開(kāi)源技術(shù)在高校WebGIS課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

邢華橋，于明洋，孟 飛，仇培元，劉建濤

（1.山東建筑大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué) 遙感與GIS研究中心，山東 濟(jì)南 250101）

WebGIS是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開(kāi)發(fā)的產(chǎn)物，是GIS學(xué)科的重要分支與熱點(diǎn)研究方向[1]。顧名思義，WebGIS=Web+GIS，其涉及GIS原理、空間數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)管理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)語(yǔ)言等相關(guān)理論與方法，是一門(mén)綜合性、交叉性、系統(tǒng)性很強(qiáng)的學(xué)科。與傳統(tǒng)GIS相比，WebGIS改變了地理信息獲取、傳輸、發(fā)布、共享的方式，使用戶(hù)能在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢(xún)、空間分析，甚至可在線(xiàn)處理與計(jì)算。近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、新一代寬帶無(wú)線(xiàn)通信5G等計(jì)算機(jī)新興技術(shù)的出現(xiàn)，WebGIS得到了快速發(fā)展，這些先進(jìn)的工具和手段使GIS走向了網(wǎng)絡(luò)化、智能化、個(gè)性化的發(fā)展道路[2]。隨著WebGIS的快速發(fā)展與深入應(yīng)用，其對(duì)本科人才培養(yǎng)與就業(yè)的作用越來(lái)越突出，許多高等學(xué)校都開(kāi)設(shè)了WebGIS相關(guān)課程，并將其設(shè)置成為必修課或?qū)I(yè)限選課[3]。

在WebGIS課程教學(xué)中，教學(xué)軟件的選擇和使用非常關(guān)鍵。目前，WebGIS課程的教學(xué)軟件可分為以ArcGIS、SuperMap等為代表的商業(yè)軟件和開(kāi)源GIS軟件兩類(lèi)。開(kāi)源軟件具有免費(fèi)、開(kāi)放、共享等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于課程教學(xué)中有助于學(xué)生了解技術(shù)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，跟蹤技術(shù)的發(fā)展前沿，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。近年來(lái)，高校教學(xué)中使用開(kāi)源軟件越來(lái)越普遍。本文結(jié)合WebGIS課程的特點(diǎn)與開(kāi)源GIS的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了開(kāi)源軟件或技術(shù)應(yīng)用在WebGIS教學(xué)中的可能性和必要性，并以山東建筑大學(xué)為例，探討了基于開(kāi)源GIS技術(shù)的WebGIS課程教學(xué)實(shí)踐。

1 WebGIS課程的特點(diǎn)

從本質(zhì)上看，WebGIS是運(yùn)行在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的GIS，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的軟硬件資源增強(qiáng)地理數(shù)據(jù)、信息的共享與協(xié)同處理能力，擺脫了對(duì)傳統(tǒng)桌面端GIS軟件的依賴(lài)，用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如IE、Google Chrome等）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，專(zhuān)業(yè)和非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)均可通過(guò)簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、專(zhuān)題圖制圖、空間分析、在線(xiàn)處理等空間數(shù)據(jù)操作，并能借助于分布式計(jì)算、云計(jì)算等技術(shù)提高空間數(shù)據(jù)的處理效率[4-5]。通過(guò)對(duì)WebGIS內(nèi)涵的解析可知，WebGIS課程具有理論知識(shí)涉及廣、實(shí)踐能力要求高、技術(shù)更新速度快等特點(diǎn)。

1）理論知識(shí)涉及廣。WebGIS課程融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)GIS的數(shù)據(jù)組織與管理、Web頁(yè)面編程、WebGIS的應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)等方面的技術(shù)與知識(shí)。學(xué)習(xí)WebGIS課程前，學(xué)生需要具備一定的計(jì)算機(jī)原理、網(wǎng)頁(yè)編程、GIS原理等理論知識(shí)基礎(chǔ)[6]。因此，高校WebGIS課程最好安排在大學(xué)后半時(shí)段，以山東建筑大學(xué)為例，地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程安排在大三下學(xué)期，在學(xué)習(xí)WebGIS之前，學(xué)生已主修或選修過(guò)《GIS原理》《GIS空間分析》《空間數(shù)據(jù)庫(kù)》《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》《Java語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《Python程序設(shè)計(jì)》等GIS理論、計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言課程，具備了一定的編程技巧與GIS理論知識(shí)，能較輕松地理解WebGIS理論與方法，進(jìn)而著手WebGIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

