組件技術(shù)在GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

吳會(huì)勝,安聰榮,李連偉

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580)

組件技術(shù)在GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

吳會(huì)勝,安聰榮,李連偉

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580)

為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)GIS原理課程中理論知識(shí)及算法原理的理解,將組件技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué),編程實(shí)現(xiàn)GIS常用功能并預(yù)留開發(fā)接口,形成與理論知識(shí)緊密度較高的適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件,引導(dǎo)學(xué)生基于擴(kuò)展接口編程實(shí)現(xiàn)算法原理。實(shí)踐表明,基于組件技術(shù)的GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能夠使學(xué)生深入理解并掌握理論知識(shí),而且能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

GIS原理;組件技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

GIS(Geographic Information System,地理信息系統(tǒng))是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下,以采集、存儲(chǔ)、管理、分析及顯示與空間和地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)[1],是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測(cè)繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)為一體的發(fā)展迅速的新興交叉學(xué)科[2]。GIS原理是地理信息科學(xué)專業(yè)核心課程,也是相關(guān)專業(yè)的一門必修課程;實(shí)驗(yàn)教學(xué)是GIS原理授課重要組成部分,通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)及算法原理的理解[3-4];適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段是關(guān)乎教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。針對(duì)GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題,引入組件技術(shù),通過編程實(shí)現(xiàn)GIS常見功能并預(yù)留開發(fā)接口,形成與所授理論知識(shí)緊密度較高的適宜性實(shí)驗(yàn)軟件,并引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)算法原理基于可擴(kuò)展接口進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力以及提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

一、GIS原理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置

GIS原理課程為中國(guó)石油大學(xué)地理信息科學(xué)與測(cè)繪工程兩個(gè)專業(yè)的核心課程,于本科大三上學(xué)期開課,共設(shè)56學(xué)時(shí),其中上機(jī)實(shí)驗(yàn)14學(xué)時(shí),學(xué)時(shí)的分配根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難度和內(nèi)容確定,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)名稱、內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配表

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋從空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、分析到結(jié)果顯示的完整流程,涉及理論授課的絕大部分主要內(nèi)容。

二、GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的GIS教學(xué)實(shí)驗(yàn)在課程安排方面,根據(jù)各實(shí)驗(yàn)設(shè)置內(nèi)容分別安排在相應(yīng)理論授課之后,以便于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和鞏固。在教學(xué)方法方面,利用上機(jī)操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí),在學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)要求和方法的前提下,指導(dǎo)學(xué)生操作軟件達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。在軟件使用方?主要利用美國(guó)環(huán)境研究所(ESRI)的ArcGIS商用軟件進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)[5],所使用的軟件版本由早期的ArcInfo 8、ArcGIS9系列到目前的ArcGIS10系列。

隨著GIS應(yīng)用的發(fā)展與推廣,近幾年學(xué)生在學(xué)習(xí)GIS原理課程中有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況及軟件操作能力已有較大提升,所設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已顯淡薄,盡管已經(jīng)有高校進(jìn)行了相關(guān)方面的教學(xué)改革研究[6-7],但以操作商用軟件為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué),在實(shí)驗(yàn)的中后期階段已經(jīng)不能較好地達(dá)到教學(xué)目的,尤其在學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)方面更是力不能及,存在問題主要表現(xiàn)如下:

(1)ArcGIS作為成熟GIS商用軟件代表,工具型特征是其最大特點(diǎn),盡管某些功能可以用作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分GIS原理和算法,但總體上看其與理論教學(xué)的關(guān)聯(lián)不夠緊密,不能完全滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

(2)GIS商用軟件功能模塊的封裝較為徹底,而且實(shí)現(xiàn)技術(shù)大多不公開,學(xué)生僅憑操作軟件無法領(lǐng)悟功能實(shí)現(xiàn)的具體原理和算法流程。

(3)基于某原理的算法實(shí)現(xiàn)可能有多種,操作軟件的實(shí)驗(yàn)可能存在實(shí)現(xiàn)算法未知的情況,更是無法做到對(duì)各種算法的優(yōu)劣性比較。

(4)盡管有些商用軟件提供了開發(fā)接口,但是其功能有限、靈活度不高,不能滿足學(xué)生設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)原理的要求,不利于創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

(5)商用軟件價(jià)格不菲,而且更新速度快,一方面基于商業(yè)軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)投資較大;另一方面商用軟件大多數(shù)功能在實(shí)驗(yàn)中用不到,存在“大材小用”現(xiàn)象。

三、組件技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

(一)組件技術(shù)

組件技術(shù)(compenent technology)是在面向?qū)ο蠹夹g(shù)(OOP)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其基本思想在于創(chuàng)建和利用可復(fù)用的軟件組件來解決應(yīng)用軟件的開發(fā)問題?；诮M件技術(shù)的地理信息系統(tǒng)——組件式地理信息系統(tǒng)(ComGIS)是基于組件對(duì)象平臺(tái),以一組具有某種標(biāo)準(zhǔn)通信接口的允許跨語(yǔ)言應(yīng)用的組件提供的GIS,是傳統(tǒng)GIS技術(shù)與組件式軟件設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

