徐進，李穎，陳澎，劉丙新，馬龍

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連　116026)

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突出航海特色的地理信息科學專業(yè)實踐教學改革

徐進，李穎，陳澎，劉丙新，馬龍

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連116026)

摘要：分析航海特色的地理信息科學專業(yè)創(chuàng)辦的時代背景，剖析大連海事大學地理信息科學專業(yè)發(fā)展存在的問題，提出基于S-100的電子海圖技術實踐教學改革、航海GIS開發(fā)的實踐教學改革、加強專業(yè)各門課程之間的有效銜接等手段，建設航海特色的地理信息科學專業(yè)。

關鍵詞：S-100通用海道測量；數(shù)據(jù)模型；地理信息科學；實踐教學；航海特色；電子海圖

一、引言

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是在計算機軟、硬件支持下建立的空間數(shù)據(jù)綜合應用系統(tǒng)，能夠對地理分布相關數(shù)據(jù)進行采集、管理、處理、分析、存儲、運算、建模、顯示和應用等，以解決各類復雜規(guī)劃和決策問題的技術系統(tǒng)。地理信息科學專業(yè)是基于地理信息系統(tǒng)技術，集地理學、計算機學、遙感學、測繪學、環(huán)境科學、信息科學、管理科學、城市科學和地圖學等于一體的邊緣學科，重點培養(yǎng)能在科研機構和高等院校從事教學科研工作的研究人才，或者能在城市規(guī)劃、資源配置、交通管理、住房保障、土地利用、災害防治、基礎設施管理等領域從事地理信息系統(tǒng)相關工作的技術人才。

我國第一個地理信息科學專業(yè)(原名地理信息系統(tǒng)專業(yè))在武漢測繪科技大學信息工程專業(yè)開設，現(xiàn)在全國已有190余所大學開設這個專業(yè)。這些院校開設地理信息科學專業(yè)的背景不同，其中，武漢大學、中國地質大學、中國礦業(yè)大學是以測繪專業(yè)為背景，北京大學、南京大學、南京師范大學、北京師范大學等是以地理學為背景，清華大學等工科院校是以計算機科學為背景，大連海事大學等海事院校是以航海技術科學為背景。

在海事高等院校，地理信息系統(tǒng)技術主要應用在電子海圖、海洋環(huán)境監(jiān)測、船舶導航、海洋氣象預測、海洋遙感分析、海道測量、海事監(jiān)管與決策等領域的研究，其技術與海上專業(yè)結合得越來越密切。因此，建立具有航海特色的地理信息科學專業(yè)，必將成為其贏得人才培養(yǎng)競爭優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略手段。

二、建立航海特色的地理信息科學專業(yè)的時代契機

《S-100通用海道測量數(shù)據(jù)模型》的誕生、海事院校積極開設地理信息科學專業(yè)[1]、海洋資源開發(fā)與示范海域建設加速進行、極區(qū)航行技術不斷發(fā)展[2]等歷史契機，為建設航海特色的地理信息系統(tǒng)科學專業(yè)帶來了千載難逢的機遇。

1．S-100標準的誕生

2010年1月，國際海道測量組織(IHO)公開表示《S-57數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標準》已不再適合當前海道測量數(shù)據(jù)應用的現(xiàn)實需求，同時發(fā)布了基于地理信息系統(tǒng)標準的《S-100通用海道測量數(shù)據(jù)模型》，并提出將于2020年開始全面推進S-100標準框架系列的S-101電子海圖產(chǎn)品生成與應用。S-100標準的誕生，標志著國際海道測量組織脫離了閉門造車的研發(fā)機制，將以地理信息系統(tǒng)標準為依托，建設符合國際標準的海道測量數(shù)據(jù)采集應用機制。

2．海事院校中地理信息科學專業(yè)的開設

目前，大連海事大學、集美大學已經(jīng)開設地理信息科學專業(yè)，并且結合本校特色，針對地理信息學科專業(yè)的學生，安排特色相關的課程，進行海事方向的培養(yǎng)，拓展學生就業(yè)范圍。此外，國內(nèi)其他海事院校，如上海海事大學、大連海洋大學等設有地理信息科學專業(yè)相關的碩士、博士研究方向，并在積極醞釀開設地理信息科學本科專業(yè)。

