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自主、合作與創新是新課改理念的主要精神。高中地理教學改革要在踐行新課改精神的基礎上，充分尊重學生在學習中的獨立性與主動性，創設一定的學習情境，實現師生之間互動合作，激發學生進行探究學習，逐漸培養自身的創新精神，全面優化高中地理教學。

一、轉變教學觀念，激發學生自主意識

在新課改理念下，教學應面向全體學生，充分發揮學生在教學過程中的主觀能動性，突出學生學習的主體地位。鑒于此，高中地理教學改革須轉變傳統的以老師為主體的“灌輸式”教學觀念，在教學過程中充分激發學生學習的獨立自主性，在地理學習的時間、進度以及內容等方面，留有充足的時間與空間讓學生進行自主支配，提供學生自主選擇與判斷的機會，使學生充分體驗地理學習的樂趣。

激發學生地理學習的自主意識，首先即是要培養地理學習的興趣，從而將高中地理學習轉變為一個能動過程。這就要求老師在教學過程中，立足于學生的認知規律以及知識經驗，掌握其思維活動焦點以及熱點，從學生感興趣的事物著手，喚醒學生學習主動性，具體可從以下方面著手：

1.活動激趣。在地理教學中，讓學生積極參與活動進行學習，不僅可以加強學生對地理知識的實際應用，同時在活動中獲得的成功感會增強他們對高中地理學習的自信心，進而展開自主學習。例如，在進行人教版必修一“地球的運動”的教學中，老師可組織學生開展一個課堂教學實踐活動：讓學生運用所學的知識，描述自己生日當天的太陽直射點運動方向及其位置、當天晝夜長短變化趨勢等，鼓勵學生積極參與到這一教學活動中來，在活躍課堂氣氛的同時，激發學生地理學習興趣，提高學習的主動性。

2.善用多種教學手段，激發學生自主性。在高中地理教學改革中，老師要充分運用多媒體、錄像、掛圖以及地理標本等直觀教具，發揮其作用，或結合地理教學內容，自主設計地理教學新模型、新教具等，使高中地理教學具有趣味性，使學生保持在自覺主動的學習狀態之中。例如，在進行人教版必修一“常見的天氣系統”的教學中，老師可充分運用多媒體技術，在制作課件時，編入近期的衛星云圖動畫，向學生形象直觀地展示近期的海平面等壓線分布情況，將原本枯燥的地理知識變得生動有趣，從而使學生地理學習的積極性加強，學習自主意識被充分激發，使學生在地理學習過程中進行自主思考、自主探索，彰顯學生地理學習的主體作用。

二、革新教學方式，培養學生創新精神

創新精神的培養是教育中永恒的主題。新課改理念下，要求教學不能墨守成規、因循守舊，要注重運用有效的途徑，使學生勇于創新、開拓進取，發展成為一個自我實現的人。因此，新課改理念下，高中地理教學要注重改革傳統單一、僵化的教學方式，引導學生在地理學習的過程中，積極探索新知，活躍學生思維，培養學生的問題意識，積極鼓勵學生質疑問難，逐步培養學生的創新精神。

培養學生創新精神的首要步驟即是激發學生的問題意識。任何探究與創新都是在發現與解決問題的過程中實現的。因此，高中地理教學中，老師要以教材為依托，以問題為媒介，引導學生積極進入“最近發展區”，積極探索新知。這就要求高中地理教學中做到以下幾點：

1.問題設計的層次性與新穎性。在高中地理教學中，老師設計的問題要在與教材內容聯系緊密的基礎上，確保設計的問題具有探索空間以及思考的價值，這就要求老師設計問題時，多設計“怎么樣”以及“為什么”式的問題，確保問題的梯度性與新穎性，以問題激活學生思維，鍛煉學生的求異思維。

2.強化學生自主探究。在地理教學中，老師要留有充足的時間與空間讓學生進行自主探究，讓學生通過探究獲得解決問題的方法，得出結論，強化學生思維過程訓練。另外，在學生自主探究的過程中，鼓勵學生大膽質疑，允許學生有不同看法，激發學生創新意識。

3.啟發學生思維。在高中地理教學中，老師要注重啟發學生的思維方式，積極創設問題情境，啟發學生從不同側面思考問題。并鼓勵學生大膽想象，允許學生存在荒誕、幼稚等想法，使學生敢問、樂問、善問，逐步培養學生創新精神。例如，在進行人教版必修一中“地球公轉與季節”時，老師在運用多媒體對地球公轉現象進行演示的基礎上，讓學生進行自主探究，要求其畫出二分或二至時，地球的側視圖或者是極地俯視圖，鍛煉學生思維，培養學生自主探究能力與創新能力。

三、創設教學情境，加強師生交流合作

合作是新課改的重要精神，在新課改理念下，要改變傳統教學的單向傳播方式，實現教學的雙向互動，改變學生學習中孤立的學習者角色，轉變到與他人一起合作學習，參與到體驗學習成敗的過程中來。因此，在高中地理教學改革中，要積極運用多種教學手段，創設一定的合作情境，加強師生、生生之間的互動交流，激發學生的合作意識。例如，在進行人教版“熱力環流”的教學時，老師可積極創設一定的生活情境，加強學生的合作學習，使地理知識生活化，并在合作學習中鞏固地理知識。如老師可設置問題情境：人們在進行房屋裝修過程中，通常把空調裝設于房間上方，而將暖氣裝于下方，這有什么科學依據？并將學生分組，讓學生圍繞此問題進行合作探究，老師也積極參與其中，給予適時引導與點撥，強化合作學習。

綜上所述，在高中地理教學改革中，要以新課改理念：自主、創新、合作，為根本出發點，積極轉變教學觀念，改革教學方式，運用多種教學手段，注重教學情境創設，全面激發學生的自主性，培養學生創新精神以及合作的品質。

參考文獻：

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[4]宋文園.分析高中地理新課改背景下的高師人文地理教學改革[J].學苑教育，2013，（15）：26.

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2環境信息科學的體系結構及其在煤礦區的應用

2.1環境信息科學的體系結構盡管環境信息科學的概念提出已有近20年的時間，但從目前國內外研究的現狀來看，對于環境信息科學的概念、學科體系還缺乏明顯的定義。已有的一些環境信息科學研究計劃中界定的范疇也不盡相同。因此，從促進環境信息科學研究的視角出發，首先需要對環境信息科學的體系結構進行界定。HuangGH等川提出的環境信息科學的構成要素及相互之間的關系見圖l，這是當前引用較多的環境信息科學體系結構。由圖1可見，環境信息科學是多學科集成的領域。傳感器綜合技術和通信技術的發展使得大尺度地面采樣技術成為可能，處理不同特征、尺度和復雜性問題的模型綜合成為新的挑戰，包括不同模擬、優化、評價模型以及相關信息技術與平臺的合并，不同技術輸人與輸出之間的聯接，社會經濟因子的量化，以及大尺度集成模型的解算策略。在此基礎上，HuangGH等「‘〕提出基于環境信息科學研究的環境決策支持系統計算機系統，其結構（圖略）USGS的研究報告’)中，將環境信息科學定義為:環境信息科學是為加強對不同復雜程度的環境現象的理解，并提出新的認識的，集成物理、生物學、計算機和信息科學的多學科方法的研發、試驗和應用的學科。不同定義都強調環境信息科學的多學科交叉、以信息技術為支持、解決復雜環境問題的特點。Huang等川的觀點顯然更強調以遙感、地理信息系統和GPS技術為基礎的空間信息技術與環境科學和工程的交叉，而USGS的定義則重點強調了現代計算技術、人工智能等在環境領域的應用，特別是USGS在其未來環境信息科學發展規劃中重點強調了計算智能等技的應用。基于以上觀點以及國內外研究的進展，結合我們的研究實踐與認識，以環境信息流和環境信息處理分析為主線，可以構建環境信息科學的體系結構及主要技術方法（圖略）。環境信息科學的理論基礎來源于面向環境科學與工程領域需求的多學科理論交叉，技術支持在于面向環境信息流的多技術手段集成，最終通過不同學科領域方法模型的綜合，實現環境科學與工程各個階段、各個過程的目標和任務。因此，需要從多學科理論交叉與多技術手段集成的角度推進環境信息科學研究。

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2.1教師專業素養迫切需要提高

目前狀況是一些院校現有的地理信息科學專業教師是從相關學科轉入地理信息科學專業的，大多數是從學校畢業又走入學校，并沒有機會從事實際地理信息系統研究、開發和應用的經驗[3]。而地理信息科學技術本身發展又很迅速，這使得一些教師很難勝任所承擔的核心課程與專業課程教學任務。

2.2教材建設與培養目標脫節

由于軟件的更新速度飛快，相應的實驗教材很難跟上。據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。理論教材內容更新滯后非常明顯，與各人才培養層次與方向脫節，沒有針對各個培養層次和方向的統一化、系統化的教材的建設[4]。

2.3課程體系及教學內容與社會需要脫節

各高校開辦地理信息科學專業時，主要是依托已有相關專業構建課程體系，無論是學科基礎課程，還是專業核心課程的設置，皆與地理信息系統專業培養目標及社會需求脫節[5]。大多是根據本校的師資和學生的素質來設置相應的課程。還有因師資不足，涉及地理信息新理論、新技術、新方法的課程不能開設，學生空間分析、地理信息系統技術二次開發與應用的能力上得不到鍛煉，在工作中暴露出地理信息系統應用能力差的缺陷，直接影響到該學校地理信息科學專業人才培養的聲譽[6]。

2.4專業目錄名稱與本學科內涵不相適應

隨著形勢的發展，逐漸暴露出一些問題。從地理信息科學專業分層次的培養來看，名稱上存在不相稱，一些專家建議，對于理科院校或從地理科學為基礎發展起來的，完全可以稱為地理信息科學專業，但對于工科院校或從測繪等方向發展起來的，可以改稱為地理信息工程專業。筆者認為經過多年的磨合共融發展，也可能在將來二者會統一于新的名稱。

2.5資金投放不足

目前，高校地理信息科學專業建設與人才培養，同樣受到發展速度與投入增量不同步的影響，專業建設經費不足，儀器設備陳舊且不配套。特別是在一般本科類院校，在追求規模發展過程中，因資金不足與基礎設施建設需要，對教學儀器設備與運行保障經費采取緊縮政策[7]。

2.6全國地理信息科學專業的發展沒有一個統一的教育培養評價體系

對于這個專業培養的人才沒有相應評價體系。尤其針對一般本院校來說，不論是以測繪為基礎發展起來的，還是以地理科學為依托發展起來的地理信息科學專業，都沒有真正融入到全國地理信息科學專業的大圈子里。要真正服務社會，不應靠少數頂級院校的科學進展，更多是發揮好全國各地的地理信息科學專業的教育資源，讓地理信息科學的大眾化教育與培養復合型人才可以落到實處，從而彰顯地理視角。

3建議與發展策略

3.1地理信息科學教育應遵循應用科學的教育理念

這個專業無論是從測繪工科院校發展起來的還是從以地理學空間分析應用為主的理科發展起來的，大家都會認為本專業是理論實踐相結合的學科。從現在本科生、研究生的招生就業情況來分析，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合。大學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場所。大學本科教育是思想和認知善惡發育成型的階段，讓學生有能力去追求知識與真理，這是大學本科的教學核心。只有這樣才能在以后的工作中具有更強的創新能力。

3.2培養空間思維的教學模式不能變

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，地理信息科學的普及也是對全民空間思維能力的培養，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，啟發了他們的空間想象力。

