突出航海特色的地理信息科学专业实践教学改革

徐进，李颖，陈澎，刘丙新，马龙

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连　116026)



突出航海特色的地理信息科学专业实践教学改革

徐进，李颖，陈澎，刘丙新，马龙

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连116026)

摘要：分析航海特色的地理信息科学专业创办的时代背景，剖析大连海事大学地理信息科学专业发展存在的问题，提出基于S-100的电子海图技术实践教学改革、航海GIS开发的实践教学改革、加强专业各门课程之间的有效衔接等手段，建设航海特色的地理信息科学专业。

关键词：S-100通用海道测量；数据模型；地理信息科学；实践教学；航海特色；电子海图

一、引言

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是在计算机软、硬件支持下建立的空间数据综合应用系统，能够对地理分布相关数据进行采集、管理、处理、分析、存储、运算、建模、显示和应用等，以解决各类复杂规划和决策问题的技术系统。地理信息科学专业是基于地理信息系统技术，集地理学、计算机学、遥感学、测绘学、环境科学、信息科学、管理科学、城市科学和地图学等于一体的边缘学科，重点培养能在科研机构和高等院校从事教学科研工作的研究人才，或者能在城市规划、资源配置、交通管理、住房保障、土地利用、灾害防治、基础设施管理等领域从事地理信息系统相关工作的技术人才。

我国第一个地理信息科学专业(原名地理信息系统专业)在武汉测绘科技大学信息工程专业开设，现在全国已有190余所大学开设这个专业。这些院校开设地理信息科学专业的背景不同，其中，武汉大学、中国地质大学、中国矿业大学是以测绘专业为背景，北京大学、南京大学、南京师范大学、北京师范大学等是以地理学为背景，清华大学等工科院校是以计算机科学为背景，大连海事大学等海事院校是以航海技术科学为背景。

在海事高等院校，地理信息系统技术主要应用在电子海图、海洋环境监测、船舶导航、海洋气象预测、海洋遥感分析、海道测量、海事监管与决策等领域的研究，其技术与海上专业结合得越来越密切。因此，建立具有航海特色的地理信息科学专业，必将成为其赢得人才培养竞争优势的重要战略手段。

二、建立航海特色的地理信息科学专业的时代契机

《S-100通用海道测量数据模型》的诞生、海事院校积极开设地理信息科学专业[1]、海洋资源开发与示范海域建设加速进行、极区航行技术不断发展[2]等历史契机，为建设航海特色的地理信息系统科学专业带来了千载难逢的机遇。

1．S-100标准的诞生

2010年1月，国际海道测量组织(IHO)公开表示《S-57数字海道测量数据传输标准》已不再适合当前海道测量数据应用的现实需求，同时发布了基于地理信息系统标准的《S-100通用海道测量数据模型》，并提出将于2020年开始全面推进S-100标准框架系列的S-101电子海图产品生成与应用。S-100标准的诞生，标志着国际海道测量组织脱离了闭门造车的研发机制，将以地理信息系统标准为依托，建设符合国际标准的海道测量数据采集应用机制。

2．海事院校中地理信息科学专业的开设

目前，大连海事大学、集美大学已经开设地理信息科学专业，并且结合本校特色，针对地理信息学科专业的学生，安排特色相关的课程，进行海事方向的培养，拓展学生就业范围。此外，国内其他海事院校，如上海海事大学、大连海洋大学等设有地理信息科学专业相关的硕士、博士研究方向，并在积极酝酿开设地理信息科学本科专业。

3．人才需求

近年来，海洋资源开发和示范海域建设的加速进行，给地理信息科学专业的人才需求带来了很大的发展空间[3]，为建设航海特色的地理信息科学专业创造了机遇。这个方面的地理信息科学专业人才培养基本分为海洋环境规划、海事测绘、海洋资源管理等方向。海洋环境规划方向主要偏重基于GIS、遥感(Remote Sense，RS)和全球定位系统(Global Positioning System，GPS)进行海洋石油污染监测、海水污染检测、海洋生态环境监测、海洋污染物扩散分析等技术的研究，海事测绘方向主要侧重海道测量、海洋测绘、海底地形勘察等，海洋资源管理方向主要以海洋旅游规划与管理、海洋重点区域管理、海洋资源规划与管理等技术的研究为主。这些研究和应用领域的人才需求给航海特色GIS专业发展带来巨大的空间。

