GIS可視化的教學(xué)脈絡(luò)與方法探索

張文+孟令奎

【摘要】本文立足于探討GIS可視化的教學(xué)脈絡(luò)與方法。本文分析并明確了GIS可視化對(duì)象及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，梳理了GIS可視化從二維、三維到多維數(shù)據(jù)可視化的教學(xué)脈絡(luò)和重難點(diǎn)，理清了整個(gè)課程的教學(xué)內(nèi)容及其相互的邏輯聯(lián)系。最后，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，探索并提出了綜合應(yīng)用案例教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課外擴(kuò)展學(xué)習(xí)等多種方法的教學(xué)思路。通過(guò)本文對(duì)《GIS可視化方法》的教學(xué)對(duì)象、內(nèi)容和方法進(jìn)行了探討和梳理，期待能夠幫助提高教學(xué)效果，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】GIS 可視化 課程脈絡(luò) 教學(xué)方法

【中圖分類(lèi)號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）46-0228-02

地理信息系統(tǒng)（Geographical information system，GIS）是用于輸入、存儲(chǔ)、管理、查詢(xún)、分析和表達(dá)地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。隨著GIS的發(fā)展，其內(nèi)涵和外延都不斷的拓展，已經(jīng)成為一門(mén)綜合了地理學(xué)、地圖學(xué)原理、遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的科學(xué)與技術(shù)。對(duì)地理空間信息的描述和表達(dá)是GIS的重要內(nèi)涵之一，信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)出現(xiàn)與快速進(jìn)步，極大地推動(dòng)了GIS可視化從傳統(tǒng)的地圖制圖，不斷向著動(dòng)態(tài)、三維/多維、交互式的方向拓展，其重要性日益凸顯。在地球科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科教學(xué)中，系統(tǒng)性地講授GIS可視化的理論與方法是學(xué)科發(fā)展的必然要求，有助于相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生更好地理解GIS可視化的作用、內(nèi)涵與外延，并在未來(lái)的專(zhuān)業(yè)工作中更好地應(yīng)用可視化技術(shù)發(fā)揮GIS的作用。

本文分析了GIS可視化對(duì)象及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，梳理清楚了GIS可視化的脈絡(luò)和教學(xué)的重難點(diǎn)，理清了整個(gè)課程的教學(xué)內(nèi)容及其相互的邏輯聯(lián)系。結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，探討了多種教學(xué)方法的應(yīng)用及其對(duì)于教學(xué)的正面作用，有助于理清教學(xué)思路、提升教學(xué)效果。

一、GIS可視化對(duì)象分析

GIS可視化的對(duì)象是時(shí)空數(shù)據(jù)，同時(shí)具有時(shí)間和空間維度（二維/三維）信息，以及專(zhuān)題屬性信息。專(zhuān)題信息表達(dá)了數(shù)據(jù)在特定領(lǐng)域的特性，是GIS與領(lǐng)域應(yīng)用結(jié)合的關(guān)鍵。由于現(xiàn)實(shí)世界80%以上的信息都與位置相關(guān)，大都可歸于時(shí)空數(shù)據(jù)的范疇。時(shí)空數(shù)據(jù)具有多源、海量、更新快速等大數(shù)據(jù)的典型特征[2]，時(shí)空大數(shù)據(jù)的概念已得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛認(rèn)可，在GIS可視化教學(xué)中，應(yīng)充分考慮引入和借鑒大數(shù)據(jù)可視化和分析技術(shù)。

空間維度主要是指對(duì)象的經(jīng)度、維度和高程，經(jīng)度和緯度可以確定對(duì)象在地球表面的地理位置，高程則確定了對(duì)象與平均海平面之間的高差。大部分GIS應(yīng)用關(guān)注的重點(diǎn)是對(duì)象的地理位置，只需要經(jīng)緯度就可以確定，使得二維地理空間信息表達(dá)在傳統(tǒng)GIS可視化技術(shù)研究中占據(jù)著重點(diǎn)。隨著人類(lèi)向地球深處和高空探索的技能不斷增強(qiáng)，對(duì)地球表面空間信息表達(dá)的準(zhǔn)確性、詳細(xì)度和逼真度等要求越來(lái)越高，使得高程信息的重要性日益提高。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步，GIS可視化的重心正逐步轉(zhuǎn)移到三維可視化上。GIS可視化對(duì)象除了具有三維空間信息，還包含時(shí)間、專(zhuān)題屬性等維度信息，這些信息也可以作為第三維信息用于可視化，這使得GIS三維可視化的內(nèi)涵和外延都得到了極大拓展。在GIS可視化的教學(xué)中，通過(guò)循序漸進(jìn)的教學(xué)，讓學(xué)生了解和掌握GIS可視化對(duì)象的特點(diǎn)，以及與之相對(duì)應(yīng)的可視化表達(dá)需求，是整個(gè)教學(xué)工作的基礎(chǔ)。

