溫永寧

摘要：21世紀(jì)以來(lái)，地理信息行業(yè)在我國(guó)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，地理信息專業(yè)本科教育的規(guī)模越來(lái)越大。開(kāi)源軟件具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，GIS開(kāi)源軟件社區(qū)已經(jīng)逐漸成熟和壯大，如何適應(yīng)這種趨勢(shì)，在GIS本科能力培養(yǎng)中融合開(kāi)源軟件進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，成為了GIS本科能力培養(yǎng)重要課題。該文分析了開(kāi)源軟件在專業(yè)能力培養(yǎng)過(guò)程中的適用性和優(yōu)勢(shì)，基于當(dāng)前GIS專業(yè)培養(yǎng)方案和課程設(shè)置，分析了幾個(gè)重要的開(kāi)源軟件與課程內(nèi)容之間的關(guān)系，給出了如何融合開(kāi)源軟件，提升GIS專業(yè)能力培養(yǎng)的途徑。

關(guān)鍵詞：開(kāi)源；GIS；專業(yè)能力；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）18-0135-03

1概述

地理信息系統(tǒng)（GIs，Geography Information System）在我國(guó)的發(fā)展已經(jīng)有近30年歷史，作為新一代地理學(xué)語(yǔ)言GIS已經(jīng)融入到土地管理、災(zāi)害治療、應(yīng)急指揮等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了我國(guó)自主研發(fā)的GIS平臺(tái)，構(gòu)建了天地圖等為代表的國(guó)家級(jí)的地理信息服務(wù)平臺(tái)。GIS應(yīng)用由早期的政府主導(dǎo)的企業(yè)級(jí)應(yīng)用，逐漸發(fā)展到以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的公眾服務(wù)。百度、阿里等眾多互聯(lián)網(wǎng)公司也參與到了地理信息行業(yè)中去。

在此期間，我國(guó)GIS本科教育也得到了飛速發(fā)展，GIS的學(xué)科設(shè)置也由初始的地理信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈乩硇畔⒖茖W(xué)。截至目前我國(guó)已經(jīng)有170多所高校開(kāi)設(shè)了GIS專業(yè)，每年培養(yǎng)GIS人才近萬(wàn)人。

GIS學(xué)科是地理科學(xué)、測(cè)繪科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科，軟件應(yīng)用和開(kāi)發(fā)能力是GIS本科能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容。早期的GIS軟件主要是國(guó)外廠商的商業(yè)軟件，ESRI的ArcInfo、Ar-cView和AreGIS系列作為最成功的商業(yè)GIS軟件，一直是我國(guó)本科GIS教育的重要軟件。隨著國(guó)產(chǎn)GIS軟件的發(fā)展，我國(guó)部分高校的教學(xué)中也有使用MapGIS、SuperMap等作為教學(xué)軟件的。

近年來(lái)，開(kāi)源風(fēng)潮席卷了整個(gè)軟件行業(yè)，開(kāi)源軟件得到了極大的發(fā)展。開(kāi)源社區(qū)已經(jīng)建立了包括操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫(kù)、桌面辦公軟件、瀏覽器在內(nèi)的完整的軟件生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得傳統(tǒng)的軟件銷售轉(zhuǎn)變?yōu)橐攒浖榛A(chǔ)的服務(wù)銷售。在地理信息領(lǐng)域，開(kāi)源的GIS軟件極大豐富起來(lái)。尤其是OGC（開(kāi)放GIS協(xié)會(huì)，Open Geospatial Consortium）推出的一系列的規(guī)范，為開(kāi)源GIS軟件提供了事實(shí)上統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)，使得相互分離的軟件，逐漸可以形成完整的產(chǎn)品鏈，形成了包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、地圖制圖和服務(wù)發(fā)布、桌面系統(tǒng)的全套產(chǎn)品。

對(duì)于本科教學(xué)來(lái)講，開(kāi)源軟件相較于封閉的商業(yè)軟件，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。利用開(kāi)源軟件進(jìn)行本科教學(xué)，是進(jìn)行教學(xué)改革的重要組成部分。

2開(kāi)源軟件在GIS專業(yè)能力培養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)

