非測繪專業(yè)RS和GIS一體化綜合實(shí)習(xí)教學(xué)改革研究與實(shí)踐
——以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)城規(guī)專業(yè)為例

謝小魁，謝紅霞，周 清，郭亞東，田良輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128)

非測繪專業(yè)RS和GIS一體化綜合實(shí)習(xí)教學(xué)改革研究與實(shí)踐
——以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)城規(guī)專業(yè)為例

謝小魁，謝紅霞，周 清，郭亞東，田良輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128)

目前非測繪專業(yè)RS和GIS的實(shí)習(xí)在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)組織上存在前后割裂的缺陷，具體表現(xiàn)為RS采集數(shù)據(jù)后，缺少進(jìn)一步深入的空間分析和知識挖掘過程；而GIS操作的數(shù)據(jù)源現(xiàn)勢性差，大多采用已經(jīng)示例數(shù)據(jù)，既導(dǎo)致了數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)，又使學(xué)生缺少對空間信息項目總體流程的把握。本文厘清了這兩門課程的邏輯關(guān)系，提出了將這兩門課程實(shí)習(xí)合并為空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實(shí)習(xí)的思路，以解決城鄉(xiāng)規(guī)劃科學(xué)問題為目標(biāo)，以項目實(shí)戰(zhàn)過程為主線，對實(shí)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行了一體化設(shè)計。即采用面向?qū)ο蠓▽Ω叻直媛蔬b感影像進(jìn)行了解譯，其成果作為GIS數(shù)據(jù)源；然后通過空間分析計算城市規(guī)劃指標(biāo)，并進(jìn)行了建筑日照分析。在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)城規(guī)專業(yè)進(jìn)行了實(shí)踐檢驗，結(jié)果表明，空間數(shù)據(jù)采集與分析實(shí)習(xí)包括空間數(shù)據(jù)的采集、空間數(shù)據(jù)建庫和空間分析，邏輯清晰、可操作性強(qiáng)，提升了學(xué)生綜合動手能力，實(shí)習(xí)效果較好，可為其他高校和專業(yè)的空間信息相關(guān)課程實(shí)習(xí)的教學(xué)改革提供可借鑒的思路和方案。

地理信息系統(tǒng)；遙感；實(shí)習(xí)改革；一體化教學(xué)

現(xiàn)代測繪學(xué)是包含地理空間信息的測量、分析、管理、存儲、顯示和利用等綜合研究的科學(xué)和技術(shù)[1-2]。隨著傳統(tǒng)測繪向信息化測繪的轉(zhuǎn)變和地理空間信息的廣泛普及和深入應(yīng)用，很多非測繪類專業(yè)也開設(shè)了遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)課程。如在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，土地資源管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃、風(fēng)景園林和環(huán)境科學(xué)等專業(yè)均逐步開設(shè)了RS和GIS課程。非測繪專業(yè)的課程建設(shè)是一個研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對于非測繪專業(yè)的測量學(xué)課程改革，已有相當(dāng)多的研究，在知網(wǎng)上搜索發(fā)現(xiàn)有99篇論文對此進(jìn)行了探討；對于攝影測量或航測課程建設(shè)的研究，知網(wǎng)上檢索到2篇報道[3-4]；對于GIS僅有一篇論文進(jìn)行了討論[5]；但并沒有發(fā)現(xiàn)針對RS和GIS一體化教學(xué)和一體化實(shí)習(xí)的課程改革研究報道。

RS和GIS實(shí)習(xí)是提高學(xué)生動手能力和解決本專業(yè)問題的重要手段[6-7]。考慮到這兩門課程的相關(guān)性，如何針對專業(yè)需求對實(shí)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行組織是一個值得重視的問題。目前相關(guān)專業(yè)對兩門課程的實(shí)習(xí)教學(xué)組織安排，無論是對兩門課程承接關(guān)系的考慮，還是對實(shí)習(xí)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，以及對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)等方面，還有許多需要改進(jìn)的地方[8]。

1 現(xiàn)狀分析

相對于RS和GIS的快速發(fā)展及服務(wù)應(yīng)用的實(shí)際需求，目前的RS和GIS的實(shí)習(xí)教學(xué)存在著一些明顯的問題。

首先，實(shí)習(xí)內(nèi)容體系和教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)嚴(yán)重滯后于空間信息科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，也與實(shí)際應(yīng)用需求脫節(jié)。

