地理信息工程专业导论范文

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篇1

[关键词] 地图制图 地理信息 空间数据库 可视化 数据挖掘 网格

地图制图学与地理信息工程是研究利用图形科学、抽象概括地反映自然地理和社会经济各种要素和现象的空间分布、相互联系、空间关系及其动态变化，并对空间地理环境信息进行获取、智能抽象、存储、管理、分析、处理和可视化，建立相应的空间信息系统，以图形和影像方式传输空间地理环境信息的科学。

随着计算机、遥感技术的发展以及多学科理论的相互渗透，以地理空间信息数据库、计算机地图制图、地理信息系统和计算机网络技术为主体的数字化地图制图，已经取代了传统手工地图制图，并正向以地理空间信息综合服务为核心的信息化地图制图与地理信息系统转变，地理空间信息获取的天、空、地一体化、信息处理的智能化、信息服务的网络化正在成为信息时代地图制图学与地理信息工程学科的新特征。当前，我省地图制图与地理信息系统工程的技术与应用发展与全国先进省份相比，还存在一定的差距。因此，进一步总结我省地图制图学与地理信息工程学科的发展状况，分析所面临的挑战和机遇，明确今后一段时期的发展方向，是十分必要的。

1 地图制图学与地理信息工程学科取得的进展

地图制图学与地理信息工程学科有其特殊的社会任务和科学任务。它的社会任务是：从社会需求出发，设计和制作不同种类的地图，建立各类空间数据库和专题地理信息系统，为资源调查与开发、工程建设与规划、环境监测与灾害治理、宏观管理与社会应用等服务。它的科学任务是：为完成其它任务提供一系列理论、方法和技术支持，如地图空间认知理论、地图自动综合理论和方法、空间数据不确定性理论和数据质量控制技术、空间数据分析、数据挖掘与知识发现方法、空间信息可视化与虚拟现实技术、基于网格的地理空间信息管理与服务技术等。近年来，我省地图制图学与地理信息工程学科取得了一些重要进展。

1.1 地图制图生产进一步实现了由手工模拟地图制图向现代计算机数字制图的转变

“十五”期间，我省地图制图生产基本实现了由传统的手工地图制图技术向现代计算机数字制图技术的跨越式发展，地图制图与出版的数字化与一体化已成为我省地图制图生产的基本技术手段，基本改变了地图制图技术的落后状况，提高了成图速度，缩短了成图周期，适应了经济建设和社会发展的需求。目前，常见的地图制图数据模型有两种：面向计算机地图制图的数据模型和面向GIS的建库数据模型。前者以满足地图制图规范与图式要求为核心，强调要素的符号化，以制图效率与质量作为评价标准，适合于地图制图；后者以地理空间对象（包含图形信息、高程信息和空间关系信息）的表达为核心，不强调物理特征的符号化表达，以检索查询和空间分析效率作为评价标准，适合于计算机识别、空间分析和计算（简灿良，2008）。有的专家提出一种同时面向地图制图和GIS的数据模型，将矢量地理信息与符号化地图图形数据进行有机融合，在统一平台上一次性地完成地理信息的生产和更新、地图制作及图形信息再现。

1.2 初步构建了我省基础空间数据库，空间数据索引技术研究进一步深入

继建立我省l:25万、1:5万数字线划图（DLG）数据库、数字高程模型数据库、数字正射影像数据库等之后，又建成了我省1:1万数字线划图（DLG）数据库、数字高程模型数据库、数字正射影像数据库( 叶荣青，2007 )。各设区市l:2000、1:1000、1:500基础地理信息数据库也在建设之中，基本建立了福建省地理空间基础框架，为我省区域经济规划、防灾减灾、科学管理和重大工程建设提供了及时可靠的基础地理空间信息保障。但海量空间数据的组织与快速检索仍是空间数据库领域的一个重要问题。一种大数据量森林场景组织及其实时绘制方法（李建微、陈崇成等，2007），针对森林场景建模的复杂性和大数据量等特点，并在对比分析各种场景组织算法的基础上，阐述了采用八叉数结构(Octree)来组织森林场景的流程，提出了层次包围盒+线性边缘检测的预裁剪算法，并将该算法应用于大数据量森林场景的实时绘制；通过实验结果进行分析，得出了八叉树结构对场景不同划分深度对绘制效率影响的规律，对大数据量的组织管理，进行有益探索。

1.3 省、市地图集的编纂出版水平有了新的提高

20世纪70年代以前，由于受制图技术手段、印刷工艺的制约，地图产品多数为手工绘制或单色机器印刷的单张图，地图表现形式单调，内容简单。地图集（册）的编制出版工作也受技术制约，发展缓慢。1962年，我省编制出版了第一本《福建省地图集》，直到1989年才编制出版第二本《福建省海岸带与海涂资源综合调查地图集》。1995年之前，编制出版全国范围的地图册一本，全省范围的地图册两本。上述图集（册）均为手工绘制，地图符号、线划较为粗糙，色彩表现力不强，内容详尽程度也受到一定影响。90年代后期，计算机技术的快速发展和四色印刷技术的应用，地图集（册）的编制和出版也有了新的提高。相继编制出版了《福建省农业地图集》（1995）、《福建省海岛资源综合调查地图集》（1997）、《福建省自然地图集》（1998）、《福建省普通地图集》（1999）、《福建省历史地图集》（2004）、《福建省文物地图集》（2007）、《福建省行政区划地图集》（2007）、《中国精品地图册》（2007）、《中国高速公路营运里程及城乡公路网地图集》（2007）、《中国城市间快速行车指南地图集》（2007）、《福建省情地图集》（2008），编制出版了全国性、区域性和省（市、县）地图册几十种。此外，还与台湾大舆出版社联合编制出版了《台湾省地图册》。同时，还编制出版了福州、厦门、泉州市多媒体电子地图。地图集（册）的编制呈现多方位、多品种、形式多样、内容丰富、信息量大的发展态势，其应用已涉及到各行各业，在国民经济建设、社会发展、政府辅助决策中发挥了重要作用。

