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三维GIS功能与特点 2.1 三维GIS的定义 从不同的角度出发，GIS有三种定义①基于工具箱的定义，认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义，认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义，认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。 TURNER认为“Geographical Ination System”主要用来区分纯粹的二维GIS与三维GIS[2]，为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展，人们创造了术语“Geoscientific Ination System”GSIS[28]。后来这个词被修改为一个缩写形式“Geo-Ination System”GIS[24][28]。为区分三维GIS与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业GIS，这里倾向于BREUNIG的观点[28]，用GIS指代“Geo-Ination System”，认为三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。 三维GIS加上时间维方面的处理即为四维GIS。 2.2 三维GIS的特点 在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。在目前二维GIS中已存在的0，1，2维空间要素必须进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目标[9]。空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS，其复杂程度更高。二维GIS对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分，三维GIS对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分，因而，通过分析基于（单一）体划分的三维矢量结构GIS几何成分之间的拓扑关系，李青元提出五组简化的拓扑关系[37]。三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多，以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。 总起来说，与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。而与CAD及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维GIS的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。 2.3 三维GIS的功能 RHIND基于二维GIS的发展状况提出了三维GIS可能包括的十项功能数据采集和检验有效性；数据结构化和转化为新的结构（包括创建拓扑关系和从一种拓扑关系转化为另一种拓扑关系）；各种变化（平移、旋转、比例、剪切（shear））；选择；布尔操作（交、并差、或及切割断面、开隧道（tunneling）、建筑building）；计算（体积、表面积、中心、距离、方向）；分析；可视化；系统管理[23]。KELK为三维地学模拟提出过14项功能[24]1）从其它系统中引进数据和部分分析功能；2）保存和操作真三维坐标数据；3）无原始坐标信息损失地变化方向；4）保存和显示地理对象内部组分的信息；5）能够方便地进行交互式修改，可针对地理对象及其数据库；6）允许满足不同数据模型要求的模型重建；7）将断层等特征作为事件考虑，允许它们影响地学对象；8）处理大的比例尺差异；9）处理内部流体运动和其它时间方面的事件；10）和其它定量公式交互；11）允许局部细节和更广的软中心（soft-focus）图片显示；12）视觉上使用户满意；13）分析各种建模趋势、模式及与其它GIS模块的联系；14）在主要的数据库中存贮模型和导出报表。 BREUNIG从空间信息集成的角度为三维GIS的发展提出了三项必备的功能1）复杂地学对象的管理和处理；2）能够对由各种空间对象表达形式表示的地学复杂对象进行有效的空间存取；3）能够对各种空间对象进行有效的空间操作[28]。ALEXANDER和SIGRID在城市三维GIS的设计者中提到了三维城市GIS应该具备的另两项功能1）应能受益于现代数据获取方法的进步；2）三维城市GIS应面向未来的技术[38]。三维GIS 也必须解决一些传统问题不确定性；误差定位和消除；处理数据模型的不连续；处理时态数据；处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据[18]。