“3S技術(shù)綜合應(yīng)用”教學(xué)與實習(xí)方法探討

陳華根，李嘉虓，許惠平，覃如府

同濟大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

“3S技術(shù)綜合應(yīng)用”教學(xué)與實習(xí)方法探討

陳華根，李嘉虓，許惠平，覃如府

同濟大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心知識是3S理論和技術(shù)，綜合實習(xí)是掌握3S的最重要環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中，不僅要注重理論知識和實踐能力的培養(yǎng)，還要讓學(xué)生掌握3S綜合應(yīng)用技術(shù)。本文介紹了3S技術(shù)綜合應(yīng)用的教學(xué)體系，著重強調(diào)了3S技術(shù)綜合實習(xí)在該體系中的重要作用，介紹了具體的實習(xí)方法，并通過實例展示了實習(xí)成果。該方法在實際教學(xué)過程中激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生的綜合能力，取得了較好的效果。

地質(zhì)信息科學(xué)與技術(shù)；3S技術(shù)；綜合應(yīng)用，實習(xí)方法

同濟大學(xué)地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)依托于同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，專業(yè)建設(shè)目的是順應(yīng)地球信息理論與技術(shù)的快速發(fā)展，與時俱進，培養(yǎng)地球信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中所需的研究及創(chuàng)新應(yīng)用型高素質(zhì)人才。針對本專業(yè)，“3S技術(shù)綜合應(yīng)用”主要傳授3S理論和技術(shù)以及它們在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。

隨著3S技術(shù)的發(fā)展，3S集成[2-4]已成為發(fā)展主流與方向。然而在教學(xué)過程中，一般均單獨完成各門理論和實踐課程，缺乏3S課程之間的相互配合及集成方法的介紹，因此在注重理論和實踐教學(xué)基礎(chǔ)上，必須加強培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力，使學(xué)生掌握綜合運用3S技術(shù)解決實際問題的方法。本專業(yè)對3S技術(shù)綜合應(yīng)用教學(xué)與實習(xí)方法進行了初步探索與改進，進一步培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力，并使少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新。實踐證明，學(xué)生對實習(xí)有極大興趣，同時通過具體實現(xiàn)3S集成方案，鞏固了3S理論和技術(shù)體系，取得了初步成效。

一、3S技術(shù)綜合應(yīng)用教學(xué)體系

理工科類教學(xué)需要注重理論與實踐相結(jié)合。理論教學(xué)從基礎(chǔ)抓起，從原理出發(fā)，讓學(xué)生對學(xué)科的研究內(nèi)容有基本的理性認識。實踐教學(xué)是鞏固理論教學(xué)內(nèi)容、加強知識積累、培養(yǎng)動手能力、提高感性認識的重要途徑[5-6]。因此3S技術(shù)綜合應(yīng)用具備理論、實踐教學(xué)、3S技術(shù)綜合實習(xí)的教學(xué)體系和相關(guān)課程設(shè)置[7]（表1）。

表1 3S技術(shù)綜合應(yīng)用教學(xué)體系

從表1可以看出，理論和實踐教學(xué)是進行3S技術(shù)綜合應(yīng)用教學(xué)體系的前期準(zhǔn)備和必要前提。在這個過程中，學(xué)生從理論到實踐，對3S技術(shù)有了一定的理論認識和技術(shù)準(zhǔn)備，但是對其綜合應(yīng)用的方法缺乏認識和了解。通過3S技術(shù)綜合實習(xí)，學(xué)生可以自主創(chuàng)新，找到3S技術(shù)綜合應(yīng)用的切入點，不僅可以對理論有更深的認識，而且能夠進一步提高實踐能力。因此，3S技術(shù)綜合實習(xí)是整個教學(xué)體系的重中之重。