3.3人才培養上要在權威機構中劃分出層次

從地理信息產業發展來看，地理信息科學學位教育應強化技能培訓，這部分人才培養就落在一些以測繪為基礎的工科院校發展起來的地理信息科學專業的培養上，突出地理信息科學技術的開發與應用。而另一類別是以地理學為基礎發展起來的院校專業上應突出地學方面的應用。總之地理信息科學人才的培養既需要有能夠創新思路的人才，也要培養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和地理信息產業可持續發展。

3.4通過任教資格考試、技術水平認證來規范地理信息從業人員的水平

國家應有相應的政策法規來管理地理信息產業。規定必須要有相當水平的從業人員才能承接各種項目。原因就是地理信息產業的相關行業關系人類社會正常發展，如果政策法規跟不上，那么將會一片混亂。3.5為一線地理信息科學教育工作者申請教學或科研項目建立一種運行模式與保障機制筆者認為可以從政府層面上建立一種運行模式，保障地理信息科學教育工作者真正地申請到地理信息科學項目，如教育部科技司、國家測繪地理信息局、國家發改委高技術產業司等等或是中國測繪地理信息學會、中國地理信息產業協會等各級協會都可以組織建立保障機制并實施這種運行模式。

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附圖

圖1錢學森論人類的知識體系

Fig.1ThestatementofhumanknowledgesystembyQianXuesen

錢學森將當今人類對科學知識的體系，分為數學科學、自然科學、地理科學、社會科學、建筑科學、軍事科學、人體科學、思維科學、行為科學、系統科學與美學11個體系。對上述人類知識體系解讀，可以將自然科學、社會科學和地理科學作為客體世界的主要研究對象；而人體科學、思維科學和行為科學作為人類主體的主要研究對象；建筑科學界于客體與主體科學之間；軍事科學實際上是指謀略科學（包括經濟、政治、軍事等），是在掌握所有科學基礎上的智慧較量；美學是縱貫于各個學科的；數學科學與系統科學是橫貫于各個學科的。因此有以下的科學分類網絡系統（圖2）。

附圖

圖2科學分類的網絡體系

Fig.2Thenetworksystemofscienceclassification

在五個開放的、復雜巨系統中（圖3），地理系統與星系系統、社會系統、人體系統、人腦系統并列，其中的物理、地理、事理、人理、腦理中的“理”都是指研究的“規律”。

錢學森提出的社會主義總體設計部（表1）中，除了政治文明建設、物質文明建設、精神文明建設外，特別提出地理建設，筆者將其修改為地理系統工程，并增加了人口、科教、城鎮、資源、災害、產業。

表1社會主義建設的系統結構（略有修改）

TablelThesystemstructureofsocialismconstruction

附圖

2地理信息科學

20世紀70年代以來，隨著航天技術的迅猛發展，來自外層空間的遙感、遙測、定位、通訊信息海量地增加；隨著計算機技術的迅猛發展，處理與解決這些海量數據的能力大幅度地提高。地理信息系統、地理專家系統、管理信息系統、輔助決策系統應運而生，使得地理信息科學首先獲得發展的機會。正是地理信息科學這門用高新技術武裝起來的技術科學的發展，帶動了整個地理科學的建立與發展。

附圖

圖3五個開放的復雜巨系統

Fig.3Fiveopencomplexgiantsystem

地理信息科學的主要內容就是天地信息一體化網絡系統，包括航天信息網絡系統（外層空間衛星之間的信息網絡）、地面的網絡系統、天地之間的網絡系統三部分，是有線網絡與無線網絡連通的一體化網絡系統。1998年筆者發表了“航天信息與地理信息一體化網絡系統及其應用”的論文[5]，2002年又發表了“論地理信息科學的發展”[6]一文。兩篇論文基本上代表了地理信息科學的創始與發展，當前各行各業都在進行數字化或信息化的建設，實際上都是天地信息一體化網絡中的部分子網絡或子系統。地理信息科學中最重要的原創性的成果是遙感信息模型與地理信息編碼模型。

隨著遙感信息的大量獲取，數學家以模式識別為工具對遙感信息進行圖像處理與分類，使用的數學工具主要是數理統計的方法，把遙感信息看成是沒有成因關系的隨機變量；物理學家則把獲取遙感的物理過程視為遙感信息的成因，因此采用反演的方法，使用輻射傳輸方程為主的數學工具，事實上不承認地理現象的不確定性；大多數地理學家將遙感信息當成系列成圖的基礎信息，快速、準確地制作系列地圖。地圖是符號系統，其信息量遠不可與遙感信息量比較，地圖學家把遙感信息轉化成符號系統的系列圖譜。遙感信息模型則是將地理復雜現象中的非遙感信息轉變為歸一化的影像信息，與遙感信息一起用方程、統計與相似準則結合，也即演繹邏輯、歸納邏輯與類比邏輯結合；確定性與不確定性（包括隨機的不確定性、模糊的不確定性、灰色的不確定性、分形的不確定性）辯證統一；圖像與方程（一個像元或一個圖斑、一個方程）耦合；抽象思維與形象思維互動而建立起來的一種地理復雜信息模型[7-9]。這種信息模型只有在遙感技術的推動下才有可能產生。這種信息模型是遙感信息與地理信息連接的紐帶。

地理信息系統本來就是為了制作地圖而創建的，因此地圖學家將從遙感中提取的系列地圖存入地理信息系統，是順理成章的。但是這種地理信息系統無論空間分析功能多么強大，也不可能進行模型計算，外掛、內嵌種種方式都不可能解決直接進行模型計算問題。系列地圖存入計算機的圖形庫時，信息又是冗余的，因此帶來一系列與計算機技術發展格格不入的疑難，最為典型的是數據挖掘，數據挖掘說明存在數據庫中的信息有冗余。遙感信息模型的運算要求地理信息系統可以直接進行模型計算，由此地理信息編碼模型應運而生[10,11]。傳統的地理信息系統以圖形的疊合(Overlay)為主；而能夠進行遙感信息模型運算的地理信息系統則以像元或圖斑中的多位編碼的抽取(Extract)為主。這又是完全相反的途徑。地理信息編碼模型還是地理定量信息與定性信息轉化的紐帶，也是地理信息系統中屬性庫與地理專家系統中知識庫聯系的橋梁。

總之，天地信息一體化網絡系統是開放的復雜巨系統，研究這個巨系統的地理信息科學的內容遠遠超過了3S(RemoteSensing,GlobalPositioningSystem,GeographicalInformationSystem)的范圍，而是以天地信息一體化網絡系統為核心的天—地—人—機系統。地理信息科學雖然是從屬于地理科學的技術科學，但是地理信息科學的誕生與發展是引領地理科學成長的核心力量，因此本刊更名時，將地理信息科學與地理科學相提并論，突出了地理信息科學的重要性。

3地理系統工程

地理系統工程當前尚未被廣泛認識，已經認識到的也僅僅是系統工程在地理學中的應用。當地理信息科學中的模型在實踐中應用時，必然會涉及地理系統工程的可操作性。地理遙感復雜信息模型的建立，可以進行定量預報和回溯，因此為地理系統工程打下了工程的基礎。國民經濟的主戰場主要包括人口、資源、生態、環境、災害、城鎮、基建、產業等8個方面，這8個方面是互動的。中國的人口問題、西部開發問題、21世紀水資源問題、能源問題、洪旱災害問題、環境問題、生態農業問題、城鎮體系問題、基建布局問題、產業結構動態調整問題以及相互之間的協調發展問題，無不屬于地理系統工程。

地理現象是復雜現象，地理系統是開放的復雜巨系統。當研究西部開發時，如果國家各個部門各行其是，石油開發只考慮石油開采與輸送管道；交通只考慮公路建設；鐵路只考慮鐵路建設；水利只考慮南水北調問題；城鎮建設只考慮城市規劃等，那么整體的西部地區有可能產生許多事倍功半的現象，例如修了公路沒有物資運輸；城市居民結構不盡合理；勞動力與產業結構不配套等。錢學森的社會主義總體設計部就是要把地理系統工程與政治文明建設、物質文明建設、精神文明建設系統地結合起來，地理系統工程僅是其中的一個子系統。而人口、資源、生態、環境、災害、城鎮、基建、產業是地理系統工程中的子系統。人口中的數量、素質、結構、分布是人口系統中的要素；資源中的礦產資源、水資源、生物資源、土資源、大氣資源等又是資源系統中的子系統；大氣環境、水環境、土環境、生物環境、地質環境是環境系統的子系統；交通、鐵路、航運、航空、供排水、供電、供氣、供暖、電訊、電視、計算機網絡是基礎建設系統的子系統等。系統嵌套系統，分層次子系統與交叉子系統，構成完整的、開放的、復雜的巨系統。

研究開放復雜巨系統的方法，首先是將系統分解為多層次的子系統，明確其中的交叉子系統；其次是從定性到定量地確定子系統中各個要素與指標體系；第三是根據指標（相似準則）建立模型進行預測預報；最后是檢驗該巨系統的效益與效率。當前大多數是分別研究人口、資源、生態、環境、災害、城鎮、基建、產業等子系統，在一個地區全面研究區域地理系統工程的有效實例不多，區域經濟地理的研究還遠遠夠不上地理系統工程。筆者曾在2000年底提出中國水資源、水災害、水環境、生產用水、生活用水統一解決的洪水充分利用，全國水系網絡化與渤海淡化的地理系統工程，中國科技報曾進行報道，之后筆者在“21世紀黃河系統工程方略”一文中進行闡述，首先所能進行的研究是虛擬地理系統工程。全國水系網絡化與渤海淡化是21世紀的世紀工程，尚需有識之士共識，廣泛地深入研究，進一步的論證。

如果沒有以高新技術武裝起來的地理信息科學的支撐，研究復雜的地理系統工程就是空想，然而所幸的是人們已經掌握了地理信息科學的許多關鍵技術，地理系統工程的實踐指日可待。

4理論地理科學

地理信息科學一方面可以進一步為地理系統工程提供研究方法與手段；另一方面又為理論地理科學提供技術基礎。從遙感信息模型發展到地理復雜信息模型再到地理數學[8]，為理論地理科學奠定了堅實的基礎。

理論地理科學中首要的是建立開放的復雜巨地理系統的理論；其次是地理類比的廣義相似理論[13]；第三是一般地理復雜模型理論與地理數學；第四是地理數學在部門地理—部門子地理系統工程與區域地理—區域地理系統工程中的應用。理論地理科學如果不能指導部門子地理系統工程的研究和區域地理系統工程的研究，那么就失去了理論意義。

如果沒有以高新技術武裝起來的地理信息科學的支撐，研究理論地理科學也是空想，然而所幸的是人們已經掌握了地理信息科學的許多關鍵技術，理論地理科學的建立指日可待。

5地理科學在可持續發展信息社會中的作用

地理學的發展經歷了“地理環境決定論”、“人類中心主義”，然后達到了地理科學的可持續發展的階段。地球上人類消耗的資源、能源是極其不平衡的，按照發達國家的水平，一個地球是滿足不了全人類的需求的。可持續發展只有在信息社會中才能實現，人類一方面需要依靠科學技術開發資源，如太陽能的利用，靠基因工程使綠色植被更多地利用太陽輻射，靠納米技術直接轉化太陽能為電能；另一方面是靠信息技術節省資源、能源，如天地信息一體化網絡系統就是信息社會的重要支柱之一，靠航天技術獲取外層空間信息源，靠計算機技術建立信息網絡。由此可見，地理信息科學在可持續發展信息社會中的作用[14]。隨著地理信息科學的發展，地理系統工程與理論地理科學的發展，將為國民經濟的主戰場做出重要的貢獻。

由上分析，可見地理科學與地理信息科學已經被廣泛共識，地理系統工程與理論地理科學的發展尚不夠充分，因此本刊更名為“地理與地理信息科學”是適時的，是既有繼承性又有發展性的；是既有前瞻性又有現實性的。在這里我們希望地理科學界的同仁，切不要輕視技術，高新技術恰恰是新理論、新應用的強大推動力。

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[11]馬藹乃.地理知識的形式化[A].地理科學與地理信息科學論[C].武漢，武漢出版社，2000.261-274.

