浅议可视化教学在解决地理探究问题中的优势——以Google Earth影像中地物高度探究为例

戴文斌 顾松明 夏志芳

（1. 常州市北郊高级中学, 江苏 常州 213031; 2. 华东师范大学课程与教学系, 上海 200062）

浅议可视化教学在解决地理探究问题中的优势
——以Google Earth影像中地物高度探究为例

戴文斌1顾松明1夏志芳2

（1. 常州市北郊高级中学, 江苏 常州 213031; 2. 华东师范大学课程与教学系, 上海 200062）

思维的光芒于学科教育之路而言，自然是星光璀璨，亦足以皓程明远。若将解决问题的思路比喻成道路，思维的角度和方向即变得举足轻重。解决实际生活中的地理问题，正是知识传授的最终目的，而思维的培养，却是问题解决的前提。对待现实生活中的地理实际问题，要求学生具备一定的空间思维能力。

可视化主要是为科学发现而进行的视觉思维活动，是一种心智行为，它侧重于知识的发掘而不是数据的存储。[1]可视化可看成一个教学实验平台，并以探究、发现和证实为目的。由于前人经验、过程操作、教师水平等诸多因素限制，其在中学地理教育实践教学中所涉寥寥。但此类教学方式的效果不言而喻，而探讨其在实际地理问题中的解决问题，对于新课程地理教育的实施显然具有重大的意义。

一、数理方法的不足

在Google Earth航拍影像中，地物的一些信息常常处于隐含状态，对世界任意区域地物高度的测量，学生往往易产生探究的兴趣。对于地物高度测量的方法，通常会通过寻求地物在地面留下的影长再通过二分二至日正午太阳高度进行三角函数计算求得，但问题的关键在于无法进行实地测算，影像拍摄的时间也不可能均为特殊时刻，影像测量与实地测量存在较大的差异。故一些日常书本中习得的数理测量方法于此并非十分可行，因而值得组织学生开展探究性学习。

对影像地物高度的测量，首先必须清楚卫星传感器在航拍过程中对地物的成像原理。

在Google Earth影像中，受日光影响，地物的阴影随时发生相应变化，以低亮度值表示。假设地物的高度为H，地物的阴影总长为S，α是太阳高度角，L1为卫星航拍所见影长（可通过影像上比例尺进行具体量算）。若卫星与地物影长相对于地物本身处于同一侧时（见下图1），影像上可观察到地物的全部影长，L2=0，即S=L1。则：

图1 卫星与地物影长相对于地物处于同侧

上述解决方法是最易思考到的角度，但是在大多数情况下Google Earth影像中卫星与地物影长相对于地物本身常处于异侧（见下图2）。假设β是卫星对地物的航拍角度（可通过影像基本数据查阅），L2为卫星航拍时地物自身遮挡的影长。则：上述两式联立得：H/tanα- L1= H/tanβ

图2 卫星与地物影长相对于地物处于异侧

通过对Google Earth影像中地物成像原理的剖析，对地物高度测量有了全面的了解，无论卫星与地物影长相对于地物本身处于何种位置，均可进行量算。但对高中生而言，任意时刻太阳高度角（α）的计算方法难度甚高。即便理论上可通过对Google Earth“历史图像”模块的查阅选择航拍时间为正午时刻的影像，再通过所摄日期太阳直射点纬度进而计算此时该区域正午太阳高度角，但这对高中生而言，亦非易事。同时，若L1影长区域存在另一地物遮挡使得L1影长无法完整落于地平面上或因为该区域地势崎岖，都可影响H值的获取。因此，亟待寻求一种简单可行并较为直观的方法对地物进行测量。

二、可视化探究的优势

心理学研究表明：每个思维过程都有与其相反的思维过程，在这个互逆过程中存在着正逆向思维的联结。逆向思维是一种创造性的求异思维。[2]在对地理实际问题系统地思考之后，通过创造性的逆向思维，巧妙利用可视化的方法，对于提高学生科学的思维水平，使之逐步养成良好的思维品质，具有重要的作用。

上述对地物高度测量的方法是建立在地物影长固定的情况下，以寻求地物高度H与太阳高度角α、卫星航拍角度β的数据关系。但由于太阳高度角的计算要求太高，因此不妨引导学生避及此计算环节另觅蹊径。具体流程见下图3：通过三维建模软件构建地物模型，使得三维模型影长与影像中地物阴影朝向一致，如此避免了繁复的计算，并将太阳高度角α确定；之后通过调整模型的高度以使其与影像中地物的影长相重合，如此人眼观测即相当于卫星观测，可自由选择适宜的角度，或通过软件内部自身测量工具直接进行测算，进而获取地物的高度。

图3 获取地物高度的具体流程

Google公司旗下软件SketchUp能方便快捷地进行三维模型的建构，并能对三维模型的阴影、光照进行简单的模拟、分析，以下即以SketchUp 8为平台，进行详细阐述。

