基于Google Maps API的野外地理综合实习平台

葛小平，王鑫浩，杨胜飞，丁贤荣

1.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.宁波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 宁波 315192

实践教学

基于Google Maps API的野外地理综合实习平台

葛小平1，王鑫浩1，杨胜飞2，丁贤荣1

1.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.宁波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 宁波 315192

以Flex结合Google Maps API构建野外地理综合实习平台，旨在引导学生对实习区域主动探索、丰富教师的网页端学生管理，完善教学环节设置，拓展地学实习资源的共享。该平台通过Android手机客户端和网页端，结合数字通信技术与后台服务器双向集成，手机客户端实现了实习资源下载接收，地质、地形、遥感地图匹配使用，实习线路与观测点导航，观测点教学要求查询等功能；网页端则结合实习区域的典型现象等，根据各教学环节对实习要求掌握的基本知识、基本理论、基本技能进行组织、定制和共享；通过两者的组合应用，学生在课时紧张的野外教学中，“三基”掌握效果优良。平台通过共享和定制功能，推广价值极大。

研究型教学；野外地理实习；Android系统；地理信息系统

一、引 言

“自然地理学”作为阐述地球表层系统相互作用的核心专业基础课程，其实践性教学环节在课程教学中占有重要地位，是对课堂教学内容的升华。当前自然地理实习很大程度还是依托传统模式，存在着诸多问题：分类局部地区实习多、区域综合性实习少，主要讲解验证模式，认知考察性实习多、探索应用性实习少等［1］。这种以教师为主导的教学模式，对于学生掌握教学内容和实现教学目标而言，效果短暂、收获有限，学生很难真正将地学野外工作思路和方法扎实地掌握。如何解决这一难题，教师由主导转变为引导，学生由被动为主动的探究式教学模式值得深入探讨［2-7］。

移动GIS平台的发展极大地方便人们的生活，设计开发智能手机地理信息应用是其中重要的一部分［8-10］。与此同时，一部分学者在3S技术（遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS）和移动互联网技术的支持下，设计开发用以野外地理实习的专业系统［11-13］，但是在移动设备快速发展的情势下，LBS（基于位置服务）［14］和共享性有待进一步提升。因此，本文提出将野外地理实习系统移动端与服务器端结合，将自然地理学野外实习的目标、内容、任务要求按照研究性教学认知规律整合，设计具有教师学生间互动到各高校教师间互动以至于区域性、全国性的地理野外实习综合平台，真正做到师生互动、案例共享、区域综合，丰富地理野外教学内容，以期达到最佳教学效果，实现了Android版本的移动客户端和WebGIS网络客户端开发。

二、实习教学目标与平台需求分析

当前学生在“自然地理学”课程学习中存在的各种问题，如：地学基础薄弱，地学感性认识欠缺；缺乏自然地理理论与实际地理现象紧密联系的能力；学习兴趣与积极性不强，只为学分；对自然地理现象感性认识少，死记硬背多的状况。针对上述问题，实习内容组织及实习平台构建以地貌学为主线，从地质内动力造貌，地貌外动力塑造，生态环境形成，到自然地理规律等，通过解析地质学、地貌学、气候学、环境生态学和自然综合等自然地理现象与过程，强化自然地理学基本知识、理论和方法的“三基”培训，帮助学生构建自然地理知识体系（表1），培养其现象和规律、局部和整体、实际和理论的时空地学素养。

表1 实习教学环节基本知识、理论和方法培训内容

三、系统架构

1.系统总体结构设计

根据以上设计需求，系统平台总体结构由前端（移动端、桌面端）和后端（服务器端）的双层B/S结构构成。桌面端以Google Maps数据读取、自定义地图数据匹配、实习路线查询、实习内容查询、师生互动、地理位置查询、当前气象信息、地图截图、资料下载为主。移动端以在线地图浏览、数据共享、地理定位、资料查询为主。两层内容均依托后台服务器，实现双向通信。后台服务器模块由Tomcat7.0轻量级Web服务器和SQL Server 2008数据库管理平台组成，提供系统的数据存取功能（图1）。

