Компьютерные технологии. Компьютерные технологии в экологии и природопользовании
 Скачать 8 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ Под общей редакцией М. А. Даниловой Допущено методическим советом Пермского государственного национального исследовательского университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров «Экология и природопользование» Пермь 2018 УДК 502:004.9(075.8) ББК 28.088+32.973 К637 Коллектив авторов: М. А. Данилова, Ю. С. Васильева, В.П. Красильников Под общей редакцией М. А. Даниловой К637 Компьютерные технологии в экологии и природопользовании [Электронный ресурс]: учеб. пособие / М. А. Данилова, Ю. С. Ва- сильева, В. П. Красильников; под общ. ред. М. А. Даниловой; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. – Пермь, 2018. – 8 Мб; 174 с. – Режим доступа: http://www.psu.ru/files/docs/science/books/ uchebnie- posobiya/kompyuternye-tekhnologii-v-ecologii-i-prirodopolzovanii.pdf. – Загл. с экрана. ISBN 978-5-7944-3223-7 Учебное пособие посвящено современным технологиям обработки и визуализации данных. В результате освоения материала учебного пособия студенты приобретут базовые знания в области компьютерной графики на примере редакторов векторной и растровой графики, таких как CorelDRAW и Adobe Photoshop, а также овладеют навыками работы с открытыми универсальными статистическими средами на примере RStudio. Содержание учебного пособия охватывает вопросы статистической обработки и визуализации данных. Их знание поможет студентам работать с современными программами для статистической обработки данных и различными графическими редакторами. Подготовлено для студентов магистратуры, обучающихся по направлению 05.04.06 «Экология и природопользование». УДК 502:004.9 (075.8) ББК 28.088+32.973 Печатается по решению ученого совета биологического факультета Пермского государственного национального исследовательского университета Рецензенты : канд. биол. наук, доцент кафедры биологии, экологии и медицинской генетики ПГМУ им. академика Е. А. Вагнера Е. А. Логинова; кафедра фармакогнозии с курсом ботаники ПГФА (зав. каф. – д-р фармацевт. наук, проф. В. Д. Белоногова) ISBN 978-5-7944-3223-7 © ПГНИУ, 2018 © Данилова М. А., Васильева Ю. С., Красильников В. П., 2018 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... 4 Раздел 1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ ............................................................................................................... 6 Глава 1. Компьютерные технологии при работе с графической информацией............................................................................................................ 6 Цветовые модели в компьютерной графике ............................................................ 9 Шрифт и текст в компьютерных технологиях ...................................................... 19 Методы представления графической информации ............................................... 25 Форматы графических файлов ............................................................................... 41 Глава 2. Программирование для представления и обработки биологической и экологической информации ................................................................................ 50 Инструменты статистического анализа ................................................................. 50 Язык программирования R ..................................................................................... 52 Другие языки программирования .......................................................................... 54 Раздел 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ ...................................................... 59 Глава 3. Графические редакторы .......................................................................... 59 Редактор векторной графики CorelDRAW ............................................................ 59 Редактор растровой графики Adobe Photoshop ..................................................... 94 Глава 4. Система статистического анализа и визуализации данных R......... 141 Начало работы с RStudio. Организация рабочей среды ...................................... 141 Визуализация данных в R ..................................................................................... 165 Специальные возможности R в области экологии и природопользования ....... 168 Список литературы………………………………………………………………..171 4 ВВЕДЕНИЕ Использование компьютерных технологий в различных областях науки и при решении образовательных задач стало нормой в последние годы. Научить студента самостоятельно анализировать новую информацию и делать грамотные выводы – всегда было одной из задач высшей школы, но именно сейчас эта задача стала наиболее актуальной. Данное учебное пособие знакомит студентов с основами компьютерной графики и программирования при анализе разнообразных данных, связанных с биологией и экологией. Оно призвано помочь сформировать следующие профессиональные компетенции: знание современных компьютерных технологий, применяемых при сборе, хранении, обработке, анализе и передаче информации; способность самостоятельно использовать современные компьютерные технологии для решения научно-исследовательских и производственно-технологических задач профессиональной деятельности; владение методами оценки репрезентативности материала, объема выборок при проведении количественных исследований, а также статистическими методами сравнения полученных данных и определения закономерностей. Владение компьютерными методами визуализации информации становится в современном мире необходимым навыком, таким же базовым, как письмо и счет. Связать вместе необходимый объем вербальной информации с визуальным рядом для максимально эффективного восприятия этой информации возможно с помощью инфографики. По определению В.