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地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展從20世紀90年代初期進入起步階段。隨著社會進步,地理信息產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,我國地理信息產(chǎn)業(yè)面對國際金融危機的沖擊仍然保持了強勁的發(fā)展勢頭,“十一五”期間增幅超過300%,2011年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值突破1500億元,從業(yè)人員約80萬人,從業(yè)機構(gòu)超過2萬家。國家測繪地理信息局推進地理信息產(chǎn)業(yè)的目標是到2015年年總產(chǎn)值超過3000億元,到2020年年總產(chǎn)值達到10000億元。1998年教育部頒布了我國新的《普通高校本科專業(yè)目錄》,其中對高校本科專業(yè)行了調(diào)整,專業(yè)由原來的504個調(diào)整為294個,教育部特別增設(shè)了地理信息系統(tǒng)專業(yè),這一點說明地理信息產(chǎn)業(yè)的特殊優(yōu)勢和生命力。2012年普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄再次調(diào)整,將地理信息系統(tǒng)專業(yè)改名為地理信息科學(xué)專業(yè)。經(jīng)各種資料的統(tǒng)計表明,2000年有37所院校設(shè)立了GIS專業(yè),2003年有93個高校開設(shè)了GIS專業(yè),2007年全國共有161所高校設(shè)置GIS專業(yè),2012年全國共有168所高校設(shè)置地理信息科學(xué)專業(yè)[1-2]。從而促進地理信息產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大。
2地理信息科學(xué)專業(yè)發(fā)展面臨的問題與分析
2.1教師專業(yè)素養(yǎng)迫切需要提高
目前狀況是一些院?,F(xiàn)有的地理信息科學(xué)專業(yè)教師是從相關(guān)學(xué)科轉(zhuǎn)入地理信息科學(xué)專業(yè)的,大多數(shù)是從學(xué)校畢業(yè)又走入學(xué)校,并沒有機會從事實際地理信息系統(tǒng)研究、開發(fā)和應(yīng)用的經(jīng)驗[3]。而地理信息科學(xué)技術(shù)本身發(fā)展又很迅速,這使得一些教師很難勝任所承擔的核心課程與專業(yè)課程教學(xué)任務(wù)。
2.2教材建設(shè)與培養(yǎng)目標脫節(jié)
由于軟件的更新速度飛快,相應(yīng)的實驗教材很難跟上。據(jù)此有些人提出了要大膽嘗試采用電子教材,某些部門或是軟件出品單位不要只是將精力放在軟件使用幫助上,也應(yīng)當隨之出品入門級或更高檔次的電子實驗教材,彌補實驗教材陳舊落后更新慢的問題。理論教材內(nèi)容更新滯后非常明顯,與各人才培養(yǎng)層次與方向脫節(jié),沒有針對各個培養(yǎng)層次和方向的統(tǒng)一化、系統(tǒng)化的教材的建設(shè)[4]。
2.3課程體系及教學(xué)內(nèi)容與社會需要脫節(jié)
各高校開辦地理信息科學(xué)專業(yè)時,主要是依托已有相關(guān)專業(yè)構(gòu)建課程體系,無論是學(xué)科基礎(chǔ)課程,還是專業(yè)核心課程的設(shè)置,皆與地理信息系統(tǒng)專業(yè)培養(yǎng)目標及社會需求脫節(jié)[5]。大多是根據(jù)本校的師資和學(xué)生的素質(zhì)來設(shè)置相應(yīng)的課程。還有因師資不足,涉及地理信息新理論、新技術(shù)、新方法的課程不能開設(shè),學(xué)生空間分析、地理信息系統(tǒng)技術(shù)二次開發(fā)與應(yīng)用的能力上得不到鍛煉,在工作中暴露出地理信息系統(tǒng)應(yīng)用能力差的缺陷,直接影響到該學(xué)校地理信息科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的聲譽[6]。
2.4專業(yè)目錄名稱與本學(xué)科內(nèi)涵不相適應(yīng)
隨著形勢的發(fā)展,逐漸暴露出一些問題。從地理信息科學(xué)專業(yè)分層次的培養(yǎng)來看,名稱上存在不相稱,一些專家建議,對于理科院?;驈牡乩砜茖W(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的,完全可以稱為地理信息科學(xué)專業(yè),但對于工科院?;驈臏y繪等方向發(fā)展起來的,可以改稱為地理信息工程專業(yè)。筆者認為經(jīng)過多年的磨合共融發(fā)展,也可能在將來二者會統(tǒng)一于新的名稱。
2.5資金投放不足
目前,高校地理信息科學(xué)專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng),同樣受到發(fā)展速度與投入增量不同步的影響,專業(yè)建設(shè)經(jīng)費不足,儀器設(shè)備陳舊且不配套。特別是在一般本科類院校,在追求規(guī)模發(fā)展過程中,因資金不足與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要,對教學(xué)儀器設(shè)備與運行保障經(jīng)費采取緊縮政策[7]。
2.6全國地理信息科學(xué)專業(yè)的發(fā)展沒有一個統(tǒng)一的教育培養(yǎng)評價體系
對于這個專業(yè)培養(yǎng)的人才沒有相應(yīng)評價體系。尤其針對一般本院校來說,不論是以測繪為基礎(chǔ)發(fā)展起來的,還是以地理科學(xué)為依托發(fā)展起來的地理信息科學(xué)專業(yè),都沒有真正融入到全國地理信息科學(xué)專業(yè)的大圈子里。要真正服務(wù)社會,不應(yīng)靠少數(shù)頂級院校的科學(xué)進展,更多是發(fā)揮好全國各地的地理信息科學(xué)專業(yè)的教育資源,讓地理信息科學(xué)的大眾化教育與培養(yǎng)復(fù)合型人才可以落到實處,從而彰顯地理視角。
3建議與發(fā)展策略
3.1地理信息科學(xué)教育應(yīng)遵循應(yīng)用科學(xué)的教育理念
這個專業(yè)無論是從測繪工科院校發(fā)展起來的還是從以地理學(xué)空間分析應(yīng)用為主的理科發(fā)展起來的,大家都會認為本專業(yè)是理論實踐相結(jié)合的學(xué)科。從現(xiàn)在本科生、研究生的招生就業(yè)情況來分析,本科階段是扎實掌握基本理論的重要時期,研究生階段可注重與實踐相結(jié)合。大學(xué)本科階段要遵循教育的基本理念,而不是一味地追尋市場,更不能成為步入社會的培訓(xùn)場所。大學(xué)本科教育是思想和認知善惡發(fā)育成型的階段,讓學(xué)生有能力去追求知識與真理,這是大學(xué)本科的教學(xué)核心。只有這樣才能在以后的工作中具有更強的創(chuàng)新能力。
3.2培養(yǎng)空間思維的教學(xué)模式不能變
空間思維能力不只是讓人知道東西南北,更多是分析和解決問題的空間維度。從另一個角度來看,地理信息科學(xué)的普及也是對全民空間思維能力的培養(yǎng),比如ESRI在美國會對小孩子進行免費的地理知識講解,使他們從小就能接觸到地理空間的概念,啟發(fā)了他們的空間想象力。
3.3人才培養(yǎng)上要在權(quán)威機構(gòu)中劃分出層次
從地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看,地理信息科學(xué)學(xué)位教育應(yīng)強化技能培訓(xùn),這部分人才培養(yǎng)就落在一些以測繪為基礎(chǔ)的工科院校發(fā)展起來的地理信息科學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)上,突出地理信息科學(xué)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。而另一類別是以地理學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的院校專業(yè)上應(yīng)突出地學(xué)方面的應(yīng)用??傊乩硇畔⒖茖W(xué)人才的培養(yǎng)既需要有能夠創(chuàng)新思路的人才,也要培養(yǎng)具有扎實知識的技能型人才,這樣才能共同推動地理信息科學(xué)和地理信息產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
3.4通過任教資格考試、技術(shù)水平認證來規(guī)范地理信息從業(yè)人員的水平
國家應(yīng)有相應(yīng)的政策法規(guī)來管理地理信息產(chǎn)業(yè)。規(guī)定必須要有相當水平的從業(yè)人員才能承接各種項目。原因就是地理信息產(chǎn)業(yè)的相關(guān)行業(yè)關(guān)系人類社會正常發(fā)展,如果政策法規(guī)跟不上,那么將會一片混亂。3.5為一線地理信息科學(xué)教育工作者申請教學(xué)或科研
關(guān)鍵詞:GIS;發(fā)展;演化
一、前言
地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS)是一種專門用于采集、存儲、管理、分析、和表達空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。其既是表示、模擬現(xiàn)實空間世界和進行空間數(shù)據(jù)處理分析的“工具”,也可看作是人們用于解決空間問題的“資源”,同時還是一門關(guān)于空間信息處理分析的“科學(xué)技術(shù)”。
二、GIS的提出和迅速發(fā)展
50年代,由于電子計算機科學(xué)的興起和它在航空攝影測量與地圖制圖學(xué)中的應(yīng)用,使人們開始有可能用電子計算機來收集、存貯和處理各種與空間和地理分布有關(guān)的圖形和屬性數(shù)據(jù),并希望通過計算機對數(shù)據(jù)的分析來直接為管理和決策服務(wù),這樣就導(dǎo)致了地理信息系統(tǒng)的問世。
1956年,奧地利測繪部門首先利用電子計算機建立了地籍數(shù)據(jù)庫,隨后各國的土地測繪和管理部門都逐步發(fā)展土地信息系統(tǒng)(LIS),用于地籍管理。1963年,加拿大測量學(xué)家R.T.Tomlinson首先提出了地理信息系統(tǒng)這一術(shù)語,并建立了世界上第一個GIS—加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS),用于自然資源的管理和規(guī)劃。稍后,美國哈佛大學(xué)研究出SYMAP系統(tǒng)軟件。但是,由于當時計算機技術(shù)水平不高,存儲量小、磁帶存取速度慢,使得GIS帶有更多的機助制圖色彩,地學(xué)分析功能極為簡單。當時的系統(tǒng)能實現(xiàn)手扶跟蹤數(shù)字化地圖,進行地圖數(shù)據(jù)的拓撲編輯,分幅數(shù)據(jù)的拼接,并發(fā)展了基于柵格的操作方法。
進入70年代以后,由于計算機硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其是大容量存取設(shè)備—磁盤的使用,為空間數(shù)據(jù)的錄入、存貯、檢索和輸出提供了強有力的手段。用戶屏幕和圖形、圖像卡的發(fā)展增強了人機對話和高質(zhì)量圖形顯示功能,促使GIS朝著實用方向迅速發(fā)展。一些發(fā)達國家先后建立了許多專業(yè)性的土地信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)。GIS這一技術(shù)成為一個引人注目的領(lǐng)域。
三、80年代的GIS—地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS)
80年代是GIS在理論、方法和技術(shù)上取得突破與趨向成熟的階段。由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的問世,推出了第四代計算機,特別是微型計算機和遠程通訊傳輸設(shè)備的出現(xiàn),為計算機的普及應(yīng)用創(chuàng)造了條件,加上計算機網(wǎng)絡(luò)的建立,使地理信息的傳輸效率得到極大的提高。另外,軟件開發(fā)工具的廣泛應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的推廣,推動了GIS的數(shù)據(jù)處理能力、空間分析功能、人機交互對話、地圖的輸入、編輯和輸出技術(shù)的進一步發(fā)展,并逐步走向成熟。GIS的應(yīng)用從解決基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃(如道路、輸電線等)轉(zhuǎn)向更加復(fù)雜的區(qū)域開發(fā)問題。當時,GIS已跨越國界,在全世界范圍內(nèi)全面推廣,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大,并與衛(wèi)星遙感技術(shù)結(jié)合,開始應(yīng)用于全球性的問題(如全球變化、全球沙漠化監(jiān)測等)。因此,國際著名的GIS專家,即前面提到的R.T.Tomlinson認為:“如果70年代是GIS發(fā)展的鞏固時期,那么80年代則是國際上GIS發(fā)展具有突破性的年代”。這個時期,GIS還保留有地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS)的含義和意思。
四、90年代的GIS—地理信息科學(xué)(GeographicInformationScience,GIS)
地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用大大提高了人類處理和分析大量有關(guān)地球資源、環(huán)境、社會與經(jīng)濟數(shù)據(jù)的能力,而地理信息系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用的進一步發(fā)展則必須以地球信息機理理論為基礎(chǔ)。陳述彭院士在論述地理信息系統(tǒng)發(fā)展時強調(diào)了對于地球信息基礎(chǔ)理論的研究,并指出地球信息基礎(chǔ)理論的實質(zhì)內(nèi)容:地理信息系統(tǒng)已不僅僅限于物質(zhì)流與能量流的信息載體,而且包括研究地學(xué)信息流程的動力學(xué)機理與時空特征、地學(xué)信息傳輸機理及其不確定性(多解)與可預(yù)見性等;并認為:Geo-Informatics不同于Geomatics,在于這個Info還包括很多地學(xué)規(guī)律,其分析模型必須以地學(xué)為基礎(chǔ)。
