开源技术在高校WebGIS课程教学中的应用探讨

邢华桥，于明洋，孟 飞，仇培元，刘建涛

（1.山东建筑大学 测绘地理信息学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学 遥感与GIS研究中心，山东 济南 250101）

WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物，是GIS学科的重要分支与热点研究方向[1]。顾名思义，WebGIS=Web+GIS，其涉及GIS原理、空间数据库与数据管理、计算机网络技术以及计算机语言等相关理论与方法，是一门综合性、交叉性、系统性很强的学科。与传统GIS相比，WebGIS改变了地理信息获取、传输、发布、共享的方式，使用户能在网络上进行空间数据的浏览、查询、空间分析，甚至可在线处理与计算。近年来，随着大数据、云计算、边缘计算、新一代宽带无线通信5G等计算机新兴技术的出现，WebGIS得到了快速发展，这些先进的工具和手段使GIS走向了网络化、智能化、个性化的发展道路[2]。随着WebGIS的快速发展与深入应用，其对本科人才培养与就业的作用越来越突出，许多高等学校都开设了WebGIS相关课程，并将其设置成为必修课或专业限选课[3]。

在WebGIS课程教学中，教学软件的选择和使用非常关键。目前，WebGIS课程的教学软件可分为以ArcGIS、SuperMap等为代表的商业软件和开源GIS软件两类。开源软件具有免费、开放、共享等特点，将其应用于课程教学中有助于学生了解技术的实现细节，跟踪技术的发展前沿，培养学生的创新意识。近年来，高校教学中使用开源软件越来越普遍。本文结合WebGIS课程的特点与开源GIS的发展现状，分析了开源软件或技术应用在WebGIS教学中的可能性和必要性，并以山东建筑大学为例，探讨了基于开源GIS技术的WebGIS课程教学实践。

1 WebGIS课程的特点

从本质上看，WebGIS是运行在计算机网络环境下的GIS，利用计算机网络的软硬件资源增强地理数据、信息的共享与协同处理能力，摆脱了对传统桌面端GIS软件的依赖，用户可通过网络浏览器（如IE、Google Chrome等）对数据进行处理，专业和非专业用户均可通过简单的操作实现数据浏览、专题图制图、空间分析、在线处理等空间数据操作，并能借助于分布式计算、云计算等技术提高空间数据的处理效率[4-5]。通过对WebGIS内涵的解析可知，WebGIS课程具有理论知识涉及广、实践能力要求高、技术更新速度快等特点。

1）理论知识涉及广。WebGIS课程融合了计算机网络基础、网络GIS的数据组织与管理、Web页面编程、WebGIS的应用开发技术等方面的技术与知识。学习WebGIS课程前，学生需要具备一定的计算机原理、网页编程、GIS原理等理论知识基础[6]。因此，高校WebGIS课程最好安排在大学后半时段，以山东建筑大学为例，地理信息科学专业开设的《网络GIS设计与实现》课程安排在大三下学期，在学习WebGIS之前，学生已主修或选修过《GIS原理》《GIS空间分析》《空间数据库》《面向对象程序设计》《计算机网络基础》《计算机图形学》《Java语言程序设计》和《Python程序设计》等GIS理论、计算机编程语言课程，具备了一定的编程技巧与GIS理论知识，能较轻松地理解WebGIS理论与方法，进而着手WebGIS系统开发。

2）实践能力要求高。与其他GIS开发课程类似，WebGIS课程对学生的实践能力要求非常高，学生不仅需要理解和掌握WebGIS相关理论知识，更需要通过上机实验课和业余时间多动手编写与调试代码，练习WebGIS系统设计，并利用主流的WebGIS技术体系进行系统搭建研发，以实现空间数据的在线发布、访问与调用。为了更好地提高学生的实践能力，应鼓励学生积极参与实际的WebGIS开发项目。目前，超图、ESRI、中地数码等GIS公司每年都会组织全国高校WebGIS开发比赛，如SuperMap杯全国高校GIS大赛Web开发组比赛，这些比赛为锻炼学生的开发能力提供了良好的契机[7]，学生应积极参与其中，将课程所学知识结合实际问题进行WebGIS系统开发，达到以赛代学、学以致用的目的。

3）技术更新速度快。WebGIS是一门与计算机技术结合非常紧密的典型交叉型学科。近年来，随着“互联网+”、云计算、边缘计算等IT技术的飞速发展，WebGIS的应用技术与软件在编程语言、开发架构等方面更新迅猛，如ArcGIS已更新到10.7版本，新增了Notebook Sever、Excalibur等产品。目前，在WebGIS课程教学中多采用商业的GIS软件。商业软件一般经历了市场检验，具有很好的用户体验感和稳定性，但其一般价格不菲，高校购买一组软件产品，难以频繁更新，学生并不能体验融入最新开发技术的高版本GIS软件，导致WebGIS课程的实验教学常出现软件平台滞后的现象。然而，开源GIS技术更新速度快，融入新技术的能力强，能有效激发学生的科研能力与创新思维，如地图前端开发语言Openlayers每年更新多次，最新版本的Openlayers V6.5.0能使用不同的渲染器类型组成层，并对矢量切片（vector tile）进行了渲染改进，使其具有较低的内存占用。同时，开源GIS技术无额外花销，其开放性特别适用于高校教学和科研。

