謝小魁，謝紅霞，周 清，郭亞東，田良輝

(湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128)

非測繪專業(yè)RS和GIS一體化綜合實習教學改革研究與實踐
——以湖南農業(yè)大學城規(guī)專業(yè)為例

謝小魁，謝紅霞，周 清，郭亞東，田良輝

(湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128)

目前非測繪專業(yè)RS和GIS的實習在教學內容和教學組織上存在前后割裂的缺陷，具體表現(xiàn)為RS采集數(shù)據(jù)后，缺少進一步深入的空間分析和知識挖掘過程；而GIS操作的數(shù)據(jù)源現(xiàn)勢性差，大多采用已經示例數(shù)據(jù)，既導致了數(shù)據(jù)資源的浪費，又使學生缺少對空間信息項目總體流程的把握。本文厘清了這兩門課程的邏輯關系，提出了將這兩門課程實習合并為空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實習的思路，以解決城鄉(xiāng)規(guī)劃科學問題為目標，以項目實戰(zhàn)過程為主線，對實習內容進行了一體化設計。即采用面向對象法對高分辨率遙感影像進行了解譯，其成果作為GIS數(shù)據(jù)源；然后通過空間分析計算城市規(guī)劃指標，并進行了建筑日照分析。在湖南農業(yè)大學城規(guī)專業(yè)進行了實踐檢驗，結果表明，空間數(shù)據(jù)采集與分析實習包括空間數(shù)據(jù)的采集、空間數(shù)據(jù)建庫和空間分析，邏輯清晰、可操作性強，提升了學生綜合動手能力，實習效果較好，可為其他高校和專業(yè)的空間信息相關課程實習的教學改革提供可借鑒的思路和方案。

地理信息系統(tǒng)；遙感；實習改革；一體化教學

現(xiàn)代測繪學是包含地理空間信息的測量、分析、管理、存儲、顯示和利用等綜合研究的科學和技術[1-2]。隨著傳統(tǒng)測繪向信息化測繪的轉變和地理空間信息的廣泛普及和深入應用，很多非測繪類專業(yè)也開設了遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)課程。如在湖南農業(yè)大學，土地資源管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃、風景園林和環(huán)境科學等專業(yè)均逐步開設了RS和GIS課程。非測繪專業(yè)的課程建設是一個研究熱點和難點，對于非測繪專業(yè)的測量學課程改革，已有相當多的研究，在知網(wǎng)上搜索發(fā)現(xiàn)有99篇論文對此進行了探討；對于攝影測量或航測課程建設的研究，知網(wǎng)上檢索到2篇報道[3-4]；對于GIS僅有一篇論文進行了討論[5]；但并沒有發(fā)現(xiàn)針對RS和GIS一體化教學和一體化實習的課程改革研究報道。

RS和GIS實習是提高學生動手能力和解決本專業(yè)問題的重要手段[6-7]。考慮到這兩門課程的相關性，如何針對專業(yè)需求對實習內容進行組織是一個值得重視的問題。目前相關專業(yè)對兩門課程的實習教學組織安排，無論是對兩門課程承接關系的考慮，還是對實習內容的有機結合，以及對學生綜合能力的培養(yǎng)等方面，還有許多需要改進的地方[8]。

1 現(xiàn)狀分析

相對于RS和GIS的快速發(fā)展及服務應用的實際需求，目前的RS和GIS的實習教學存在著一些明顯的問題。

首先，實習內容體系和教學培養(yǎng)目標嚴重滯后于空間信息科學的發(fā)展現(xiàn)狀，也與實際應用需求脫節(jié)。

對于非測繪專業(yè)的RS實習，普遍采用免費的Landsat 5 TM影像作為實習數(shù)據(jù)源[9]，有的會采用Landsat 7 ETM+影像。這存在很多缺點：①學生感受不到最新的航空航天技術和RS技術；②這些影像年代久遠，現(xiàn)勢性差，地面實際情況可能發(fā)生了較大改變；③中分辨率的影像難以直接引起剛接觸RS的學生的興趣，RS初學者對高分辨率影像更有直覺和興趣。由此導致學生在實習時產生失望感、落后感和枯燥感。隨著IKONOS衛(wèi)星的成功發(fā)射，高分辨率影像與人們的生活息息相關，獲取更加方便，價格更低。對于城規(guī)專業(yè)，相對于利用中、低分辨率影像進行科研而言，將來應用高分辨率影像輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃的可能性更大。

