《地理信息系统》课程实验教学要点

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摘 要 :《地理信息系统》是一门综合性课程,对学生的动手能力要求较高.针对以往该课程实验教学环节中存在的问题,分析了该课程实验教学目标与实验内容设置,总结了实验教学中的核心知识要点,并结合学生在实验环节中的表现对这些知识要点进行了重点分析.通过对实验内容设置的优化和实验要点问题的分析,能够较好地掌握学生在实验中遇到的问题,并针对这些问题进行有针对性的辅导,提高实验教学效果.

关 键 词 :地理信息系统;课程实验;要点分析

中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号文章编号:16727800(2014)001016702

作者简介作者简介:徐兵(1979-)男 ,硕士,广东海洋大学信息学院讲师,研究方向为图像处理、GIS.

0 引言

地理信息系统通常简称为GIS(Geographic Information System),它是用于描述地理空间信息的计算机系统,融合了地图学、地理学、测绘、计算机等多学科知识,并被广泛地应用于城市规划、国防军事、防灾减灾、资源调查等领域[1].本文所述《地理信息系统》是面向农学、资源环境等非地学专业学生的一门必修课程,为学生讲授地理信息系统的基本原理和方法,使学生掌握常用的GIS工具软件,熟悉基本的地学空间分析方法,能够对已有地理数据熟练地进行采集、绘图、建库、空间分析、可视化等操作,并对各类空间数据进行统一管理[2].由于课程是面向非地学专业学生开设,这些学生普遍缺少地理学、程序设计、数据库、测绘信息等方面的知识储备,在学习GIS软件工具的过程中,很多学生对一些重要概念和空间分析操作往往不能很好地理解,造成实验教学效果大打折扣[3].因此,本文结合课程实验教学实践,总结出该课程的实验教学要点,通过对要点进行分析归纳,有针对性地应用到以后的实验教学中,以期提高课程实验教学效果.


1.实验教学目标

本文面向环境科学专业开设的《地理信息系统》课程安排了32学时理论教学、16学时的实验教学以及32学时的学期末课程实习.在实践教学环节,16学时实验与理论教学同步,这些实验主要安排ArcGIS、MapInfo等常用地理信息系统软件的操作学习,其主要任务是使学生在对地理信息获得感性认识的基础上,接受常用GIS软件进行制图技术的基本训练,培养学生独立制图、建立数据库和属性库,学会基本空间分析的能力.而32学时的课程实习主要以实际应用案例为基础,要求学生利用所学的GIS基本理论和空间分析方法,对实际应用案例进行分析、提出解决方案.通过课程实习一方面促使学生继续深入掌握GIS基本工具软件的使用;另一方面加强学生对GIS空间分析原理与方法的理解,并能够学会运用GIS工具进行初步的空间分析应用,同时结合基本程序框架实现GIS应用的可视化表达,并提交实验结果和分析报告.

2.实验课程设置

2.1 基本实验

该课程安排了8次共16个学时的基本实验操作,主要包括:①地理信息系统软件的基本操作;②数据文件与空间数据库;③地图数字化与专题制图;④地图查询与统计分析;⑤GIS空间分析;⑥初步建立3D GIS;⑦GIS二次开发;⑧3S集成及其初步应用.这些实验的设置与理论教学基本同步,在设置过程中由浅入深、由简到难,基本覆盖了GIS软件操作的大部分内容.

2.2 课程实习

学期末的课程实习以地理信息系统工程的分析和开发案例为基础,通过实际的项目开发完成课程实习报告,检验学生对GIS软件以及对GIS软件开发的掌握情况.在具体实习环节中,设置了多个实际应用案例,以“城市公交系统的优化及空间分析”为例进行说明.该实习题目的基本要求是:①以某个城市(比如湛江或广州的某个区)的公交系统运行情况为基本背景,调查该区域现有的公交线路运行设置情况;②通过资料查找的方式获得研究区域的城市交通图,借助于ARCGIS或MapInfo软件对该地图进行数字化处理,按照地理信息系统工程应用的基本要求,对地图进行配准、矢量化等处理;③以所学的地理空间分析基本原理和方法为依据,设计出城市公交系统线路优化、公交换乘、最短路径等方案,可以选择其中一个作为重点进行设计,并以选择的功能为基础,对地图矢量化进行调整和优化;④运用所学的地学空间分析方法,对研究区域的公交系统进行线路优化、公交换乘、最短路径等方案进行空间分析,得出空间分析结果,并对结果进行优化和评价;⑤以报告形式将上述过程完整记录,并总结本次实习工作,提交最终报告和实习过程中的各类数据.

