组件技术在GIS原理实验教学中的应用

2016-02-13吴会胜安聪荣李连伟

中国石油大学胜利学院学报 2016年4期

关键词：教学软件原理组件

吴会胜,安聪荣,李连伟

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580)

组件技术在GIS原理实验教学中的应用

吴会胜,安聪荣,李连伟

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580)

为了加强学生对GIS原理课程中理论知识及算法原理的理解,将组件技术引入到实验教学,编程实现GIS常用功能并预留开发接口,形成与理论知识紧密度较高的适宜性实验教学软件,引导学生基于扩展接口编程实现算法原理。实践表明,基于组件技术的GIS原理实验教学不仅能够使学生深入理解并掌握理论知识,而且能培养学生的实践能力和创新意识。

GIS原理;组件技术;实验教学

GIS(Geographic Information System,地理信息系统)是在计算机软硬件支持下,以采集、存储、管理、分析及显示与空间和地理分布有关数据的空间信息系统[1],是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、信息科学和管理科学为一体的发展迅速的新兴交叉学科[2]。GIS原理是地理信息科学专业核心课程,也是相关专业的一门必修课程;实验教学是GIS原理授课重要组成部分,通过实验教学旨在加强学生对所学理论知识及算法原理的理解[3-4];适宜性实验教学方法和手段是关乎教学质量的关键。针对GIS原理实验教学中存在的问题,引入组件技术,通过编程实现GIS常见功能并预留开发接口,形成与所授理论知识紧密度较高的适宜性实验软件,并引导学生将所学算法原理基于可扩展接口进行编程实现,对培养学生的实践能力和创新能力以及提高教学质量具有重要意义。

一、GIS原理实验课程设置

GIS原理课程为中国石油大学地理信息科学与测绘工程两个专业的核心课程,于本科大三上学期开课,共设56学时,其中上机实验14学时,学时的分配根据实验内容的难度和内容确定,实验内容及学时分配如表1所示。

表1 实验名称、内容及学时分配表

实验内容涵盖从空间数据采集、存储、管理、分析到结果显示的完整流程,涉及理论授课的绝大部分主要内容。

二、GIS原理实验教学存在的问题

传统的GIS教学实验在课程安排方面,根据各实验设置内容分别安排在相应理论授课之后,以便于学生对理论知识的掌握和巩固。在教学方法方面,利用上机操作进行实验练习,在学生明确实验要求和方法的前提下,指导学生操作软件达到实验目的。在软件使用方面,主要利用美国环境研究所(ESRI)的ArcGIS商用软件进行上机实验[5],所使用的软件版本由早期的ArcInfo 8、ArcGIS9系列到目前的ArcGIS10系列。

随着GIS应用的发展与推广,近几年学生在学习GIS原理课程中有关基础知识的掌握情况及软件操作能力已有较大提升,所设实验内容已显淡薄,尽管已经有高校进行了相关方面的教学改革研究[6-7],但以操作商用软件为主的实验教学,在实验的中后期阶段已经不能较好地达到教学目的,尤其在学生的实践能力和创新意识培养方面更是力不能及,存在问题主要表现如下:

(1)ArcGIS作为成熟GIS商用软件代表,工具型特征是其最大特点,尽管某些功能可以用作实验验证部分GIS原理和算法,但总体上看其与理论教学的关联不够紧密,不能完全满足实验教学的需求。

(2)GIS商用软件功能模块的封装较为彻底,而且实现技术大多不公开,学生仅凭操作软件无法领悟功能实现的具体原理和算法流程。

(3)基于某原理的算法实现可能有多种,操作软件的实验可能存在实现算法未知的情况,更是无法做到对各种算法的优劣性比较。

(4)尽管有些商用软件提供了开发接口,但是其功能有限、灵活度不高,不能满足学生设计算法实现原理的要求,不利于创新意识的培养。

(5)商用软件价格不菲,而且更新速度快,一方面基于商业软件的实验教学投资较大;另一方面商用软件大多数功能在实验中用不到,存在“大材小用”现象。

三、组件技术在实验教学中的应用

(一)组件技术

组件技术(compenent technology)是在面向对象技术(OOP)基础上发展起来的,其基本思想在于创建和利用可复用的软件组件来解决应用软件的开发问题。基于组件技术的地理信息系统——组件式地理信息系统(ComGIS)是基于组件对象平台,以一组具有某种标准通信接口的允许跨语言应用的组件提供的GIS,是传统GIS技术与组件式软件设计技术相结合的产物。