三、航海特色地理信息科学专业实践教学改革建议

大连海事大学是一所极具海事与海洋行业特点的高等院校，其地理信息科学专业应具有独特的优势，能更好地提高专业人才的发展，拓宽学生的就业渠道。学校地理信息科学专业下设课程包括专业导论、地理科学导论、地理信息系统、遥感原理与应用、地图学、测量学、航海学、GPS原理与应用、VTS和AIS原理与应用、数据库原理与空间数据库、空间分析、海上交通工程、航运信息网络技术、微波遥感、航道测量学、海洋测绘、航海气象与海洋学、港口GIS、海事管理、航标管理、航海仪器、船舶污染监测技术、船舶保安、国际海洋污染防治法规、数据结构、JAVA程序设计、面向对象程序设计、GIS实习、GIS二次开发、GIS应用与实践、WebGIS、软件培训、遥感图像处理等课程。可以看出其地理信息科学专业的课程设置较为合理，突出了建设航海特色的专业目标，努力做到GIS应用于航海、服务于航海。但是在教学实践中发现，存在实践教学内容尚未做到与时俱进、专业各门课程之间的内容没有实现有效衔接、个别课程教学脱离航海特色的教育理念等问题。为此，提出基于S-100的电子海图技术实践教学改革、航海GIS开发实践教学改革等方法，以加强专业各门课程之间的有效衔接(见图1)。

图1　地理信息科学专业实践教学改革方案

1.基于S-100电子海图技术实践教学改革

电子海图是地理信息科学专业的一个重要应用方向。在建设航海特色地理信息科学专业时，加强电子海图技术的实践教学改革是必不可少的环节。目前，电子海图技术所应用的国际海事测量数据通用标准正在从《S-57数字海道测量数据传输标准》转变为《S-100通用海道测量数据模型》。在新旧标准交替的过程中，进行电子海图技术的实践教学改革，正迎合时代发展的需要。

现行S-57标准存在的问题包括5个方面：①S-57标准中大部分的定义和规范都仅限于电子海图与显示信息系统的生产，与国际现行的GIS工业标准存在诸多差异；②S-57标准采用面向数据结构的设计模式，其数据结构维护性差，新物标或属性的添加都会导致整个新版本标准的发布；③S-57标准遵循的是早期ISO/IEC82n标准，数据格式采用顺序存储方式，传输快捷，但其数据实时操作效率和快速检索反应慢，且在数据融合方面灵活性差；④S-57标准中没有规定网格化水深数据及动态时变数据的应用；⑤S-57标准中一直未制定与栅格数据有关的标准。

S-100标准采用全新模式制定的《通用海道测量数据模型》，而非S-57标准的升级版本。S-100标准管理方式灵活性强，其内容主要是一个架构体系和案例说明，尚未涉及具体的产品。IHO陆续基于S-100标准体系，提出S-101电子海图产品规范、S-102水深表面产品规范、S-111表面流产品规范、S-112动态水位数据产品规范、S-121海上边界产品规范等S-1XX系列数字海道产品标准，它们都是S-100标准的子集。S-100标准提供了一套全新的电子海图数据产品、水深数据产品及其他海道数字产品的发展框架和机制。它基于面向对象的设计模式和数据结构，采用统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)。其数据组织便于维护，并且采用易于扩展的数据编码，将数据内容和存储文件进行分离，数据模型易于交换与共享，同时能够支持栅格、时变和三维数据等。此外，S-100标准还定义了很多新的要素类型、属性以及要素之间的关系，并在IHO官方网站上建立了一个在线注册通道，为新要素或属性的创建开辟了开放的接口。

电子海图技术的实践教学改革内容包括航海物标空间矢量数据模型、复合属性、信息类型以及水深数据等实践教学方面的改革。

(1)空间矢量数据模型

在S-100标准中，空间矢量数据模型采用GIS的数据分类方式，以点(Point)、曲线(Curve)和面(Surface)为主要数据模型，对数据进行组织。在实践教学中应明确指出，电子海图中的点、曲线、面即GIS常用的矢量数据几何分类方式中的点、线、面三种标志性要素类型，并在电子海图绘制和分析等实验实践教学中，使学生熟练掌握S-100标准中空间矢量数据模型的应用方法。