图1 系统总体结构设计

2.系统开发环境

Android OS以Linux操作系统为基础，自下而上 由 Linux Kernel，Android Runtime，Libraries，Application Framework，Applications构成［15］，并对多种传感器有良好的支持［16］。考虑到众多GIS格式数据间互不访问易产生信息孤岛［17］， Google Maps API对OGC WMS、KML和Shape File有 着良好的支持性［18］，因此在Flex Builder 4.6平台下结合Google Maps API 1.22对系统移动客户端和桌面端开发。移动端运行在搭载Google Android系统的手机上，借助Flex Builder 4.6的Android手机开发框架开发富客户端的手机应用，提供给用户接近原生效果的手机应用体验。系统后台在MyEclipse平台下结合Flex的RemoteObject组件和BlazeDS第三方插件、Tomcat轻量级服务器，采用java语言实现Flex与后台数据库交互。

3.数据库设计

服务端选用SQL Server 2008作为系统的后台属性数据库系统管理平台，根据系统的建设需求，数据库表结构设计为用户管理模块和业务管理模块。用户管理模块由用户注册、用户登陆、系统登陆日志表构成，业务管理模块由实习位置信息、实习内容、图片信息表构成。数据库表设计如表2所示。

表2 数据库表设计结构

4.服务器后台交互

Flex与后台数据库交互通用的有三种方式：RemoteObject、WebSerivce、HTTPService。 其中WebSerivce可通过C#、VB等语言编写服务并发布XML数据格式服务供前台Flex端调用解析；RemoteObject可通过LCDS、BlazeDS实现前台Flex与后台Java通信，从而通过Java与数据库实现交互。BlazeDS是一个基于服务器的Java远程控制和Web消息传递技术，它能够使得后端的 Java应用程序和运行在浏览器上的Adobe Flex应用程序相互通信。考虑到BlazeDS的免费性，本系统后台服务器采用Flex 的RemoteObject组件和BlazeDS第三方插件以及Tomcat7.0轻量级Web服务器实现Flex与后台数据库交互。一方面服务器后台根据前端的数据请求返回相应结构的数据，如地图数据、实习标准化表格内容、扫描地形地质图等；另一方面服务器后台接收、集成管理前台发送的实习点位置信息、共享资料等。前台（桌面端、移动手机客户端）与后台（服务器端）的数据交互格式统一为ArrayCollection数据格式。

四、系统主要模块实现

（一）移动端模块实现

该野外实习平台移动端采用GPS、GPRS、Google Maps API、数据库等技术，部署在安装Android系统的手机中，通过手机客户端操作界面，即可实现观测区域遥感图和地形图以及地质图的显示、定位、导航和路线记录功能，实现对实习目标、内容、要点、路线以及基础知识和基本理论的管理、显示和查询功能。观测记录以电子表单形式标准化，便于对野外实习过程中理论与实际的训练进行强化，利于增强学生基本知识、基本理论和基本技能的实际应用。针对上述需求和功能，构建系统子模块包括：实习资源加载模块、实习区切换模块、实习要点显示查询模块、观测记录登记模块、定位导航和监控模块。

1.实习资源加载模块

通过选择自定义实习内容或者共享实习资源，初始化加载Google Maps矢量地图和卫星地图（图2），作为基础底图。文本、图像、视频以及其他多媒体资料，以KML数据形式下载到手机客户端，选择性加载使用。

2.实习区切换模块

选择性增加实习区域扫描的地形图和地质图并通过鹰眼模式分屏动态显示实习区域的高清遥感、地形和地质图形等基础地理信息，学生在熟练判读使用三种图件后，能够同时对于地表、地形、地质和地貌的相互影响及作用关系深入了解。叠加地形图和地质图如图3、图4所示。

3.实习要点显示查询模块

采用点—线—面的组织形式将实习点、观测路线和实习区域在地图显示平台上发布显示；对各实习点、路线和区域的要点知识和背景资料等属性，以文字、剖面示意图、典型照片、解说音视频等形式进行整理入库，供学生预习和实习中查询，同时也可减轻学生携带大量纸质资料的压力。

4.实习观测记录模块

根据实际观测点位置以标准电子表单的形式添加标注，供学生将实习过程中观测记录数据（观测点编号、位置、观测目的、岩性、地层、地貌、标本、照片编号等）进行登记，强化学生对野外观测和记录方法的训练。同时平台还可以供学生在实习过程中的典型现象、新发现或新问题进行标注和提问。

