3D GIS技術(shù)在土地專業(yè)教學(xué)的探索

張漢松?侯淑濤?劉欣?蘇安玉

摘 要：土地資源管理專業(yè)由于多學(xué)科緊密聯(lián)系和綜合性特點(diǎn)，教學(xué)中學(xué)生要深刻理解掌握好土地資源管理專業(yè)相關(guān)課程和實(shí)驗(yàn)并非易事。為生動(dòng)、形象地講授土地資源管理專業(yè)課程，本文提出在土地資源管理教學(xué)實(shí)踐中，引入3D GIS技術(shù)，建設(shè)面向土地資源管理專業(yè)基于3D GIS的三維教學(xué)系統(tǒng)，發(fā)揮3D GIS技術(shù)可視化效果好、信息集成度高、交互性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，共享并挖掘教學(xué)資源，模擬各類土地空間場(chǎng)景輔助課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。這對(duì)教師生動(dòng)教學(xué)，學(xué)生深刻學(xué)習(xí)，學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新型綜合性人才都具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：3D GIS；土地資源管理；課堂教學(xué)

一、土地資源管理教學(xué)與3D GIS

1.土地資源管理與課堂教學(xué)

土地資源管理是以經(jīng)濟(jì)學(xué)、法學(xué)、管理學(xué)、土地資源學(xué)為基礎(chǔ)，以公共管理理論為核心，以信息技術(shù)、規(guī)劃等為手段的多學(xué)科緊密聯(lián)系的綜合性學(xué)科。土地資源管理專業(yè)也以培養(yǎng)掌握國土資源知識(shí)及現(xiàn)代規(guī)劃管理理論與方法，受過“3S”等現(xiàn)代空間信息技術(shù)訓(xùn)練的復(fù)合式應(yīng)用型專門人才為目標(biāo)。目前土地資源管理專業(yè)的課堂教學(xué)與其自身“綜合性”的特征差距明顯，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）課堂教學(xué)系統(tǒng)性不足。土地資源管理是一門綜合性的學(xué)科，但目前的課堂教學(xué)由于教學(xué)條件、課程學(xué)時(shí)等諸多因素的影響很難體現(xiàn)課程間的系統(tǒng)性，特別是現(xiàn)代信息技術(shù)與土地管理學(xué)核心理論的聯(lián)系。學(xué)生不能理解課程間緊密的聯(lián)系性，學(xué)習(xí)過程中普遍存在盲目性，更難“學(xué)以致用”。

（2）課堂教學(xué)與實(shí)際脫節(jié)。目前的課堂教學(xué)以保證知識(shí)的完整性為首要目標(biāo)。學(xué)生在被強(qiáng)制接受知識(shí)點(diǎn)后，很難完全理解，更難活學(xué)活用。例如，土地資源管理中的測(cè)量學(xué)、遙感原理與應(yīng)用、GPS原理與應(yīng)用、不動(dòng)產(chǎn)評(píng)估等專業(yè)性、實(shí)踐性強(qiáng)的課程，學(xué)生第一次都很難接受基礎(chǔ)理論和方法。課堂教學(xué)難以體現(xiàn)“教、學(xué)、實(shí)踐”一體化，有時(shí)甚至嚴(yán)重脫節(jié)。

（3）課堂教學(xué)內(nèi)容滯后。信息時(shí)代知識(shí)更新的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過教材的更新。即使最新的教材包括了當(dāng)前時(shí)代的優(yōu)秀理論和技術(shù)，教師在課堂教學(xué)時(shí)也很難講授這些內(nèi)容，更難生動(dòng)形象地教學(xué)。學(xué)生經(jīng)常只是模糊地接受了這個(gè)概念，很難達(dá)到教學(xué)效果。

2.3D GIS技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

3D GIS是從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到空間查詢?cè)俚浇７治鼋⒃谌S數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上的地理信息系統(tǒng)。3D GIS技術(shù)包括了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間分析等多項(xiàng)技術(shù)。它突出的“浸沒感、交互性、構(gòu)想性” 特點(diǎn)受到了教育工作者的廣泛關(guān)注。3D GIS技術(shù)在課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）提供仿真環(huán)境。利用3D GIS技術(shù)使學(xué)生全身心地投入三維虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)知，拓寬認(rèn)知。通過3D GIS技術(shù)不僅可以再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以按需求構(gòu)建和分析未存在的環(huán)境，為生動(dòng)教學(xué)、交互式學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實(shí)際提供了技術(shù)保證。

（2）提供信息服務(wù)的平臺(tái)。課堂教學(xué)不是快餐，不能教完即扔，學(xué)會(huì)即忘。多樣的教學(xué)素材需要管理，陳舊的內(nèi)容需要更新，重點(diǎn)的知識(shí)需要鞏固，學(xué)科理論的系統(tǒng)性更需我們不斷發(fā)現(xiàn)和完善。3D GIS作為空間信息的平臺(tái)，恰好為我們提供了這樣的服務(wù)，尤其滿足地球?qū)W科相關(guān)專業(yè)空間信息教學(xué)管理的需求。

