Целью научно-инновационной деятельности общества является познание окружающей действительности и выработка рекомендаций по ее совершенствованию. Научный поиск и внедрение в практику его результатов играют основополагающую роль во всестороннем обеспечении безопасности жизнедеятельности человека, устойчивого развития общества и высокого качества жизни людей.
Научно-инновационная сфера деятельности представляет собой сложное явление интеллектуального характера. В основу ее структуризации, на наш взгляд, следует положить известную цепочку: фундаментальные (академические) исследования – прикладные (отраслевые) исследования или разработки – внедрение в практику, т. е. инновации (нововведения) в виде научных открытий, технических изобретений и рационализаторских предложений. Это – стержень всей системы научно-инновационной деятельности общества. Кроме этого, в состав последней входит в качестве структурного элемента вся инфраструктура, состоящая из таких видов обеспечения, как материальное, финансовое, коммуникационное, информационное, нормативно-правовое, кадровое. В качестве элементов данной системы выступают и результаты научно-инновационной деятельности: публикации, авторские свидетельства и патенты, а также собственно внедрения. Определенный практический интерес может вызывать информация о направлениях научно-инновационной деятельности, особенно с подразделением на две ведущие группы: инженерные и социальные инновации. И, наконец, еще один очень важный элемент системы научно-инновационной деятельности – органы государственного и общественного управления, которые осуществляют государственную и научно-общественную политику в сфере науки и инноваций в форме планирования перспектив в развитии определенных научных направлений. Вся эта совокупность элементов образует единую систему научно-инновационной деятельности общества, которая в увязке с конкретными условиями функционирования, изменяющимися от места к месту, трансформируется в территориальную систему науки и инноваций.
Важное значение имеет тематический набор исследований и направлений внедрения инноваций. Одним из приоритетных современных направлений является решение задачи формирования цифровых инфраструктур пространственных данных (ИПД) регионов для научно-организационного обеспечения процессов сбора, анализа, распространения информации о природно-социально-экономических системах [1]. В контексте реализации стратегии научно-технологического развития страны в области перехода к передовым цифровым технологиям ИПД ориентированы на повышение оперативности диагностики состояния природных, социальных и производственных систем и их взаимодействия, прогнозирование развития чрезвычайных экологических ситуаций.
Основная идея образовательного проекта «Цифровые технологии в образовании для устойчивого развития регионов», характеристика которого представлена в статье, заключается в разработке и реализации комплекса мероприятий, направленных на формирование у обучающихся качественно нового уровня цифровых компетенций, связанных с анализом, синтезом и интерпретацией геопространственной информации с целью решения практических задач планирования устойчивого развития регионов Российской Федерации.
Цель исследования. Системное изложение принципов работы Федеральной инновационной площадки «Цифровые технологии в образовании для планирования устойчивого развития регионов», нацеленной на обеспечение модернизации и развития системы образования с учетом основных направлений социально-экономического развития страны, реализации приоритетных направлений государственной политики.
Материал и методы исследования. Разработка цифровых ИПД должна быть основана на комплексном решении системы задач, направленных на поиск эффективных решений в области интеграции, обработки, хранения, визуализации и распространения больших объемов пространственно-временных данных с целью организации фундаментальной основы для синтеза и системного анализа экспертной информации при принятии управленческих решений в области устойчивого развития, прогнозирования развития природных и техногенных процессов, в том числе чрезвычайных ситуаций и стихийных явлений [2].
Решение комплексных задач оценки состояния систем жизнеобеспечения населения предполагает развитие междисциплинарных исследований [3]. Формируемые знания призваны отражать современное состояние природных, социальных и производственных систем и их взаимодействие [4]. В результате такого взаимодействия образуются сложные метагеосистемы, которые представляют собой среду существования общества с экологическими, хозяйственно-технологическими и социальными составляющими. Такие системы должны строиться по региональному принципу, отражая иерархическую организацию метагеосистем, и включать информацию, позволяющую обеспечить научно обоснованную оценку состояния локальных, региональных и глобальных природно-социально-производственных систем, оперативное или долговременное прогнозирование [5]. Естественно, что и объем информации, принципы ее обработки и оценки в каждом конкретном случае должны быть рационально подобранными и научно обоснованными.
