吳會勝,安聰榮,李連偉

(中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院,山東青島266580)

組件技術(shù)在GIS原理實驗教學中的應用

吳會勝,安聰榮,李連偉

(中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院,山東青島266580)

為了加強學生對GIS原理課程中理論知識及算法原理的理解,將組件技術(shù)引入到實驗教學,編程實現(xiàn)GIS常用功能并預留開發(fā)接口,形成與理論知識緊密度較高的適宜性實驗教學軟件,引導學生基于擴展接口編程實現(xiàn)算法原理。實踐表明,基于組件技術(shù)的GIS原理實驗教學不僅能夠使學生深入理解并掌握理論知識,而且能培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。

GIS原理;組件技術(shù);實驗教學

GIS(Geographic Information System,地理信息系統(tǒng))是在計算機軟硬件支持下,以采集、存儲、管理、分析及顯示與空間和地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)[1],是集計算機科學、地理學、測繪遙感學、環(huán)境科學、城市科學、信息科學和管理科學為一體的發(fā)展迅速的新興交叉學科[2]。GIS原理是地理信息科學專業(yè)核心課程,也是相關(guān)專業(yè)的一門必修課程;實驗教學是GIS原理授課重要組成部分,通過實驗教學旨在加強學生對所學理論知識及算法原理的理解[3-4];適宜性實驗教學方法和手段是關(guān)乎教學質(zhì)量的關(guān)鍵。針對GIS原理實驗教學中存在的問題,引入組件技術(shù),通過編程實現(xiàn)GIS常見功能并預留開發(fā)接口,形成與所授理論知識緊密度較高的適宜性實驗軟件,并引導學生將所學算法原理基于可擴展接口進行編程實現(xiàn),對培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力以及提高教學質(zhì)量具有重要意義。

一、GIS原理實驗課程設置

GIS原理課程為中國石油大學地理信息科學與測繪工程兩個專業(yè)的核心課程,于本科大三上學期開課,共設56學時,其中上機實驗14學時,學時的分配根據(jù)實驗內(nèi)容的難度和內(nèi)容確定,實驗內(nèi)容及學時分配如表1所示。

表1 實驗名稱、內(nèi)容及學時分配表

實驗內(nèi)容涵蓋從空間數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、分析到結(jié)果顯示的完整流程,涉及理論授課的絕大部分主要內(nèi)容。

二、GIS原理實驗教學存在的問題

傳統(tǒng)的GIS教學實驗在課程安排方面,根據(jù)各實驗設置內(nèi)容分別安排在相應理論授課之后,以便于學生對理論知識的掌握和鞏固。在教學方法方面,利用上機操作進行實驗練習,在學生明確實驗要求和方法的前提下,指導學生操作軟件達到實驗目的。在軟件使用方面,主要利用美國環(huán)境研究所(ESRI)的ArcGIS商用軟件進行上機實驗[5],所使用的軟件版本由早期的ArcInfo 8、ArcGIS9系列到目前的ArcGIS10系列。

隨著GIS應用的發(fā)展與推廣,近幾年學生在學習GIS原理課程中有關(guān)基礎知識的掌握情況及軟件操作能力已有較大提升,所設實驗內(nèi)容已顯淡薄,盡管已經(jīng)有高校進行了相關(guān)方面的教學改革研究[6-7],但以操作商用軟件為主的實驗教學,在實驗的中后期階段已經(jīng)不能較好地達到教學目的,尤其在學生的實踐能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)方面更是力不能及,存在問題主要表現(xiàn)如下:

(1)ArcGIS作為成熟GIS商用軟件代表,工具型特征是其最大特點,盡管某些功能可以用作實驗驗證部分GIS原理和算法,但總體上看其與理論教學的關(guān)聯(lián)不夠緊密,不能完全滿足實驗教學的需求。

(2)GIS商用軟件功能模塊的封裝較為徹底,而且實現(xiàn)技術(shù)大多不公開,學生僅憑操作軟件無法領悟功能實現(xiàn)的具體原理和算法流程。

(3)基于某原理的算法實現(xiàn)可能有多種,操作軟件的實驗可能存在實現(xiàn)算法未知的情況,更是無法做到對各種算法的優(yōu)劣性比較。

(4)盡管有些商用軟件提供了開發(fā)接口,但是其功能有限、靈活度不高,不能滿足學生設計算法實現(xiàn)原理的要求,不利于創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

(5)商用軟件價格不菲,而且更新速度快,一方面基于商業(yè)軟件的實驗教學投資較大;另一方面商用軟件大多數(shù)功能在實驗中用不到,存在“大材小用”現(xiàn)象。