1.4 电子地图和地理信息系统技术紧跟国内先进水平，地理信息服务形式更加多样化

随着地理信息系统技术、计算机地图制图技术和空间数据库技术的发展，各种专业应用GIS中的电子地图、多媒体电子地图(地图集)、网络电子地图、导航电子地图等多种地图可视化系统应运而生。例如，福建省地图出版社编制出版的《福州市电子地图》（2001）、《泉州市多媒体电子地图》（2003）、《福建省城市三维电子地图》（2007）；福建省基础地理信息中心研制的《福建省三维电子地图》（2007）；福州市勘测院编制《福州之窗电子地图》（2004）等。与此同时，用户范围也更加大众化。

近年来，我省地理信息系统技术快速发展，紧跟国内先进水平。福州大学参与研究的国家863 计划“面向网络海量空间数据处理的大型GIS 开发”项目立足技术创新，在解决面向空间实体及其关系的数据组织、高效海量空间数据的存储与索引、分布式计算等关键技术问题的基础上，开发了具有我国自主知识产权的、可支持国家级空间基础设施建设的大型地理信息系统（GIS）基础软件平台。空间数据库服务器和空间应用服务器可以在Unix/Linux 大型服务器上运行，具有TB 级空间数据处理能力、安全级别达到B2 级，可以支持局域、广域网络环境下空间数据的分布式计算，可供国家级空间数据处理与交换中心以及大型GIS 应用工程使用。此外，福州大学还在国内率先成功研究开发了基于XML Web Services技术、SOA体系架构和SaaS运行模式的城市空间信息网络服务平台，通过对地理信息内容和GIS 功能的集中管理，并为应用开发人员提供基于Web Services 的二次开发接口，实现与各种Web 应用的快速集成，从而为地理空间信息的应用提供了基于GIS信息与应用的公共服务平台，为我国“数字城市”、政府和企业信息化建设提供了一种经济适用的地理空间信息应用解决方案。地理信息系统研究结合福建省情，立足解决区域发展的实际问题，在不同行业得到广泛应用。

3S 综合应用与服务体系。福州大学通过开展二期国家863课题研究，以多时相、多类型的卫星遥感数据（包括微波雷达遥感数据和光学遥感数据）为信息源，以国产地理信息系统软件为分析和管理工具，以全球定位系统为空间定位手段，以宽带网络技术为信息传输，开展面向福建省国土资源、农业、海洋环境和林业动态监测、数据更新、信息管理和共享服务应用示范系统的研究和开发；开发了省级、行业级和县市级等不同空间尺度和主题层次的业务运行示范系统，实现业务运行的面向用户的数据交换、互操作和应用服务。建立了“省―地（市）―县”三级国土资源环境和林业专题应用示范系统；开发区域海洋区划和省级海洋监测集成与服务系统；开展网络和通信技术在“3S”应用系统中的集成，面向林业监测应用的多源遥感数据融合算法、面向林业或海洋应用的数据挖掘、空间信息的表达、网络共享与服务等关键技术的研究。如福建省林业信息共享服务平台中的信息共享方案设计（梁娟珠、涂平，2006），以“数字林业”建设为背景，针对信息共享服务平台建设中的信息共享体系结构、数据库共享方案、数据交换体系三个主要方面提出福建省林业信息共享方案，并对信息安全问题进行了论述。基于省－地市－县信息共享平台的大型3S 综合应用与服务体系，其成果先后获得福建省科技进步一等奖和国家科技进步二等奖。

省级政务信息共享平台。福州大学通过国家863课题开展省级政务信息共享平台开发与应用研究。建立 “省－地（市）－县”政务信息宽带网络之上的信息共享服务枢纽。实现了分布式政务信息的访问、查询、转换、下载、交换和集成，并提供用户管理、安全管理、数据目录管理、异构数据共享和交换、协同办公服务、分布式异构数据库的集成与应用等综合服务功能。面向电子政务的地理信息服务研究，根据电子政务建设对地理信息服务的实际需求，提出了地理信息服务体系和面向电子政务的地理信息服务层次结构模型，提出了“体、层、条、块”的地理信息服务体系分类方法，并用“塔、层、面、块”的塔型结构予以表达。探索和基本解决了面向电子政务的地理信息服务体系建设中的地理信息交互式可视化表达等五项关键技术。如数字区域应用基础设施研究（吴升、王钦敏等，2006），针对当前数字区域工程建设普遍存在的一些问题，提出“数字区域”应用基础设施的概念，对其研究背景、参考模型和面向信息共享的公共应用服务平台进行了论述。数字区域应用基础设施是在区域网络基础设施和数据基础设施上层的基础设施，它为电子政务、电子商务、数字城市等各种数字区域信息化应用工程提供基础性的应用服务支撑。由专业信息服务机构、管理办法、标准规范、关键技术和公共应用服务平台构成。信息服务机构是数字区域应用基础设施的主体，是有效联系信息需求方和信息拥有方的桥梁；公共应用服务平台是数字区域应用基础设施的核心，为区域信息共享和交换提供了统一的构架和解决方案。其中，元数据管理和目录服务平台为信息的和查询提供了“一站式”入口；信息共享与协作服务平台实现分布式数据库的信息共享和交换；地理空间信息网络服务平台实现对地理空间信息的集中式共享。最后，总结了“数字福建”应用基础设施建设的成果，对“十一五”“数字福建”工程的需求和发展作了展望。面向电子政务的地理信息系统研究（卢毅敏、汪小钦等，2006），主要针对电子政务GIS中基于Web的地图技术、空间元数据技术、空间信息协同组织技术、空间信息可视化表达技术、地理编码技术等关键技术进行了具体的讨论与应用。