Важнейшими инструментами в решении обозначенных проблем являются геопортальные и геоинформационные системы (ГИС) [6]. Их внедрение в деятельность проектных организаций, органов государственной и муниципальной власти, бизнес-структур, повседневную жизнь широких слоев населения позволяет повысить скорость и эффективность решения эколого-социально-экономических проблем, актуальных практических задач повышения инвестиционной привлекательности территорий, оптимизации территориального размещения производств, транспортной инфраструктуры и системы расселения населения, учета потребностей местного населения, развития социальной инфраструктуры, оптимизации структуры землепользования, минимизации экологических проблем, сохранения объектов природного и историко-культурного наследия, прогнозирования и минимизации последствий чрезвычайных экологических процессов и ситуаций [7]. В конечном счете этот процесс сводится к тотальной цифровизации пространственно-территориальной информации, проектированию ИПД, что сопряжено с необходимостью глубокого анализа пространственно-временных данных в сфере мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, проектирования инженерных систем и объектов капитального строительства и т. д.
Развитие комплексных исследований предполагает использование геосистемного подхода [5]. При этом учитывается, что геосистемы отличаются определенным территориальным охватом. С ростом размеров территории изменяется и структура принимаемых управленческих решений [8]. В силу этого отчетливо прослеживается необходимость в иерархической систематизации, типизации и оптимизации геоинформационных материалов как базиса поддержки принимаемых решений.
С геоинформационными методами и технологиями связываются перспективы консолидации пространственно определенных и временных данных в целостные информационные системы, интеграции процессов создания и использования карт [9]. Задача состоит в информационно-картографическом моделировании и исследовании природных, социальных и экономических систем и изучении их взаимодействия на основе цифровых баз данных, ГИС-технологий и специальных знаний. В рамках этого направления в настоящее время идут активные поиски эффективных компьютерных методов анализа и моделирования, развивается оперативное и многовариантное картографирование, создаются новые виды картографических произведений и продуктов [10; 11].
Проектно-ориентированная разработка и эксплуатация геоинформационных систем и технологий для формирования условий устойчивого развития регионов требует наличия высококвалифицированных профессионалов, обладающих представлениями о тенденциях развития современных цифровых методов исследований географической среды, выработки практических навыков работы с пространственно распределенной информацией на основе передовых практик, научного мировоззрения, инженерного мышления для освоения инновационных методов научного познания мира и развития исследовательских способностей обучающихся в области естественных и инженерных наук [12; 13]. В процессе освоения учебных программ в области применения новых геоинформационных технологий для формирования условий устойчивого развития территорий учащиеся должны получать передовые знания в области наук о Земле и инженерных направлений науки и техники, практические навыки работы на различных видах современного научного лабораторного оборудования.
Проектирование, разработка, внедрение и эффективное использование цифровых инфраструктур пространственных данных представляет собой междисциплинарную задачу и требует вовлечения компетентных специалистов из нескольких областей науки и практики в работу Федеральной инновационной площадки «Цифровые технологии в образовании для планирования устойчивого развития регионов». Это позволит обеспечить формирование у специалистов цифровых знаний, умений и навыков, необходимых для обеспечения устойчивого эколого-социально-экономического развития регионов.