作者认为，三维GIS除了具备二维GIS的传统功能以外,还应该具有如下独有的功能 ● 包容一维、二维对象 三维GIS不仅要表达三维对象,而且要研究一维、二维对象在三维空间中的表达。三维空间中的一维、二维对象与传统GIS的二维空间中的一维、二维对象在表达上是不一样的。传统的二维GIS将一维、二维对象垂直投影到二维平面上，存储它们投影结果的几何形态与相互间的位置关系。而三维GIS将一维、二维对象置于三维立体空间中考虑，存储的是它们真实的几何位置与空间拓扑关系，这样表达的结果就能区分出一维、二维对象在垂直方向上的变化。二维GIS也能通过附加属性信息等方式体现这种变化，但存储、管理的效率就显得较低，输出的结果也不直观。 ● 可视化2.5维、三维对象 三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。在建立和维护三维GIS的各个阶段中，不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果，只要涉及到三维对象，就存在三维可视化问题。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是三维GIS的一项基本功能。 ● 三维空间DBMS管理 三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化，也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。 网格GIS介绍与特点 何为网格GIS 网格GridGIS是利用现有的网格技术、空间信息基础设施、空间信息网络协议规范，形成一个虚拟的空间信息管理与处理环境，将空间地理分布的、异构的各种设备与系统进行集成，为用户提供一体化的空间信息应用服务的智能化信息平台。 与传统分布式GIS的主要区别是，松散耦合，异构、动态环境，跨区域跨多个管理域。 网格GIS的特点 （１）异构性、动态性的环境； （２）跨多管理域（测绘、国土资源、交通、气象、商务）及多区域的动态的资源共享。 未来，随着网格GIS体系结构的设计与实现，公益性地理空间信息服务方式将实现实时集成（Just in time integration），应用按需供应（Application on demand），服务点播（Service on demand），处理器资源按需供应（CPU on demand），存储器资源按需供应（Memory on demand）等。 GIS网络分析功能的实现 摘 要 网络分析作为ＧＩＳ的重要功能,在电子导航、交通旅游、城市规划以及电力、通讯等各种管网、管线的布局设计中发挥了重要的作用。随着ＧＩＳ系统集成应用的不断深入,为了满足用户的应用需求,我们通过二次开发的手段,为一些ＧＩＳ平台定制了网络分析功能。利用经典的Dijkstra算法,结合ＧＩＳ数据和平台特点,通过简单的程序设计可以实现复杂的网络分析功能。 关 键 词 网络分析; Dijkstra算法;网络拓扑关系 网络分析作为GIS应用最主要的功能之一,在电子导航、交通旅游、城市规划以及电力、通讯等各种管网、管线的布局设计中发挥了重要的作用。随着计算机及测绘技术的不断发展,地理信息产业得以蓬勃发展,近几年来我中心面向社会的GIS应用开发不断增多,逐渐形成以MapObject和MapGuide为主流的GIS应用开发体系。MapGuide是Autodesk公司的商业webgis产品,该产品合理的分配了客户机和服务器的运算,实现了矢量数据的直接访问,优良的性能、可扩展性强,是webgis应用的首选产品之一。MapObject是美国ESRI生产的控件式GIS系统,它性能稳定,价格适中,是目前非常流行的GIS系统开发平台。但这两个系统都没有现成的网络分析功能,为了满足用户的应用需求,我们通过二次开发为MapGuide和MapObject分别定制了网络分析功能。 网络分析中最基本最关键的问题是最短路径问题。最短路径不仅仅指一般地理意义上的距离最短,还可以引申到其他的度量,如时间、费用、线路容量等。相应地,最短路径问题就成为最快路径问题、最低费用问题等。其实,无论是距离最短、时间最快还是费用最低,它们的核心算法都是最短路径算法。 最短路径的求解,必须把现实生活中的道路、管线等各种网络抽象成一种数学结构,这种抽象出来的数学结构被称为网络拓扑结构。于是各种网络分析技术实现的关键在于网络拓扑结构的建立和高效能最短路径算法。下面我们就这两个问题进行深入探讨。 1 最短路径算法 最短路径算法,关键是将一个物理网络结构抽象为一个数学网络结构,再利用数学方法进行求解。 1.1 算法选择 在数学和计算机领域网络被抽象为图,再利用图论的方法计算最短路径。目前提出的基于图论的最短路径的算法大约有17种。经专家测试,其中有3种效果比较好,它们分别是TQQ、DKA以及DKD。其中TQQ算法的基础是图增长理论;后两种算法则是基于Dijkstra的算法。