基于專題式教學(xué)法的城市規(guī)劃專業(yè)3S技術(shù)課程研究

張瑞芳 張萍

摘 要：針對城市規(guī)劃專業(yè)3S技術(shù)課程中存在的問題，論述了使用以任務(wù)為導(dǎo)向的專題式教學(xué)法的必要性，提出了適合城市規(guī)劃專業(yè)本科生3S技術(shù)課程的幾大教學(xué)專題，并對各專題下的理論及實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：城市規(guī)劃；3S技術(shù)；專題式教學(xué)法；課程設(shè)置

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-000X（2017）17-0107-04

Abstract： Aiming at the problems existing in the 3S technical course of urban planning， this paper discusses the necessity of using the task-oriented thematic teaching method， and puts forward some major teaching topics suitable for 3S technical course of urban planning majors and makes detailed design for the theoretical and practical links under the various topics.

Keywords： urban planning； 3S technology； thematic teaching method； course setting

3S是地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）、和全球定位系統(tǒng)（GPS）的統(tǒng)稱，是采集空間信息并管理、建模、分析及顯示地理信息的技術(shù)，尤其是GIS技術(shù)日益被應(yīng)用到城市規(guī)劃編制和管理中，成為全新的城市規(guī)劃技術(shù)平臺和分析決策工具，促進(jìn)了城市規(guī)劃信息分析方法由定性為主演變?yōu)槎ㄐ耘c定量并舉，使得城市規(guī)劃方案更加科學(xué)。

我校對城市規(guī)劃專業(yè)本科生在幾年前就開設(shè)了3S技術(shù)課程，但存在許多問題，解決教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容與城市規(guī)劃專業(yè)實踐相脫離等問題，是擺在教師面前的重要課題。

一、教學(xué)中存在的問題

（一）時間緊任務(wù)重

3S技術(shù)是邊緣交叉綜合性學(xué)科，在理論和內(nèi)容上相當(dāng)復(fù)雜， 涉及到數(shù)學(xué)、物理、電子、計算機技術(shù)、空間技術(shù)等諸多學(xué)科。3S技術(shù)課程要求講授空間數(shù)據(jù)及分析理論，還有ArcGIS、ERDAS、FME、SPSS等數(shù)據(jù)處理軟件的操作。理想的教學(xué)學(xué)時應(yīng)該在100學(xué)時左右，但現(xiàn)實是在我校城市規(guī)劃專業(yè)，這門講授3個系統(tǒng)的課程學(xué)時數(shù)僅有40個，時間緊任務(wù)重，如何在有限時間內(nèi)，既能將學(xué)生引進(jìn)門，掌握基本知識，又能讓學(xué)生產(chǎn)生興趣，掌握如何用于城市規(guī)劃實踐是教師面臨的難題。

（二）教學(xué)理念陳舊，與城市規(guī)劃專業(yè)實踐相脫離

3S技術(shù)課程主要教學(xué)內(nèi)容是：理論、軟件、專業(yè)實踐三大塊。雖然3S技術(shù)主要目的是解決具體實踐問題，但需要有理論支持。比如空間數(shù)據(jù)來源渠道眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)屬于何種類型、適合用什么方法進(jìn)行空間處理，都需要在掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟僮魈幚?，顯然理論講授非常重要。過去的3S教學(xué)將大量時間用于講授3S方法及其理論基礎(chǔ)，由于學(xué)時數(shù)的限制，留給講授理論如何應(yīng)用到具體規(guī)劃實踐的時間所剩無幾，給人以虎頭蛇尾，草草了事的感覺，學(xué)生反映理論枯燥難懂，最主要的是不知如何運用，學(xué)完課程收獲小，提不起興趣。要改變這種局面，必須改變教學(xué)理念與方法，教師觀念的陳舊老化，勢必造成課堂教學(xué)的因循守舊、默守陳規(guī)。要本著學(xué)有所用的原則，針對學(xué)生專業(yè)特點，對理論知識進(jìn)行篩選，應(yīng)基于本科生的知識水平，結(jié)合城市規(guī)劃專業(yè)的需求，本著“夠用即可”的原則，不必貪全求深，針對性的講解主要理論及實踐操作，需要設(shè)計出適合城市規(guī)劃專業(yè)學(xué)生的教學(xué)模式，既能讓學(xué)生掌握3S基本方法，又能將其運用到專業(yè)實踐中解決實際問題。