Сравнительный анализ образовательных программ различных вузов России говорит о наличии позитивного опыта преподавания курсов в области обозначенной проблематики. Так, компетенции в области анализа и эффективного использования пространственных данных для реализации стратегий в области обеспечения устойчивого развития регионов формируются в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова (в рамках дисциплин направления подготовки «Картография и геоинформатика», таких как «Интегрированные базы геоданных коллективного пользования» и «Базы пространственных данных»); Московском государственном университете геодезии и картографии и Казанском федеральном университете (дисциплина «Инфраструктура пространственных данных», преподаваемая в рамках направления подготовки «Картография и геоинформатика»). Положительный опыт имеют и зарубежные университеты: KU Leuven, Norwegian University of Science and Technology, University of Melbourne, Vancouver Island University, Lund University. Развитие образовательного процесса при этом состоит в установлении тесной связи наук о Земле с информатикой, математикой, землеустройством.
Результаты исследования и их обсуждение. Стратегическая цель проекта Мордовского государственного университета «Цифровые технологии в образовании для устойчивого развития регионов» заключается в разработке теории, методологии и новых технологий интеграции, интеллектуального анализа и распространения больших геопространственных данных для планирования устойчивого развития эколого-социально-экономических систем регионов. Формируемые знания призваны отражать современное состояние природы и общества и их взаимодействие: структуру, динамику и функционирование геосистем и их экологическое состояние; структуру общества; территориальную организацию хозяйственной деятельности.
Содержание проекта направлено на освоение компетенций, востребованных в градостроительстве, сельском хозяйстве, лесоустройстве, организации системы особо охраняемых природных территорий, туризме и др.
Развитие междисциплинарных исследований в области решения комплексных проблем, возникающих при взаимодействии экологических, социальных и экономических систем, сопряжено с разработкой специальных информационных систем, обеспечивающих сбор, систематизацию и обработку данных и знаний о природе, хозяйстве и населении территорий. Такая система строится по региональному принципу, отражая иерархическую организацию метагеосистем, и содержит комплекс информации, рациональный объем которой должен обеспечить своевременную научно обоснованную оценку состояния локальных, региональных и глобальных проблем (рис.).
Пространственно-временная неоднородность метагеосистем обусловливает региональные различия развития спектров экологических, социальных и экономических проблем. Для реализации междисциплинарного подхода на основе современных геоинформационных систем необходимы:
· разработка программы сбора, обработки и систематизации данных [14] о природно-ресурсном потенциале, особенностях хозяйственного освоения ландшафтов, современного регионального природопользования, соответствия территориальной организации хозяйства ресурсным и ландшафтно-экологическим свойствам региона, что открывает пути оптимизации территориальной структуры природопользования, ландшафтного планирования и прогнозирования развития эколого-социально-экономических систем; создание специальных проблемно ориентированных геоинформационных систем для моделирования эколого-социально-экономических систем с использованием картографических методов, а также вероятностно-статистических методов анализа информации в целях принятия решений;
Систематизация данных о региональных и глобальных геосистемах
· разработка региональных геопорталов [15] как систем обработки и визуализации информации, мониторинга техногенных систем, управления транспортными потоками и дорожным трафиком, анализа геоэкологического состояния территорий, прогнозирования природных и природно-техногенных чрезвычайных экологических ситуаций и снижения последствий стихийных бедствий, распространения информации о природном и культурном наследии, интеграции комплексных научных исследований и визуализации их результатов.