Goodchild于1992年提出地理信息科學(xué)(GeographicinformationScience)的概念。地理信息科學(xué)主要研究在應(yīng)用計算機技術(shù)對地理信息進行處理、存貯、提取以及管理和分析過程中所提出的一系列基本問題,如數(shù)據(jù)的獲取和集成、分布式計算、地理信息的認知和表達、空間分析、地理信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、地理數(shù)據(jù)的不確定性及其對于地理信息系統(tǒng)操作的影響、地理信息系統(tǒng)的社會實踐等。地理信息科學(xué)的提出是地理信息系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展到相當水平后的必然要求,它是在人們不再滿足于僅僅利用計算機技術(shù)來對地理信息進行可視化表達及其空間查詢,而強調(diào)地理信息系統(tǒng)的空間分析和模擬能力時產(chǎn)生的;它在注重地理信息技術(shù)發(fā)展的同時,還注意到了與地理數(shù)據(jù)、地理信息有關(guān)的其他一些理論問題,如地理數(shù)據(jù)的不確定性、地理信息的認知以及社會對于地理信息技術(shù)運用于實踐的認可等。由此可見,地理信息科學(xué)在地理信息技術(shù)研究的同時,還指出了對于支撐地理信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)理論研究的重要性。世紀之交,由于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛,加上航空和航天遙感、全球定位系統(tǒng)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)(Internet)和地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展及其相互間的滲透和整合,逐漸形成了以地理信息系統(tǒng)為核心的地球空間信息集成化技術(shù)系統(tǒng),為解決區(qū)域范圍更廣、復(fù)雜性更高的現(xiàn)代地學(xué)問題提供了新的分析方法和技術(shù)保證;同時,這些現(xiàn)代信息技術(shù)的綜合發(fā)展及其應(yīng)用的日益深廣,掀起了全球變化研究與對地觀測計劃的新高朝,于是時勢造英雄,促使一門新興的交叉學(xué)科“地理信息科學(xué)”的脫穎而出。這個時期,GIS己經(jīng)漸變地含有地理信息科學(xué)(GeographicInformationScience,GIS)的含義和意思。
五、現(xiàn)在的GIS—地理信息服務(wù)(GeographicInformationService,GIS)
近年來,隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的建立和地球數(shù)字化產(chǎn)品的普及應(yīng)用,GIS的發(fā)展進入到各行各業(yè)乃至各家各戶的用戶時代,成為人們生產(chǎn)、生活、學(xué)習和工作中不可缺少的工具和助手。這個時期,社會對GIS的認識普遍提高,需求大幅度增加,地理信息系統(tǒng)已成為許多機構(gòu)(特別是政府決策部門)必備的工作和決策咨詢系統(tǒng)。國家級乃至全球級的地理信息系統(tǒng)已成為公眾關(guān)注的問題,地理信息系統(tǒng)已被列入“信息高速公路”計劃,也是美國前副總統(tǒng)戈爾提出的“數(shù)字地球”戰(zhàn)略的重要組成部分。地理信息系統(tǒng)的研究和應(yīng)用正逐步形成行業(yè),具備了走向產(chǎn)業(yè)化的條件。
近來,個人數(shù)字助理(PersonalDigitalAssistant,PDA)、移動電話的普及給新的應(yīng)用創(chuàng)造了許多機會。這樣的應(yīng)用有流動工作人員和基于位置服務(wù)。流動工作人員,顧名思義,他們工作在遠程位置,如客戶處、分公司或者野外現(xiàn)場。這些工作人員經(jīng)常要為完成某項任務(wù)下載一段所需的數(shù)據(jù),在遠端使用這段數(shù)據(jù),然后在每天工作結(jié)束的時候?qū)⒏膭痈拢ㄍ降兀┑街鲾?shù)據(jù)庫上。這種場景的一個重要方面是:客戶端保留有數(shù)據(jù),并以離線方式在本地對數(shù)據(jù)進行操作。基于位置服務(wù)的使用是近年來出現(xiàn)的一個重要趨勢,這類服務(wù)徹底改變了對用戶地理位置的依賴。隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)的應(yīng)用,可以很容易確定任何一個客戶/使用者的精確位置,并根據(jù)用戶的地理位置提出最佳解決方案?;谖恢梅?wù)的影響和重要性促使開放GIS協(xié)會(OpenGISConsortium,OGC)提出了開放位置服務(wù)(OpenLocationService,OpenLS),希望能夠?qū)⒌乩砜臻g數(shù)據(jù)和地理操作的資源集成到位置服務(wù)和電信基礎(chǔ)設(shè)施中去。美國聯(lián)邦政府已于2001年10月頒布了規(guī)定:所有蜂窩電話的位置在67%的使用時間里必須是可追蹤的,追蹤精度為125米。這樣,一方面人們總在評述著Internet革命“消滅”了地理的概念,與此同時,對于空間技術(shù)的需求卻在不斷增長。位置服務(wù)(LocationBasedService,LBS)的巨大魅力在于通過固定或移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送GIS功能和基于位置信息,從而在任何時間應(yīng)用到任何人、任何位置和任何設(shè)備上。當前,LBS已成為科學(xué)研究、技術(shù)發(fā)展和市場開拓領(lǐng)域共同的熱點話題。此時,GIS已朝著地理信息服務(wù)(GeographicInformationService,GIS)的方向發(fā)展。
六、結(jié)論
關(guān)鍵詞 地理信息系統(tǒng) 學(xué)科建設(shè) 政策建議
1 引言
地理信息系統(tǒng)是地理學(xué)、資源與環(huán)境科學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)中最富有生命力的部分,是它們重要的發(fā)展方向之一,“在持續(xù)發(fā)展的研究和決策中,沒有任何其他領(lǐng)域比利用GIS技術(shù)更為重要”。地理信息系統(tǒng)發(fā)展十分迅猛,地理信息系統(tǒng)學(xué)科也非常年輕,從第一個GIS建立到現(xiàn)在只有33年的時間,從“數(shù)字地球”的提出到現(xiàn)在耳熟能詳?shù)摹皵?shù)字化浪潮”只有短短8年的時間。
隨著地理信息系統(tǒng)學(xué)科的快速發(fā)展和社會需求空間的不斷增大,地理信息系統(tǒng)人才的需求量也在不斷擴大。如何加強GIS學(xué)科和人才培養(yǎng)體系建設(shè)顯得尤為必要。
2 地理信息系統(tǒng)學(xué)科體系
GIS(Geographical Information System)是在計算機軟件和硬件支持下,綜合運用地理學(xué)、系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論,獲取、存貯、管理、傳輸、分析和輸出地理空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng),是計算機和信息系統(tǒng)技術(shù)在地理科學(xué)中運用發(fā)展的產(chǎn)物。從學(xué)科角度看,地理信息系統(tǒng)是管理和分析空間數(shù)據(jù)的科學(xué)技術(shù),是一門集地理學(xué)、測繪科學(xué)、計算機科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)等多門科學(xué)為一體的新興的綜合集成學(xué)科,具有多學(xué)科交叉的顯著特點。
從廣義來看,GIS應(yīng)屬地球信息科學(xué)與技術(shù)的范疇。地球信息科學(xué)包括理論、技術(shù)和應(yīng)用三部分。應(yīng)用信息論、控制論和系統(tǒng)論形成了地球信息科學(xué)的方法論;區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展和全球變化構(gòu)成了地球信息科學(xué)的應(yīng)用部分;信息的獲取、監(jiān)測,信息的模擬,信息的傳播與建設(shè)構(gòu)成了地球信息技術(shù)部分(見圖1)。當前我國的GIS學(xué)科建設(shè)方面,存在理論不適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展需求,同時技術(shù)與應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象。
從狹義來看,GIS屬多學(xué)科綜合集成的學(xué)科,包含了理、工、管理學(xué)科的科學(xué)與技術(shù)內(nèi)容。GIS作為理科,以地理學(xué)、地圖學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)為基礎(chǔ);GIS作為工科則以計算機科學(xué)與技術(shù)、測繪科學(xué)與技術(shù)、系統(tǒng)工程為核心;GIS作為管理學(xué),則以管理信息系統(tǒng)(MIS)為支撐體系。目前對GIS學(xué)科建設(shè),一是分散在相應(yīng)學(xué)科的邊緣,沒有得到充分的重視;二是學(xué)科體系不清,結(jié)構(gòu)不完善。因此,只有把GIS學(xué)科建設(shè)作為一類交叉學(xué)科門類,進而從科學(xué)、技術(shù)、工程三個層次加強,才能夠形成完善的學(xué)科體系,任何強調(diào)其中一個方面的傾向,均會對GIS學(xué)科發(fā)展產(chǎn)生不利的影響。設(shè)置交叉學(xué)科類在美國的學(xué)科分類體系中得到了充分且高度的重視。從GIS科學(xué)角度,要加強地球信息科學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)等在GIS中的應(yīng)用;從GIS學(xué)科建設(shè)的技術(shù)角度,要加強遙感技術(shù)的應(yīng)用,以及網(wǎng)絡(luò)計算機軟件技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用;從GIS學(xué)科建設(shè)的工程角度,要加強系統(tǒng)工程在GIS中的應(yīng)用,從而保證任何GIS軟件系統(tǒng)具有很強的穩(wěn)定性與安全性,能夠具有強大的服務(wù)功能。
3 地理信息系統(tǒng)人才培養(yǎng)體系
3.1 GIS人才培養(yǎng)方向
把握了GIS人才培養(yǎng)方向就勒住了人才培養(yǎng)體系的龍頭。根據(jù)前面的論述,GIS人才培養(yǎng)方向可以歸納為:①GIS理論人才;②GIS技術(shù)人才(含軟件開發(fā)人才);③GIS應(yīng)用人才(GIS工程建設(shè))。
從科學(xué)(理論)角度看,地球系統(tǒng)的信息流是GIS研究的主要內(nèi)容。資源與環(huán)境信息則是其主要關(guān)注的對象。GIS在不斷發(fā)展中已逐步形成了以“地球信息科學(xué)”為基礎(chǔ)的獨特的理論體系,具有多學(xué)科集成的顯著特點。但目前,正如陳述彭先生所指出的“地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)研究狀況是理論的發(fā)展?jié)M足不了技術(shù)進步的需求”。因此,在GIS人才培養(yǎng)中,首先需要的是能夠滿足學(xué)科發(fā)展所急需的理論型人才。
GIS技術(shù)人才包括信息的獲取、監(jiān)測,信息的模擬,信息的傳播與建設(shè)等方面的人才,這些人才的培養(yǎng),廣義上包括遙感技術(shù)、GPS技術(shù)、地理信息系統(tǒng)與空間輔助決策系統(tǒng)以及信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的人才培養(yǎng)。對于GIS軟件開發(fā),為避免大量人力集中在低層、重復(fù)的程序編制上,應(yīng)盡量利用已完成的軟件資源,同時從長遠看,中國應(yīng)該發(fā)展自己的GIS軟件,應(yīng)該加大對軟件開發(fā)的投入。
國外有統(tǒng)計數(shù)字:用于GIS軟件、硬件和建庫的投資比例為1∶2∶10。這反映中國的GIS軟件市場大,而GIS的應(yīng)用市場更大?,F(xiàn)在國內(nèi)急需GIS工程建設(shè)的高級技術(shù)人才。這樣的高級技術(shù)人才必須具備很好的測繪、遙感、地理學(xué)、計算機和應(yīng)用科學(xué)的知識基礎(chǔ);有處理各類GIS應(yīng)用技術(shù)問題的經(jīng)驗;果斷的判斷和決策能力;較高的組織指揮才能。他們要憑自己的知識、經(jīng)驗和能力對GIS系統(tǒng)的建設(shè)和開發(fā)過程進行總體控制,解決技術(shù)難點,并能進行系統(tǒng)開發(fā),對運行系統(tǒng)進行診斷。
GIS軟件開發(fā)和GIS應(yīng)用兩類人才都需要培養(yǎng)。尤其是GIS應(yīng)用人才培養(yǎng)目前國內(nèi)還沒認識到其重要性,國內(nèi)不少人避開社會科學(xué)問題,傾向于純技術(shù)課題,片面認為唯有編制低層次的算法程序才是高級的、有意義的工作。實際上“在發(fā)達國家的GIS人員結(jié)構(gòu)中,絕大多數(shù)的人員和研究生都在GIS的應(yīng)用領(lǐng)域工作,這才促成了GIS的蓬勃發(fā)展”。
3.2 國內(nèi)外GIS學(xué)科、專業(yè)設(shè)置現(xiàn)狀
GIS學(xué)科與專業(yè)設(shè)置影響到GIS人才培養(yǎng)的素質(zhì)與人才結(jié)構(gòu)。國外的GIS專業(yè)教育比中國早10年左右,20世紀80年代中后期,國內(nèi)一些大學(xué)才開始著手建立了GIS專業(yè)。1997年國家學(xué)位委員會在對原有學(xué)科進行合并、調(diào)整的同時,在原地理學(xué)一級學(xué)科目錄中增加了“地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)”(理學(xué))、在原測繪科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科目錄中增加了“地圖制圖學(xué)與地理信息工程”(工學(xué))兩個二級學(xué)科,并開始進行這兩個二級學(xué)科的博士、碩士研究生培養(yǎng)單位審批和招生工作。這也是我國最早開始的碩士、博士GIS研究生學(xué)位教育。1998年7月教育部頒布的新的本科專業(yè)目錄中,在原地理類專業(yè)中增設(shè)了“地理信息系統(tǒng)”理學(xué)本科專業(yè)。
