GIS专业“空间数据库”课程教学内容研究与实践

闫金凤

(山东科技大学 测绘科学与工程学院,山东 青岛 266510)

GIS专业“空间数据库”课程教学内容研究与实践

闫金凤

(山东科技大学 测绘科学与工程学院,山东 青岛 266510)

随着空间数据库技术的飞速发展,其在众多学科领域的重要性日益突出。地理信息系统专业迫切需要进行“空间数据”库课程体系、教学内容和实验内容等方面的教学改革。结合教学实际需求,总结多年的教学经验,将理论与实践相结合进行“空间数据库”课程教学内容研究,并简述具体的实施过程。

空间数据库;教学内容研究;教学实践

“空间数据库”课程是地理信息系统(GIS)专业的核心课程,对 GIS专业人才培养具有非常重要的作用。“空间数据库”课程是一门综合性较强的课程,具有学科与技术的同一性、发展与内容更新的快速性、多学科集成等特点。针对不同高校自身专业建设的特点及所具备的条件,“空间数据库”课程在教学内容的制订和讲授上各有差异。面对本校自身的特点,GIS专业是依托测绘学科建立起来的,有其自身的特色,同时又受到教学学时量、前后课程安排、软硬件设施条件等影响,因此必须结合教学实际确定适合自身特点的教学内容。

1 “空间数据库”课程教学与实验内容中存在的问题

1.1 教学与实践的目的与要求

“空间数据库”课程是一门相对较新的 GIS专业必修课程。通过本课程的学习,使学生了解空间数据库的基本知识、基本理论和基本方法;掌握空间数据库的关键技术、设计与实现方法及学科发展的前沿问题等,并掌握空间数据管理相关软件的应用[1-3]。注重学生空间数据库的设计技巧和能力的培养,为其进一步从事 GIS应用及开发打下坚实的空间数据库建设的基础。

通过本课程理论教学与实践应用,要求学生掌握空间数据库的基础知识、关键技术和发展方向等内容。学会发现问题、分析问题,用所掌握的知识和具备的技能解决实际问题,并培养学生的创新意识。

1.2 目前存在的一些问题

通过多年的教学实践,发现“空间数据库”课程教学与实践过程中面临一些急需解决的问题[4-7]。比如为数不多的相关教材差异性比较大的问题;教学的具体内容及重点、难点确定的随意性问题;前后课程中出现重复及如何进行很好衔接的问题;实验平台的选择和实验内容的随意性问题;传统的教学方法与手段无法适应其发展快和多学科集成的特点等。目前,对此相关的理论教学、教学方法和实践教学等环节的研究还相对较少,需要近一步加强相应的研究。因此,本文试图研究适应本学院 GIS专业“空间数据库”课程建设的合理的理论教学与实验教学内容与方法。

2 “空间数据库”课程教学内容的确定及实施

2.1 教学内容的确定

本学院新的本科教学大纲正在修订,随着学科建设的发展,GIS专业的部分课程进行了调整及增删。教学的学时及前后课程的衔接都发生了相应的变化,“空间数据库”课程的教学内容也需要适当的进行调整。

具体的教学内容如下:

1)空间数据库概论:熟悉空间数据库概念,空间数据库的发展历程及发展现状,了解本课程的学习方法。

2)空间数据组织与结构:掌握空间数据的拓扑关系、矢量和栅格的数据结构以及相应的编码方法,是本课程的基础性内容。

3)空间数据库模型:掌握空间数据的各类模型,特别是面向对象的数据模型、Geodatabase数据模型、空间数据引擎(SDE)及Oracle Spatial对象关系模型等。

4)空间数据库的体系结构:掌握空间数据库系统的组成,了解文件与关系数据库混合管理系统结构、全关系型数据库系统结构、对象关系数据库系统结构、面向对象空间数据库系统结构以及分布式空间数据库系统结构等[8]。

5)空间数据索引与空间查询语言:掌握格网索引、R树索引及四叉树索引等空间索引方法及不同平台的具体应用;了解空间查询语言,对象—关系SQL,空间操作计算以及查询优化[9]。

6)空间数据库设计及建立:掌握空间信息模型和空间数据库设计的过程,运用 ER模型及UML构建面向对象数据模型。结合不同的专题进行空间数据库设计及建立的案例分析。依据具体的 GIS平台,完成针对不同的专题进行数据的采集、编辑、拓扑检验、完整性约束及入库等整个过程。

