地理信息系统与地图学教育.pdf

地理信息系统与地图学教育 徐京华 西南交通大学测量工程系 四川成都 610031 摘 要 本文在简明扼要地叙述地理信息系统 GIS 及地理信息系统教育的发展特点 系 统全面地分析 GIS与地图学 地图可视化与 GIS 可视化的密切关系的基础上 就新时期的 地图学教育 在师资人员培养 课程设置 教学内容选择 教学实验方法等方面进行了探 讨 关键词 GIS 地图学 可视化 教育 中图分类号 P208 文献标识码 B 文章编号 1001 8379 2000 04 0178 04 GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMAND THE EDUCATION OF CARTOGRAPHY XU Jing 2hua 收稿日期 2000 07 01 Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China Abstract Based on the brief narration of the development of GIS and GIS education analysing sys2 temicaly and completely the ralationship of GIS with cartolosy map visualization with GIS visualiza 2 tion this paper discussed the teacher training the establishing of courses the selection of teaching content and the teaching and experiment method about cartolosy education in the new era Key words GIS cartology visualization education 一 地理信息系统与地理信息系统教育 的发展 地理信息系统 GIS 是采集 存储 管理 分析 和描述地理信息的空间信息系统 GIS 产生于 60 年代初 在不足 40 年的时间里 得到蓬勃发展 从 一开始仅在地学领域应用 到今天几乎深入社会 生活领域的各个角落 GIS 之所以得到这样迅猛 的发展 是因为 当今社会处在一个信息时代 而 在人类经济建设 日常生活活动中 有 80 的信息 与地理空间相关 这也就意味着人类社会对信息 的需求有 80 是对空间信息的需求 GIS 作为空 间信息的存储 处理 应用的高新技术 必然应用 广泛 发展迅速 GIS 在各个专业领域的广泛开发和运行维护 必然带来大量相关人才的需求 GIS 教育热随之而 产生 GIS 教育成为一种 worlde phenomenon0 Mor2 gan 世界上的发达国家 如美国 加拿大等 开设 GIS 课程的教育机构从 1990 年的 289 个增至 1996 年的 828个 开课专业涉及农学 人类学 考古学 生物学 环境学 商业 建筑业 地理学 地球科学 等 我国的 GIS 教育虽然落后于发达国家 但也 随需求的增长发展很快 全国不少大学都相继开 设了 GIS 专业或GIS 课程 如北京大学 南京大学 武汉测绘科技大学 西北大学 成都地质大学等 并且开课学校 系 专业还有迅猛增加之势 二 地图学与地理信息系统 地图学与地理信息系统 GIS 有着密切的关 系 GIS 是地图学在计算机技术支持下发展的结 果 在计算机技术产生之前 地图就是一种模拟 的静态的原始地理信息系统 计算机技术诞生 后 地图学者为了减轻繁锁的脑力及手工劳动 提 高工作效率 将具备存储量大 能高速运算处理数 据等特点的计算机技术引进地图编制 而当地图 数据库形成 空间地理数据数字化后 空间信息由 静态转为动态 其高速的 更深层次的分析处理成 为可能 GIS 也就应运而生 地图学与 GIS 同以空 间地理信息为操作 表现对象 地图学的有关理 论 原理 技术方法在 GIS 的各个部份都得到充分 体现 具体表现在 