黃耀裔,蘇建云，楊琳珩

(泉州師范學院 資源與環(huán)境科學學院 福建 泉州 362000)

基于MAPGIS的地理信息系統(tǒng)課程實驗設計

黃耀裔,蘇建云，楊琳珩

(泉州師范學院 資源與環(huán)境科學學院 福建 泉州 362000)

根據(jù)地理信息系統(tǒng)課程的特點，利用MAPGIS軟件設計地理信息系統(tǒng)課程實驗教學項目，給出了每個實驗設計的主要內(nèi)容及使用到的MAPGIS軟件功能，并對其中的地理信息空間分析實驗作了詳細說明。該實驗設計將有助于學生理解地理信息系統(tǒng)理論知識，掌握實踐操作能力，提高利用地理信息系統(tǒng)軟件解決實際問題的能力。

地理信息系統(tǒng)；MAPGIS軟件；實驗設計

地理信息系統(tǒng) (geographic information system，GIS)是一門集計算機科學、地理學、測繪學、環(huán)境科學、城市科學等為一體的新興邊緣學科。它為采集、量測、存儲、分析、顯示、傳播和應用空間數(shù)據(jù)提供了計算機手段[1-2]，在國外已經(jīng)處于蓬勃發(fā)展的階段。隨著GIS在各行各業(yè)的普及和軟件技術的成熟，對GIS方面的人才需求正連年增長。在這樣的環(huán)境中，國內(nèi)許多高校都開始培養(yǎng)地理信息系統(tǒng)專業(yè)人才，同時，許多非GIS專業(yè)也開設了GIS課程：GIS課程已成為各高等院校相關專業(yè)的重要專業(yè)課之一。GIS理論性與實踐性都非常強，并且具有綜合多門學科的特點，因此GIS的教學方式、方法具有一定的特殊性[3]。泉州師范學院的地理科學、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃、景觀設計等非GIS專業(yè)均開設此課程。根據(jù)學院以往各個專業(yè)GIS課程的教學實踐及經(jīng)驗，參照其他高校對此門課程實驗開設情況及軟件使用情況，本文針對實驗學時占比較少的情況，按照“基礎性、綜合性、設計性”的實驗要求對實驗項目進行重新設置，讓各個實驗項目前后連貫，下一個實驗項目銜接上一個實驗結果，有利于學生熟練掌握整個GIS從數(shù)據(jù)采集到應用分析的流程。通過實驗項目的改革創(chuàng)新，力圖培養(yǎng)學生更好地掌握GIS理論知識以及觀察、分析、解決實際行業(yè)問題的綜合能力，促進實驗課程教學質(zhì)量的提高。

由于地理信息系統(tǒng)課程具有多學科交叉與多技術手段集成等特點，課程的信息量大、內(nèi)容多、涉及學科領域廣泛。同時，作為一門理論性較強的學科，傳統(tǒng)的教學手段難以使學生理解抽象的概念，因此開展教學改革特別是革新實驗教學，以加深學生對抽象概念的理解，提高學習的興趣具有重要意義[3]。

在綜合考慮目前國內(nèi)外的ArcGIS、GeoMedia、MapInfo、Geostar、XGIS、AutoDesk Map、Bently Geographic、SuperMap等各款軟件的基礎上，決定采用武漢中地數(shù)碼有限公司自主開發(fā)的MAPGIS軟件作為該門課的實驗教學平臺。力圖通過基于MAPGIS軟件的GIS課程的實驗設計將相關的理論、算法、過程和結果等可視化地顯示與表達，為學生理解課堂所學理論提供極大的方便；通過實驗為學生今后使用MAPGIS或其他同類GIS軟件進行生產(chǎn)應用分析和設計打下技能基礎。

1 基于MAPGIS的GIS課程實驗設計方案

MAPGIS 6.7主要通過輸入子系統(tǒng)、圖形編輯子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)、空間分析子系統(tǒng)、庫管理子系統(tǒng)、實用服務子系統(tǒng)來管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[4]。根據(jù)GIS課程的教學內(nèi)容，結合MAPGIS軟件功能，根據(jù)課程學時設計7個實驗項目。以下對實驗項目逐一加以說明，闡述實驗過程中軟件的各種功能。