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地理信息系統（Geographic Information System，GIS）是一種專門用于采集、存儲、管理、分析、和表達空間數據的信息系統。其既是表示、模擬現實空間世界和進行空間數據處理分析的“工具”，也可看作是人們用于解決空間問題的“資源”，同時還是一門關于空間信息處理分析的“科學技術”。

二、GIS的提出和迅速發展

50年代，由于電子計算機科學的興起和它在航空攝影測量與地圖制圖學中的應用，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的圖形和屬性數據，并希望通過計算機對數據的分析來直接為管理和決策服務，這樣就導致了地理信息系統的問世。

1956年，奧地利測繪部門首先利用電子計算機建立了地籍數據庫，隨后各國的土地測繪和管理部門都逐步發展土地信息系統（LIS），用于地籍管理。1963年，加拿大測量學家R.T.Tomlinson首先提出了地理信息系統這一術語，并建立了世界上第一個GIS—加拿大地理信息系統（CGIS），用于自然資源的管理和規劃。稍后，美國哈佛大學研究出SYMAP系統軟件。但是，由于當時計算機技術水平不高，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，地學分析功能極為簡單。當時的系統能實現手扶跟蹤數字化地圖，進行地圖數據的拓撲編輯，分幅數據的拼接，并發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的飛速發展，尤其是大容量存取設備—磁盤的使用，為空間數據的錄入、存貯、檢索和輸出提供了強有力的手段。用戶屏幕和圖形、圖像卡的發展增強了人機對話和高質量圖形顯示功能，促使GIS朝著實用方向迅速發展。一些發達國家先后建立了許多專業性的土地信息系統和地理信息系統。GIS這一技術成為一個引人注目的領域。

三、80年代的GIS—地理信息系統（Geographic Information System，GIS）

80年代是GIS在理論、方法和技術上取得突破與趨向成熟的階段。由于大規模和超大規模集成電路的問世，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備的出現，為計算機的普及應用創造了條件，加上計算機網絡的建立，使地理信息的傳輸效率得到極大的提高。另外，軟件開發工具的廣泛應用和數據庫技術的推廣，推動了GIS的數據處理能力、空間分析功能、人機交互對話、地圖的輸入、編輯和輸出技術的進一步發展，并逐步走向成熟。GIS的應用從解決基礎設施的規劃（如道路、輸電線等）轉向更加復雜的區域開發問題。當時，GIS已跨越國界，在全世界范圍內全面推廣，應用領域不斷擴大，并與衛星遙感技術結合，開始應用于全球性的問題（如全球變化、全球沙漠化監測等）。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發展的鞏固時期，那么80年代則是國際上GIS發展具有突破性的年代”。這個時期，GIS還保留有地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的含義和意思。

四、90年代的GIS—地理信息科學（Geographic Information Science，GIS）

地理信息系統技術的應用大大提高了人類處理和分析大量有關地球資源、環境、社會與經濟數據的能力，而地理信息系統技術及其應用的進一步發展則必須以地球信息機理理論為基礎。陳述彭院士在論述地理信息系統發展時強調了對于地球信息基礎理論的研究，并指出地球信息基礎理論的實質內容：地理信息系統已不僅僅限于物質流與能量流的信息載體，而且包括研究地學信息流程的動力學機理與時空特征、地學信息傳輸機理及其不確定性(多解)與可預見性等；并認為：Geo-Informatics不同于Geomatics，在于這個Info還包括很多地學規律，其分析模型必須以地學為基礎。

Goodchild于1992年提出地理信息科學(Geographic information Science)的概念。地理信息科學主要研究在應用計算機技術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，如數據的獲取和集成、分布式計算、地理信息的認知和表達、空間分析、地理信息基礎設施建設、地理數據的不確定性及其對于地理信息系統操作的影響、地理信息系統的社會實踐等。地理信息科學的提出是地理信息系統技術及應用發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來對地理信息進行可視化表達及其空間查詢，而強調地理信息系統的空間分析和模擬能力時產生的；它在注重地理信息技術發展的同時，還注意到了與地理數據、地理信息有關的其他一些理論問題，如地理數據的不確定性、地理信息的認知以及社會對于地理信息技術運用于實踐的認可等。由此可見，地理信息科學在地理信息技術研究的同時，還指出了對于支撐地理信息技術發展的基礎理論研究的重要性。 世紀之交，由于地理信息系統的應用日益廣泛，加上航空和航天遙感、全球定位系統、數字網絡(Internet)和地理信息系統等現代信息技術的發展及其相互間的滲透和整合，逐漸形成了以地理信息系統為核心的地球空間信息集成化技術系統，為解決區域范圍更廣、復雜性更高的現代地學問題提供了新的分析方法和技術保證；同時，這些現代信息技術的綜合發展及其應用的日益深廣，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科“地理信息科學”的脫穎而出。這個時期，GIS己經漸變地含有地理信息科學（Geographic Information Science，GIS）的含義和意思。

五、現在的GIS—地理信息服務(Geographic Information Service，GIS)

近年來，隨著地理信息產業的建立和地球數字化產品的普及應用，GIS的發展進入到各行各業乃至各家各戶的用戶時代，成為人們生產、生活、學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，地理信息系統已成為許多機構（特別是政府決策部門）必備的工作和決策咨詢系統。國家級乃至全球級的地理信息系統已成為公眾關注的問題，地理信息系統已被列入“信息高速公路”計劃，也是美國前副總統戈爾提出的“數字地球”戰略的重要組成部分。地理信息系統的研究和應用正逐步形成行業，具備了走向產業化的條件。

近來，個人數字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、移動電話的普及給新的應用創造了許多機會。這樣的應用有流動工作人員和基于位置服務。流動工作人員，顧名思義，他們工作在遠程位置，如客戶處、分公司或者野外現場。這些工作人員經常要為完成某項任務下載一段所需的數據，在遠端使用這段數據，然后在每天工作結束的時候將改動更新（同步地）到主數據庫上。這種場景的一個重要方面是：客戶端保留有數據，并以離線方式在本地對數據進行操作。基于位置服務的使用是近年來出現的一個重要趨勢，這類服務徹底改變了對用戶地理位置的依賴。隨著全球定位系統（GPS）的應用，可以很容易確定任何一個客戶/使用者的精確位置，并根據用戶的地理位置提出最佳解決方案。基于位置服務的影響和重要性促使開放GIS協會（Open GIS Consortium，OGC）提出了開放位置服務（Open Location Service，OpenLS），希望能夠將地理空間數據和地理操作的資源集成到位置服務和電信基礎設施中去。美國聯邦政府已于2001年10月頒布了規定：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，對于空間技術的需求卻在不斷增長。位置服務（Location Based Service，LBS）的巨大魅力在于通過固定或移動網絡發送GIS功能和基于位置信息，從而在任何時間應用到任何人、任何位置和任何設備上。當前，LBS已成為科學研究、技術發展和市場開拓領域共同的熱點話題。此時，GIS已朝著地理信息服務(Geographic Information Service，GIS)的方向發展。

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地理科學是相對傳統的專業，除了部分重點大學在該專業上重點培養地理科學基礎研究人才，一般院校的地理科學多為師范類專業，主要培養現代地理科學基礎理論扎實、基本知識全面、基本技能熟練，教學能力，適應現代地理教學發展需要，能在高等院校和中等學校從事地理教學、教學研究和其他教育工作，也能在科研機構、相關管理部門和企業從事科研、管理、規劃與開發的高素質復合型專人才。地理科學的主干學科是地理學和教育學，核心知識領域是天文學、地質學、自然地理學、人文地理學、區域地理學、3S（遙感、地理信息系統、全球定位系統）技術、地理教學論。通過自然地理野外實習、人文地理野外實習、地理教學實習等主要實踐環節，要求學生掌握地理科學的基本理論、基本知識和基本技能。

與地理科學類其他三門專業相比，地理科學是一門能夠讓學生全面掌握地理科學知識、理論和技能的專業。該專業的全面性在畢業生的工作中也能體現出來，比如學生畢業后可以成為一名稱職的專業地理教師，或是從事地區綜合分析研究的專業人士，抑或是城市區域規劃旅游規劃的專才等。當然，對旅游有興趣的畢業生完全可以成為一名職業的旅行家，至少可以是旅游咨詢師或旅游體驗師！

自然地理與資源環境

自然地理與資源環境是從資源環境與城鄉規劃管理這門專業拆分而來的，主要培養具備自然地理與資源環境的基本理論、知識和技能，具有一定的開展科學研究的能力，立足于地球表層特征及其變化、自然資源管理、環境保護，能在科研教育單位、相關政府部門、企事業單位從事自然地理過程、環境變化研究和資源管理、環境保護或應用的高素質復合型科技專門人才。自然地理與資源環境的主干學科是地理學和環境學，核心知識領域為自然地理學類、資源類、環境類、地圖與測量學類、數學與信息類。通過地質學基礎野外實習、自然地理野外實習、專業綜合實習或區域地理綜合實習等實踐環節，要求學生能夠掌握自然地理與資源環境領域的基本理論、基本知識和基本技能。學生畢業后能從事國土資源整冶、自然資源開發利用與規劃管理、環境保護與治理、生態環境規劃以及城市規劃與管理等方面的科研及管理工作。

國內開設自然地理與資源環境的學校較多，專業的培養方向自然大不相同。高考生如果對自然資源、環境檢測保護、土地資源、房地產等情有獨鐘，應該在填報志愿前了解一下欲報考院校的該專業的實際培養方向，比如南京大學該專業偏向于土地、旅游、水、海洋等資源的開發利用、規劃保護管理；中山大學該專業專于水資源和供排水規劃設計；中國礦業大學該專業的培養方向分為數字城市規劃與管理、資源環境與計算機應用；廣州大學該專業的研究重點是國土資源。

人文地理與城鄉規劃

人文地理與城鄉規劃是以人口、資源、環境與區域可持續發展的研究、應用、管理為內容的基礎性與應用性相結合的專業，涉及地理科學、人文科學、城鄉建設規劃、地理信息系統等多個領域。它培養具備人文地理學與城鄉規劃管理的基本理論、知識和技能，立足于宏觀、中觀區域規劃和土地管理，從事城鄉建設與區域經濟發展規劃的研究、教學、開發或應用的高素質復合型專業人才。人文地理與城鄉規劃的主干學科是地理學、規劃類，核心知識領域為地理學類、數學與信息類、規劃類、管理類、環境類。通過專業綜合實習、人文地理野外實習、區域地理野外綜合實習、城市規劃實務與圖件設計綜合實習等主要實踐性教學，要求學生掌握人文地理與城鄉規劃的基本理論，基本知識和基本技能。畢業生就業方向為各級政府規劃管理部門、國土管理部門、環境保護部門、建設部門，從事規劃設計、國土資源評價及資源信息化管理、環境評價及管理等方面的公司及研究機構。也可進一步深造，報考地理學、城鄉規劃和區域規劃、土地利用規劃和管理等學科碩士研究生。