1.5 地图自动制图综合研究取得了实质性进展

人在制图综合过程中的思维方式主要表现为抽象思维、视觉思维。计算机能在多大程度上模拟人在制图综合过程中的思维方式，认知科学采用功能模拟的方法来研究人脑思维规律，通过计算机按照模拟模型来模拟人脑的思维过程。其模拟结果的正确程度完全取决于模拟模型和输入数据是否客观、正确反映了人脑思维系统。当前计算机模拟包括制图综合过程中基于联系的归纳推理、基于过程的形式推理和基于规则的演绎推理；而对于制图综合过程中的视觉思维，计算机模拟起来就困难了。同时，用计算机模拟制图综合过程中人脑的思维方式，求解制图综合的问题，无论是数据处理还是知识处理，都必须具备问题形式化、可计算性、合理的复杂度等三个前提条件，这都是难度很大的问题。国内很多学者在解决自动综合的许多难题方面做了大量的工作，包括基于知识的自动综合处理模型、基于遗传算法的自动综合处理模型、基于ABTM的自动综合处理模型、基于弹性力学原理的自动综合关系处理模型、基于数学形态学和神经网络的自动综合处理模型等等。特别是提出了自动综合链及其自动生成的理论和方法，以及据此建立的自动综合过程控制模型，为电子计算机按照模拟模型来模拟人在制图综合过程中的思维方式创造了十分有利的条件。福州市勘测院研制1:500到1:2000城市大比例尺地图缩编系统，系统基于Visual Studio .Net开发平台、FME2004数据转换平台，综合应用C＃、、FMEObjects、MDL、数据库、XML等计算机技术，采用MVC设计模式设计的、面向对象的组件式技术进行开发。实现要素合并、要素化简、要素抽稀、要素移位以及缩编知识库维护等。

1.6 空间数据不确定性研究进一步深化

空间数据的不确定性主要探讨和研究空间数据误差和不确定性，及其误差传播和控制的方法。不同空间分辨率DEM提取坡度不确定性研究（陈楠、汤国安等，2006）运用信息论与统计学一些指标及比较分析的方法，以1:1万DEM为研究对象｡定性地分析了在黄土丘陵沟壑区DEM空间分辨率对所提取的坡度信息的不确定性影响，并建立了定量的计算公式｡黄土高原丘坡信息DEM提取算法的应用（陈楠、王钦敏等，2006），选择代表黄土高原地貌类型（丘陵沟壑区､梁峁区､高原丘陵过渡区）的75个样区（每个样区约4 km2），以1:1万水平分辨率为5m的DEM为研究对象，研究不同算法对提取地面坡度精度的影响，提出了对坡度和坡向精度进行评价的指标，并获得了以上指标与分辨率的函数关系，所得函数关系可为实际工作部门选取适宜的DEM分辨率提供依据。

1.7 虚拟现实技术向通用化和实用化发展

空间信息可视化与虚拟现实技术过去主要集中在虚拟地理环境的基础理论及相关学科应用技术的引进和研究。福州大学2002年以来选择大场景、高复杂度、强交互的虚拟森林环境为研究对象，提出了基于虚拟现实、空间信息技术、图形学等原理的分布式虚拟森林景观的构建原理，并在国际上首次按单树建模―林分场景―森林景观等三级尺度实现的技术体系。该研究小组已成为国内进行系统地、持续开展虚拟森林环境的3个研究小组之一。主要完成的成果包括:（1）基于OpenGL开发了一个参数化单树建模工具，并在其它应用项目得到推广应用；（2）开发成功面向森林经营管理需要的虚拟森林环境。该平台实现2维GIS与3维仿真功能的紧密结合；（3）基于HLA的开发分布式协同森林灭火仿真原型系统。（4）基于本体技术开展了面向灭火决策的领域本体知识库系统的研究与原型系统开发；（5）开展了基于L-system的南方果树-芒果、龙眼的建模，实现了果树在年周期和生命周期内的生理生态生长发育过程3D表达；（6）初步探索了顾及光合作用的果树生长的数学建模、三维建模，展示了在不同环境因子和经营参数控制下龙眼的生长变化过程。林开辉，陈崇成等（2006）针对虚拟森林灭火仿真需要多种不同要素同时参与灭火仿真的功能需求，提出了一种基于HLA 的可扩展的分布式森林灭火仿真体系结构。可用于地理多维信息的综合管理、协同规划、设计与决策等，可为数字省、数字城市、数字行业建设提供方法和技术支撑。虚拟现实技术中场景的建模和控制一直是人们关注的焦点，江辉仙、林广发等（2006）应用虚拟现实地理信息系统（VRGIS）技术建立库区三维仿真系统，结合影响水土流失的各种因素，利用GIS对空间数据处理和分析的特殊功能，实现水土流失监测预报系统数据与图形的有机结合，提高水土流失监测预报的准确性。系统具有三维性、交互性、多媒体集成性和境界逼真性。省基础地理信息中心基于三维地理信息系统软件开发福建省三维基础地理信息平台（政务网），实现三维地理信息的查询、浏览，政务信息的查询、浏览，专题地理信息的加载及地名地址信息的上传、标注等功能；开发了基于三维基础地理信息的地震救灾、地质灾害、森林防火、核电规划、交通规划、城市三维、旅游三维、治安管理等专题三维地理信息系统。

