開源技術(shù)在高校WebGIS課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

邢華橋，于明洋，孟 飛，仇培元，劉建濤

（1.山東建筑大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院，山東 濟南 250101；2.山東建筑大學(xué) 遙感與GIS研究中心，山東 濟南 250101）

WebGIS是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物，是GIS學(xué)科的重要分支與熱點研究方向[1]。顧名思義，WebGIS=Web+GIS，其涉及GIS原理、空間數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計算機語言等相關(guān)理論與方法，是一門綜合性、交叉性、系統(tǒng)性很強的學(xué)科。與傳統(tǒng)GIS相比，WebGIS改變了地理信息獲取、傳輸、發(fā)布、共享的方式，使用戶能在網(wǎng)絡(luò)上進行空間數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、空間分析，甚至可在線處理與計算。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算、新一代寬帶無線通信5G等計算機新興技術(shù)的出現(xiàn)，WebGIS得到了快速發(fā)展，這些先進的工具和手段使GIS走向了網(wǎng)絡(luò)化、智能化、個性化的發(fā)展道路[2]。隨著WebGIS的快速發(fā)展與深入應(yīng)用，其對本科人才培養(yǎng)與就業(yè)的作用越來越突出，許多高等學(xué)校都開設(shè)了WebGIS相關(guān)課程，并將其設(shè)置成為必修課或?qū)I(yè)限選課[3]。

在WebGIS課程教學(xué)中，教學(xué)軟件的選擇和使用非常關(guān)鍵。目前，WebGIS課程的教學(xué)軟件可分為以ArcGIS、SuperMap等為代表的商業(yè)軟件和開源GIS軟件兩類。開源軟件具有免費、開放、共享等特點，將其應(yīng)用于課程教學(xué)中有助于學(xué)生了解技術(shù)的實現(xiàn)細節(jié)，跟蹤技術(shù)的發(fā)展前沿，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。近年來，高校教學(xué)中使用開源軟件越來越普遍。本文結(jié)合WebGIS課程的特點與開源GIS的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了開源軟件或技術(shù)應(yīng)用在WebGIS教學(xué)中的可能性和必要性，并以山東建筑大學(xué)為例，探討了基于開源GIS技術(shù)的WebGIS課程教學(xué)實踐。

1 WebGIS課程的特點

從本質(zhì)上看，WebGIS是運行在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的GIS，利用計算機網(wǎng)絡(luò)的軟硬件資源增強地理數(shù)據(jù)、信息的共享與協(xié)同處理能力，擺脫了對傳統(tǒng)桌面端GIS軟件的依賴，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如IE、Google Chrome等）對數(shù)據(jù)進行處理，專業(yè)和非專業(yè)用戶均可通過簡單的操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、專題圖制圖、空間分析、在線處理等空間數(shù)據(jù)操作，并能借助于分布式計算、云計算等技術(shù)提高空間數(shù)據(jù)的處理效率[4-5]。通過對WebGIS內(nèi)涵的解析可知，WebGIS課程具有理論知識涉及廣、實踐能力要求高、技術(shù)更新速度快等特點。

1）理論知識涉及廣。WebGIS課程融合了計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)GIS的數(shù)據(jù)組織與管理、Web頁面編程、WebGIS的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)等方面的技術(shù)與知識。學(xué)習(xí)WebGIS課程前，學(xué)生需要具備一定的計算機原理、網(wǎng)頁編程、GIS原理等理論知識基礎(chǔ)[6]。因此，高校WebGIS課程最好安排在大學(xué)后半時段，以山東建筑大學(xué)為例，地理信息科學(xué)專業(yè)開設(shè)的《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計與實現(xiàn)》課程安排在大三下學(xué)期，在學(xué)習(xí)WebGIS之前，學(xué)生已主修或選修過《GIS原理》《GIS空間分析》《空間數(shù)據(jù)庫》《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計》《計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》《計算機圖形學(xué)》《Java語言程序設(shè)計》和《Python程序設(shè)計》等GIS理論、計算機編程語言課程，具備了一定的編程技巧與GIS理論知識，能較輕松地理解WebGIS理論與方法，進而著手WebGIS系統(tǒng)開發(fā)。

