基于MAPGIS的地理信息系统课程实验设计

黄耀裔,苏建云，杨琳珩

(泉州师范学院 资源与环境科学学院 福建 泉州 362000)

基于MAPGIS的地理信息系统课程实验设计

黄耀裔,苏建云，杨琳珩

(泉州师范学院 资源与环境科学学院 福建 泉州 362000)

根据地理信息系统课程的特点，利用MAPGIS软件设计地理信息系统课程实验教学项目，给出了每个实验设计的主要内容及使用到的MAPGIS软件功能，并对其中的地理信息空间分析实验作了详细说明。该实验设计将有助于学生理解地理信息系统理论知识，掌握实践操作能力，提高利用地理信息系统软件解决实际问题的能力。

地理信息系统；MAPGIS软件；实验设计

地理信息系统 (geographic information system，GIS)是一门集计算机科学、地理学、测绘学、环境科学、城市科学等为一体的新兴边缘学科。它为采集、量测、存储、分析、显示、传播和应用空间数据提供了计算机手段[1-2]，在国外已经处于蓬勃发展的阶段。随着GIS在各行各业的普及和软件技术的成熟，对GIS方面的人才需求正连年增长。在这样的环境中，国内许多高校都开始培养地理信息系统专业人才，同时，许多非GIS专业也开设了GIS课程：GIS课程已成为各高等院校相关专业的重要专业课之一。GIS理论性与实践性都非常强，并且具有综合多门学科的特点，因此GIS的教学方式、方法具有一定的特殊性[3]。泉州师范学院的地理科学、资源环境与城乡规划、景观设计等非GIS专业均开设此课程。根据学院以往各个专业GIS课程的教学实践及经验，参照其他高校对此门课程实验开设情况及软件使用情况，本文针对实验学时占比较少的情况，按照“基础性、综合性、设计性”的实验要求对实验项目进行重新设置，让各个实验项目前后连贯，下一个实验项目衔接上一个实验结果，有利于学生熟练掌握整个GIS从数据采集到应用分析的流程。通过实验项目的改革创新，力图培养学生更好地掌握GIS理论知识以及观察、分析、解决实际行业问题的综合能力，促进实验课程教学质量的提高。

由于地理信息系统课程具有多学科交叉与多技术手段集成等特点，课程的信息量大、内容多、涉及学科领域广泛。同时，作为一门理论性较强的学科，传统的教学手段难以使学生理解抽象的概念，因此开展教学改革特别是革新实验教学，以加深学生对抽象概念的理解，提高学习的兴趣具有重要意义[3]。

在综合考虑目前国内外的ArcGIS、GeoMedia、MapInfo、Geostar、XGIS、AutoDesk Map、Bently Geographic、SuperMap等各款软件的基础上，决定采用武汉中地数码有限公司自主开发的MAPGIS软件作为该门课的实验教学平台。力图通过基于MAPGIS软件的GIS课程的实验设计将相关的理论、算法、过程和结果等可视化地显示与表达，为学生理解课堂所学理论提供极大的方便；通过实验为学生今后使用MAPGIS或其他同类GIS软件进行生产应用分析和设计打下技能基础。

1 基于MAPGIS的GIS课程实验设计方案

MAPGIS 6.7主要通过输入子系统、图形编辑子系统、输出子系统、空间分析子系统、库管理子系统、实用服务子系统来管理空间数据和属性数据[4]。根据GIS课程的教学内容，结合MAPGIS软件功能，根据课程学时设计7个实验项目。以下对实验项目逐一加以说明，阐述实验过程中软件的各种功能。

1.1 空间数据采集基础准备实验

地理空间信息中的图形矢量数据是GIS作为空间信息系统的主要特征，也是GIS的重要数据类型，是学习GIS课程的首要解决问题，是基础中的基础。而矢量数据通常通过栅格数据(或者遥感数据)矢量采集而来，因此对栅格数据的配准校正是矢量数据采集准确的基础保证[4]。本实验设计的目的是让学生掌握如何对通过扫描的地图矢量化进行配准校正。

实验简要步骤：单击“文件”菜单下的“打开影像”命令，打开待校正的非标准影像-单击“镶嵌融合”菜单下“打开参照文件/参照线文件”命令—单击“镶嵌融合”菜单下“删除所有控制点”命令—单击“镶嵌融合”菜单下“添加控制点”命令，依次添加至少四个控制点—分别单击左边影像内一点和右边线文件中相应的点，并分别按“空格键”确认，系统会弹出提示对话框，单击“是”按钮，系统会自动添加一控制点—单击“镶嵌融合”菜单下“校正预览”命令—单击“镶嵌融合”菜单下“影像校正”命令，并保存校正结果。栅格影像校正界面如图1所示。

