GIS專業“空間數據庫”課程教學內容研究與實踐

閆金鳳

(山東科技大學 測繪科學與工程學院,山東 青島 266510)

GIS專業“空間數據庫”課程教學內容研究與實踐

閆金鳳

(山東科技大學 測繪科學與工程學院,山東 青島 266510)

隨著空間數據庫技術的飛速發展,其在眾多學科領域的重要性日益突出。地理信息系統專業迫切需要進行“空間數據”庫課程體系、教學內容和實驗內容等方面的教學改革。結合教學實際需求,總結多年的教學經驗,將理論與實踐相結合進行“空間數據庫”課程教學內容研究,并簡述具體的實施過程。

空間數據庫;教學內容研究;教學實踐

“空間數據庫”課程是地理信息系統(GIS)專業的核心課程,對 GIS專業人才培養具有非常重要的作用。“空間數據庫”課程是一門綜合性較強的課程,具有學科與技術的同一性、發展與內容更新的快速性、多學科集成等特點。針對不同高校自身專業建設的特點及所具備的條件,“空間數據庫”課程在教學內容的制訂和講授上各有差異。面對本校自身的特點,GIS專業是依托測繪學科建立起來的,有其自身的特色,同時又受到教學學時量、前后課程安排、軟硬件設施條件等影響,因此必須結合教學實際確定適合自身特點的教學內容。

1 “空間數據庫”課程教學與實驗內容中存在的問題

1.1 教學與實踐的目的與要求

“空間數據庫”課程是一門相對較新的 GIS專業必修課程。通過本課程的學習,使學生了解空間數據庫的基本知識、基本理論和基本方法;掌握空間數據庫的關鍵技術、設計與實現方法及學科發展的前沿問題等,并掌握空間數據管理相關軟件的應用[1-3]。注重學生空間數據庫的設計技巧和能力的培養,為其進一步從事 GIS應用及開發打下堅實的空間數據庫建設的基礎。

通過本課程理論教學與實踐應用,要求學生掌握空間數據庫的基礎知識、關鍵技術和發展方向等內容。學會發現問題、分析問題,用所掌握的知識和具備的技能解決實際問題,并培養學生的創新意識。

1.2 目前存在的一些問題

通過多年的教學實踐,發現“空間數據庫”課程教學與實踐過程中面臨一些急需解決的問題[4-7]。比如為數不多的相關教材差異性比較大的問題;教學的具體內容及重點、難點確定的隨意性問題;前后課程中出現重復及如何進行很好銜接的問題;實驗平臺的選擇和實驗內容的隨意性問題;傳統的教學方法與手段無法適應其發展快和多學科集成的特點等。目前,對此相關的理論教學、教學方法和實踐教學等環節的研究還相對較少,需要近一步加強相應的研究。因此,本文試圖研究適應本學院 GIS專業“空間數據庫”課程建設的合理的理論教學與實驗教學內容與方法。

2 “空間數據庫”課程教學內容的確定及實施

2.1 教學內容的確定

本學院新的本科教學大綱正在修訂,隨著學科建設的發展,GIS專業的部分課程進行了調整及增刪。教學的學時及前后課程的銜接都發生了相應的變化,“空間數據庫”課程的教學內容也需要適當的進行調整。

具體的教學內容如下:

1)空間數據庫概論:熟悉空間數據庫概念,空間數據庫的發展歷程及發展現狀,了解本課程的學習方法。

2)空間數據組織與結構:掌握空間數據的拓撲關系、矢量和柵格的數據結構以及相應的編碼方法,是本課程的基礎性內容。

3)空間數據庫模型:掌握空間數據的各類模型,特別是面向對象的數據模型、Geodatabase數據模型、空間數據引擎(SDE)及Oracle Spatial對象關系模型等。

4)空間數據庫的體系結構:掌握空間數據庫系統的組成,了解文件與關系數據庫混合管理系統結構、全關系型數據庫系統結構、對象關系數據庫系統結構、面向對象空間數據庫系統結構以及分布式空間數據庫系統結構等[8]。

5)空間數據索引與空間查詢語言:掌握格網索引、R樹索引及四叉樹索引等空間索引方法及不同平臺的具體應用;了解空間查詢語言,對象—關系SQL,空間操作計算以及查詢優化[9]。

6)空間數據庫設計及建立:掌握空間信息模型和空間數據庫設計的過程,運用 ER模型及UML構建面向對象數據模型。結合不同的專題進行空間數據庫設計及建立的案例分析。依據具體的 GIS平臺,完成針對不同的專題進行數據的采集、編輯、拓撲檢驗、完整性約束及入庫等整個過程。

