開源GIS軟件在高校GIS專業(yè)教學實踐中的應用

嵇立安

摘要：開源GIS軟件對于學生學習GIS技術(shù)，開發(fā)GIS應用具有重大作用。該文通過分析當前開源GIS軟件的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了將開源GIS軟件引入高校GIS專業(yè)的實驗教學中的思路，討論了基于開源GIS軟件實驗教學的特點和方法，探索了提高GIS專業(yè)學生的創(chuàng)新能力和研發(fā)能力的途徑。

關(guān)鍵詞：開源GIS軟件；實驗教學；GIS學習

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）32-0090-02

1引言

將開源GIS軟件引入高校GIS專業(yè)的教學實踐，可以有效改變專業(yè)人才對國外國內(nèi)GIS商業(yè)軟件的依賴情況，克服依賴GIS商業(yè)軟件帶來的種種弊端，為GIS軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應用帶來新鮮的活力。目前，教學實踐中主要使用商業(yè)GIS軟件，這使得學生的視野狹窄，畢業(yè)后找工作受局限。另一方面，從GIS行業(yè)發(fā)展來看，現(xiàn)在的GIS往往與其它軟件整合在一起，呈現(xiàn)一種“嵌入式”的形態(tài)，這種情況下的GIS應用開發(fā)需要的是專項、快速、簡潔、低成本和高效，對此，大型商業(yè)GIS軟件往往并不合適，而數(shù)量繁多的開源GIS軟件恰適其用。因此，無論是教學階段的學生培養(yǎng)，還是未來的就業(yè)發(fā)展，都有必要將開源GIS軟件引入到教學實踐中。本文旨在探討基于開源GIS軟件的實驗教學理論和教學方法，為提高GIS專業(yè)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力提供新的思路。

2開源GIS軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

開源軟件日益蓬勃發(fā)展，逐步滲入到各個軟件領(lǐng)域，在GIS領(lǐng)域，開源軟件經(jīng)過近二十年的發(fā)展，數(shù)量豐富，涵蓋了GIS的各個構(gòu)成部分以及地理信息處理的各個階段。有些常用的開源GIS軟件性能可靠，文檔豐富。用這些開源GIS軟件完全可以構(gòu)造一個功能完整且滿足性能要求的地理信息系統(tǒng)。

表1列出了部分常用商業(yè)軟件和部分常用開源軟件的對比。

表1 部分GIS商業(yè)軟件和部分開源軟件對比表

[GIS的應用領(lǐng)域＼&商業(yè)軟件＼&開源軟件＼&空間數(shù)據(jù)庫＼&Oracle Spatial

Microsoft SQL

Server 2008＼&PostGIS

mySQL Spatial＼&空間數(shù)據(jù)引擎＼&Arc SDE

SuperMap SDX+

Maplnfo SpatialWare＼&MsSQLSpatial＼&桌面GIS（綜合）＼&ArcGIS ArcMap

SuperMap Desktop

MapGIS

Maplnfo Professial＼&GRASS

QGIS

MapWindow

UDig（Java）＼&空間信息資源管理＼&＼&GeoNetwork

OpenSource＼&GIS服務(wù)器＼&ArcGIS Server

ArcGIS IMS

MapInfo mapXtreme＼&MapServer（C++）

GeoServer（Java）＼&WebGIS客戶端＼&ArcGIS ServerRIA＼&OpenLayers

（javascript）

Worldkit（flash）

MapBuilder＼&GIS組件＼&ArcEngine

Maplnfo mapX＼&MapWinGIS

SharpMap（.net）＼&GIS工具集＼&ArcToolbox＼&GeoTools（java）＼&空間數(shù)據(jù)類庫＼&＼&Proj4（地圖投影）

GDAI_/OGR（數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)換）＼&3D GIS客戶端＼&Goosle Earth

Virtual Earth

Skyline＼&WorldWind＼&網(wǎng)絡(luò)發(fā)布緩存服務(wù)＼&＼&GeoWebCache

TileCache＼&]