7)空间数据库的标准化与规范化:掌握 GIS数据库的标准体系,GIS数据的分类及编码方法,以及如何进行数据质量控制;了解相应的行业规范[10]。

8)空间数据库发展趋势:了解空间数据库的发展趋势,包括空间数据的互操作、网络数据库、空间数据挖掘及空间数据仓库等。

2.2 教学内容的具体实施

1)要重视和加强教学内容中的空间数据库基本概念、基础理论和基本知识的讲解;空间数据模型在本课程中要对其讲深讲透;空间索引与查询是空间数据库的一项关键技术,其性能的优劣直接影响空间数据库的整体性能,所以空间索引与查询的内容是本课程的基本理论和难点;对空间数据库的发展前沿属于了解及知识拓展的部分,如空间数据的共享与互操作、空间数据挖掘、空间数据仓库等技术和方法,培养学生课外查找资料、阅读文献及综合分析的能力,提高其主动学习的意识。

2)教学内容中要以空间数据库的设计、建立和应用为重点。针对一个比较完整的空间数据库设计、建立和应用的案例进行讲解。同时给学生提供完备的软硬件环境来进行课程设计,针对目前普遍采用的对象关系数据库系统,注重本科学生基础理论知识及实际动手能力的培养。

对象关系数据库系统有2种方式:一种是 GIS软件商在传统的关系数据库系统上进行了扩展,外加一个空间数据引擎(SDE),如 ESRI公司的A rcSDE,M ap Info公司的Spatial Ware等。通过空间数据引擎这一“中间件”将空间数据交给大型关系型数据库管理系统统一管理。另一种方式是数据库管理系统的软件商本身在关系数据库管理系统中进行扩展,使之能够同时存储空间数据和属性数据,例如Oracle Spatial等。两种方式都可以充分利用关系数据库系统提供的数据库管理功能,如关系数据库的海量数据管理、事物处理、记录锁定、并发控制、数据控制、数据仓库、安全性、一致性、完整性以及数据损坏后的恢复等功能,实现了空间数据与属性数据的一体化集成。针对对象关系数据库系统既要注重理论知识的讲解又要体现实验教学的效果。

3 “空间数据库”课程实验内容的确定及实施

3.1 实验内容的确定

实验教学是本课程的重要环节,它对于掌握理论课所讲授的基本内容、提高学生的实际动手能力、培养学生的创新思维,都具有十分重要的意义。本课程的实验教学侧重空间数据库设计与建立及相应的应用分析。根据不同专题或主题设计题目,让学生自己选题进行课程设计,建立专题的空间数据库。同时在整个过程中要向学生强调空间数据库设计和建立的标准化、规范化等问题。

1)空间数据库结构设计。运用 ER模型及UML构建面向对象数据模型,了解空间数据设计的整个过程,依据步骤建立空间数据库结构,并撰写详细的设计报告。专题数据库包括土地利用空间数据库、城市道路交通空间数据库、区域旅游资源空间数据库、地籍管理空间数据库等。

2)数据采集与空间数据库建立。依据所选的专题,进行空间数据库结构设计的同时,进行数据的处理及规范化,特别是设计分类编码的内容要符合国家或行业的标准。掌握空间数据采集、转换、处理、编辑、拓扑检查等技术方法,建立完整的专题数据库,提交相应数据成果。

3)空间数据库应用分析。应用所建立的空间数据库,针对相应专题进行分析,提交分析成果。例如土地利用空间数据库进行土地利用变化的分析,城市道路交通的空间数据库进行最优路径的分析等。

3.2 实验软件平台的选择

由于国内外商业化的有关 GIS和空间数据库的软件种类较多,各种软件的用户界面、功能及数据组织方法等都相差很大。关于实验平台的选择问题,对于 GIS本科专业应要求掌握一种以上主流空间数据库管理软件,如:Geodatabase、O racle Spatial等。

Geodatabase以其强大和丰富的功能代表了空间数据库软件技术的发展趋势,该产品可以作为空间数据库实验教学软件平台。Geodatabase是用于管理和存储多种地理信息类型的集合,其采用两层结构,即数据存储层和应用层。数据存储层是将GIS数据存储为 File、XML、DBM S等多种格式,而应用层则是维护数据的高级逻辑和行为,例如Feature Classes、Raster Dataset、Topology、Network、Address Locators等。

A rcSDE Geodatabase通过空间数据引擎A rcSDE可以用传统的关系数据库对空间地理数据加以管理和处理,提供必要的空间关系运算和空间分析功能,实现客户/服务器体系结构,地理空间数据的共享和互操作等。允许A rcGIS在多种数据库平台上管理地理信息,这些平台包括 O racle,M icrosoft SQL Server,IBM DB2,和 Informix。因此本课程实践软件平台选择A rcGISDesktop 9.2、A rcSDE9.2以及M icrosoft SQL Server 2005