開(kāi)源軟件和商業(yè)軟件具有完全不同的發(fā)布模式，開(kāi)源軟件基本上不以盈利為目的，幾個(gè)著名的開(kāi)源License都是鼓勵(lì)或者強(qiáng)制軟件繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)源傳播，比如BSD協(xié)議、GPL協(xié)議、LG-PL協(xié)議等。開(kāi)源軟件這種共享的特征，非常有助于知識(shí)的傳播，在專業(yè)能力培養(yǎng)方面的優(yōu)勢(shì)非常的明顯。

首先，開(kāi)發(fā)源GIS代碼可以使培養(yǎng)對(duì)象直接接觸到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核，質(zhì)量高的開(kāi)源項(xiàng)目，代碼清晰，邏輯完整，通過(guò)對(duì)源代碼的閱讀和分析，有利于破除對(duì)技術(shù)的恐懼感，做得知其然，而且知其所以然。相反，商業(yè)軟件一般采取封閉源代碼的策略，使用者只能接觸到編譯好的二進(jìn)制組件和組件層面的開(kāi)發(fā)接口，難以獲得更進(jìn)一步的軟件的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)信息。

其次，可選范圍廣泛，學(xué)習(xí)曲線平緩。在開(kāi)源GIS領(lǐng)域，同一類型的軟件往往有多種產(chǎn)品可供選擇。比如空間數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，開(kāi)源軟件包括了輕量級(jí)的SQLite空間擴(kuò)展（spatialite），中等量級(jí)的POSTGIS以及媲美商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持空間擴(kuò)展的MySQL。開(kāi)源類型多樣，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言各不相同，包括了從底層算法庫(kù)，到完整應(yīng)用的完整架構(gòu)。開(kāi)源系統(tǒng)復(fù)雜度是一個(gè)逐漸累加的過(guò)程，主流的開(kāi)源系統(tǒng)互相依賴。比如JTS提供了所有基礎(chǔ)的空間拓?fù)渌?，在JTS之上，發(fā)展出了.NET版本的NTS和C++版的GEOS；而GEOS則是Quantum GISfQGIsl、PostGIS等諸多開(kāi)源GIS軟件的算法內(nèi)核。這種優(yōu)勢(shì)可以顯著的降低學(xué)習(xí)曲線。

第三，近乎免費(fèi)，容易獲得，部署簡(jiǎn)單。開(kāi)源軟件雖然不等同于免費(fèi)軟件，但是GIS領(lǐng)域的開(kāi)源軟件幾乎都是免費(fèi)的。雖然有些商業(yè)GIS軟件廠商已經(jīng)加入到了教育行業(yè)的支持中，但是對(duì)硬件的要求依然較高，License的使用依然有諸多限制，開(kāi)源GIS軟件則沒(méi)有License限制的問(wèn)題。比如相對(duì)于大型商業(yè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品（如Oracle Spatial）和ESRI SDE產(chǎn)品，開(kāi)源空間數(shù)據(jù)庫(kù)的硬件資源需求大大降低。

第四，資料豐富，社區(qū)成熟。OGC在推動(dòng)GIS開(kāi)源軟件的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用，OGC的相關(guān)規(guī)范將不同開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)的GIS軟件鏈接為一個(gè)可以互操作的整體。比如OGCSimple Feature規(guī)范定義了矢量數(shù)據(jù)的邏輯模型和互操作規(guī)范，OGC W*S（包括WMS、WFS、WPS、WCS、WTS）規(guī)范為開(kāi)放的地理信息服務(wù)定義了互操作標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)源軟件已經(jīng)形成了成熟的開(kāi)放社區(qū)，開(kāi)源軟件不僅僅包括了軟件代碼。開(kāi)源社區(qū)提供了豐富的資料，使得同學(xué)們有機(jī)會(huì)了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種思想，這對(duì)提升GIS開(kāi)發(fā)的能力具有極大的作用。