二、3S技術(shù)綜合實習(xí)方法

該實習(xí)安排在本科三年級暑期實踐教學(xué)月進行。這個階段學(xué)生已經(jīng)完成了理論和實踐課程的學(xué)習(xí)，但是往往將GPS、RS和GIS孤立看待，不了解三者結(jié)合的重要意義，該實習(xí)便可彌補這個欠缺。在具體教學(xué)中分為室內(nèi)準(zhǔn)備—野外實習(xí)—數(shù)據(jù)整理與分析3個階段。

1.室內(nèi)準(zhǔn)備階段

這一階段主要進行以下2方面的內(nèi)容：

（1）理論知識的回顧。在專業(yè)指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下，對3S技術(shù)的重點知識進行總結(jié)和回顧，使學(xué)生能夠“溫故而知新”?，F(xiàn)在的大學(xué)教育，尤其是理論教育往往偏于應(yīng)試，往往不注重知識的循環(huán)鞏固，有的學(xué)生在考試之后就可能將學(xué)到的知識“還給老師”。通過一定的復(fù)習(xí)，可以加強學(xué)生對重要知識點的理解和掌握，使理論教學(xué)得到循環(huán)鞏固。

（2）熟練儀器和軟件的操作。3S技術(shù)綜合實習(xí)中需要用到的儀器主要有GPS接收機、地物光譜儀等。需要用的軟件主要有光譜數(shù)據(jù)處理軟件、ArcGIS等。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生對前期實踐教學(xué)過程中學(xué)到的各種儀器和軟件使用方法進行熟練，重點解決儀器和軟件使用過程中的難點和容易發(fā)生的問題，這樣可以保證下一步野外實習(xí)過程中的工作效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.野外實習(xí)階段

這一階段主要進行以下3方面的內(nèi)容：

（1）實習(xí)計劃的制訂。從這一階段開始采取4～5名學(xué)生為一組的分組方式進行，實習(xí)基地選定在崇明島。通過對崇明島植被、土壤、水體、人工建筑等的實地調(diào)查和了解，每個小組自擬實習(xí)計劃。指導(dǎo)教師需要對每個實習(xí)計劃的可行性、3S技術(shù)的綜合性以及具體實施的意義等做出針對性的指導(dǎo)和解釋，并輔導(dǎo)學(xué)生進行改進，最終確定可行的、有針對性的、能夠綜合應(yīng)用3S技術(shù)的實習(xí)計劃。

（2）數(shù)據(jù)采集與分析。分配給每個小組GPS接收機、地物光譜儀和筆記本電腦各一臺，每組根據(jù)自擬的實習(xí)計劃在規(guī)定的時間內(nèi)獨立行動進行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)主要有GPS地理信息以及不同地物的光譜數(shù)據(jù)。如某小組對番茄的成長過程感興趣，便可以采集不同環(huán)境下（如大棚和自然環(huán)境）生長的番茄光譜，成熟和未成熟的番茄光譜，健康和病害的番茄光譜等。由于需要采集的數(shù)據(jù)較多以及天氣因素的影響，這個過程可能需要5天左右完成。每天數(shù)據(jù)采集工作完成后，每個小組要進行成果展示，并進行初步分析和討論。這樣便實現(xiàn)了“理性—感性—理性”的認識過程。

（3）崇明島自然景觀的參觀。借助參觀的機會，學(xué)生可以更詳盡地了解崇明島概況，進行有針對性的地物光譜采集工作，同時給學(xué)生一個親近大自然、放松身心的機會。參觀的主要內(nèi)容有東灘濕地、西溪濕地等。

3.數(shù)據(jù)整理與分析階段

這一階段主要進行以下4方面的內(nèi)容：

（1）數(shù)據(jù)整理。野外實習(xí)階段測得的數(shù)據(jù)比較繁多，需要根據(jù)每個小組的具體實習(xí)計劃提取有用的數(shù)據(jù)，為接下來的GIS二次開發(fā)做準(zhǔn)備。其中，GPS數(shù)據(jù)作為地圖配準(zhǔn)的依據(jù)及地理要素的基本地理信息。地物光譜可用于建立光譜數(shù)據(jù)庫，在GIS中進行數(shù)據(jù)分析等。