而對于非測繪專業(yè)的GIS實習，普遍目的是做出一幅比較好看的地圖，內容主要是地圖矢量化、符號化和簡單的緩沖區(qū)分析、疊加分析等，忽略了專業(yè)培養(yǎng)目標。實際上非測繪專業(yè)的GIS實習在內容設置、課時安排等方面不可能像測繪專業(yè)GIS教學那樣全面和充分。城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)的GIS實習應該突出GIS輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃的需求，GIS是對城市資源信息的管理與分析的有效手段[5]：規(guī)劃師要會利用GIS來描述城市現(xiàn)狀,可以用GIS來進行規(guī)劃分析，最后還要用GIS來表達規(guī)劃要素。因此，對城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)實施GIS實習進行設計時，必須抓住這樣的關鍵來構筑教學框架，對其專業(yè)進行深入研究，提出適合該專業(yè)的合理實習內容與課時安排。

其次，在教學安排上，將兩門課程孤立對待，忽視了兩門課程邏輯上的緊密聯(lián)系、內容上的承接關系和互補作用，從而制約了教學內容的優(yōu)化和課程品質的提升。

RS需要利用GIS來進行空間數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析決策，以解決專業(yè)理論和實踐問題；GIS需要利用RS來快速獲取和更新數(shù)據(jù)。兩門課程從邏輯關系來講實際上是一脈相承的，其內容的前后承接關系十分清晰。只有將兩者作為一個整體來考慮教學安排和教學內容的組織，才能發(fā)揮出兩者之間的互補作用，進而提升教學效果和教學品質。但是現(xiàn)有的教學安排在兩門課程的承接關系和內容組合方面缺少考慮，難以體現(xiàn)RS是GIS的重要數(shù)據(jù)來源，也難以體現(xiàn)GIS挖掘地理空間數(shù)據(jù)的效果。

2 空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實習內容

為了適應現(xiàn)代空間信息科學的現(xiàn)狀，滿足城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)實際應用和服務的需求，有必要將RS和GIS的實習內容和組織進行整體考慮，實施一體化的教學，即通過RS來獲取數(shù)據(jù)，通過GIS進行空間分析。設計實習內容時應注意保持工作量飽滿、難度適當、深度和廣度平衡，以及開放性和可操作性平衡。

湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院進行地理信息系統(tǒng)與資源環(huán)境分析技術的實驗課程整合[9]，后來又計劃把RS和GIS綜合實習定為空間數(shù)據(jù)采集與分析綜合實習[10]，以解決城鄉(xiāng)規(guī)劃科學問題為目的，以項目實戰(zhàn)全過程為主線，訓練學生獨立解決綜合問題的能力。

2.1 RS實習內容設計

基于高分辨率RS影像，利用面向對象法對校園(或長沙市)進行土地利用現(xiàn)狀分類，具體內容包括：圖像合并和裁剪、圖像合成和融合、幾何精糾正、圖像增強、圖像去云、面向對象分割和分類、實地調查和驗證。在實地調查時，對解譯結果進行驗證，對未能成功解譯或解譯錯誤的地方進行標記，同時記錄建筑層數(shù)和建筑高度(建筑高度是通過層數(shù)進行目估)，為后面的GIS分析提供三維數(shù)據(jù)。學生們對高分辨率影像有較大興趣，馬上與其生活經驗聯(lián)系起來；面向對象分類是RS里先進適用的分類方法。RS實習內容涉及通用的RS影像處理的主要過程[11]。

