面向GIS專業的計算機圖形學課程教學探討

應 申，翁 敏，王明軍

（武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢430079）

計算機圖形學是隨著計算機和信息化的發展而崛起的一門專業基礎課程，研究如何在計算機中表示、計算、處理和顯示圖形的相關原理、方法和技術［1－2］，其主要涉及圖形硬件設備、圖形繪制算法和圖形系統、交互技術、幾何變換以及真實感圖形生成等內容。其內容確立了計算機圖形學為眾多信息相關專業的基礎課程地位，如荷蘭代爾夫特理工大學為工程相關專業開始本課程［3］。地理信息系統專業主要系統地提供從多維地理空間信息獲取與處理、存儲與管理、分析與查詢、到信息開發與應用的各個環節的基本理論知識、方法和技能；該專業的特征集中體現在地理信息系統（Geographic Infor mation System，GIS）上。海量的點、線、面圖形繪制和縮放、漫游操作，是目前GIS圖形系統的主要特征。自地理信息科學專業設置以來，作為專業必修的計算機圖形學課程，在教學中，普遍存在如下幾個問題，如重計算機圖形學的基本算法和理論、輕專業結合，進而存在實習實踐不足、學習期望和教學效果之間的差距較大等問題。GIS專業具有較強的實踐應用性［4］，相關課程設置時應充分考慮到本專業的特點［4－5］，采用適宜的教學內容和教學方法［6－10］。本文針對GIS專業內容和特征論述計算機圖形學課程的教學過程，以內容為導向，增強學生對計算機圖形學和GIS的認知。

1 計算機圖形學課程教學內容與GIS專業的緊密結合

計算機圖形學和GIS都是以計算機為依托，利用計算機的高效計算分析性能實施應用并完善和發展自身。計算機圖形學為GIS提供圖形基礎，同時GIS豐富和擴展了計算機圖形學的應用。

1．1 計算機圖形學與GIS教學內容的融合

計算機圖形學的內容與GIS有緊密聯系，在教學中要有效的抓住兩者的結合點，有意識有目標地教學，下面列舉幾點兩者的關聯部分，并以硬件發展和基本圖形算法進行詳解：

1）講解計算機圖形學課程中的圖形設備、圖形標志和交互技術時 有目的的介紹GIS掃描儀 繪圖儀等設備，GIS軟件開發和圖形開發遵從的圖形標準，虛擬現實以及移動GIS等，充分利用和綜合現有的圖形交互技術。

2）講解計算機圖形學課程中的曲線、曲面以及幾何造型的內容時，充分結合GIS中的二維和三維模型構建需要曲線、曲面的支持和建模。

3）講解計算機圖形學中的裁剪、二維和三維圖形變換，密切結合GIS中圖形可視化中的窗口視口變換、坐標變換、空間操作、基本的縮放漫游以及地圖投影等，將理論與應用有效的結合。

4）消隱和真實感圖形繪制是GIS中地形可視化、虛擬現實的基礎。

5）圖形學界面和接口設計中的回退機制、反饋機制等也是GIS軟件應具備的功能。GIS用戶進行重繪、拾取、或定位地理目標等操作，也需要圖形學中的繪制和拾取技術進行支撐。

1．2 介紹與時俱進的硬件發展和前沿應用領域

結合當前相關軟硬件發展和前沿動態及熱點，把計算機圖形學有效地和GIS應用熱點相結合進行講解。圖形學硬件發展領域的突破和變革會直接導致GIS領域的重大變革，如虛擬現實、移動設備，教學中也通過讓學生親身體驗三維虛擬場景、佩戴G＋眼鏡來感受可穿戴式設備，理解虛實結合和應用。同時GIS的應用和發展也推動計算機圖形學可視化發展，如大數據與地理空間結合，百度地圖等對軌跡展示。計算機圖形學中的圖形界面、人機交互、虛擬現實等廣泛地應用到GIS中，這些技術作為多樣化的輔助手段對GIS的應用和高效運轉提供了更多可能 清晰 簡單而美觀的圖形界面、設計合理的用戶接口，為提供了全新的用戶體驗，有效地促進了地理信息的交流與傳播、使用和應用，如多點觸摸和語音控制移動終端帶來電子地圖的大眾化和操作簡易化。在新的計算機圖形學技術發展影響下，現實設備的增強和移動化、GPU／CPU的計算、內存／顯存的存儲、全息成像等已成為計算機圖形學中軟硬結合的主要方向，這對移動互聯GIS、大數據GIS尤為重要。

1．3 融合GIS專業的計算機基本圖形算法的教學

把GIS的相關專業認知與計算機圖形學內容相結合，讓學生意識到兩者的緊密性，一方面增強同學們對計算機圖形學的學習興趣和信心，另一方面為GIS專業的學習和擴展打好堅實的基礎。計算機圖形學理論強，涉及面廣，發展快。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。如何在計算機中表示圖形以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法，構成了計算機圖形學的主要研究內容。而地理信息科學中對地理信息最基本的建模和可視化就是對地理對象的幾何表達（點、線、面）和符號化（顏色、線型、填充類型等），這是地圖符號（如高速公路）的基礎。計算機圖形學的基本圖形算法和技術為GIS和地圖學中的要素可視化提供著不斷的支持。如反走樣技術，由于圖形的走樣，圖形在繪制時會出現鋸齒，這不僅會影響地圖的美觀，更重要的還影響著地理信息表達的精度；引入反走樣技術可以完美的解決這個問題（如圖1）。

