《環(huán)境信息系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

陳志云，鐘廣銳

（1.嘉應(yīng)學(xué)院 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，廣東 梅州 514015）

環(huán)境信息系統(tǒng)（EIS）結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、決策支持系統(tǒng)等多種技術(shù)，為環(huán)境科學(xué)的研究提供一種重要的技術(shù)支持手段和信息保障。盡管發(fā)展的歷程還不長，但已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)研究和實(shí)踐中不可或缺的重要方面。全國許多高校環(huán)境類專業(yè)都開設(shè)了這門課，并且有學(xué)者對這門課的課程建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了研究[1-3]，他們強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)的重要性，而且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是基于GIS軟件進(jìn)行的，很少具體提到這門課的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本文以本校環(huán)境科學(xué)專業(yè)《環(huán)境信息系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)課為例，探討該實(shí)驗(yàn)課的設(shè)計(jì)與實(shí)踐結(jié)果。

1 EIS與GIS的關(guān)系

環(huán)境信息是指通過加工的、能夠用于環(huán)境保護(hù)工作的數(shù)據(jù)和符號，它反映了環(huán)境系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間、空間和狀態(tài)特征[4]。而關(guān)于EIS，目前還沒有統(tǒng)一的定義，這里引用孫水裕等人的定義“將一切用于環(huán)境管理、環(huán)境科學(xué)研究等與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的信息系統(tǒng)都稱為環(huán)境信息系統(tǒng)”，根據(jù)其技術(shù)核心的不同，又將EIS劃分為環(huán)境管理信息系統(tǒng)(environmental management information system, EMIS)和環(huán)境地理信息系統(tǒng)(environmental geographic information system, EGIS)[3]。地理信息系統(tǒng)或稱為地學(xué)信息系統(tǒng)、資源與環(huán)境信息系統(tǒng)，是一個(gè)在計(jì)算機(jī)軟、硬件支持下，對整個(gè)或者部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述及輔助決策的技術(shù)系統(tǒng)[5]。

GIS按內(nèi)容來分，一般有專題地理信息系統(tǒng)、區(qū)域信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)工具。GIS技術(shù)在環(huán)境方面的應(yīng)用不勝枚舉，如環(huán)境管理與規(guī)劃、環(huán)境影響評價(jià)、水資源管理和分析、環(huán)境監(jiān)測與演變、減災(zāi)防災(zāi)及緊急事故管理等[6-11]。由于GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力，而大多數(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)具有空間特性，所以環(huán)境學(xué)科中引用了GIS技術(shù)，產(chǎn)生了EGIS。一般認(rèn)為，EGIS是GIS的一個(gè)專題信息系統(tǒng)。

2 《環(huán)境信息系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)的《環(huán)境信息系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)是以學(xué)習(xí)GIS軟件為主，如ArcView、MapInfo等。結(jié)合本校環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生具體情況，該實(shí)驗(yàn)課以學(xué)習(xí)Access與北京超圖公司研發(fā)的SuperMap GIS為主。本課程是以應(yīng)用為主的技術(shù)課程，所以實(shí)驗(yàn)課共安排24學(xué)時(shí)，分為實(shí)驗(yàn)1：數(shù)據(jù)庫的基本操作、實(shí)驗(yàn)2：SuperMap GIS軟件的基礎(chǔ)操作和實(shí)驗(yàn)3：空間查詢與空間分析，每個(gè)實(shí)驗(yàn)之間遵循由易到難、由此及彼的原則進(jìn)行。

2.1 數(shù)據(jù)庫的基本操作

該實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生熟練掌握創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、表以及查詢的操作，能綜合運(yùn)用窗體、查詢等實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是利用Access為一家銷售公司建立一個(gè)倉庫管理系統(tǒng)，并進(jìn)行基于SQL語言的單表查詢和多表查詢（見圖1）。

2.2 SuperMap GIS軟件的基礎(chǔ)操作

該實(shí)驗(yàn)由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、地圖掃描矢量化和空間數(shù)據(jù)編輯3個(gè)小實(shí)驗(yàn)組成。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生要回答關(guān)于SuperMap GIS中的數(shù)據(jù)組織、地圖生成、配準(zhǔn)等思考題，加深對該實(shí)驗(yàn)的理解。