GIS 的输入 信息源 部份 地图是 GIS 的主要信息源 GIS 中相关信息的收集 处理输入 都离不开有关的地图学知识 如 地图 投影 分幅 比例尺 精度以及具有不同空间分布 特征的地理信息在地图上表示方法 表现特征 空 间地理信息收集处理的一般技术要求等等 178 四 川 测 绘 2000 年 GIS 的数据存储部份 空间数据分属性 类别 和 分布特征 位置及相互联系 来存储 原理完全来 自地图学 不论是在地图上还是在 GIS 中 空间 物体 现象 都被归为点 线 面三种基本元素来存 储 只是由于存储介质上的差异 在表现形式上有 所不同 地图以文字 符号的形状结构 色彩反映 属性 相应符号 文字所处位置反映分布与联系 而GIS 以编码表示属性 以 X Y 坐标数据串及拓 扑结构来表示空间物体 现象 的分布与空间联 系 GIS 的空间数据处理 分析部份 GIS 中 空 间数据的分割 提取 过滤等操作是地图综合概念 的直接引用与延伸 人机对话状态下对各类空间 数据的具体编辑 综合操作 如点线面图形的增 加 删除 修改 剪贴 属性的更改 合并等 与常规 地图编制有许多相似之处 只是操作实施上更为 便利 即使GIS 将来发展 实现了空间数据编辑 综合的自动化 其原理 方法仍要以地图学的相关 内容为基础 GIS 的计算分析 空间分析 功能是 传统地图应用分析在计算机技术支持下的延伸与 扩展 空间分析作为 GIS 的核心功能 实际上是对 以数字存储 以地图形式表达的空间地理信息的 分析处理过程 GIS 中空间物体 现象 的位置 分 布特点及相互关系等概念与计算分析的原理方法 与地图学中地图投影 聚类分析 趋势面分析 地 图量算等知识 方法有密切关系 GIS 的输出部 份 GIS 存储 分析处理的空间信息都是数字形式 的 要使整个信息输出能为人的视觉所接受 达到 高效率信息传输目的 必须进行数字形式到地图 形式的转换 因此 GIS 的信息输出 必然涉及地 图学中空间信息的图形表示方法 地图编制基本 方法 色彩符号基本知识等内容 地图学与 GIS 的密切关系 还应从 可视化0 Visualization 角度 进行更进一步的探讨 现代可 视化 科学可视化 是从八十年代发展起来的新学 科 它主要研究怎样将计算机 遥感卫星 宇宙飞 船等获取 存储的大量数据 数字信息转换为图 形 图像等形式 以充分挖掘人类大脑的视觉潜 能 达到高效率 高质量的信息传输目的 可视化 理论与技术手段的研究应用在现代科学技术的研 究发展中占有十分重要的地位 GIS 是以数字形 式来存储 分析 处理 输出空间地理信息的 不经 图形转换 是不具备可视化特征的 是难以被人们 大脑所接受了 因此 GIS 的可视化研究是其研究 与开发的重要领域 GIS 的操作对象是空间地理信息 其可视化是 空间地理信息的可视化 而地图学是一门传统的 可视化科学技术 它以直接刺激人们视觉的符号 色彩等可视化工具 将空间地理信息直观的展现 在我们眼前 因此 从可视化角度 GIS 与地图学 有密不可分的关系 地图是 GIS 可视化的重要表 现形式 GIS 的可视化 尤其是 2 维 215 维空间地 理信息的可视化 离不开传统地图学中空间地理 信息的基本表示方法 分类 分级方法 制图综合 原理 地图编辑设计的基本理论 方法 符号色彩 设计使用 制图工艺等内容 编辑制作各类地图 的地图信息系统是 GIS 必不可少的子系统 三 与GIS教育相匹配的地图学教育 地图学与 GIS 的密切关系决定了 GIS 教育必 须与地图学教育相结合 国际上发达国家 如美 国 加拿大 德国等 GIS 教育与系统地图学教育紧 密结合的现状已经证明了这一点 并且实践也证 明 没有接受过地图学教育的人员 在 GIS 的学习 和应用研究中 遇到了在空间地理信息的输入 分 析处理及信息检索输出 研究成果表达中 由于地 图学知识欠缺而产生的困难 甚至导致某些错误 的发生 因此 实时地开展与现代高新技术 GIS 教育匹配的地图学教育具有充分的理论依据及重 要的现实意义 传统的地图学教育仅在较少领域 地理 测绘 开展的状况 将随着 GIS 