1.2 空间数据点、线矢量采集实验

通过本实验让学生加深对地图矢量数据类型、生成方法等的认识。此实验要求学生理解文件和层概念的区别以及锻炼学生在矢量实验的过程中认真、严谨、细致的作风。笔者认为MAPGIS软件在数据采集方面比国内外同类GIS软件更加方便快捷。

实验简要步骤：单击“输入编辑”子系统，建立一个新的系统工程文件—单击“矢量化”菜单下的“装入光栅文件”命令，装入待矢量化的光栅文件—根据光栅文件的相关信息在TOC面板上右击分别建立各种(点、线)要素子文件。在采集的同时结合F5(放大)、F6(平移)、F7(缩小)、F8(加点)、F9(退点)、F10(反向)、F12(捕捉)功能键进行矢量数据的采集，提高采集的效率[4]。

图1 栅格影像校正界面

1.3 空间数据拓扑处理及区数据矢量化实验

在GIS软件中，拓扑是一个重要的概念，并且也比较抽象，拓扑的主要意义在于保证数据质量。拓扑在空间数据模型中表达和规定数据之间的空间关系，通过表达和规定这些空间关系，拓扑尽可能将地理数据与现实世界保持一致。拓扑是精准地表达空间数据的有效方法，通过严格地约束要素之间的关系，提高了空间数据的准确度和可用性[5]。由于在理论课上学生较难理解此抽象概念，因此，设计此实验就在于让学生从直观的计算机界面中理解拓扑的含义。

在MAPGIS软件中拓扑步骤为：数据准备—自动剪断线—清除重叠坐标及自相交—清除微短线—自动结点平差—线转弧段—关闭线文件或清除线工作区—装入转换后的弧段文件—拓扑查错—拓扑重建—弧段转线。

1.4 空间信息属性库构建与属性采集实验

属性数据作为空间图形数据的属性特征，在地理模型运算中起着重要作用，是空间分析的基础和依据，通常以二维关系数据库的表格形式存在，每一空间对象实体都对应各自的属性表格，属性表格中通常有字符、数字等类型的属性字段。本实验的目的是让学生认识空间信息属性数据，掌握对空间数据进行属性采集、属性编辑及属性同空间数据的连接方法。

实验步骤：利用MAPGIS软件属性信息采集的两种方式建立地理对象实体属性表、属性表编辑修改与实体对象属性的连接。1)单击“输入编辑”子系统—添加矢量数据并处于可编辑状态—右击选择“修改属性结构”进行属性表的构建，如图2所示，单击“修改属性”进行属性信息的采集。2)单击“库管理”子系统—属性库管理—装入相对应的矢量文件—单击“结构”中的“编辑属性结构” 进行属性表的构建—单击“属性”中的编辑“属性结构” 进行属性信息的采集。

图2 编辑属性结构对话框

1.5 空间数据地图库建设与应用实验

采集的数据大多属于表面数据结构或单个的数据文件。这种数据结构缺少空间数据联系，未能进一步提供数据分析与评价，构建地图数据库在数据获取的过程中，用于存储和管理地图信息；在数据处理的过程中，可以提供大图的查询；在检索和输出的过程中，是形成绘图文件或各类地理数据文件的数据元[6]。其实验内容：新建一个图库类型—设置图库层类结构—录入层类数据—保存地图库。

1.6 空间数据缓冲、叠置、网络分析实验

强大的地理信息空间分析功能是地理信息系统区别于其他计算机信息系统的首要特征，也是地理信息系统的主要功能特征。利用空间分析功能，对地理信息的空间数据进行实验和演算，可以得到新的地理模型与地理知识经验，形成指导地理行为的决策依据。它是地理信息系统的核心和关键，在教学实践中是教学重点，同时也是教学难点。针对该难点和重点，利用MAPGIS软件，我们将地理信息空间分析实验分解为缓冲区分析、叠加分析、数字地面模型(digital terrain model，DTM)和网络分析4个子实验。

1.6.1 缓冲区分析

缓冲区分析是研究数据库的点、线、面地理实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲多边形，实现空间地理数据在水平方向扩展的信息分析方法[7]，如图3所示。本实验的目的:理解掌握空间信息缓冲区分析的基本原理和方法；熟练掌握MAPGIS缓冲区分析的技术方法；能够利用缓冲区分析方法解决地学空间分析问题。实验内容包括：缓冲半径的设置，点、线、面数据的缓冲区原理验证分析，缓冲区分析的实际地理应用。