Опыт реализации исследовательских работ и грантовых проектов (РГО – «Создание геопортала "Республика Мордовия"», «Серия карт РГО "Природное и культурное наследие Республики Мордовия"», «Всероссийского чемпионата по географии среди школьников "Мое Отечество - Россия"»; РФФИ – «Интеграция знаний в цифровых инфраструктурах пространственных данных для принятия управленческих решений в области устойчивого развития»; Президента Российской Федерации – «Разработка репозитория глубоких нейросетевых моделей для анализа и прогнозирования развития пространственных процессов») с вовлечением школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых показывает, что для достижения цели образовательного проекта требуется решение следующих задач:
· обоснование междисциплинарного концептуального подхода к формированию цифровых компетенций у обучающихся, основанного на глубоком анализе современных отечественных и зарубежных тенденций развития науки и практики;
· разработка системы открытых образовательных продуктов, адаптированных для студентов, осваивающих программы среднего профессионального образования и высшего образования, и слушателей, осваивающих дополнительные профессиональные программы;
· учебное проектирование новых методов тематической интерпретации данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), адаптация и внедрение в образовательный процесс алгоритмов обработки и анализа больших массивов геоданных в системе цифровых инфраструктур пространственных данных, оптимизирующих процессы интеграции данных о природно-социально-экономических процессах развития стран и регионов;
· разработка модели эффективного решения визуализации и распространения геопространственной информации с целью использования в образовательном процессе – проектирование регионального геопортала как многокомпонентного web-проекта, базирующегося на реляционной базе данных, содержащей сведения о состоянии и развитии природных, социальных и производственных систем.
Методология предлагаемого образовательного проекта должна быть основана на проработке ряда ключевых направлений. Так, формирование междисциплинарного подхода к систематизации пространственно распределенных данных должно быть основано на интеграции естественно-научного, технического и гуманитарного знания посредством детального анализа и обобщения разнородной информации о природных, социальных и производственных системах, структуре землепользования, объектах природного и культурного наследия, экологических проблемах. С другой стороны, важным практико-ориентированным моментом является разработка алгоритмов картографирования регионов на базе технологий автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков с последующим внедрением в образовательный процесс. Предлагаемые для внедрения в образовательный проект решения необходимо основывать на использовании существующих систем интерпретации космических снимков, а их апробация должна проходить на хорошо изученных научно-образовательных тестовых полигонах, включая подготовку учебно-методических пособий по тематической интерпретации данных ДЗЗ, что позволит экстраполировать полученные знания для подготовки и обновления баз данных и электронных карт региональной геоинформационной системы. Наконец, необходимо раскрытие аспектов проектирования и организации качественно новых геопортальных решений по визуализации и распространению всего комплекса географической информации о природных, социальных и экономических процессах для принятия управленческих решений в области устойчивого развития для широкого круга лиц, развертыванию научно-образовательного процесса после периода реализации образовательного проекта.
Реализация образовательного проекта направлена на повышение качества формирования цифровых компетенций (использование облачных геоинформационных технологий, проектирование ИПД, разработка геопортальных систем, анализ и интерпретация данных ДЗЗ и др.) у обучающихся по направлениям подготовки, наиболее востребованным на рынке труда в контексте решения задач эколого-социально-экономического развития регионов. Опыт реализации проекта призван стать драйвером запуска аналогичных образовательных проектов в ведущих образовательных организациях в России и за рубежом.
Во-первых, перспективы развития проекта после завершения срока реализации основаны на объективно возрастающей востребованности в высококвалифицированных специалистах на рынке труда, обладающих компетенциями в области интеграции, обработки и анализа, хранения, визуализации и распространения больших объемов пространственно-временных данных. Опорными точками научного развития проекта являются решение проблем консолидации больших массивов пространственных данных, технологии, объединяющие возможности обработки, хранения, поиска и визуализации данных с использованием геоинформационных и геопортальных систем. Данные компетенции будут востребованы на рынке труда в кратко- и среднесрочной перспективе.
Во-вторых, реализация проекта основана на тесном деловом сотрудничестве с организациями-партнерами при решении конкретных наукоемких задач, связанных с минимизацией деструктивных природных и техногенных процессов, ведением точного земледелия, информационным обеспечением технологий «зеленого строительства» и др. Сотрудничество с внешними партнерами основано на актуализации конкретных наукоемких задач, решение которых выходит за временные рамки реализации проекта. В связи с этим проект имеет перспективы развития за счет взаимной трансляции научно-педагогического, практического, управленческого опыта образовательными, научными и проектными организациями, органами власти, коммерческими структурами.