教育领域的 不断扩展而发生改变 地图学教育会随着 GIS 教 育深入各个专业领域 与GIS 教育相匹配的地图学教育也不能一概 而论 应随不同院校 不同专业 不同的育人方向 而在开设课程 内容 教学实验方法等方面有所不 同 如 与专门的测绘院校和综合性大学的地理 系GIS 专业教育相匹配的地图学教育就应区别于 一般工科或文科专业与 GIS 教育相匹配的地图学 教育 后者的 GIS 教育主要为专业领域 如建筑 环境 测量工程 交通 水利 林业 地质 人文 考 古等 空间地理信息的处理应用服务 相应的地图 学教育在课程设置和内容选择上更简要精炼 并 具备专业特色 本文所要讨论的与 GIS 教育相匹 配的地图学教育也主要针对后者 涉及空间地理信息的获取处理应用的一般工 科或文科相关的系 专业 是 GIS 技术应用开发及 GIS 教育拓展的广泛对象 因此也是地图教育拓展 的对象 由于受专业特点限制 这些专业领域的 地图学教育是十分薄弱的 基本都没有开设地图 学的有关课程 即使开设有相关课程 也仅限于 5地形绘图6等简单介绍地图学知识及手工操作的 179 第 23卷 第3 期 徐京华 地理信息系统与地图学教育 课程 这种局面显然是不能满足 GIS 教育需求的 应该做适应新形势的改进 本文就以作者的教学 实践经验为基础 对在一般工科或文科相关专业 系开设地图学课程 所涉及的师资人员培养 课程 设置 内容确定 教学实验方法等问题 进行初浅 的探讨 与大家共商 1 具备高素质及合理知识结构的师资人员培 养 在各专业领域开展与 GIS 教育相匹配的地图 学教育 由于其教学目的的特殊性 与一般地图学 教育相比 从事相应教学的师资人员在知识结构 上有更高的要求 不仅要具有扎实的地图学专业 基础 还要对高新技术 GIS 的原理 技术方法以及 地图学与 GIS 的关系 地图学的相关理论 技术方 法怎样在 GIS 的各个环节起作用 有深刻的了解 除此之外 还应对相关专业应用 GIS 地图学的特 点有所了解 相关教学人员只有通过自身和专门 的培养 在具备以上知识结构后 才能胜任与 GIS 教育相匹配的带有专业应用特色的地图学教育 做到教以致用 2 课程设置 教材与教学内容构想 根据专业特点开设与 GIS 教育层次 深度相 匹配的学时不少于 60 的 1 2 门地图学课程 现 有的普通地图学教材 在内容 结构及现势性等方 面都不能满足需求 应该编写满足教学目的的专 用地图学教材 地图学是一门具有完整体系的独 立学科 由多个分支学科组成 内容非常丰富 新 编教材应注重那些和 GIS 有密切关系的基本理 论 技术方法 并包含地图学相关理论 技术在 GIS 中的地位与作用以及相关专业领域地图学 GIS 等 的应用特点 方法等内容 在具体内容上应包含 以下方面 1 地图的数学基础 地图的数学基础包含了地图投影 比例尺 分 幅编号 坐标系 控制点等内容 是地图学的重要 组成部份 同样也是 GIS 空间数据的数学基础 这一部份应在介绍基本投影原理 方法 基本分幅 编号方法等内容的基础上 增加在 GIS 中空间数 据数学基础的建立 计算 转换 分析等的计算机 实现特点及方法 地图数学基础 空间数据数学基 础 的专业设计 应用特点 如专业领域适用投影 的选择或设计 等内容 2 地图语言 地图语言是地图传递空间地理信息的媒介 各类空间地理信息通过地图语言来表达 传输 地图学中地图语言的基本理论方法都适用于 GIS 中空间地理信息的表达 因此 有关地图语言的 内容是新编专用教材应该选择的内容 同时 新 编教材还应包含计算机技术 GIS 技术使地图语言 产生的新变革 如 在知识系统支持下的地图符号 的设计 选择 地图符号的自动绘制 新的符号显 示形式 计算机屏幕上的闪烁 跳动 旋转等 GIS 中新的地图显示 输出方式的色彩应用原则 规律 如 屏幕与纸张输出的色彩差异 规律 动态与静 态地图在色彩设计上的不同等 研究 专业领域地 图符号 色彩设计应用特点等等 3 地图的编辑与制作 地图的编辑与制作是地图学的重点内容 涉 及众多的理论方法 新编教材在内容上要进行精 选 应重点选择与 GIS 