面向GIS专业的计算机图形学课程教学探讨

应 申，翁 敏，王明军

（武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉430079）

计算机图形学是随着计算机和信息化的发展而崛起的一门专业基础课程，研究如何在计算机中表示、计算、处理和显示图形的相关原理、方法和技术［1－2］，其主要涉及图形硬件设备、图形绘制算法和图形系统、交互技术、几何变换以及真实感图形生成等内容。其内容确立了计算机图形学为众多信息相关专业的基础课程地位，如荷兰代尔夫特理工大学为工程相关专业开始本课程［3］。地理信息系统专业主要系统地提供从多维地理空间信息获取与处理、存储与管理、分析与查询、到信息开发与应用的各个环节的基本理论知识、方法和技能；该专业的特征集中体现在地理信息系统（Geographic Infor mation System，GIS）上。海量的点、线、面图形绘制和缩放、漫游操作，是目前GIS图形系统的主要特征。自地理信息科学专业设置以来，作为专业必修的计算机图形学课程，在教学中，普遍存在如下几个问题，如重计算机图形学的基本算法和理论、轻专业结合，进而存在实习实践不足、学习期望和教学效果之间的差距较大等问题。GIS专业具有较强的实践应用性［4］，相关课程设置时应充分考虑到本专业的特点［4－5］，采用适宜的教学内容和教学方法［6－10］。本文针对GIS专业内容和特征论述计算机图形学课程的教学过程，以内容为导向，增强学生对计算机图形学和GIS的认知。

1 计算机图形学课程教学内容与GIS专业的紧密结合

计算机图形学和GIS都是以计算机为依托，利用计算机的高效计算分析性能实施应用并完善和发展自身。计算机图形学为GIS提供图形基础，同时GIS丰富和扩展了计算机图形学的应用。

1．1 计算机图形学与GIS教学内容的融合

计算机图形学的内容与GIS有紧密联系，在教学中要有效的抓住两者的结合点，有意识有目标地教学，下面列举几点两者的关联部分，并以硬件发展和基本图形算法进行详解：

1）讲解计算机图形学课程中的图形设备、图形标志和交互技术时 有目的的介绍GIS扫描仪 绘图仪等设备，GIS软件开发和图形开发遵从的图形标准，虚拟现实以及移动GIS等，充分利用和综合现有的图形交互技术。

2）讲解计算机图形学课程中的曲线、曲面以及几何造型的内容时，充分结合GIS中的二维和三维模型构建需要曲线、曲面的支持和建模。

3）讲解计算机图形学中的裁剪、二维和三维图形变换，密切结合GIS中图形可视化中的窗口视口变换、坐标变换、空间操作、基本的缩放漫游以及地图投影等，将理论与应用有效的结合。

4）消隐和真实感图形绘制是GIS中地形可视化、虚拟现实的基础。

5）图形学界面和接口设计中的回退机制、反馈机制等也是GIS软件应具备的功能。GIS用户进行重绘、拾取、或定位地理目标等操作，也需要图形学中的绘制和拾取技术进行支撑。

1．2 介绍与时俱进的硬件发展和前沿应用领域

结合当前相关软硬件发展和前沿动态及热点，把计算机图形学有效地和GIS应用热点相结合进行讲解。图形学硬件发展领域的突破和变革会直接导致GIS领域的重大变革，如虚拟现实、移动设备，教学中也通过让学生亲身体验三维虚拟场景、佩戴G＋眼镜来感受可穿戴式设备，理解虚实结合和应用。同时GIS的应用和发展也推动计算机图形学可视化发展，如大数据与地理空间结合，百度地图等对轨迹展示。计算机图形学中的图形界面、人机交互、虚拟现实等广泛地应用到GIS中，这些技术作为多样化的辅助手段对GIS的应用和高效运转提供了更多可能 清晰 简单而美观的图形界面、设计合理的用户接口，为提供了全新的用户体验，有效地促进了地理信息的交流与传播、使用和应用，如多点触摸和语音控制移动终端带来电子地图的大众化和操作简易化。在新的计算机图形学技术发展影响下，现实设备的增强和移动化、GPU／CPU的计算、内存／显存的存储、全息成像等已成为计算机图形学中软硬结合的主要方向，这对移动互联GIS、大数据GIS尤为重要。

1．3 融合GIS专业的计算机基本图形算法的教学

把GIS的相关专业认知与计算机图形学内容相结合，让学生意识到两者的紧密性，一方面增强同学们对计算机图形学的学习兴趣和信心，另一方面为GIS专业的学习和扩展打好坚实的基础。计算机图形学理论强，涉及面广，发展快。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。如何在计算机中表示图形以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。而地理信息科学中对地理信息最基本的建模和可视化就是对地理对象的几何表达（点、线、面）和符号化（颜色、线型、填充类型等），这是地图符号（如高速公路）的基础。计算机图形学的基本图形算法和技术为GIS和地图学中的要素可视化提供着不断的支持。如反走样技术，由于图形的走样，图形在绘制时会出现锯齿，这不仅会影响地图的美观，更重要的还影响着地理信息表达的精度；引入反走样技术可以完美的解决这个问题（如图1）。