二、采用專題式教學(xué)法的必要性

所謂專題式教學(xué)法，是指由任課教師把整個教學(xué)階段的教學(xué)內(nèi)容分成若干部分，然后把每個部分視為一個獨立的專題來備課和授課的教學(xué)方法。對于專題的取舍，既要服務(wù)于教學(xué)計劃，又要立足于城市規(guī)劃實際需要，并適度關(guān)注學(xué)科前沿問題，可以將教師的科研成果作為一個專題。任何一個專題，都將講述一個或者幾個學(xué)科重點問題，其自成體系、獨立成篇。

教師采用專題式教學(xué)法，需要先提出待解決的規(guī)劃問題，然后講授怎樣運用信息技術(shù)解決此問題。專題式教學(xué)法具有針對性、現(xiàn)實性、研究性特征，教師更容易在照顧到本門課程體系完整的基礎(chǔ)上有重點地安排教學(xué)內(nèi)容，使知識點的輕重和課程邏輯體系一目了然，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握。

例如：遙感的基礎(chǔ)知識和內(nèi)容是極其繁多的，我們從城市規(guī)劃需要解決的實際問題出發(fā)，將“土地利用現(xiàn)狀及變化”作為授課專題。圍繞著專題需要，講授遙感數(shù)據(jù)獲取、對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正、裁剪、鑲嵌、分類、分類后處理的方法。再安排遙感圖像處理上機實驗，對某時期的遙感圖像進(jìn)行處理，能得到某時期土地利用現(xiàn)狀信息；對兩期遙感圖像比對處理，得到土地利用變化信息。通過此專題的學(xué)習(xí)，既掌握了遙感數(shù)據(jù)處理基本方法，又能靈活應(yīng)將其應(yīng)用到實際問題解決過程。

采用專題式教學(xué)法，課程內(nèi)容來自于實際規(guī)劃問題，能極大滿足學(xué)生的興趣；以為題為導(dǎo)向，能煥發(fā)學(xué)生強烈的好奇心和求知欲，興趣是最好的老師，有了對3S技術(shù)的興趣，他們在以后的規(guī)劃實踐中就會主動應(yīng)用這些知識，服務(wù)于規(guī)劃設(shè)計及管理實踐。

3S技術(shù)是解決空間問題的工具，這門學(xué)科的實踐性非常強，必須十分重視實驗在教學(xué)過程中的作用。我們緊密結(jié)合規(guī)劃設(shè)計及管理實際需求，針對性地將怎樣解決某個規(guī)劃問題做成專題，課堂教學(xué)及實驗內(nèi)容都圍繞著這個專題進(jìn)行設(shè)計，編寫專門針對規(guī)劃專業(yè)學(xué)生的3S實驗指導(dǎo)書，指導(dǎo)學(xué)生解決具體的規(guī)劃問題。

三、課程內(nèi)容設(shè)置

在3S技術(shù)中，GIS是核心，RS和GPS為GIS提供快捷高效的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)更新的手段，城市規(guī)劃專業(yè)3S的教學(xué)重點在于如何借助GIS分析城市信息及輔助規(guī)劃決策，如何用RS及GPS獲取城市信息簡要介紹即可。

設(shè)置幾大專題：ArcGIS和ERDAS基本操作；3S土地利用及變化分析；CAD圖導(dǎo)入ArcGIS，建立三維地形，地形分析及三維可視化；用地適宜性分析；交通可達(dá)性分析；城市社會區(qū)分布分析。

將總學(xué)時的50%時間用于實驗，對學(xué)生成績的評分方法為：課堂理論學(xué)習(xí)（20%）+上機實驗操作（30%）+實驗報告（50%）。各專題主要內(nèi)容：