3.3 实验内容的具体实施

1)软件的安装与连接。在学院的教学实验机房安装好相应软件平台,并进行相应连接,运用一或两台服务器,建立客户端/服务器的实践操作平台。部分有条件的学生可在自己的电脑上安装一个单机版的平台。

2)空间数据库的设计。依据选定的专题设计一个 Geodatabase:包括需求分析、概念设计、逻辑设计、拓扑规则设计、数据关联规则设计、物理设计、数据字典设计等。

3)空间数据库的建立。①使用A rcCatalog创建全新的数据库:包括要素集、要素类、子类、有效性规则、关系、几何网络等。A rcCatalog提供了一整套地理数据库中的设计和管理项目;②转换已有的数据到地理数据库中:如 Shapefile数据、coverage数据、INFO表和dBase表等;③用CASE(计算机辅助)工具建造 Geodatabase:用CASE工具来完成创建一个新的定制对象和从UML图表中产生一个地理数据库结构。A rcGIS支持工业标准的统一建模语言(UML)和 CASE工具,通过 CASE工具可以完成对数据库结构的定义。

4)空间数据的处理与入库。进行专题数据的采集、编辑、拓扑检验、完整性约束及入库的整个过程。包括加载数据集和栅格到 Geodatabase中;用高级数据类型扩展要素类;用域、关联和子类型扩展表;扩展栅格数据集;加载和维护 Geodatabase中每个数据集的数据;管理A rcSDE Geodatabase等。

5)应用分析。结合A rcGIS的各种空间分析的功能,依据相应的专题空间数据库进行相应的应用分析。例如,利用不同时期的土地利用信息进行叠加分析,进而研究区域的土地利用空间格局变化,利用道路网信息进行网络分析,得出最短或最优路径等。

4 教学与实践总结

教学中通过了解前后课程的衔接尽量避免教学中的重复内容,例如空间数据的矢量与栅格结构及其编码方法这样的基础性内容,在 GIS原理类课程中就会重点讲述,此处应避免重复的详细讲述。教学内容中做到重点和难点清晰明确。另外在实验过程中,A rcGIS软件操作的基本技能已经具备,重点在课程设计中,熟练整个的设计过程,撰写详细的设计报告。针对具体的专题数据库进行数据采集、处理、检验及入库等,注重系统性及实用性的培养。并通过一定的应用分析,使得空间数据库的设计与建立同具体的应用分析结果相结合,能更好的验证空间数据库建设的正确性和实用性。将理论知识、软件操作、设计技能以及具体的应用相结合,有利于提高学生运用掌握的知识和技术解决实际问题的能力,增强学生的兴趣及探索的热情,利于培养学生的创新意识。

通过近几年的教学与实践研究,针对本专业的特点本文总结“空间数据库”课程教学与实验的具体内容与实施方式,并运用于具体的教学实践中取得了较好的教学效果。随着空间数据库技术的不断发展,其相应的内容和方式也在不断调整和改善。

[1]张山山.“空间数据库”课程教学内容研究[J].测绘与空间地理信息,2009(6):1-4.

[2]张山山.空间数据库课程教学实践与思考[J].测绘科学,2007(5):197-199.

[3]孙水华.数据仓库技术课程教学实践与研究[J].福建工程学院学报,2008(5):490-492.

[4]闫金凤,郭全军.“空间数据库”课程教学与实践探讨[J].测绘与空间地理信息,2009(6):9-11.

[5]董有福,李明峰.对“空间数据库”课程教学的思考[J].矿山测量,2008(1):86-88.

[6]刘丹丹,王延亮.地理信息系统专业实践教学内容改革的研究[J].测绘工程,2008,17(4):74-76.

[7]王明爽.空间数据结构课程教学模式实践与探索[J].测绘工程,2008,17(6):74-76.

[8]崔铁军.地理空间数据库原理[M].北京:科学出版社,2007.

[9]谢昆青,马修军,杨冬青,译.空间数据库[M].北京:机械工业出版社,2004.

[10]张新长,马林兵.地理信息系统数据库[M].北京:科学出版社,2005.

Research and practice of teaching content on Spatial database course of GISSpecialty

YAN Jin-feng
(Geomatics College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)

Spatial database is the core course of GIS,w hich is very important for students to study and understand the basic p rincip le,method of GIS.With the development of spatial database technology,we urgently need to do research on spatial database course in term s of teaching contents,experiments and p ractices,in o rder to p resent some methods and suggestions to cope w ith these p roblem s.The paper com bines p ractical needs and many years’experience of teaching to research specific contents and imp lementation p rocess of teaching and experiments.

spatial database;teaching content research;teaching p ractice

G642.0

A

1006-7949(2010)06-0075-04

2010-06-30

闫金凤(1974-),女,副教授,博士..

[责任编辑张德福]