（3）提供綜合性的輔助手段。3D GIS作為一個(gè)綜合性的研究領(lǐng)域，它是多項(xiàng)現(xiàn)代高新技術(shù)的綜合。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得我們?yōu)閷W(xué)生提供知識(shí)的浸沒感；三維空間交互技術(shù)使得我們能輕松加強(qiáng)課堂互動(dòng)；三維可視技術(shù)使得我們更容易引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

因此，3D GIS技術(shù)是解決土地資源管理專業(yè)課堂教學(xué)1.1節(jié)若干問題的有效手段。3D GIS技術(shù)作為信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，或一種嶄新的教學(xué)手段都值得我們重點(diǎn)關(guān)注和研究。

二、基于3D GIS的教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)

與傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)手段不同，基于3D GIS技術(shù)的課堂教學(xué)不只需要一個(gè)簡單的PowerPoint或播放器環(huán)境，而必須以一個(gè)完整的基于3D GIS的教學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)。本文下面以面向土地資源管理專業(yè)基于3D GIS的教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用探討基于3D GIS技術(shù)的課堂教學(xué)。

1.系統(tǒng)建設(shè)原則

（1）合理規(guī)劃，分步實(shí)施。土地資源管理專業(yè)既涉及核心的管理學(xué)理論，又包含諸多現(xiàn)代技術(shù)理論。土地資源管理專業(yè)教學(xué)資源的共享性、課程間緊密的聯(lián)系性要求基于3D GIS教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能只針對(duì)某一門課程，應(yīng)面向土地資源管理專業(yè)教學(xué)大綱所有課程合理、統(tǒng)籌地規(guī)劃，否則將會(huì)造成重復(fù)建設(shè)或巨大教學(xué)資源的浪費(fèi)。系統(tǒng)宜分為基礎(chǔ)應(yīng)用模塊與專業(yè)教學(xué)模塊。基礎(chǔ)應(yīng)用模塊即提供國土空間信息瀏覽、查詢、管理、基本分析的功能，專業(yè)教學(xué)模塊則基于應(yīng)用模塊在教學(xué)資源共享的原則下按各課程特點(diǎn)用于課堂教學(xué)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)或課后練習(xí)。同時(shí)，為節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)費(fèi)用、縮短開發(fā)周期，宜采取分解目標(biāo)、分期實(shí)施的策略建設(shè)系統(tǒng)。

（2）選擇重點(diǎn)，注重實(shí)踐。土地資源管理專業(yè)是一門理論性、實(shí)踐性強(qiáng)的綜合學(xué)科?；?D GIS技術(shù)的課堂教學(xué)只是土地資源管理專業(yè)課堂教學(xué)的一種有效手段。它只能解決一部分問題，更需要現(xiàn)有多種教學(xué)手段的有效配合。基于3D GIS的課堂教學(xué)更適宜實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)、技術(shù)性課程的教學(xué)。因此，面向土地資源管理專業(yè)的3D GIS教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)有針對(duì)性，采取集中資源優(yōu)先建設(shè)實(shí)驗(yàn)性、技術(shù)性課程。通過“開發(fā)—試驗(yàn)—修正—試驗(yàn)”的模式，保證教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)用性，避免過分強(qiáng)調(diào)形象和仿真而忽略教學(xué)實(shí)用。

（3）面向網(wǎng)絡(luò)，突出互動(dòng)。3D GIS技術(shù)的交互性主要體現(xiàn)在用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。例如，學(xué)生通過三維漫游而體會(huì)到土地的自然屬性。而結(jié)合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的3D GIS技術(shù)更能使教與學(xué)的環(huán)節(jié)自然統(tǒng)一。通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，教師可以及時(shí)解答學(xué)生學(xué)習(xí)過程的疑難，3D GIS教學(xué)系統(tǒng)更成為教師獲取教學(xué)反饋的重要渠道；通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，3D GIS教學(xué)系統(tǒng)不再局限于課堂教學(xué)，更是學(xué)生課后訓(xùn)練，知識(shí)鞏固的工具。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

面向土地資源管理專業(yè)的3D GIS教學(xué)系統(tǒng)，即以若干典型土地區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，集成并整合土地基礎(chǔ)地理（如矢量圖、歷史影像、DEM等）、自然屬性信息（如土壤質(zhì)地、厚度、鹽漬化等）、經(jīng)濟(jì)社會(huì)資料（如基準(zhǔn)地價(jià)、土地利用規(guī)劃等）等教學(xué)資源，通過三維建模和教學(xué)仿真工具開發(fā)，建成基于仿真真實(shí)環(huán)境的教學(xué)平臺(tái)。

根據(jù)上述內(nèi)容，教學(xué)平臺(tái)宜采用三層C/S結(jié)構(gòu)體系，即數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)層主要用來存儲(chǔ)各類教學(xué)資源，如基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地專題數(shù)據(jù)、三維仿真模型等；邏輯層主要針對(duì)土地教學(xué)平臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如土地教學(xué)資源的存取、交換與管理；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)土地教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)具體應(yīng)用，主要包括數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)管理、常用工具、專題教學(xué)模塊，等等。