1.8 空间数据挖掘和知识发现研究越来越受重视

面向地学和资源环境等领域应用的空间数据挖掘，除了能提取地理实体几何特征知识外，还能发现空间分布、空间关联、空间层次、空间演变等知识。福州大学面向资源与环境问题，以多源、异构的海洋、林业、国土等行业环境监测数据（如各类监测台站、卫星遥感等平台的监测数据）为对象，开展多尺度空间数据的可视化挖掘提供理论框架、技术方法和原型系统研究，在空间离群点的识别与分析、空间关联规则提取、高维空间数据聚类、高分辨率光学遥感数据聚类等空间数据挖掘算法以及在空间数据挖掘的原始数据、挖掘结果的可视化表达以及挖掘过程的可视化交互探索方法等方向取得进展，推动了地区空间数据深度挖掘的研究与应用水平，空间数据挖掘和知识发现取得了显著进展。（1）基于时空统计的方法，如钟春棋、曾从盛（2007），基于RS与GIS的福州市景观格局动态演化研究，在RS与GIS技术支持下，利用1986年、1993年和2000年3期TM遥感影像，选取反应景观空间结构和景观异质性的指数，分析了福州市区景观格局及动态变化的特征。（2）基于空间关联规则的方法，主要指空间对象之间的空间和非空间关系，如厦门市湿地时空演化的遥感动态分析（李春华、沙晋明，2007）：以厦门市近20年来多时相遥感数据为数据源，采用RS和GIS技术提取湿地动态变化信息；综合运用多项式回归、马尔可夫模型、虚拟地理环境技术对厦门市湿地时空演化趋势进行模拟分析和定量预测研究，建立厦门市湿地动态变化系列图谱。邱炳文， 王钦敏等（2007）采用Moran's I系数的自相关图来表示土地利用及其影响因子的空间自相关性特征，并且在此基础上建立了土地利用与影响因子的空间自回归方程。（3）基于求解问题不确定性的方法，包括粗集理论(Rough Set Theory)和云理论(Cloudy Theory)；（4）基于可视化的方法，如土地利用与土地覆盖变化信息的图谱研究（余明、李慧珍，2007），应用RS和GIS复合技术提取土地利用信息图谱，从现状结构、发展变化（净变化与相互转化）等方面进行土地利用信息定性和定量的分析，并建立了实验区土地利用演变过程和空间扩展图谱，其研究和建立的土地利用斑块形态与扩展图谱,在一定程度上反映了地学信息图谱的“形-数-理结合”和“系列化”、“谱系化”、“模型数值化”的特征。（5）基于人工智能的方法，如陈楠、王钦敏等（2006）基于BP神经网络自动提取沟谷研究，提出了将提取沟谷的过程转化为根据地形因子综合判定地貌类型的过程的思想。应用BP神经网络分析了6种地形因子与沟谷地形的相互关联关系。

1.9 地理信息网格与知识网格创新研究出现良好开端

知识网格是网格发展最新阶段或表现形式，它是在人工智能和知识管理的基础上形成的网格，是集计算网格和信息（数据）网格、知识发现平台、决策支持系统为一体的智能网格。福州大学将时空数据挖掘、空间决策支持系统、信息可视化和人-机交互等技术引入网格计算环境，基于主流网格中间件Globus成功开发地理知识网格平台（GeoKS-Grid），形成数据资源管理中心、资源监控中心、任务管理中心、数据挖掘与决策服务中心、网格平台管理中心等主要模块，并在系统上部署了一系列网格服务，如基于MST的空间离群挖掘服务（以福建沿海土壤地球化学异常分析为例）、基于本体知识推理的土壤适宜性评价服务（以福建沿海地区热带水果种植应用为例）、空间关联规则挖掘服务（以漳浦县林种与影响因子关联分析为例）、城市空气高架点源污染模拟服务（以厦门市SO2为例）、城市短期电力负荷预测服务（以厦门市为例）、海上化学品泄露污染扩散模拟服务（以福建湄洲湾易溶液化品为例）。该平台拥有地理知识发现和辅助时空决策分析的功能，促进网络地理信息共享与服务从单纯的信息交换和互操作、集成处理上升到时空数据挖掘服务、决策服务的深层次转变，为地理知识服务网格平台成为一个可视化、交互式、智能型的地学问题协同式求解环境奠定基础。