Dijkstra算法是经典的最短路径算法,目前多数系统解决最短路径问题采用了Dijkstra算法为理论基础,只是不同系统对Dijkstra算法采用了不同的实现方法。 1.2 经典Dijkstra算法的主要思想Dijkstra算法的基本思路是将顶点分成两个集合S和T,已求出最短路的点置于S中,其它点置于T中。开始时S中仅含起点vs,其它点全在T中,随着求最短路迭代工作的进行,S中的点逐渐增多,当终点vt也被纳入S中时,迭代结束。为了便于计算和区分各顶点是否已进入集合S,给已求出到起点最短路的点vk赋以标号。这 个标号由两部分组成,记为dvs,vk,i其中i为vk到起点最短路上的前点,dvs,vk为从起点vs到vk的最短路长。因每个标号含有两部分,故称为双标号法。最短路径 算法的基本过程如下 1给始点vs赋以标号0,s,并置vs于置,其它顶点于集合T中。 2对图G里起点在S中终点在T中的边ei,计算 dvs,vkmim{dvs,viminj[Wij]｜vi∈s,vj∈T}并将vk置于S中,同时赋给它标号dvs vk,i。 3重复步骤2,当vt∈S时计算结束vt的第一个标号给出vs→vt的最短路长;利用第 二个标号反向追踪,可得最短路径。 2 网络拓扑关系的获取与高效访问 要想用计算机程序实现Dijkstra算法,关键技术是用什么样的方式抽象出网络拓扑结构,及节点与节点的连通关系,并对网络拓扑结构进行高效能访问。 2.1 拓扑关系的获取 GIS中的数据如道路、管网、水系等要进行最短路径的计算,就必须首先将其按结点和边的关系抽象为图的结构,这在GIS中称为构建网络的拓扑关系。只有建立了拓扑关系,我们才能进行网络路径分析。GIS数据通常是图形数据和属性数据的有机集合。在ARC/INFO下利用命令CLEAN对道路网数据构建网络拓扑,我们可以看到属性表,其属性数据中包括_Fnode 起点和_Tnode终点两个属性项。该属性表中包含了一个完备的网络拓扑关系,即记录了该图拥有多少个节点,又记录了节点与节点的连通关系,不同的_Fnode、_Tnode标号代表不同的节点,及一条线的起始节点和终止节点,拥有相同节点的线相连,从该表大家应该很清楚的看出道路网的拓扑结构。构建网络拓扑是一个复杂的过程,在搭建用户应用系统时,一般使用ARC/IN FO等专业软件事先构件好网络拓扑关系,使用时只需访问GIS数据的属性表即可。 2.2 网络拓扑关系的高效访问 利用上面的属性表我们可以有效的解读出一个网络拓扑关系,在按标记法实现Dijkstra算法的过程中,核心步骤就是从未标记的点中选择一个权值最小的弧段,即上面所述算法的2～3步。这是一个循环比较的过程,如果不采用任何技巧,要选择一个权值最小的弧段就必须对属性表进行多次扫描,在大数据量的情况下,这无疑是一个制约计算速度的瓶颈。下面主要就如何从含拓扑关系的属性表中解析一个简洁高效的网络拓扑存储结构进行讨论。在数学和计算机领域中网络拓扑被抽象为图,所以其基础是图的存储表示。一般而言,无向图可以用邻接矩阵和邻接多重表来表示,而有向图则可以用邻接表和十字链表表示,其优缺点的比较见表2。 综合以上4种存储结构的优缺点,我们采用了两个数组来存储网络图,一个用来存储和弧段相关的数据Net-ArcList,另一个则存储和顶点相关的数据Net-NodeIndex。Net-ArcList用一个数组维护并且以弧段起点的点号来顺序排列,同一起点的弧段按权值排序。这个数组类似于邻接矩阵的压缩存储方式,其内容则具有邻接多重表的特点,即一条边以两顶点表示。Net-NodeIndex则相当于一个记录了顶点出度的索引表,通过它可以很容易地得到此顶点的出度和与它相连的第一条弧段在弧段数组中的位置。这样就可以以最快速度搜索出与任意节点相连的边在顶点已编号的情况下,建立Net-ArcList和Net-NodeIndex两个表以及对Net-ArcList的排序其时间复杂度共为O2nlgn,否则为Om 2nlgn。这个结构所需的空间也是必要条件下最小的,记录了m个顶点以及n条边的相关信息,与邻接多重表是相同的。利用表1所提供的属性表,有向图只需对Fode进行一次排序和一次索引,即可得到上面的两个数组,对与无向图则稍复杂一点。 最后我们所要作的事情就是进行算法2～3步的循环求解最短路径。我们利用该方法在Vb开发环境中针对MapObject定制了具有网络分析功能的动态连接库;在ASP.Net开发环境下,利用ASP.NetWeb服务为MapGuide成功的定制了网络路径分析服务器。在算法的具体实现中我们还吸收了Moore-Pape算法的优点,使运算速度有了进一步提高,经测试,2万个节点,25000条路全部遍历,平均只需1秒。完全可以满足用户在速度方面的需求。 