2.2 GIS實習內容設計

利用RS對影像的分類結果，進行城市規(guī)劃和建筑日照分析。具體而言，先對RS解譯結果進行整理，按照實習目的，按地類分圖層建立空間數(shù)據(jù)庫。在空間數(shù)據(jù)庫建立過程中，學生充分認識到數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結構規(guī)范的重要性；然后計算城市規(guī)劃指標(包括容積率、綠地率和藍地率)；再進行日照分析，找出不符合城市建筑日照規(guī)范的建筑；最后制作三維效果圖，疊加顯示容積率三維專題圖、綠地率三維專題圖、藍地率三維專題和日照分析三維專題圖。涉及內容包括：地圖投影和轉換、空間數(shù)據(jù)庫建立、矢量柵格轉換、圖形編輯、空間查詢、空間連接、空間統(tǒng)計、柵格計算、柵格分析、地理建模等GIS操作的各方面和自然地理學知識[12]。

3 空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實習組織

空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實習設計為2周，其中RS和GIS各1周。即使兩門課程由不同老師授課，由于中間有周末時間作為緩沖，學生們可以進行補充調查和整理數(shù)據(jù)，教師可以進行溝通交流，保證RS到GIS的順利銜接。由于隨堂實驗課時有限，讓學生在2周獨立自主完成這么一個復雜的虛擬項目，不管是深度還是廣度都具有很大的挑戰(zhàn)。因此必須精心組織，才能完成實習目標，從而達到預期效果?？臻g數(shù)據(jù)采集和分析綜合實習的組織安排見表1。

3.1 RS實習組織

RS試驗教材采用《遙感數(shù)字圖像處理實驗教程》[11]，而實習用到面向對象分類，需要參考《ENVI遙感圖像處理方法》(第二版)[13]。參照書上面向對象分類的練習內容和示例數(shù)據(jù)，學生們先利用1.5天時間，完成高分辨率RS影像的面向對象分類的示例試驗；再利用1.5天，完成實習項目研究區(qū)域高分辨率影像的解譯；然后用1天分組(每組4人)進行實地調查，對解譯結果進行驗證，調查標志性地物名稱，記錄每一棟建筑的層數(shù)和高度；第5天，在機房整理數(shù)據(jù)和提交作業(yè)，老師進行集中講解，對實習結果檢查驗收。

表1 空間數(shù)據(jù)采集和分析綜合實習組織安排

3.2 GIS實習組織

GIS實驗教材采用《地理信息系統(tǒng)實習教程》(第三版)[14]，實習內容需要參考《ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程》(第二版)[12]。參照書中城市建筑日照分析的練習內容和示例數(shù)據(jù)，學生們先用1.5天完成書上的練習；然后用1天，對RS解譯結果進行整理，拼接地圖，建立空間數(shù)據(jù)庫；再用1.5天進行容積率等規(guī)劃指標計算和日照分析；第5天上午進行集中講解，下午進行結果檢查和驗收。

4 實習效果

首先，這是一次科研項目實戰(zhàn)的成功模擬。通過這一次綜合實習，完成了湖南農業(yè)大學250 hm2的高分辨率RS影像解譯，構建了9個小區(qū)的374棟建筑三維模型(如圖1所示)[15]；然后利用以上數(shù)據(jù)計算了容積率、綠地率和藍地率，找出了不合城市建筑日照規(guī)范的建筑，并提出規(guī)劃優(yōu)化預案。

其次，學生們通過這次實習，掌握了RS影像處理的全過程和利用GIS進行城市規(guī)劃的全過程。全班30人，只有3人沒有在規(guī)定時間完成作品，通過申請延長時間來完成實習任務。