與自然地理與資源環境類似，除了傳統設有地理系的大學開設人文地理與城鄉規劃，諸如南京郵電大學、浙江工商大學等都有開設，但是考生要注意各個學校該專業的培養方向。一般來說，設有地理系的大學該專業的師資較強，如北京大學、中山大學專于經濟地理學、城市與區域規劃；華東師范大學偏于城市與區域規劃管理；廣州大學的方向則是不動產分析與管理、區域物流規劃設計等。

地理信息科學

地理信息科學是一門集地理學、計算機技術、地圖學、遙感技術于一體的交叉學科，是研究地理信息采集、分析、存儲、顯示、管理、傳播與應用的一門科學。地理信息科學實用價值巨大，已經廣泛地應用于城市規劃、交通規劃、自然資源開發與保護、環境監測與保護、城市水煤氣電的基礎設施網絡監測與管理、自然災害監測和預防等領域，是信息產業的重要組成部分。地理信息系統的各種優勢使其全面地應用于國民經濟的各個部門，滲透到公眾生活中的各個方面，深刻影響著人們獲取信息的能力和方式，例如，大家現在手機使用的高德地圖、百度地圖等。此外，微博、微信、大眾點評等手機應用軟件都廣泛采用GIS技術 。

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資源環境與城鄉規劃管理專業是1998年教育部根據社會經濟發展的需要和學科發展的形勢而設立的專業，發展至今，出現專業定位模糊，廣度大深度小，就業競爭力受限等諸多尷尬問題[1]。2012年，教育部第四次修訂《普通高等學校本科專業目錄》（下簡稱《目錄》），原資源環境與城鄉規劃管理專業被拆分為人文地理與城鄉規劃、自然地理與資源環境兩個專業。2013年，人文地理與城鄉規劃專業招收第一屆本科生。該專業教育在國內剛剛起步，探索人才培養方法還是一個嶄新的課題。

南京郵電大學的人文地理與城鄉規劃專業，除同樣面臨新專業設置之初的機遇與挑戰外，還有其獨特的發展背景。2013年10月，經江蘇省政府研究并報教育部批準，南京郵電大學、南京人口管理干部學院實行合并辦學，組建新的南京郵電大學。在此之前，資源環境與城鄉規劃管理專業是南京人口管理干部學院特色專業之一，2002年開始招生，已有11年的辦學歷史，并已形成學歷結構、職稱結構合理，涵蓋地理學、規劃學、人口學等專業方向的教學科研團隊。2013年，根據《目錄》（2012版）要求，該專業開始

轉型，招收人文地理與城鄉規劃

專業第一屆本科生。合校前后，專業所依托的院校學科基礎全然不同，依據新南郵的學科特色構建專業培養體系成為專業發展必須認真研究的課題。

文章從教育部的專業導向、人才市場需求兩方面梳理人文地理與城鄉規劃專業基礎定位。結合南京郵電大學自身特色，以大數據時代智慧城市的建設與應用要求為導向，尋求信息科學與地理學、規劃學的結合點，并據此提出以信息科學應用為特色的人文地理與城鄉規劃專業課程體系構建原則與核心框架。

一、人文地理與城鄉規劃專業定位基本要求

人文地理與城鄉規劃專業基礎定位應重點考慮兩方面要素：一是教育部設置該專業的目標與要求，二是社會對專業人才的需求。

（一）專業設置導向

地理學和城鄉規劃專業是我國城鄉規劃人才培養的兩大主要來源[2]。前者以南京大學、中山大學、北京大學、華東師范大學等傳統地理強校為代表，主攻宏觀層面規劃，擅長理論探索、機理剖析與經濟社會綜合分析；后者以清華大學、東南大學、天津大學等建筑學老八校建筑老八校指之初最早開設建筑學、城市規劃相關專業的八所高校，包括清華大學、東南大學、同濟大學、天津大學、華南理工大學、重慶建筑大學（已并入重慶大學）、哈爾濱建筑大學（已并入哈爾濱工業大學）和西安建筑科技大學。

為代表，主攻微觀層面規劃，擅長空間設計與形體表達。兩者各具特色，各有專攻。

1998版《目錄》中涉及城鄉規劃的專業有地理科學類下屬的“資源環境與城鄉規劃管理”和土建類下屬的“城市規劃”。這一專業設置與上述兩大源頭相對應。2012年《目錄》調整，城鄉規劃相關專業仍為兩個，一是地理科學類下屬的“人文地理與城鄉規劃”，二是建筑類下屬的“城鄉規劃”。與1998版《目錄》相比，保留了地理、建筑兩個學科門類下的城鄉規劃相關專業設置，但將原資源環境與城鄉規劃管理專業拆分為人文地理與城鄉規劃、自然地理與資源環境兩專業。結合2012版《普通高等學校本科專業介紹》（見表1）不難發現，教育部認可并引導地理學、建筑學下兩規劃專業各自特色發展。地理學下屬的人文地理與城鄉規劃專業，應區別于工學下屬的城鄉規劃專業，做到強化主線，收縮口徑，夯實基礎，對口應用——立足宏觀、中觀區域層面，以地理學理論為基礎，強化綜合分析能力培養。（二）人才應用需求

教育部為人文地理與城鄉規劃專業設置的發展導向是否適應市場對規劃類人才的需求，是專業定位必須要論證的第二重標準。

如將城鄉規劃系統細分，可分為規劃編制與規劃管理兩個方面。僅就規劃管理來說，地理學專業背景的規劃工作者往往具有相對綜合的專業知識儲備和縝密嚴謹的邏輯思維能力，具備作為管理者的全局意識與綜合協調能力。

規劃編制工作又可分為宏觀、中觀、微觀等不同的區域尺度層面。具有地理學專業背景的規劃工作者擅長區域分析與經濟、社會綜合分析，在區域規劃、城市總體規劃等宏觀層面規劃中發揮核心作用并承擔大部分工作，在控制性詳細規劃這一中觀尺度規劃工作中也能發揮重要作用。

針對具體某項規劃工作，其工作流程又可劃分為規劃分析、規劃方案與成果表達三個步驟。在成果表達的制圖工作中，地理學背景規劃工作者確有一定劣勢。但在規劃分析和方案設計階段，地理學背景規劃工作者發揮的作用與建筑學背景規劃工作者旗鼓相當。

綜上，地理學背景規劃工作者往往具有系統全面的知識儲備和突出的綜合分析能力，在各類規劃工作中發揮重要作用（見圖1），不可或缺。強化地理學基礎、重視機理分析能力培養的人文地理與城鄉規劃專業人才培養要求也完全符合市場對專業人才的實際需求。

二、信息科學與地理學、規劃學學科融合的理論與實踐基礎

（一）地理信息系統的規劃應用

地理信息系統科學是地理學中的重要分支，作為空間科學與信息科學的重要結合點，技術發展與應用已較為成熟。與CAD等繪圖軟件相比，GIS（地理信息系統）工具的特點與優勢在于空間數據的組織、管理與分析，能夠有效管理和處理海量數據，關聯空間數據和屬性數據。某種程度上可認為是繪圖軟件與統計分析軟件的集成。

在美國，GIS已成為專業規劃師的標準工具，脫離GIS的規劃編制、規劃管理幾乎不存在，GIS用于地圖處理、規劃管理、分析與決策支持、公眾參與等方面[3]。在我國，GIS在規劃領域的應用相對有限& mdash;—在規劃管理系統的設計構建中應用廣泛，在規劃編制中應用較為粗淺，主要用于自然地理環境要素分析與公共服務設施、基礎設施的規劃選址分析。規劃工作者如能全面掌握地理信息系統原理及其軟件的規劃領域系統應用，則能順應這一趨勢，在規劃工作中更好地發揮作用。

（二）大數據時代海量空間數據的獲取與處理

與發展成熟但應用不足的地理信息系統分析方法相比，大數據時代空間數據獲取與應用則呈現出海量數據、先進技術與跨學科創新思維三大特征《大數據時代——生活、工作與思維的大變革》中指出，數據本身、技能與思維是大數據價值鏈的三個構成。 。

隨著信息網絡的迅速發展，百度、谷歌等搜索引擎，阿里、京東、亞馬遜等電子商務公司與騰訊等網絡服務運營商掌握海量用戶數據。隨著智慧城市理論的興起與“物聯網”的建設，行政管理機構也將成為大數據的掌控者。海量數據如何提升城鄉規劃的科學性與適用性，大數據如何為規劃所用，相關研究也陸續展開。

國內外有學者通過挖掘網絡數據、居民行為數據，對居民時空行為、城市空間與城市等級體系進行研究[4]。如以百度指數為依據對比分析城市間聯系強度[5]，通過微博數據挖掘分析網絡社會空間特征[6]等。空間數據的采集與分析已從利用單一GIS 軟件向多種信息設備相結合的階段轉變[4]。

針對智慧城市的建設熱潮，國內有學者積極開展現行規劃體系的“智慧”響應探索，提出在區域城鎮體系規劃、城鎮總體規劃及詳細規劃三大層次的規劃建設中應用智慧城市數據信息、融入智慧城市建設理念的思路與要點[7]。如城鎮體系規劃層次借由新信息技術強大的數據分析能力充分挖掘區域內各城市優勢發展的方向與重點，城市總體規劃層次應考慮采取合適的路網形式，合理規劃智慧交通基礎設施等。

這一背景要求規劃工作者不斷學習新的數據獲取與挖掘方法，探索并掌握大數據規劃應用的方式途徑。

三、以信息科學應用為特色的人文地理與城鄉規劃專業課程體系構建

（一）基本原則

南京郵電大學的人文地理與城鄉規劃專業發展，應在滿足專業基礎定位要求的同時，結合院校優勢學科——信息科學、地理學、規劃學三者的交叉領域，以地理學、規劃學為基礎，以信息科學應用為特色。其課程體系構建應遵循夯實地理學基礎、圍繞規劃應用主線、突出空間信息挖掘與分析能力培養的原則。

1.夯實地理學基礎

地理學基礎理論、方法與分析能力的培養是人文地理與城鄉規劃專業區別于工學下屬城鄉規劃專業的核心內容，體現專業定位的基本要求。通過基礎必修課程學習，了解地理學基礎理論框架與范疇、邊界與特色，掌握學科基本概念、理論與方法，是專業人才培養的根基。課程設置中，自然地理學、經濟地理學、人文地理學等地理學基礎課程必不可少。

2.突出空間信息挖掘與分析特色

大數據時代，應強化網絡數據挖掘與信息設備數據采集、大數據分析等理論方法的學習與能力培養。為此，應以數學、計算機、網絡等知識系統強化為基礎，通過設置地理信息系統、數據庫技術與應用、數理統計應用等與地理、空間規劃相關的信息技術類課程，培養學生的空間數據獲取與分析能力。

3.圍繞規劃應用主線

無論是地理學基礎分析能力的培養還是空間數據獲取與分析能力的訓練，最終應落實到進行空間分析、指導空間規劃上來。城鄉規劃應用是專業教育知識體系構建的主線，相關課程設置與能力培養都應圍繞這一主線展開。因此，城鄉規劃基礎知識的全面系統掌握對于夯實專業的基礎定位至關重要。為使學生對城鄉規劃領域基本概念、理論、研究方法等有相對全面系統的認識，城市規劃原理、城鄉規劃學導論等應作為專業基礎課程設置。