對于非測繪專業(yè)的RS實(shí)習(xí)，普遍采用免費(fèi)的Landsat 5 TM影像作為實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)源[9]，有的會采用Landsat 7 ETM+影像。這存在很多缺點(diǎn)：①學(xué)生感受不到最新的航空航天技術(shù)和RS技術(shù)；②這些影像年代久遠(yuǎn)，現(xiàn)勢性差，地面實(shí)際情況可能發(fā)生了較大改變；③中分辨率的影像難以直接引起剛接觸RS的學(xué)生的興趣，RS初學(xué)者對高分辨率影像更有直覺和興趣。由此導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)習(xí)時產(chǎn)生失望感、落后感和枯燥感。隨著IKONOS衛(wèi)星的成功發(fā)射，高分辨率影像與人們的生活息息相關(guān)，獲取更加方便，價格更低。對于城規(guī)專業(yè)，相對于利用中、低分辨率影像進(jìn)行科研而言，將來應(yīng)用高分辨率影像輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃的可能性更大。

而對于非測繪專業(yè)的GIS實(shí)習(xí)，普遍目的是做出一幅比較好看的地圖，內(nèi)容主要是地圖矢量化、符號化和簡單的緩沖區(qū)分析、疊加分析等，忽略了專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。實(shí)際上非測繪專業(yè)的GIS實(shí)習(xí)在內(nèi)容設(shè)置、課時安排等方面不可能像測繪專業(yè)GIS教學(xué)那樣全面和充分。城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)的GIS實(shí)習(xí)應(yīng)該突出GIS輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃的需求，GIS是對城市資源信息的管理與分析的有效手段[5]：規(guī)劃師要會利用GIS來描述城市現(xiàn)狀,可以用GIS來進(jìn)行規(guī)劃分析，最后還要用GIS來表達(dá)規(guī)劃要素。因此，對城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)實(shí)施GIS實(shí)習(xí)進(jìn)行設(shè)計時，必須抓住這樣的關(guān)鍵來構(gòu)筑教學(xué)框架，對其專業(yè)進(jìn)行深入研究，提出適合該專業(yè)的合理實(shí)習(xí)內(nèi)容與課時安排。

其次，在教學(xué)安排上，將兩門課程孤立對待，忽視了兩門課程邏輯上的緊密聯(lián)系、內(nèi)容上的承接關(guān)系和互補(bǔ)作用，從而制約了教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和課程品質(zhì)的提升。

RS需要利用GIS來進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析決策，以解決專業(yè)理論和實(shí)踐問題；GIS需要利用RS來快速獲取和更新數(shù)據(jù)。兩門課程從邏輯關(guān)系來講實(shí)際上是一脈相承的，其內(nèi)容的前后承接關(guān)系十分清晰。只有將兩者作為一個整體來考慮教學(xué)安排和教學(xué)內(nèi)容的組織，才能發(fā)揮出兩者之間的互補(bǔ)作用，進(jìn)而提升教學(xué)效果和教學(xué)品質(zhì)。但是現(xiàn)有的教學(xué)安排在兩門課程的承接關(guān)系和內(nèi)容組合方面缺少考慮，難以體現(xiàn)RS是GIS的重要數(shù)據(jù)來源，也難以體現(xiàn)GIS挖掘地理空間數(shù)據(jù)的效果。

2 空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實(shí)習(xí)內(nèi)容

為了適應(yīng)現(xiàn)代空間信息科學(xué)的現(xiàn)狀，滿足城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)實(shí)際應(yīng)用和服務(wù)的需求，有必要將RS和GIS的實(shí)習(xí)內(nèi)容和組織進(jìn)行整體考慮，實(shí)施一體化的教學(xué)，即通過RS來獲取數(shù)據(jù)，通過GIS進(jìn)行空間分析。設(shè)計實(shí)習(xí)內(nèi)容時應(yīng)注意保持工作量飽滿、難度適當(dāng)、深度和廣度平衡，以及開放性和可操作性平衡。

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院進(jìn)行地理信息系統(tǒng)與資源環(huán)境分析技術(shù)的實(shí)驗課程整合[9]，后來又計劃把RS和GIS綜合實(shí)習(xí)定為空間數(shù)據(jù)采集與分析綜合實(shí)習(xí)[10]，以解決城鄉(xiāng)規(guī)劃科學(xué)問題為目的，以項目實(shí)戰(zhàn)全過程為主線，訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立解決綜合問題的能力。

2.1 RS實(shí)習(xí)內(nèi)容設(shè)計

基于高分辨率RS影像，利用面向?qū)ο蠓▽π@(或長沙市)進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀分類，具體內(nèi)容包括：圖像合并和裁剪、圖像合成和融合、幾何精糾正、圖像增強(qiáng)、圖像去云、面向?qū)ο蠓指詈头诸?、?shí)地調(diào)查和驗證。在實(shí)地調(diào)查時，對解譯結(jié)果進(jìn)行驗證，對未能成功解譯或解譯錯誤的地方進(jìn)行標(biāo)記，同時記錄建筑層數(shù)和建筑高度(建筑高度是通過層數(shù)進(jìn)行目估)，為后面的GIS分析提供三維數(shù)據(jù)。學(xué)生們對高分辨率影像有較大興趣，馬上與其生活經(jīng)驗聯(lián)系起來；面向?qū)ο蠓诸愂荝S里先進(jìn)適用的分類方法。RS實(shí)習(xí)內(nèi)容涉及通用的RS影像處理的主要過程[11]。