3 GIS專業(yè)人才培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)與常用開(kāi)源軟件的關(guān)系

GIS專業(yè)培養(yǎng)的內(nèi)容涵蓋地理、測(cè)繪和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其計(jì)算機(jī)科學(xué)包括了基礎(chǔ)編成能力的培養(yǎng)、基礎(chǔ)和專業(yè)算法能力的培養(yǎng)以及專業(yè)應(yīng)用軟件應(yīng)用和開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng)等多個(gè)方面。從課程設(shè)置角度，GIS專業(yè)能力培養(yǎng)是以信息技術(shù)為主導(dǎo)，但在基礎(chǔ)信息技術(shù)能力深度要求與計(jì)算機(jī)專業(yè)的要求有所弱化，而GIS專業(yè)算法和專業(yè)軟件的要求是計(jì)算機(jī)專業(yè)所沒(méi)有。GIS專業(yè)的課程包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、GIS算法、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、電子地圖學(xué)、GIS設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等等。endprint

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和GIS算法在GIS本科培養(yǎng)中是兩門聯(lián)系緊密的課程，除了基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法要求之外，針對(duì)性的融入了對(duì)GIS專業(yè)特有的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及專業(yè)算法的內(nèi)容，涵蓋包括矢量、柵格為基礎(chǔ)的GIS算法。在矢量算法方面，JTS及其衍生的NTS和GEOS，基于OGC的Simple Feature規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了一整套完整的數(shù)據(jù)模型和算法，包括拓?fù)?交模型，涵蓋了矢量算法教學(xué)目標(biāo)的很大部分內(nèi)容，其算法代碼的可靠性非常高。而在柵格算法方面，TauDEM是一個(gè)功能完備的柵格算法工具，能夠?qū)崿F(xiàn)坡度、坡向計(jì)算、河網(wǎng)提取等各種DEM算法。除了可以支持GIS算法課程的柵格部分的教學(xué)之外，也可以作為數(shù)字地形分析課程算法實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)充材料。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)是存儲(chǔ)和管理地理信息的核心軟件，空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程也是GIS專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。關(guān)系模型在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域占用主導(dǎo)地位，因此空間數(shù)據(jù)庫(kù)的教學(xué)體系也主要以關(guān)系模型為藍(lán)本。開(kāi)源的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL、PostgresSQL和sOLite等都支持空間數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展?？臻g數(shù)據(jù)擴(kuò)展的模式比ESRI SDE的通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎使得商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)支持空間數(shù)據(jù)的模式支持更徹底，因?yàn)檫@種支持是在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)核一級(jí)直接實(shí)現(xiàn)的，可以在SQL層面使用空間操作函數(shù)。以開(kāi)源GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為教學(xué)對(duì)象，在內(nèi)容和邏輯上相對(duì)于SDE更加清晰。同時(shí)，SQL級(jí)別的空間數(shù)據(jù)支持，比SDE的API更加簡(jiǎn)潔；在編程接口上，支持.NET、Java、C/C++等主流語(yǔ)言API，能夠完全取代傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)用軟件系統(tǒng)。開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)利用了GDAL/OGR、GEOS等其他開(kāi)源軟件的作為基礎(chǔ)，配合其他課程在教學(xué)上將更具有連貫性。

電子地圖學(xué)依賴于地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等基礎(chǔ)課程。開(kāi)源領(lǐng)域的地圖制圖功能包括制圖內(nèi)核，比如Mapnik系統(tǒng)；服務(wù)化的地圖服務(wù)，比如GeoServer，MapServer等；還有桌面GIS軟件或者組件的制圖功能，比如QGIS、MapWindow等。從本科能力培養(yǎng)的角度，電子地圖學(xué)的教學(xué)目的是培養(yǎng)空間數(shù)據(jù)的制圖方法和原理。QGIS在開(kāi)源GIS軟件中其制圖功能最為強(qiáng)大的，可以制作較為復(fù)雜的專題圖，可以作為地圖學(xué)培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)用系統(tǒng)。但是，從制圖算法角度，QGIS系統(tǒng)復(fù)雜度較高，Map-Window、SharpMap等輕量級(jí)的GIS地圖控件具有更好的適用性。