关系密切的内容 由于编 制地图的相关资料同样是 GIS 的信息源 GIS 广泛 的应用领域使其信息的图形表达与专题地图存在 着必然的联系 因此 编图资料的收集分析处理 方法 专题地图的编辑设计方法 各类专题现象 物体的图形表示方法 专题地图综合方法等内容 应是新编教材重点选择内容 除此之外 还应结 合在 GIS 条件下 计算机系统软硬件支持下 地 图编制技术过程 方法手段上的改变 如 以数字 信息为基础的计算机地图编制的基本过程 方法 最新发展动态 适用软件介绍 先进技术支持下新 形式地图 虚拟地图 软地图 动态地图 电子地 图 多媒体地图等 的编制成图方法 在 GIS 中 由 于空间地理信息的存储与显示 表示 的分离所带 来的地图表示内容 方法 形式等灵活可变的特点 等等 相关专业领域专题地图的设计 编制 输出 方法 技术特点也是新编专用教材应包括的内容 4 地图分析与应用 地图学中地图分析与应用与 GIS 有着更为密 切的关系 GIS 的空间信息分析处理功能是其最 具特色的重要功能 而传统的地图分析与 GIS 中 的分析两者分析处理对象相同 都是空间地理信 息 因此 地图分析方法在 GIS 中都适用 并且 GIS 中先进的数据组织与存储方法及快速的计算处理 速度 改善了传统地图分析方法理论上可行 而由 于人工计算处理的繁琐 在实际实施中难行的状 况 因此 地图分析与应用的基本原理方法及其 在GIS 的实现技术 过程都是新编教材应选择的 内容 另外 GIS 中数据存储与表示的分离 使空 间地理信息的分析应用 由在传统地图上被动操 作固定有限信息变为可主动查询 分析 应用更 180 四 川 测 绘 2000 年 多 更深层次的有用信息的特点及带有专业特色 的地图分析应用方法 模型等也是新编教材应包 含的内容 5 地图可视化与 GIS 可视化 地图的可视化特点及其在 GIS 可视化中的作 用以及相关理论 技术方法的研究等都属地图学 发展的前缘内容 是以往地图学教材所没有的 新编教材从反映学科最新发展的角度应做相应的 补充 使学生通过这部份内容的学习 能够从知识 掌握上跟上科学技术的发展水平 在学习应用 GIS 中 充分利用地图可视化特点 进行 GIS 可视化的 理论 技术方法研究 并将其用于更深层次的具有 专业特色的空间地理信息的获取 分析和应用 3 教学与实验方法构想 服务于 GIS 教育的地图学教育 在教学与实 验方法上 应紧扣地图学课程特点及教学目的 在教学上 首先明确学习地图学课程的意义 并通 过实例的列举及生动的讲解 使学生具备浓厚的 学习兴趣 针对该课程内容多 涉及面广的特点 在具体内容的选择与讲解上 根据学生的专业特 点及知识结构特点 突出重点 本质 通过启发性 的课堂提问及有一定深度的综合性练习题的设 计 培养学生综合全面 会抓重点 注重逻辑联系 的思维及学习方法 在教学方式上 采取讲解 演 示 课堂讨论等多形式结合的方式 以达到最佳教 学效果 在教育技术上 针对地图学的特点 充分 挖掘学生大脑的视觉潜能 多采用挂图 大量地图 作品展示 投影仪 幻灯 录像 计算机系统等先进 手段 仪器设备 与GIS 教育匹配的地图学教育具有很强的实 践性 许多相关内容都必须经过实验 通过亲自动 手实践 才能够真正理解掌握 为满足基本实验 实习所需 首先应配置实验用的材料设备 如 地 图资料 统计数据 计算机和配套的扫描仪 绘图 仪及相应软件等 在实验方法设计与内容安排上 紧扣教学目的 对地图学一般基础性内容 主要 通过大量读图增强感性认识 可免去一般地图学 教育的大量的手工技能训练 而对于地图学相关 内容在 GIS 中的作用 用途等内容 需要选择适用 软件 如 CorelDraw ArcInfo MapInfo 等 进行上机 操作实习 实习应与教学内容密切结合 针对地 图学有关内容在 GIS 的输入 存储 分析处理 输 出等子系统中的地位与作用进行设计 具体内容 的安排 选择 应注意与 GIS 课程实习内容的差 别 从掌握地图学基本理论 方法及在 GIS 中应用 的角度出发 注重地图学素质培养及 GIS 中地图 图形信息的制作 传输及深层次应用