2.2 GIS實(shí)習(xí)內(nèi)容設(shè)計

利用RS對影像的分類結(jié)果，進(jìn)行城市規(guī)劃和建筑日照分析。具體而言，先對RS解譯結(jié)果進(jìn)行整理，按照實(shí)習(xí)目的，按地類分圖層建立空間數(shù)據(jù)庫。在空間數(shù)據(jù)庫建立過程中，學(xué)生充分認(rèn)識到數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范的重要性；然后計算城市規(guī)劃指標(biāo)(包括容積率、綠地率和藍(lán)地率)；再進(jìn)行日照分析，找出不符合城市建筑日照規(guī)范的建筑；最后制作三維效果圖，疊加顯示容積率三維專題圖、綠地率三維專題圖、藍(lán)地率三維專題和日照分析三維專題圖。涉及內(nèi)容包括：地圖投影和轉(zhuǎn)換、空間數(shù)據(jù)庫建立、矢量柵格轉(zhuǎn)換、圖形編輯、空間查詢、空間連接、空間統(tǒng)計、柵格計算、柵格分析、地理建模等GIS操作的各方面和自然地理學(xué)知識[12]。

3 空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實(shí)習(xí)組織

空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實(shí)習(xí)設(shè)計為2周，其中RS和GIS各1周。即使兩門課程由不同老師授課，由于中間有周末時間作為緩沖，學(xué)生們可以進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查和整理數(shù)據(jù)，教師可以進(jìn)行溝通交流，保證RS到GIS的順利銜接。由于隨堂實(shí)驗課時有限，讓學(xué)生在2周獨(dú)立自主完成這么一個復(fù)雜的虛擬項目，不管是深度還是廣度都具有很大的挑戰(zhàn)。因此必須精心組織，才能完成實(shí)習(xí)目標(biāo)，從而達(dá)到預(yù)期效果。空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實(shí)習(xí)的組織安排見表1。

3.1 RS實(shí)習(xí)組織

RS試驗教材采用《遙感數(shù)字圖像處理實(shí)驗教程》[11]，而實(shí)習(xí)用到面向?qū)ο蠓诸?，需要參考《ENVI遙感圖像處理方法》(第二版)[13]。參照書上面向?qū)ο蠓诸惖木毩?xí)內(nèi)容和示例數(shù)據(jù)，學(xué)生們先利用1.5天時間，完成高分辨率RS影像的面向?qū)ο蠓诸惖氖纠囼灒辉倮?.5天，完成實(shí)習(xí)項目研究區(qū)域高分辨率影像的解譯；然后用1天分組(每組4人)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，對解譯結(jié)果進(jìn)行驗證，調(diào)查標(biāo)志性地物名稱，記錄每一棟建筑的層數(shù)和高度；第5天，在機(jī)房整理數(shù)據(jù)和提交作業(yè)，老師進(jìn)行集中講解，對實(shí)習(xí)結(jié)果檢查驗收。

表1 空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實(shí)習(xí)組織安排

3.2 GIS實(shí)習(xí)組織

GIS實(shí)驗教材采用《地理信息系統(tǒng)實(shí)習(xí)教程》(第三版)[14]，實(shí)習(xí)內(nèi)容需要參考《ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗教程》(第二版)[12]。參照書中城市建筑日照分析的練習(xí)內(nèi)容和示例數(shù)據(jù)，學(xué)生們先用1.5天完成書上的練習(xí)；然后用1天，對RS解譯結(jié)果進(jìn)行整理，拼接地圖，建立空間數(shù)據(jù)庫；再用1.5天進(jìn)行容積率等規(guī)劃指標(biāo)計算和日照分析；第5天上午進(jìn)行集中講解，下午進(jìn)行結(jié)果檢查和驗收。

4 實(shí)習(xí)效果

首先，這是一次科研項目實(shí)戰(zhàn)的成功模擬。通過這一次綜合實(shí)習(xí)，完成了湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)250 hm2的高分辨率RS影像解譯，構(gòu)建了9個小區(qū)的374棟建筑三維模型(如圖1所示)[15]；然后利用以上數(shù)據(jù)計算了容積率、綠地率和藍(lán)地率，找出了不合城市建筑日照規(guī)范的建筑，并提出規(guī)劃優(yōu)化預(yù)案。

其次，學(xué)生們通過這次實(shí)習(xí)，掌握了RS影像處理的全過程和利用GIS進(jìn)行城市規(guī)劃的全過程。全班30人，只有3人沒有在規(guī)定時間完成作品，通過申請延長時間來完成實(shí)習(xí)任務(wù)。