同時，在實習期間也獲得一些經驗和教訓。由于城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)沒有開設數(shù)據(jù)庫和程序設計語言等相關技術課程，導致對數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)庫缺乏直觀認識，初始建立的數(shù)據(jù)庫極不規(guī)范；在地圖拼接后，又花了大量時間進行數(shù)據(jù)表結構調整和重構。雖然教師預先建立好數(shù)據(jù)庫表結構可以避免數(shù)據(jù)庫結構不規(guī)范的問題。但讓學生們從零開始，自己動手，可以促使他們主動解決所碰到的各種問題，養(yǎng)成充分挖掘空間數(shù)據(jù)背后知識的鉆研精神；還能訓練他們?yōu)榱私鉀Q某個專業(yè)科學問題，自己去設計數(shù)據(jù)獲取方案，借助合適的GIS工具來回答科學問題。因為很多企業(yè)和縣級規(guī)劃、勘測政府部門缺少空間信息處理的相關技術人員，在引進人才時的一個重要指標就是看求職者是否具有較強的空間數(shù)據(jù)分析能力。

5 結束語

RS和GIS的綜合實習，涉及實習內容的前后銜接和組織安排的銜接，考慮到內容的科學性和先進性、開放性和可操作性，需要進行一體設計。采用RS中先進的面向對象分類法，對高分辨率RS影像進行分類，然后利用GIS進行空間分析，解決城鄉(xiāng)規(guī)劃科學問題是一個可行方案。

由于湖南農業(yè)大學和其他農林院校還有土地資源管理、環(huán)境科學和風景園林等其他農林專業(yè)，同樣面臨RS和GIS一體化教學問題。將進一步進行教學改革研究，優(yōu)化教學內容，理順教學關系，把解決專業(yè)科學問題作為RS和GIS教育的生命，避免落入無系統(tǒng)的學術研討式的教學[5]，充分發(fā)揮現(xiàn)代空間信息科學的服務作用。

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Reform and Practice for RS and GIS Integrated Practice Teaching for Non-geomatics Specialty—A Case Study of Town and Country Planning Major in Hunan Agricultural University

XIE Xiaokui,XIE Hongxia,ZHOU Qing,GUO Yadong,TIAN Lianghui

(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

At present, gaps exist in the practice teaching content and teaching organization between GIS and RS in non-geomatics specialty. No further spatial analysis and knowledge mining after data extraction by RS, and data sources for GIS are out of date because of using sample data already done. Both of these phenomena not only lead the waste of data resources, but also make students short of the overall process of geomatics project. The logical relationship between the two courses was clarified andSpatialDataCollectionandAnalysisIntegratedPracticeteachingmethodwasputforwardtocombinethepracticeteachingforthetwocourses.Theteachingcontentwasdesignedtosolvescientificproblemsinurbanandvillageplanfieldandfeaturedastotalprojectprocess:SpatialdatawasextractedfromhighresolutionremotesensingimageryandtakenasGISdatasource,thenurbanplanindiceswerecalculatedthroughspatialanalysisandsolarradianceanalysiswasperformed.TheintegratedpracticeteachingwasappliedinurbanandvillageplanningmajorinHunanAgriculturalUniversityandtheresultsshowedthat:SpatialDataCollectionandAnalysisIntegratedPracticeincludedspatialdatacollection,spatialdatabaseconstructionandspatialanalysiswithclearlogicandstrongoperability.Theintegratedpracticeraisedthestudents’spracticalabilityandprovidedreferencefortheteachingreformingforrelatedcoursesinotheruniversitiesandprofessionals.

geographical information system; remote sensing; practice reform; integrated teaching

謝小魁，謝紅霞，周清,等.非測繪專業(yè)RS和GIS一體化綜合實習教學改革研究與實踐——以湖南農業(yè)大學城規(guī)專業(yè)為例[J].測繪通報，2017(2)：147-150.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0070.

2016-01-08；

2016-06-03

湖南省普通高等學校教學改革研究項目(169)；湖南農業(yè)大學東方科技學院教學改革研究項目(50)

謝小魁(1979—)，男，博士，講師，研究方向為農業(yè)地理信息和遙感。E-mail: xiexiaokui@139.com 通信作者： 周 清

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0494-0911(2017)02-0147-04