二、GIS可視化的教學(xué)脈絡(luò)

面向不對(duì)的可視化對(duì)象，GIS可視化的核心問(wèn)題可以分為二維數(shù)據(jù)（經(jīng)度和維度）可視化、三維數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度和第三維度 <高程/時(shí)間/專(zhuān)題屬性>）可視化和多維數(shù)據(jù)可視化三個(gè)層面，在教學(xué)中，也應(yīng)按照這個(gè)脈絡(luò)，由簡(jiǎn)到繁，逐層展開(kāi)。

（一）二維數(shù)據(jù)可視化

二維數(shù)據(jù)可視化是表達(dá)特定時(shí)空環(huán)境下的二維空間信息，關(guān)注地理對(duì)象的位置、幾何等特征，以及與相鄰對(duì)象的空間關(guān)系等。傳統(tǒng)地圖學(xué)通過(guò)地圖投影將地表對(duì)象映射到二維平面上表達(dá)，再綜合地圖符號(hào)、色彩渲染、注記等技術(shù)表達(dá)對(duì)象的位置、幾何和拓?fù)潢P(guān)系等特征，這些技術(shù)為GIS可視化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也支撐著GIS可視化往更高維度拓展。在二維可視化技術(shù)的教學(xué)中，需要與地圖學(xué)知識(shí)相互呼應(yīng)，首先幫助學(xué)生系統(tǒng)地回顧地圖學(xué)的可視化要點(diǎn)及其邏輯關(guān)系，然后逐步引入二維可視化的擴(kuò)展表達(dá)方法，讓學(xué)生逐步了解，如何利用專(zhuān)題圖層疊加、文字注記、色彩渲染、流向圖、熱力圖、空間統(tǒng)計(jì)圖（餅圖、柱狀圖、曲線圖等）、空間插值圖（泰森多邊形插值，克里金插值，樣條插值等）、時(shí)序動(dòng)畫(huà)等不同的技術(shù)方法[3]，突破二維可視化的局限性，在二維平面上有效表達(dá)更多有用的信息。這些二維可視化及其擴(kuò)展表達(dá)方法，既是二維可視化技術(shù)突破的關(guān)鍵和教學(xué)重點(diǎn)之一，也是從二維可視化向三維可視化的過(guò)渡。

（二）三維數(shù)據(jù)可視化

從二維拓展到三維可視化，是GIS與領(lǐng)域應(yīng)用緊密結(jié)合的必然需求。三維可視化既是GIS可視化教學(xué)的重點(diǎn)，也是教學(xué)難點(diǎn)。經(jīng)緯度+高程的三維GIS技術(shù)是GIS與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)結(jié)合的結(jié)晶，也是GIS三維可視化中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一。三維GIS將地理空間位置信息的表達(dá)從二維空間拓展到三維空間，極大地增強(qiáng)了GIS對(duì)真實(shí)三維世界的表達(dá)和還原能力，也使GIS能有效應(yīng)用于大量需要高程信息進(jìn)行位置確定和輔助分析的應(yīng)用，如救災(zāi)減災(zāi)、建筑分析、地下管網(wǎng)管理、旅游規(guī)劃等。