（二）課程體系框架設計

以上述原則為依據，結合南京郵電大學學科設置特色與要求，初步設定人文地理與城鄉規劃專業核心課程體系。該體系包含專業基本知識、專業特色知識兩大模塊，從通識教育、專業教育兩個層面設置課程（見圖2）。其中，專業基本知識模塊強化地理學、規劃學基礎理論與方法的學習，專業特色知識模塊突出空間信息獲取與分析特色技術應用能力的培養。

通識教育層面，設置高等數學、高級語言程序設計、數據庫技術與應用、概率論與數理統計等課程。除高等數學外，其他課程均為學校特色公共基礎課程。此類課程為培養空間數據獲取與分析能力奠定了扎實的數理基礎。

專業教育層面，將自然地理學、經濟地理學、人文地理學、城市規劃原理、城鄉規劃學導論、地理信息系統原理等全面系統介紹學科基礎理論、概念、方法的課程設置為專業基礎課程，將城市地理學、計量地理學、人口地理學、城市總體規劃、村鎮規劃、網絡地理信息系統、計算機輔助設計等深入介紹分支學科發展及強化實踐應用的課程設定為專業課程。

這一課程體系僅就專業核心課程進行設定。在核心課程之外，可根據需求選擇性設置地圖學、城市經濟學、城市社會學、社會調研方法等輔助課程，有助于學生全面系統掌握專業分析研究方法。具體課程體系建設中，還需針對課程設置順序、各學期學時與學分安排、實踐教學環節設計、教學大綱編寫等深入研究。

四、結語

目前在人文地理、城鄉規劃的研究與實踐領域，空間信息采集、挖掘與分析技術應用相對粗淺，存在領域狹小，工具單一，深度不足等問題。但隨著大數據時代生活、工作方式的變革與智慧城市建設的深化，基于大數據應用的空間分析思維與技術必將在規劃領域發揮重要作用。面向應用的人才培養，應考慮增加信息類課程的設置以迎接大數據時代海量數據分析應用的挑戰，而信息技術類專業，應針對不同領域的需求，增補相應領域的基礎知識課程。如面向智慧城市建設應用的信息技術類專業人才，應對規劃原理、規劃基本分析方法等城鄉規劃領域基礎知識有所了解。

上述背景下，文章結合人文地理與城鄉規劃專業的發展定位和信息技術的學科優勢，提出專業課程體系構建原則，為后續學校本專業培養方案設置擬定思路，并為其他院校該專業發展提供借鑒。

參考文獻：

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[2]陳昆 侖，李 丹，王 旭. 學科調整背景下人文地理與城鄉規劃專業的機遇與發展[J].高等建筑教育，2013，22（6）：22-25.

[3]宋小冬，鈕心毅.城市規劃中GIS應用歷程與趨勢——中美差異及展望[J].城市規劃，2010（10）：23-29.

[4]秦 蕭，等. 大數據時代城市時空間行為研究方法[J].地理科學進展，2013（9）：1352-1361.

[5]熊麗芳，等. 基于百度指數的長三角核心區城市網絡特征研究[J].經濟地理，2013（7）：67-73.

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2．1空間數據獲取西準噶爾地區位于西伯利亞板塊與準噶爾板塊的碰撞帶，屬于古生代殘余洋盆的后碰撞花崗巖類［6］。確定該區的范圍，掃描其紙質地質底圖和地理底圖，在ArcCatalog中建立空間數據庫，將底圖配準后通過ArcScan自動矢量化或者手工矢量化，得到該區的地質、地理底圖的矢量數據。經過拓撲檢查后以點、線、面的形式存儲（圖略）。

2．2屬性數據關聯空間數據庫中的每個要素類都有各自的描述，主要通過要素類名稱、空間數據類型（點、線、面）、數據類型、數據存儲長度、約束條件、數據項描述等進行描述與定義（表略），為數據加載做準備［7］。屬性數據以傳統數據庫方式存貯和管理，并通過公共字段與各要素進行關聯，使點、線、面不再僅僅是傳統意義上的圖元單位，而具有地質特征描述內容［8］

2．3圖例制作圖例是地圖的語言體系［9］，集中體現了制圖者對客觀事物本質的認識，以及對這種本質的分類思想和分類體系。在以往的圖例繪制中，人們只關注規范化表達。傳統紙質圖時代的圖例采用人工手繪來實現，由于人的主觀判斷和繪圖工具的誤差，會導致線條粗細不勻、符號大小不一，無法完全實現圖例的規范化表達［10］。同時，作為傳統地質圖整飾內容的一部分，圖例是一種機械的“排列”，與圖件主體部分并沒有有機的聯系，僅是單純的視覺表達，實現了認知表達中的符號層，而概念層仍然隱式地停留在人的大腦中。Fishnet是ArcGIS平臺下的一種空間分析工具，相當于圖形化的Excel。它可以自由定義的基本單元格的大小，并對其賦予屬性。利用Fishnet制作圖例，不僅可以實現符號的標準化表達，更重要的是，它是在數據庫中管理符號和數據，可以隨時修改或查詢［11］。

2．4STYLE匹配將Fishnet中的圖例存儲為Style，或者將整個要素調用Savetolayers命令存成Layer。調用Proper－ties中的MatchtoSymbolsinastyle，用Layer與圖件主體中要素的相同字段進行匹配，或者用Style直接進行匹配，實現圖件的自動符號化。在匹配時，如果按照一對一的方式進行，會產生很大的工作量。比如，不同時代的侵入巖很多，若采用一對一匹配，那每個時代（設有M個）的每一種侵入巖（設有N個）都要有相應的符號（CMN）。但是如果采用多字段來描述同一個地質體，采用多對一的方式，只需要制作時代的符號和侵入巖的符號（M＋N）。在制作圖面內容較多的地質圖時，這一方法將會大大提高效率，而且對于數據的分類尤為便捷（圖略）

2．5整飾成圖在layout視圖下，調整圖面大小、位置，添加圖名、比例尺、指北針、經緯網、責任欄等整飾要素。圖例可以以圖片形式添加，或者以數據窗口的形式添加。

3基于地理信息科學制圖的優勢

從地理信息科學的視角出發，地理信息系統就成為地理信息科學應用的一個環節［2］，這就使制圖不僅具有所有數字制圖的優勢，如方便攜帶、易修改、易復制、易整飾，存在嚴格的拓撲關系，不受比例尺的限制，具有良好的現勢性及動態性［12］，更能體現以信息科學為基礎的優勢，使圖元單位與地質實體之間建立起有機聯系，使隱式存在于人腦中的語義顯式地表達出來，實現信息的查詢、新圖件的生成、空間數據分析等優勢。

3．1信息查詢傳統紙質圖和數字制圖只是對紙質地質圖的數字復制，不具有信息查詢的功能。比如，若想了解西準噶爾地區泥盆紀地層分布情況，在傳統圖件中，你只能通過讀圖例在圖上圈出泥盆紀的地層。不僅費時，而且導致圖面內容更加復雜，極易出錯。基于信息科學制圖是運用數據庫儲存數據，圖面與數據關聯，因此信息查詢很容易實現：打開屬性數據表，在查找中輸入“D＊”（其中＊代表D的任一組），在屬性數據表中屬于D的所有地層就會被選擇出來。相應地，在圖上所有泥盆系的地層也會特別標識，這樣西準噶爾地區泥盆系的地層分布就一目了然。如果需要查詢泥盆紀侵入巖分布，則將相關字段相加再進行查詢。

3．2圖件派生在傳統紙質圖和數字制圖中，圖面一旦固定，再做任何修改或派生圖件都是一件費時費力的事情，相當于重新制作。但基于信息科學思想成圖不是一幅圖件的終結，而是生成新的圖件的渠道［13］。比如要制作西準噶爾地區侵入巖分布圖。在西準噶爾地區地質圖的基礎上，通過查詢“巖性大類”挑選出該區侵入巖數據，導出選擇的侵入巖圖層，或者在原圖上刪掉其他不相關數據或讓其他數據不顯示，調整圖面大小、圖名、圖例、比例尺等整飾要素，一幅新的派生圖件就完成了。

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“地圖學”課程實驗教學對于鞏固理論知識的學習，強化對理論知識的理解與應用，提高實際動手操作能力以及分析問題和解決問題的能力，進而培養初步的科研創新能力具有重要作用。因此，如何利用有限的實驗教學課時達到培養技能和提高能力的目的，是實驗教學環節需要著重考慮的問題［8］。1．結合教學目標，精選適宜的實驗內容按照課堂教學與實驗教學有機結合的原則，從知識點的系統性和整體性出發，并注意與GIS課程實習內容的差別，對理論知識和實驗內容進行科學的分析和整合，確定實驗教學內容，見表3［9］。表3中實驗1、2借助多媒體完成;實驗3、4、5借助計算機利用MapInfo軟件完成。2．結合先進教學理念，巧妙設計實驗教學方法在實驗教學中，對于基礎性內容，采用傳輸型教學模式與自主式教學模式相結合的方法。如地圖的設色，課堂上通過大量閱讀紙質和電子地圖，結合教師的講解，增強對地圖色彩的感性認識;課下結合相關的內容搜集素材，自主完成地圖的手工設色。對于理論知識在GIS系統中應用的內容，結合研究型教學模式，創設類似于科學研究的教學氛圍，引導學生自主地發現問題、分析問題和解決問題，逐步完成整個實驗內容［10］。如專題地圖編制所涉及內容，設計大型實驗，要求學生根據自己的知識積累搜集資料，撰寫地圖編制設計書，使用MapInfo軟件完成整個專題圖的制作。

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中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）11-0171-03

Curriculum Revolution Research of University Physical Geography Based on Case and Practice――Taking Anhui Science and Technology University as an Example

Zhang Zhenguo1 et al.

（College of Resources and Environment，Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China）

Abstract：The curriculum revolution improved the curriculum content and increased practice cases according to carding content system of physical geography and its evolution. Teaching effect is improved significantly according to case and practice oriented curriculum revolution.

Key words：Physical geography；Case；Practice；Curriculum revolution

自然地理學是研究自然地理環境的組成、結構、功能、動態及其空間分異規律的學科，它既是地理學的重要分支，又是信息科學群的重要基礎內容，是一門極具應用性和現實性的學科[1]。在地理信息系統（GIS）、遙感（RS）、全球定位系統（GPS）等信息技術飛速發展的形勢下，我國自然地理學的學科建設、理論體系架構以及內容體系也需進一步改進與完善，以有效地促進自然地理學的內容體系、科學化、信息化，并推進對現實環境各類問題的認識的不斷深化。

自然地理學是安徽科技學院資源與環境學院地理信息科學專業大學本科的專業基礎課程。隨著自然地理學理論的不斷發展，新技術的不斷出現，教學方法的不斷改進，人才培養層次和水平不斷提高，要求自然地理學教學需要承擔增強學生的理論水平，同時要鍛煉學生分析問題解決問題的能力和達到為社會不斷輸送理論水平高、工作能力強、品學兼優的“技術+管理”復合型專門人才的教學目標。因此，嘗試對自然地理學課程內容體系、教學方法與手段、實踐教學等方面進行改革與探索十分必要。為解決本科生學習自然地理學過程中存在的實際困難與問題，提高自然地理學課程教學效果，促進自然地理學與其專業課程的融合，筆者以滿足學生需要與實現培養目標為出發點，嘗試進行了以案例和實踐為導向的自然地理學課程改革研究。

