閆金鳳

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266510)

GIS專業(yè)“空間數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)內(nèi)容研究與實(shí)踐

閆金鳳

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266510)

隨著空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)的飛速發(fā)展,其在眾多學(xué)科領(lǐng)域的重要性日益突出。地理信息系統(tǒng)專業(yè)迫切需要進(jìn)行“空間數(shù)據(jù)”庫課程體系、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面的教學(xué)改革。結(jié)合教學(xué)實(shí)際需求,總結(jié)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),將理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行“空間數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)內(nèi)容研究,并簡(jiǎn)述具體的實(shí)施過程。

空間數(shù)據(jù)庫;教學(xué)內(nèi)容研究;教學(xué)實(shí)踐

“空間數(shù)據(jù)庫”課程是地理信息系統(tǒng)(GIS)專業(yè)的核心課程,對(duì) GIS專業(yè)人才培養(yǎng)具有非常重要的作用?！翱臻g數(shù)據(jù)庫”課程是一門綜合性較強(qiáng)的課程,具有學(xué)科與技術(shù)的同一性、發(fā)展與內(nèi)容更新的快速性、多學(xué)科集成等特點(diǎn)。針對(duì)不同高校自身專業(yè)建設(shè)的特點(diǎn)及所具備的條件,“空間數(shù)據(jù)庫”課程在教學(xué)內(nèi)容的制訂和講授上各有差異。面對(duì)本校自身的特點(diǎn),GIS專業(yè)是依托測(cè)繪學(xué)科建立起來的,有其自身的特色,同時(shí)又受到教學(xué)學(xué)時(shí)量、前后課程安排、軟硬件設(shè)施條件等影響,因此必須結(jié)合教學(xué)實(shí)際確定適合自身特點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容。

1 “空間數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中存在的問題

1.1 教學(xué)與實(shí)踐的目的與要求

“空間數(shù)據(jù)庫”課程是一門相對(duì)較新的 GIS專業(yè)必修課程。通過本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生了解空間數(shù)據(jù)庫的基本知識(shí)、基本理論和基本方法;掌握空間數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法及學(xué)科發(fā)展的前沿問題等,并掌握空間數(shù)據(jù)管理相關(guān)軟件的應(yīng)用[1-3]。注重學(xué)生空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)技巧和能力的培養(yǎng),為其進(jìn)一步從事 GIS應(yīng)用及開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基礎(chǔ)。

通過本課程理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用,要求學(xué)生掌握空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)知識(shí)、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向等內(nèi)容。學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題,用所掌握的知識(shí)和具備的技能解決實(shí)際問題,并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

1.2 目前存在的一些問題

通過多年的教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)“空間數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)與實(shí)踐過程中面臨一些急需解決的問題[4-7]。比如為數(shù)不多的相關(guān)教材差異性比較大的問題;教學(xué)的具體內(nèi)容及重點(diǎn)、難點(diǎn)確定的隨意性問題;前后課程中出現(xiàn)重復(fù)及如何進(jìn)行很好銜接的問題;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的隨意性問題;傳統(tǒng)的教學(xué)方法與手段無法適應(yīng)其發(fā)展快和多學(xué)科集成的特點(diǎn)等。目前,對(duì)此相關(guān)的理論教學(xué)、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)等環(huán)節(jié)的研究還相對(duì)較少,需要近一步加強(qiáng)相應(yīng)的研究。因此,本文試圖研究適應(yīng)本學(xué)院 GIS專業(yè)“空間數(shù)據(jù)庫”課程建設(shè)的合理的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與方法。

2 “空間數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)內(nèi)容的確定及實(shí)施

2.1 教學(xué)內(nèi)容的確定

本學(xué)院新的本科教學(xué)大綱正在修訂,隨著學(xué)科建設(shè)的發(fā)展,GIS專業(yè)的部分課程進(jìn)行了調(diào)整及增刪。教學(xué)的學(xué)時(shí)及前后課程的銜接都發(fā)生了相應(yīng)的變化,“空間數(shù)據(jù)庫”課程的教學(xué)內(nèi)容也需要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行調(diào)整。