2）實(shí)踐能力要求高。與其他GIS開(kāi)發(fā)課程類(lèi)似，WebGIS課程對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力要求非常高，學(xué)生不僅需要理解和掌握WebGIS相關(guān)理論知識(shí)，更需要通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)課和業(yè)余時(shí)間多動(dòng)手編寫(xiě)與調(diào)試代碼，練習(xí)WebGIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并利用主流的WebGIS技術(shù)體系進(jìn)行系統(tǒng)搭建研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的在線(xiàn)發(fā)布、訪(fǎng)問(wèn)與調(diào)用。為了更好地提高學(xué)生的實(shí)踐能力，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)際的WebGIS開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。目前，超圖、ESRI、中地?cái)?shù)碼等GIS公司每年都會(huì)組織全國(guó)高校WebGIS開(kāi)發(fā)比賽，如SuperMap杯全國(guó)高校GIS大賽Web開(kāi)發(fā)組比賽，這些比賽為鍛煉學(xué)生的開(kāi)發(fā)能力提供了良好的契機(jī)[7]，學(xué)生應(yīng)積極參與其中，將課程所學(xué)知識(shí)結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行WebGIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，達(dá)到以賽代學(xué)、學(xué)以致用的目的。

3）技術(shù)更新速度快。WebGIS是一門(mén)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合非常緊密的典型交叉型學(xué)科。近年來(lái)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等IT技術(shù)的飛速發(fā)展，WebGIS的應(yīng)用技術(shù)與軟件在編程語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)架構(gòu)等方面更新迅猛，如ArcGIS已更新到10.7版本，新增了Notebook Sever、Excalibur等產(chǎn)品。目前，在WebGIS課程教學(xué)中多采用商業(yè)的GIS軟件。商業(yè)軟件一般經(jīng)歷了市場(chǎng)檢驗(yàn)，具有很好的用戶(hù)體驗(yàn)感和穩(wěn)定性，但其一般價(jià)格不菲，高校購(gòu)買(mǎi)一組軟件產(chǎn)品，難以頻繁更新，學(xué)生并不能體驗(yàn)融入最新開(kāi)發(fā)技術(shù)的高版本GIS軟件，導(dǎo)致WebGIS課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)常出現(xiàn)軟件平臺(tái)滯后的現(xiàn)象。然而，開(kāi)源GIS技術(shù)更新速度快，融入新技術(shù)的能力強(qiáng)，能有效激發(fā)學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新思維，如地圖前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言O(shè)penlayers每年更新多次，最新版本的Openlayers V6.5.0能使用不同的渲染器類(lèi)型組成層，并對(duì)矢量切片（vector tile）進(jìn)行了渲染改進(jìn)，使其具有較低的內(nèi)存占用。同時(shí)，開(kāi)源GIS技術(shù)無(wú)額外花銷(xiāo)，其開(kāi)放性特別適用于高校教學(xué)和科研。

2 開(kāi)源GIS技術(shù)的發(fā)展

開(kāi)源軟件是指軟件開(kāi)發(fā)者以某種協(xié)議發(fā)布、共享某些軟件的源代碼，并允許他人在遵守協(xié)議的基礎(chǔ)上自由下載、修改、使用和散布其源代碼[8-9]。開(kāi)源GIS，即開(kāi)放源代碼的GIS軟件或技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與信息的共享和互操作，OGC協(xié)會(huì)提出了開(kāi)放的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范OpenGIS，致力于提供公共開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)與接口，使不同的地理信息提供商能夠無(wú)縫鏈接。最具代表性的是OGC頒布的WMS、WFS、WCS、WPS等一系列地理信息服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。依托于這些服務(wù)規(guī)范，任何組織和個(gè)人均可發(fā)布地理信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與互操作。

開(kāi)源GIS的設(shè)計(jì)思想通常來(lái)源于OpenGIS。開(kāi)源GIS軟件從技術(shù)語(yǔ)言的角度，可分為.NET派系、C派系、Java派系、腳本派系以及其他派系；從應(yīng)用類(lèi)別的角度，可分為桌面軟件、分析工具、三維虛擬地球、開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖服務(wù)器和GIS工具函數(shù)庫(kù)等。在實(shí)際應(yīng)用中，可從功能類(lèi)別、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)應(yīng)用環(huán)境和成熟度等方面選擇相應(yīng)的開(kāi)源GIS技術(shù)或軟件。典型的開(kāi)源GIS軟件或技術(shù)如表1所示。

表1 開(kāi)源GIS軟件與技術(shù)類(lèi)別及其典型代表

3 基于開(kāi)源技術(shù)的WebGIS教學(xué)實(shí)踐

WebGIS領(lǐng)域已經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展與變革，成熟度較高的開(kāi)源技術(shù)路線(xiàn)為“Openlayers+GeoServer+PostGIS”的3層體系架構(gòu)，如圖1所示。非空間數(shù)據(jù)（如用戶(hù)信息數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)在PostgreSQL，矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PostGIS，遙感影像等柵格數(shù)據(jù)以文件系統(tǒng)的形式組織和存儲(chǔ)。矢量、柵格數(shù)據(jù)均可通過(guò)GeoServer服務(wù)發(fā)布軟件發(fā)布為OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMS、WFS、WMTS等Web服務(wù)。客戶(hù)端采用“HTML+CSS+jQuery+Openlayers”的模式進(jìn)行研發(fā)，除了能直接加載本地服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)外，還能接入谷歌地圖、天地圖、地表覆蓋地圖等商業(yè)地圖服務(wù)。客戶(hù)端頁(yè)面通過(guò)Web服務(wù)器（如IIS、Apache等）進(jìn)行部署與發(fā)布，形成最終的服務(wù)平臺(tái)。