7)空間數據庫的標準化與規范化:掌握 GIS數據庫的標準體系,GIS數據的分類及編碼方法,以及如何進行數據質量控制;了解相應的行業規范[10]。

8)空間數據庫發展趨勢:了解空間數據庫的發展趨勢,包括空間數據的互操作、網絡數據庫、空間數據挖掘及空間數據倉庫等。

2.2 教學內容的具體實施

1)要重視和加強教學內容中的空間數據庫基本概念、基礎理論和基本知識的講解;空間數據模型在本課程中要對其講深講透;空間索引與查詢是空間數據庫的一項關鍵技術,其性能的優劣直接影響空間數據庫的整體性能,所以空間索引與查詢的內容是本課程的基本理論和難點;對空間數據庫的發展前沿屬于了解及知識拓展的部分,如空間數據的共享與互操作、空間數據挖掘、空間數據倉庫等技術和方法,培養學生課外查找資料、閱讀文獻及綜合分析的能力,提高其主動學習的意識。

2)教學內容中要以空間數據庫的設計、建立和應用為重點。針對一個比較完整的空間數據庫設計、建立和應用的案例進行講解。同時給學生提供完備的軟硬件環境來進行課程設計,針對目前普遍采用的對象關系數據庫系統,注重本科學生基礎理論知識及實際動手能力的培養。

對象關系數據庫系統有2種方式:一種是 GIS軟件商在傳統的關系數據庫系統上進行了擴展,外加一個空間數據引擎(SDE),如 ESRI公司的A rcSDE,M ap Info公司的Spatial Ware等。通過空間數據引擎這一“中間件”將空間數據交給大型關系型數據庫管理系統統一管理。另一種方式是數據庫管理系統的軟件商本身在關系數據庫管理系統中進行擴展,使之能夠同時存儲空間數據和屬性數據,例如Oracle Spatial等。兩種方式都可以充分利用關系數據庫系統提供的數據庫管理功能,如關系數據庫的海量數據管理、事物處理、記錄鎖定、并發控制、數據控制、數據倉庫、安全性、一致性、完整性以及數據損壞后的恢復等功能,實現了空間數據與屬性數據的一體化集成。針對對象關系數據庫系統既要注重理論知識的講解又要體現實驗教學的效果。

3 “空間數據庫”課程實驗內容的確定及實施

3.1 實驗內容的確定

實驗教學是本課程的重要環節,它對于掌握理論課所講授的基本內容、提高學生的實際動手能力、培養學生的創新思維,都具有十分重要的意義。本課程的實驗教學側重空間數據庫設計與建立及相應的應用分析。根據不同專題或主題設計題目,讓學生自己選題進行課程設計,建立專題的空間數據庫。同時在整個過程中要向學生強調空間數據庫設計和建立的標準化、規范化等問題。

1)空間數據庫結構設計。運用 ER模型及UML構建面向對象數據模型,了解空間數據設計的整個過程,依據步驟建立空間數據庫結構,并撰寫詳細的設計報告。專題數據庫包括土地利用空間數據庫、城市道路交通空間數據庫、區域旅游資源空間數據庫、地籍管理空間數據庫等。

2)數據采集與空間數據庫建立。依據所選的專題,進行空間數據庫結構設計的同時,進行數據的處理及規范化,特別是設計分類編碼的內容要符合國家或行業的標準。掌握空間數據采集、轉換、處理、編輯、拓撲檢查等技術方法,建立完整的專題數據庫,提交相應數據成果。

3)空間數據庫應用分析。應用所建立的空間數據庫,針對相應專題進行分析,提交分析成果。例如土地利用空間數據庫進行土地利用變化的分析,城市道路交通的空間數據庫進行最優路徑的分析等。

3.2 實驗軟件平臺的選擇

由于國內外商業化的有關 GIS和空間數據庫的軟件種類較多,各種軟件的用戶界面、功能及數據組織方法等都相差很大。關于實驗平臺的選擇問題,對于 GIS本科專業應要求掌握一種以上主流空間數據庫管理軟件,如:Geodatabase、O racle Spatial等。

Geodatabase以其強大和豐富的功能代表了空間數據庫軟件技術的發展趨勢,該產品可以作為空間數據庫實驗教學軟件平臺。Geodatabase是用于管理和存儲多種地理信息類型的集合,其采用兩層結構,即數據存儲層和應用層。數據存儲層是將GIS數據存儲為 File、XML、DBM S等多種格式,而應用層則是維護數據的高級邏輯和行為,例如Feature Classes、Raster Dataset、Topology、Network、Address Locators等。

