陳華根，李嘉虓，許惠平，覃如府

同濟大學 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

“3S技術綜合應用”教學與實習方法探討

陳華根，李嘉虓，許惠平，覃如府

同濟大學 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

地球信息科學與技術專業(yè)的核心知識是3S理論和技術，綜合實習是掌握3S的最重要環(huán)節(jié)。在教學過程中，不僅要注重理論知識和實踐能力的培養(yǎng)，還要讓學生掌握3S綜合應用技術。本文介紹了3S技術綜合應用的教學體系，著重強調(diào)了3S技術綜合實習在該體系中的重要作用，介紹了具體的實習方法，并通過實例展示了實習成果。該方法在實際教學過程中激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，提高了學生的綜合能力，取得了較好的效果。

地質(zhì)信息科學與技術；3S技術；綜合應用，實習方法

同濟大學地球信息科學與技術專業(yè)依托于同濟大學海洋與地球科學學院，專業(yè)建設目的是順應地球信息理論與技術的快速發(fā)展，與時俱進，培養(yǎng)地球信息科學與技術領域中所需的研究及創(chuàng)新應用型高素質(zhì)人才。針對本專業(yè)，“3S技術綜合應用”主要傳授3S理論和技術以及它們在不同領域中的應用。

隨著3S技術的發(fā)展，3S集成[2-4]已成為發(fā)展主流與方向。然而在教學過程中，一般均單獨完成各門理論和實踐課程，缺乏3S課程之間的相互配合及集成方法的介紹，因此在注重理論和實踐教學基礎上，必須加強培養(yǎng)學生的綜合實踐能力，使學生掌握綜合運用3S技術解決實際問題的方法。本專業(yè)對3S技術綜合應用教學與實習方法進行了初步探索與改進，進一步培養(yǎng)學生綜合應用能力，并使少數(shù)優(yōu)秀學生在此基礎上進行創(chuàng)新。實踐證明，學生對實習有極大興趣，同時通過具體實現(xiàn)3S集成方案，鞏固了3S理論和技術體系，取得了初步成效。

一、3S技術綜合應用教學體系

理工科類教學需要注重理論與實踐相結合。理論教學從基礎抓起，從原理出發(fā)，讓學生對學科的研究內(nèi)容有基本的理性認識。實踐教學是鞏固理論教學內(nèi)容、加強知識積累、培養(yǎng)動手能力、提高感性認識的重要途徑[5-6]。因此3S技術綜合應用具備理論、實踐教學、3S技術綜合實習的教學體系和相關課程設置[7]（表1）。

表1 3S技術綜合應用教學體系

從表1可以看出，理論和實踐教學是進行3S技術綜合應用教學體系的前期準備和必要前提。在這個過程中，學生從理論到實踐，對3S技術有了一定的理論認識和技術準備，但是對其綜合應用的方法缺乏認識和了解。通過3S技術綜合實習，學生可以自主創(chuàng)新，找到3S技術綜合應用的切入點，不僅可以對理論有更深的認識，而且能夠進一步提高實踐能力。因此，3S技術綜合實習是整個教學體系的重中之重。

二、3S技術綜合實習方法

該實習安排在本科三年級暑期實踐教學月進行。這個階段學生已經(jīng)完成了理論和實踐課程的學習，但是往往將GPS、RS和GIS孤立看待，不了解三者結合的重要意義，該實習便可彌補這個欠缺。在具體教學中分為室內(nèi)準備—野外實習—數(shù)據(jù)整理與分析3個階段。

1.室內(nèi)準備階段

這一階段主要進行以下2方面的內(nèi)容：

（1）理論知識的回顧。在專業(yè)指導教師的帶領下，對3S技術的重點知識進行總結和回顧，使學生能夠“溫故而知新”。現(xiàn)在的大學教育，尤其是理論教育往往偏于應試，往往不注重知識的循環(huán)鞏固，有的學生在考試之后就可能將學到的知識“還給老師”。通過一定的復習，可以加強學生對重要知識點的理解和掌握，使理論教學得到循環(huán)鞏固。

（2）熟練儀器和軟件的操作。3S技術綜合實習中需要用到的儀器主要有GPS接收機、地物光譜儀等。需要用的軟件主要有光譜數(shù)據(jù)處理軟件、ArcGIS等。在教師的指導下，學生對前期實踐教學過程中學到的各種儀器和軟件使用方法進行熟練，重點解決儀器和軟件使用過程中的難點和容易發(fā)生的問題，這樣可以保證下一步野外實習過程中的工作效率和數(shù)據(jù)準確性。

2.野外實習階段

這一階段主要進行以下3方面的內(nèi)容：

（1）實習計劃的制訂。從這一階段開始采取4～5名學生為一組的分組方式進行，實習基地選定在崇明島。通過對崇明島植被、土壤、水體、人工建筑等的實地調(diào)查和了解，每個小組自擬實習計劃。指導教師需要對每個實習計劃的可行性、3S技術的綜合性以及具體實施的意義等做出針對性的指導和解釋，并輔導學生進行改進，最終確定可行的、有針對性的、能夠綜合應用3S技術的實習計劃。