1.影像及基本数据的获取

在Google Earth中找到地物所在的影像区域，记录窗口下方该影像的拍摄时间，同时点选“编辑”菜单下的“复制视图位置”（经纬度的显示方式最好为“小数度数”），则该影像区域中心点的坐标被保存至计算机内存之中。

打开SketchUp 8软件，点选“文件”菜单中“地理位置”下的“添加位置”，在弹出的搜索框中按下“Ctrl+V”，则地物坐标被粘贴至搜索框中。“搜索”并调整适当分辨率，点击“选择区域”并“抓取”后，地物所在区域影像即自动加载至SketchUp窗口中，且默认X（红）轴为东西方向，Y（绿）轴为南北方向，Z（蓝）轴则代表高度。同时，重要的是：SketchUp建模的空间数据参数与Google Earth取景时的比例关系保持一致。

2.地物模型构建与太阳高度调整

依据SketchUp窗口中该区域待测地物的轮廓，构建模型。具体操作过程为：选择SketchUp中常用的图形工具（矩形、圆、多边形等），在影像上直接勾勒地物基底的轮廓。点击常用工具栏中的“推/拉”按钮，移至窗口中刚才所勾画的图形轮廓表面之上，进行推拉建模。对构建的模型进行细微调整，使得模型大体上与真实地物表现相似，尤其是对顶部位置的契合，即可满足建模的基本要求。

然后，点选“视图”菜单中的“阴影”，即可发现窗口平面上地物模型影长的显现，但此模型的阴影长度、延伸角度与Google Earth影像上地物的阴影存在较大的差异，此为该地区不同时间太阳方位所引起的太阳高度角的差异所致。

因此，必须对太阳高度角进行调整，使得模型的影长延伸方向与影像平面上地物的影长保证重合。点选“窗口”菜单中的“阴影”，即出现图4所示对话框。勾选“使用太阳制造阴影”，并使得阴影显示于地平面上。随后设定太阳入射的日期，与Google earth中待测地物所在区域影像的拍摄日期一致。选择待测地物所在地区的区时，若待测地物处于116°E，则可设定为“通用协调时间+8:00”，即东八区的区时。由于Google earth影像来自于全球知名商业卫星公司的数据，主要包括美国DigitalGlobe公司的QuickBird卫星、美国EarthSat公司的LANDSAT-7、美国IKONOS及法国SPOT5。[3]以上著名商业卫星为了获取较为清晰的影像，取景时间大多处于当地地方时10:30至11:30之间。不同的取景时间即意味着不同的太阳高度角，因而SketchUp“阴影设置”中的时间初步填写为11:00，然后通过上下键进行时间的微调，直至确定模型阴影与影像中阴影延伸角度相一致。至此，太阳高度角α得到了确定。

图4 地物模型阴影的调整

3.地物高度的获取

点击常用工具栏中的“推/拉”按钮，移至窗口中构建的模型顶层表面，通过沿Z轴对模型高度进行上下推拉，完成对模型及影像平面上阴影的重合（见下图5）。

图5 地物模型阴影与影像阴影重合

至此，地物模型的高度确定。在SketchUp软件中，可通过点击常用工具栏中“尺寸”按钮，移至窗口中对地物模型的高度进行直接测量，所得数据及为真实环境中地物的实际高度。例如，对北京天安门广场上的人民英雄纪念碑进行模拟测量，得碑高37.50m；查阅网上数据可知，纪念碑实际高度为37.94m，差异甚微。

三、总结

随着知识经济的现代化发展，社会对教育行业的要求也因之悄然生变。“学以致用”既是作为古往今来知识体系构建意图的理性回归，也是对新课程改革内涵的进一步升华。对于现今的地理教育从业者，如何引导学生学习生活中“有用的”地理，并授之以渔，从而启发学生举一反三、触类旁通，以致“学习生活中的地理”。这不仅仅是对新课程改革的呼应，更是为学生具备现代地理素养谋求了积淀。

对于实际生活中的地理问题，地理教育者的责任并非知识的简单传授，而应帮助学生对自身构建的知识体系予以融会贯通，寻求可依赖的问题解决思维以实际解决问题。对于地理学科的很多现实问题而言，由于其身处地理环境的客观性，必然要求学生具有相应的空间思维能力。对此，要求学生对实际地理问题进行认识全面，从而努力寻求创造性地可视化解决之道，模拟再现地理问题的场景，进而谋求问题的解决。本文具体以Google Earth影像中地物高度的测量为例，作为地理实际问题中的一例，看似简单其实存有难度，对于学生解决实际地理问题能力的培养颇有意义。

[1] 吴炳义,张军海.GIS可视化与中学地理教学[J].地理教育,2007,(4)．

[2] 高中地理教学中体现的两种思维方式——发散性思维与逆向思维[J].教学研究,2006,(4)．

[3] 谷歌地球[EB].http://baike.baidu.com/ view/720460.htm?fromId=18437, 2013-08-08．