在我國現(xiàn)行的學(xué)士學(xué)位(本科)專業(yè)目錄中,能夠進行GIS專業(yè)人才培養(yǎng)相關(guān)的有理學(xué)、工學(xué)、管理學(xué)3個門類,4個學(xué)科,4個專業(yè)。但僅有地理科學(xué)類門下的“地理信息系統(tǒng)”一個專業(yè)可以授予GIS理學(xué)學(xué)士學(xué)位。美國在現(xiàn)行的學(xué)士學(xué)位(本科)專業(yè)目錄中,能夠從事GIS專業(yè)人才培養(yǎng)的有理學(xué)、文學(xué)、工學(xué)、管理學(xué)和環(huán)境學(xué)5個門類,5個學(xué)科,14個專業(yè),并且都可授予GIS學(xué)士學(xué)位。
比較而言,我國現(xiàn)行的GIS專業(yè)設(shè)置,不符合GIS作為一門交叉學(xué)科和綜合性學(xué)科的特點,阻礙了GIS學(xué)科建設(shè),現(xiàn)行培養(yǎng)方案已不能滿足GIS人才培養(yǎng)的需要,并在一定程度上限制了人才培養(yǎng)體系的建設(shè)與發(fā)展。
3.3 國內(nèi)GIS專業(yè)課程設(shè)置對比分析
合理的課程設(shè)置,尤其是專業(yè)核心課程的設(shè)置,是GIS人才培養(yǎng)體系所面臨的一個重要問題。目前,GIS專業(yè)課程體系主要由公共必修課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課等幾部分組成。本文選取了典型的7所國內(nèi)高校本科GIS專業(yè)的主要專業(yè)課程設(shè)置,包括:3個理學(xué)專業(yè),4個工學(xué)專業(yè)(見表2,不包含數(shù)理基礎(chǔ)部分的課程)。
分析表2可以看出:
1)不論其學(xué)校系科歸屬于理學(xué)或工學(xué),課程體系的設(shè)置本質(zhì)差異不大,除去公共必修課和數(shù)理基礎(chǔ)課程外,根據(jù)GIS學(xué)科包含的核心內(nèi)容看均包含有:地理(地球)科學(xué)、攝影測量與遙感、計算機科學(xué),以及地理信息系統(tǒng)專業(yè)課程四個部分。
2)各校課程組結(jié)構(gòu)比重的差異反映了理學(xué)、工學(xué)辦學(xué)的特點及各校的辦學(xué)特色與師資條件。雖然開設(shè)的課程類別基本相同,但課程結(jié)構(gòu)存在明顯差異:a) 工學(xué)對數(shù)理科學(xué)有相當高的要求,對計算機類和攝影測量與遙感課程組的要求也明顯高于理學(xué)GIS;b) 理學(xué)GIS專業(yè)課明顯多于工學(xué)GIS專業(yè)課,體現(xiàn)地理信息系統(tǒng)專業(yè)起源于地理學(xué)科的固有特性,反映了工科系科內(nèi)地理科學(xué)有關(guān)學(xué)科師資力量的薄弱與不足;c) 不論工科或理科,各校優(yōu)勢學(xué)科課程都明顯高于其他學(xué)校。如同濟大學(xué)的測繪科學(xué)與技術(shù)課程,占總課程的30%。
3)比較而言:必修課除了物理、數(shù)學(xué)、計算機文化基礎(chǔ)、英語、政治之外,如果將其他必修課作為專業(yè)核心課程,則重慶郵電大學(xué) GIS專業(yè)測量學(xué)方面與遙感方面相對薄弱,電信專業(yè)方面課程得到加強。重慶郵電大學(xué)GIS專業(yè)是設(shè)在計算機學(xué)院下,重慶郵電大學(xué)GIS專業(yè)中各類課程的比重是:地理學(xué)或地學(xué)課程11.5%;計算機課程31.5%;攝影測量與遙感課程占2.27%;GIS專業(yè)課程15.9%;電信類課程占16.26%;其他基礎(chǔ)課部分20.3%(圖2)。這從某種程度上說明了重郵的特色,即計算機加電信的地理信息系統(tǒng),同時也能引起我們對于到底培養(yǎng)怎樣的GIS人才、辦成怎樣的專業(yè)特色進行思考。
4 地理信息系統(tǒng)學(xué)科與人才培養(yǎng)體系建設(shè)對策
4.1 學(xué)科建設(shè)對策
目前GIS學(xué)科的發(fā)展不能適應(yīng)GIS未來發(fā)展的需要,甚至在一定程度上限制了學(xué)科的發(fā)展。有必要從本學(xué)科的長遠發(fā)展來考慮如何將專業(yè)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢專業(yè)的問題。
(1)完善和加強各級實驗室建設(shè)。依托現(xiàn)有的計算機實驗室,建立初步滿足教學(xué)實驗的軟件和硬件環(huán)境,這對提高GIS人才的實驗技能、對發(fā)展GIS專業(yè)至關(guān)重要。在地理信息系統(tǒng)實驗室中,可分為理論基礎(chǔ)實驗、軟件工程實驗和綜合實驗三方面。
(2)全面建設(shè)野外綜合實驗基地。增添野外定位、觀測、數(shù)據(jù)采集、記錄、處理、通訊設(shè)備(GPS、水、土、氣、生自動觀測等)常規(guī)設(shè)備。野外綜合實驗基地的建設(shè)是提高對地學(xué)信息野外測量能力的基礎(chǔ),可包括地理學(xué)綜合實驗基地、測量和遙感實驗基地、軟件工程與管理實驗基地等。
4.2 人才培養(yǎng)對策
4.2.1根據(jù)GIS人才的素質(zhì)要求,加強實踐性人才培養(yǎng)
GIS是一門集地理學(xué)、測繪科學(xué)、遙感學(xué)、計算機科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)和管理科學(xué)等為一體的新興邊緣學(xué)科。雖然有個別提法不一定完全一致,但GIS是一門新興的邊緣、交叉學(xué)科,卻是大家的共識。我們不能否認GIS的理論性,但我們更不能否認GIS的強技術(shù)性與實踐性??梢哉f,GIS是一門偏重于技術(shù)與實踐的學(xué)科。理論性與技術(shù)性并不矛盾,陳述彭院士說過,沒有高新技術(shù)支持的科學(xué)是落后的科學(xué),沒有科學(xué)理論指導(dǎo)的技術(shù)則是盲目的技術(shù),這是一句富含哲理的睿語。美國的GIS理論與技術(shù)都十分先進就是一個例證。因此,GIS人才不但要有深厚的理論基礎(chǔ),而且還要有過硬的技術(shù)能力,這就是GIS人才的素質(zhì)標準。具有合理的知識結(jié)構(gòu),靈敏的空間數(shù)字思維方式,卓越的技術(shù)、實踐、管理與組織才能,才是GIS創(chuàng)新型的高級人才。
人才培養(yǎng)除了要了解市場的前瞻性,從長遠來看,將來GIS人才面向的越來越多的是企業(yè),而真正推動“數(shù)字地球”“數(shù)字城市”的是政府行為,政府本身無法完成龐大的“數(shù)字城市”“數(shù)字國土”的任務(wù),這些任務(wù)最終落在企業(yè)身上,從行政行為到市場的選擇,它本身有一個滯后的過程,它受國家地理信息基礎(chǔ)設(shè)施完善程度和某些技術(shù)瓶頸的制約,一旦這些瓶頸打破,將帶來大量的對GIS人才的需求。
當前是市場經(jīng)濟,人才培養(yǎng)除了要了解市場的前瞻性外,還要有市場需求的現(xiàn)實性。從近期來看,企業(yè)需要的是馬上能給單位創(chuàng)造價值的可塑性人才,它需求的是現(xiàn)實價值和潛在價值的統(tǒng)一,兩者中,又更加注重現(xiàn)實生產(chǎn)力。技術(shù)嫻熟的生產(chǎn)者能夠馬上受到企業(yè)的青睞。
因此GIS專業(yè)人才培養(yǎng)除加強理論教學(xué)外,更應(yīng)該注重實踐性人才培養(yǎng)。
4.2.2 進一步加強GIS人才培養(yǎng)的核心課程建設(shè)
目前,在本科教育中,精英教育與大眾教育并存,GIS學(xué)科人才培養(yǎng)核心課程體系的建設(shè)已顯得十分重要。為此,針對上述GIS學(xué)科體系劃分、人才培養(yǎng)的專業(yè)設(shè)置,建議進一步加強大學(xué)GIS專業(yè)的核心課程建設(shè),優(yōu)化核心課程體系(表3、表4)。內(nèi)容涉及與GIS學(xué)科密切相關(guān)的地理類、測繪與遙感類、計算機科學(xué)與技術(shù)類、GIS專業(yè)類四個課程組,作為GIS本科專業(yè)素質(zhì)教育的核心課程。
4.2.3 注重GIS課程前驅(qū)課程和后續(xù)課程的設(shè)置
GIS課程應(yīng)該根據(jù)專業(yè)特點和學(xué)生的認知特點設(shè)置,體現(xiàn)知識的前后銜接。學(xué)生通過前驅(qū)課程的學(xué)習,再進入GIS課程的學(xué)習,以GIS知識為主導(dǎo),將GIS技術(shù)融入到其他方面的分析中(圖3)。
4.2.4 在狠抓教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上,擴大專業(yè)規(guī)模
從1998年7月教育部頒布的新的本科專業(yè)目錄中,增設(shè)了“地理信息系統(tǒng)”理學(xué)本科專業(yè)。例如,重慶郵電大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)于1999年經(jīng)教育部批準設(shè)立,2000年開始招生,學(xué)制四年,授理學(xué)學(xué)士學(xué)位,是西南地區(qū)創(chuàng)建該專業(yè)的本科教學(xué)最早的學(xué)校之一,經(jīng)過6年辦學(xué),從無到有,逐步走向完善。全體老師共同努力,教學(xué)計劃得到調(diào)整,辦學(xué)經(jīng)驗不斷豐富,但規(guī)模一直成為進一步增加投入加強學(xué)科建設(shè)的一個瓶頸。
建議在狠抓教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上,擴大專業(yè)規(guī)模,同時應(yīng)該不失時機地加大投入。高新技術(shù)本身意味著需要高投入、高風險,才有高回報。
4.3加強GIS專業(yè)建設(shè)的規(guī)劃與規(guī)劃的執(zhí)行
借用根據(jù)克來因綜合國力方程,專業(yè)綜合勢力的評價可以表示為:
PP=(C+E+M)×(S+W)
PP――表示專業(yè)綜合勢力
C――表示基本實力,包括學(xué)生素質(zhì),師資力量和教學(xué)設(shè)備
E――表示經(jīng)濟投入能力
M――表示領(lǐng)導(dǎo)能力,等于領(lǐng)導(dǎo)的感召力和協(xié)調(diào)能力,調(diào)動各項資源從事專業(yè)建設(shè)的能力
S――表示戰(zhàn)略意圖,即專業(yè)定位和專業(yè)建設(shè)長期規(guī)劃、短期規(guī)劃和年度計劃
W――表示貫徹戰(zhàn)略意圖的能力,即專業(yè)建設(shè)長期規(guī)劃、短期規(guī)劃和年度計劃執(zhí)行力
由此可見,有戰(zhàn)略目標,有強有力執(zhí)行戰(zhàn)略意圖的能力是專業(yè)綜合實力的一個重要指標。許多學(xué)校的專業(yè)建設(shè)都十分重視專業(yè)的整體規(guī)劃。作為一個學(xué)科建設(shè),需要有明確的站在時代的角度、全國的角度審視的戰(zhàn)略意圖,需要加強執(zhí)行戰(zhàn)略意圖的能力。
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如何提高學(xué)生的自身素質(zhì),而能更好地解決就業(yè)問題,筆者認為可從以下兩個方面加以考慮。
1.學(xué)科定位不同的高校都有自己的學(xué)科定位,學(xué)生培養(yǎng)的目標不同,其課程設(shè)置及實踐教學(xué)也有所不同。如何科學(xué)合理的進行專業(yè)的學(xué)科定位,是當前許多高校需要研究并解決的一個關(guān)鍵問題。2.實踐教學(xué)體系設(shè)置由于GIS是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科。加之用人單位無一例外地都要求所聘畢業(yè)生要具有一定的動手能力,能夠承擔實際工作,勝任所聘工作崗位。因此GIS專業(yè)實踐教學(xué)必須在注重“打好基礎(chǔ)”的同時,注重“應(yīng)用過關(guān)”,如何科學(xué)、有效地制定實踐教學(xué)體系,是當前急需解決的問題。
二、地理信息科學(xué)專業(yè)發(fā)展的主要措施
建立和健全實踐教學(xué)課程體系,提高學(xué)生對實踐教學(xué)重要性的認識。深化實踐教學(xué)管理,實施“實踐教學(xué)導(dǎo)師負責制”,即每位教師分別負責幾位學(xué)生,或每位教師按地域負責學(xué)生,如負責北京,負責上海,負責長春等實踐教學(xué)基地,加強“實習+就業(yè)”培養(yǎng)模式,為畢業(yè)生就業(yè)提供良好的就業(yè)平臺。
1.在課程結(jié)構(gòu)上,要加大實踐性教學(xué)的比重,把實踐操作技能訓(xùn)練作為重要的教學(xué)內(nèi)容。2.在理論課教學(xué)內(nèi)容上,要與實踐相結(jié)合。刪減理論與實踐脫節(jié)的內(nèi)容,增加實用性內(nèi)容,按市場需求,把新知識、新技術(shù)、新方法滲透到專業(yè)教學(xué)之中。3.在教學(xué)方法上,采用實踐性教學(xué),使理論課程的教學(xué)應(yīng)用性和實踐性大大增強。4.強化校內(nèi)實訓(xùn),成立興趣小組,組織專業(yè)技能大賽。5.通過對專業(yè)實習基地調(diào)研,實訓(xùn)基地主要在一線城市,重點考慮北京、廣州、上海等城市。6.確定實習基地,實習前動員,學(xué)生與實習基地雙向選擇,送學(xué)生到實習單位,檢查學(xué)生實習情況,落實學(xué)生就業(yè)。
三、結(jié)語
1研究進展和成就
土地信息科學(xué)作為一門新興的信息科學(xué)技術(shù),已走過了近40年的發(fā)展歷程。目前正以每年25%~40%的速度快速增長。毫無疑問,土地信息科學(xué)是國土現(xiàn)代化無可替代的重要技術(shù)支撐,它的廣泛應(yīng)用,必將給土地資源的研究和發(fā)展帶來革命性的變革[3]。