1.1 空間數(shù)據(jù)采集基礎準備實驗

地理空間信息中的圖形矢量數(shù)據(jù)是GIS作為空間信息系統(tǒng)的主要特征，也是GIS的重要數(shù)據(jù)類型，是學習GIS課程的首要解決問題，是基礎中的基礎。而矢量數(shù)據(jù)通常通過柵格數(shù)據(jù)(或者遙感數(shù)據(jù))矢量采集而來，因此對柵格數(shù)據(jù)的配準校正是矢量數(shù)據(jù)采集準確的基礎保證[4]。本實驗設計的目的是讓學生掌握如何對通過掃描的地圖矢量化進行配準校正。

實驗簡要步驟：單擊“文件”菜單下的“打開影像”命令，打開待校正的非標準影像-單擊“鑲嵌融合”菜單下“打開參照文件/參照線文件”命令—單擊“鑲嵌融合”菜單下“刪除所有控制點”命令—單擊“鑲嵌融合”菜單下“添加控制點”命令，依次添加至少四個控制點—分別單擊左邊影像內(nèi)一點和右邊線文件中相應的點，并分別按“空格鍵”確認，系統(tǒng)會彈出提示對話框，單擊“是”按鈕，系統(tǒng)會自動添加一控制點—單擊“鑲嵌融合”菜單下“校正預覽”命令—單擊“鑲嵌融合”菜單下“影像校正”命令，并保存校正結果。柵格影像校正界面如圖1所示。

1.2 空間數(shù)據(jù)點、線矢量采集實驗

通過本實驗讓學生加深對地圖矢量數(shù)據(jù)類型、生成方法等的認識。此實驗要求學生理解文件和層概念的區(qū)別以及鍛煉學生在矢量實驗的過程中認真、嚴謹、細致的作風。筆者認為MAPGIS軟件在數(shù)據(jù)采集方面比國內(nèi)外同類GIS軟件更加方便快捷。

實驗簡要步驟：單擊“輸入編輯”子系統(tǒng)，建立一個新的系統(tǒng)工程文件—單擊“矢量化”菜單下的“裝入光柵文件”命令，裝入待矢量化的光柵文件—根據(jù)光柵文件的相關信息在TOC面板上右擊分別建立各種(點、線)要素子文件。在采集的同時結合F5(放大)、F6(平移)、F7(縮小)、F8(加點)、F9(退點)、F10(反向)、F12(捕捉)功能鍵進行矢量數(shù)據(jù)的采集，提高采集的效率[4]。

圖1 柵格影像校正界面

1.3 空間數(shù)據(jù)拓撲處理及區(qū)數(shù)據(jù)矢量化實驗

在GIS軟件中，拓撲是一個重要的概念，并且也比較抽象，拓撲的主要意義在于保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。拓撲在空間數(shù)據(jù)模型中表達和規(guī)定數(shù)據(jù)之間的空間關系，通過表達和規(guī)定這些空間關系，拓撲盡可能將地理數(shù)據(jù)與現(xiàn)實世界保持一致。拓撲是精準地表達空間數(shù)據(jù)的有效方法，通過嚴格地約束要素之間的關系，提高了空間數(shù)據(jù)的準確度和可用性[5]。由于在理論課上學生較難理解此抽象概念，因此，設計此實驗就在于讓學生從直觀的計算機界面中理解拓撲的含義。

在MAPGIS軟件中拓撲步驟為：數(shù)據(jù)準備—自動剪斷線—清除重疊坐標及自相交—清除微短線—自動結點平差—線轉弧段—關閉線文件或清除線工作區(qū)—裝入轉換后的弧段文件—拓撲查錯—拓撲重建—弧段轉線。