2）實踐能力要求高。與其他GIS開發(fā)課程類似，WebGIS課程對學(xué)生的實踐能力要求非常高，學(xué)生不僅需要理解和掌握WebGIS相關(guān)理論知識，更需要通過上機實驗課和業(yè)余時間多動手編寫與調(diào)試代碼，練習(xí)WebGIS系統(tǒng)設(shè)計，并利用主流的WebGIS技術(shù)體系進行系統(tǒng)搭建研發(fā)，以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的在線發(fā)布、訪問與調(diào)用。為了更好地提高學(xué)生的實踐能力，應(yīng)鼓勵學(xué)生積極參與實際的WebGIS開發(fā)項目。目前，超圖、ESRI、中地數(shù)碼等GIS公司每年都會組織全國高校WebGIS開發(fā)比賽，如SuperMap杯全國高校GIS大賽Web開發(fā)組比賽，這些比賽為鍛煉學(xué)生的開發(fā)能力提供了良好的契機[7]，學(xué)生應(yīng)積極參與其中，將課程所學(xué)知識結(jié)合實際問題進行WebGIS系統(tǒng)開發(fā)，達到以賽代學(xué)、學(xué)以致用的目的。

3）技術(shù)更新速度快。WebGIS是一門與計算機技術(shù)結(jié)合非常緊密的典型交叉型學(xué)科。近年來，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算、邊緣計算等IT技術(shù)的飛速發(fā)展，WebGIS的應(yīng)用技術(shù)與軟件在編程語言、開發(fā)架構(gòu)等方面更新迅猛，如ArcGIS已更新到10.7版本，新增了Notebook Sever、Excalibur等產(chǎn)品。目前，在WebGIS課程教學(xué)中多采用商業(yè)的GIS軟件。商業(yè)軟件一般經(jīng)歷了市場檢驗，具有很好的用戶體驗感和穩(wěn)定性，但其一般價格不菲，高校購買一組軟件產(chǎn)品，難以頻繁更新，學(xué)生并不能體驗融入最新開發(fā)技術(shù)的高版本GIS軟件，導(dǎo)致WebGIS課程的實驗教學(xué)常出現(xiàn)軟件平臺滯后的現(xiàn)象。然而，開源GIS技術(shù)更新速度快，融入新技術(shù)的能力強，能有效激發(fā)學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新思維，如地圖前端開發(fā)語言O(shè)penlayers每年更新多次，最新版本的Openlayers V6.5.0能使用不同的渲染器類型組成層，并對矢量切片（vector tile）進行了渲染改進，使其具有較低的內(nèi)存占用。同時，開源GIS技術(shù)無額外花銷，其開放性特別適用于高校教學(xué)和科研。

2 開源GIS技術(shù)的發(fā)展

開源軟件是指軟件開發(fā)者以某種協(xié)議發(fā)布、共享某些軟件的源代碼，并允許他人在遵守協(xié)議的基礎(chǔ)上自由下載、修改、使用和散布其源代碼[8-9]。開源GIS，即開放源代碼的GIS軟件或技術(shù)。為了實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與信息的共享和互操作，OGC協(xié)會提出了開放的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范OpenGIS，致力于提供公共開放的標(biāo)準與接口，使不同的地理信息提供商能夠無縫鏈接。最具代表性的是OGC頒布的WMS、WFS、WCS、WPS等一系列地理信息服務(wù)標(biāo)準。依托于這些服務(wù)規(guī)范，任何組織和個人均可發(fā)布地理信息服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與互操作。

開源GIS的設(shè)計思想通常來源于OpenGIS。開源GIS軟件從技術(shù)語言的角度，可分為.NET派系、C派系、Java派系、腳本派系以及其他派系；從應(yīng)用類別的角度，可分為桌面軟件、分析工具、三維虛擬地球、開源數(shù)據(jù)庫、地圖服務(wù)器和GIS工具函數(shù)庫等。在實際應(yīng)用中，可從功能類別、技術(shù)實現(xiàn)、開發(fā)應(yīng)用環(huán)境和成熟度等方面選擇相應(yīng)的開源GIS技術(shù)或軟件。典型的開源GIS軟件或技術(shù)如表1所示。

表1 開源GIS軟件與技術(shù)類別及其典型代表

3 基于開源技術(shù)的WebGIS教學(xué)實踐

WebGIS領(lǐng)域已經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展與變革，成熟度較高的開源技術(shù)路線為“Openlayers+GeoServer+PostGIS”的3層體系架構(gòu)，如圖1所示。非空間數(shù)據(jù)（如用戶信息數(shù)據(jù)）存儲在PostgreSQL，矢量數(shù)據(jù)存儲在PostGIS，遙感影像等柵格數(shù)據(jù)以文件系統(tǒng)的形式組織和存儲。矢量、柵格數(shù)據(jù)均可通過GeoServer服務(wù)發(fā)布軟件發(fā)布為OGC標(biāo)準的WMS、WFS、WMTS等Web服務(wù)?？蛻舳瞬捎谩癏TML+CSS+jQuery+Openlayers”的模式進行研發(fā)，除了能直接加載本地服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)外，還能接入谷歌地圖、天地圖、地表覆蓋地圖等商業(yè)地圖服務(wù)。客戶端頁面通過Web服務(wù)器（如IIS、Apache等）進行部署與發(fā)布，形成最終的服務(wù)平臺。