GIS专业实验考核体系的建立与实践[1] The Experimental check-up System construction and practice on GIS Specialty Tian Yu Shandong University of Science and Technology Qingdao 266510 Abstract Geographic Ination System specialty is a specialty on its strong characteristic of practicality and applicability, the experiments check-up system has not been perfect by now, the paper offers the major check-up system construction from the pre-review before experiment to special technology check. By teaching practice, the experiment check-up system can totally test the students’ specialty theory and specialty technology level, it is benefit to the enhancement of creative ability cultivation and single thinking of students. Key words GIS Specialty ； Check-up System ； Experiment ； Teaching Practice; 1 引 言 GIS 作为地理学、计算机技术与空间信息科学的交叉学科，是一门应用性很强的专业学科 [1] 。目前地理信息技术行业迅猛发展，迫切需要大批实用的专业人才，根据高校专业建设规划要求，要培养具备高素质专业技能的实用人才，培养创新型、应用性的 GIS 工程建设开发与管理者，必须强化 GIS 的理论教学和实验教学效果，其中专业实验教学改革是培养学生专业综合素质的关键和重点。 实验教学效果的评价，必须通过实验考核，作为评价实验教学效果的重要手段，实验考核不仅对实验教学起到反馈作用，有效促进实验教师教学方法的改进，而且可以促进学生实验综合能力、实验设计能力、专业创新技能的提高，培养学生严谨的科学态度和团结协作能力，达到专业素质教育的目标。 从目前高校 GIS 专业的教学实际情况分析，专业实验的考核内容和考核方法已不能适应新的形势对人才培养的需要。实验考核内容简单孤立、系统连贯性差，教师的实验教学思路不够宽泛等，不能有效发挥对专业课程实验效果考核的作用。为此，在 GIS 专业实验教学中我们进行了积极的尝试性实践与探索，主要从专业实验教学考核的目标、实验考核体系内容、考核方法等方面进行了研究，建立了新的 GIS 专业实验考核体系，经过几届学生的实验教学实践证明，新的实验考核体系提高了专业实验的教学质量，学生在专业技能应用、创造性思维与锻炼等方面得到大幅度提高。 2 GIS专业实验考核目标 2 ． 1 考核学生的专业实验综合技能 专业实验综合技能是学生通过实验教学所必须学习并掌握得到的基本能力，在专业实验中，学生应熟悉使用各种测绘仪器的使用方法和一些常规的基本操作，通过专业实验，进一步培养和拓展学生的动手能力、科研探索能力、解决专业复杂问题的能力，进而考核学生的专业实验综合技能。 2 ． 2 提高学生实验设计能力 在专业实验过程中，学生自己动手动脑进行设计实验，可激发学习热情和兴趣，充分发挥其在实验中的主体地位和作用 [2-3] ，使之真正成为实验的创造者和设计开发者，因此设计型实验在专业实验中所占的比重越来越大，实验设计是考核内容的重要组成部分，设计实验计划与具体方案需要学生根据所学专业知识和技能灵活创造性地运用，提高学生分析专业问题、解决关键问题与组织管理的综合实验技能。实验设计过程同时又是各种科学实验方法包括专业问题分析、假设条件建立等方法的运用、分析、训练和经验积累的过程，既强化锻炼了学生的专业科研技能，又为后续毕业设计工作打好基础。 2 ． 3 培养学生严谨的科研态度、创新能力和团队精神 科技创新已成为现代教育的核心关键， GIS 专业素质教育的目标就是培养学生的创新能力，在专业实验考核中，学生结合指导教师的科研方向，自选实验专题方向，在已有专题数据资料的基础上积极探索创新，以地学专题实验小组为单位，团结协作，共同研究设计实验方案，不但培养他们的专业创新能力和严肃认真的科研态度，同时又加强了团结合作的学术团队精神。 3 GIS 专业实验教学体系 GIS 培养目标要求注重学生实用技能的掌握与操作能力培养，为此将整个 GIS 专业实验课的体系内容进行模块化的编制，同时将课程教学大纲进行教学内容上的更新，以利于学生对专业技术基本知识及实验技能的系统化掌握，更有利于培养学生的动手操作能力、综合运用专业技术知识的能力和创新能力的培养 [4-5] 。 