三、組件技術(shù)在實驗教學中的應用

(一)組件技術(shù)

組件技術(shù)(compenent technology)是在面向?qū)ο蠹夹g(shù)(OOP)基礎上發(fā)展起來的,其基本思想在于創(chuàng)建和利用可復用的軟件組件來解決應用軟件的開發(fā)問題?；诮M件技術(shù)的地理信息系統(tǒng)——組件式地理信息系統(tǒng)(ComGIS)是基于組件對象平臺,以一組具有某種標準通信接口的允許跨語言應用的組件提供的GIS,是傳統(tǒng)GIS技術(shù)與組件式軟件設計技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

GIS組件技術(shù)的不斷發(fā)展,已經(jīng)由簡單功能發(fā)展到組件的靈活重組,而且實現(xiàn)了具有可視化的界面和使用方便的標準接口[8]。目前,各大GIS廠商陸續(xù)推出了各自的GIS組件,諸如ESRI推出的MapObjects、ArcObjects和 ArcEngine、MapInfo公司的MapX、Intergraph公司的 GeoMedia、超圖公司的SuperMap objects,中國地質(zhì)大學研制的MapGIS,武漢吉奧公司推出的GeoMap,泰坦公司的Titan二次開發(fā)平臺等。

(二)基于組件技術(shù)的適宜性實驗教學軟件

1.適宜性實驗教學軟件的設計

適宜性實驗教學軟件應立足于理論知識和算法原理的理解、掌握和拓展,針對學科的課程體系設置、學生的軟件操作和開發(fā)能力特點,利用面向?qū)ο蟮乃枷?基于UML語言進行系統(tǒng)總體設計。

軟件體系結(jié)構(gòu)采用C/S構(gòu)架模式,基于軟件模塊化設計的原則和方法,設計系統(tǒng)的一二級模塊(圖1);一級模塊功能如下。

圖1 適宜性實驗教學軟件一二級模塊設計

(1)視圖操作模塊

該模塊主要實現(xiàn):①空間數(shù)據(jù)的加載,包括常見矢量格式數(shù)據(jù)(shapefile、dwg、coverage、geodatabase等)、柵格格式數(shù)據(jù)(grid、tiff、jpeg等)、文本格式數(shù)據(jù)以及mxd、pmf文檔;②地圖數(shù)據(jù)的常用瀏覽功能,包括放大、縮小、地圖平移和全圖顯示;③鷹眼視圖功能以及屬性信息的查詢統(tǒng)計功能,實現(xiàn)“空間查屬性”和“屬性查空間”;④數(shù)據(jù)的導出、文檔的保存以及地圖的打印功能。

(2)空間參考模塊

鑒于GIS數(shù)據(jù)使用時經(jīng)常需要進行地圖糾正和坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換,該模塊主要實現(xiàn):①圖像的糾正、定向,矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的配準;②矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的投影系統(tǒng)的定義;③矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換,具體包括相同參考基準和不同參考基準下的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、高斯克呂格和橫軸墨卡托投影的換帶計算等。

(3)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊

矢量、柵格以及矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無論在GIS教學,還是應用研究中,都占有重要地位,該模塊的目標是,通過實驗切實讓學生掌握GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特征;主要實現(xiàn)①矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲、拓撲關(guān)系及圖形關(guān)聯(lián)顯示;②柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲類型(按像元、波段等)、影像金字塔結(jié)構(gòu)及圖像關(guān)聯(lián)顯示;③矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織、存儲及關(guān)聯(lián)顯示等。

(4)空間分析模塊

空間分析作為GIS核心之一,通過本模塊的操作,使學生不僅掌握各種空間分析的定義、特征和操作,更要理解所涉及的原理和算法流程,并能夠進行綜合利用解決實際問題。該模塊主要實現(xiàn):①各種矢量疊置分析(點、線與多邊形)、多邊形疊置的六種常見操作、柵格疊置分析及其綜合應用;②點、線、面的緩沖區(qū)操作及其綜合應用;③以最短路徑分析、最優(yōu)路徑分析及服務區(qū)域分析等為代表的網(wǎng)絡分析的實現(xiàn)和應用。

(5)應用模型模塊

應用模型是GIS解決各種實際問題的武器,借鑒成熟的GIS行業(yè)解決方案,該模塊實現(xiàn):①基于DEM的地形分析(坡度、坡向、通視、水文分析等);②結(jié)合影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的土地適宜性分析評價;③元胞自動機支持下的城市空間范圍發(fā)展預測;④基于網(wǎng)絡分析和交通數(shù)據(jù)的交通動態(tài)規(guī)劃。