图1 计算机图形学的反走样技术与GIS符号结合的教学

2 基于创新能力培养的教学方法改革

2．1 教学与实践的深度结合

计算机图形学课程不仅在于基本算法和原理的学习，更在于动手能力的培养和提高。GIS的图形系统中需要大量的基本图形（点、线、面）符号绘制、定位、漫游和缩放等，这些都与计算机图形学的基本图形算法和操作紧密相关。为了确保本课程和专业教学质量和效果，笔者结合专业特征，一方面选择实践内容融合专业，绘制“道路”、“居民地”等地理要素，绘制基本的线、面图形和配置属性；另一方面，充分发挥地理信息科学专业学生已具备的编程能力 通过学过的C语言和数据结构课程 进行多环境多语言的实践。传统的计算机图形学教学采用Tur bo C为上机实习平台，而全新流行的可视化编程环境，对学生的吸引力更大。因此依据专业内学习其他课程具备的知识和能力，教学中学生可根据自己对编程语言和环境的掌握来自主选择，可采用．Net、Matlab、Visual St udio C＋＋等实施开发，实现基本图形绘制和地理数据的表达。通过教学和实践结合、计算机图形学课程和GIS专业培养结合，学生的实践能力有效提高，增强了GIS专业的技能培训。

2．2 充分抓住可视化主题

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上展示，并进行交互处理的理论、方法和技术。可视化将不易理解的、难以直观表达的数据用图形图像的形式呈现在人们面前，便于对数据的理解，也有利于算法的直接表达，如股市行情，能量流、物质流。它涉及多个领域，成为研究数据的表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。计算机图形学为GIS的可视化提供理论支持，GIS是图形可视化在地理信息领域的具体应用。可视化在GIS中是典型的数据输出，做到数据的可视化、数据变化的可视化和数据分布的可视化。

GIS虽然有着众多的功能划分，如数据管理、数据存储与组织、查询检索、空间分析等。基于空间认知和地理学的特征，对地理信息的可视化几乎贯穿GIS的各个环节和方面，也使得图形可视化更为突出；此特征促使计算机图形学的图形算法和可视化成为GIS的一个重要内容。GIS中的空间信息以及落地定位后的社会经济属性数据的可视化和动态推演，都需要应用计算机图形中的可视化技术，利用计算机图形学中的语言支持、数值分析和算法、虚拟现实、友好界面设计等来完成各种模拟和可视化。

2．3 多课程协调，互为补充

计算机图形课程的内容和GIS专业的其他相关课程具有较强的相关性，如地理空间分析基础算法、空间分析、GIS原理与方法。它们在侧重点上不同 但是却整体上相互补充和增强 形成对GIS专业内容的完整构造。针对计算机图形学为GIS提供基础的算法和可视化手段，开展计算机图形学与GIS互为“媒介”的综合性讨论，分析讨论两者之间的关系。计算机图形学与GIS学科交叉和科技的发展而不断的交织发展，同时它们之间也相互依托、交融。

3 结 语

地理信息系统专业作为与IT相关的专业，在教授计算机图形学课程时充分发挥两者信息结合、内容结合和实践结合的特征，可以有效地让学生在学习好基础课程的同时，夯实对GIS专业的掌握。本文仅从内容结合和教学方法上进行探讨，在新环境下，下一步继续根据综合教改情况，进行教学模式（如MOOC）、大学生众创进行探讨和研究。

［1］ 赵明．GIS专业“计算机图形学”课程建设与改革初探［J］，教育教学论坛，2012，（S2）：83－84．

［2］ 吴正升，郭健．GIS专业“计算机图形学”课程建设与教学改革［J］，测绘与空间地理信息，2011，34（2）：10－12．

［3］ JANSEN F W，PETER R．Van Nieuwenhuizen．Computer graphics education at Delft University of Technology［J］．Co mputer ＆Graphics．1995，19（3）：461－465．

［4］ 郭庆胜，冯代鹏，杜清运．“地理信息系统工程设计”课程的教学改革研究［J］，测绘工程，2013，22（4）：90－96．

［5］ 王新志，曹爽，孙景领．测绘专业“面向对象程序设计”课程教学实践与思考，测绘工程，2012，21（2）73－76．

［6］ 余旭，马莉，张兴福．测绘工程专业“GIS软件设计”课程教学探讨［J］．测绘工程，2010，19（4）：77－80．

［7］ 刘涛．GIS软件二次开发课程教学改革探讨［J］．测绘与空间地理信息，2014，27（7）：16－18．

［8］ 蒋廷臣，焦明连，董春来，等．测绘卓越工程师素质培养方案研究［J］．测绘科学，2014，27（9）：145－147．

［9］ 郑贵洲，王琪，晁怡，等．GIS专业人才培养的实践教学体系构建［J］．测绘科学，2014，27（9）：148－152．

［10］刘冰，郭加书，卢秀山．改革实践教学体系，造就GIS卓越工程师［J］．测绘科学，2014，27（9）：153－156．