（2）GIS二次開發(fā)。采用ArcObjects或MapObjects組件式GIS開發(fā)方法，在.NET環(huán)境下通過編程實現(xiàn)3S技術(shù)的綜合應(yīng)用。該過程采用軟件工程中的軟件設(shè)計開發(fā)流程，要求學(xué)生盡可能按照規(guī)范完成可行性分析，需求分析，概要設(shè)計，詳細設(shè)計，地理底圖處理，程序設(shè)計，程序測試，編寫幫助文檔與產(chǎn)品說明書等過程，這樣可以讓學(xué)生充分了解軟件設(shè)計的整個流程。從程序設(shè)計開始，要求每個學(xué)生整合野外實習(xí)的數(shù)據(jù)獨立完成一個基于GIS的3S技術(shù)綜合應(yīng)用的系統(tǒng)。

（3）成果總結(jié)與匯報。實習(xí)的最后階段，采取論文答辯的形式，每個學(xué)生將自己的成果進行展示與介紹，并編寫實習(xí)報告。最后，程序和書面報告一同作為實習(xí)成果。

（4）成績評定。3S技術(shù)綜合實習(xí)的成績評定主要根據(jù)兩方面內(nèi)容，一是實習(xí)階段的綜合表現(xiàn)，主要考察學(xué)生的主動性、積極性、獨立思考能力、動手實踐能力等；二是最終成果，主要考察學(xué)生的編程能力、語言組織能力和創(chuàng)新能力等。

4. 3S技術(shù)綜合實習(xí)時間分配

3S技術(shù)綜合實習(xí)各個環(huán)節(jié)的時間分配如表2所示。整個實習(xí)過程的時間應(yīng)控制在一個月左右，指導(dǎo)教師可以根據(jù)天氣等客觀因素、學(xué)生對知識的掌握情況來調(diào)整各環(huán)節(jié)的具體時間。

三、綜合實習(xí)成果實例

通過上面的實習(xí)過程，學(xué)生在回顧理論知識基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新的設(shè)計實習(xí)計劃，并將理論結(jié)合實際，不僅熟悉了GPS、RS、GIS每一門學(xué)科的獨立應(yīng)用，更通過GIS二次開發(fā)，掌握了3S技術(shù)綜合應(yīng)用的方法和技能。實習(xí)過程中，涌現(xiàn)了許多驕人的成果，這里僅列舉學(xué)生實習(xí)的成果—基于GIS的崇明島野外光譜采集分析系統(tǒng)為例。

表2 3S技術(shù)綜合實習(xí)時間分配

該系統(tǒng)在結(jié)合GPS數(shù)據(jù)進行地理底圖配準(zhǔn)和矢量化基礎(chǔ)之上，完成了GIS基本功能的設(shè)計，通過數(shù)據(jù)添加、修改、刪除等建立崇明島實測的野外地物光譜數(shù)據(jù)庫，并對其進行數(shù)據(jù)管理。在此技術(shù)上，編程實現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)分析的相關(guān)功能。較好地實現(xiàn)了3S技術(shù)的綜合應(yīng)用。圖1是系統(tǒng)的主界面。

圖1 GIS系統(tǒng)主界面

此系統(tǒng)中，地理底圖來自于遙感圖像，控制點來自于GPS精確測量，并作為地圖配準(zhǔn)的依據(jù)。地理底圖和空間數(shù)據(jù)庫使用ArcGIS進行設(shè)計、開發(fā)。本系統(tǒng)采用基于MapObjects的組件式GIS開發(fā)方法，主要實現(xiàn)了GIS地圖控制、信息查詢、數(shù)據(jù)編輯處理以及空間分析等功能。此外，通過建立野外實習(xí)階段采集的地物光譜數(shù)據(jù)庫，便可將光譜分析的相關(guān)功能結(jié)合到GIS當(dāng)中去，以實地測量的植物光譜采樣點為例，采樣點位和實景照片顯示如圖2。