1.1土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測研究我國土地利用/土地覆被變化遙感動態(tài)監(jiān)測研究始于20世紀70年代。1974年開始引進美國地球資源衛(wèi)星圖像,開展遙感圖像處理和解譯工作。1978年全國第二次土壤普查,許多地區(qū)利用航片借助計算機技術(shù)勾繪出了土地利用現(xiàn)狀圖和土壤圖。20世紀80—90年代,微型計算機的出現(xiàn)促進了遙感技術(shù)的發(fā)展,我國土地信息科學(xué)研究進入新的階段。1980—1983年我國利用陸地衛(wèi)星圖像資料對全國土地進行遙感調(diào)查,編制了1∶250000和1∶2000000土地利用現(xiàn)狀圖。利用航空遙感圖像判讀編制了1∶10000、1∶25000、1∶50000的土地利用現(xiàn)狀圖和土地利用類型圖。航空遙感與GPS應(yīng)用到城鎮(zhèn)大比例尺(1∶2000~1∶500)地形圖測繪工作中,為城市土地規(guī)劃建設(shè)提供了依據(jù)。90年代初,在國家土地管理局的組織下,東部采用航空遙感信息完成1∶10000土地利用調(diào)查,西部以航空遙感和衛(wèi)星遙感信息相結(jié)合完成1∶50000、1∶100000和1∶200000土地利用調(diào)查。近十幾年以來,隨著衛(wèi)星遙感分辨率的不斷提高,遙感技術(shù)在土地利用動態(tài)變化監(jiān)測中發(fā)揮越來越重要的作用。在國家科委和國家科學(xué)基金委“九五”到2010的重點發(fā)展領(lǐng)域和優(yōu)先資助領(lǐng)域中,將土地利用動態(tài)變化遙感監(jiān)測作為研究重點之一[4]。目前,遙感技術(shù)因其能提供動態(tài)、豐富和廉價的數(shù)據(jù)源已成為獲取土地利用/土地覆被變化最為行之有效的手段。衛(wèi)星遙感在全球和區(qū)域尺度土地利用/土地覆被變化研究與應(yīng)用方面均取得了突破性進展[5]。
1.2土地信息系統(tǒng)建設(shè)研究1980年中國科學(xué)院遙感所成立了第一個地理信息系統(tǒng)研究室,并于1985年組建了“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”國家重點實驗室。1990年,武漢大學(xué)建立“測繪遙感信息工程”國家實驗室。在此基礎(chǔ)上我國開展了大量的土地信息相關(guān)的開發(fā)研制工作,如中國測繪局在全國大地測量和數(shù)字地面模型建立的基礎(chǔ)上,建成1∶1000000國土基礎(chǔ)信息系統(tǒng)和全國土地信息系統(tǒng)[2]。國土資源部已將“加強信息系統(tǒng)建設(shè),實現(xiàn)信息服務(wù)社會化”列為國土資源部門的五大任務(wù)之一,并已成立了以部長為首的部信息化領(lǐng)導(dǎo)小組,組建了部信息中心。在新一輪國土資源大調(diào)查中設(shè)立了“數(shù)字國土工程”專項,我國國土資源信息化工作已全面展開[6]。與此同時,我國一大批土地信息化相關(guān)的重點項目已經(jīng)或者正在開發(fā)、實施。例如,黃杏元等根據(jù)城市土地定級因素所具有的空間特征和相關(guān)性,采用地理信息系統(tǒng)的技術(shù)和方法,運用空間數(shù)據(jù)庫存貯、管理和操作各類與城市土地定級估價有關(guān)的信息和數(shù)據(jù),完成了南通市土地定級信息系統(tǒng)的設(shè)計,建立了土地定級估價數(shù)據(jù)庫[7]。武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院開發(fā)了農(nóng)用地分等定級估價信息系統(tǒng),不但可以減少農(nóng)用地分等定級估價工作中大量煩瑣的計算工作,而且可以大大提高分等的速度和精度。
1.3人才培養(yǎng)和學(xué)術(shù)交流成果研究近年來,我國研究者出版了一系列有關(guān)論述土地信息科學(xué)的專著,如由胡月明等編著的《土地信息系統(tǒng)》(華南理工大學(xué)出版社2001年出版)、海等編著的《土地管理信息系統(tǒng)》(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社2000年出版)等。同時,我國學(xué)者也發(fā)表了大量的土地信息科學(xué)相關(guān)的學(xué)術(shù)論文,如彭俊等就“土地信息學(xué)”的建設(shè)進行了深入的探討。嚴泰來等就土地信息學(xué)科前沿的若干問題作了深入的剖析。孫靜等就土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方法作了詳細介紹。近年來,許多高??蒲性核_設(shè)了與土地信息科學(xué)有關(guān)的專業(yè)、課程和培訓(xùn)班,培養(yǎng)出了一大批從事土地信息科學(xué)教學(xué)、研究和實踐的工作人員。
2前沿領(lǐng)域
無論從發(fā)展土地信息科學(xué)的角度,還是從國家社會經(jīng)濟進步的需求來看,土地信息科學(xué)面臨著不少困難和新的挑戰(zhàn),同時也迎來發(fā)展的有利契機。本文主要從空間信息數(shù)據(jù)庫角度提出一些土地信息學(xué)科的前沿問題。
2.1空間數(shù)據(jù)表達與系統(tǒng)開發(fā)標準化土地信息的標準化程度決定了系統(tǒng)的兼容性、可移植性,同時也保證信息的共享和可持續(xù)利用[8]。土地信息系統(tǒng)的標準化包含兩方面的含義。首先,要服從軟件系統(tǒng)工程的標準,服從系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)標準和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準。其次,土地信息系統(tǒng)要遵從土地行業(yè)及地理界的標準,服從空間地理信息(點、線、面)的描述、管理和表示的數(shù)據(jù)標準。目前我國土地信息系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標準,系統(tǒng)低水平設(shè)計、軟件重復(fù)開發(fā)現(xiàn)象嚴重。土地信息化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建庫與更新仍是一個瓶頸問題。應(yīng)確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)和利用的法定地位,加快制定有關(guān)國家標準,加強數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,統(tǒng)一土地空間數(shù)據(jù)模型[9],具體如土地信息系統(tǒng)中名詞術(shù)語標準、圖形與影像數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)程、數(shù)據(jù)交換格式標準、數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量標準、土地數(shù)據(jù)的分類與代碼等[3]。值得一提的是,宋其友等編著的《土地信息學(xué)》較為系統(tǒng)地介紹了土地信息的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)獲取、應(yīng)用模型等[10]。
2.2空間數(shù)據(jù)信息挖掘問題當前全國各地國土資源部門構(gòu)建了多層次、多類型的國土資源數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)規(guī)模、質(zhì)量與數(shù)據(jù)的完備性都達到前所未有的高度,這種情形為數(shù)據(jù)庫的信息挖掘提供了良好條件[11]。隨著國土信息化進程的深入,不同時間、不同區(qū)域、不同方式來源的土地信息數(shù)據(jù)越來越多,積累了大量的空間數(shù)據(jù)資料,如何在系統(tǒng)支持下由“死”數(shù)據(jù)變?yōu)椤盎睢睌?shù)據(jù),挖掘深層次的信息成為當前土地信息科學(xué)的熱點問題[12]。事實上,不少人對這個問題也做了深入研究。比如,有人利用一個地區(qū)各個圖斑的周長面積比的平均值來衡量這個地區(qū)的土地開發(fā)程度,也有人從城市各個商業(yè)網(wǎng)點布局來發(fā)現(xiàn)一些經(jīng)濟現(xiàn)象[13]。
2.3時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題時間、空間、屬性是構(gòu)成GIS的三個基礎(chǔ)成分。黃杏元等指出時間是土地信息系統(tǒng)中不可缺少的一維,它不僅僅作為數(shù)據(jù)的一個組成部分,而且與空間數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)地存在著[14]。然而,目前的土地信息系統(tǒng)軟件除三維表面模型外,基本上是二維模型,難以描述土地時空的三維性。若要實現(xiàn)這一目標,二維的土地信息系統(tǒng)模型需要作根本性的改進[15]。
2.4數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)更新淘汰問題土地空間數(shù)據(jù)涉及跨部門、跨行業(yè)的多種數(shù)據(jù)格式和多種數(shù)據(jù)類型的大量資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟圖形、屬性數(shù)據(jù)。這些空間數(shù)據(jù)在以幾何級數(shù)的形式增長,而計算機數(shù)據(jù)存儲空間卻是以算術(shù)級數(shù)在增加,勢必有一天存儲空間容納不下巨量的地學(xué)信息數(shù)據(jù)[13]。研究科學(xué)的空間數(shù)據(jù)壓縮方法顯得十分必要。
2.5遙感影像數(shù)據(jù)解譯精度與可信度問題遙感影像數(shù)據(jù)解譯精度與可信度是貫穿于土地利用動態(tài)變化監(jiān)測過程的核心問題之一,也是困擾遙感技術(shù)在土地利用動態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用的重要限制因素。多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)融合問題、確定信息與不確定信息問題、人—機交互界面設(shè)計等是今后土地信息科學(xué)發(fā)展所面臨的主要問題。
3發(fā)展趨勢
3.1多學(xué)科的集成性研究張榮群[16]指出土地信息科學(xué)涉及遙感與測繪技術(shù)、計算機信息技術(shù)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)、地圖學(xué),以及與土地相關(guān)的地理學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、氣象學(xué)、城市科學(xué)和管理學(xué)等學(xué)科。遙感測繪技術(shù)以及全球定位技術(shù)為土地信息系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)來源;計算機科學(xué)為土地信息系統(tǒng)的發(fā)展提供強大的軟、硬件環(huán)境;環(huán)境資源(土地資源相關(guān))科學(xué)則是土地信息系統(tǒng)工作的對象。
3.2土地信息的網(wǎng)絡(luò)化研究土地管理業(yè)務(wù)具有業(yè)務(wù)種類多樣性、數(shù)據(jù)量大、手續(xù)繁雜等特點,要求各個部門共享信息,協(xié)同處理。Internet具有不受時空限制能快速、直觀地土地信息,對于合理保護、利用和開發(fā)土地資源,整合資源優(yōu)勢,最大限度地挖掘土地生產(chǎn)力,保證土地資源的可持續(xù)利用等方面具有積極作用[17]。正如朱明倉[18]指出的在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的強大推動下,具有時間特性的土地信息數(shù)據(jù)也必將通過先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)各種土地信息用戶的互連和信息資源共享,不僅實現(xiàn)增強協(xié)同處理業(yè)務(wù)能力,進行業(yè)務(wù)監(jiān)督,更能把土地信息傳給千家萬戶,真正使普通老百姓加入到土地管理中來,最終實現(xiàn)土地信息的開放性和實用性[3]。目前土地網(wǎng)絡(luò)化研究前沿是通過WebGIS實現(xiàn)的。利用web技術(shù)可以實現(xiàn)基于地圖的瀏覽、查詢、分析應(yīng)用等功能,從而能夠構(gòu)建智能化、個性化、交互式的土地信息管理和服務(wù)平臺,實現(xiàn)開放的、互操作的數(shù)據(jù)共享LIS系統(tǒng)。當前用于WebGIS的瀏覽器的中間鍵有多種,對客戶端,主要有Ac-tivex,JavaApplet,P1ug-in,Autodesk公司Mapguide等方式;對服務(wù)器端,主要有CORBA,CGI和JavaServerlet,武漢大學(xué)研制的GeosuIf等方式[17]。
3.3土地信息系統(tǒng)的智能化研究土地信息系統(tǒng)是一個基于土地空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng),它必須具有自動采集和處理空間數(shù)據(jù)的功能,而且能智能式分析和運用數(shù)據(jù),提供科學(xué)的決策咨詢,以回答用戶可能提出的各種復(fù)雜問題[3]。在土地信息系統(tǒng)中加入專業(yè)領(lǐng)域的知識和有關(guān)空間推理知識形成知識庫和專家系統(tǒng)(ES)模塊,實現(xiàn)對空間土地數(shù)據(jù)綜合分析人腦思維化。我國學(xué)者在智能化的土地信息系統(tǒng)開發(fā)中也做了大量工作。如,鄭順義等基于對知識工程的土地信息系統(tǒng)的研究,開發(fā)了交通建設(shè)用地分析系統(tǒng)TransLand,該系統(tǒng)開發(fā)了智能決策部分,包括知識庫、模型庫的管理,以及推理、解釋等模塊。系統(tǒng)的運行證明,建立基于知識的土地信息系統(tǒng)可以克服傳統(tǒng)土地信息系統(tǒng)的一些缺陷和不足,利用其進行土地分析,能夠從定量、定性、定位的角度對交通建設(shè)用地的有關(guān)問題進行全方位的分析和決策[19]。