2 开源GIS技术的发展

开源软件是指软件开发者以某种协议发布、共享某些软件的源代码，并允许他人在遵守协议的基础上自由下载、修改、使用和散布其源代码[8-9]。开源GIS，即开放源代码的GIS软件或技术。为了实现空间数据与信息的共享和互操作，OGC协会提出了开放的地理数据互操作规范OpenGIS，致力于提供公共开放的标准与接口，使不同的地理信息提供商能够无缝链接。最具代表性的是OGC颁布的WMS、WFS、WCS、WPS等一系列地理信息服务标准。依托于这些服务规范，任何组织和个人均可发布地理信息服务，实现数据的共享与互操作。

开源GIS的设计思想通常来源于OpenGIS。开源GIS软件从技术语言的角度，可分为.NET派系、C派系、Java派系、脚本派系以及其他派系；从应用类别的角度，可分为桌面软件、分析工具、三维虚拟地球、开源数据库、地图服务器和GIS工具函数库等。在实际应用中，可从功能类别、技术实现、开发应用环境和成熟度等方面选择相应的开源GIS技术或软件。典型的开源GIS软件或技术如表1所示。

表1 开源GIS软件与技术类别及其典型代表

3 基于开源技术的WebGIS教学实践

WebGIS领域已经过多年的技术发展与变革，成熟度较高的开源技术路线为“Openlayers+GeoServer+PostGIS”的3层体系架构，如图1所示。非空间数据（如用户信息数据）存储在PostgreSQL，矢量数据存储在PostGIS，遥感影像等栅格数据以文件系统的形式组织和存储。矢量、栅格数据均可通过GeoServer服务发布软件发布为OGC标准的WMS、WFS、WMTS等Web服务。客户端采用“HTML+CSS+jQuery+Openlayers”的模式进行研发，除了能直接加载本地服务器发布的数据外，还能接入谷歌地图、天地图、地表覆盖地图等商业地图服务。客户端页面通过Web服务器（如IIS、Apache等）进行部署与发布，形成最终的服务平台。

图1 基于“Openlayers+GeoServer+PostGIS”的WebGIS开源技术架构

以山东建筑大学地理信息科学专业为例，在大三下学期设置《网络GIS设计与实现》教学课程，在大三学期末设置《网络GIS设计与实现》课程设计，详细教学设计如表2所示。在教学课程中，主要讲授开源GIS技术理论、网页编程技术、Openlayers+GeoServer+PostGIS技术体系等内容，以基本知识点为教学单元，理论课与上机实验课交叉进行，鼓励学生勤动手编写代码。在课程设计中，主要让学生利用所学的开源GIS知识设计并开发一个WebGIS系统。

表2 山东建筑大学《网络GIS设计与实现》课程教学设计

在WebGIS课程教学中，采用的教学方法主要包括案例教学法、任务驱动教学法和项目驱动教学法，3种方法层层递进、难度逐渐增大。其中，案例教学法是在课堂上以教师提前设计好的具体案例为内容，使教学内容更形象，如在讲授开源GIS理论时，可将涉及的页面编程、GIS开发等技术形成一个完整的WebGIS小型系统，再针对该系统展开讲解；任务驱动教学法是给学生布置具体的编程任务或作业，针对学生的完成情况展开讲解，如编写一个简单的Web页面，并完成常规的人机交互；项目驱动教学法是指以实际项目为指导，让学生真正参与到实际项目的设计与开发过程中，该方法对学生的要求较高，需具备一定的理论知识和实际编程经验，如在《网络GIS设计与实现》课程设计中，将学生分组，不同小组选取不同的WebGIS开发题目，利用一周时间进行小型WebGIS系统的设计与开发，并根据实际数据完成项目要求。

4 结语

WebGIS课程是GIS教学体系中非常重要的理论与应用型课程，对于学生开发实践能力的培养与提升非常关键，深刻影响着学生未来的就业与深造。WebGIS课程具有理论知识涉及面广、动手能力要求高、技术更新速度快等特点，传统的填鸭式、灌输式等教育模式难以产生高质量的教学效果。本文通过分析WebGIS课程的特点以及开源GIS技术的发展现状，探讨了开源GIS在WebGIS课程教学中的实践应用，为WebGIS课程教学提供了一种新思路。

为了更好地教授WebGIS课程，首先需重视理论与实践相结合的课程教学体系建设，避免“重理论讲解、轻动手实践”的教学思想，适当增加上机实验学时，结合实际应用开发案例开展教学工作；其次需转变传统纸质试卷对基础理论的考试模式，丰富课程考核形式，如增加开放式开发实验选题，以2～4人为小组共同实现小型实验系统的开发，并采用现场答辩的方式考查学生对WebGIS技术的掌握程度；最后教师也应积极不断地投身新知识、新技术的学习中，拓宽自己的知识面，结合科研工作和WebGIS工程研发经验，真正地使教学与研究相结合，调动学生学习的热情和主动性，提升WebGIS的教学质量，增强学生的创新意识，进一步满足社会和企业对GIS应用型人才的需求。