1 研究方法

為提高《自然地理學》課程教學質量，促進學生對自然地理學基本原理及應用自然地理學解決實際問題能力的提高，進一步完善學生的知識結構，本課題研究遵循現狀分析―文獻梳理―資料收集―分析問題―案例、實踐的課程改革―解決問題的研究思路（圖1）。本研究主要應用比較分析法、文獻檢索、專家咨詢法、調研法等方法。“現行自然地理學內容體系及教學中存在的問題分析”部分，在構建指標體系基礎上，采用調研與深度訪談方式來獲取數據，采用比較分析法比較不同發展時期自然地理學的主要內容以及不同國家和地區的《自然地理學》著作內容體系。在“教學方法與教學內容的改革優化”部分，則主要以訪談與個案調查方法的研究結論為依據，采用系統分析與個案研究相結合，宏觀分析與微觀分析相結合，規范分析與實證分析相結合，加強自然地理學的教學研究對教學內容進行優化設計。

2 研究現狀

2.1 關于自然地理學研究內容體系 自然地理學與地理信息、土地管理、區域規劃等課程內容有諸多交錯，在有限的教學時間內需要把握重點、合理取舍，自然地理學的主要研究內容包括研究某一區域內地質、地貌、土壤、植被、夂頡⑺文等要素的結構、功能、物質遷移、動態演變以及地域分異規律。通過與其他課程有效整合后，將“自然地理概念”、“自然地理結構”、“區域自然及地域分異規律”、“土壤污染”、“氣候變化”、“植被分類”、“空間分布體系”作為自然地理學教學的重點。

2.2 自然地理學課程實踐教學模式的改革研究 通過課程討論和實地調查的方式來提高學生對自然地理研究的認識水平以及分析問題、解決問題的能力，強調學生對教學的參與性，對于提高學生的學習積極性十分重要，并具有引導作用。過去我國自然地理學研究引用國外的理論較多，但由于國情不同，經濟發展階段不同，所以內容出現理論與實踐脫節的現象。在進行理論講解的同時，增加實踐教學內容，有利于提高學生分析問題、解決問題的能力。也有學者提出構筑面向本專業全體學生的“授課―模擬―調查”的實踐平臺[2]，結合自然地理學課程的特點與講授內容，以地統計學理論解釋地域分異等問題，創新提出自己的觀點和想法。

2.3 自然地理學課程教學方法與手段的改革研究 有學者提出在教學過程中利用多媒體教學手段，采用“案例式”、“啟發引導式”、“討論式”和“自助式”等教學方法，同時改變傳統的考核方式，以適應新的教學改革[3]。其中，以“討論式”教學法能夠拓寬學生的知識視野，加強理論與實踐的聯系，增強學生的創新意識和創新能力。也有專家提出綜合運用典型案例分析、課堂討論、啟發引導式提問、自助式課下學習等多種教學方式方法[4]；采用傳統教學與現代多媒體技術相結合的教學手段；通過以實際調查為核心的綜合實習制度的實施，搭建培養優秀復合型人才的教學平臺。

2.4 自然地理學課程教學內容的改革研究 有學者強調以先進性、創新性教學理念和適應性、引領性原則改革課程教學內容[5]；以寬厚的地學背景和艱苦樸素、求真務實的精神為依托，重視專業理論水平和實踐能力的培養，強化創新思維、創新能力的激發，造就“技術+管理”復合型人才。本著“先進性”和“創新性”的教學理念，設計與改革課程內容。

縱觀自然地理學教改研究現狀，從研究內容、教學方法、模式、教學內容等角度均提出了一些針對性的建議，但也存在一些不足：一是對于現階段學習自然地理學的導向、目標沒有進行清晰的界定；二是對自然地理學教學中存在的問題，往往是基于現狀的定性歸納總結，缺少當前各地熱點研究問題解決的鮮活案例及實踐經驗支持；三是研究方法大多為定性分析，定量研究較少，未能為研究結論提供良好的方法支撐；四是對實踐和案例式教學多為設想及建議，沒有充分試驗進行驗證。

3 課程改革

3.1 現行自然地理學內容體系及教學中存在的問題分析 首先，從自然地理學課程體系、學生先修課程、教學方法等幾個方面制定評價教學效果的三級指標體系，對安徽科技學院已修自然地理學學生或畢業進行抽樣調查，全方位了解自然地理學課程的教學效果、存在的問題及原因。其次，對國內自然地理學任課教師和教學專家采取深度訪談的方式，從學科專家和授課教師角度了解該課程教學中存在的困難分析其原因。對自然地理學課程現行教學內容及教學中存在的問題進行了歸納分析。

3.2 培養目標設定與自然地理學課程改革設計 針對調查反映的問題，結合本科教學大綱對學生培養目標等基本要求，從以下步驟對現行自然地理學課程體系進行了優化。首先，培養對象基本情況分析，主要包括培養對象專業基礎、先修課程的學習及學生知識結構等多個方面，以達到明確培養對象基本情況的目的。其次，在明確學生基本情況基礎上，以專業的培養要求和社會實踐的應用能力為導向制定該課程的教學目標，即在保證學生掌握基本知識的同時，滿足地理信息科學專業對自然地理學的現實要求，并培養提高學生對自然地理學學以致用的能力。

3.3 自然地理學課程教學內容與教學方法的改革優化 結合前期調研結果分析，以及進一步的訪談結果為依據，以課程體系的培養目的、目標為準則，確定匹配的教學內容及與之適應的教學方法。首先，建設“相關人物”檔案庫：由于課程內容所限，學生無法全面了解有關知識，為了使學生全面系統地了解自然地理學發展情況，在緒論教學中都增加了相關人物的詳細材料。其次，建立一套詳細的“文獻解讀”：為了讓學生了解自然地理學相應領域的觀點和理論，選取一些重要的參考文獻，并由老師進行點評和分析，以便學生更好地理解。再次，建立一系列的“學生學習記錄”：包括照片、錄像、演講及討論記錄，以便更好地總結學生對該課程學習的有效途徑。最后，根據對自然地理的基本知識、基本概念、典型案例、綜合應用、前沿專題、熱點問題等內容更新，結合現階段我國自然地理問題特點和解決要求，補充全國及區域地理問題案例。

3.4 實踐教學改革 打造調查研究的平臺，拓展發現問題視野的實踐教學，在自然地理學教學中有著重要的地位與作用。為學生營造研究氣氛，挖掘研究問題的潛力，發揮分析問題、解決問題的主觀能動性，豐富教學內容，與課堂教學形成互補、互促的態勢，學生對該課程的學習由被動轉為主動，可以整體提高課程的學習水平。學生能運用課堂理論結合地理信息科學專業特點設計調查研究路徑。如土壤一章中“關于地力評價的調查研究方法”，學生設計出按照“隨機選點，輻射擴散”的調查研究方法，即采用空間分析的方法，滿足采樣點的需求，然后插值獲取該地地力等級的評價（圖2）。

另如，講解地理區劃章節時，可給學生提供不同的地圖數據資料，鼓勵學生采用地理信息科學專業知識，通過繪制地形圖、專題地理圖等圖幅加強學生對地理事物的空間位置、形態及其分布范圍、分布特征、分布規律等認識。指導學生讀圖、識圖，然后再進一步分析該圖所反映地理事物的位置、數量、大小、分布范圍、分布規律、特征和地理事物間的相互關系及其影響，以培養學生對現實問題的理解、認識并探討解決路徑的能力。圖3為學生所做淮河流域位置圖。

3.5 分析總結 主要就上述調研結果、實踐教學內容及教學方法優化、案例式教學進行了歸納總結，指出研究中存在的不足和改進方向，并根據自然地理的基本知識、基本概念、典型案例、綜合應用、前沿專題、熱點問題等內容更新。

4 結語

自然地理學歷來都重視實踐課程，翻開全國各有關高校的教學計劃，無一例外地都有安排實踐教學的內容，但受實驗課課時及實驗條件等因素的限制，尚未開設選做的具有前沿性和創新性的實驗項目，因此，有必要增設一定量的創新性實驗，這對培養創新人才至關重要。具體做法就是將一些驗證性實驗改進為綜合性實驗或設計性實驗，增設創新性實驗項目，增強學生的實踐創新能力。同時，將實驗和野外實習與教師縱橫向課題、大學生創新課題項目及畢業論文相結合，以改變學生心目中自然地理學課程實驗以觀察、描述為主，技術含量不高、儀器落后的觀念，提高學生開展自主創新的興趣，使得自然地理學課程的實踐教學在培養學生實踐能力和創新能力方面發揮更大的作用。

參考文獻

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[3]孟萬忠，劉曉峰，馬義娟.加強地圖在高校地理實踐教學中應用的探討[J].太原師范學院學報（社會科學版），2007，6（6）：157-159.

篇11

“唯一不變的是變化本身”——肯尼迪。在全球化和人類活動地域擴張的21世紀，理解變化變得越來越重要（Brenner 1999； NRC 2009b）。這些變化在一定的空間范圍內發生，這個范圍可以小到個人或周圍的小空間，也可以大到整個地球（Brenner 1999）。我們用時空維度來更好地記錄空間的相關變化（Goodchild 1992）。為了理解、保護和改善我們的生活環境，人類已經積累了約十萬年或更長時間發生的變化的寶貴記錄。這些記錄通過各種傳感技術獲得，這些傳感技術包括我們人類的視覺、觸覺和感覺，以及最近發展的衛星、天文望遠鏡、原位傳感器和傳感器網（Montgomery and Mundt， 2010）。傳感技術的進步極大地提高了記錄的精度和時空范圍。總的來說，我們已經積累了EB級的記錄數據，而且這些數據集每天以PB級的速度在增加（Hey， Tansley and Tolle 2009）。

云計算的出現為解決地理科學的挑戰，即能夠靈活訪問廣泛集中的、實體化的以及負擔得起的計算機資源，帶來了可能的解決方案（Cui et al.， 2010； Huang et al.， 2010）。21世紀的地理空間科學與所描述的密集問題可以受益于最新的云計算框架，并充分利用時空原理以優化云計算。要抓住云計算和地理空間科學之間的內在關系，我們引入了空間云計算：a）解決地理空間科學中的4個密集問題；b）促進實施和優化云計算匯集、彈性、按需以及其他特點。

2 空間云計算（Spatial Cloud Computing （SCC））

云計算正在成為下一代的計算平臺，政府機構正在促進它的使用以降低啟動、維護和能源消耗成本（Buyya et al.， 2009； Marston et al. 2011）。結合地理空間科學，幾個試驗性的云計算項目正在諸如FGDC、 NOAA和 NASA等聯邦機構內實施。商業機構，如微軟、亞馬遜和ESRI正在調研如何在云計算環境中操作地理空間應用，了解如何最好地適應這個新的計算模式。早期的調研發現云計算不僅能夠幫助地理空間科學，而且能夠采用時空原理進行優化以最好地使用分布式計算資源（Yang et al.， 2011）。地理空間科學問題具有強時空約束和原則，能夠通過系統地考慮通用時空規則來獲得最好的答案（De Smith 2007； Goodchild 1990； Goodchild et al.， 2007； Yang et al.， 2011b）：1）物理現象是連續的，數據表示在時空上是離散的；2）物理現象在空間、時間和時空關系上是異構的；3）物理現象在局部地理域上是半自治的，并且能夠被分割和合并；4）地理空間科學和應用問題包括數據存儲、計算/處理資源、物理現象和用戶的時空位置；上述四種位置的相互作用隨空間分布強度愈發復雜；5）時空現象越接近越相關（Tobler' first law of geography）。

一個支持地理空間科學的云計算平臺應該利用上述時空原則和限制，以便以一種時空形式更好地優化與使用云計算，而不是設置限制條件和重新設計應用架構（Calstroka and Waston 2010）。