3.4地面、航空、航天的多層次綜合遙感監(jiān)測近年來,地面、航空、航天的多層次綜合遙感在LUCC研究中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。通過地面、航空、航天的多層次綜合遙感監(jiān)測,建立國土資源衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)地獲取土地利用、土地覆被變化不同分辨力的遙感圖像數(shù)據(jù)。
3.5綜合“3S“技術(shù)應(yīng)用,發(fā)揮整體功能遙感技術(shù)作為一種勘查技術(shù)手段和一種信息源,其應(yīng)用是非常有限的,但是,當遙感(RS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)集成后,其技術(shù)應(yīng)用的能力和范圍將會得到極大的提升和拓展??梢?3S技術(shù)(GIS、RS、GPS)充分集成,建立適合LUCC監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的綜合多功能型的遙感信息技術(shù)是今后的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:地理信息系統(tǒng);教學(xué)方法;教學(xué)改革
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)24-0118-02
一、引言
地理信息系統(tǒng)(簡稱GIS)與地理學(xué)、地圖學(xué)、測繪科學(xué)、遙感科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)密切相關(guān),同時涉及土地科學(xué)、資源學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃等學(xué)科知識,是一門典型的交叉型學(xué)科,同時也是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科。隨著GIS技術(shù)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用,對具有創(chuàng)新能力和解決實際問題能力的GIS專業(yè)新型人才的需求也在不斷增長,而現(xiàn)有的高校GIS專業(yè)課程的教學(xué)現(xiàn)狀還不能滿足社會對GIS專業(yè)人才的特殊需求。因此,對高校GIS專業(yè)課程的教學(xué)改革與實踐研究就顯得尤為必要和迫切了。
二、高校GIS專業(yè)課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題
近年來,隨著地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展,我國人才市場供求矛盾顯得尤為突出,一方面是社會對高層次人才的大量需求,另一方面是高校輸送的GIS專業(yè)畢業(yè)生社會實踐能力不強。GIS專業(yè)是應(yīng)用性很強的專業(yè),地理信息系統(tǒng)本科專業(yè)是以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主,GIS專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量高低直接關(guān)系到通過高等教育培養(yǎng)的專業(yè)人才能否適應(yīng)當前社會發(fā)展的需求。由此,為了更好地適應(yīng)社會發(fā)展的需求,為社會輸送優(yōu)秀人才就要不斷深化GIS專業(yè)課程的教學(xué)改革。
1.教育理念落后。目前高校GIS專業(yè)課程所采用的教學(xué)模式仍是傳統(tǒng)的講授模式,注重對學(xué)生理論知識的傳授,忽略了GIS專業(yè)的應(yīng)用性特點,缺乏對學(xué)生實際操作能力的重視,忽視了對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。不同的教學(xué)方法適用于不同的專業(yè)課程,在教學(xué)活動中引入適合本專業(yè)特點的教學(xué)方法,會起到事半功倍的效果,教學(xué)質(zhì)量也會有大幅的提升。而GIS專業(yè)應(yīng)用性很強的特點也要求教師在教學(xué)方法上有所改進。
2.實踐教學(xué)缺乏。實踐教學(xué)是一個較為復(fù)雜的教學(xué)活動,一般指教學(xué)活動中的實驗、設(shè)計、實習、實踐等,是高等教育教學(xué)的重要組成部分,也是GIS專業(yè)自身特點的要求。GIS專業(yè)作為一個應(yīng)用性十分強的專業(yè),通過課程設(shè)計、模擬實訓(xùn)、社會調(diào)查、畢業(yè)實習、畢業(yè)論文等具體的實踐環(huán)節(jié),能夠提高學(xué)生的學(xué)習興趣,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習的能力,培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。但是目前許多高校在課程設(shè)計上實踐課的課時偏少、對實踐教學(xué)投入的經(jīng)費少等原因,雖然經(jīng)過了多年的摸索實踐,基本上形成了完整的體系,但實踐環(huán)節(jié)還是顯得十分薄弱。
3.教學(xué)手段運用單一。多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供圖文、聲像并茂的多種感官刺激,能夠創(chuàng)設(shè)形象、直觀的交互式學(xué)習環(huán)境,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣,提高教學(xué)質(zhì)量,同時還能提供大量的信息資源。如果能夠運用這些網(wǎng)絡(luò)資源和多媒體手段,不僅有利于學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)、主動探索精神的培養(yǎng),還有利于學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展。但目前在高校地理信息系統(tǒng)專業(yè)的課堂教學(xué)中,基本上采用PPT講授的方法,對于其他多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)資源的使用還很少。
4.教學(xué)考評模式簡單。地理信息系統(tǒng)是一門應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛的學(xué)科,是以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主,因此教學(xué)考評模式不能延用傳統(tǒng)的考核模式,應(yīng)更多地強調(diào)學(xué)生在學(xué)習過程中的變化與發(fā)展,提高分析問題、解決問題的能力;提倡開卷、閉卷多種評價手段,理論實踐多元評價目標;注重激勵性評價,培養(yǎng)學(xué)生的自信心和自尊心。但目前許多高校GIS專業(yè)教學(xué)評價模式仍以單一的筆試成績來評價所有學(xué)生,教學(xué)考評模式過于簡單,不能真實、全面地反映學(xué)生的學(xué)習成績。
三、地理信息系統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)改革措施
1.注重案例教學(xué)。案例教學(xué)法是指利用已有的案例作為個案讓學(xué)生分析和研究,在此基礎(chǔ)上提出各種解決問題的方案,從而提高學(xué)生分析、解決問題的能力的一種教學(xué)方法。案例教學(xué)作為一種行之有效的教學(xué)法已被廣泛引入我國高校課堂。GIS專業(yè)課程具有應(yīng)用性很強的特點,把案例教學(xué)引入課堂,能夠提高學(xué)生理論水平與實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際分析問題、解決問題的綜合能力,從而提高教學(xué)效率,提升教學(xué)質(zhì)量。
2.加強教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。教學(xué)實踐是地理信息系統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié),計算機類課程是GIS專業(yè)的基礎(chǔ)課,注重理解計算機原理和運用計算機軟件,提高實際操作能力,如C++語言課程的上機操作。GIS的核心課程也要求學(xué)生掌握各種GIS軟件的操作,這些都需要在機房上機操作。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是對理論教學(xué)的補充與深化,能夠使學(xué)生熟練掌握arcgis、ERDAS等軟件,也是對學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。同時,野外考察實習也是GIS專業(yè)必不可少的實踐環(huán)節(jié),是對校內(nèi)實踐課程的補充,其目的是使學(xué)生更深層次地理解基本理論,掌握基本地理信息的野外采集與表征方法,為GIS中空間信息的收集、處理、表達與分析打下堅實的基礎(chǔ)。除此之外,讓學(xué)生參與科研也是一種很好的實踐教學(xué),教師根據(jù)情況可以讓學(xué)生參與教師本人或其他教師的科研項目,讓學(xué)生從實踐中學(xué)習,這樣不僅能對所學(xué)理論知識融會貫通,還能培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。因此,高校地理信息系統(tǒng)專業(yè)在課程的設(shè)計方面應(yīng)適當加大實踐操作環(huán)節(jié),對于掌握理論課所講授的基本內(nèi)容,提高學(xué)生的實際動手能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,都具有十分重要的意義。
3.積極運用網(wǎng)絡(luò)資源與多媒體手段。20世紀90年代以來,隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)資源及多媒體手段已廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域的各個方面。在傳統(tǒng)教學(xué)中難以精確描述、學(xué)生難以充分理解的抽象內(nèi)容通過多媒體手段能予以較好解決。地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展之迅速,意味著GIS專業(yè)的師生不斷更新知識才能保持專業(yè)上的技術(shù)優(yōu)勢。Internet上的地理信息系統(tǒng)教育為地理信息系統(tǒng)專業(yè)的師生提供了一種重要的學(xué)習方式。這些網(wǎng)站介紹了GIS的相關(guān)概念和應(yīng)用、各類數(shù)據(jù)來源以及處理方式等相關(guān)問題。同時,許多著名的GIS軟件生產(chǎn)公司的網(wǎng)址,如ESRI公司,這類網(wǎng)址上包含了軟件產(chǎn)品介紹、軟件包、程序設(shè)計技巧、大型數(shù)據(jù)及軟件免費下載方法等信息。遠程用戶可以直接下載某些GIS程序進行教學(xué)演示。除此之外,GIS精品課程也為GIS專業(yè)課程教學(xué)提供了豐富的精品資源,GIS精品課程的教學(xué)資源包括教學(xué)大綱、教案、課程教材、實習教材、實習指導(dǎo)書、習題集等,為師生提供了多種可供選擇的學(xué)習方式??傊S富的網(wǎng)絡(luò)資源也為教師和學(xué)生提供了一個良好的學(xué)習環(huán)境,大大優(yōu)化了教學(xué)過程,豐富和完善了教學(xué)內(nèi)容,提高了教學(xué)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)與多媒體的運用使教學(xué)效果起到事半功倍的作用,而且也提高了學(xué)生的學(xué)習興趣,同時也加強了學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。
4.強化教學(xué)評價改革。地理信息系統(tǒng)是一門理論知識與實踐能力高度結(jié)合的課程,注重提高學(xué)生對理論知識的把握和實際的操作能力,而傳統(tǒng)的筆試量化評價的考核方式卻不能如實地反映學(xué)生的這種能力,因此在量化成績時應(yīng)采用多樣化的考核方式。這種方法主要包括平時考試+期末考試、機試+筆試。平時成績應(yīng)以學(xué)生參加案例討論、野外實習、交流、問題回答、出勤、課后作業(yè)等作為依據(jù);期末考試也應(yīng)重點考核學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析和解決問題的能力;機試所占比例可達40%,這樣更能真實地反映學(xué)生的實際操作能力。這種多樣化的考核方式從多方面考核了學(xué)生,注重知識測試和能力測試,對提高學(xué)生學(xué)習的積極性以及提升學(xué)生各方面的能力起到了積極的作用。
四、結(jié)語
地理信息系統(tǒng)具有很強的實踐性和理論指導(dǎo)性相結(jié)合的特點。隨著地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展,社會對GIS專業(yè)畢業(yè)生的要求也越來越高,知識面廣、基礎(chǔ)理論知識扎實、實踐能力強及高素質(zhì)的復(fù)合型人才已成為用人單位的寵兒,而教學(xué)改革是培養(yǎng)這種復(fù)合型人才的重要途徑。通過采用多樣化的教學(xué)方法,應(yīng)用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源以及采用多媒體手段和改革教學(xué)評價體系,學(xué)生不僅能更好地掌握和運用理論知識,而且能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力,為其以后步入社會打下堅實的基礎(chǔ)。
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關(guān)鍵詞 遙感概論 教學(xué)策略 地理師范生
中圖分類號:G424 文獻標識碼:A
0 引言
遙感概論是系統(tǒng)介紹遙感技術(shù)系統(tǒng)基本原理和方法的基礎(chǔ)課程,其融合理論性、技術(shù)性和實踐性的特點,在我國高等教育中,不僅是地理科學(xué)、地理信息科學(xué)、測繪科學(xué)等學(xué)科專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,同時,在地理師范生教學(xué)體系中,尤其在推行免費師范生教育政策的六所部屬高校的地理教學(xué)中,也是重要的基礎(chǔ)理論課程之一。