1.4 空間信息屬性庫構建與屬性采集實驗

屬性數(shù)據(jù)作為空間圖形數(shù)據(jù)的屬性特征，在地理模型運算中起著重要作用，是空間分析的基礎和依據(jù)，通常以二維關系數(shù)據(jù)庫的表格形式存在，每一空間對象實體都對應各自的屬性表格，屬性表格中通常有字符、數(shù)字等類型的屬性字段。本實驗的目的是讓學生認識空間信息屬性數(shù)據(jù)，掌握對空間數(shù)據(jù)進行屬性采集、屬性編輯及屬性同空間數(shù)據(jù)的連接方法。

實驗步驟：利用MAPGIS軟件屬性信息采集的兩種方式建立地理對象實體屬性表、屬性表編輯修改與實體對象屬性的連接。1)單擊“輸入編輯”子系統(tǒng)—添加矢量數(shù)據(jù)并處于可編輯狀態(tài)—右擊選擇“修改屬性結構”進行屬性表的構建，如圖2所示，單擊“修改屬性”進行屬性信息的采集。2)單擊“庫管理”子系統(tǒng)—屬性庫管理—裝入相對應的矢量文件—單擊“結構”中的“編輯屬性結構” 進行屬性表的構建—單擊“屬性”中的編輯“屬性結構” 進行屬性信息的采集。

圖2 編輯屬性結構對話框

1.5 空間數(shù)據(jù)地圖庫建設與應用實驗

采集的數(shù)據(jù)大多屬于表面數(shù)據(jù)結構或單個的數(shù)據(jù)文件。這種數(shù)據(jù)結構缺少空間數(shù)據(jù)聯(lián)系，未能進一步提供數(shù)據(jù)分析與評價，構建地圖數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)獲取的過程中，用于存儲和管理地圖信息；在數(shù)據(jù)處理的過程中，可以提供大圖的查詢；在檢索和輸出的過程中，是形成繪圖文件或各類地理數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)元[6]。其實驗內(nèi)容：新建一個圖庫類型—設置圖庫層類結構—錄入層類數(shù)據(jù)—保存地圖庫。

1.6 空間數(shù)據(jù)緩沖、疊置、網(wǎng)絡分析實驗

強大的地理信息空間分析功能是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他計算機信息系統(tǒng)的首要特征，也是地理信息系統(tǒng)的主要功能特征。利用空間分析功能，對地理信息的空間數(shù)據(jù)進行實驗和演算，可以得到新的地理模型與地理知識經(jīng)驗，形成指導地理行為的決策依據(jù)。它是地理信息系統(tǒng)的核心和關鍵，在教學實踐中是教學重點，同時也是教學難點。針對該難點和重點，利用MAPGIS軟件，我們將地理信息空間分析實驗分解為緩沖區(qū)分析、疊加分析、數(shù)字地面模型(digital terrain model，DTM)和網(wǎng)絡分析4個子實驗。

1.6.1 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是研究數(shù)據(jù)庫的點、線、面地理實體，自動建立其周圍一定寬度范圍內(nèi)的緩沖多邊形，實現(xiàn)空間地理數(shù)據(jù)在水平方向擴展的信息分析方法[7]，如圖3所示。本實驗的目的:理解掌握空間信息緩沖區(qū)分析的基本原理和方法；熟練掌握MAPGIS緩沖區(qū)分析的技術方法；能夠利用緩沖區(qū)分析方法解決地學空間分析問題。實驗內(nèi)容包括：緩沖半徑的設置，點、線、面數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)原理驗證分析，緩沖區(qū)分析的實際地理應用。

圖3 緩沖分析

1.6.2 疊加分析

地理信息中的疊加分析是將有關地理專題要素層進行疊加產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)層的過程，包括柵格數(shù)據(jù)的信息復合分析與矢量數(shù)據(jù)的疊加分析，如圖4所示。實驗目的：理解掌握疊加分析的基本原理和方法；熟練掌握MAPGIS中疊加分析的方法，包括點、線、面的合并、相剪、相交、判別的分析；使用疊加方法處理地學實際問題。

圖4 疊加分析

1.6.3 DTM分析

數(shù)字地面模型是對地形地貌的一種離散的數(shù)字表示，是對地表地形進行描述的一種數(shù)學方法表達[8]，如圖5所示。DTM分析是地形學領域較為普及的應用。本實驗的目的；讓學生理解DTM建立過程的原理方法；掌握MAPGIS中進行DTM分析的技術，并能解決地理實際問題；同時可以觸類旁通地掌握不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network，TIN)分析。

