應(yīng) 申，翁 敏，王明軍

（武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079）

計算機圖形學(xué)是隨著計算機和信息化的發(fā)展而崛起的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，研究如何在計算機中表示、計算、處理和顯示圖形的相關(guān)原理、方法和技術(shù)［1－2］，其主要涉及圖形硬件設(shè)備、圖形繪制算法和圖形系統(tǒng)、交互技術(shù)、幾何變換以及真實感圖形生成等內(nèi)容。其內(nèi)容確立了計算機圖形學(xué)為眾多信息相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程地位，如荷蘭代爾夫特理工大學(xué)為工程相關(guān)專業(yè)開始本課程［3］。地理信息系統(tǒng)專業(yè)主要系統(tǒng)地提供從多維地理空間信息獲取與處理、存儲與管理、分析與查詢、到信息開發(fā)與應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)的基本理論知識、方法和技能；該專業(yè)的特征集中體現(xiàn)在地理信息系統(tǒng)（Geographic Infor mation System，GIS）上。海量的點、線、面圖形繪制和縮放、漫游操作，是目前GIS圖形系統(tǒng)的主要特征。自地理信息科學(xué)專業(yè)設(shè)置以來，作為專業(yè)必修的計算機圖形學(xué)課程，在教學(xué)中，普遍存在如下幾個問題，如重計算機圖形學(xué)的基本算法和理論、輕專業(yè)結(jié)合，進(jìn)而存在實習(xí)實踐不足、學(xué)習(xí)期望和教學(xué)效果之間的差距較大等問題。GIS專業(yè)具有較強的實踐應(yīng)用性［4］，相關(guān)課程設(shè)置時應(yīng)充分考慮到本專業(yè)的特點［4－5］，采用適宜的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法［6－10］。本文針對GIS專業(yè)內(nèi)容和特征論述計算機圖形學(xué)課程的教學(xué)過程，以內(nèi)容為導(dǎo)向，增強學(xué)生對計算機圖形學(xué)和GIS的認(rèn)知。

1 計算機圖形學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與GIS專業(yè)的緊密結(jié)合

計算機圖形學(xué)和GIS都是以計算機為依托，利用計算機的高效計算分析性能實施應(yīng)用并完善和發(fā)展自身。計算機圖形學(xué)為GIS提供圖形基礎(chǔ)，同時GIS豐富和擴展了計算機圖形學(xué)的應(yīng)用。

1．1 計算機圖形學(xué)與GIS教學(xué)內(nèi)容的融合

計算機圖形學(xué)的內(nèi)容與GIS有緊密聯(lián)系，在教學(xué)中要有效的抓住兩者的結(jié)合點，有意識有目標(biāo)地教學(xué)，下面列舉幾點兩者的關(guān)聯(lián)部分，并以硬件發(fā)展和基本圖形算法進(jìn)行詳解：

1）講解計算機圖形學(xué)課程中的圖形設(shè)備、圖形標(biāo)志和交互技術(shù)時 有目的的介紹GIS掃描儀 繪圖儀等設(shè)備，GIS軟件開發(fā)和圖形開發(fā)遵從的圖形標(biāo)準(zhǔn)，虛擬現(xiàn)實以及移動GIS等，充分利用和綜合現(xiàn)有的圖形交互技術(shù)。

2）講解計算機圖形學(xué)課程中的曲線、曲面以及幾何造型的內(nèi)容時，充分結(jié)合GIS中的二維和三維模型構(gòu)建需要曲線、曲面的支持和建模。

3）講解計算機圖形學(xué)中的裁剪、二維和三維圖形變換，密切結(jié)合GIS中圖形可視化中的窗口視口變換、坐標(biāo)變換、空間操作、基本的縮放漫游以及地圖投影等，將理論與應(yīng)用有效的結(jié)合。

4）消隱和真實感圖形繪制是GIS中地形可視化、虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)。

5）圖形學(xué)界面和接口設(shè)計中的回退機制、反饋機制等也是GIS軟件應(yīng)具備的功能。GIS用戶進(jìn)行重繪、拾取、或定位地理目標(biāo)等操作，也需要圖形學(xué)中的繪制和拾取技術(shù)進(jìn)行支撐。