隨著我國對專業(yè)教師培養(yǎng)力度的加大,高等教育地理師范專業(yè)的培養(yǎng)方案趨于科學(xué)和規(guī)范。作為培養(yǎng)方案中的基礎(chǔ)課程,遙感概論課程成為越來越多的地理師范生要面對的課程,以筆者所在的陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院的地理免費師范生為例,每年約有250個地理師范生要學(xué)習該課程,不僅要學(xué),還要學(xué)好。然而,在該課程的實踐教學(xué)過程中,由于地理師范專業(yè)的特殊性,筆者發(fā)現(xiàn)還存在諸多問題,極大地困擾著地理師范專業(yè)學(xué)生對遙感概論課程核心知識的理解與掌握,成為提高地理師范學(xué)科教育質(zhì)量所亟待解決的問題。
1 遙感概論課程的“教”與地理師范生在“學(xué)”中存在問題
按照地理師范生教學(xué)大綱要求,該門課程需要學(xué)生掌握遙感的基本概念和基礎(chǔ)理論,能力培養(yǎng)方面則要求了解并掌握遙感信息處理的基本原理和方法。然而,該學(xué)科是一門學(xué)科融合和交叉很強的學(xué)科,涉及測繪科學(xué)、空間信息科學(xué)、電子科學(xué)、物理學(xué)、計算機科學(xué)以及其他學(xué)科的相關(guān)知識。在針對師范生授課時,其教學(xué)內(nèi)容和授課方式有別于傳統(tǒng)的地理基礎(chǔ)課程,在實際課堂教學(xué)過程中,筆者發(fā)現(xiàn)在教與學(xué)之間,存在諸多矛盾,諸如:學(xué)科交叉融合所形成的知識點眾多與地理師范生基礎(chǔ)知識儲備不足的矛盾、學(xué)科知識體系與學(xué)生興趣點不對接的矛盾、遵從科研實踐案例引導(dǎo)教學(xué)還是遵從模式化課程體系引導(dǎo)教學(xué)的矛盾、海量遙感影像信息與單一課堂呈現(xiàn)模式的矛盾以及教學(xué)內(nèi)容與師范生工作實踐脫節(jié)的矛盾。
針對以上問題,筆者與學(xué)生積極互動交流,并通過抽樣調(diào)查的方式,總結(jié)出針對以上矛盾的可行性較強的解決方案,以供參考。
2 解決方案探討
2.1 深入淺出,教學(xué)初期避免提及過多專業(yè)術(shù)語
對于地理信息系統(tǒng)(GIS)專業(yè)學(xué)生而言,遙感概論課程的學(xué)習是建立在已經(jīng)接受地圖學(xué)、地理信息系統(tǒng)基本原理等基礎(chǔ)課程學(xué)習的基礎(chǔ)上的,教師使用專業(yè)術(shù)語有助于提高教學(xué)效率和增加專業(yè)素養(yǎng)培訓(xùn)。然而,在面對地理師范專業(yè)學(xué)生教授遙感概論課程時,很多的GIS專業(yè)老師忽略了知識儲備層面上的差異,在教學(xué)初期,使用了大量的GIS行業(yè)術(shù)語,諸如:柵格數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)格式、解譯等師范專業(yè)學(xué)生在日常所接觸不多的術(shù)語,從而造成學(xué)生在知識理解上出現(xiàn)困難,產(chǎn)生學(xué)科交叉融合所形成的知識點眾多,與地理師范生基礎(chǔ)知識儲備不足的矛盾。在與學(xué)生溝通時,很多學(xué)生均提到這一矛盾。鑒于此,希望教師在該課程授課初期,盡量避免提及大量的GIS行業(yè)的專業(yè)術(shù)語,在不可避免提到時,應(yīng)盡量按照學(xué)生熟悉的理解方式,進行詳盡深入的闡釋,加強教學(xué)初期學(xué)生對專業(yè)術(shù)語的理解。調(diào)研結(jié)果顯示超過95%的學(xué)生認可該看法。
2.2 注重PBL(Problem Based Learning)教學(xué)模式的應(yīng)用,用實際問題激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣
即使是GIS專業(yè)學(xué)生,在初次接觸遙感概論課程時,最渴望獲得解答的問題是遙感技術(shù)在實際生產(chǎn)生活應(yīng)用和科學(xué)研究活動中,能解決什么問題。這一問題在針對師范生授課時,更加突出。如果教師不能合理地將解決問題的方法和原理告知學(xué)生,學(xué)生會失去對該學(xué)科的學(xué)習興趣,從而出現(xiàn)學(xué)科知識體系與學(xué)生興趣點不對接的矛盾。例如,對于地形起伏引起的像點位移問題,雖然經(jīng)過原理解析和幾何結(jié)算,但很多學(xué)生仍然存在困惑。筆者引入了在拍大頭照和照鏡子發(fā)現(xiàn)影像存在誤差的生活小細節(jié)進行類比,起到了很好的教學(xué)效果。調(diào)研結(jié)果顯示超過93%的學(xué)生認可該方法。
2.3 注重多媒體教學(xué)方法的使用,利用現(xiàn)代信息技術(shù)展示直觀的數(shù)字遙感成果
遙感技術(shù)作為GIS學(xué)科中的數(shù)據(jù)采集模塊,在教學(xué)過程中涉及大量的遙感影像數(shù)據(jù),例如對于高光譜遙感原理的講解,文字的描述顯得極為乏力。因此,傳統(tǒng)的教學(xué)手段不能很好地展示教學(xué)內(nèi)容,這就要求教師必須熟練使用現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段,通過數(shù)字化、全方位、立體化的展示,增加學(xué)生對遙感技術(shù)的理解和掌握。調(diào)研結(jié)果顯示,幾乎全部學(xué)生認可多媒體的使用。
2.4 注重科研反哺教學(xué)實踐,靈活使用科研項目引導(dǎo)課堂教學(xué)方法
教學(xué)實踐如若過分遵從模式化課程體系引導(dǎo),勢必會造成學(xué)生學(xué)習目的性喪失、盲從的結(jié)果。如果結(jié)合教師所從事的科研項目,按照科研項目引導(dǎo)教學(xué)的方式,在該課程教學(xué)中能收到很好的教學(xué)效果。筆者在實踐教學(xué)中,進行了初步實驗。針對在對歸一化植被指數(shù)(NDVI)講解時,結(jié)合自己的科研經(jīng)歷,向?qū)W生們詳細講解了如何利用該指數(shù)進行大規(guī)模的農(nóng)作物估產(chǎn),使學(xué)生認識到原理在實踐中的應(yīng)用,調(diào)研結(jié)果顯示,超過85%的學(xué)生對該方式接受或認可。
2.5 寓“教”于學(xué),注重學(xué)生教學(xué)技能的熏陶
地理師范生與GIS行業(yè)學(xué)生最大的不同,是大部分學(xué)生畢業(yè)后從事中小學(xué)的地理教學(xué)工作而非從事GIS工程或科研,從而產(chǎn)生教學(xué)內(nèi)容與師范生工作實踐脫節(jié)的問題。針對這一問題,筆者在課堂上嘗試盡可能利用遙感原理去解釋中學(xué)地理教材中的基本理論。例如,通過動態(tài)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測洋流變化、通過熱紅外影像解釋城市的熱島效應(yīng)等,盡可能地顧及師范生的工作實踐需求。調(diào)研結(jié)果顯示,超過90%的學(xué)生對該方式接受或認可。
項目來源:中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(GK 201102012);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目
參考文獻
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關(guān)鍵詞:地理信息系統(tǒng);發(fā)展歷程;應(yīng)用開發(fā);數(shù)字城市
中圖分類號:C922 文獻標識碼:A 文章編號:
地理信息系統(tǒng) ( Geographical Information System ,GIS) 地理信息系統(tǒng)技術(shù)是一種采集、 處理、傳輸、存儲、管理、查詢檢索、分析、表達和應(yīng)用地理信息的計算機系統(tǒng),也稱為空間數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)。它通過對空間和時間數(shù)據(jù)信息的組織管理和處理分析,可以滿足使用者對研究對象的分析、評價和決策是集計算機科學(xué)、測繪學(xué)、遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)等學(xué)科為一體的新興邊緣學(xué)科。
1 地理信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程
地理信息系統(tǒng)起源于 20 世紀 60 年代加拿大和美國學(xué)者的在土地和交通方面的地理信息研究。1962年加拿大測量學(xué)者 R.F.Tomlinson 提出用計算機處理和分析地籍數(shù)據(jù)并建議加拿大聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局研發(fā)地理信息系統(tǒng);1963 年由 R.F.Tomlinson 組織研究開發(fā)的計算機地理分析系統(tǒng)研發(fā)成功,正式命名為加拿大地理信息系統(tǒng)(Canada Geographic Information System,簡稱 CGIS)。而幾乎在同一時期, 美國西北大學(xué)的DuaneF.Marble 在研究城市交通過程中,也提出了建立地理信息系統(tǒng)的思想。作為一種建立在空間信息采集、模擬、處理、檢索、分析和表征基礎(chǔ)上的決策支持系統(tǒng)。而數(shù)字地球、地球信息科學(xué)(Geo-Information Science)等概念的提出和理論上的探討,更是將地理信息系統(tǒng)的發(fā)展推向一個嶄新的高度。 數(shù)字地球概念的正式提出源于美國前副總統(tǒng)戈爾 1998 年 1 月 31 日在加利福尼亞科學(xué)中心的一次講演, 在該講演中戈爾正式提出數(shù)字地球的概念。 戈爾在其講話中提到的數(shù)字地球指的是一個內(nèi)嵌海量地理信息、三維、多分辨率的地球的數(shù)字表示(“Amulti-resolution,three dimensional representation of the planet, intowhich we can embed vastquantities of geo-referenced data”) 。
2 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的一般方式
2.1 基礎(chǔ)開發(fā)
在開發(fā)過程中,開發(fā)者不依賴于任何 GIS 工具軟件, 而是利用程序設(shè)計語言對空間數(shù)據(jù)進行采集、編輯和處理分析,采用相關(guān)的算法進行獨立設(shè)計。 該方式的好處是無須依賴任何商業(yè) GIS 工具軟件,可減少開發(fā)成本。 缺點是設(shè)計和實現(xiàn)比較復(fù)雜,需要大量人力和財力,并且很難在功能上與商業(yè)化 GIS 工具軟件相比。
2.2 借助 GIS 工具進行二次開發(fā)
目前大多數(shù)的 GIS 軟件商都向開發(fā)者提供了利用自己的 GIS 軟件進一步開發(fā)的宏語言。 例如,MapInfo 公 司 的 Maplnfo Professional 有 MapBasic 語言,ESRI 公司的 AreView 提供有 Avenue 語言,Intergraph 公司的 Geomedia 等。 用戶利用這些宏語言可以方便地進行二次應(yīng)用, 但是由于宏語言功能極其有限, 不利于將信息管理系統(tǒng)的面向?qū)ο蠓椒ㄒ?GIS應(yīng)用中。
2.3 集成二次開發(fā)
集成二次開發(fā)是指利用專業(yè)的 GIS 工具軟件(如Maplnfo,ArcView 等 ),實現(xiàn) GIS 的基本功能,利用可視化開發(fā)工具,如 Delphi,Visual C++,Visual BasicPower Builder 等為開發(fā)平臺,進行二者的集成開發(fā),目前主要有如下兩種方式:
1)采用 OLE/DDE 技術(shù)。采用OLE(ObjectLinking and Embedding,對象鏈接與嵌入)自動化技術(shù)或利用 DDE(Dynamic Data Exchang,動態(tài)數(shù)據(jù)交換)技術(shù),用軟件開發(fā)工具開發(fā)前臺可執(zhí)行應(yīng)用程序,以O(shè)LE 自動化方式或 DDE 方式啟動 GIS 工具軟件在后臺執(zhí)行,利用回調(diào)(Callback)技術(shù)動態(tài)獲取其返回信息,實現(xiàn)應(yīng)用程序中的地理信息處理功能。
2) 利用 GIS 組件技術(shù)。主流 GIS 軟件公司都提供有建立在OCX技術(shù)基礎(chǔ)上的GIS 功能組件(如Mapinfo 公司的 MapX、ESRI 的 MapObjects 等),開發(fā)者可以利用自己所熟悉的常用編程工具,直接將 GIS功能嵌入其中,可以實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的各種功能。該方法可以將面向?qū)ο蠓椒☉?yīng)用于 GIS 開發(fā)過程中來,從而實現(xiàn)功能更為完善的綜合性的 GIS 應(yīng)用系統(tǒng)。
3 地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用
人類的信息中有 80%與地理位置和空間分布有關(guān),所以 GIS 具有非常廣泛地應(yīng)用。 經(jīng)過 40 多年的發(fā)展,GIS 已發(fā)展成為一種成熟的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法,被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 在資源開發(fā)、環(huán)境保護、城市規(guī)劃建設(shè)、土地管理、農(nóng)作物調(diào)查、交通、能源、通訊、地圖測繪、林業(yè)、房地產(chǎn)開發(fā)、自然災(zāi)害的監(jiān)測與評估、金融、保險、石油與天然氣、軍事、犯罪分析、運輸與導(dǎo)航、“110”報警系統(tǒng)、公共汽車調(diào)度等方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。這些領(lǐng)域?qū)⑹?GIS 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新的增長點。實際上,GIS 的應(yīng)用將加速度地深入人們的工作和生活的各個方面。由于地理信息在人類生活和國民經(jīng)濟中的重要作用,GIS 在未來的幾十年中將保持高速發(fā)展的勢頭,成為 IT 高科技領(lǐng)域的核心技術(shù)。