圖1是一個網(wǎng)站上列出的開源GIS軟件，共計135款，這還是不完全統(tǒng)計。由此可以看出，開源GIS軟件的發(fā)展已經(jīng)到了一個成熟階段，足可以滿足GIS開發(fā)之用。

圖1 開源中國網(wǎng)站的一張截圖

3高校GIS專業(yè)引入開源GIS軟件的意義和作用

我校GIS專業(yè)開設(shè)的相關(guān)課程有“GIS原理與技術(shù)”、“網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)”、“GIS工程應用實踐”、“GIS開發(fā)與應用”、“空間數(shù)據(jù)庫”等。這些課程的實驗課都需要使用某些GIS軟件。以往，我們在教學實踐中多采用某種商業(yè)GIS軟件，但是，經(jīng)過幾年的教學實踐，我們發(fā)現(xiàn)使用商業(yè)軟件存在一些弊端。例如，我校購買了某家國內(nèi)GIS專業(yè)公司的軟件，學生實驗課使用的都是這款軟件，結(jié)果導致到了畢業(yè)設(shè)計時，眾多學生只會用這款軟件作項目開發(fā)，很明顯，這將局限學生的就業(yè)選擇。

此外，商業(yè)軟件固有的缺點正是開源軟件的優(yōu)點，比如：軟件源代碼開放，擁有跨平臺、可擴展等特性，成本低廉等。這些優(yōu)點對于教學用軟件來說尤為重要。

從一些教材的編寫上也可以看出在教學中引入開源GIS軟件的趨勢，有兩本比較流行的Web GIS教科書，它們都對開源GIS做了介紹，其中《Web GIS技術(shù)原理與應用開發(fā)（第2版）》（作者：馬林兵、 張新長）用單獨一章講解了開源Web GIS平臺；另一本書《網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)》（作者：孟令奎等）在“常用網(wǎng)絡(luò)GIS軟件介紹”一章中對開源WebGIS做了介紹。

歸納起來，高校GIS專業(yè)使用開源軟件有這樣幾個益處。

1）促進創(chuàng)新型GIS人才的培養(yǎng)開源GIS軟件一般而言不是那種大而全的軟件，而是具有獨特功能和優(yōu)勢的中小軟件，加上源代碼開放，使得應用開發(fā)人員可以定制契合特定需求和應用的地理信息系統(tǒng)。概括而言，GIS專業(yè)的畢業(yè)生從事兩類專業(yè)工作，一是GIS平臺軟件的開發(fā)，二是GIS應用開發(fā)。通過學習開源GIS軟件，使得畢業(yè)生不會圄于某種商業(yè)軟件，并且對底層技術(shù)有更為深刻的認識。對于應用開發(fā)人員來說，更是提供了就業(yè)、創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的本領(lǐng)?，F(xiàn)在GIS已經(jīng)越來越普及化和大眾化了，常常以“嵌入式”的形態(tài)出現(xiàn)在其他軟件系統(tǒng)中。對于這類中小型GIS的開發(fā)，成本、效率、交付時間和簡易性等指標成為突出的要素，而林林總總的開源GIS軟件正當其用。

2）開源軟件是GIS專業(yè)教育領(lǐng)域中重要的教學資源

隨著開源GIS軟件的發(fā)展與成熟，我們可以輕易地從網(wǎng)上獲得各種開源GIS軟件及相應的文檔，那些流行的開源軟件更是具有豐富的開發(fā)資料和案例，這為同學們的學習提供了非常好的條件。例如，深度開源網(wǎng)站（http：//www.open-open.com/），地理信息資源列表（https：//zhuanlan.zhihu.com/p/22385406），免費地理數(shù)據(jù)列表（http：//freegisdata.rtwilson.com/），開源中國上給出了135種地理信息系統(tǒng)開源軟件（http：//www.oschina.net/project/tag/78/gis），圖1給出了該網(wǎng)站的一個截圖，OSGeo基金會（Open Source Geospatial Foundation）（http：//www.osgeo.org/）。這些網(wǎng)站都給出了大量開源GIS資料。除此之外，各種開源軟件的官方網(wǎng)站也提供了充足的文檔、學習資料和開發(fā)案例，以下是幾個流行開源GIS軟件官方網(wǎng)站的網(wǎng)址：http：//grass.osgeo.cn/、http：//leafletjs.com/、http：//openlayers.org/、http：//geoserver.org/等。