A rcSDE Geodatabase通過空間數據引擎A rcSDE可以用傳統的關系數據庫對空間地理數據加以管理和處理,提供必要的空間關系運算和空間分析功能,實現客戶/服務器體系結構,地理空間數據的共享和互操作等。允許A rcGIS在多種數據庫平臺上管理地理信息,這些平臺包括 O racle,M icrosoft SQL Server,IBM DB2,和 Informix。因此本課程實踐軟件平臺選擇A rcGISDesktop 9.2、A rcSDE9.2以及M icrosoft SQL Server 2005

3.3 實驗內容的具體實施

1)軟件的安裝與連接。在學院的教學實驗機房安裝好相應軟件平臺,并進行相應連接,運用一或兩臺服務器,建立客戶端/服務器的實踐操作平臺。部分有條件的學生可在自己的電腦上安裝一個單機版的平臺。

2)空間數據庫的設計。依據選定的專題設計一個 Geodatabase:包括需求分析、概念設計、邏輯設計、拓撲規則設計、數據關聯規則設計、物理設計、數據字典設計等。

3)空間數據庫的建立。①使用A rcCatalog創建全新的數據庫:包括要素集、要素類、子類、有效性規則、關系、幾何網絡等。A rcCatalog提供了一整套地理數據庫中的設計和管理項目;②轉換已有的數據到地理數據庫中:如 Shapefile數據、coverage數據、INFO表和dBase表等;③用CASE(計算機輔助)工具建造 Geodatabase:用CASE工具來完成創建一個新的定制對象和從UML圖表中產生一個地理數據庫結構。A rcGIS支持工業標準的統一建模語言(UML)和 CASE工具,通過 CASE工具可以完成對數據庫結構的定義。

4)空間數據的處理與入庫。進行專題數據的采集、編輯、拓撲檢驗、完整性約束及入庫的整個過程。包括加載數據集和柵格到 Geodatabase中;用高級數據類型擴展要素類;用域、關聯和子類型擴展表;擴展柵格數據集;加載和維護 Geodatabase中每個數據集的數據;管理A rcSDE Geodatabase等。

5)應用分析。結合A rcGIS的各種空間分析的功能,依據相應的專題空間數據庫進行相應的應用分析。例如,利用不同時期的土地利用信息進行疊加分析,進而研究區域的土地利用空間格局變化,利用道路網信息進行網絡分析,得出最短或最優路徑等。

4 教學與實踐總結

教學中通過了解前后課程的銜接盡量避免教學中的重復內容,例如空間數據的矢量與柵格結構及其編碼方法這樣的基礎性內容,在 GIS原理類課程中就會重點講述,此處應避免重復的詳細講述。教學內容中做到重點和難點清晰明確。另外在實驗過程中,A rcGIS軟件操作的基本技能已經具備,重點在課程設計中,熟練整個的設計過程,撰寫詳細的設計報告。針對具體的專題數據庫進行數據采集、處理、檢驗及入庫等,注重系統性及實用性的培養。并通過一定的應用分析,使得空間數據庫的設計與建立同具體的應用分析結果相結合,能更好的驗證空間數據庫建設的正確性和實用性。將理論知識、軟件操作、設計技能以及具體的應用相結合,有利于提高學生運用掌握的知識和技術解決實際問題的能力,增強學生的興趣及探索的熱情,利于培養學生的創新意識。

通過近幾年的教學與實踐研究,針對本專業的特點本文總結“空間數據庫”課程教學與實驗的具體內容與實施方式,并運用于具體的教學實踐中取得了較好的教學效果。隨著空間數據庫技術的不斷發展,其相應的內容和方式也在不斷調整和改善。

[1]張山山.“空間數據庫”課程教學內容研究[J].測繪與空間地理信息,2009(6):1-4.

[2]張山山.空間數據庫課程教學實踐與思考[J].測繪科學,2007(5):197-199.

[3]孫水華.數據倉庫技術課程教學實踐與研究[J].福建工程學院學報,2008(5):490-492.

[4]閆金鳳,郭全軍.“空間數據庫”課程教學與實踐探討[J].測繪與空間地理信息,2009(6):9-11.

[5]董有福,李明峰.對“空間數據庫”課程教學的思考[J].礦山測量,2008(1):86-88.

[6]劉丹丹,王延亮.地理信息系統專業實踐教學內容改革的研究[J].測繪工程,2008,17(4):74-76.

[7]王明爽.空間數據結構課程教學模式實踐與探索[J].測繪工程,2008,17(6):74-76.

[8]崔鐵軍.地理空間數據庫原理[M].北京:科學出版社,2007.

[9]謝昆青,馬修軍,楊冬青,譯.空間數據庫[M].北京:機械工業出版社,2004.

[10]張新長,馬林兵.地理信息系統數據庫[M].北京:科學出版社,2005.

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..

[責任編輯張德福]