1.10 地图制图学与地理信息工程理论研究

地图制图学与地理信息工程学科中除了地图投影、地图综合和地图符号等传统理论外，又增加了地图空间认知理论、地理信息传输理论、地图视觉感受理论、地图模型理论、地理空间信息语言学理论、地学信息图谱理论、空间数据的不确定性理论等，地图制图学与地理信息工程科学的理论体系正在逐步形成。许多现代数学方法都在地图制图学与地理信息工程科学技术中找到了自己的切入点，特别是现代数学方法在地图自动综合和空间数据不确定性研究中的应用。我省在这一方面取得一定的进展。

福建师大地理科学学院和福州大学空间信息工程研究中心致力于空间数据挖掘与信息共享的理论、方法与技术的研究与应用示范研究。师大地理科学院作为主要成员参编的《地图学基础》由高等教育出版社出版，该书被全国高校选作教材，并获全国普通高等院校优秀教材二等奖；《地图学原理》由科学出版社出版（2004年）；《地图学》课程被评为福建省优秀课程；《地图学的改革与建设》经国内专家鉴定为国内先进水平，获福建师大优秀教学成果一等奖。《地球信息科学导论》由科学出版社出版（2007年），作为地图学与地理信息系统专业博士与硕士研究生教材。福大空间信息工程研究中心近几年从事数字区域的理论、技术与应用，地理信息的建模理论与分析技术，空间数据挖掘的理论与方法，数据传输与信息安全技术等应用研究。《人口经济学中的GIS与定量分析方法》（王钦敏等）运用GIS 理论、方法分析人口空间分布与相关自然和经济因子间的定量关系。建立了人口空间分布与经济发展之间关系的微分方程组模型，运用稳定性理论揭示两者之间的非线性动力学机制。对人口空间迁移变化与经济发展之间的关系建立数学模型，为人口空间迁移预测及政府决策提供参考。

以上所述地图制图学与地理信息工程学科取得的进展基本反映了近年来本学科发展的面貌。

2 地图制图学与地理信息工程学科的发展趋势和任务

通过总结地图制图学与地理信息工程学科技术取得的进步、存在的问题和差距，进一步分析空间信息科学技术的发展及面临的机遇和挑战。

2.1 以空间认知为核心的地图制图学与地理信息工程学科理论体系将进一步深化

空间认知理论是地图制图学与地理信息工程学科的认识论和方法论基础。在空间认知理论的指导下，地图投影、制图综合、地图符号等传统地图制图学的基本理论将在新的条件下进一步深化；地理信息传输、地图视觉感受、地图模型、地理空间信息语言、地学信息图谱、空间数据与空间分析的不确定性等地图制图学与地理信息工程学科的新理论在整个理论体系中的地位和作用、相互联系、内容的深层次研究将取得进展。目前，在地图空间认知研究方面，理论体系尚不完善，空间认知过程研究不够深入。现有的GIS 数据模型缺乏跟踪现实世界实体变化的能力，因为它只保存实体的现势数据，随着地理信息系统在行业应用的普及和深入，人们开始认识到地理信息系统应该具有描述现实世界中各种时空变化的能力，既可以分析其过去，又可以预测其未来（发展趋势）。这种想法导致了时空地理信息系统和时空数据模型概念的提出。今后要重点研究：(1)空间认知理论体系框架；(2)空间认知过程、实验方法与技术；(3)地图可视化系统中的“人―地图”关系及表示方法。

地学信息图谱研究不仅局限于表现，更是一种分析方法。地学信息图谱是图形、方法和认知三者的综合与统一。地学信息图谱的研究起步工作主要有三方面：区域地理单元及其等级体系；地理单元的遥感影像特征分析；地学信息的表达方法。

2.2 地图自动制图综合及其过程控制的智能化将取得进展并得到应用

在基于大比例尺地图数据库生产小比例尺地图、多比例尺地图数据库的自动派生及一体化更新和 GIS中多尺度空间数据显示等环境下，基于保质设计的空间数据的自动综合及其过程控制的智能化研究都是必要的。目前的研究离实际应用还有很大的差距：一是自动综合模型、算法还不具普适性；二是自动综合结果还有不尽人意。今后研究的重点问题主要包括：(1)几何信息的尺度依赖与空间认知理论的联系；(2)多尺度空间数据库的数据模型与数据结构；(3)网络环境下的空间数据多尺度表达与在线式自动综合理论与方法；(4)智能技术支持下的地图自动综合决策分析与自适应操作；(5)自动综合的智能化、过程控制与质量评价；(6)三维城市模型的自动综合；(7)地图自动综合的人机协同机制。

2.3 地理空间信息数据库多源、多尺度数据一体化及面向对象发展

我省基本实现多源、多尺度矢量数据、影像数据和高程模型数据一体化管理。需进一步研究：(1)矢量数据、影像数据与数字高程模型数据融合的理论和方法；(2)海量数据高效快速索引技术；(3)基于图形、影像与数字高程模型数据一体化的完全面向对象的方法；(4)基于矢量、影像与高程模型数据融合的地学空间分析理论与方法；(5)基于矢量、影像与数字高程模型数据融合的三维可视化理论与技术。