В. Лаптева, «Инфографика – это область коммуникативного дизайна, в основе которой лежит графическое представление информации, связей, числовых данных и знаний». Эдвард Тафт, один из основоположников информационного дизайна, дает более краткое определение: «Инфографика – это графический способ подачи информации, данных и знаний». Сама по себе инфографика не нова, к ней можно отнести разнообразные проявления графической подачи информации, от пиктограмм и карт до иллюстрации книг и инженерных чертежей. Однако важность инфографики в условиях лавинообразного накопления информации и одновременного развития компьютерных технологий 5 позволило по-новому взглянуть на нее. Некоторые современные массивы данных настолько сложны, что стало необходимым разрабатывать новые подходы к их визуализации (Искусство дизайна, 2005). В научных статьях или на сайтах использование информационных графиков преследует следующие цели: упростить детализированную информацию; отсеять информацию, прочтение которой в противном случае могло бы занять слишком много времени; вызвать интерес читателя; разорвать длинные блоки текста, чтобы избежать утомления внимания. Особое значение следует придавать анализу экологических данных. Экологический мониторинг является информационной основой для природоохранной деятельности широкого спектра. Полученные данные используются для научных исследований, оценки состояния окружающей среды и принятия управленческих решений. Глобальная система экологического мониторинга позволяет получать представление о неоднозначном воздействии антропогенной деятельности на окружающую среду. Для анализа полученных данных, а также для прогнозирования исходя из результатов обработки этих данных выделяются колоссальные вычислительные мощности. Удобная и гибкая система анализа данных является крайне важной для решения задач экологического мониторинга. Использование R или других подобных языков программирования и статистической обработки дает возможность применять любые виды анализа, строить сложные модели, сопоставлять данные из разных источников и визуализировать результаты удобным образом. Учебное пособие предназначено для студентов, уже владеющих первоначальными навыками работы с компьютером. В результате изучения данного учебного курса они приобретут базовые умения в области компьютерной графики и освоят основы работы с открытыми универсальными статистическими средами на примере RStudio. 6 Р АЗДЕЛ 1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ Г ЛАВА 1. К ОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ РАБОТЕ С ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ В компьютерах первых поколений форма представления результатов решения задач была очень громоздкой и не наглядной – необозримые колонки чисел или огромные таблицы. Очень часто, чтобы облегчить восприятие этой информации, приходилось вручную строить диаграммы, рисовать графики или чертежи. Известно, что в графическом виде информация становится более понятной, лучше воспринимается человеком. Поэтому возникла идея поручить компьютерам осуществлять графическую обработку информации. Так появились графопостроители (или плоттеры), с помощью которых компьютер смог рисовать графики, чертежи, диаграммы. Однако это был только первый шаг в компьютерной графике. Следующим, принципиально новым шагом стало создание графических дисплеев. На графическом дисплее совокупности точек (так называемых «пикселей») различного цвета позволяют создавать статическое и даже динамическое (движущееся) изображение. Работой графического дисплея управляет графический адаптер, состоящий из двух частей: видеопамяти и дисплейного процессора. Видеопамять служит для хранения видеоинформации – двоичного кода изображения. Дисплейный процессор непрерывно «просматривает» содержимое видеопамяти (несколько десятков раз в секунду) и выводит его на экран (Павлова и др., 2009). Графический дисплей строит цифровые изображения. Цифровым называется изображение, созданное с использованием компьютерной программы с нуля; либо изображение (слайд, фотография), преобразованное в электронную информацию для того, чтобы просматривать, редактировать и управлять им на экране компьютера. Устройства, преобразующие графические изображения в цифровую форму, называются оцифровывающими (сканеры, цифровые фотоаппараты и т.п.). 7 Компьютерная графика – использование вычислительной техники для создания цифровых графических изображений, их отображения различными средствами и манипулирования ими. Слово «графика» означает изображение линиями, штрихами, точками, т. е. каким бы сложным ни казалось изображение, созданное в компьютере, по своей сути любое из них относится к графике. Несмотря на то что для работы с компьютерной графикой существует множество классов программного обеспечения, различают всего три вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика и фрактальная графика. Они различаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. Соответственно, большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики намного проще. Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальную графику часто используют в развлекательных программах (Васильев, Морозов, 2005). Основные понятия компьютерной графики В компьютерной графике следует четко различать следующие характеристики: разрешение экрана, разрешение печатающего устройства и 8 разрешение изображения. Все эти понятия относятся к разным объектам. Друг с другом эти виды разрешения никак не связаны пока не потребуется узнать, какой физический размер будет иметь картинка на экране монитора, отпечаток на бумаге или файл на жестком диске. Разрешение экрана – это свойство компьютерной системы (зависит от монитора и видеокарты) и операционной системы (зависит от настроек ОС). Разрешение экрана измеряется в пикселях и определяет размер изображения, которое может поместиться на экране целиком. Разрешение принтера – это свойство принтера, выражающее количество отдельных точек, которые могут быть напечатаны на участке единичной длины. Оно измеряется в единицах dpi (точки на дюйм) и определяет размер изображения при заданном качестве или, наоборот, качество изображения при заданном размере. Разрешение изображения – это свойство самого изображения. Оно тоже измеряется в точках на дюйм и задается при создании изображения в графическом редакторе или с помощью сканера. Значение разрешения изображения хранится в файле изображения и неразрывно связано с другим свойством изображения – его физическим размером. Физический размер изображения может измеряться как в пикселях, так и в единицах длины (миллиметрах, сантиметрах, дюймах). Он задается при создании изображения и хранится вместе с файлом. Если изображение готовят для демонстрации на экране, то его ширину и высоту задают в пикселях, чтобы знать, какую часть экрана оно занимает (Гумерова, 2013). Современное применение компьютерной графики очень разнообразно. Рассмотрим основные области применения компьютерной графики в биологии и природопользовании. К данному направлению чаще всего относят понятие научной графики. Научная графика – визуализация (наглядное изображение) объектов научных исследований, графическая обработка результатов расчётов, проведение вычислительных экспериментов с наглядным представлением их результатов. Можно выделить несколько основных задач, решаемых в данной области применения компьютерной графики: 9 1. Цифровая фотография, фотодокументирование в биологических и экологических исследованиях. Масштабирование и трансформирование изображений. Оптимизация фотоизображений средствами редакторов графики. 2. Компьютерная планиметрия и морфометрия, определение размеров и площади биологических объектов. 3. Документальное оформление результатов исследований. Векторизация изображений. Иллюстрирование текстовых документов вставкой и внедрением графических объектов. 4. Визуализация данных в научных исследованиях и образовании. Программные средства создания диаграмм и графиков, научная графика и сплайны. 5. Создание и демонстрация компьютерных презентаций, сопровождающих научные доклады и отражающих материалы квалификационных работ. Постерное представление результатов исследований. Ц ВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ В КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКЕ Если принять всю информацию, которую получает человек из окружающего мира, за 100%, то доля информации, получаемой через органы зрения (по разным источникам), будет равняться от 80 до 90%. Таким образом, значимость зрительной информации для человека огромна, однако почему мы видим мир именно так, за счёт чего это достигается? Мы видим предметы окружающего мира в зависимости от того, какую способность, поглощать или отражать световые потоки, они имеют. Если вы читали роман Г. Уэллса «Человек-невидимка», то помните, что герой романа создал вещество, которое в полной мере было способно отражать световые потоки, что и позволяло становиться невидимым. Однако реальность довольно далека от фантастики, и большинство предметов окружающего мира не имеет 100%-ной отражательной способности, именно поэтому мы способны их видеть. Для полного понимания процессов цветоощущения необходимо иметь представление о некоторых основополагающих понятиях этого явления. Ключом ко 10 всему является свет. Ещё из школьного курса физики вы знаете, что свет – электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Свет может быть излучаемым, а может быть отраженным. Излучаемый свет – это свет, испускаемый активным источником (Солнце, звезды, лампочка, монитор). Отраженный свет – свет, возникающий при отражении поверхностью предметов световых волн, падающих на нее от источника света. Свет, попадающий на глаз непосредственно от источника, не претерпевает никаких изменений и доходит до глаза в своём изначальном состоянии, однако если в глаз попадает свет, отраженный каким-либо объектом, то тогда с ним происходят определенные изменения. Вспомните школьные опыты по оптике: поток света, проходя через призму, разбивается на составляющие части спектра видимого излучения, представленные красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым, синим и фиолетовым цветом. Так мы подходим к основной для нас характеристике света – цвету. Цвет – это субъективная характеристика света, воспринимаемая человеком через зрительные органы. Следует понимать, что цветоощущение крайне субъективное явление и зависит от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Таким образом, глупо спорить о том, какой это цвет, смысл в данном случае может иметь лишь измерение состава излучения (рис. 1). Рис. 1. Излучение, поглощение и отражение света 11 Монитор компьютера, подобно Солнцу или лампочке, является источником света. Бумага (или какая-либо иная поверхность, на которой печатают изображение) отражает свет. Исходя из этого на человеческий глаз могут падать световые волны как в процессе излучения, так и в процессе отражения. Именно поэтому существует две модели цветового описания – аддитивная и субтрактивная. |