GIS组件技术的不断发展,已经由简单功能发展到组件的灵活重组,而且实现了具有可视化的界面和使用方便的标准接口[8]。目前,各大GIS厂商陆续推出了各自的GIS组件,诸如ESRI推出的MapObjects、ArcObjects和 ArcEngine、MapInfo公司的MapX、Intergraph公司的 GeoMedia、超图公司的SuperMap objects,中国地质大学研制的MapGIS,武汉吉奥公司推出的GeoMap,泰坦公司的Titan二次开发平台等。

(二)基于组件技术的适宜性实验教学软件

1.适宜性实验教学软件的设计

适宜性实验教学软件应立足于理论知识和算法原理的理解、掌握和拓展,针对学科的课程体系设置、学生的软件操作和开发能力特点,利用面向对象的思想,基于UML语言进行系统总体设计。

软件体系结构采用C/S构架模式,基于软件模块化设计的原则和方法,设计系统的一二级模块(图1);一级模块功能如下。

图1 适宜性实验教学软件一二级模块设计

(1)视图操作模块

该模块主要实现:①空间数据的加载,包括常见矢量格式数据(shapefile、dwg、coverage、geodatabase等)、栅格格式数据(grid、tiff、jpeg等)、文本格式数据以及mxd、pmf文档;②地图数据的常用浏览功能,包括放大、缩小、地图平移和全图显示;③鹰眼视图功能以及属性信息的查询统计功能,实现“空间查属性”和“属性查空间”;④数据的导出、文档的保存以及地图的打印功能。

(2)空间参考模块

鉴于GIS数据使用时经常需要进行地图纠正和坐标系统转换,该模块主要实现:①图像的纠正、定向,矢量数据和栅格数据的配准;②矢量数据和栅格数据的投影系统的定义;③矢量数据和栅格数据的投影转换,具体包括相同参考基准和不同参考基准下的坐标系统转换、高斯克吕格和横轴墨卡托投影的换带计算等。

(3)数据结构模块

矢量、栅格以及矢栅一体化数据结构无论在GIS教学,还是应用研究中,都占有重要地位,该模块的目标是,通过实验切实让学生掌握GIS数据结构的特征;主要实现①矢量数据结构的存储、拓扑关系及图形关联显示;②栅格数据结构存储类型(按像元、波段等)、影像金字塔结构及图像关联显示;③矢栅一体化数据结构的组织、存储及关联显示等。

(4)空间分析模块

空间分析作为GIS核心之一,通过本模块的操作,使学生不仅掌握各种空间分析的定义、特征和操作,更要理解所涉及的原理和算法流程,并能够进行综合利用解决实际问题。该模块主要实现:①各种矢量叠置分析(点、线与多边形)、多边形叠置的六种常见操作、栅格叠置分析及其综合应用;②点、线、面的缓冲区操作及其综合应用;③以最短路径分析、最优路径分析及服务区域分析等为代表的网络分析的实现和应用。

(5)应用模型模块

应用模型是GIS解决各种实际问题的武器,借鉴成熟的GIS行业解决方案,该模块实现:①基于DEM的地形分析(坡度、坡向、通视、水文分析等);②结合影像数据与矢量数据的土地适宜性分析评价;③元胞自动机支持下的城市空间范围发展预测;④基于网络分析和交通数据的交通动态规划。