3．人才需求

近年來，海洋資源開發(fā)和示范海域建設的加速進行，給地理信息科學專業(yè)的人才需求帶來了很大的發(fā)展空間[3]，為建設航海特色的地理信息科學專業(yè)創(chuàng)造了機遇。這個方面的地理信息科學專業(yè)人才培養(yǎng)基本分為海洋環(huán)境規(guī)劃、海事測繪、海洋資源管理等方向。海洋環(huán)境規(guī)劃方向主要偏重基于GIS、遙感(Remote Sense，RS)和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)進行海洋石油污染監(jiān)測、海水污染檢測、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋污染物擴散分析等技術的研究，海事測繪方向主要側重海道測量、海洋測繪、海底地形勘察等，海洋資源管理方向主要以海洋旅游規(guī)劃與管理、海洋重點區(qū)域管理、海洋資源規(guī)劃與管理等技術的研究為主。這些研究和應用領域的人才需求給航海特色GIS專業(yè)發(fā)展帶來巨大的空間。

三、航海特色地理信息科學專業(yè)實踐教學改革建議

大連海事大學是一所極具海事與海洋行業(yè)特點的高等院校，其地理信息科學專業(yè)應具有獨特的優(yōu)勢，能更好地提高專業(yè)人才的發(fā)展，拓寬學生的就業(yè)渠道。學校地理信息科學專業(yè)下設課程包括專業(yè)導論、地理科學導論、地理信息系統(tǒng)、遙感原理與應用、地圖學、測量學、航海學、GPS原理與應用、VTS和AIS原理與應用、數(shù)據(jù)庫原理與空間數(shù)據(jù)庫、空間分析、海上交通工程、航運信息網(wǎng)絡技術、微波遙感、航道測量學、海洋測繪、航海氣象與海洋學、港口GIS、海事管理、航標管理、航海儀器、船舶污染監(jiān)測技術、船舶保安、國際海洋污染防治法規(guī)、數(shù)據(jù)結構、JAVA程序設計、面向對象程序設計、GIS實習、GIS二次開發(fā)、GIS應用與實踐、WebGIS、軟件培訓、遙感圖像處理等課程?？梢钥闯銎涞乩硇畔⒖茖W專業(yè)的課程設置較為合理，突出了建設航海特色的專業(yè)目標，努力做到GIS應用于航海、服務于航海。但是在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，存在實踐教學內(nèi)容尚未做到與時俱進、專業(yè)各門課程之間的內(nèi)容沒有實現(xiàn)有效銜接、個別課程教學脫離航海特色的教育理念等問題。為此，提出基于S-100的電子海圖技術實踐教學改革、航海GIS開發(fā)實踐教學改革等方法，以加強專業(yè)各門課程之間的有效銜接(見圖1)。

圖1　地理信息科學專業(yè)實踐教學改革方案

1.基于S-100電子海圖技術實踐教學改革

電子海圖是地理信息科學專業(yè)的一個重要應用方向。在建設航海特色地理信息科學專業(yè)時，加強電子海圖技術的實踐教學改革是必不可少的環(huán)節(jié)。目前，電子海圖技術所應用的國際海事測量數(shù)據(jù)通用標準正在從《S-57數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標準》轉變?yōu)椤禨-100通用海道測量數(shù)據(jù)模型》。在新舊標準交替的過程中，進行電子海圖技術的實踐教學改革，正迎合時代發(fā)展的需要。