（2）數(shù)據(jù)采集與分析。分配給每個小組GPS接收機、地物光譜儀和筆記本電腦各一臺，每組根據(jù)自擬的實習計劃在規(guī)定的時間內(nèi)獨立行動進行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)主要有GPS地理信息以及不同地物的光譜數(shù)據(jù)。如某小組對番茄的成長過程感興趣，便可以采集不同環(huán)境下（如大棚和自然環(huán)境）生長的番茄光譜，成熟和未成熟的番茄光譜，健康和病害的番茄光譜等。由于需要采集的數(shù)據(jù)較多以及天氣因素的影響，這個過程可能需要5天左右完成。每天數(shù)據(jù)采集工作完成后，每個小組要進行成果展示，并進行初步分析和討論。這樣便實現(xiàn)了“理性—感性—理性”的認識過程。

（3）崇明島自然景觀的參觀。借助參觀的機會，學生可以更詳盡地了解崇明島概況，進行有針對性的地物光譜采集工作，同時給學生一個親近大自然、放松身心的機會。參觀的主要內(nèi)容有東灘濕地、西溪濕地等。

3.數(shù)據(jù)整理與分析階段

這一階段主要進行以下4方面的內(nèi)容：

（1）數(shù)據(jù)整理。野外實習階段測得的數(shù)據(jù)比較繁多，需要根據(jù)每個小組的具體實習計劃提取有用的數(shù)據(jù)，為接下來的GIS二次開發(fā)做準備。其中，GPS數(shù)據(jù)作為地圖配準的依據(jù)及地理要素的基本地理信息。地物光譜可用于建立光譜數(shù)據(jù)庫，在GIS中進行數(shù)據(jù)分析等。

（2）GIS二次開發(fā)。采用ArcObjects或MapObjects組件式GIS開發(fā)方法，在.NET環(huán)境下通過編程實現(xiàn)3S技術的綜合應用。該過程采用軟件工程中的軟件設計開發(fā)流程，要求學生盡可能按照規(guī)范完成可行性分析，需求分析，概要設計，詳細設計，地理底圖處理，程序設計，程序測試，編寫幫助文檔與產(chǎn)品說明書等過程，這樣可以讓學生充分了解軟件設計的整個流程。從程序設計開始，要求每個學生整合野外實習的數(shù)據(jù)獨立完成一個基于GIS的3S技術綜合應用的系統(tǒng)。

（3）成果總結與匯報。實習的最后階段，采取論文答辯的形式，每個學生將自己的成果進行展示與介紹，并編寫實習報告。最后，程序和書面報告一同作為實習成果。

（4）成績評定。3S技術綜合實習的成績評定主要根據(jù)兩方面內(nèi)容，一是實習階段的綜合表現(xiàn)，主要考察學生的主動性、積極性、獨立思考能力、動手實踐能力等；二是最終成果，主要考察學生的編程能力、語言組織能力和創(chuàng)新能力等。

4. 3S技術綜合實習時間分配

3S技術綜合實習各個環(huán)節(jié)的時間分配如表2所示。整個實習過程的時間應控制在一個月左右，指導教師可以根據(jù)天氣等客觀因素、學生對知識的掌握情況來調(diào)整各環(huán)節(jié)的具體時間。

三、綜合實習成果實例

通過上面的實習過程，學生在回顧理論知識基礎上，自主創(chuàng)新的設計實習計劃，并將理論結合實際，不僅熟悉了GPS、RS、GIS每一門學科的獨立應用，更通過GIS二次開發(fā)，掌握了3S技術綜合應用的方法和技能。實習過程中，涌現(xiàn)了許多驕人的成果，這里僅列舉學生實習的成果—基于GIS的崇明島野外光譜采集分析系統(tǒng)為例。

表2 3S技術綜合實習時間分配

該系統(tǒng)在結合GPS數(shù)據(jù)進行地理底圖配準和矢量化基礎之上，完成了GIS基本功能的設計，通過數(shù)據(jù)添加、修改、刪除等建立崇明島實測的野外地物光譜數(shù)據(jù)庫，并對其進行數(shù)據(jù)管理。在此技術上，編程實現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)分析的相關功能。較好地實現(xiàn)了3S技術的綜合應用。圖1是系統(tǒng)的主界面。