3.1 GIS 與數(shù)字城市
GIS、RS(Remote Sensing,遙感)和 GPS(Global Positioning System,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) )技術(shù)構(gòu)成了空間信息技術(shù)的主要部分,即通常所說的 3S 技術(shù), 其中GIS 技術(shù)是核心技術(shù)。 城市是人類活動最活躍的環(huán)節(jié),GIS 技術(shù)的應(yīng)用集中體現(xiàn)在城市應(yīng)用中。 近 2 年來,數(shù)字城市已經(jīng)成為國內(nèi)信息化的熱點問題,而且還有持續(xù)升溫趨勢。 而以 GIS 為核心的空間信息技術(shù)是數(shù)字城市的核心應(yīng)用技術(shù),它與無線通信、寬帶網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)日趨融合在一起, 為城市生活和商務(wù)提供了一種立體的,多層面的信息服務(wù)體系。 數(shù)字城市建設(shè)包括 4部分內(nèi)容,即基礎(chǔ)設(shè)施、電子政務(wù)、電子商務(wù)及公眾信息服務(wù)。而 GIS 應(yīng)用貫穿上述 4 個部分和各個層面,從城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫到政府空間數(shù)據(jù)共享、電子商務(wù)物流配送以及基于網(wǎng)絡(luò)的公眾地理信息服務(wù),GIS都發(fā)揮著不可缺少的作用。從具體的應(yīng)用來說,GIS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于構(gòu)成數(shù)字城市的眾多行業(yè),如城市規(guī)劃、城市地下管網(wǎng)、電力、電信、公安、消防、急救等方面。
3.2 GIS 與企業(yè)信息化
GIS 技術(shù)在企業(yè)整個商務(wù)過程中都能發(fā)揮重要的作用。以 GIS 為核心的空間信息技術(shù)可以無縫集成到企業(yè)信息化的整體業(yè)務(wù)平臺中,與企業(yè)的財務(wù)系統(tǒng)、銷售系統(tǒng)、工作流管理系統(tǒng)、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)等融合,并且在底層數(shù)據(jù)庫層面上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互調(diào)用。 當建立在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上時則可以實現(xiàn)遠程和分布式計算。
3.3 GIS 與人們的生活
近幾年來, 隨著 GSM 移動通信技術(shù)的發(fā)展,GIS的應(yīng)用范圍迅速擴展到人們的日常生活中。 集成 GIS、GPS、GSM 的技術(shù)已開始廣泛應(yīng)用于車輛安全防范系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng),為人們提供車輛反劫防盜、報警、道路指引、醫(yī)療救護以及在此系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上擴展各種電子商務(wù)增值服務(wù)。 以醫(yī)療救護為例, 當患者向監(jiān)控中心請求急救時, 監(jiān)控中心可以從 GIS 電子地圖上查看到患者的具置,并同時搜索最近的急救車輛,讓最近的車輛前去接患者。 患者進入救護車后, 監(jiān)控中心可以通過雙向通話功能, 指導(dǎo)救護車上的醫(yī)生實施救護治療,同時通過 GIS 的最優(yōu)路徑功能,給救護車指引道路, 使其以最快的速度到達醫(yī)院或急救中心。 而在救護車行進的過程中,患者的家屬可以通過互聯(lián)網(wǎng)立即上網(wǎng)查詢救護車的行進位置及患者的狀態(tài)信息。通過 GIS,并結(jié)合 GPS 和 GSM 無線通信及網(wǎng)絡(luò),使患者、家屬、救護車及醫(yī)生之間建立了無縫溝通體系,最終使患者能得到快速、及時的治療。
如果在車輛移動目標、家居固定點目標、重點保護單位甚至路燈上都安裝了 GPS、GSM 或其他無線通信設(shè)備,那么我們在城市生活中,無論是開車、行走或者是在單位、在家里,都可以通過由 GIS、GPS、互聯(lián)網(wǎng)以及無線通信技術(shù)構(gòu)成的綜合服務(wù)系統(tǒng)獲得急救、 報警和各種商務(wù)服務(wù),真正使我們處于立體的、全方位的數(shù)字化生活中,體驗數(shù)字空間高科技價值。
參考文獻
【關(guān)鍵詞】巖土工程勘察;數(shù)字化;GIS;數(shù)據(jù)庫
0 引言
巖土工程地質(zhì)勘察是工程設(shè)計的先決條件,但傳統(tǒng)的巖土工程地質(zhì)勘察資料一般都局限于二維、靜態(tài)的表達,這種表達描述場地地質(zhì)空間構(gòu)造起伏變化的直觀性差,不能充分揭示場地地質(zhì)空間變化的規(guī)律,難以使人們直接、準確、完整的理解和感受場地土的物理力學(xué)性質(zhì)變化情況,也越來越不能滿足巖土工程的空間分析要求,因此不能很好的服務(wù)于工程設(shè)計。如何突破傳統(tǒng)巖土工程勘察的技術(shù)缺陷,如何利用巖土工程勘察資料來推斷場地土的區(qū)域分布規(guī)律,如何利用巖土工程勘察資料來預(yù)測場地土的巖土工程性質(zhì),是巖土工程界一個古老而又有新意的問題。巖土工程地質(zhì)勘察數(shù)字化主要解決的是巖土工程勘察中場地方域的數(shù)字化、場地物性指標的數(shù)字化、場地地層的數(shù)字化和巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。本文在分析、總結(jié)前人理論的基礎(chǔ)上,提出了巖土工程地質(zhì)勘察數(shù)字化的體系和具體的實現(xiàn)方法。
1 場地方域的數(shù)字化―地理信息系統(tǒng)
地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System,簡稱GIS)是一門集計算機科學(xué)、信息科學(xué)、地理學(xué)等多門學(xué)科為一體的新興學(xué)科,它是在計算機軟件和硬件支持下,運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論,科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù),以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統(tǒng)。一個典型的GIS系統(tǒng)應(yīng)包括四個基本的組成部分:計算機系統(tǒng)(硬件、軟件)、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用人員與組織機構(gòu)和應(yīng)用模型。
1.1地理信息系統(tǒng)的功能與應(yīng)用
作為地理信息自動處理和分析系統(tǒng),地理信息系統(tǒng)的功能與應(yīng)用貫穿數(shù)據(jù)采集、分析、決策應(yīng)用的全部過程,具體可概括為以下幾個方面:
(1)數(shù)據(jù)采集與編輯。即在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中將系統(tǒng)外部原始數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部,主要用于獲取數(shù)據(jù),保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在內(nèi)容上與空間上的完整性、數(shù)據(jù)值邏輯一致性等。目前可用于地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的方法和技術(shù)很多,如跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字化、遙感等。
(2)數(shù)據(jù)操作。包括數(shù)據(jù)的格式化、轉(zhuǎn)換、概化。數(shù)據(jù)的格式化是指不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)間變換;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括格式轉(zhuǎn)換(如矢、柵格式的轉(zhuǎn)換)、數(shù)據(jù)比例尺的變換、投影變換等;數(shù)據(jù)概化包括數(shù)據(jù)平滑、特征集結(jié)等。
(3)數(shù)據(jù)的存儲與組織。這是一個數(shù)據(jù)繼承的過程,也是建立地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵步驟,涉及到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織,其關(guān)鍵是如何將二者融合為一體。
(4)查詢、檢索、統(tǒng)計、計算功能。這是地理信息系統(tǒng)應(yīng)具備的最基本的分析功能。
(5)空間分析功能。這是地理信息系統(tǒng)的核心功能,也是地理信息系統(tǒng)與其它計算機信息系統(tǒng)的根本區(qū)別。地理信息系統(tǒng)的空間分析可分為三個不同的層次。一是空間檢索,包括從空間位置檢索空間實體及其屬性和從屬性條件集檢索到空間實體。第二是空間拓撲疊加分析,空間拓撲疊加實現(xiàn)了輸入特征的屬性的合并以及特征屬性在空間上的連接。第三是空間模擬分析,包括外部的空間模擬分析 (將地理信息系統(tǒng)作為一個通用的空間數(shù)據(jù)庫,而空間模擬分析功能則借助于其它軟件)、內(nèi)部的空間模擬分析(利用地理信息系統(tǒng)軟件來提供空間分析模塊)和混合型的空間模擬分析(盡可能利用地理信息系統(tǒng)所提供的功能,同時充分發(fā)揮地理信息系統(tǒng)使用者的能動性)。
(6)輸出功能。以報表、圖形、地圖等形式顯示輸出全部或部分數(shù)據(jù)。
1.2 地理信息系統(tǒng)在巖土工程勘察中的應(yīng)用
巖土工程勘察設(shè)計一體化系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)雖屬于兩個不同研究領(lǐng)域,但巖土的工程力學(xué)性質(zhì)具有地理信息的屬性,即二者之間存在著一個重要的相似之處,即它們都蘊含著與空間坐標有關(guān)的信息。巖土工程勘察設(shè)計一體化側(cè)重于在空間信息基礎(chǔ)上進行設(shè)計、并對設(shè)計結(jié)果做出分析、評價和決策。它離不開全面的空間信息的支持。而地理信息系統(tǒng)側(cè)重于對各種空間信息的采集、管理和分析。如將地理信息系統(tǒng)技術(shù),應(yīng)用于巖土工程勘察設(shè)計,利用GIS強大的數(shù)據(jù)采集、管理能力和空間查詢、空間分析能力,對巖土工程勘察、設(shè)計、施工中獲取的大量的、形式多樣的信息進行有效地管理和分析,并為設(shè)計方案的生成、分析、評價和決策提供全面的信息支持,將為巖土工程勘察設(shè)計走向一體化開辟一條有效途徑。
將地理信息技術(shù)用于巖土工程勘察設(shè)計,與傳統(tǒng)的巖土工程勘察設(shè)計技術(shù)相比,具有以下優(yōu)勢:
(1)地理信息系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能力,使巖土工程勘察數(shù)據(jù)來源更加廣泛,數(shù)據(jù)采集質(zhì)量更高、速度更快。
(2)勘察設(shè)計數(shù)據(jù)具有內(nèi)容上的復(fù)雜性和形式上的多樣性等特點,傳統(tǒng)的勘察設(shè)計系統(tǒng)對其處理顯得無能為力。能夠描述和表達復(fù)雜的空間實體且對于圖形、圖像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)高度集成的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,為全面管理勘察設(shè)計信息提供了可能,從而為建立完善的專業(yè)設(shè)計模型、分析模型、評價和輔助決策模型提供了全面的信息支持。
(3)GIS空間分析功能,如拓撲疊加、緩沖區(qū)分析、數(shù)字地形分析等,為建立完善的專業(yè)設(shè)計、分析、評價、輔助決策模型提供了強有力的分析工具。
(4)GIS強大的可視化操作能力,為巖土工程勘察提供一個可視化操作平臺。
2 場地地層的數(shù)字化―巖土工程建模
所謂模型,就是根據(jù)實物、設(shè)計圖、構(gòu)想,按比例、生態(tài)或主要特征(屬性)做成相似的物體或圖件,用以顯示、展示、揭示一類事物和問題。在巖土工程學(xué)科中,巖土工程地質(zhì)模型,就是依據(jù)工程性狀,將重要的巖土工程條件,亦可稱要素,按實際狀態(tài),簡明醒目地用圖形表示出來,簡言之,即工程與地質(zhì)條件相互依存關(guān)系的圖示。這種地質(zhì)與工程結(jié)合形式一一模型,能較好地解決了地質(zhì)與工程的脫節(jié),便于設(shè)計人員充分認識與真正應(yīng)用好巖土工程工作成果,它深化了巖土工程條件的研究,更抓住了影響工程巖土變形或破壞的關(guān)鍵條件,與此同時,還促進地質(zhì)與工程結(jié)合后的巖土變形規(guī)律、效應(yīng)與法則的理性化,在理論與實用的兩方面均會得到實質(zhì)性的進展。
2.1 巖土工程地質(zhì)模型的特點
(1)確定性
巖土工程地質(zhì)模型的應(yīng)用特點是針對工程所涉巖土實體,它一般表現(xiàn)為場地
或地基。巖土工程工作者解釋研究的對象是確定的巖體,相應(yīng)的它的地質(zhì)模型應(yīng)
具有確定性,不應(yīng)當只局限在有限個剖面上。
(2)可視性
可以有多種方式對巖土工程地質(zhì)模型進行可視化表述,常見的有以下5種:
①三維景觀方式。它容許人們從不同角度、不同方位、不同距離觀看三維工程地質(zhì)模型的表面。為了增強模型的真實感,還要加上光照、紋理等效果,給人以逼真的感覺。但它還是只能看到模型的表面。
②掀蓋層三維景觀方式。在三維景觀方式的基礎(chǔ)上,想象掀開上覆的蓋層看到下伏工程地質(zhì)界面,其實是第一種方式的變形。