現(xiàn)行S-57標準存在的問題包括5個方面：①S-57標準中大部分的定義和規(guī)范都僅限于電子海圖與顯示信息系統(tǒng)的生產(chǎn)，與國際現(xiàn)行的GIS工業(yè)標準存在諸多差異；②S-57標準采用面向數(shù)據(jù)結構的設計模式，其數(shù)據(jù)結構維護性差，新物標或屬性的添加都會導致整個新版本標準的發(fā)布；③S-57標準遵循的是早期ISO/IEC82n標準，數(shù)據(jù)格式采用順序存儲方式，傳輸快捷，但其數(shù)據(jù)實時操作效率和快速檢索反應慢，且在數(shù)據(jù)融合方面靈活性差；④S-57標準中沒有規(guī)定網(wǎng)格化水深數(shù)據(jù)及動態(tài)時變數(shù)據(jù)的應用；⑤S-57標準中一直未制定與柵格數(shù)據(jù)有關的標準。

S-100標準采用全新模式制定的《通用海道測量數(shù)據(jù)模型》，而非S-57標準的升級版本。S-100標準管理方式靈活性強，其內(nèi)容主要是一個架構體系和案例說明，尚未涉及具體的產(chǎn)品。IHO陸續(xù)基于S-100標準體系，提出S-101電子海圖產(chǎn)品規(guī)范、S-102水深表面產(chǎn)品規(guī)范、S-111表面流產(chǎn)品規(guī)范、S-112動態(tài)水位數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范、S-121海上邊界產(chǎn)品規(guī)范等S-1XX系列數(shù)字海道產(chǎn)品標準，它們都是S-100標準的子集。S-100標準提供了一套全新的電子海圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品、水深數(shù)據(jù)產(chǎn)品及其他海道數(shù)字產(chǎn)品的發(fā)展框架和機制。它基于面向對象的設計模式和數(shù)據(jù)結構，采用統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)。其數(shù)據(jù)組織便于維護，并且采用易于擴展的數(shù)據(jù)編碼，將數(shù)據(jù)內(nèi)容和存儲文件進行分離，數(shù)據(jù)模型易于交換與共享，同時能夠支持柵格、時變和三維數(shù)據(jù)等。此外，S-100標準還定義了很多新的要素類型、屬性以及要素之間的關系，并在IHO官方網(wǎng)站上建立了一個在線注冊通道，為新要素或屬性的創(chuàng)建開辟了開放的接口。

電子海圖技術的實踐教學改革內(nèi)容包括航海物標空間矢量數(shù)據(jù)模型、復合屬性、信息類型以及水深數(shù)據(jù)等實踐教學方面的改革。

(1)空間矢量數(shù)據(jù)模型

在S-100標準中，空間矢量數(shù)據(jù)模型采用GIS的數(shù)據(jù)分類方式，以點(Point)、曲線(Curve)和面(Surface)為主要數(shù)據(jù)模型，對數(shù)據(jù)進行組織。在實踐教學中應明確指出，電子海圖中的點、曲線、面即GIS常用的矢量數(shù)據(jù)幾何分類方式中的點、線、面三種標志性要素類型，并在電子海圖繪制和分析等實驗實踐教學中，使學生熟練掌握S-100標準中空間矢量數(shù)據(jù)模型的應用方法。

(2)復合屬性

S-100標準中提出了“復合屬性”的新概念，即將簡單物標要素或者新的物標要素變量變成復雜物標要素的一個復合屬性值，這一方案的提出提高了數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)表達的效率。例如潮汐流信息新增了“潮汐流面板數(shù)據(jù)”物標要素和“潮汐流面板值”“潮汐流值”兩個復雜屬性。應在電子海圖數(shù)據(jù)錄入和編輯的實驗實踐教學中，加強學生對電子海圖屬性信息中“復合屬性”概念的理解和應用。

(3)信息類型

S-100標準另一個重要的改進是新增了沒有空間坐標的“信息類型”數(shù)據(jù)，避免了S-57標準中“警告區(qū)域”要素的濫用?！靶畔㈩愋汀睌?shù)據(jù)不需要存儲空間坐標值，只要將其元數(shù)據(jù)信息與對應的物標要素進行關聯(lián)。例如S-57標準為一個“錨區(qū)”，添加標注說明時，需要增加一個“警告區(qū)域”要素，但是這些提示信息是不需要進行警告的，因此在S-100標準中，只需創(chuàng)建一個“信息類型”數(shù)據(jù)與該“錨區(qū)”要素對象進行關聯(lián)，即可實現(xiàn)信息提示的作用。這樣，在進行新的電子海圖技術教學實踐的課程中，就可以取消大量“警告區(qū)域”要素類型的應用，轉而使用“信息類型”數(shù)據(jù)，提高電子海圖數(shù)據(jù)應用效率，培養(yǎng)學生在電子海圖數(shù)據(jù)組織方面正確的應用思維。