除此之外，上述軟件還可以作為GIS開(kāi)發(fā)的學(xué)習(xí)軟件，支持GIS設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)GIS等課程。MapWindow、SharpMap可以作為桌面端開(kāi)發(fā)控件，它們支持POSTGIS等開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)。在Web開(kāi)發(fā)方面，GeoServer、MapServer等服務(wù)端軟件可以學(xué)習(xí)部署自定義的地圖服務(wù)；客戶端產(chǎn)品主要包括基于Ja-vaScfipt的Openlayers、Leaflet等。得益于Web開(kāi)放架構(gòu)，除了軟件，也有開(kāi)源和共享的數(shù)據(jù)可以使用。完全開(kāi)源的是Open-StreetMap數(shù)據(jù)，而Google、Baidu、微軟的Bing也都提供開(kāi)放的地圖數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。

其實(shí)，可以輔助教學(xué)的開(kāi)源工程還有很多，比如PROJ.4庫(kù)，地圖學(xué)中涉及的投影知識(shí)，很多都可以用PROJ.4來(lái)實(shí)現(xiàn)。GDAL/OGR是一個(gè)支持上百種空間數(shù)據(jù)讀取的基礎(chǔ)庫(kù)。GRASS GIS、uDig都是非常有特色的桌面GIS開(kāi)源應(yīng)用。

4開(kāi)源GIS軟件專業(yè)能力培養(yǎng)的途徑

雖然開(kāi)源軟件作為GIS專業(yè)培養(yǎng)的工具具有很多優(yōu)勢(shì)，但是如果不能正確認(rèn)識(shí)其中的問(wèn)題，依然會(huì)影響使用效果。使用開(kāi)源軟件作為GIS專業(yè)能力培養(yǎng)的工具具有一定的挑戰(zhàn)性的，涉及教師的能力的提升、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和教學(xué)思路的轉(zhuǎn)變。

首先，需要做好頂層設(shè)計(jì)。開(kāi)源社區(qū)是松散的聯(lián)盟，開(kāi)源軟件并不像商業(yè)軟件整體的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。開(kāi)源軟件之間結(jié)構(gòu)較為松散，同時(shí)不同的軟件在內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上有所重疊，而教學(xué)內(nèi)容要求不同的課程需要有連貫性和一致性，這對(duì)其在教學(xué)中的使用構(gòu)成了挑戰(zhàn)。比如，在編程語(yǔ)言上不同的選擇要求在使用開(kāi)源軟件作為教學(xué)工具時(shí)，從算法庫(kù)到前端系統(tǒng)要注意保持開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的一致性。

其次，思想上的準(zhǔn)備。需要引導(dǎo)任課教師思想上重視，并做好教師之間使用軟件上的協(xié)調(diào)。對(duì)學(xué)生思想進(jìn)行引導(dǎo)，激發(fā)其探索精神。同學(xué)們要積極的理解代碼后面的思想的設(shè)計(jì)，主動(dòng)理解軟件的原理，結(jié)合課程的內(nèi)容中進(jìn)行分析，做到能夠看得懂代碼。同時(shí)要辯證的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，開(kāi)源軟件雖然有巨大的優(yōu)勢(shì)，但是也不能偏廢商業(yè)軟件的價(jià)值，需要在相互參照中學(xué)習(xí)。

第三，教師自身能力的建設(shè)。教師是教學(xué)的主導(dǎo)，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。教學(xué)培養(yǎng)過(guò)程中的改變，要求教師能力對(duì)教學(xué)內(nèi)容的適應(yīng)。開(kāi)源軟件的引入不可避免的引來(lái)教學(xué)內(nèi)容的改變，要求教師對(duì)開(kāi)源軟件的代碼能夠完全的掌握和了解。這就需要任課教師有對(duì)開(kāi)源軟件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和理解的能力，這種能力需要教師加強(qiáng)自身能力才能夠獲得。

5結(jié)論與討論

開(kāi)源軟件作為一種潮流，符合互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的應(yīng)用模式。GIS行業(yè)正在飛速發(fā)展，軟件的開(kāi)發(fā)的形態(tài)正在經(jīng)歷著巨大改變，單純的軟件的銷售變成了基于軟件的服務(wù)銷售。開(kāi)源GIS軟件的發(fā)展包括了OGC的推動(dòng)，也是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果，這也需要在GIS培養(yǎng)內(nèi)容與方式上調(diào)整。這種發(fā)展需要在教學(xué)體系上進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)、教師能力的提升，以及教師和學(xué)生對(duì)教學(xué)工作的適應(yīng)。endprint