3.实验教学要点分析

3.1 空间数据结构

空间数据结构是地理信息系统的一个重要基础,在GIS系统开发中通过构建空间数据模型并定义各空间数据之间的关系,实现地理信息与属性信息的关联.在实验教学中,学生对地图分层、图层控制、空间数据与属性数据关系等概念往往理解不清晰,由于缺少数据库相关知识,在建立空间数据时经常出现差错、导致图层分层不清晰,后续应用开发无法使用地图的问题.因此,该知识点需要教师在实验教学中给予足够重视,通过理论讲解与实际操作相结合的方式向学生解释空间数据、属性数据、空间数据库构建等概念.一般来说,在GIS开发中,用户可以根据自己的实际需求对整张电子地图中的各类空间实体进行有序的分层处理,通过图形分层方法将一张地图分成不同图层,相同的图层代表用户定义的特定的空间实体类.采用这样的分层方法可以提高电子地图中各类实体要素的检索效率,便于后期GIS开发中调用各类图层[4].医疗卫生机构地理分布的空间分层结构如图1所示.

图1 空间数据结构

3.2 空间数据关联

在GIS二次开发过程中涉及的数据包括图形矢量数据、空间属性数据和工程管理数据,不同的GIS二次开发平台对数据格式、存储标准等均有所差别.以MapInfo软件为例,矢量化的图层数据文件以标准格式存储在目录文件中,在图层文件.TAB中通过设置每个地物对象的唯一编号(通常用地物ID号表示)来建立相应的空间索引.由于MapInfo自带的数据表存储容量有限,因此,通过.TAB文件的ID号与属性数据表中地物的ID号进行关联,建立起空间数据与属性数据的索引机制,将更多的属性信息通过空间索引机制存贮在关系数据库系统中.通过地物对象属性信息的ID号实现空间数据与属性数据的对应关系[5],以医疗机构的地理分布为例,其图形文件与属性数据表的关联如图2所示. 图2 空间数据与属性数据的关联关系

3.3 空间分析

空间分析是GIS的主要功能之一,这也是课程教学中的重点内容.在讲授空间分析问题时,经常会提到最短路径问题,它是网络分析中经常遇到的一个技术难点,在实验教学中要求学生能够掌握基本的最短路径方法和应用.最短路径不仅包括物理意义上的距离最短,还包括了如时间、费用、流量等其它多参数融合的度量,这实际上涉及到了学生运用最优化理论解决实际空间分析问题的能力.比如,在课程实习中要求学生分析城市公交换乘及其优化问题,在具体分析之前,会将相关的算法介绍给学生,其中,Dijkstra算法是在实验教学中向学生介绍的最短路径算法之一.学生在掌握基本的原理和方法后,开始设计整个公交换乘的算法、程序流程、空间表现结果等,在这一过程中可以重点考查学生的空间数据结构设计以及空间分析能力.在公交换乘算法中需要存储一些地理信息,譬如节点、道路等信息,这就要求有一个较好的空间数据结构.此外,对于一个大型的城市公交网络而言,Dijkstra算法的效率显得尤为重要,这时需要重点考虑如何进行算法优化提高Dijkstra算法的计算速度(如基于cache的缓存计算方式).通过这些实验内容的优化设置能够有效地锻炼学生自主分析和解决问题的能力.

4.结语

实验教学历来是理工科类课程的重要组成部分,地理信息系统作为一门交叉综合性课程,其实验教学的重要性不言而喻.通过任课教师对课程实验教学内容的优化设置、对实验教学要点的深入分析,能够帮助学生更好地掌握GIS基本原理与方法,并将所学理论融入到实际的GIS开发中.本文通过对实验教学中的主要知识要点进行分析,为后续教学活动提供有益参考,有助于教师更准确地把握学生实验中存在的问题,对加强实验教学效果、提高实验教学质量有一定的促进作用.

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