具體的教學(xué)內(nèi)容如下:

1)空間數(shù)據(jù)庫概論:熟悉空間數(shù)據(jù)庫概念,空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷程及發(fā)展現(xiàn)狀,了解本課程的學(xué)習(xí)方法。

2)空間數(shù)據(jù)組織與結(jié)構(gòu):掌握空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系、矢量和柵格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的編碼方法,是本課程的基礎(chǔ)性內(nèi)容。

3)空間數(shù)據(jù)庫模型:掌握空間數(shù)據(jù)的各類模型,特別是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型、Geodatabase數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)引擎(SDE)及Oracle Spatial對(duì)象關(guān)系模型等。

4)空間數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu):掌握空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成,了解文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及分布式空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等[8]。

5)空間數(shù)據(jù)索引與空間查詢語言:掌握格網(wǎng)索引、R樹索引及四叉樹索引等空間索引方法及不同平臺(tái)的具體應(yīng)用;了解空間查詢語言,對(duì)象—關(guān)系SQL,空間操作計(jì)算以及查詢優(yōu)化[9]。

6)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及建立:掌握空間信息模型和空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的過程,運(yùn)用 ER模型及UML構(gòu)建面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型。結(jié)合不同的專題進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及建立的案例分析。依據(jù)具體的 GIS平臺(tái),完成針對(duì)不同的專題進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、編輯、拓?fù)錂z驗(yàn)、完整性約束及入庫等整個(gè)過程。

7)空間數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化:掌握 GIS數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)體系,GIS數(shù)據(jù)的分類及編碼方法,以及如何進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制;了解相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范[10]。

8)空間數(shù)據(jù)庫發(fā)展趨勢(shì):了解空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢(shì),包括空間數(shù)據(jù)的互操作、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)挖掘及空間數(shù)據(jù)倉庫等。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的具體實(shí)施

1)要重視和加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容中的空間數(shù)據(jù)庫基本概念、基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)的講解;空間數(shù)據(jù)模型在本課程中要對(duì)其講深講透;空間索引與查詢是空間數(shù)據(jù)庫的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其性能的優(yōu)劣直接影響空間數(shù)據(jù)庫的整體性能,所以空間索引與查詢的內(nèi)容是本課程的基本理論和難點(diǎn);對(duì)空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展前沿屬于了解及知識(shí)拓展的部分,如空間數(shù)據(jù)的共享與互操作、空間數(shù)據(jù)挖掘、空間數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)和方法,培養(yǎng)學(xué)生課外查找資料、閱讀文獻(xiàn)及綜合分析的能力,提高其主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)。

2)教學(xué)內(nèi)容中要以空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、建立和應(yīng)用為重點(diǎn)。針對(duì)一個(gè)比較完整的空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、建立和應(yīng)用的案例進(jìn)行講解。同時(shí)給學(xué)生提供完備的軟硬件環(huán)境來進(jìn)行課程設(shè)計(jì),針對(duì)目前普遍采用的對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),注重本科學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)及實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有2種方式:一種是 GIS軟件商在傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)上進(jìn)行了擴(kuò)展,外加一個(gè)空間數(shù)據(jù)引擎(SDE),如 ESRI公司的A rcSDE,M ap Info公司的Spatial Ware等。通過空間數(shù)據(jù)引擎這一“中間件”將空間數(shù)據(jù)交給大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理。另一種方式是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的軟件商本身在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展,使之能夠同時(shí)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),例如Oracle Spatial等。兩種方式都可以充分利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫管理功能,如關(guān)系數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)管理、事物處理、記錄鎖定、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)倉庫、安全性、一致性、完整性以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)等功能,實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一體化集成。針對(duì)對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)既要注重理論知識(shí)的講解又要體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

3 “空間數(shù)據(jù)庫”課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的確定及實(shí)施

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的確定

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要環(huán)節(jié),它對(duì)于掌握理論課所講授的基本內(nèi)容、提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,都具有十分重要的意義。本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與建立及相應(yīng)的應(yīng)用分析。根據(jù)不同專題或主題設(shè)計(jì)題目,讓學(xué)生自己選題進(jìn)行課程設(shè)計(jì),建立專題的空間數(shù)據(jù)庫。同時(shí)在整個(gè)過程中要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和建立的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化等問題。