同時(shí)，時(shí)間維度和專(zhuān)題信息維度的三維可視化技術(shù)也在蓬勃發(fā)展，為三維GIS注入了無(wú)限的活力和應(yīng)用潛力。以時(shí)間維度為例，傳統(tǒng)地圖制圖側(cè)重于對(duì)靜態(tài)空間信息的表達(dá)，所表達(dá)的信息具有明顯的時(shí)間靜止特性。隨著GIS在交通、氣象、水文等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，空間信息時(shí)間緯度的重要性日益提升，特別是對(duì)于位置隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化對(duì)象的表達(dá)，簡(jiǎn)單的二維可視化技術(shù)存在著極大局限性，引入三維可視化技術(shù)，可通過(guò)時(shí)間維度的擴(kuò)展形象地描述對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。GIS的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，不同的應(yīng)用領(lǐng)域所關(guān)注的專(zhuān)題信息不同，如不同城市的溫度、濕度、人口密度，道路通暢度等，專(zhuān)題信息與空間位置密切相關(guān)，盡管傳統(tǒng)的二維GIS可以通過(guò)專(zhuān)題圖層疊加、空間統(tǒng)計(jì)圖、空間插值圖等在一定程度上達(dá)到信息表達(dá)的目的，但是其扁平化特性帶來(lái)了信息表達(dá)的直觀性不足、手段有限、結(jié)果不夠美觀、不利于可視化分析等問(wèn)題，突破二維平面建立基于三維空間的三維可視化更符合人的視覺(jué)認(rèn)知，可以表達(dá)更為豐富、形象的信息，是GIS可視化迫切需要突破的方向。endprint

在教學(xué)中，從傳統(tǒng)的三維GIS技術(shù)開(kāi)始，讓學(xué)生逐步了解高程信息的可視化表達(dá)，以及在借鑒高程信息表達(dá)的基礎(chǔ)上，結(jié)合統(tǒng)計(jì)三維統(tǒng)計(jì)圖、三維對(duì)象渲染等技術(shù)，如何將用戶關(guān)注的時(shí)間、專(zhuān)題信息等信息通過(guò)第三維度表達(dá)出來(lái)，是三維可視化教學(xué)的重點(diǎn)。

（三）多維數(shù)據(jù)可視化

推此及彼，不僅具有時(shí)空特征，更具有應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ｎ}特征是大部分時(shí)空數(shù)據(jù)的特性，這些信息超越了三維的范圍，謂之多維數(shù)據(jù)。如何在三維可視化的基礎(chǔ)上，表達(dá)更多維度的信息，是多維數(shù)據(jù)可視化的教學(xué)重點(diǎn)。真實(shí)的地理空間是三維立體的空間，在多維數(shù)據(jù)的可視化教學(xué)上，要讓學(xué)生首先建立這一概念。立足于三維空間，我們可以通過(guò)顏色、亮度、對(duì)象的高度、密度等形式表達(dá)更高維度的信息，但是更多的，人的視覺(jué)感知和形象思維也會(huì)受到三維空間的束縛。所以，很少有一種數(shù)據(jù)可視化方法能夠完整的建立數(shù)據(jù)多維度信息的映射機(jī)制，需要采用一定的視圖轉(zhuǎn)換技術(shù)建立一部分維度信息的關(guān)聯(lián)，而舍棄一部分相對(duì)不重要的信息。這當(dāng)中包含了兩個(gè)層次的問(wèn)題：①數(shù)據(jù)的降維處理；②多維信息關(guān)聯(lián)與表達(dá)。

關(guān)于數(shù)據(jù)降維，首先應(yīng)該讓學(xué)生明確，過(guò)于追求數(shù)據(jù)表達(dá)的高維度，極有可能會(huì)南轅北轍，背離可視化表達(dá)的初衷。要讓學(xué)生理解數(shù)據(jù)降維的重要性，并系統(tǒng)地介紹降維的技術(shù)方法，如四叉樹(shù)映射圖法、體素化法、HyperSlice法等方法[4]，這些在地理空間數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域應(yīng)用較多的降維方法是教學(xué)的要點(diǎn)之一。

關(guān)于多維信息的關(guān)聯(lián)與表達(dá)，首先應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生掌握多維數(shù)據(jù)映射的關(guān)鍵技術(shù)——視圖轉(zhuǎn)換技術(shù)，如交互式投影、視點(diǎn)控制、魔術(shù)眼等[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)象多維信息的關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，講授多維信息表達(dá)的通用方法，特別是在地理空間數(shù)據(jù)表達(dá)領(lǐng)域使用較多的散點(diǎn)圖矩陣、雷達(dá)圖、平行坐標(biāo)技術(shù)和層次化技術(shù)等，使學(xué)生有能力綜合應(yīng)用多種技術(shù)手段達(dá)到多維信息擴(kuò)展表達(dá)的目標(biāo)。