(2)复合属性

S-100标准中提出了“复合属性”的新概念，即将简单物标要素或者新的物标要素变量变成复杂物标要素的一个复合属性值，这一方案的提出提高了数据编码和数据表达的效率。例如潮汐流信息新增了“潮汐流面板数据”物标要素和“潮汐流面板值”“潮汐流值”两个复杂属性。应在电子海图数据录入和编辑的实验实践教学中，加强学生对电子海图属性信息中“复合属性”概念的理解和应用。

(3)信息类型

S-100标准另一个重要的改进是新增了没有空间坐标的“信息类型”数据，避免了S-57标准中“警告区域”要素的滥用。“信息类型”数据不需要存储空间坐标值，只要将其元数据信息与对应的物标要素进行关联。例如S-57标准为一个“锚区”，添加标注说明时，需要增加一个“警告区域”要素，但是这些提示信息是不需要进行警告的，因此在S-100标准中，只需创建一个“信息类型”数据与该“锚区”要素对象进行关联，即可实现信息提示的作用。这样，在进行新的电子海图技术教学实践的课程中，就可以取消大量“警告区域”要素类型的应用，转而使用“信息类型”数据，提高电子海图数据应用效率，培养学生在电子海图数据组织方面正确的应用思维。

(4)水深数据

水深数据是电子海图中数量最大、地位最重要的物标数据。S-100标准中，针对水深数据，基于“航海安全”角度，提出“水深属性格网”“数字认证模块”“模版应用模式”“离散覆盖类型”“切片”等概念。其中，水深表面产品的数据类型是一个带有元数据的四边形网格状覆盖区域栅格数据，用以表示海域、湖泊、河流或其他通航水道的水深模型，即水深属性网格；为了保障水深网格产品的认证机制，S-100标准引入了数字认证模块；水深数据产品采用模板应用模式，即它没有在水深表面产品规范中规定所有的变量和属性，同时支持其他方面的选择和改变；在S-100标准中，水深数据产品采用了离散的四边形网格覆盖类型和离散点集覆盖类型；切片方案都是S-100标准水深数据产品中一个含有水深区域、不确定区域、跟踪列表、边缘匹配元数据等数据的完整水深网格。在水深数据采集、编辑和处理的教学实践中，不能像以往一样仅局限于水深值采集和录入的教学内容中，而要跟随S-100标准的步伐，将水深区域数据进行加工处理，使学生能够掌握“水深属性格网”“数字认证模块”“模版应用模式”“离散覆盖类型”“切片”等新规范的应用。

2.航海GIS开发的实践教学改革

在航海领域，电子海图系统、船舶导航系统、VTS管理系统、海事污染治理系统等应用较为广泛，应针对以上系统的开发，进行实践教学改革。

(1)电子海图系统(ECDIS)

ECDIS是指符合国际标准的船用计算机应用系统。它是以计算机软硬件为基础，辅以雷达、GPS、测深仪等探测设备，以ENC为数据平台，表示船舶当前的运行状态，为船舶的驾驶人员提供空间查询、测量和航行记录等信息，是海洋地理信息系统(OGIS)中的一个重要的应用方向。

在地理信息科学专业实践教学课程中，除了电子海图数据的采集、处理、编辑等教学内容以外，还应加强电子海图系统开发方面的教学，包括空间物标距离测算、区域面积测算、船舶航行轨迹回放、空间物标属性信息查询、空间信息检索等功能的开发教学。

(2)船舶导航系统

船舶导航系统是通过GPS、北斗、AIS、雷达、计程仪、测深仪、罗经等辅助硬件设备，在电子海图上实时显示船舶的位置和运动状态，并结合规划的船舶航线和编制的航行计划，对船舶进行导航的计算机系统。