圖1 基于“Openlayers+GeoServer+PostGIS”的WebGIS開(kāi)源技術(shù)架構(gòu)

以山東建筑大學(xué)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)為例，在大三下學(xué)期設(shè)置《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》教學(xué)課程，在大三學(xué)期末設(shè)置《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程設(shè)計(jì)，詳細(xì)教學(xué)設(shè)計(jì)如表2所示。在教學(xué)課程中，主要講授開(kāi)源GIS技術(shù)理論、網(wǎng)頁(yè)編程技術(shù)、Openlayers+GeoServer+PostGIS技術(shù)體系等內(nèi)容，以基本知識(shí)點(diǎn)為教學(xué)單元，理論課與上機(jī)實(shí)驗(yàn)課交叉進(jìn)行，鼓勵(lì)學(xué)生勤動(dòng)手編寫(xiě)代碼。在課程設(shè)計(jì)中，主要讓學(xué)生利用所學(xué)的開(kāi)源GIS知識(shí)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一個(gè)WebGIS系統(tǒng)。

表2 山東建筑大學(xué)《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)

在WebGIS課程教學(xué)中，采用的教學(xué)方法主要包括案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，3種方法層層遞進(jìn)、難度逐漸增大。其中，案例教學(xué)法是在課堂上以教師提前設(shè)計(jì)好的具體案例為內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更形象，如在講授開(kāi)源GIS理論時(shí)，可將涉及的頁(yè)面編程、GIS開(kāi)發(fā)等技術(shù)形成一個(gè)完整的WebGIS小型系統(tǒng)，再針對(duì)該系統(tǒng)展開(kāi)講解；任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是給學(xué)生布置具體的編程任務(wù)或作業(yè)，針對(duì)學(xué)生的完成情況展開(kāi)講解，如編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的Web頁(yè)面，并完成常規(guī)的人機(jī)交互；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是指以實(shí)際項(xiàng)目為指導(dǎo)，讓學(xué)生真正參與到實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，該方法對(duì)學(xué)生的要求較高，需具備一定的理論知識(shí)和實(shí)際編程經(jīng)驗(yàn)，如在《網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程設(shè)計(jì)中，將學(xué)生分組，不同小組選取不同的WebGIS開(kāi)發(fā)題目，利用一周時(shí)間進(jìn)行小型WebGIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)完成項(xiàng)目要求。

4 結(jié)語(yǔ)

WebGIS課程是GIS教學(xué)體系中非常重要的理論與應(yīng)用型課程，對(duì)于學(xué)生開(kāi)發(fā)實(shí)踐能力的培養(yǎng)與提升非常關(guān)鍵，深刻影響著學(xué)生未來(lái)的就業(yè)與深造。WebGIS課程具有理論知識(shí)涉及面廣、動(dòng)手能力要求高、技術(shù)更新速度快等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的填鴨式、灌輸式等教育模式難以產(chǎn)生高質(zhì)量的教學(xué)效果。本文通過(guò)分析WebGIS課程的特點(diǎn)以及開(kāi)源GIS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了開(kāi)源GIS在WebGIS課程教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用，為WebGIS課程教學(xué)提供了一種新思路。

為了更好地教授WebGIS課程，首先需重視理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程教學(xué)體系建設(shè)，避免“重理論講解、輕動(dòng)手實(shí)踐”的教學(xué)思想，適當(dāng)增加上機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)案例開(kāi)展教學(xué)工作；其次需轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)紙質(zhì)試卷對(duì)基礎(chǔ)理論的考試模式，豐富課程考核形式，如增加開(kāi)放式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)選題，以2～4人為小組共同實(shí)現(xiàn)小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并采用現(xiàn)場(chǎng)答辯的方式考查學(xué)生對(duì)WebGIS技術(shù)的掌握程度；最后教師也應(yīng)積極不斷地投身新知識(shí)、新技術(shù)的學(xué)習(xí)中，拓寬自己的知識(shí)面，結(jié)合科研工作和WebGIS工程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，真正地使教學(xué)與研究相結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性，提升WebGIS的教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)一步滿(mǎn)足社會(huì)和企業(yè)對(duì)GIS應(yīng)用型人才的需求。