1)空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。運(yùn)用 ER模型及UML構(gòu)建面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,了解空間數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程,依據(jù)步驟建立空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),并撰寫詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告。專題數(shù)據(jù)庫包括土地利用空間數(shù)據(jù)庫、城市道路交通空間數(shù)據(jù)庫、區(qū)域旅游資源空間數(shù)據(jù)庫、地籍管理空間數(shù)據(jù)庫等。

2)數(shù)據(jù)采集與空間數(shù)據(jù)庫建立。依據(jù)所選的專題,進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí),進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及規(guī)范化,特別是設(shè)計(jì)分類編碼的內(nèi)容要符合國(guó)家或行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。掌握空間數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、處理、編輯、拓?fù)錂z查等技術(shù)方法,建立完整的專題數(shù)據(jù)庫,提交相應(yīng)數(shù)據(jù)成果。

3)空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用分析。應(yīng)用所建立的空間數(shù)據(jù)庫,針對(duì)相應(yīng)專題進(jìn)行分析,提交分析成果。例如土地利用空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行土地利用變化的分析,城市道路交通的空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行最優(yōu)路徑的分析等。

3.2 實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)的選擇

由于國(guó)內(nèi)外商業(yè)化的有關(guān) GIS和空間數(shù)據(jù)庫的軟件種類較多,各種軟件的用戶界面、功能及數(shù)據(jù)組織方法等都相差很大。關(guān)于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇問題,對(duì)于 GIS本科專業(yè)應(yīng)要求掌握一種以上主流空間數(shù)據(jù)庫管理軟件,如:Geodatabase、O racle Spatial等。

Geodatabase以其強(qiáng)大和豐富的功能代表了空間數(shù)據(jù)庫軟件技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),該產(chǎn)品可以作為空間數(shù)據(jù)庫實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件平臺(tái)。Geodatabase是用于管理和存儲(chǔ)多種地理信息類型的集合,其采用兩層結(jié)構(gòu),即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是將GIS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 File、XML、DBM S等多種格式,而應(yīng)用層則是維護(hù)數(shù)據(jù)的高級(jí)邏輯和行為,例如Feature Classes、Raster Dataset、Topology、Network、Address Locators等。

A rcSDE Geodatabase通過空間數(shù)據(jù)引擎A rcSDE可以用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫對(duì)空間地理數(shù)據(jù)加以管理和處理,提供必要的空間關(guān)系運(yùn)算和空間分析功能,實(shí)現(xiàn)客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu),地理空間數(shù)據(jù)的共享和互操作等。允許A rcGIS在多種數(shù)據(jù)庫平臺(tái)上管理地理信息,這些平臺(tái)包括 O racle,M icrosoft SQL Server,IBM DB2,和 Informix。因此本課程實(shí)踐軟件平臺(tái)選擇A rcGISDesktop 9.2、A rcSDE9.2以及M icrosoft SQL Server 2005

3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的具體實(shí)施

1)軟件的安裝與連接。在學(xué)院的教學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)房安裝好相應(yīng)軟件平臺(tái),并進(jìn)行相應(yīng)連接,運(yùn)用一或兩臺(tái)服務(wù)器,建立客戶端/服務(wù)器的實(shí)踐操作平臺(tái)。部分有條件的學(xué)生可在自己的電腦上安裝一個(gè)單機(jī)版的平臺(tái)。

2)空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。依據(jù)選定的專題設(shè)計(jì)一個(gè) Geodatabase:包括需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、拓?fù)湟?guī)則設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)等。