1．2 介紹與時俱進(jìn)的硬件發(fā)展和前沿應(yīng)用領(lǐng)域

結(jié)合當(dāng)前相關(guān)軟硬件發(fā)展和前沿動態(tài)及熱點，把計算機圖形學(xué)有效地和GIS應(yīng)用熱點相結(jié)合進(jìn)行講解。圖形學(xué)硬件發(fā)展領(lǐng)域的突破和變革會直接導(dǎo)致GIS領(lǐng)域的重大變革，如虛擬現(xiàn)實、移動設(shè)備，教學(xué)中也通過讓學(xué)生親身體驗三維虛擬場景、佩戴G＋眼鏡來感受可穿戴式設(shè)備，理解虛實結(jié)合和應(yīng)用。同時GIS的應(yīng)用和發(fā)展也推動計算機圖形學(xué)可視化發(fā)展，如大數(shù)據(jù)與地理空間結(jié)合，百度地圖等對軌跡展示。計算機圖形學(xué)中的圖形界面、人機交互、虛擬現(xiàn)實等廣泛地應(yīng)用到GIS中，這些技術(shù)作為多樣化的輔助手段對GIS的應(yīng)用和高效運轉(zhuǎn)提供了更多可能 清晰 簡單而美觀的圖形界面、設(shè)計合理的用戶接口，為提供了全新的用戶體驗，有效地促進(jìn)了地理信息的交流與傳播、使用和應(yīng)用，如多點觸摸和語音控制移動終端帶來電子地圖的大眾化和操作簡易化。在新的計算機圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展影響下，現(xiàn)實設(shè)備的增強和移動化、GPU／CPU的計算、內(nèi)存／顯存的存儲、全息成像等已成為計算機圖形學(xué)中軟硬結(jié)合的主要方向，這對移動互聯(lián)GIS、大數(shù)據(jù)GIS尤為重要。

1．3 融合GIS專業(yè)的計算機基本圖形算法的教學(xué)

把GIS的相關(guān)專業(yè)認(rèn)知與計算機圖形學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，讓學(xué)生意識到兩者的緊密性，一方面增強同學(xué)們對計算機圖形學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和信心，另一方面為GIS專業(yè)的學(xué)習(xí)和擴展打好堅實的基礎(chǔ)。計算機圖形學(xué)理論強，涉及面廣，發(fā)展快。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。如何在計算機中表示圖形以及利用計算機進(jìn)行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。而地理信息科學(xué)中對地理信息最基本的建模和可視化就是對地理對象的幾何表達(dá)（點、線、面）和符號化（顏色、線型、填充類型等），這是地圖符號（如高速公路）的基礎(chǔ)。計算機圖形學(xué)的基本圖形算法和技術(shù)為GIS和地圖學(xué)中的要素可視化提供著不斷的支持。如反走樣技術(shù)，由于圖形的走樣，圖形在繪制時會出現(xiàn)鋸齒，這不僅會影響地圖的美觀，更重要的還影響著地理信息表達(dá)的精度；引入反走樣技術(shù)可以完美的解決這個問題（如圖1）。

圖1 計算機圖形學(xué)的反走樣技術(shù)與GIS符號結(jié)合的教學(xué)