(6)拓展接口模块

前述功能模块主要让学生基于软件操作掌握其原理和用法,拓展接口模块则侧重于提供灵活接口,方便学生通过编程实现算法,进而巩固理论知识并锻炼创新能力。该模块根据实验教学大纲编制接口,主要实现:①各种开发平台及不同语言编译的动态链接库(dll)的调用;②基本文本格式或Excel格式的自组织矢量数据结构及图形显示,能够使学生体验概念模型、逻辑结构及物理结构之间的对应关系;③地图数据的加载、放大、缩小、平移、全图的底层实现接口(不借助GIS组件);④常见的点状符号、线状符号、面状符号的绘制接口,包括样式、颜色、大小等;⑤常用矢量数据渲染接口,包括唯一值渲染、分类分级渲染、点密度渲染等;⑥栅格数据的渲染接口,主要涉及颜色设置;⑦空间分析接口,具体包括叠置分析接口、缓冲区分析接口和网络分析接口,学生可以基于接口拓展空间分析应用以解决综合性问题;⑧基于DOM、DEM、DLG数字产品文件结构解析的坐标系统转换接口;⑨常用数字化接口,即矢量数据(点、线、面)的编辑接口;⑩地图整饰接口,主要用于地图制作,具体包括北方向、图例、图名、比例尺、格网线等的添加。

2.适宜性实验教学软件的实施

软件开发平台采用 ArcGIS组件 ArcEngine 10.0、Microsoft Visual Studio 2010(C#),利用面向对象思想进行软件的编制,采用白盒测试和黑盒测试模式相结合方式进行软件测试。

ArcEngine组件提供21个类库,封装大量属性和方法,方便软件的研发;组件式地理信息系统原理实验教学软件的主界面如图2所示。

(三)适宜性实验教学软件的应用

GIS原理实验教学中对组件式地理信息系统原理实验教学软件的使用包括两部分:软件操作部分,使用视图操作模块、空间参考模块、数据结构模块和应用模型模块,共设8个学时;软件拓展模块,主要利用拓展接口实现适量的算法原理,共设6个学时。

目前,通过对适宜性实验教学软件的使用,从与理论课结合程度、使用效果(软件使用对掌握理论知识的帮助程度)、易操作性、功能完备性、可扩展性、稳定可靠性等六大方面对软件进行了问卷调查评价(表2)。从统计结果看出,组件式地理信息系统原理实验教学软件的应用既能满足实验教学的要求,又能做到让学生使用满意,能够较好完成实验教学目标。

表2 软件使用评价调查汇总表

图2 软件系统主界面

四、结束语

将组件技术引入GIS原理实验教学,自主研发适宜性实验教学软件——组件式地理信息系统原理实验教学软件,其六大模块与理论授课内容紧密结合并充分顾及学生能力培养和学科特点,弥补了传统GIS原理实验教学的不足。实践结果表明,适宜性实验教学软件得到师生的认可,不仅可以有效地帮助学生巩固理论课所讲授的原理和算法,而且培养了学生独立思考、解决综合问题的能力,激发了学习积极性。因此,适宜性实验教学软件在学生的实践能力和创新能力的培养方面具有重要实用价值。

[1] 龚健雅.地理信息系统基础[M].北京:科学出版社,2001: 1-10.

[2] JOHN R,RYAN R.地理信息系统导论[M].王淑晴,张翠羽,郑新奇,译.北京:电子工业出版社,2016:10-17.

[3] 汤国安,龙毅,李云梅.地理信息系统专业建设的探索与实践[J].中国大学教学,2009(9):45-47.

[4] 田雨,卢秀山,姜岩,等.GIS专业实验教学建设与实践[J].理工高教研究,2009,28(1):116-118.

[5] 董建军.基于ArcGIS的地理信息系统实验教学改革探讨[J].教育教学论坛,2015(12):253-254.

[6] 高素青,王真,陈涵,等.“地理信息系统”实验教学改革研究[J].计算机工程与科学,2014,36(A2):154-158.

[7] 龚君芳,王改芳,李圣文.“GIS综合应用实习”课程改革探讨[J].实验技术与管理,2015,32(3):216-218.

[8] 牟乃夏,王海银,李丹,等.ArcGIS Engine地理信息系统开发教程[M].北京:测绘出版社,2015:15-30.

[责任编辑]谭爱兰

G642.423

1673-5935(2016)04-0055-04

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.04.016