根据修订的实验教学大纲与教学计划将专业实验教学体系内容进行模块化，相应采用不同实验方式实施，表 1 所示为专业实验教学体系，表 2 为主要实验方式及比例 表 1 GIS 专业实验教学体系 实验课程模块 课程名称 地学专业 基础课程实验 自然地理学、经济地理学、地图学、 城市地理学、地图投影、地图设计与编制 信息技术类 课程实验 计算机图形学、数据库原理、数据结构、高级语言编程、软件工程 测绘遥感 类课程实验 测量学、遥感概论、数字图像处理、 GPS 原理、数字测图原理 GIS 专业 课程实验 GIS 原理、 GIS 软件及应用、 GIS 设计、 空间分析技术、空间信息系统、城市 GIS 表 2 GIS 专业主要实验方式及比例 实验方式 典型实验示例 比例（ ） 操作性实验 GPS 、全站仪、经纬仪等测绘仪器使用 10 演示性实验 地图投影的分类及使用方式 5 验证性实验 数字化测图数据采集处理 30 综合性实验 空间分析中 DEM 建立及使用 15 设计性实验 土地评估定级分类 20 探究性、创新性实验 空间数据挖掘技术应用 20 4 GIS 专业实验考核体系 GIS 专业实验考核体系可分为常规实验技能考核和综合实验能力考核两部分，基本考核内容及方式如表 3 所示 表 3 GIS 专业实验考核内容及比例 考核方式 考核内容 比例（ ） 实验预习 10 常规实验技能考核 实验操作 20 实验报告 20 实验设计能力 25 综合实验能力考核 实验笔试 10 实验操作技能 15 4 ． 1 常规实验技能考核 常规技能考核成绩主要从实验预习、实验操作、实验报告三方面进行考核。 （1） 实验预习为保证实验的顺利进行，要求学生有针对性地对实验内容进行预习，教师在给出预习文献资料及思考题，让学生带着问题去准备实验，减少实验的盲目性，该项成绩可根据学生实验预习报告完成情况判定，同时检查学生对文献资料的掌握和数据资料的准备。 （2） 实验操作主要考查学生的实验态度是否严肃认真，操作是否规范，能否运用所学知识解释实验现象和解决有关问题，实验中，注意观察学生的操作，及时发现并纠正学生不规范的行为，培养科学严谨的态度及规范的操作行为。考核实验记录是否详细正确，记录数据是否规范、无误及完整。实验中操作考核不仅要注重实验的过程而且要注重结果的科学合理。现以测绘仪器中经纬仪操作中的检校实验来说明实验操作的考核细则，如表 4 所示 表 4 经纬仪检校实验考核细则 序号 操作项目 考核要求 分值 5 分 4 分 3 分 1 分 1 水准管的检校 水准管气泡对中，整平 ≤ 3 ′ ≤ 5 ′ ≤ 8 ′ ≤ 15 ′ 2 十字丝的检校 镜头上下移动， 竖丝不偏离点状目标 ≤ 2 ′ ≤ 4 ′ ≤ 6 ′ ≤ 10 ′ 3 视准轴的检校 基本消除 2C 值 ≤ 8 ′ ≤ 10 ′ ≤ 12 ′ ≤ 16 ′ 4 横轴的检校 指标差小于 1 ′ ≤ 10 ′ ≤ 12 ′ ≤ 15 ′ ≤ 20 ′ 5 指标差的检校 检验指标差 i 1 ′ ≤ 8 ′ ≤ 10 ′ ≤ 15 ′ ≤ 20 ′ 6 检校检查 完成检校全部内容 完成 90 完成 85 完成 75 完成 65 （3） 实验报告实验报告是学生对实验技能掌握程度的书面反映，实验报告考核针对以下内容实验目的、实验原理、实验方法、实验数据处理、实验步骤、技术流程、实验结果及分析等。报告要求条理清楚、文字简练、结论明确、书写整洁。 4 ． 2 综合实验能力考核 综合实验能力考核主要考核学生实验设计能力、对知识的综合掌握情况及实验操作技能。 （1） 实验设计能力实验设计是指学生按照实验专题内容，根据实验目的与要求，运用相关的地学知识和技能，对实验的步骤和方法及所涉及的数据处理、技术方法、软件编制所进行的一种计划和设计 [6-7] 。实验设计是考核的一项关键指标，能够充分发挥学生的主体能动作用，激发学生的学习兴趣，主要考查学生运用所学地学知识进行专题实验方案设计及解决实际问题和查阅资料、数据收集、工具书的使用能力，培养创新意识和团队精神，该类实验重在少而精。实验设计考核实施程序如表 5 表 5 GIS 专业实验设计能力考核实施细则 考核要点 考核步骤 注意事项 发现、提出问题能力 根据实验目的与要求，讨论、 拟订实验题目，并按专题分实验小组 学生基础个体差异，导致能力层次不同，实验分组应合理。 获取实验专题信息 与实验方案设计能力 小组任务分工，查阅文献， 收集数据处理资料，拟订实验方案 鼓励学生发挥个体优势，因材施教，鼓励团队精神。 专业知识应用能力 教师审定各组对方案的可行性及实施过程进行提问，考察实验准备情况数据、软件等的准备工作 方案描述语言应当简洁、流畅和清晰；提倡实验方案设计的创新与实用性。 实验动手能力及协作能力 按拟定的实验方案进行实验，做好 实验记录。 实验操作要规范、科学，实验结果分析仔细、认真、全面，做好实验记录，内容要求准确无误、周密完整和详实有序 发现和解决问题、 分析测试及数据处理能力 数据处理结果分析及完成实验报告，教师讲评并给定成绩 成绩评定依据实验结果、 实验方案设计、实验操作、实验报告 交流、讨论的能力及 分析问题能力 交流、讨论并发现存在的问题， 修改、完善实验方案 强调科研团队的作用和协作意识 （2） 笔试笔试主要考核学生对 GIS 实验基本知识和实验内容的掌握情况，考试内容涉及平时的基本操作知识、空间分析原理、数据处理方法、代码查错等。形式应多样如问答题、选择题、填空题、判断题等。 （3） 实验操作技能考核操作技能考核是对学生实际动手能力的检验，应尽可能多地考查基本操作、测绘仪器的使用，典型地学空间分析案例处理等，考查点应尽可能详细，可操作性要强，最好建立比较完备的地学专题实验案例库，从中选择实验进行技能考核，如表 6 所示，根据 GIS 专业实验教学大纲制定考核要点、评分细则、成绩评定成绩。 表 6 GIS 专业地学专题应用实验教学案例示例 序号 实验教学案例名称 主要考核技能 1 区域经济发展预测建模 空间统计分析 2 区域生态环境质量评价 叠加分析 3 土地定级评价 叠加分析、空间统计分析 4 环境保护功能分区专题制图 专题制图 5 城市生活服务设施选址与布置 网络分析 6 流域河网分布分析 DEM 分析 7 大气环境污染扩散分析 缓冲区分析 8 水库蓄水分析与模拟 DEM 挖填计算 5 结 语 在专业实验教学实践中注重实验考核体系的建立与实践，突出对学生实验技能、研究探索能力和创新能力的培养。在实验教学体系内容中理清课程层次系列，教学考核方式上，采用常规实验技能考核和实验综合技能考核相结合的方法，实现了专业实验建设培养应用性、创新性人才的目标，学生得到了有效的 GIS 专业实验技能的训练。掌握了专业实验基本理论、基本方法和基本技能，锻炼了运用专业知识进行专业科研的能力，培养了自身的知识应用能力和知识创新能力，同时任课教师也积累了专业实验教学建设实践的经验。 GIS的应用领域 GIS的应用领域 资源管理Resource Management 主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源如土地、森林、草场 分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。 资源配置Resource Configuration 在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供 应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证 资源的最合理配置和发挥最大效益。 城市规划和管理Urban Planning and Management 空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如， 在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、 公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面城市资源配置问题等。 土地信息系统和地籍管理Land Ination System and Cadastral Applicaiton 土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许 多内容，借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。 生态、环境管理与模拟Environmental Management and Modeling 区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环 境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。 应急响应Emergency Response 解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员 撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。 地学研究与应用Application in GeoScience 地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计 分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。ArcInfo系统就是一个很好的 地学分析应用软件系统。 商业与市场Business and Marketing 商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场 的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法达到预期的市场 和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构年 龄构成、性别构成、文化水平、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空 间分析和数据库功能可以解决这些问题。 房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进行决策和分析。 