю дренажних вод і використання їх для зрошення; ГІС проектування реконструкції зрошення, ГІС проектування дренажу (вертикального і горизонтального); ГІС адаптивного меліоративного режиму; ГІС оптимізації водно-сольового і поживного режиму; ГІС охорони і меліорації ландшафту в т.ч. заповідного тощо;

- створення баз даних для управління якістю зрошувальної води, раціонального комплексного використання водних ресурсів, впливу скидів колекторно-дренажних та стічних вод на акваторію водосховищ і морів;

- створення експертних систем для оцінки ефективності використання водних і земельних ресурсів, гідротехнічних споруд;

- розробка ГІС надзвичайних ситуацій (водних стихій): повеней, селевих потоків, затоплення і підтоплення території, забруднення річок і підземних вод тощо;

- моделювання і прогнозування екологічних, ґрунтових та гідрогеологічних процесів, економіки зрошення та ефективного використання меліорованих земель;

- використання ГІС при розробці стратегії розвитку водного господарства, меліорації тощо.

Основним об'єктом еколого-меліоративного проектування і дослідження із впровадженням ГІС-технологій є ландшафт, який