图3 缓冲分析

1.6.2 叠加分析

地理信息中的叠加分析是将有关地理专题要素层进行叠加产生一个新的数据层的过程，包括栅格数据的信息复合分析与矢量数据的叠加分析，如图4所示。实验目的：理解掌握叠加分析的基本原理和方法；熟练掌握MAPGIS中叠加分析的方法，包括点、线、面的合并、相剪、相交、判别的分析；使用叠加方法处理地学实际问题。

图4 叠加分析

1.6.3 DTM分析

数字地面模型是对地形地貌的一种离散的数字表示，是对地表地形进行描述的一种数学方法表达[8]，如图5所示。DTM分析是地形学领域较为普及的应用。本实验的目的；让学生理解DTM建立过程的原理方法；掌握MAPGIS中进行DTM分析的技术，并能解决地理实际问题；同时可以触类旁通地掌握不规则三角网(triangulated irregular network，TIN)分析。

图5 DTM分析

1.6.4 网络分析

网络分析基于地理空间矢量数据，主要进行最佳路径选择、地址匹配、资源分配等[9]。实验目的：理解网络分析的基本原理和方法；熟练掌握MAPGIS中的网络分析方法，并能够处理地理实际问题。

具体实验步骤：单击“空间分析”子系统中的“网络分析”—装入网文件—进行最短路径、最优路径等分析；如图6所示。

图6 网络分析

1.7 专题图的制作及输出实验

本实验是对前几个实验的总结和综合，通过前几个实验，学生自己亲手排版制作一张专题地图。专题地图是实验成果的直观表现。实验目的：掌握专题地图制图的一般方法和步骤；加深掌握数字化、图形编辑、色彩搭配等制图要领。

实验内容：实验底图专题要素选择、数字化、编辑、专题要素图例符号化、图例编辑修订、地图整饰等。

2 结束语

对地理信息系统实验项目进行设计，要求学生在学习理论知识的基础上学习GIS相关软件，以MAPGIS6.7进行课程实验设计，设计的7个实验项目涵盖了GIS课程大部分的理论知识。通过老师的演示和学生单独上机实践，力图帮助非GIS专业的学生理解和掌握GIS课程的内容，并且能够将GIS结合到自己的专业中去。此次实验教学改革在相关专业进行试点，取得较好的实验效果，少数优秀学生毕业后直接被相关部门录用，为GIS在政府部门的推广应用做出贡献。今后将继续根据地理信息行业和软件业的发展不断地改进和完善。

[1]龚健雅．地理信息系统基础[M]．北京：科学出版社，2001：37-51.

[2]王春，李鹏．地理信息系统概论实验教学改革探索[J].滁州学院学报，2009，11( 2)：100 - 102．

[3]程先富，吕成文，吴庆双．地理信息系统课程双语教学的实践与思考[J].实验科学与技术， 2009，7 ( 6)：106 - 107．

[4]吴信才．MAPGIS地理信息系统使用手册(数字制图篇)[Z].武汉：武汉中地信息工程有限公司，2001．

[5]田雨，郑文华，卢秀山，等．地理信息系统GIS课程实验教学体系改革[J].实验室研究与探索，2006，25(6)：1246-1248．

[6] Kang Tsung.地理信息系统导论[M].7版.陈健飞，连莲，译．北京：科学出版社，2014：112-130．

[7]包玉岩，包英格，彭晓娟，等．ArcGIS缓冲分析的应用——以内蒙古和林格尔县为例[J].内蒙古科技与经济，2014(3)：115-117．

[8]高孟绪，任志远，薛亮，等．基于MAPGIS的DEM制作技术研究[J].陕西师范大学学报(自然科学版)，2008，36(4)：89-92．

[9]肖永东，朱劲松．基于MAPGIS的网络分析实现[J].数字技术与应用，2010，12(2)：5-6．

Geographic Information Systems Course Experimental Design Based on Software of MAPGIS

HUANG Yaoyi，SU Jianyun，YANG Linheng

(College of Resources and Environment Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China)

According to the characteristics of geographic information systems courses using MAPGIS software design, Geographic Information Systems course of experimental teaching project gives the main content of each experimental design and the use to which MAPGIS software features, and one of the geographic information spatial analysis experiments explained in detail.This experimental design will help students understand the theoretical knowledge of geographic information systems and master the practical ability to learn the use of geographic information system software to solve practical problems.

geographic information system; MAPGIS software; experimental design

2014-09-28；修改日期:2014-10-20

福建省创新实验项目(201410399032)。

黄耀裔(1983-)，男，硕士，实验师，主要从事环境信息系统开发与实验室管理工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.022