最后，在教學(xué)中一定要讓學(xué)生理解，二維、三維和多維數(shù)據(jù)可視化方法并不是彼此割裂的，在現(xiàn)實(shí)的GIS可視化應(yīng)用中，往往是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。如地圖、二維統(tǒng)計(jì)圖和多維圖表并用的方式是GIS可視化的熱點(diǎn)，多種形式的圖、表等通過(guò)關(guān)聯(lián)更新技術(shù)互相關(guān)聯(lián)，更好地服務(wù)于GIS用戶。

三、多種教學(xué)方法的綜合應(yīng)用

（一）引入案例教學(xué)法

案例教學(xué)能幫助學(xué)生更好地理解二維、三維到多維可視化的技術(shù)特點(diǎn)和差異。一方面，將國(guó)內(nèi)外在可視化領(lǐng)域，特別是時(shí)空數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域有影響力的成功案例引入到教學(xué)當(dāng)中，讓學(xué)生了解GIS可視化應(yīng)用的最新進(jìn)展。另外一方面，選取特定的應(yīng)用領(lǐng)域案例，如氣象、國(guó)土、水文、林業(yè)、交通、人口、城市規(guī)劃等，面向領(lǐng)域時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化需求設(shè)計(jì)教學(xué)案例，讓學(xué)生體驗(yàn)從二維、三維到多維的可視化表達(dá)在信息細(xì)節(jié)的表達(dá)視角、豐富程度、美觀度等方面不同的效果，以及與之相應(yīng)的這些可視化方法對(duì)于領(lǐng)域信息的表達(dá)、分析乃至決策的不同層面的支持作用。

（二）設(shè)計(jì)豐富的實(shí)踐環(huán)節(jié)

通過(guò)可視化案例可以讓學(xué)生了解GIS可視化巨大的應(yīng)用價(jià)值，但同時(shí)，更要著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)可視化方法和工具的掌握和應(yīng)用能力，這需要有可視化實(shí)踐環(huán)節(jié)與之相配套。在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，引入新技術(shù)，讓學(xué)生能夠掌握最新的知識(shí)非常重要。如引入大數(shù)據(jù)可視化與分析領(lǐng)域大熱的R語(yǔ)言為實(shí)踐工具，結(jié)合GIS可視化的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生了解R可用于GIS可視化的重要類(lèi)包，如maptools、rgdal、ggplot2、ggmap、recharts等。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以選取其中1-2個(gè)包作為重點(diǎn)，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐體會(huì)同一組數(shù)據(jù)采用不同的可視化方案，在可視化效果和輔助分析上的差異。

（三）鼓勵(lì)學(xué)生課外擴(kuò)展學(xué)習(xí)

數(shù)據(jù)可視化是大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，大量新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，要讓學(xué)生在GIS可視化領(lǐng)域的知識(shí)保持最新，必須鼓勵(lì)學(xué)生在課外堅(jiān)持?jǐn)U展學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生通過(guò)資料檢索、文獻(xiàn)閱讀、網(wǎng)絡(luò)搜索等不同形式獲取了大量新知識(shí)之后，可以通過(guò)課堂報(bào)告、小組討論等形式，與同學(xué)共享新知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)課外的拓展學(xué)習(xí)，一方面可以拓展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)好的學(xué)習(xí)習(xí)慣；又能夠通過(guò)擴(kuò)展學(xué)習(xí)，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生在GIS可視化方面的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，從而促進(jìn)課程學(xué)習(xí)。

四、結(jié)論

本文針對(duì)GIS可視化技術(shù)的教學(xué)問(wèn)題，明確了GIS可視化對(duì)象，并圍繞可視化對(duì)象對(duì)GIS中所涉及的二維、三維和多維數(shù)據(jù)可視化的教學(xué)內(nèi)容及其重難點(diǎn)進(jìn)行了探討。為了達(dá)到理想的教學(xué)效果，探索并提出了綜合應(yīng)用案例教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課外擴(kuò)展學(xué)習(xí)等多種方法的教學(xué)思路，讓學(xué)生從理論到實(shí)踐、逐步理解和掌握可視化技術(shù)方法，了解技術(shù)方法之間的關(guān)聯(lián)，達(dá)到從理解到應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，獲得理想的教學(xué)效果。

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作者簡(jiǎn)介：

張文（1980-），湖北十堰人，博士研究生，武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院講師，主要從事GIS相關(guān)的教育教學(xué)研究。endprint