圖1 GIS系統(tǒng)主界面

此系統(tǒng)中，地理底圖來自于遙感圖像，控制點來自于GPS精確測量，并作為地圖配準的依據(jù)。地理底圖和空間數(shù)據(jù)庫使用ArcGIS進行設計、開發(fā)。本系統(tǒng)采用基于MapObjects的組件式GIS開發(fā)方法，主要實現(xiàn)了GIS地圖控制、信息查詢、數(shù)據(jù)編輯處理以及空間分析等功能。此外，通過建立野外實習階段采集的地物光譜數(shù)據(jù)庫，便可將光譜分析的相關功能結合到GIS當中去，以實地測量的植物光譜采樣點為例，采樣點位和實景照片顯示如圖2。

圖2 采樣點信息查詢

通過GIS平臺可方便查詢野外光譜測量對象的地理信息和光譜信息。此外，通過編程實現(xiàn)了對光譜數(shù)據(jù)的顯示和分析，把遙感的光譜數(shù)據(jù)處理方法整合到GIS軟件中。兩種植物光譜曲線的繪制以及針對兩者采用導數(shù)分析的效果如圖3所示。

通過繪制光譜曲線，可以明顯看出不同地物光譜曲線的特征。通過導數(shù)對比分析，可以發(fā)現(xiàn)本來并不明顯的光譜差異，為光譜特征分析和地物分類提供了更廣泛的手段。與此同時，光譜信息與采樣點地理信息的對應，實現(xiàn)了屬性信息與空間信息的融合，可以為實際的生產(chǎn)實踐和科學研究提供參考和幫助。

該系統(tǒng)的實現(xiàn)，讓學生充分了解了GPS、RS和GIS各自的作用以及三者結合應用的重要意義。在整個過程中，學生獨立思考的能力、動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力都有很大提高。同時，對3S技術領域的關鍵技術、儀器使用和軟件設計開發(fā)方法有了全方位的了解和體驗，對以后的畢業(yè)設計乃至走向?qū)嶋H工作崗位具有重要作用。

四、結論

隨著3S技術的發(fā)展，3S集成已經(jīng)體現(xiàn)出廣闊的應用前景。在教學過程中，除了要注重培養(yǎng)學生的理論修養(yǎng)和實踐能力，更重要的能夠激發(fā)學生對3S技術綜合應用的興趣。3S技術綜合應用教學體系包含了理論教育和實踐教育，并在此基礎上開設3S技術綜合實習。整個實習過程以學生為主體，根據(jù)實習計劃合作或獨立完成各項工作。指導教師作為引導者做好疑難問題的解答和總體方向性的把握工作。

圖3 光譜繪制與光譜導數(shù)分析

3S技術綜合實習是通過野外光譜測量建立光譜數(shù)據(jù)庫，并將其整合到GIS二次開發(fā)中的方式進行3S技術的綜合應用。通過該實習不僅能夠幫助學生總結深化3S技術理論，而且使大多數(shù)學生基本掌握了獨立科研及承擔3S項目的能力。更重要的是，學生在實習過程中深入理解了3S技術綜合應用的方法與意義，通過對3S技術的靈活運用完成了創(chuàng)新型想法從思維設計到具體實現(xiàn)的過程，在教學過程當中取得了良好的效果。

[1]李德仁.論RS，GPS與GIS集成的定義、理論與關鍵技術[J]. 遙感學報，1997，(1)：64-68.

[2]李德仁，李清泉.論地球空間信息科學的形成[J]. 地球科學進展，1998，13(4)：319-326.

[3]馬榮華，黃杏元，蒲英霞.數(shù)字地球時代“3S”集成的發(fā)展[J].地理科學進展，2001，20(1)：89-96.

[4]毛政元，李霖.“3S”集成及其應用[J].華中師范大學學報（自然科學版），2002，36(3)：385-388.

[5]楊承運.關于新世紀地球科學人才培養(yǎng)的思考[J].中國大學教育，2002，(6)：21-23.

[6]胡明.工科勘探類專業(yè)實踐教學在學生能力培養(yǎng)中的作用[J].中國地質(zhì)教育，2010，(1)：52-55.

[7]趙學勝，陳宜金.測繪工程專業(yè)“3S”課程群的設置與探討[J].礦山測量，2007，(1)：5-7.

Teaching and Practicing Methods of Comprehensive Application of 3S Technology

CHEN Hua-gen, LI Jia-xiao, XU Hui-ping, QIN Ru-fu
Tongji University, Shanghai 200092, China

3S theory and technology is the core of geo-information science and technology major. Comprehensive practice has greatest significance to master 3S application. During teaching process, the professors should not only pay attention to training of students’ theory knowledge, but also improve their abilities on 3S comprehensive application. This paper introduces teaching system of 3S comprehensive application, emphasizes the significance of 3S comprehensive practice, introduces its methods in detail and demonstrates its achievements by instance. These methods inspire students’ innovative thinking, improve their comprehensive abilities and achieve better results.

geo-information science and technology; 3S technology; comprehesive application; practice methods

G642

A

1006-9372 （2011）01-0071-04

2010-12-06。

陳華根，男，副教授，主要從事GIS與地學可視化的教學與研究。