(4)水深數(shù)據(jù)

水深數(shù)據(jù)是電子海圖中數(shù)量最大、地位最重要的物標數(shù)據(jù)。S-100標準中，針對水深數(shù)據(jù)，基于“航海安全”角度，提出“水深屬性格網(wǎng)”“數(shù)字認證模塊”“模版應用模式”“離散覆蓋類型”“切片”等概念。其中，水深表面產(chǎn)品的數(shù)據(jù)類型是一個帶有元數(shù)據(jù)的四邊形網(wǎng)格狀覆蓋區(qū)域柵格數(shù)據(jù)，用以表示海域、湖泊、河流或其他通航水道的水深模型，即水深屬性網(wǎng)格；為了保障水深網(wǎng)格產(chǎn)品的認證機制，S-100標準引入了數(shù)字認證模塊；水深數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用模板應用模式，即它沒有在水深表面產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)定所有的變量和屬性，同時支持其他方面的選擇和改變；在S-100標準中，水深數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用了離散的四邊形網(wǎng)格覆蓋類型和離散點集覆蓋類型；切片方案都是S-100標準水深數(shù)據(jù)產(chǎn)品中一個含有水深區(qū)域、不確定區(qū)域、跟蹤列表、邊緣匹配元數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的完整水深網(wǎng)格。在水深數(shù)據(jù)采集、編輯和處理的教學實踐中，不能像以往一樣僅局限于水深值采集和錄入的教學內(nèi)容中，而要跟隨S-100標準的步伐，將水深區(qū)域數(shù)據(jù)進行加工處理，使學生能夠掌握“水深屬性格網(wǎng)”“數(shù)字認證模塊”“模版應用模式”“離散覆蓋類型”“切片”等新規(guī)范的應用。

2.航海GIS開發(fā)的實踐教學改革

在航海領域，電子海圖系統(tǒng)、船舶導航系統(tǒng)、VTS管理系統(tǒng)、海事污染治理系統(tǒng)等應用較為廣泛，應針對以上系統(tǒng)的開發(fā)，進行實踐教學改革。

(1)電子海圖系統(tǒng)(ECDIS)

ECDIS是指符合國際標準的船用計算機應用系統(tǒng)。它是以計算機軟硬件為基礎，輔以雷達、GPS、測深儀等探測設備，以ENC為數(shù)據(jù)平臺，表示船舶當前的運行狀態(tài)，為船舶的駕駛人員提供空間查詢、測量和航行記錄等信息，是海洋地理信息系統(tǒng)(OGIS)中的一個重要的應用方向。

在地理信息科學專業(yè)實踐教學課程中，除了電子海圖數(shù)據(jù)的采集、處理、編輯等教學內(nèi)容以外，還應加強電子海圖系統(tǒng)開發(fā)方面的教學，包括空間物標距離測算、區(qū)域面積測算、船舶航行軌跡回放、空間物標屬性信息查詢、空間信息檢索等功能的開發(fā)教學。

(2)船舶導航系統(tǒng)

船舶導航系統(tǒng)是通過GPS、北斗、AIS、雷達、計程儀、測深儀、羅經(jīng)等輔助硬件設備，在電子海圖上實時顯示船舶的位置和運動狀態(tài)，并結合規(guī)劃的船舶航線和編制的航行計劃，對船舶進行導航的計算機系統(tǒng)。