（一）ArcGIS及 ERDAS基本操作

ArcMap中新建文檔，設(shè)置文檔數(shù)據(jù)庫相對路徑，加載一幅遙感圖為底圖，手工屏幕矢量化，建立建筑物圖層圖形文件，并對其賦予屬性值，輸出建筑專題圖，建筑圖層輸出到CAD。

認(rèn)識ERDAS軟件圖標(biāo)面板；遙感數(shù)據(jù)識讀：分辨率、像素灰度值、投影信息、直方圖信息、遙感圖像基本統(tǒng)計特征；進(jìn)行校園遙感圖像幾何校正、裁剪、鑲嵌、融合處理。

（二）3S土地利用及變化分析

1. 下載城市遙感圖

指導(dǎo)學(xué)生從http：//glovis.usgs.gov/網(wǎng)上下載同一地區(qū)不同時期的LandSat衛(wèi)星遙感圖（圖1）。下載時，坐標(biāo)系有兩種選擇：帶參考系及不帶參考系。若選擇不帶參考系，則按下列步驟進(jìn)行；若選擇帶參考系，則不進(jìn)行以下所列第2步的操作。

2. 幾何校正

ERDAS中，借助地面控制點（借助goole earth獲取控制點，也可用GPS獲取，這兩種方法皆納入實驗范圍），對遙感圖像進(jìn)行地理坐標(biāo)的校正。

3. 監(jiān)督分類

ERDAS中用武漢市行政區(qū)矢量圖掩膜裁剪出武漢市行政區(qū)范圍內(nèi)的遙感圖（圖2）；再進(jìn)行遙感圖像分類，對影像分為4種類型：城鎮(zhèn)及道路、江河湖泊、農(nóng)田、綠地（由于時間關(guān)系粗略分成4類，若時間許可分類可更詳細(xì)），進(jìn)行監(jiān)督分類（圖3）并用混淆矩陣進(jìn)行分類精度評定，然后做分類后處理（聚類、去除小斑塊）。

4. 土地利用變化信息提取

單擊Main＼Interpreter＼Utilities＼Change Detection 命令，啟動Change Detection對話框，完成前后圖像的變化檢測，從得到的highlight change文件能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)變化區(qū)域。

5. 土地利用類型轉(zhuǎn)化分析

ERDAS中將兩期的同類地物賦予相同的value，對兩期經(jīng)過上述處理后的影像進(jìn)行分類重編碼record，再進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析，“Raster→Attributes”查看其特征值，分析出土地利用變化信息如表1：

6.利用ArcMap建立土地利用空間數(shù)據(jù)庫

ERDAS中，將某期經(jīng)過重編碼后的柵格圖轉(zhuǎn)換成矢量，用工具M(jìn)ain＼Vector＼Raster to Vector，在ArcMap中加載矢量數(shù)據(jù)，按屬性選擇分層得到上述4類土地的矢量圖，然后進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)定義及輸入，建立土地利用信息數(shù)據(jù)庫。

（三）CAD圖導(dǎo)入ArcGIS，建立三維地形，地形分析

設(shè)置此專題的目的是：目前絕大部分地面信息的數(shù)據(jù)來源是遙感圖像及測繪部門所出的CADdwg格式地形圖，在規(guī)劃實踐中，CAD圖與ArcGIS的相互轉(zhuǎn)換非常頻繁，此專題具有非常強的針對性。

CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換用FME，將dwg格式轉(zhuǎn)換為shp格式。對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)還要進(jìn)行檢查，需要進(jìn)行拓?fù)湟?guī)則建立、拓?fù)洳殄e、圖形編輯修改、直至滿足拓?fù)潢P(guān)系。

1. 用FME將CAD圖中的數(shù)據(jù)分層（等高線、高程點、建筑物、道路等）導(dǎo)入ARCGIS（圖4）

2. 創(chuàng)建TIN

將等高線、高程點作為構(gòu)建TIN的主要來源，以建筑物和道路等其他地物作為硬斷線，建立三維地表面TIN。

3. TIN轉(zhuǎn)為DEM

由于DEM是對地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)，每個像元具有不同的高程值，比TIN表達(dá)的矢量地表面更適合分析。