3D GIS平臺(tái)的選擇是3D GIS教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。目前比較著名、常用的3D GIS平臺(tái)有Google Earth（谷歌公司）、Virtual Earth（微軟公司）、Skyline Globe（Skyline 公司）、ArcGIS 3D（ESRI公司）、SuperMap（超圖公司）?；?D GIS效果和推廣性，本文推薦使用Skyline、Google Earth或Virtual Earth平臺(tái)。

三、基于3D GIS的土地教學(xué)與試驗(yàn)

本文以基準(zhǔn)地價(jià)系數(shù)修正法的教學(xué)為例，利用試驗(yàn)系統(tǒng)中地價(jià)評(píng)估教學(xué)模塊，探討基于3D GIS的教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行面向土地專業(yè)的課堂教學(xué)。

首先，課堂教導(dǎo)學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)中基準(zhǔn)地價(jià)級(jí)別圖確定基準(zhǔn)地價(jià)。例如，某宗地屬于住宅三級(jí)地，查表得其基準(zhǔn)地價(jià)為1430元/平方米。

其次，課堂教導(dǎo)學(xué)生如何確定宗地修正系數(shù)。第一步，通過系統(tǒng)定位待評(píng)估宗地位置，了解評(píng)估對(duì)象基本屬性，通過空間場(chǎng)景模擬使學(xué)生思考確定宗地修正因素；第二步，教導(dǎo)學(xué)生基于以上思考仔細(xì)填寫評(píng)估報(bào)告中核心數(shù)據(jù)表模板，正確給予勘察結(jié)論。借助系統(tǒng)本例中主要修正因素確定如下：①區(qū)域地籍。通過查詢模塊中的位置查詢獲取宗地屬性。本例中宗地所在區(qū)域位于某市南山區(qū)，緊鄰該市主干路紅旗路，宗地內(nèi)有一棟7層南北朝向磚瓦結(jié)構(gòu)樓房。②產(chǎn)業(yè)集聚狀況。通過常用工具模塊中水平距離測(cè)量工具量算得到待估宗地距該市新世紀(jì)廣場(chǎng)商業(yè)中心3700米，距離農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、醫(yī)院 400米，距離學(xué)校、幼兒園1500米。③基礎(chǔ)設(shè)施條件。通過信息瀏覽模塊中飛行漫游和全視圖工具，確定該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施情況達(dá)到紅線外七通（即通路、通電、通訊、通上水、通下水、通燃?xì)狻⑼崃Γ?。④交通條件。通過信息瀏覽和測(cè)量模塊，確定評(píng)估對(duì)象距紅旗路西側(cè)60米，周邊有多路公交線路，得到結(jié)論此地段交通便捷。⑤環(huán)境條件。分析環(huán)保數(shù)據(jù)確定該地區(qū)車流量大，有一定噪音及廢氣污染，環(huán)境條件一般。

最后，教導(dǎo)學(xué)生計(jì)算修正后的價(jià)格。

通過課后教學(xué)互動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)基于3D GIS的三維教學(xué)系統(tǒng)能讓學(xué)生對(duì)土地專業(yè)的課程產(chǎn)生了濃厚的興趣；善于提出問題，思考問題，且聯(lián)系相關(guān)課程不再拘泥于一門；而學(xué)生更普遍反映在課堂上有了生產(chǎn)實(shí)踐的體會(huì)。

面向土地專業(yè)的基于3D GIS的三維教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)與試驗(yàn)表明：土地資源管理專業(yè)的教學(xué)與“3D GIS”技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)綜合傳統(tǒng)的教學(xué)手段和方法，既能利用“3D GIS”的可視化、數(shù)據(jù)管理和空間分析功能進(jìn)行土地空間場(chǎng)景仿真，又可充分共享、管理、挖掘土地教學(xué)資源進(jìn)行課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳銀蓉，梅 昀.土地資源管理專業(yè)課教學(xué)方法改革的研究[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2004（02）：100—103.

[2]李德仁.論可量測(cè)實(shí)景影像的概念與應(yīng)用——從4D產(chǎn)品到5D產(chǎn)品[C].中國測(cè)繪學(xué)會(huì)九屆三次理事會(huì)暨2007年“信息化測(cè)繪論壇”學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[A].2007.

[3]陳秀清.關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)[J].福建廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（01）.

[4]莫海明，楊小雄.關(guān)于不動(dòng)產(chǎn)估價(jià)課程教學(xué)存在問題及改革思考[J].廣西科學(xué)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（02）.

[5]王璦玲.不動(dòng)產(chǎn)評(píng)估教學(xué)探索與實(shí)踐[J].學(xué)理論，2011（01）.

[6]劉 瑜，王立福，張世琨.軟件框架開發(fā)過程研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004（02）.

（作者單位：張漢松 侯淑濤 蘇安玉 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；劉 欣 黑龍江廣播電視大學(xué)開放教學(xué)部）