同時，在實(shí)習(xí)期間也獲得一些經(jīng)驗和教訓(xùn)。由于城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)沒有開設(shè)數(shù)據(jù)庫和程序設(shè)計語言等相關(guān)技術(shù)課程，導(dǎo)致對數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫缺乏直觀認(rèn)識，初始建立的數(shù)據(jù)庫極不規(guī)范；在地圖拼接后，又花了大量時間進(jìn)行數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)調(diào)整和重構(gòu)。雖然教師預(yù)先建立好數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)可以避免數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)不規(guī)范的問題。但讓學(xué)生們從零開始，自己動手，可以促使他們主動解決所碰到的各種問題，養(yǎng)成充分挖掘空間數(shù)據(jù)背后知識的鉆研精神；還能訓(xùn)練他們?yōu)榱私鉀Q某個專業(yè)科學(xué)問題，自己去設(shè)計數(shù)據(jù)獲取方案，借助合適的GIS工具來回答科學(xué)問題。因為很多企業(yè)和縣級規(guī)劃、勘測政府部門缺少空間信息處理的相關(guān)技術(shù)人員，在引進(jìn)人才時的一個重要指標(biāo)就是看求職者是否具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)分析能力。

5 結(jié)束語

RS和GIS的綜合實(shí)習(xí)，涉及實(shí)習(xí)內(nèi)容的前后銜接和組織安排的銜接，考慮到內(nèi)容的科學(xué)性和先進(jìn)性、開放性和可操作性，需要進(jìn)行一體設(shè)計。采用RS中先進(jìn)的面向?qū)ο蠓诸惙ǎ瑢Ω叻直媛蔙S影像進(jìn)行分類，然后利用GIS進(jìn)行空間分析，解決城鄉(xiāng)規(guī)劃科學(xué)問題是一個可行方案。

由于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)和其他農(nóng)林院校還有土地資源管理、環(huán)境科學(xué)和風(fēng)景園林等其他農(nóng)林專業(yè)，同樣面臨RS和GIS一體化教學(xué)問題。將進(jìn)一步進(jìn)行教學(xué)改革研究，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，理順教學(xué)關(guān)系，把解決專業(yè)科學(xué)問題作為RS和GIS教育的生命，避免落入無系統(tǒng)的學(xué)術(shù)研討式的教學(xué)[5]，充分發(fā)揮現(xiàn)代空間信息科學(xué)的服務(wù)作用。

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Reform and Practice for RS and GIS Integrated Practice Teaching for Non-geomatics Specialty—A Case Study of Town and Country Planning Major in Hunan Agricultural University

XIE Xiaokui,XIE Hongxia,ZHOU Qing,GUO Yadong,TIAN Lianghui

(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

At present, gaps exist in the practice teaching content and teaching organization between GIS and RS in non-geomatics specialty. No further spatial analysis and knowledge mining after data extraction by RS, and data sources for GIS are out of date because of using sample data already done. Both of these phenomena not only lead the waste of data resources, but also make students short of the overall process of geomatics project. The logical relationship between the two courses was clarified andSpatialDataCollectionandAnalysisIntegratedPracticeteachingmethodwasputforwardtocombinethepracticeteachingforthetwocourses.Theteachingcontentwasdesignedtosolvescientificproblemsinurbanandvillageplanfieldandfeaturedastotalprojectprocess:SpatialdatawasextractedfromhighresolutionremotesensingimageryandtakenasGISdatasource,thenurbanplanindiceswerecalculatedthroughspatialanalysisandsolarradianceanalysiswasperformed.TheintegratedpracticeteachingwasappliedinurbanandvillageplanningmajorinHunanAgriculturalUniversityandtheresultsshowedthat:SpatialDataCollectionandAnalysisIntegratedPracticeincludedspatialdatacollection,spatialdatabaseconstructionandspatialanalysiswithclearlogicandstrongoperability.Theintegratedpracticeraisedthestudents’spracticalabilityandprovidedreferencefortheteachingreformingforrelatedcoursesinotheruniversitiesandprofessionals.

geographical information system; remote sensing; practice reform; integrated teaching

謝小魁，謝紅霞，周清,等.非測繪專業(yè)RS和GIS一體化綜合實(shí)習(xí)教學(xué)改革研究與實(shí)踐——以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)城規(guī)專業(yè)為例[J].測繪通報，2017(2)：147-150.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0070.

2016-01-08；

2016-06-03

湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目(169)；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院教學(xué)改革研究項目(50)

謝小魁(1979—)，男，博士，講師，研究方向為農(nóng)業(yè)地理信息和遙感。E-mail: xiexiaokui@139.com 通信作者： 周 清

G64

A

0494-0911(2017)02-0147-04