圖2 采樣點信息查詢

通過GIS平臺可方便查詢野外光譜測量對象的地理信息和光譜信息。此外，通過編程實現(xiàn)了對光譜數(shù)據(jù)的顯示和分析，把遙感的光譜數(shù)據(jù)處理方法整合到GIS軟件中。兩種植物光譜曲線的繪制以及針對兩者采用導(dǎo)數(shù)分析的效果如圖3所示。

通過繪制光譜曲線，可以明顯看出不同地物光譜曲線的特征。通過導(dǎo)數(shù)對比分析，可以發(fā)現(xiàn)本來并不明顯的光譜差異，為光譜特征分析和地物分類提供了更廣泛的手段。與此同時，光譜信息與采樣點地理信息的對應(yīng)，實現(xiàn)了屬性信息與空間信息的融合，可以為實際的生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究提供參考和幫助。

該系統(tǒng)的實現(xiàn)，讓學(xué)生充分了解了GPS、RS和GIS各自的作用以及三者結(jié)合應(yīng)用的重要意義。在整個過程中，學(xué)生獨立思考的能力、動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力都有很大提高。同時，對3S技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)、儀器使用和軟件設(shè)計開發(fā)方法有了全方位的了解和體驗，對以后的畢業(yè)設(shè)計乃至走向?qū)嶋H工作崗位具有重要作用。

四、結(jié)論

隨著3S技術(shù)的發(fā)展，3S集成已經(jīng)體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在教學(xué)過程中，除了要注重培養(yǎng)學(xué)生的理論修養(yǎng)和實踐能力，更重要的能夠激發(fā)學(xué)生對3S技術(shù)綜合應(yīng)用的興趣。3S技術(shù)綜合應(yīng)用教學(xué)體系包含了理論教育和實踐教育，并在此基礎(chǔ)上開設(shè)3S技術(shù)綜合實習(xí)。整個實習(xí)過程以學(xué)生為主體，根據(jù)實習(xí)計劃合作或獨立完成各項工作。指導(dǎo)教師作為引導(dǎo)者做好疑難問題的解答和總體方向性的把握工作。

圖3 光譜繪制與光譜導(dǎo)數(shù)分析

3S技術(shù)綜合實習(xí)是通過野外光譜測量建立光譜數(shù)據(jù)庫，并將其整合到GIS二次開發(fā)中的方式進行3S技術(shù)的綜合應(yīng)用。通過該實習(xí)不僅能夠幫助學(xué)生總結(jié)深化3S技術(shù)理論，而且使大多數(shù)學(xué)生基本掌握了獨立科研及承擔(dān)3S項目的能力。更重要的是，學(xué)生在實習(xí)過程中深入理解了3S技術(shù)綜合應(yīng)用的方法與意義，通過對3S技術(shù)的靈活運用完成了創(chuàng)新型想法從思維設(shè)計到具體實現(xiàn)的過程，在教學(xué)過程當(dāng)中取得了良好的效果。

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Teaching and Practicing Methods of Comprehensive Application of 3S Technology

CHEN Hua-gen, LI Jia-xiao, XU Hui-ping, QIN Ru-fu
Tongji University, Shanghai 200092, China

3S theory and technology is the core of geo-information science and technology major. Comprehensive practice has greatest significance to master 3S application. During teaching process, the professors should not only pay attention to training of students’ theory knowledge, but also improve their abilities on 3S comprehensive application. This paper introduces teaching system of 3S comprehensive application, emphasizes the significance of 3S comprehensive practice, introduces its methods in detail and demonstrates its achievements by instance. These methods inspire students’ innovative thinking, improve their comprehensive abilities and achieve better results.

geo-information science and technology; 3S technology; comprehesive application; practice methods

G642

A

1006-9372 （2011）01-0071-04

2010-12-06。

陳華根，男，副教授，主要從事GIS與地學(xué)可視化的教學(xué)與研究。