船舶导航系统开发的实践教学工作，相对ECDIS开发较为复杂，应用到GIS空间分析方法。例如船舶偏离航线和船舶避碰的判定是依据航线的缓冲区分析和空间物标拓扑分析进行。针对船舶导航系统开发的教学改革，建议在理论教学的过程中，让学生掌握船舶导航系统中GIS功能的原理和实现方法，并在实践教学中，针对某一特定功能的实现，进行学生开发思维方式的培养，让学生尽早独立掌握开发船舶导航系统模型的能力。

(3)船舶交通管理系统(VTS)

船舶交通管理系统是由航运主管机关实施的，用于加强海上交通安全、提高航运交通效率、保护海洋和河流生态环境的管理系统。它是通过AIS基站、雷达、CCTV、罗经、无线通信设备来监控航行在港湾和进出港口船舶的航向和船速，并向船舶提供航行所需的安全信息。

VTS开发与ECDIS、船舶导航系统开发的重要区别是用户的角度不同。ECDIS、船舶导航系统针对的用户是应用层人员，开发ECDIS和船舶导航系统是出于即时使用的角度；而VTS所针对的用户是管理层人员，开发VTS是要在统筹规划的角度进行系统开发，VTS的实践教学改革要从管理层角度出发，进行系统开发的实践教学。

3．加强专业各门课程之间的有效衔接

从地理信息科学专业培养计划和教学大纲等内容可以看出，课程设置之间的关系如图2所示。

图2　课程设置衔接性

其中“专业导论”和“地理科学导论”课程使学生了解专业设置、发展前景和毕业去向等内容，“地理信息系统”“遥感原理与应用”“地图学”“测量学”“GPS原理与应用”“空间分析”等课程是为学生提供理论基础知识，“数据库原理与空间数据库”“数据结构”“JAVA程序设计”“面向对象程序设计”等课程设置是为进行GIS开发提供技术基础知识，“GIS实习”“GIS二次开发”“WebGIS”“软件培训”“遥感图像处理”等课程设置是为进行GIS应用与开发提供学习实践。但是在课程教学的过程中，由于任课教师之间缺少沟通或者任课教师自身研究领域限制等原因[4]，各门课程之间的衔接存在一些问题[5]，因此，应定期组织任课教师进行课程教学交流[6]及专业内的听课活动，使教师切实按照教学计划和大纲要求授课，加强专业内各门课程之间的有效衔接。

四、结语

本文从《S-100通用海道测量数据模型》应运而生、GIS专业不断创办、GIS人才需求不断增加的时代契机出发，分析了大连海事大学地理信息科学专业发展存在的问题，提出基于S-100的电子海图技术实践教学改革、航海GIS开发的实践教学改革，加强专业各门课程之间的有效衔接，提高学生的专业实践技能，从而建立具有航海特色的地理信息科学专业。但是，上述教学改革办法只是理论上的探讨，需要任课教师在实践教学中予以配合，并加以检验。教学改革是专业发展的动力，要随着实践不断完善，形成一套符合时代发展和航海教育规律的教学体系。

参考文献：

[1] 杨树文,闫浩文,孙建国.地理信息系统专业教学实践与改革探索[J].测绘科学,2011,36 (1)：226-228.

[2] 白春江,刘大刚.极区航行的船员资质要求及培训建议[J].航海教育研究,2015,32 (2)：80-83.

[3] 晁怡,郑贵洲,郭际元.地理信息系统专业英语的教学与改革研究[J].测绘通报,2007(4)：75-77.

[4] 孔维华,曲国庆.地理信息系统课程教学改革研究[J].测绘科学,2006,31(6)：167-168.

[5] 赵吉先,邹莉.浅谈地理信息系统专业的教学改革[J].测绘通报,2005(6)：65-66.

[6] 韩用顺,蒋宗立,张捍成,等.地理信息系统课程的教学方法改革与探讨[J].地理空间信息,2007,5(3)：131-134.

中图分类号：U676.2

文献标识码：A

文章编号：1006-8724(2016)01-0094-04

作者简介：徐进(1985-),男,实验师,主要从事海洋科学与地理信息科学教学与研究。

基金项目：大连海事大学教改项目“基于校企合作的地理信息科学课程体系建设研究与实践”(2015y05)、“地理信息科学专业课程体系改革”(2005K01)”

收稿日期：2015-10-22