2 基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)方法改革

2．1 教學(xué)與實踐的深度結(jié)合

計算機圖形學(xué)課程不僅在于基本算法和原理的學(xué)習(xí)，更在于動手能力的培養(yǎng)和提高。GIS的圖形系統(tǒng)中需要大量的基本圖形（點、線、面）符號繪制、定位、漫游和縮放等，這些都與計算機圖形學(xué)的基本圖形算法和操作緊密相關(guān)。為了確保本課程和專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和效果，筆者結(jié)合專業(yè)特征，一方面選擇實踐內(nèi)容融合專業(yè)，繪制“道路”、“居民地”等地理要素，繪制基本的線、面圖形和配置屬性；另一方面，充分發(fā)揮地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生已具備的編程能力 通過學(xué)過的C語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程 進(jìn)行多環(huán)境多語言的實踐。傳統(tǒng)的計算機圖形學(xué)教學(xué)采用Tur bo C為上機實習(xí)平臺，而全新流行的可視化編程環(huán)境，對學(xué)生的吸引力更大。因此依據(jù)專業(yè)內(nèi)學(xué)習(xí)其他課程具備的知識和能力，教學(xué)中學(xué)生可根據(jù)自己對編程語言和環(huán)境的掌握來自主選擇，可采用．Net、Matlab、Visual St udio C＋＋等實施開發(fā)，實現(xiàn)基本圖形繪制和地理數(shù)據(jù)的表達(dá)。通過教學(xué)和實踐結(jié)合、計算機圖形學(xué)課程和GIS專業(yè)培養(yǎng)結(jié)合，學(xué)生的實踐能力有效提高，增強了GIS專業(yè)的技能培訓(xùn)。

2．2 充分抓住可視化主題

可視化是利用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上展示，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。可視化將不易理解的、難以直觀表達(dá)的數(shù)據(jù)用圖形圖像的形式呈現(xiàn)在人們面前，便于對數(shù)據(jù)的理解，也有利于算法的直接表達(dá)，如股市行情，能量流、物質(zhì)流。它涉及多個領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)的表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)。計算機圖形學(xué)為GIS的可視化提供理論支持，GIS是圖形可視化在地理信息領(lǐng)域的具體應(yīng)用?？梢暬贕IS中是典型的數(shù)據(jù)輸出，做到數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)變化的可視化和數(shù)據(jù)分布的可視化。

GIS雖然有著眾多的功能劃分，如數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲與組織、查詢檢索、空間分析等?；诳臻g認(rèn)知和地理學(xué)的特征，對地理信息的可視化幾乎貫穿GIS的各個環(huán)節(jié)和方面，也使得圖形可視化更為突出；此特征促使計算機圖形學(xué)的圖形算法和可視化成為GIS的一個重要內(nèi)容。GIS中的空間信息以及落地定位后的社會經(jīng)濟屬性數(shù)據(jù)的可視化和動態(tài)推演，都需要應(yīng)用計算機圖形中的可視化技術(shù)，利用計算機圖形學(xué)中的語言支持、數(shù)值分析和算法、虛擬現(xiàn)實、友好界面設(shè)計等來完成各種模擬和可視化。

2．3 多課程協(xié)調(diào)，互為補充

計算機圖形課程的內(nèi)容和GIS專業(yè)的其他相關(guān)課程具有較強的相關(guān)性，如地理空間分析基礎(chǔ)算法、空間分析、GIS原理與方法。它們在側(cè)重點上不同 但是卻整體上相互補充和增強 形成對GIS專業(yè)內(nèi)容的完整構(gòu)造。針對計算機圖形學(xué)為GIS提供基礎(chǔ)的算法和可視化手段，開展計算機圖形學(xué)與GIS互為“媒介”的綜合性討論，分析討論兩者之間的關(guān)系。計算機圖形學(xué)與GIS學(xué)科交叉和科技的發(fā)展而不斷的交織發(fā)展，同時它們之間也相互依托、交融。

3 結(jié) 語

地理信息系統(tǒng)專業(yè)作為與IT相關(guān)的專業(yè)，在教授計算機圖形學(xué)課程時充分發(fā)揮兩者信息結(jié)合、內(nèi)容結(jié)合和實踐結(jié)合的特征，可以有效地讓學(xué)生在學(xué)習(xí)好基礎(chǔ)課程的同時，夯實對GIS專業(yè)的掌握。本文僅從內(nèi)容結(jié)合和教學(xué)方法上進(jìn)行探討，在新環(huán)境下，下一步繼續(xù)根據(jù)綜合教改情況，進(jìn)行教學(xué)模式（如MOOC）、大學(xué)生眾創(chuàng)進(jìn)行探討和研究。

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