GIS組件技術(shù)的不斷發(fā)展,已經(jīng)由簡(jiǎn)單功能發(fā)展到組件的靈活重組,而且實(shí)現(xiàn)了具有可視化的界面和使用方便的標(biāo)準(zhǔn)接口[8]。目前,各大GIS廠商陸續(xù)推出了各自的GIS組件,諸如ESRI推出的MapObjects、ArcObjects和 ArcEngine、MapInfo公司的MapX、Intergraph公司的 GeoMedia、超圖公司的SuperMap objects,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)研制的MapGIS,武漢吉奧公司推出的GeoMap,泰坦公司的Titan二次開發(fā)平臺(tái)等。

(二)基于組件技術(shù)的適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件

1.適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)

適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件應(yīng)立足于理論知識(shí)和算法原理的理解、掌握和拓展,針對(duì)學(xué)科的課程體系設(shè)置、學(xué)生的軟件操作和開發(fā)能力特點(diǎn),利用面向?qū)ο蟮乃枷?基于UML語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

軟件體系結(jié)構(gòu)采用C/S構(gòu)架模式,基于軟件模塊化設(shè)計(jì)的原則和方法,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一二級(jí)模塊(圖1);一級(jí)模塊功能如下。

圖1 適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件一二級(jí)模塊設(shè)計(jì)

(1)視圖操作模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn):①空間數(shù)據(jù)的加載,包括常見矢量格式數(shù)據(jù)(shapefile、dwg、coverage、geodatabase等)、柵格格式數(shù)據(jù)(grid、tiff、jpeg等)、文本格式數(shù)據(jù)以及mxd、pmf文檔;②地圖數(shù)據(jù)的常用瀏覽功能,包括放大、縮小、地圖平移和全圖顯示;③鷹眼視圖功能以及屬性信息的查詢統(tǒng)計(jì)功能,實(shí)現(xiàn)“空間查屬性”和“屬性查空間”;④數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、文檔的保存以及地圖的打印功能。

(2)空間參考模塊

鑒于GIS數(shù)據(jù)使用時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行地圖糾正和坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換,該模塊主要實(shí)現(xiàn):①圖像的糾正、定向,矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的配準(zhǔn);②矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的投影系統(tǒng)的定義;③矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換,具體包括相同參考基準(zhǔn)和不同參考基準(zhǔn)下的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、高斯克呂格和橫軸墨卡托投影的換帶計(jì)算等。

(3)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊

矢量、柵格以及矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無論在GIS教學(xué),還是應(yīng)用研究中,都占有重要地位,該模塊的目標(biāo)是,通過實(shí)驗(yàn)切實(shí)讓學(xué)生掌握GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特征;主要實(shí)現(xiàn)①矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)、拓?fù)潢P(guān)系及圖形關(guān)聯(lián)顯示;②柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)類型(按像元、波段等)、影像金字塔結(jié)構(gòu)及圖像關(guān)聯(lián)顯示;③矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織、存儲(chǔ)及關(guān)聯(lián)顯示等。

(4)空間分析模塊

空間分析作為GIS核心之一,通過本模塊的操作,使學(xué)生不僅掌握各種空間分析的定義、特征和操作,更要理解所涉及的原理和算法流程,并能夠進(jìn)行綜合利用解決實(shí)際問題。該模塊主要實(shí)現(xiàn):①各種矢量疊置分析(點(diǎn)、線與多邊形)、多邊形疊置的六種常見操作、柵格疊置分析及其綜合應(yīng)用;②點(diǎn)、線、面的緩沖區(qū)操作及其綜合應(yīng)用;③以最短路徑分析、最優(yōu)路徑分析及服務(wù)區(qū)域分析等為代表的網(wǎng)絡(luò)分析的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

(5)應(yīng)用模型模塊

應(yīng)用模型是GIS解決各種實(shí)際問題的武器,借鑒成熟的GIS行業(yè)解決方案,該模塊實(shí)現(xiàn):①基于DEM的地形分析(坡度、坡向、通視、水文分析等);②結(jié)合影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的土地適宜性分析評(píng)價(jià);③元胞自動(dòng)機(jī)支持下的城市空間范圍發(fā)展預(yù)測(cè);④基于網(wǎng)絡(luò)分析和交通數(shù)據(jù)的交通動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