2.4 空间信息可视化与虚拟现实技术向与GlS集成的一体化和实用化方向发展

空间信息可视化及在此基础上发展起来的地形仿真和地理环境虚拟现实技术，为人类的地理环境感知提供一种新的、更强大的工具。近些年来，出现不少利用现有的图形图像软件与动画软件制作的地学信息可视化产品，如应用3DS制作动画，完成预定路线的地景观察；运用OpenGL在微机或工作站上实现实时交互的、可立体观察的虚拟地形仿真；运用Performer及MultiGen(三维建模软件)在SGI工作站上完成地景建模与实时显示；运用VRML(虚拟现实建模语言)在网络上传播虚拟地景信息等。空间信息可视化与地理环境虚拟现实技术作为地图学新的生长点，对于拓宽地图学的研究领域和促进地理信息系统理论与技术的进步将产生重要作用。但是，从地理信息系统和空间信息可视化与虚拟现实的关系来看，地理信息系统具有强大的海量空间数据存储、管理、处理和分析功能，空间信息可视化与虚拟现实具有多维动态可视化和实时交互式操作的效果，两者优势互补，集成与一体化是一个必然的趋势。需重点研究：(1)地理信息系统(GIS)与虚拟现实(VR)集成；(2)空间数据多尺度可视化表达的自适应地图符号系统；(3)面向时空模拟与仿真的演化模型；(4)空间信息可视化人机自适应界面；(5)多维动态空间数据模型及其表达体系；(6)基于空间信息可视化的协同工作与决策支持。

2.5 空间数据挖掘和知识发现的研究正在兴起，并向智能化发展

空间数据挖掘和知识发现是空间分析的拓展、延伸和深化，需重点研究：(1)空间数据挖掘与知识发现的理论体系；(2)空间数据挖掘与知识发现方法(基于时空间统计分析、基于空间关联规则、基于求解问题不确定性、基于可视化、基于人工智能等)；(3)面向决策支持主题的分布式空间数据提取、预处理、变换、挖掘、模式解释／知识评估；(4)数据挖掘数据、算法、可视化的有机结合(形、数、理的统一)。

2.6 GIS运行实现跨平台、互操作、资源共享和协同

地理信息系统(GIS)就其运行方式而言，经历了由单机向网络发展的过程，网络地理信息系统(Web GIS)正逐步成为主流产品。目前的Web GIS还存在着数据和功能相对绑定、处理功能相对简单、系统之间缺乏良好的互操作性等许多问题，还不能实现真正意义上的跨平台、互操作、资源共享和协同工作。重点研究：(1)基于信息网格的新一代地理信息系统，即网格地理信息系统体系结构和总体方案；(2)基于信息网格的地理空间信息管理与服务标准和规范；(3)Grid与Agent集成模型；(4)地理空间信息服务与Grid集成模型；(5)基于网格的空间数据访问与集成。

基于网络服务的GIS 应用软件平台研究与开发是要研究、开发基于网络服务的GIS 应用软件平台，实现分布式多源异构地理信息的互操作和综合利用。通过对地理信息内容和GIS 功能的集中管理，并为应用开发人员提供基于Web Services 的二次开发接口，实现与各种Web 应用的快速集成。主要技术特点表现在：为用户寻找地理信息服务提供统一的入口和中介；提供基于GML 和Web Services 的地理内容和功能服务；自主开发、开放、跨平台、可扩展。

基于GML 的网络地理信息系统研究。基于GML 的网络GIS，是指GIS 中的所有数据都是表现为GML 文档，这与传统的GIS 不同。由于管理的数据对象发生了变化，传统的GIS 技术不能直接用于GML 数据的管理，因此必须研究基于GML 数据的管理技术，同时作为一个完整的网络GIS，地图信息可视化是必不可少的一部分，因此必须对基于GML的空间数据可视化进行研究。研究的具体内容包括：基于GML 的空间数据管理技术；基于GML 的多源异构空间数据集成和转换；GML 数据的Web 可视化研究；基于GML 的网络GIS 原型系统。

2.7 空间数据不确定性由理论研究向空间数据质量评价与控制的实用化发展

由于现实世界的复杂性和模糊性以及人类表达能力的局限性，空间数据不可避免地表现出某种不确定性，研究空间数据采集、处理、分析和应用过程中的不确定性理论，直接关系到空间数据生产和应用过程中的质量控制、GIS空间分析的可靠性和数字地图产品应用的可靠性。其重点研究：(1)空间数据不确定性与数据质量的内容及评价指标体系；(2)空间数据不确定性理论及其可视化方法；(3)属性数据不确定性理论与方法；(4)数字高程模型(DEM)数据的不确定性理论与方法；(5)空间数据不确定性关系模型和空间分析的不确定性；(6)多尺度空间数据融合的不确定性；(7)空间数据基于不确定性的数据质量评估与控制模型。

2.8 嵌入式地理信息系统将向更广泛的应用领域渗透

地理信息系统（GIS）的应用领域和应用模式与计算机技术的发展密切相关，早期开发的GIS是基于工作站和桌面PC机的，这类计算机计算能力强、存储容量大，能满足GIS对计算机的性能要求。随着嵌入式硬件技术（如嵌入式处理器、存储器）和软件技术（如编译器、图像压缩算法、集成开发环境）的快速发展，GIS技术逐渐应用于嵌入式系统中，构成嵌入式地理信息系统。嵌入GIS由于其具有功耗低、资源消耗少、可靠性高、响应速度快、体积小和重量轻等优点，广泛应用于基于位置的服务LBS、车载导航仪、移动信息终端等嵌入式系统中，实现地图浏览、地图缩放、路线分析、数据检索及地形分析等基本功能。重点研究：(1)嵌入式GIS通用硬件平台；(2)嵌入式GIS中间件技术；(3)强实时响应关键算法；(4)多种数据融合和高效空间数据压缩算法；(5)支持二次开发的EGISM应用软件开发包。