圖1 基于“Openlayers+GeoServer+PostGIS”的WebGIS開源技術(shù)架構(gòu)

以山東建筑大學(xué)地理信息科學(xué)專業(yè)為例，在大三下學(xué)期設(shè)置《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計與實現(xiàn)》教學(xué)課程，在大三學(xué)期末設(shè)置《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計與實現(xiàn)》課程設(shè)計，詳細教學(xué)設(shè)計如表2所示。在教學(xué)課程中，主要講授開源GIS技術(shù)理論、網(wǎng)頁編程技術(shù)、Openlayers+GeoServer+PostGIS技術(shù)體系等內(nèi)容，以基本知識點為教學(xué)單元，理論課與上機實驗課交叉進行，鼓勵學(xué)生勤動手編寫代碼。在課程設(shè)計中，主要讓學(xué)生利用所學(xué)的開源GIS知識設(shè)計并開發(fā)一個WebGIS系統(tǒng)。

表2 山東建筑大學(xué)《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計與實現(xiàn)》課程教學(xué)設(shè)計

在WebGIS課程教學(xué)中，采用的教學(xué)方法主要包括案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法和項目驅(qū)動教學(xué)法，3種方法層層遞進、難度逐漸增大。其中，案例教學(xué)法是在課堂上以教師提前設(shè)計好的具體案例為內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更形象，如在講授開源GIS理論時，可將涉及的頁面編程、GIS開發(fā)等技術(shù)形成一個完整的WebGIS小型系統(tǒng)，再針對該系統(tǒng)展開講解；任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是給學(xué)生布置具體的編程任務(wù)或作業(yè)，針對學(xué)生的完成情況展開講解，如編寫一個簡單的Web頁面，并完成常規(guī)的人機交互；項目驅(qū)動教學(xué)法是指以實際項目為指導(dǎo)，讓學(xué)生真正參與到實際項目的設(shè)計與開發(fā)過程中，該方法對學(xué)生的要求較高，需具備一定的理論知識和實際編程經(jīng)驗，如在《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計與實現(xiàn)》課程設(shè)計中，將學(xué)生分組，不同小組選取不同的WebGIS開發(fā)題目，利用一周時間進行小型WebGIS系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)完成項目要求。

4 結(jié)語

WebGIS課程是GIS教學(xué)體系中非常重要的理論與應(yīng)用型課程，對于學(xué)生開發(fā)實踐能力的培養(yǎng)與提升非常關(guān)鍵，深刻影響著學(xué)生未來的就業(yè)與深造。WebGIS課程具有理論知識涉及面廣、動手能力要求高、技術(shù)更新速度快等特點，傳統(tǒng)的填鴨式、灌輸式等教育模式難以產(chǎn)生高質(zhì)量的教學(xué)效果。本文通過分析WebGIS課程的特點以及開源GIS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了開源GIS在WebGIS課程教學(xué)中的實踐應(yīng)用，為WebGIS課程教學(xué)提供了一種新思路。

為了更好地教授WebGIS課程，首先需重視理論與實踐相結(jié)合的課程教學(xué)體系建設(shè)，避免“重理論講解、輕動手實踐”的教學(xué)思想，適當(dāng)增加上機實驗學(xué)時，結(jié)合實際應(yīng)用開發(fā)案例開展教學(xué)工作；其次需轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)紙質(zhì)試卷對基礎(chǔ)理論的考試模式，豐富課程考核形式，如增加開放式開發(fā)實驗選題，以2～4人為小組共同實現(xiàn)小型實驗系統(tǒng)的開發(fā)，并采用現(xiàn)場答辯的方式考查學(xué)生對WebGIS技術(shù)的掌握程度；最后教師也應(yīng)積極不斷地投身新知識、新技術(shù)的學(xué)習(xí)中，拓寬自己的知識面，結(jié)合科研工作和WebGIS工程研發(fā)經(jīng)驗，真正地使教學(xué)與研究相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動性，提升WebGIS的教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識，進一步滿足社會和企業(yè)對GIS應(yīng)用型人才的需求。