В-третьих, реализация проекта предусматривает междисциплинарный характер формирования пространственно распределенных баз данных и перечень тематик прикладного применения формируемых у обучающихся компетенций.
Практико-ориентированный характер проекта отвечает большим вызовам, стоящим перед обществом и государствами и отдельными регионами, заключающимся в необходимости сознательного выбора и оперативной корректировке образовательной траектории обучающимися с целью освоения навыков, критически востребованных в областях прикладного применения цифровых технологий в экологии, градостроительстве, сельском хозяйстве, туризме и др.
Отдельное место в решении задачи формирования компетенций в области обеспечения поддержки устойчивого развития регионов занимает решение проектных задач в области геоинформационных систем, дистанционного зондирования Земли, анализа пространственных данных, ландшафтного планирования. Вследствие того что процессы эффективного анализа и использования пространственных данных должны быть основаны на сквозной цифровизации всех этапов, предлагается следующая система обучающих проектных задач:
• создание новых методик построения сверточных нейронных сетей, эффективных при анализе геосистемной модели территории, формируемой на основе больших пространственно-временных данных и определяющей стратегии конфигурирования наборов и размерностей слоев свертки и субдескритизации, алгоритмы уменьшения размерности;
• проектирование новых алгоритмов анализа структуры геосистем с использованием обучения ансамблей, характеризующихся повышением точности дешифрирования многозональных космических снимков и устойчивостью к ошибкам;
• разработка эффективных алгоритмов анализа геосистем, обеспечивающих повышение точности дешифрирования космических снимков;
• проектирование эффективной архитектуры геопортальной системы на основе блочно-иерархического подхода к визуализации пространственных данных;
• практическая апробация новых моделей и алгоритмов анализа пространственных данных для решения задач мониторинга состояния окружающей среды и прогнозирования развития чрезвычайных ситуаций.
Значимость реализации проекта целесообразно структурировать по перспективе достижения эффекта в отношении следующих целевых групп: обучающиеся; внешние партнеры, профильные организации; образовательные организации; организация-исполнитель.
Выводы. Решение задачи формирования условий для устойчивого развития регионов невозможно без внедрения цифровых технологий в практику управленческих решений. Такой запрос на соответствующие компетенции стал главным трендом на рынке труда, что определяет вектор развития системы непрерывного образования во всех отраслях знаний. В комплексе наук о Земле и в смежных научных направлениях потребность в специалистах, владеющих цифровыми компетенциями, крайне высока, что связано с необходимостью быстрой обработки, актуализации, верификации и визуализации значительных объемов пространственно распределенных данных для принятия управленческих решений в области территориально-пространственного планирования.
Внедрение цифровых технологий в область наук о Земле – активно развивающееся научное направление, ориентированное на решение проблем оптимизации взаимодействия природы и общества на глобальном, региональном и локальном уровнях организации, прогнозирования природных и природно-техногенных чрезвычайных экологических ситуаций. Внедрение ГИС-технологий и методов обработки космических снимков в деятельность проектных организаций, органов государственной и муниципальной власти, бизнес-структур, повседневную жизнь широких слоев населения позволит повысить скорость и эффективность решения экологических проблем, актуальных практических задач планирования устойчивых ландшафтов, сохранения объектов природного и исторического наследия, прогнозирования и минимизации последствий чрезвычайных экологических процессов и ситуаций.
Описанный в статье образовательный проект, направленный на создание Федеральной инновационной площадки «Цифровые технологии в образовании для планирования устойчивого развития регионов», предполагает формирование у обучающихся представлений о тенденциях развития современных цифровых методов исследований географической среды, выработку практических навыков работы с пространственно распределенной информацией. Специфика проекта состоит в установлении тесной связи наук о Земле с информатикой, математикой, а содержание направлено на освоение компетенций, востребованных в территориальном планировании, градостроительстве, сельском хозяйстве, лесоустройстве, организации системы особо охраняемых природных территорий, туризме и др.
Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-37-70055.