3）方便學生學習和開發(fā)GIS

由于商業(yè)GIS都是安裝在實驗室的電腦上，學生回到宿舍就無法使用了，而我們知道，大學生畢業(yè)設(shè)計和一些實踐課程的工作常常要在學生宿舍的電腦上完成，這就產(chǎn)生了矛盾，如果使用開源軟件就不存在這樣的問題。

4 基于開源GIS軟件的實驗教學實踐

認識到開源GIS軟件對于培養(yǎng)學生的益處，我們就在有關(guān)的課程教學中引入了開源GIS軟件。對于開源軟件的選取，我們一般選擇主流的開源軟件，這些軟件往往比較成熟穩(wěn)定，文檔豐富，案例多。對于開源GIS軟件的學習，我們采用的方法是滲入有關(guān)的課堂教學和實驗教學中。

例如，在“網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)”課程的教學中，我們針對客戶端實驗，選用了開源GIS軟件OpenLayers，這款軟件是由MetaCarta公司開發(fā)的，用于WebGIS客戶端的JavaScript包，通過BSD License 發(fā)行。它實現(xiàn)訪問地理空間數(shù)據(jù)的方法都符合行業(yè)標準， 采用OpenLayers作為客戶端不存在瀏覽器依賴性，OpenLayers APIs采用動態(tài)類型腳本語言JavaScript編寫，實現(xiàn)了類似與Ajax功能的無刷新更新頁面，能夠帶給用戶豐富的桌面體驗（它本身就有一個Ajax類，用于實現(xiàn)Ajax功能）。目前，OpenLayers所能夠支持的Format有：XML、GML、GeoJSON、GeoRSS、JSON、KML、WFS、WKT（Well-Known Text）。

在地圖服務(wù)器方面，我們選用了GeoServer，它是一個功能齊全，遵循 OGC開放標準的開源 WFS-T和 WMS服務(wù)器。利用 Geoserver可以把數(shù)據(jù)作為 maps/images來發(fā)布 （利用 WMS來實現(xiàn) ），也可以直接發(fā)布實際的數(shù)據(jù) （利用 WFS來實現(xiàn) ），同時，它也提供了修改，刪除和新增的功能 （利用 WFS-T）。

在“空間數(shù)據(jù)庫”課程的教學中，我們選用了PostGIS，它是PostgreSQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫的空間操作擴展。它為PostgreSQL提供了如下空間信息服務(wù)功能：空間對象、空間索引、空間操作函數(shù)和空間操作符。同時，PostGIS遵循OpenGIS的規(guī)范。PostGIS的版權(quán)被納入到GNU的GPL中，也就是說任何人可以自由得到PostGIS的代碼并對其做研究和改進。

5結(jié)語

開源GIS軟件發(fā)展迅速，改變了大型商業(yè)GIS軟件一統(tǒng)天下的局面，同時，GIS應用的普及化使得它成為許多軟件的一部分，而不是以大型專業(yè)軟件的形式出現(xiàn)，這為GIS軟件的發(fā)展提供了新途徑。為此，為了培養(yǎng)適應這一趨勢的GIS創(chuàng)新型和綜合型人才，我們應該轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的GIS教學觀念，大膽將開源GIS軟件引入到GIS專業(yè)教育中，制定有效的教學方法，引導學生自主創(chuàng)新。我們只是在這個方面做了探索性工作，下一步還有很多問題有待進一步探討和完善，諸如開源GIS應用教材編輯、開源GIS綜合案例設(shè)計、實驗課內(nèi)容的銜接優(yōu)化、教學內(nèi)容深度和廣度的合理設(shè)置、畢業(yè)設(shè)計項目中開源軟件的適當選用等。

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