圖5 DTM分析

1.6.4 網(wǎng)絡分析

網(wǎng)絡分析基于地理空間矢量數(shù)據(jù)，主要進行最佳路徑選擇、地址匹配、資源分配等[9]。實驗目的：理解網(wǎng)絡分析的基本原理和方法；熟練掌握MAPGIS中的網(wǎng)絡分析方法，并能夠處理地理實際問題。

具體實驗步驟：單擊“空間分析”子系統(tǒng)中的“網(wǎng)絡分析”—裝入網(wǎng)文件—進行最短路徑、最優(yōu)路徑等分析；如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡分析

1.7 專題圖的制作及輸出實驗

本實驗是對前幾個實驗的總結和綜合，通過前幾個實驗，學生自己親手排版制作一張專題地圖。專題地圖是實驗成果的直觀表現(xiàn)。實驗目的：掌握專題地圖制圖的一般方法和步驟；加深掌握數(shù)字化、圖形編輯、色彩搭配等制圖要領。

實驗內(nèi)容：實驗底圖專題要素選擇、數(shù)字化、編輯、專題要素圖例符號化、圖例編輯修訂、地圖整飾等。

2 結束語

對地理信息系統(tǒng)實驗項目進行設計，要求學生在學習理論知識的基礎上學習GIS相關軟件，以MAPGIS6.7進行課程實驗設計，設計的7個實驗項目涵蓋了GIS課程大部分的理論知識。通過老師的演示和學生單獨上機實踐，力圖幫助非GIS專業(yè)的學生理解和掌握GIS課程的內(nèi)容，并且能夠?qū)IS結合到自己的專業(yè)中去。此次實驗教學改革在相關專業(yè)進行試點，取得較好的實驗效果，少數(shù)優(yōu)秀學生畢業(yè)后直接被相關部門錄用，為GIS在政府部門的推廣應用做出貢獻。今后將繼續(xù)根據(jù)地理信息行業(yè)和軟件業(yè)的發(fā)展不斷地改進和完善。

[1]龔健雅．地理信息系統(tǒng)基礎[M]．北京：科學出版社，2001：37-51.

[2]王春，李鵬．地理信息系統(tǒng)概論實驗教學改革探索[J].滁州學院學報，2009，11( 2)：100 - 102．

[3]程先富，呂成文，吳慶雙．地理信息系統(tǒng)課程雙語教學的實踐與思考[J].實驗科學與技術， 2009，7 ( 6)：106 - 107．

[4]吳信才．MAPGIS地理信息系統(tǒng)使用手冊(數(shù)字制圖篇)[Z].武漢：武漢中地信息工程有限公司，2001．

[5]田雨，鄭文華，盧秀山，等．地理信息系統(tǒng)GIS課程實驗教學體系改革[J].實驗室研究與探索，2006，25(6)：1246-1248．

[6] Kang Tsung.地理信息系統(tǒng)導論[M].7版.陳健飛，連蓮，譯．北京：科學出版社，2014：112-130．

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Geographic Information Systems Course Experimental Design Based on Software of MAPGIS

HUANG Yaoyi，SU Jianyun，YANG Linheng

(College of Resources and Environment Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China)

According to the characteristics of geographic information systems courses using MAPGIS software design, Geographic Information Systems course of experimental teaching project gives the main content of each experimental design and the use to which MAPGIS software features, and one of the geographic information spatial analysis experiments explained in detail.This experimental design will help students understand the theoretical knowledge of geographic information systems and master the practical ability to learn the use of geographic information system software to solve practical problems.

geographic information system; MAPGIS software; experimental design

2014-09-28；修改日期:2014-10-20

福建省創(chuàng)新實驗項目(201410399032)。

黃耀裔(1983-)，男，碩士，實驗師，主要從事環(huán)境信息系統(tǒng)開發(fā)與實驗室管理工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.022