時空云計算涉及地理空間科學驅動的計算規范，通過將分布式計算環境應用于地理空間和其他科學發現，其能夠被時空原則所優化。

空間云計算框架包括物理計算基礎設施、分布在多個區域的計算資源，和用來管理為終端用戶提供服務的資源的空間云計算虛擬服務器。

空間云計算可以用一個架構來表示，這個架構包含物理計算基礎設施、分布在多個區域的計算資源，以及一個管理為終端用戶提供服務的資源的空間云計算虛擬服務器。

空間云計算環境的核心組件主要通過結合時空原則的SCCM來支持地理空間科學，以尋求計算資源的優化。基于傳統空間云計算平臺和核心GIS功能是能夠實現的，例如動態重投影和空間分析。本地用戶和系統管理員通過SCCM管理接口，能夠直接訪問私有云服務器，云用戶能夠通過空間云門戶訪問云服務。還需要進一步研究IaaS、PaaS、SaaS和DaaS環境在云計算與地理信息科學兩方面可用的一致性。在下一節中，我們使用四種有代表性的應用來說明四種密集的問題。

3 空間云計算應用

為說明云計算如何能潛在解決四個密集問題，我們選擇了四個科學和應用場景來分析這些問題、時空原則和潛在空間云計算解決方案間的內在聯系。

3.1 數據密集型

地理空間科學中的數據密集型問題至少可以總結為三個方面：1）利用專門的投影和地理坐標系統，多維地理空間數據在二維以上空間表示；2）諸如衛星觀測、照相獲取、或者模型模擬，會收集或產生海量多維數據；3）數據的全球分布。許多數據密集型的應用訪問和數據整合，因此，大數據可能在快速計算機網絡中傳輸，或者通過組合技術實現最小傳輸。

為解決這些數據密集型問題，我們開發了一種DaaS——分布式的目錄和基于空間云計算的門戶，來發現、訪問、使用地理空間數據。這個DaaS基于Microsoft Azure， Amazon EC2和 NASA 的地理空間社區的云服務上正在進行開發與測試。

空間云計算可考慮擁有和使用數據、服務、計算和終端用戶的位置、能力、容量和質量等信息并予以優化，當然是在計算、地理空間科學和應用使用時空原則的情況下。

3.2 計算密集型

計算機密集型是地理空間科學需要解決的另外一個問題。在地理科學元素中，在信息/知識的數據挖掘、參數提取和現象模擬應用中計算密集型問題愈發突出。這些問題包括：1）地理空間科學在建模和分析方面天然是耗費計算資源的；2）參數提出需要運行復雜的地球物理算法，以從海量觀測數據中獲取現象值（Phenomena Values），這個復雜的算法運算使得參數提取更具有計算密集型特征；3）當考慮到地球系統的所有動態參數時，模擬地理空間現象是非常復雜的。周期性的現象模擬密集計算的不斷循環，高性能計算機常用來提升此類計算速度。更重要的是，現象處理的時空原則可用來優化分布式計算單元的組織，以實現時空科學模擬和預測（Govett et al.， 2010； Yang et al.， 2011）。這些原則對于實現數據挖掘、參數提取、現象模擬的云計算來優化計算資源也是很關鍵的（Ramakrishnan et al. 2011； Zhang et al. 2011），主要通過：1）利用動態需求和能力，為計算工作選擇最匹配的計算單元；2）并行化操作單元以降低這個處理時間或提高整個系統的可操作性，3）利用更加匹配的工作、計算應用以及存儲與網絡狀態，優化整個云操作性。由于科學算法的多樣性和動態性，最好的實現平臺是PaaS和IaaS。

3.3 并發訪問密集

互聯網的發展和“在任何地點、任何時間將正確信息提供給任何人”的理念，使得基于位置的地理空間服務流行開來（Jensen 2009），并允許數以千萬計的用戶并發訪問系統（Blower 2010）。例如，Google Earth通過其SaaS支持數百萬互聯網用戶并發訪問。這些并發密集型訪問在某一時間（例如2011年3月日本海嘯和地震期間）非常密集，而在另外時間則很少。為更好地滿足這些并發訪問，空間云計算需要彈性調用更多的來自不同區域的服務進程來應對訪問峰值。

實驗證明計算進程越多，性能越高。彈性自動提供和釋放計算資源允許我們共享其他無并發訪問峰值的應用的計算資源，以應對當前的并發訪問峰值。

3.4 時空密集型

為更好地理解過去和預測未來，一些被收集的地理空間數據是基于時間序列的，將已有的觀測數據進行時間序列的重建工作也已實施。時空密集型的重要性體現在時空索引（Theodoridis and Nascimento， 2000； Wang et al.， 2009）、時空數據建模方法（Monmonier， 1990， Stroud et al.， 2001）、地球科學現象關聯分析（Kumar 2007）、颶風模擬（Theodoridis et al.， 1999）以及計算機網絡技術（在傳輸負載與拓撲復雜性上飛速發展）（Donner et al.， 2009）之上，面臨著的挑戰也來自于這些。

針對數據采集，不同的路徑傳感器、照相機以及公眾探測技術用來獲取實時的交通狀態信息（Goodchild 2007）。已存在的路徑連接和節點也被添加進來作為基礎數據。模型模擬在高性能計算環境中進行。不像靜態路徑規劃可利用Dijkstra算法實現，近實時的路徑規劃則不能如此（Cao 2007），我們不得不針對每一個路徑規劃請求進行準實時的計算。此復雜性給計算和地理科學帶來很大的挑戰。由于路徑規劃請求的動態特點，我們不能為應對最大量的用戶而去維持最大的計算能力，通常我們不需要全部的計算能力。云計算提供的彈性與按需特征能夠用來解決這個問題，PaaS最適合這種應用。

4 機遇與挑戰

這篇論文羅列了21世紀地理空間科學面臨的諸多巨大挑戰：數據、計算、并發和時空分析密集特征。我們論證采用空間特征的云計算的最新進展能夠為解決這些巨大挑戰提供潛在的解決方案。

時空云計算的成功依賴許多因素，例如時空云計算在能夠采納云解決方案的地理空間科學家中的推廣，在能夠采納時空原則進行設計、建設和部署云平臺的計算科學家與工程師中推廣。我們列舉了幾個方面，包括：

4.1 時空原則挖掘和提取

地理空間現象在時間和空間上不斷變化，利用四維或更多維去表示或描述其演變是可能的。我們已建立了歐幾里德和其他空間去描述這些現象。由于現象的復雜性和多維的龐大，我們力圖簡化維度，引入現象的特征或模板去幫助更好地在理論和計算環境中表示，使得其具有可計算性。

在地理空間科學中，由于人類活動的擴展和全球化，一些表示方法需要重新定義。例如，我們需要整合陸地區域、海洋和大氣進程以更好地理解氣候變化。另一方面，我們需要更好地描述地理空間現象如何影響我們的生活。這些時空關系幫助我們形成更好的時空原則，開發多維狀態下的時空案例。橫向應用需要多領域的不同背景的科學家進行合作。社會上，跨領域和地域的處于分散狀態的科學家合作是一個巨大挑戰。

4.2 重要的數字地球與復雜的時空科學及應用

Digital Earth要求將我們星球的數字信息進行整合，并開發出地理空間問題的解決方案。理解可預知的模式并提供特定環境下的解決方案，這是非常必要的。解決這些問題不僅為人們提供需求便利，而且從長遠看能夠改善人們的生活質量。

為此，需要研究：a）辨明具有較大影響的基礎性的應用，以及需要的計算支持；b）結合可獲取的分布式計算能力，分析應用中的四個密集型問題；c）通過考慮云計算能力和時空需求，擴展或指定數學和概念模型到計算機模型，以實現應用的可計算性；d）為決策者和其他最終用戶解決或提出問題；e）通過改進傳感器技術、數據處理算法、數據結構和模型模擬以改善應用；f）總結經驗教訓，優化通用云計算技術。

4.3 支持空間云計算（SCC）特征

空間云計算嚴重依賴計算基礎設施的狀態，除了工程研究和計算基礎設施特征的可用外，網絡、CPU、RAM、硬盤、軟件許可和其他資源的使用/狀態，對于優化使用時空原則的云計算環境也是重要的。

在調研面向解決四種密集型地理空間問題的云計算特征工作中，需要進行擴展研究以更好地理解計算基礎設施和應用的時空特性，應用和計算資源的優化調度也是關鍵的（Mustafa Rafique et al. 2011）。

4.4 安全

云計算公司通常會使用授權和認證技術來保護用戶隱私，云服務提供商確保其基礎設施安全并擁有可行的保護用戶數據與應用的解決方案是必須的。美國聯邦首席信息官（The US Federal CIO）正努力合并安全訪問與授權成為統一功能，這計劃為三個步驟（FEDRAMP 2011）：a）安全需求底線；b）持續監控；c）潛在訪問與授權。

（注：本文譯自《國際數字地球學報》International Journal on Digital Earth）

譯者簡介：

翟永（1969-），男，碩士，高級工程師；研究方向：計算機網絡、服務器和空間數據庫系統集成以及安全保密技術。

篇12

一、引言

地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS，下同）是以計算機軟件、硬件為基礎，實現地理信息采集、管理、分析和表現地理空間數據的系統，已經成為地理信息科學的核心[1]，廣泛應用于土地利用、資源管理、環境監測、交通運輸、城市規劃、經濟建設等領域。特別是與遙感技術相結合，GIS正深入解決全球性問題：厄爾尼諾現象與酸雨、核擴散與核廢料以及全球氣候與環境的變化監測。可以說，GIS已經深入社會生產和生活的各個領域，成為很多領域中新的工作手段和方法[2]。

作為注重學科交叉與滲透的環境科學專業而言，開設GIS課程教學具有一定的前瞻性。將環境科學專業與地理學有機融合，更加凸顯環境科學的“大環境”特征，也更能符合全球環境的研究趨勢[3]。GIS與環境科學在研究對象和研究方法上具有一定的相似性和互補性，在環境問題愈來愈突出的今天，設計和開發服務于環境應用系統的輔助決策支持工具GIS，將具有極大的發展潛力。目前，我國開設GIS專業的高校和開設GIS課程的專業非常多，開設GIS課程的非專業的數量也在逐漸增加[4]。鑒于GIS課程的學科與技術并重的特點，非GIS專業學生知識結構不完整，如計算機、地圖學、地理學、測繪學、程序設計和數據庫等知識，導致非GIS專業的學生在學習該課程時抓不住重點，反感理論性知識，缺乏主觀能動性[5]。重慶三峽學院化學與環境工程學院經過20多年的發展，環境科學與工程專業建設為重慶市重點學科，并于2013年順利獲批碩士學位授予權。目前學院環境科學專業已經開設了GIS課程，但是從我院目前的課程建設情況來看，該課程的建設仍處于起步階段，從教學體系、實踐模式方面仍面臨著前述問題。因此開展課程建設，進行教學研究，順應學校提出“向應用型科技大學轉型”的辦學理念以及“培養具有創新精神和實踐能力的應用型高級人才”的辦學宗旨，已成緊迫的任務。

二、環境科學專業GIS課程教學要求

一般而言，GIS技能主要分為三個層次：基本應用型；綜合分析型；開發管理型[6]。其中基本應用型側重于將GIS作為工具，掌握GIS基本概念，并能夠使用l～2種GIS軟件進行簡單的數據輸入、分析和制圖工作。環境科學專業作為非地理信息系統專業開設GIS課程，其技能要求定位為基本應用型，即立足環境科學專業基礎課程，強調GIS的技術性，側重于實踐教學，針對本專業相關的環境管理、環境規劃、環境監測以及環境影響評價等與空間信息相關的問題，掌握GIS工具空間分析操作技能，解決專業相關的問題。因此，實驗教學更顯重要，通過加強學生實踐能力的培養，進而提高學生的自主創新能力。符合應用型人才培養的要求[7]。