基础设施管理Facilities Management 城市的地上地下基础设施电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、 电力设施等广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。 它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。 选址分析Site Selecting Analysis 根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、 环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是GIS的一个典型应用领域，充 分体现了GIS的空间分析功能。 网络分析Newwork System Analysis 建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、 处理地下管线突发事件爆管、断路等应急处理。 警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。 可视化应用Visualization Application 以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的 三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型 工程管理和仿真、旅游等领域。 分布式地理信息应用Distributed Geographic Ination Application 随着网络和Internet技术的发展，运行于Intranet或Internet环境下的地理信息 系统应用类型，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空间 导航等。 电子地图中立交桥的一种表现方法 1 前言 立交桥已经成为现代城市运转最重要的交通枢纽之一，也是现代城市的代表“名片”。限于技术手段和作业的惯性，一般的 GIS 系统在表现城市的电子地图中，对立交桥仅仅做平面上的简单投影或是进行简单的压盖关系处理，图 1 和图 2 就是分别摘自 Google 与 MapBar 网络地图中的对郑州市金水立交桥表现。由于立交桥具有空间立体分布（通行线路在空间中叠置）和多跨度（路段间的连接跨越空间平面）的特点，简单的表现必然会带来理解上的困扰。虽然可以借助专门的 GIS 算法，如网络分析，辅助用户理解立交桥的空间转向关系，但算法运行的结果也必须依靠可视化的表现才能被用户接受，这都要求 GIS 系统的开发者研究立交桥的表现方法。 在立交桥的表现中，难点之一是立交桥空间关系的建立，这要求电子地图作者不能简单接受立交桥的平面投影结果，而是要通观现场、亲身体验，以获得正确的立交桥转向关系；难点之二是如何借助平面投影方法表现立交桥复杂的空间分布，这在技术上是别无他选的，因为电子地图的表现载体通常都是平面。在指导学员参加“超图杯”国际大学生 GIS 开源大赛过程中，我们研究了一种立交桥的处理方法，收到了良好的效果，图 3 就是实现的一个样例。 在立交桥的表现中，难点之一是立交桥空间关系的建立，这要求电子地图作者不能简单接受立交桥的平面投影结果，而是要通观现场、亲身体验，以获得正确的立交桥转向关系；难点之二是如何借助平面投影方法表现立交桥复杂的空间分布，这在技术上是别无他选的，因为电子地图的表现载体通常都是平面。在指导学员参加“超图杯”国际大学生 GIS 开源大赛过程中，我们研究了一种立交桥的处理方法，收到了良好的效果，图 3 就是实现的一个样例。 2 、作业过程与方法 立交桥的制作过程主要分调研、分类、数据采集、特效处理等四个步骤进行。 1 ）调研 确定好数据采集底图后，数字化对应的平面投影表示的立交桥，制作成调研底图。通过网上访问 Google Earth ，浏览对应城市、对应位置的立交桥影像，初步建立起立交桥的空间分布关系，并在调研底图上标定路段、初步规划路段间连接关系。对于简单的立交桥，这样的工作已经可以满足后续作业的要求，对于复杂的立交桥则需要到实地调研，结合调研底图进行实地的行车、标绘工作。 2 ）分类 表现立交桥的技术路线如下 ① 将立交桥按照空间关系分解为不同的路段。分解过程中一定要注意保持路段的通行唯一性，即分解后的路段只能存在最多正 / 反两个方向的通行状态，而不能存在通往另外一个路段的岔路点； ② 按照立交桥的空间分布，在 GIS 软件中建立能管理立交桥各个路段的空间层和过渡层； ③ 将立交桥的各个路段按照空间平面由低向高顺序和空间平面间的过渡顺序放置到对应的图层中； ④ 分别处理不同图层中的路段，添加投影特效； ⑤ 图层按压盖关系调整并设置为可视，实现最终的立交桥显示。 大中型城市的立交桥一般比较多，如果每一个立交桥都单独分图层处理显示，则 GIS 系统的图层设置就比较烦琐，且一旦有问题编辑起来也不方便，需要进行分类、集中管理。一般情况将连接道路不超过四条道路的立交桥分为一类，它们的空间分布一般不超过三层，结构相对简单；连