(6)拓展接口模塊

前述功能模塊主要讓學(xué)生基于軟件操作掌握其原理和用法,拓展接口模塊則側(cè)重于提供靈活接口,方便學(xué)生通過編程實(shí)現(xiàn)算法,進(jìn)而鞏固理論知識(shí)并鍛煉創(chuàng)新能力。該模塊根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱編制接口,主要實(shí)現(xiàn):①各種開發(fā)平臺(tái)及不同語(yǔ)言編譯的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dll)的調(diào)用;②基本文本格式或Excel格式的自組織矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及圖形顯示,能夠使學(xué)生體驗(yàn)概念模型、邏輯結(jié)構(gòu)及物理結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系;③地圖數(shù)據(jù)的加載、放大、縮小、平移、全圖的底層實(shí)現(xiàn)接口(不借助GIS組件);④常見的點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)、面狀符號(hào)的繪制接口,包括樣式、顏色、大小等;⑤常用矢量數(shù)據(jù)渲染接口,包括唯一值渲染、分類分級(jí)渲染、點(diǎn)密度渲染等;⑥柵格數(shù)據(jù)的渲染接口,主要涉及顏色設(shè)置;⑦空間分析接口,具體包括疊置分析接口、緩沖區(qū)分析接口和網(wǎng)絡(luò)分析接口,學(xué)生可以基于接口拓展空間分析應(yīng)用以解決綜合性問題;⑧基于DOM、DEM、DLG數(shù)字產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)解析的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換接口;⑨常用數(shù)字化接口,即矢量數(shù)據(jù)(點(diǎn)、線、面)的編輯接口;⑩地圖整飾接口,主要用于地圖制作,具體包括北方向、圖例、圖名、比例尺、格網(wǎng)線等的添加。

2.適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的實(shí)施

軟件開發(fā)平臺(tái)采用 ArcGIS組件 ArcEngine 10.0、Microsoft Visual Studio 2010(C#),利用面向?qū)ο笏枷脒M(jìn)行軟件的編制,采用白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試模式相結(jié)合方式進(jìn)行軟件測(cè)試。

ArcEngine組件提供21個(gè)類庫(kù),封裝大量屬性和方法,方便軟件的研發(fā);組件式地理信息系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的主界面如圖2所示。

(三)適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的應(yīng)用

GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)組件式地理信息系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的使用包括兩部分:軟件操作部分,使用視圖操作模塊、空間參考模塊、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊和應(yīng)用模型模塊,共設(shè)8個(gè)學(xué)時(shí);軟件拓展模塊,主要利用拓展接口實(shí)現(xiàn)適量的算法原理,共設(shè)6個(gè)學(xué)時(shí)。

目前,通過對(duì)適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的使用,從與理論課結(jié)合程度、使用效果(軟件使用對(duì)掌握理論知識(shí)的幫助程度)、易操作性、功能完備性、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定可靠性等六大方面對(duì)軟件進(jìn)行了問卷調(diào)查評(píng)價(jià)(表2)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出,組件式地理信息系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的應(yīng)用既能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,又能做到讓學(xué)生使用滿意,能夠較好完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

表2 軟件使用評(píng)價(jià)調(diào)查匯總表

圖2 軟件系統(tǒng)主界面

四、結(jié)束語(yǔ)

將組件技術(shù)引入GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué),自主研發(fā)適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件——組件式地理信息系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件,其六大模塊與理論授課內(nèi)容緊密結(jié)合并充分顧及學(xué)生能力培養(yǎng)和學(xué)科特點(diǎn),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)GIS原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。實(shí)踐結(jié)果表明,適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件得到師生的認(rèn)可,不僅可以有效地幫助學(xué)生鞏固理論課所講授的原理和算法,而且培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、解決綜合問題的能力,激發(fā)了學(xué)習(xí)積極性。因此,適宜性實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件在學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面具有重要實(shí)用價(jià)值。

[1] 龔健雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2001: 1-10.

[2] JOHN R,RYAN R.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].王淑晴,張翠羽,鄭新奇,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2016:10-17.

[3] 湯國(guó)安,龍毅,李云梅.地理信息系統(tǒng)專業(yè)建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2009(9):45-47.

[4] 田雨,盧秀山,姜巖,等.GIS專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與實(shí)踐[J].理工高教研究,2009,28(1):116-118.

[5] 董建軍.基于ArcGIS的地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇,2015(12):253-254.

[6] 高素青,王真,陳涵,等.“地理信息系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2014,36(A2):154-158.

[7] 龔君芳,王改芳,李圣文.“GIS綜合應(yīng)用實(shí)習(xí)”課程改革探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(3):216-218.

[8] 牟乃夏,王海銀,李丹,等.ArcGIS Engine地理信息系統(tǒng)開發(fā)教程[M].北京:測(cè)繪出版社,2015:15-30.

[責(zé)任編輯]譚愛蘭

G642.423

A

1673-5935(2016)04-0055-04

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.04.016

2016-10-08

中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目(SY-B201421);山東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃(重點(diǎn))課題(2013GZ065);中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究性課程教學(xué)改革項(xiàng)目(YK201401);山東省自然科學(xué)基金(ZR2015DL004)

吳會(huì)勝(1980—),男,山東萊蕪人,中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師,博士,主要從事GIS教學(xué)和研究。