根據設定的基本應用型目標，筆者對環境科學專業的GIS課程體系進行了部分的教學改革實驗，以探索適合于本專業GIS課程教學的模式。

三、教學改革實驗

針對環境科學專業的知識結構特點，緊扣能力目標的基本應用型要求，將教學分為三個梯次，梯次一：要求了解GIS是什么，掌握GIS的基本原理，主要在課堂教學中精細化課程內容；梯次二：掌握GIS主流軟件的操作方法和應用，主要結合課程項目的設計完成該梯次的教學設計；梯次三：應用階段，在環境科學專業范圍內，基于GIS基本功能解決實際問題。主要在實驗實踐環節提升學生的應用能力。基于上述三個梯次的教學總體設計，教學的各個環節改革與優化介紹如下。

1.梯次一：理論課程內容與學時精細化設計。梯次一為課程引入與理論了解階段，考慮GIS具有綜合性強、多學科集成，知識點多，學科與技術統一性，且發展與內容更新速度快，滲透性和空間抽象性強等特點[8]，針對環境科學專業學生的知識結構體系，注重理論與實踐相結合，梳理GIS課程體系，選擇兼具概念與實踐并重的教材《地理信息系統原理、方法和應用》（鄔倫主編，科學出版社），該書詳細劃分了理論基礎講解、GIS功能介紹與應用技術，有助于教學內容的自由選擇。考慮環境科學專業學生的背景，將GIS的基本概念、組成、功能及其應用領域、空間數據結構（矢量和柵格數據結構）、空間數據采集、空間數據處理與分析、GIS空間分析原理與方法及GIS產品制作與輸出作為重點內容講解。讓學生由淺入深，了解GIS具體功能，數據的來源與特點，如何將現實世界數據化、信息化，如何利用GIS解決身邊的問題（如公園選址、交通管理、城市拆遷與洪水分析等），增強利用GIS作為輔助決策工具的興趣和學習自主性。

針對梯次一的基本要求和課程內容選擇，筆者理論教學課時精簡為32個學時。具體安排：（1）導論，4個學時，主要講述GIS的基本概念、組成、演變歷史和發展趨勢、基本功能、與相關學科的關系以及GIS主流軟件的認識。（2）GIS空間數據結構，8個學時，主要講述空間參照系統、地圖投影、空間數據采集、空間數據模型、柵格和矢量數據結構、編碼方法等。（3）空間數據處理，6個學時，主要講述空間數據變換、數據融合、空間插值與拓撲關系編輯。（4）空間分析，8個學時，主要講述空間查詢與量算、空間疊加分析、緩沖區分析與網絡分析等。（5）GIS產品可視化與輸出，4個學時，主要講述地圖制作與輸出、專題地圖設計。

2.梯次二：理論教學與專業實例設計。為了加強教學過程理論與專業實際的聯系，筆者提出將“農業點源大氣污染可視化分析”課題作為專業實例設計，貫穿整個GIS課程教學過程中，以提高學生主觀能動性。

國家環保部2012年公布的《環境空氣質量標準》（GB3095-2012），首次將PM2.5（年均和日均濃度限值分別為定為0.035mg/m3和0.075 mg/m3）、O3納入常規空氣質量評價，并收緊了PM10、氮氧化物等標準限值，以期“十二五”期間使我國大氣PM2.5污染得到緩解，區域大氣復合污染得到有效遏制，大氣環境質量得到持續改善。選擇農業點源大氣污染可視化分析，整個課題既貼近現實，又屬于環境專業關注的熱點問題。這個課題設計內容主要涉及農業點源大氣污染源調查、農業區空間分布、人口分布、污染源季節特征、大氣污染擴散模式等，結合緩沖區分析得到農業點源大氣污染時空分布與影響區域劃分。根據這一課題的設計，在課堂教學上提出問題，引導學生總體規劃設計，以原有專業知識在解決問題上遇到的瓶頸，自然引導利用GIS技術解決此類問題。將各部分內容分版塊劃分，貫穿到各章節授課內容中。如導論中以谷歌地球、尋找本拉登實例作為開始，讓學生了解實例以及GIS的基本功能，并指出谷歌地球是數據來源之一；空間數據結構與處理講解中引導學生如何采集與處理農業點源大氣污染的相關各類型數據，指出相關的數據轉換可在GIS中實現，實驗環節就可以親自操作；空間分析講解中指出緩沖區分析和空間插值可解決污染影響區域劃分和時空分布，在實驗環節可以設計操作。

通過上述的專業實例貫穿，可以有效引起學生的自主學習能力和興趣，感覺GIS就在身邊，又產生“技癢”，促進梯次三的實踐教學。

3.梯次三：實踐教學課題化設計。上機實驗是環境科學專業GIS學習的重要環節，依據所設計的課題，在實驗過程中得以實現和解決，將大大加強對GIS課程的理論理解與掌握，激發進一步深入學習的動力。具體實驗教學內容安排如表1所示。實驗學時與教學學時1∶2配套。

三個專業實例化實驗設計，基本包含了GIS基本操作技能，在讓學生親自了解GIS的強大功能的同時，更真正體會到了在GIS中的具體操作過程。

四、結語

環境科學專業與地理學有機融合，更加凸顯環境科學的“大環境”特征，也更能符合全球環境的研究趨勢。加強環境專業GIS教學與改革是順應我國新時期高等教育“造就一批創新能力強、適應企業發展需要的優秀工程師”的要求。筆者提出GIS教學過程中貫穿專業實例課程化的改革方式，旨在激發學生的學習熱情，在實踐中增強學生的動手與解決問題的能力，達到基礎應用型的技能要求，實現學以致用。

參考文獻：

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[2]李旭祥，沈振興，劉萍萍，張凡.地理信息系統在環境科學中的應用[M].北京：清華大學出版社，2008：94-95.

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篇13

Keywords: 3S integrated technology; highway engineering; 3S; feasibility study

中圖分類號E932.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（201中圖分類號2

引言：

隨著現代空間探測及計算機信息技術的發展,遙感、全球定位系統、地理信息系統技術(簡稱3S)在高速公路可行性研究及勘察設計中發揮越來越重要的作用。 自從1998年1月31日美國副總統戈爾提出了“數字地球”(Digital Earth)的概念后,“數字地球”“數字城市”相繼成為本世紀的熱門術語和新興學科,數字地球的核心是地球空間信息科學,地球空間信息科學的技術體系中最基礎和基本的技術核心是“3 S”技術及其集成,所謂“3 S”是全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)和遙感(RS)的統稱,是目前對地球觀測中空間信息獲取、存儲管理、更新、分析和應用的三大支撐技術,他集中了空間探測、電子技術、計算機、數據庫、互聯網、通訊、人工智能和地球科學等眾多最新成就,為人類探測地球和分析環境提供了先進有效的手段。

3S集成技術在發達國家已得到了廣泛的應用，在我國也得到了高度重視，隨著計算機技術的應用，空間技術交叉滲透，信息科技蓬勃發展，3S集成理論正在得到不斷的發展，已逐步在土地、資源、農業、水利、工程建設、物探和環境等領域得到應用。 本文主要研究3S集成技術在道路工程的應用[1]。

1．3S集成技術的概述

“3S”是地理信息系統（Geographical Information Systerm簡稱GIS）、遙感（Remote Sensing 簡稱RS）和全球定位系統（Global Positioning Systm簡稱GPS）的英文縮寫簡稱，其中GPS和RS分別用于獲取點、線、面等空間信息或監測其變化，GIS是完成空間數據的存儲、分析和處理。這三種空間信息技術已經較廣泛的應用。

三者在空間信息管理上各具特色,均可獨立完成自身具有的功能,同時相互之間又有許多關聯,在解決問題的功能上各有優點與不足。三者的結合與集成已成為空間科學的發展方向和必然趨勢。3S技術在公路規劃和勘察選線方面的應用研究和勘察設計實踐,在多段高速公路及大型隧道的勘察設計應用中取得了很好的效果,不但提高速度2~3倍以上,而且可以全面認識公路工程地質環境的特征,提高工作質量,尤其在減少不良地質危害、優化選線設計質量等方面,具有巨大的經濟效益和社會效益,具有很好的發展應用前景[2]。

3S集成不是GPS、RS、GIS的簡單組合，而是一種利用現代測繪技術、遙感技術、定位技術、圖像和圖像處理技術與計算機技術于一體，向GIS和RS數字圖像處理系統提供足夠的數量、精度、可靠性、完備性的空間數據，通過空間分析、預測、決策，確保地理信息問題的優化、系統地解決[1]。3S集成是高度自動化、實時化、智能化的對地觀測系統，并有自動、實時地采集、處理和更新數據的功能。

3S融合技術是公路勘察的先進手段。遙感、全球定位系統和地理信息系統技術為人類探測地球和分析環境提供了先進有效的手段。3S技術各有特長:遙感圖像能夠快速獲取大面積信息,但有些地物屬性又不可全面感知(如高程和經緯度);GPS可以迅速定位目標,但沒有地理屬性;GIS具有信息查詢分析和管理能力,但數據的獲取比較困難;因此它們的結合應用是當代信息科學發展的必然趨勢。3S技術的結合有多種形式,主要根據工作需要而定。應用衛星和航空遙感圖像與計算機信息處理技術的結合,可以快速編制各種比例尺(1∶200 000~1∶10 000甚至更大比例尺)的遙感圖和解譯工程地質圖,指導選線勘察工作。其綜合效益可以提高30%~200%以上,地質選線速度可以提高3~5倍以上。遙感、全球定位系統與地理信息系統的功能和數據資源,彼此可以相互結合,實現功能互補,資源共享。基于GPS的遙感探測,可以獲得具有3維地理信息的遙感圖像數據,并輸出3維地形模型數據(DEM)和各種實用圖件,大大簡化了傳統地形測量的過程,是地理制圖技術的一個飛躍[3]。

應用GIS 3維地形模型疊加遙感圖像的技術,可以生成真實的地形模型,是當前在計算機上進行公路環境分析、優化路線方案的現代化技術之一。對優化路線方案, 提高設計質量和速度有關鍵作用,是當前高等級公路勘察設計自動化的主要發展方向。另外,應用3S系統的信息采集、分析與制圖功能,可以有效進行公路交通各個階段的管理工作。例如,路區遙感圖像的更新及專題圖的輸出,工程建設數據統計與圖像圖形顯示,車流量與經濟發展分析,車輛GIS與GPS動態安全管理等。從公路選線、工程地質勘察、工程設計到公路運行管理,3S技術的信息分析技術有其他手段不可替代的作用;遙感航測制圖更有其速度快、質量高、節省人力物力的優勢,而3維遙感航測數據是公路勘測設計自動化的基礎。

2. 3S技術在公路工程應用中的特點

2.1集成化

傳統的公路測量、設計表現為離散式、分離式的測、設、繪的過程,譬如野外測量就可以分為測角、量距、水準等三大要素,而利用3S技術的勘測設計則是集成測繪技術,表現為外業、內業用圖一體化、集成化。

2.2實時化

經典的公路工程從規劃、勘測、設計到施工、運營是建立在對路線外業觀測數據的后處理基礎上的,到獲得3維坐標有一定的時間滯后。而3S技術可根據某些內容的要求實時、快速地確定3維坐標。

2.3動態化