未来地图制图学与地理信息工程学科的发展和理论和技术：

第一，空间认知理论将促进地图制图学与地理信息工程学科的进一步理论化和科学化；

第二，基于保质设计的空间数据自动综合与细节分层(LOD)技术将促进空间数据的多尺度、多分辨化；

第三，空间信息可视化与虚拟现实技术将促进地理环境的沉浸化；

第四，空间数据挖掘与知识发现技术将促进由源于符号获取信息到源于信息获取知识，实现知识获取的自动化；

第五，网格(Grid)技术推动新一代地理信息系统的诞生，将促进资源共享与解决问题协同化；

第六，基于面向对象方法发展面向Agent技术将促进智能化；

第七，地理空间信息获取、处理与应用的一体化技术将促进GIS真正意义上的时态化；

第八，空间信息技术的全面嵌入和广泛应用将促进普适化。

参考文献：

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课题组成员：

1．简灿良，福建省基础地理信息中心，教授高工。

2．吴 升，福州大学，教授。

3．陈崇成，福州大学，教授。

4．戴文远，福建师范大学，副教授。

篇2

关键词　GIS　水工环专业　授课原则　教学效果

中图分类号：G424 文献标识码：A

0　引言

自上世纪60年代加拿大学者Roger　Tomlinson提出GIS（Geographic　Information　System，　地理信息系统）学术构想标志着该学科诞生以来，经过约半个世纪的发展，GIS历经了萌芽、壮大与普及的多个阶段，已经从一个单纯的技术工具演变成为了地球信息科学的重要组成部分。①其理论体系、系统功能和应用范围都经历着显著的拓展，尤其是它丰富的制图表现力、强大的海量异构数据管理以及空间建模功能吸引着越来越多的科技人员把它作为专业研究的得力工具。

水工环行业是较早引入和应用GIS技术的领域，两者之间的融合呈现越发密切的态势，这一点可以从国家地调局持续、高额度优先资助此方向科研项目的事实中得到佐证。新的研究成果不断涌现，中国期刊网每年发表的相关文章数量几乎以几何级数的趋势增长。为了顺应形势，许多高校下大力气开展GIS教育，特别是水工环专业，大多开设了GIS课程，而且作为专业必修课程对待。显而易见，要想学好这门多学科交叉、渗透特点显著的课程，不能生搬硬套信息工程专业的授课方式。笔者根据长期以来教授该门课程的心得体会，总结出了十个教学原则，在教学实践应用中取得了良好的效果。现成文如下以飨读者。

1　教学十原则

1.1　认清对象　准确定位

水工环专业的毕业生主要投身于各类国民经济建设的主战场，从事资源探查、环境分析与地质勘察的调查或研究任务，学习GIS的最终目的是“学以致用”：即期望能够利用GIS技术方便快捷地帮助完成问题，提高工作效率。比较而言，专业主干课程与GIS课程是一“主”一“辅”，一“体”一“用”。因此对该专业学习者来讲，GIS不能脱离工具型学科的基本性质，而成为不可亲近的“象牙塔”上的学问。笔者依据授课对象的特点，将该门课程的总体目标进行定位：（1）增强利用GIS解决实际专业问题的意识与热情；（2）掌握GIS在空间数据输入、管理、显示、查询、分析等方面的基本技能；（3）熟悉运用GIS进行空间分析与模拟的基本过程。

1.2　分析需求　增删内容

调查表明，水工环专业的从业者应用GIS主要集中在如下3个方面：（1）利用GIS的数据显示功能进行专题图件的编制。这也是多数使用者的最基本应用；（2）建立不同级别的专业空间数据库，以实现多源、海量数据的集中化存贮和管理；（3）利用GIS的空间分析与建模功能实现地质现象或过程的表达、模拟、评价和预测。与此需求相适应，授课内容应侧重于数据模型、空间数据库的数据管理和组织原理、空间分析技术和空间建模基本方法等内容，而其它的内容，比如OpenGIS、网络GIS、GIS标准化等，与学习者的主体诉求相差太远可以简单带过甚至忽略。教学内容作此增删处理后，主次分明，重点突出，贴合学习者未来工作需求，也减轻了负担。实际上，想在课堂教学上面把现代GIS技术的每个部分都作深刻剖析，面面俱到而无遗漏，无论是教学时间还是学生的知识储备，都是无法满足的，也没有必要。

1.3　理论先行　重视技能

扎实的理论基础与熟练的操作技能是本门课程的基本目标，两者不可偏废。教学中过多地强调基本理论，忽视技能训练，容易使学习者丧失热情，进而反感厌学；或者易造成眼高手低的后果。当然也不宜把课堂教学变成GIS实习培训，为重视操作技巧而放弃理论学习。缺乏基本概念与理论的指导，GIS的应用操作难记易忘，触类旁通更是难上加难。