4. 地形分析

可進(jìn)行高程分析，提取等高線、坡度坡向求取、可視性分析、地表面陰影圖及地形剖面獲取等。

5. ArcScene中3D可視化

ArcScene是以3D方式創(chuàng)建和展示空間數(shù)據(jù)的工具，可進(jìn)行地表面三維顯示、編輯；基于地表面可以將遙感影像圖或規(guī)劃圖等平面圖紙制作成3D效果；也可以將城市中的建筑、道路、河流等地物加載到DEM并批量制作二維半立體模型模擬出城市環(huán)境；還可以將在其他軟件中建立的復(fù)雜3D模型導(dǎo)入，構(gòu)建比較真實的虛擬現(xiàn)實場景（圖5）。

通過此實驗，從CAD地形圖創(chuàng)建數(shù)字地面模型，借助ARCGIS軟件，枯燥的二維CAD地形圖演變成為逼真的三維場景，讓人如身臨其境般地感受規(guī)劃場地的地形地貌。

（四）用地適宜性分析

在進(jìn)行城市空間布局過程中，規(guī)劃師需要分析城市范圍內(nèi)哪些土地適合做居住用地、哪些適合做公共設(shè)施用地等用地選址問題，即需要分析出適合某種建設(shè)需要的用地空間位置所在。此專題內(nèi)容包括：層次分析法、緩沖區(qū)分析、矢量數(shù)據(jù)疊加分析、柵格數(shù)據(jù)疊加分析、柵格重分類。

用地適宜性分析的步驟為：首先確定適宜性評價因子并用層次分析法確定其權(quán)重；然后收集涉及各因子的原始數(shù)據(jù)，對各個單因素做緩沖區(qū)分析、矢量數(shù)據(jù)疊加分析；分等級評分并轉(zhuǎn)換為柵格格式；然后進(jìn)行柵格疊加分析。

（五）交通可達(dá)性分析

在路網(wǎng)規(guī)劃、公交規(guī)劃、地價評估、區(qū)位分析等領(lǐng)域都需要進(jìn)行交通可達(dá)性分析。此專題內(nèi)容包括：城市路網(wǎng)模擬，構(gòu)建城市現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡(luò)模型；介紹基于平均出行時間、基于出行范圍、基于最小阻抗的交通可達(dá)性模型及計算。

（六）城市社會區(qū)分布分析

城市規(guī)劃不僅包括物質(zhì)形態(tài)的規(guī)劃，也包括城市社會系統(tǒng)形態(tài)規(guī)劃。此專題對某城市社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)基本統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將影響經(jīng)濟社會發(fā)展的十幾項因子用SPSS進(jìn)行進(jìn)行主成分及因子統(tǒng)計分析，得出幾個主要影響經(jīng)濟社會結(jié)構(gòu)的因子參數(shù)，例如土地利用強度、鄰里因素、社會經(jīng)濟地位、種族居住情況，用ArcGIS繪制社會區(qū)域分布圖，例如中心城區(qū)高收入地區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)中等收入、遠(yuǎn)郊區(qū)流動人口密集區(qū)等等，分析因子空間結(jié)構(gòu)是圓形還是扇形擴展，為后期城市規(guī)劃提供科學(xué)的基礎(chǔ)資料。

四、結(jié)束語

本文從我校城市規(guī)劃專業(yè)3S技術(shù)教育現(xiàn)狀出發(fā)，分析了該課程的特點及在教學(xué)實踐中存在的與城市規(guī)劃實際脫鉤的問題，提出了3S技術(shù)課程采用專題式教學(xué)法的必要性，設(shè)計了城市規(guī)劃本科教學(xué)的3S課程專題，并對各專題下的理論及實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。按此實行一年來，教學(xué)效果得到極大提升，學(xué)生的反響很好。期望能通過3S技術(shù)與城市規(guī)劃融合教育，使這項技術(shù)成為改善豐富規(guī)劃設(shè)計、城市建設(shè)管理的手段，為科學(xué)進(jìn)行城市規(guī)劃提供重要技術(shù)保障，從而不斷地提高城市規(guī)劃的工作效率和技術(shù)水平。

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