圖1 計算機圖形學的反走樣技術與GIS符號結合的教學

2 基于創新能力培養的教學方法改革

2．1 教學與實踐的深度結合

計算機圖形學課程不僅在于基本算法和原理的學習，更在于動手能力的培養和提高。GIS的圖形系統中需要大量的基本圖形（點、線、面）符號繪制、定位、漫游和縮放等，這些都與計算機圖形學的基本圖形算法和操作緊密相關。為了確保本課程和專業教學質量和效果，筆者結合專業特征，一方面選擇實踐內容融合專業，繪制“道路”、“居民地”等地理要素，繪制基本的線、面圖形和配置屬性；另一方面，充分發揮地理信息科學專業學生已具備的編程能力 通過學過的C語言和數據結構課程 進行多環境多語言的實踐。傳統的計算機圖形學教學采用Tur bo C為上機實習平臺，而全新流行的可視化編程環境，對學生的吸引力更大。因此依據專業內學習其他課程具備的知識和能力，教學中學生可根據自己對編程語言和環境的掌握來自主選擇，可采用．Net、Matlab、Visual St udio C＋＋等實施開發，實現基本圖形繪制和地理數據的表達。通過教學和實踐結合、計算機圖形學課程和GIS專業培養結合，學生的實踐能力有效提高，增強了GIS專業的技能培訓。

2．2 充分抓住可視化主題

可視化是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上展示，并進行交互處理的理論、方法和技術?？梢暬瘜⒉灰桌斫獾摹㈦y以直觀表達的數據用圖形圖像的形式呈現在人們面前，便于對數據的理解，也有利于算法的直接表達，如股市行情，能量流、物質流。它涉及多個領域，成為研究數據的表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術。計算機圖形學為GIS的可視化提供理論支持，GIS是圖形可視化在地理信息領域的具體應用?？梢暬贕IS中是典型的數據輸出，做到數據的可視化、數據變化的可視化和數據分布的可視化。

GIS雖然有著眾多的功能劃分，如數據管理、數據存儲與組織、查詢檢索、空間分析等?；诳臻g認知和地理學的特征，對地理信息的可視化幾乎貫穿GIS的各個環節和方面，也使得圖形可視化更為突出；此特征促使計算機圖形學的圖形算法和可視化成為GIS的一個重要內容。GIS中的空間信息以及落地定位后的社會經濟屬性數據的可視化和動態推演，都需要應用計算機圖形中的可視化技術，利用計算機圖形學中的語言支持、數值分析和算法、虛擬現實、友好界面設計等來完成各種模擬和可視化。

2．3 多課程協調，互為補充

計算機圖形課程的內容和GIS專業的其他相關課程具有較強的相關性，如地理空間分析基礎算法、空間分析、GIS原理與方法。它們在側重點上不同 但是卻整體上相互補充和增強 形成對GIS專業內容的完整構造。針對計算機圖形學為GIS提供基礎的算法和可視化手段，開展計算機圖形學與GIS互為“媒介”的綜合性討論，分析討論兩者之間的關系。計算機圖形學與GIS學科交叉和科技的發展而不斷的交織發展，同時它們之間也相互依托、交融。

3 結 語

地理信息系統專業作為與IT相關的專業，在教授計算機圖形學課程時充分發揮兩者信息結合、內容結合和實踐結合的特征，可以有效地讓學生在學習好基礎課程的同時，夯實對GIS專業的掌握。本文僅從內容結合和教學方法上進行探討，在新環境下，下一步繼續根據綜合教改情況，進行教學模式（如MOOC）、大學生眾創進行探討和研究。

［1］ 趙明．GIS專業“計算機圖形學”課程建設與改革初探［J］，教育教學論壇，2012，（S2）：83－84．

［2］ 吳正升，郭健．GIS專業“計算機圖形學”課程建設與教學改革［J］，測繪與空間地理信息，2011，34（2）：10－12．

［3］ JANSEN F W，PETER R．Van Nieuwenhuizen．Computer graphics education at Delft University of Technology［J］．Co mputer ＆Graphics．1995，19（3）：461－465．

［4］ 郭慶勝，馮代鵬，杜清運．“地理信息系統工程設計”課程的教學改革研究［J］，測繪工程，2013，22（4）：90－96．

［5］ 王新志，曹爽，孫景領．測繪專業“面向對象程序設計”課程教學實踐與思考，測繪工程，2012，21（2）73－76．

［6］ 余旭，馬莉，張興福．測繪工程專業“GIS軟件設計”課程教學探討［J］．測繪工程，2010，19（4）：77－80．

［7］ 劉濤．GIS軟件二次開發課程教學改革探討［J］．測繪與空間地理信息，2014，27（7）：16－18．

［8］ 蔣廷臣，焦明連，董春來，等．測繪卓越工程師素質培養方案研究［J］．測繪科學，2014，27（9）：145－147．

［9］ 鄭貴洲，王琪，晁怡，等．GIS專業人才培養的實踐教學體系構建［J］．測繪科學，2014，27（9）：148－152．

［10］劉冰，郭加書，盧秀山．改革實踐教學體系，造就GIS卓越工程師［J］．測繪科學，2014，27（9）：153－156．