(6)拓展接口模塊

前述功能模塊主要讓學生基于軟件操作掌握其原理和用法,拓展接口模塊則側(cè)重于提供靈活接口,方便學生通過編程實現(xiàn)算法,進而鞏固理論知識并鍛煉創(chuàng)新能力。該模塊根據(jù)實驗教學大綱編制接口,主要實現(xiàn):①各種開發(fā)平臺及不同語言編譯的動態(tài)鏈接庫(dll)的調(diào)用;②基本文本格式或Excel格式的自組織矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及圖形顯示,能夠使學生體驗概念模型、邏輯結(jié)構(gòu)及物理結(jié)構(gòu)之間的對應關(guān)系;③地圖數(shù)據(jù)的加載、放大、縮小、平移、全圖的底層實現(xiàn)接口(不借助GIS組件);④常見的點狀符號、線狀符號、面狀符號的繪制接口,包括樣式、顏色、大小等;⑤常用矢量數(shù)據(jù)渲染接口,包括唯一值渲染、分類分級渲染、點密度渲染等;⑥柵格數(shù)據(jù)的渲染接口,主要涉及顏色設置;⑦空間分析接口,具體包括疊置分析接口、緩沖區(qū)分析接口和網(wǎng)絡分析接口,學生可以基于接口拓展空間分析應用以解決綜合性問題;⑧基于DOM、DEM、DLG數(shù)字產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)解析的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換接口;⑨常用數(shù)字化接口,即矢量數(shù)據(jù)(點、線、面)的編輯接口;⑩地圖整飾接口,主要用于地圖制作,具體包括北方向、圖例、圖名、比例尺、格網(wǎng)線等的添加。

2.適宜性實驗教學軟件的實施

軟件開發(fā)平臺采用 ArcGIS組件 ArcEngine 10.0、Microsoft Visual Studio 2010(C#),利用面向?qū)ο笏枷脒M行軟件的編制,采用白盒測試和黑盒測試模式相結(jié)合方式進行軟件測試。

ArcEngine組件提供21個類庫,封裝大量屬性和方法,方便軟件的研發(fā);組件式地理信息系統(tǒng)原理實驗教學軟件的主界面如圖2所示。

(三)適宜性實驗教學軟件的應用

GIS原理實驗教學中對組件式地理信息系統(tǒng)原理實驗教學軟件的使用包括兩部分:軟件操作部分,使用視圖操作模塊、空間參考模塊、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊和應用模型模塊,共設8個學時;軟件拓展模塊,主要利用拓展接口實現(xiàn)適量的算法原理,共設6個學時。

目前,通過對適宜性實驗教學軟件的使用,從與理論課結(jié)合程度、使用效果(軟件使用對掌握理論知識的幫助程度)、易操作性、功能完備性、可擴展性、穩(wěn)定可靠性等六大方面對軟件進行了問卷調(diào)查評價(表2)。從統(tǒng)計結(jié)果看出,組件式地理信息系統(tǒng)原理實驗教學軟件的應用既能滿足實驗教學的要求,又能做到讓學生使用滿意,能夠較好完成實驗教學目標。

表2 軟件使用評價調(diào)查匯總表

圖2 軟件系統(tǒng)主界面

四、結(jié)束語

將組件技術(shù)引入GIS原理實驗教學,自主研發(fā)適宜性實驗教學軟件——組件式地理信息系統(tǒng)原理實驗教學軟件,其六大模塊與理論授課內(nèi)容緊密結(jié)合并充分顧及學生能力培養(yǎng)和學科特點,彌補了傳統(tǒng)GIS原理實驗教學的不足。實踐結(jié)果表明,適宜性實驗教學軟件得到師生的認可,不僅可以有效地幫助學生鞏固理論課所講授的原理和算法,而且培養(yǎng)了學生獨立思考、解決綜合問題的能力,激發(fā)了學習積極性。因此,適宜性實驗教學軟件在學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面具有重要實用價值。

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[責任編輯]譚愛蘭

G642.423

A

1673-5935(2016)04-0055-04

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.04.016

2016-10-08

中國石油大學(華東)教學實驗技術(shù)改革項目(SY-B201421);山東省教育科學“十二五”規(guī)劃(重點)課題(2013GZ065);中國石油大學(華東)研究性課程教學改革項目(YK201401);山東省自然科學基金(ZR2015DL004)

吳會勝(1980—),男,山東萊蕪人,中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院講師,博士,主要從事GIS教學和研究。