5.实习路线定位、导航和监控模块

通过接收GPS卫星信号，获得学生实时地理位置信息，结合地图显示平台和实习要点显示查询平台发布的实习点、观测路线和实习区域位置信息，进行手动目的地导航或实习路线自动任务导航，并可根据一定的时间间隔将实际实习路线轨迹进行绘制、记录、存储和导出，强化学生在野外工作的方向和方位感，此外教师还可以实时监控学生实习位置，增强安全管理。GPS定位功能和实习点查询功能如图5、图6所示。

（二）网页端模块实现

1.虚拟实习模块

浏览器直接调用Google Maps API浏览在线地图，根据用户需要，自定义添加地质图、地貌图、遥感图。通过查询实习地点，定位到实习区域，可以自定义观测点、实习路线、实习区域并获取详细的空间信息。实时显示实习点坐标、实习路线长度、实习区域面积等基础地理空间信息，并定制观测要点。

2.自主学习模块

在选择实习地点以后，实习内容以电子手册的形式将观测区域的基本知识、基本理论、基本方法展现给学生。知识体系以矿物、岩石、地层、地貌现象、植被土壤等基础知识与沉积相、内外动力作用、植被分布等理论相结合，配合视频图像等多媒体资料构成，通过线上学习，以加强学生对现象和规律、局部和整体、实际和理论的认知，为野外实习基本技能打好基础（图7）。

3.实习内容定制与共享

在网页平台注册后，根据指导教师的学校、姓名、版本号、实习地点，以Google Earth通用的KML等通用文件格式，生成新的案例，通过几何服务，自定义观测路线，并对实习区域，观测线路、观测点数据进行编辑后，共享至服务器，供用户下载。

五、结束语

结合GIS技术与Google Maps API深度定制的野外地理综合实习平台不仅完善了实践性教学环节的互动与教学资源的共享，更促进了移动和PC平台的地理野外实训教学高效集成发展，短期内可以迅速转换教与学的主导因素，增强学生能动性，提高教学成效，更长远的可以扩充平台的适用性，是对地理野外教学平台设计的一种创新理念。本文在对野外地理综合实习平台需求分析的基础上，对系统功能模块的定制进行了深入的研究，并率先在宜兴张渚盆地的野外综合实习教学中，对该平台进行了使用验证，得出如下结论。

图2 手机端系统主界面

图3 地形图叠加界面

图4 地质图叠加界面

图5 GPS设备检测

图6 实习点定位

图7 自主学习模块界面

（1）根据系统需求定制PC端WEB平台，包含了学生补充学习和教学内容扩展模块和教学管理模块，学生通过虚拟实习，自主实习，能够较好的完成张渚盆地野外综合实习的课前准备环节。教师管理页面通过对学生信息管理、教学资源发布共享，在首次测试中易用性体验较好。WEB端扩展性强、易定制，是教师带队培养模式的有力补充，也促进了跨平台教学与管理技术的升华。

（2）以学生互动教学为主的移动客户端上，学生通过对目标区域的实习要求，获取实习路线，通过GPS定位到实习点，通过地质、地貌、遥感影像的匹配等教学媒体优化组合，由表及里的对目标区域基本地理概况和基础知识进行深入学习。实习结果表明，野外教学效果优秀，学生知识掌握情况较好，达到了本平台构建的实践性、探究性等初步要求。

（3）基于Google Maps API的野外地理综合实习平台采用KML兼容文件格式，导出数据可直接加载到谷歌地球上浏览，又可将不同来源的实习区KML数据纳入平台使用，内容的兼容性和扩展性强；通过平台KML数据共享，互通有无，丰富了野外优良地理实习地点信息，满足各高校地理综合实习需求，可改善当前野外实习区因开发等因素不断被破坏减少的局面，推广价值极大。

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research teaching； field geography practice； Android system； GIS

G642

A

1006-9372（2015）01-0114-05

2014-08-20。

河海大学研究型教学示范课程建设项目。

葛小平，男，讲师，主要从事自然地理与水利、海洋信息化研究工作。

Title： Integrated Field Geographic Practice Platform Based on Google Maps API

Author（s）： GE Xiao-ping， WANG Xin-hao， YANG Sheng-fei， DING Xian-rong