1.4　重点剖析　演示操作

对于教学内容中的重难点，宜采用细致分析结合演示操作的方法进行讲授。条分缕析的目的是使学习者吃透知识点的本质和内涵，软件的操作演示则可以增加印象。比如笔者在讲授“空间数据模型”章节时，花费1学时的时间，利用图形、表格、动画等多种形式对Spaghetti模型（以shp数据格式为代表）和基于Node-Arc的拓扑模型（以coverage数据格式为代表）做了仔细认真的解剖，并利用ArcGIS　Desktop软件分析演示了两种典型的矢量数据模型的优缺点，颇受欢迎。

1.5　启发教学　宁导勿牵

孔子曾经说过：“不愤不启，不悱不发。”　对于经过自己头脑思考、处于“愤”和“悱”的学生，教师“启”和“发”，点拨一番，往往会达到意想不到的教学效果。教学过程中，灵活应用“启发式教学方法”，在教师主导作用下，学生进入主体角色，使学生在学习的整个过程中保持着主动性，主动去提出问题，主动去思考问题，主动去发现问题，主动去探索问题。②

“地图投影”章节由于基本概念抽象、知识点多，一直令初学者颇感头疼。笔者在教学中首先讲解了地图投影的问题由来、主要矛盾以及解决方法后，通过操作演示讲解了正轴圆锥投影的特点后，继续利用软件演示的方法引导学生总结了圆柱投影和方位投影的特点，并对每种投影的适用原则进行了归纳和对比。避免了填鸭式的呆板方式，以直观、形象的图形语言替代僵硬、晦涩的语句解释，顺利地解决了这个难题。

1.6　上机实习　联系实际

上机实习是GIS学习者掌握实际操作技能的必要步骤，也是利用GIS技术解决专业问题的基础性训练。为了配合课堂讲授内容，强化记忆，提高应用能力，笔者编写了一本GIS上机实习指导手册，采用图文结合的方式，一步一步地引导初学者练习使用GIS。涵盖的内容既包括数据录入、编辑、显示、空间分析等入门功能，也包含3个水工环领域的真实研究案例。上机实习的时间安排与同内容的课堂学习时间同步，理论紧密联系实践，相得益彰。

1.7　兴趣为基　适度扩展

对于部分对于GIS技术表现出强烈、持久的兴趣而又学有余力的同学，笔者则因材施教，单独辅导。引导他们去搜寻、下载、阅读相关研究文献，寻找兴趣点，为未来的研究作知识储备。另外，笔者还准备了两个学时的GIS技术前沿介绍，以讨论会的方式与同学们一起畅想水工环行业的GIS技术应用潜能。当然，这样的活动是在不影响基本教学任务的前提条件下进行的。

1.8　项目示例　学以致用

很多学习者能够比较轻松地掌握GIS的基本理论与初级使用技能，但一到真正解决专业问题就显得力不从心，无从下手，心中留有“GIS怎样用”的疑问。究其原因是没有学会利用GIS语言和思维来解析专业应用。这个教学原则正是针对该难题而设立的。笔者在教学中引用了两个专业案例（一个是土壤侵蚀评价，另外一个是滑坡灾害易发性区划），从目标确定、问题分解、执行分析、模型细化与验证等各个环节展示了GIS空间建模的全过程。通过这种“解剖麻雀”的方式带领学生进入GIS应用的高级阶段。

1.9　主动学习　利用资源

多读专业文献，多与他人启发交流，多进行实践操作是提高GIS应用水平的不二法门，但这些训练无法在时间紧张的课堂教学活动中进行，自主学习却是一条很好的途径。　自主学习者通常设定明确的学习目标，及时了解自己所处学习处境或能力层次，充分利用图书馆、网站、专业论坛等资源执着探索（比如http：//网站中就有非常丰富的GIS学习材料），不达目标不罢休。主动学习的习惯可以帮助学习者极大地提高学习效率。③学习的自主性、主动性和创造性愈强，学习效果也就愈佳。

1.10　灵活考查　比例合理

教学的目标，就是使学生成为“学会认知”的主体，使学生自己掌握学习的方法，提高创新的能力。一言以蔽之：教，就是为了不教，而课程考查恰是考量教学目标是否完成的重要手段。考查既要能反映出学习者对于基本概念、理论的掌握程度，同时也要能够体现出对于GIS使用技能的熟悉情况，因此课程考查应该由多个部分组成。笔者在教学实践中，采用开卷考试和GIS应用实践报告的组合形式，两者权重各为50%。

2　结论

作为一门新兴的交叉渗透性学科，GIS要求应用者需要具备一定的制图学和计算机科学基础，也要有过硬的专业知识储备。对于水工环专业的学习者来说，他们没有参与过相关计算机学科的学习，基础相对薄弱，专业知识也有所欠缺。如何给他们上好GIS课程是对教师的一大挑战。遵循本文提出的十项授课原则，可以使教学有的放矢，收放自如。教学形式变得活泼，调动了同学们学习的积极性，又同时使学习者了解了GIS技术在本学科专业领域中应用的强大潜力，为后续的学习奠定了坚实的基础，做到了理论、原理与实践的良好融合。实践表明，授课对象愿意接受这种教学方式，对于该课程中的重难点内容能够较好地理解与掌握，并能够利用GIS技术进行专业问题的分析与模拟，达到了预期的教学目标。

注释

①　陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论[M].科学出版社，2002.