③透視三維景觀方式。假象穿透地質(zhì)體的一些部分,看到內(nèi)部的工程地質(zhì)界面,這也可以看做是掀蓋層三維景觀方式的一種變形。
④切面方式。假象切開工程地質(zhì)模型,看到地質(zhì)模型內(nèi)部的水平或垂直切面上的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)。由于在二維切面上能方便地進行量算、修改等操作,還可以采用平行切出一系列切片的方式來形象地反映工程地質(zhì)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu),因而它是用二維方式來表達三維模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種理想方式,地質(zhì)工作中常用的剖面圖就是這種方式的原形。在三維模型的支持下,用切面方式能產(chǎn)生很好的二維與三維聯(lián)動效果,即在二維剖面上的修改將影響到三維模型的形態(tài)。
⑤投影等值線方式。將工程地質(zhì)界面的等高線或界面交線垂直地投影到水平面上形成等值線圖,地震勘探層位構(gòu)造圖、礦床標高或厚度等值線圖等就是投影方式的原形。使用者可以根據(jù)工程地質(zhì)界面的等高線圖對工程地質(zhì)界面的空間形態(tài)有著非常好的把握能力,因此,該方法是傳統(tǒng)的用二維方式表達三維模型的重要方式之一。
(3)可修改性
要求工程地質(zhì)模型具有可修改性是基于以下原因。一是由于勘探的實施獲取了新的數(shù)據(jù)資料,需要對己經(jīng)建立的地質(zhì)模型進行細化;二是隨著研究的深入,巖土工程師對地質(zhì)模型有了新的認識,需要修改地質(zhì)模型;三是利用已建立的地質(zhì)模型指導(dǎo)進一步的勘探工作。可修改性使人們能對地質(zhì)模型進行修改和處理,使設(shè)想中的東西變成虛擬現(xiàn)實。
2.2 巖土工程地質(zhì)建模的實現(xiàn)方法
巖土工程地質(zhì)建模的方法目前采用的主要有表面模型法,表面模型法(也叫數(shù)字表面模型)的歷史較早,它的基本內(nèi)容就是通過精確的表示出工程地質(zhì)體的外表面來表示均質(zhì)地質(zhì)體的建模方法。也是目前廣泛使用的建模方法。
表面模型法的數(shù)據(jù)來源是通過測點獲得的一系列離散的測點資料,包括測點的幾何特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)。然后利用數(shù)據(jù)解釋結(jié)果重構(gòu)地質(zhì)體界面。可以抽象為把一系列同屬性的點按照一定的規(guī)則連接起來,構(gòu)成網(wǎng)狀曲面片,進而確定整個地質(zhì)體的空間屬性。有很多方法用來表示表面,常用的方法主要有數(shù)學(xué)模型法和圖示模型法。
(1)圖示模型法
常用的圖示模型法有邊界表示法、規(guī)則格網(wǎng)法、等值線法、不規(guī)則格網(wǎng)法等。
①邊界表示法:通過面、線、點等簡單幾何元素的屬性來表示工程地質(zhì)體的位置、形狀、屬性,這種方法用來表示簡單物體時十分有效。但對于很不規(guī)則的地質(zhì)實體則很不方便,只有再降低精度要求的情況下,才可以使用。
②規(guī)則格網(wǎng)法(Grid )規(guī)則網(wǎng)格:通常是正方形,也可以是矩形、三角形等規(guī)則網(wǎng)格。規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元,每個格網(wǎng)單元對應(yīng)一個數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個矩陣,在計算機實現(xiàn)中則是一個二維數(shù)組。每個格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個元素,對應(yīng)一個屬性值。
③等值線模型:等值線通常被存成一個有序的坐標點對序列,可以認為是一條帶有屬性值的簡單多邊形或多邊形弧段。由于等值線模型只表達了區(qū)域的部分屬性值,往往需要一種插值方法來計算落在等值線外的其它點的屬性值,又因為這些點是落在兩條等值線包圍的區(qū)域內(nèi),所以,通常只使用外包的兩條等值線的屬性值進行插值。
④不規(guī)則格網(wǎng)法(TIN ) : TIN模型根據(jù)區(qū)域內(nèi)有限個點將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò),區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)。如果任意點不在頂點上,則該點的數(shù)字屬性值通常通過線性插值的方法得到(在邊上用邊的兩個頂點的高程,在三角形內(nèi)則用三個頂點的高程)。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型,在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。
3 巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫的建設(shè)
巖土工程勘察數(shù)據(jù)具有多源性和空間性特點,常規(guī)關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)已不能滿足人們對這些數(shù)據(jù)處理的需要,并且?guī)r土工程勘察數(shù)據(jù)顯著的空間特征和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)屬性,使巖土工程勘察成為計算機科學(xué)可視化的一個既非常重要又十分復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域。如何有效地在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用計算機技術(shù)實現(xiàn)巖土工程勘察數(shù)據(jù)的時空分析、并開展定量結(jié)構(gòu)刻畫和空間建模,是擺在當今巖土工程勘察工作者面前的一道難題。值得慶幸的是,隨著計算機信息處理技術(shù)飛速進步而迅猛發(fā)展起來的地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù),集計算機科學(xué)、地理學(xué)、地圖學(xué)、計算機圖形學(xué)、測繪學(xué)、遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一體,以其對空間地理數(shù)據(jù)強大的儲存查詢和分析處理功能、鮮明地區(qū)別于普通管理信息系統(tǒng),它將空間數(shù)據(jù)處理、屬性數(shù)據(jù)處理、空間分析與模型分析等技術(shù)與計算機技術(shù)緊密結(jié)合,展示了極強的空間表現(xiàn)力,它能夠?qū)?fù)雜的地球空間數(shù)據(jù)進行采集、儲存、分類、檢索查詢、刻畫表述、分析建模,從而為我們開展相關(guān)研究提供了一個不可多得的、多學(xué)科集成的基礎(chǔ)平臺。因此,建立以處理空間數(shù)據(jù)為特征的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和高效、快捷地巖土工程勘察數(shù)據(jù)進行采集、儲存、分類、檢索查詢、刻畫表述、分析建模等功能的GIS平臺是完全可以實現(xiàn)的。
3.1 基于GIS的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫的建設(shè)
地理信息系統(tǒng)集數(shù)據(jù)庫、制圖、空間分析功能為一體,它的出現(xiàn)為地質(zhì)領(lǐng)域繁雜的數(shù)據(jù)管理、多源的成果表達形式和空間數(shù)據(jù)分析提供了快速、方便、準確的手段。建立正確有效的信息數(shù)據(jù)庫無疑是地質(zhì)數(shù)據(jù)分析、研究的重要基礎(chǔ),一個高質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將使系統(tǒng)的功能得到最大限度的發(fā)揮。
(1)巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫的概念模型設(shè)計
巖土工程勘察信息處理系統(tǒng)是一個信息處理系統(tǒng),信息或數(shù)據(jù)及其作用在信息或數(shù)據(jù)之上的處理是系統(tǒng)需求分析的主要任務(wù),即要弄清需要有哪些數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)之間有何聯(lián)系,數(shù)據(jù)本身有何性質(zhì),數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)對數(shù)據(jù)進行哪些處理,每個處理有什么邏輯功能。因此,為了把用戶的數(shù)據(jù)要求明確地表達出來,首先在較高的抽象層面上,使用一種面向問題的數(shù)據(jù)模型(概念性數(shù)據(jù)模型),按照用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息建模。
(2)數(shù)據(jù)庫建立實現(xiàn)
巖土工程一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有三類:用戶輸入的原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)生成的中間數(shù)據(jù)及最終數(shù)據(jù)。
原始數(shù)據(jù)由測點數(shù)據(jù)組成,而測點數(shù)據(jù)又由測點幾何屬性數(shù)據(jù)(位置)和測點信息屬性數(shù)據(jù)(地層厚度、地層頂面標高、含水率、孔隙度、抗壓強度等物性參數(shù))。
中間數(shù)據(jù)包括根據(jù)原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動生成的地層層面等值線模型、三維表面模型、剖面模型等,根據(jù)這些模型可以生成用戶需要的各種圖件,還可以進行各種信息查詢操作。
最終數(shù)據(jù)種類繁多,主要是根據(jù)用戶需要由中間數(shù)據(jù)生成,包括圖形資料(如單孔柱狀圖、連線剖面圖等)和文檔資料(如地質(zhì)勘察報告等)。由于巖土工程的復(fù)雜關(guān)系,對于巖土工程的數(shù)據(jù)庫管理必須嚴格遵循時間序列,即遵循原始數(shù)據(jù)―中間數(shù)據(jù)―最終數(shù)據(jù)的關(guān)系。
3.2 基于GIS的巖土工程數(shù)據(jù)庫的主要功能
(1)數(shù)據(jù)輸入
數(shù)據(jù)輸入的時候關(guān)鍵是需要注意數(shù)據(jù)有效性檢驗和規(guī)范化處理。確保進庫數(shù)據(jù)滿足實際需要的精度和誤差范圍。
(2)數(shù)據(jù)庫檢索
某一實體的信息包括空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分,相應(yīng)地,數(shù)據(jù)庫檢索就可以依據(jù)實體的空間位置檢索或依據(jù)實體的屬性進行檢索??臻g檢索包括 “圖示點檢索”、“圖示矩形檢索”和“區(qū)域檢索”,而“條件檢索”和“交叉條件檢索”則屬于屬性檢索。利用數(shù)據(jù)庫檢索這一功能檢索和提取數(shù)據(jù)中的地質(zhì)信息。
(3)空間分析
空間分析包括以下3個內(nèi)容:
①疊加分析。包括區(qū)對區(qū)疊加分析,區(qū)對線疊加分析,區(qū)對點疊加分析,點對線疊加分析等。
②緩沖區(qū)(Buffer)分析。包括點緩沖區(qū)分析,線緩沖區(qū)分析,區(qū)緩沖區(qū)分析。
③多層立體疊加。
(4)屬性分析
包括為單屬性統(tǒng)計分析、單屬性累計直方圖、單屬性累計頻率直方圖、單屬
性分類統(tǒng)計、單屬性基本初等函數(shù)變換、雙屬性累計直方圖、雙屬性累計頻率直
方圖、雙屬性分類統(tǒng)計、雙屬性四則運算等。
(5)數(shù)據(jù)輸出
數(shù)據(jù)庫中單表、雙表、多表的單項數(shù)據(jù)、雙項數(shù)據(jù)、多項數(shù)據(jù)的單向和多向輸出和多組合輸出。這項功能的完成有賴于上述各項任務(wù)的完成程度,其目的是使用數(shù)據(jù)庫中裝載的數(shù)據(jù)來完成某項任務(wù)或為某項任務(wù)提供數(shù)據(jù)。
4 結(jié)論與建議
本文主要論述了基于GIS的巖土工程數(shù)字化系統(tǒng)涉及到的相關(guān)理論知識,如地理信息系統(tǒng)理論、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、土性相關(guān)距離理論、地質(zhì)建模技術(shù)、巖土工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)等,在此基礎(chǔ)上,對基于GIS的巖土工程數(shù)字化系統(tǒng)進行了研究,提出以下建議:
1、在巖土工程建模中沒有考慮斷層、透鏡體等地質(zhì)現(xiàn)象的影響,巖土工程
地質(zhì)模型有一定的局限性。為解決此問題,其中重要的環(huán)節(jié)是獲取研究區(qū)域關(guān)于
這方面的實際資料,通過知識反饋不斷來修正工程地質(zhì)模型。
2、將研究區(qū)域當成一個統(tǒng)一體來看待的,沒有區(qū)分不同地質(zhì)單元的差別,如河流、湖泊與陸地的差別,這個問題的解決,應(yīng)當通過劃分區(qū)塊,將不能統(tǒng)一對待的區(qū)域從研究區(qū)剔除出來。但這樣做,會引起另外一個問題,就是研究區(qū)域在平面上就不是連續(xù)的,在插值計算時會有突變現(xiàn)象發(fā)生。對此問題的研究有待加強。
3、在地質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)指標的統(tǒng)計計算中是將研究區(qū)域作為一個區(qū)域體來看待的,而實際上往往是一個大區(qū)域在物理力學(xué)性質(zhì)指標上可以劃分為幾個小區(qū)域。對此問題的解決首先確定小分區(qū)的邊界,然后對每個小分區(qū)單獨進行統(tǒng)計。
作者簡介:趙斌,男,1982年生,2006年7月畢業(yè)于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,畢業(yè)后于遼寧省第五地質(zhì)大隊工作,現(xiàn)主要從事巖土勘察工作。
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