船舶導航系統(tǒng)開發(fā)的實踐教學工作，相對ECDIS開發(fā)較為復雜，應用到GIS空間分析方法。例如船舶偏離航線和船舶避碰的判定是依據(jù)航線的緩沖區(qū)分析和空間物標拓撲分析進行。針對船舶導航系統(tǒng)開發(fā)的教學改革，建議在理論教學的過程中，讓學生掌握船舶導航系統(tǒng)中GIS功能的原理和實現(xiàn)方法，并在實踐教學中，針對某一特定功能的實現(xiàn)，進行學生開發(fā)思維方式的培養(yǎng)，讓學生盡早獨立掌握開發(fā)船舶導航系統(tǒng)模型的能力。

(3)船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)

船舶交通管理系統(tǒng)是由航運主管機關實施的，用于加強海上交通安全、提高航運交通效率、保護海洋和河流生態(tài)環(huán)境的管理系統(tǒng)。它是通過AIS基站、雷達、CCTV、羅經(jīng)、無線通信設備來監(jiān)控航行在港灣和進出港口船舶的航向和船速，并向船舶提供航行所需的安全信息。

VTS開發(fā)與ECDIS、船舶導航系統(tǒng)開發(fā)的重要區(qū)別是用戶的角度不同。ECDIS、船舶導航系統(tǒng)針對的用戶是應用層人員，開發(fā)ECDIS和船舶導航系統(tǒng)是出于即時使用的角度；而VTS所針對的用戶是管理層人員，開發(fā)VTS是要在統(tǒng)籌規(guī)劃的角度進行系統(tǒng)開發(fā)，VTS的實踐教學改革要從管理層角度出發(fā)，進行系統(tǒng)開發(fā)的實踐教學。

3．加強專業(yè)各門課程之間的有效銜接

從地理信息科學專業(yè)培養(yǎng)計劃和教學大綱等內(nèi)容可以看出，課程設置之間的關系如圖2所示。

圖2　課程設置銜接性

其中“專業(yè)導論”和“地理科學導論”課程使學生了解專業(yè)設置、發(fā)展前景和畢業(yè)去向等內(nèi)容，“地理信息系統(tǒng)”“遙感原理與應用”“地圖學”“測量學”“GPS原理與應用”“空間分析”等課程是為學生提供理論基礎知識，“數(shù)據(jù)庫原理與空間數(shù)據(jù)庫”“數(shù)據(jù)結構”“JAVA程序設計”“面向對象程序設計”等課程設置是為進行GIS開發(fā)提供技術基礎知識，“GIS實習”“GIS二次開發(fā)”“WebGIS”“軟件培訓”“遙感圖像處理”等課程設置是為進行GIS應用與開發(fā)提供學習實踐。但是在課程教學的過程中，由于任課教師之間缺少溝通或者任課教師自身研究領域限制等原因[4]，各門課程之間的銜接存在一些問題[5]，因此，應定期組織任課教師進行課程教學交流[6]及專業(yè)內(nèi)的聽課活動，使教師切實按照教學計劃和大綱要求授課，加強專業(yè)內(nèi)各門課程之間的有效銜接。

四、結語

本文從《S-100通用海道測量數(shù)據(jù)模型》應運而生、GIS專業(yè)不斷創(chuàng)辦、GIS人才需求不斷增加的時代契機出發(fā)，分析了大連海事大學地理信息科學專業(yè)發(fā)展存在的問題，提出基于S-100的電子海圖技術實踐教學改革、航海GIS開發(fā)的實踐教學改革，加強專業(yè)各門課程之間的有效銜接，提高學生的專業(yè)實踐技能，從而建立具有航海特色的地理信息科學專業(yè)。但是，上述教學改革辦法只是理論上的探討，需要任課教師在實踐教學中予以配合，并加以檢驗。教學改革是專業(yè)發(fā)展的動力，要隨著實踐不斷完善，形成一套符合時代發(fā)展和航海教育規(guī)律的教學體系。

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中圖分類號：U676.2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8724(2016)01-0094-04

作者簡介：徐進(1985-),男,實驗師,主要從事海洋科學與地理信息科學教學與研究。

基金項目：大連海事大學教改項目“基于校企合作的地理信息科學課程體系建設研究與實踐”(2015y05)、“地理信息科學專業(yè)課程體系改革”(2005K01)”

收稿日期：2015-10-22