3)空間數(shù)據(jù)庫的建立。①使用A rcCatalog創(chuàng)建全新的數(shù)據(jù)庫:包括要素集、要素類、子類、有效性規(guī)則、關(guān)系、幾何網(wǎng)絡(luò)等。A rcCatalog提供了一整套地理數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計(jì)和管理項(xiàng)目;②轉(zhuǎn)換已有的數(shù)據(jù)到地理數(shù)據(jù)庫中:如 Shapefile數(shù)據(jù)、coverage數(shù)據(jù)、INFO表和dBase表等;③用CASE(計(jì)算機(jī)輔助)工具建造 Geodatabase:用CASE工具來完成創(chuàng)建一個(gè)新的定制對(duì)象和從UML圖表中產(chǎn)生一個(gè)地理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。A rcGIS支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一建模語言(UML)和 CASE工具,通過 CASE工具可以完成對(duì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的定義。

4)空間數(shù)據(jù)的處理與入庫。進(jìn)行專題數(shù)據(jù)的采集、編輯、拓?fù)錂z驗(yàn)、完整性約束及入庫的整個(gè)過程。包括加載數(shù)據(jù)集和柵格到 Geodatabase中;用高級(jí)數(shù)據(jù)類型擴(kuò)展要素類;用域、關(guān)聯(lián)和子類型擴(kuò)展表;擴(kuò)展柵格數(shù)據(jù)集;加載和維護(hù) Geodatabase中每個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù);管理A rcSDE Geodatabase等。

5)應(yīng)用分析。結(jié)合A rcGIS的各種空間分析的功能,依據(jù)相應(yīng)的專題空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用分析。例如,利用不同時(shí)期的土地利用信息進(jìn)行疊加分析,進(jìn)而研究區(qū)域的土地利用空間格局變化,利用道路網(wǎng)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析,得出最短或最優(yōu)路徑等。

4 教學(xué)與實(shí)踐總結(jié)

教學(xué)中通過了解前后課程的銜接盡量避免教學(xué)中的重復(fù)內(nèi)容,例如空間數(shù)據(jù)的矢量與柵格結(jié)構(gòu)及其編碼方法這樣的基礎(chǔ)性內(nèi)容,在 GIS原理類課程中就會(huì)重點(diǎn)講述,此處應(yīng)避免重復(fù)的詳細(xì)講述。教學(xué)內(nèi)容中做到重點(diǎn)和難點(diǎn)清晰明確。另外在實(shí)驗(yàn)過程中,A rcGIS軟件操作的基本技能已經(jīng)具備,重點(diǎn)在課程設(shè)計(jì)中,熟練整個(gè)的設(shè)計(jì)過程,撰寫詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告。針對(duì)具體的專題數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、檢驗(yàn)及入庫等,注重系統(tǒng)性及實(shí)用性的培養(yǎng)。并通過一定的應(yīng)用分析,使得空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與建立同具體的應(yīng)用分析結(jié)果相結(jié)合,能更好的驗(yàn)證空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)的正確性和實(shí)用性。將理論知識(shí)、軟件操作、設(shè)計(jì)技能以及具體的應(yīng)用相結(jié)合,有利于提高學(xué)生運(yùn)用掌握的知識(shí)和技術(shù)解決實(shí)際問題的能力,增強(qiáng)學(xué)生的興趣及探索的熱情,利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

通過近幾年的教學(xué)與實(shí)踐研究,針對(duì)本專業(yè)的特點(diǎn)本文總結(jié)“空間數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容與實(shí)施方式,并運(yùn)用于具體的教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的教學(xué)效果。隨著空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展,其相應(yīng)的內(nèi)容和方式也在不斷調(diào)整和改善。

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Research and practice of teaching content on Spatial database course of GISSpecialty

YAN Jin-feng
(Geomatics College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China)

Spatial database is the core course of GIS,w hich is very important for students to study and understand the basic p rincip le,method of GIS.With the development of spatial database technology,we urgently need to do research on spatial database course in term s of teaching contents,experiments and p ractices,in o rder to p resent some methods and suggestions to cope w ith these p roblem s.The paper com bines p ractical needs and many years’experience of teaching to research specific contents and imp lementation p rocess of teaching and experiments.

spatial database;teaching content research;teaching p ractice

G642.0

A

1006-7949(2010)06-0075-04

2010-06-30

閆金鳳(1974-),女,副教授,博士..

[責(zé)任編輯張德福]