1）SuperMap GIS軟件的基本操作。主要介紹概念、工具菜單、視圖環(huán)境等，要求學(xué)生掌握SuperMap GIS軟件的基本操作，為后面的實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)。

圖1 數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建表操作界面

2）地圖掃描矢量化。掃描矢量化是獲取空間數(shù)據(jù)的手段之一，屏幕跟蹤和屬性錄入雖然在整個(gè)屏幕數(shù)字化中難度不大，但是工作量卻是非常大的，因此對數(shù)字化人員的要求也是比較高的。該實(shí)驗(yàn)主要目的是讓學(xué)生熟悉矢量化的主要過程，其中重點(diǎn)掌握配準(zhǔn)的過程、修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（新建或刪除用戶字段），能夠?qū)σ环唵蔚臇鸥駡D進(jìn)行矢量化操作。其主要內(nèi)容是利用SuperMap GIS軟件自帶的掃描圖片，進(jìn)行配準(zhǔn)、裁剪、新建數(shù)據(jù)集、修改屬性表結(jié)構(gòu)（建立用戶字段）、屏幕矢量化、屬性值錄入和數(shù)據(jù)檢查等操作（見圖2）。

圖2 屏幕矢量化與錄入屬性值

3）在SuperMap GIS中進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的操作。其內(nèi)容包括繪制、編輯、修改幾何對象，對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、轉(zhuǎn)換、拓?fù)涮幚?、融合、追加、重采樣等，要求學(xué)生能掌握SuperMap GIS 的幾何對象繪制過程與方式以及幾種空間數(shù)據(jù)的處理方法（尤其是拓?fù)涮幚恚?，對最初采集的原始?shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。

2.3 空間查詢與空間分析

GIS與其他信息系統(tǒng)最主要的區(qū)別就是前者可以對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行空間查詢和空間分析，其中空間分析是GIS的核心所在。本實(shí)驗(yàn)分2個(gè)小實(shí)驗(yàn)（空間查詢和空間分析）進(jìn)行。

1）在SuperMap GIS中進(jìn)行空間分析操作，包括空間查詢、緩沖分析和路徑分析等?？臻g查詢主要使用SQL查詢中幾個(gè)重要函數(shù)，如派生字段的生成方法、Between…and 等（見圖3），目的是讓學(xué)生掌握SuperMap GIS的各種查詢方法。緩沖分析是通過實(shí)例驗(yàn)證來進(jìn)行，如計(jì)算拆遷補(bǔ)償、輔助建筑項(xiàng)目選址等。路徑分析主要采用最佳路徑分析方法查找兩地之間的最佳路徑（見圖4）。該實(shí)驗(yàn)主要目的是讓學(xué)生體會GIS技術(shù)的核心功能——空間分析的作用，掌握對空間數(shù)據(jù)的查詢與分析操作步驟。本實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了提高練習(xí)，如三維分析和柵格分析。

圖3 空間查詢界面

圖4 最佳路徑分析界面

2）制作專題統(tǒng)計(jì)圖。主要是根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3第1個(gè)小實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行專題圖制作，讓學(xué)生掌握制作專題地圖的基本方法，通過成果檢查來了解學(xué)生的掌握情況。

3 《環(huán)境信息系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

雖然本?！董h(huán)境信息系統(tǒng)》的理論課與實(shí)驗(yàn)課是單獨(dú)開課，但主要還是按照先理論后實(shí)驗(yàn)、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式來授課，要求學(xué)生在掌握一定的理論知識后，按照各實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行上機(jī)驗(yàn)證（學(xué)有余力的可以選做提高練習(xí)），然后提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要包含操作過程截圖、操作步驟、回答思考題、實(shí)驗(yàn)小結(jié)等內(nèi)容。任課老師通過批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握情況，然后有針對性地答疑解惑。

自開課以來，《環(huán)境信息系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)課程基本按照上述內(nèi)容進(jìn)行，經(jīng)過近10 a的實(shí)踐與改革，摸索出一套比較適合本校實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末評課結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)效果能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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