時空大數(shù)據(jù)時代地圖學課程的教學改革

鄧樹林

（南寧師范大學地理科學與規(guī)劃學院，廣西 南寧 530001）

0 引言

地圖學是以地圖信息傳遞為主線，研究地圖的理論、制圖、應用的綜合性學科[1，2]。地圖是人類對空間認知的圖形化表達，作為一種地理空間信息的載體[3]。但地圖在不同歷史時期，其信息源、主題、載體、形式、內容、制作方法以及應用方式具有差異性，其全方位價值也會不一樣。自20世紀50年代末、60年代初以來的現(xiàn)代地圖學，是以時空數(shù)據(jù)為對象的信息化時代地圖學，時空數(shù)據(jù)處理與表達是其核心。當今，隨著天地空海一體的傳感器網(wǎng)技術、“互聯(lián)網(wǎng)＋”、人工智能和智能計算等技術的高速發(fā)展的“大數(shù)據(jù)時代”的到來，地圖學具有明顯的大數(shù)據(jù)科學的特征，是以往任何時期都無法比擬的：地圖的實時動態(tài)性、主題針對性、載體多樣化、內容復合性、制作方法現(xiàn)代化、表現(xiàn)形式個性化、應用泛在化等特征，地圖學理論、技術和應用體系產(chǎn)生了巨大變化。地圖數(shù)據(jù)從單一到多源，不再局限于傳統(tǒng)的測繪數(shù)據(jù)，更多的地理數(shù)據(jù)來源于互聯(lián)網(wǎng)等，具有體量海量化、來源多樣化、類型繁雜化、價值低密化、真?zhèn)坞y辨等特征[4]。隨著新地圖認知理論的不斷發(fā)展，地圖學與地理信息科學結合得更加緊密。

地圖學課程是一門既年輕又古老的學科[5]，地圖學在地球科學專業(yè)人才培養(yǎng)中處于重要地位，其理論性與實踐性強，知識點多。地圖學課程是地理信息科學、土地資源管理等地學相關專業(yè)的基礎課和必修課，在每個專業(yè)的課程體系中均具有承上啟下的重要作用，是不可替代的一門課程[6，7]。其為以后學習后續(xù)相關課程（如3S技術等）打下堅實的專業(yè)基礎的同時，地圖學課程還是地學及其相關專業(yè)學生必須掌握的基本技能[8]。它既包括理論教學，又包括實踐教學，對學生的能力、知識和素質的培養(yǎng)都具有深遠的意義。對今后探求地圖內在規(guī)律、地球空間信息科學有關的問題的能力至關重要[9]。

當前地圖學課程重點關注理論知識教學，對于新興地圖數(shù)據(jù)獲取、應用實踐等教學內容相對較少，學生思維滯后、知識體系缺乏系統(tǒng)認識，導致理論知識與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)[10]。隨著數(shù)字制圖技術的發(fā)展和深入應用，以手工制圖為主的傳統(tǒng)地圖學教學內容急需調整，以滿足時空大數(shù)據(jù)時代學科發(fā)展的需求[11]。時空大數(shù)據(jù)時代地圖學教學內容和教學模式如何調整是亟待解決的關鍵問題。

因此，適應時空大數(shù)據(jù)時代要求、專業(yè)高水平復合型制圖人才的培養(yǎng)，則迫切需要對當前地圖學課程教學目標、教學內容、教學模式進行改進和調整。本文以南寧師范大學地學相關專業(yè)的地圖學課程教學為例，探討如何在時空大數(shù)據(jù)時代背景下進行地圖學教學改革，提出針對性的教學改革措施，以期提高地圖學課程的教學水平與質量。

1 地圖學在時空大數(shù)據(jù)時代的新變化

（1）地圖學的時空觀，深刻影響著地圖學研究的認識論和方法論。時空大數(shù)據(jù)成為地圖學的大規(guī)模海量數(shù)據(jù)源，地圖學可以更加科學的描述和表達事物或現(xiàn)象的運動變化規(guī)律。如新冠肺炎疫情專題地圖的制作，春季人流量實時動態(tài)地圖制作等。從地圖學發(fā)展歷程來看，反映了地圖學數(shù)據(jù)（信息）源由少到多、單源到多源、簡單到復雜的趨勢，進一步推動了制圖數(shù)據(jù)處理方法與技術的不斷發(fā)展。

（2）隨著時空大數(shù)據(jù)時代的開始，地圖學的科學范式隨即進入數(shù)據(jù)密集型計算范式，以時空大數(shù)據(jù)計算為特征。“時空大數(shù)據(jù)計算”，除了多源異構時空大數(shù)據(jù)融合外，還體現(xiàn)在時空大數(shù)據(jù)可視化等的理論、方法和技術變化，以及時空大數(shù)據(jù)的多尺度自動變換、分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)等，最終實現(xiàn)最大化的時空大數(shù)據(jù)價值。

（3）時空大數(shù)據(jù)開放、動態(tài)、多模式、綜合的感知世界和傳輸時空信息。同時，整個感知認知活動，融入了天空地海一體的智能傳感器網(wǎng)技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能技術以及新興計算技術等，這必將成為時空大數(shù)據(jù)時代地圖學理論的基礎研究任務。

2 目前地圖學教學中存在的主要問題

根據(jù)目前地圖學課程的基本特點和結合本校地圖學教學的現(xiàn)狀，分析地圖學課程教學中所存在的若干問題：

（1）理論體系較龐大，基本概念多，比較抽象，但學時有限，教學任務繁重。地圖學課程的基本課時為64學時，其中理論授課44學時，實踐操作20學時。相對實踐課時較少，容易出現(xiàn)追趕教學進度的情況，導致影響教學效果和教學質量。另一方面，目前教學方法仍以教師授課方式為主，在整個教學過程中不能較好發(fā)揮學生的主觀能動性，學生容易倦怠，難以取得較好的教學效果。此外，授課專業(yè)班級較多，專業(yè)基礎及專業(yè)要求差異性較大，授課內容和授課方式不能根據(jù)專業(yè)需求進行靈活的快速調整。

（2）實踐操作性較強，但是往往在教學過程中注重理論而忽視實踐，實踐教學的模式相對單一。在掌握基本理論后，還需熟悉并掌握地圖制圖方法、制圖軟件的基本操作、主要的地圖應用。同時，實踐教學往往安排在地圖學課程的后半段，而且多以手繪地圖以及軟件操作為主，實踐教學采用的數(shù)據(jù)相對單一，制圖技術及應用與現(xiàn)實市場需求脫節(jié)，無法從時空大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)制圖最后到地圖應用相結合，不利于從根本上提高學生的動手與實踐能力，也不利于學生創(chuàng)新能力的提高。

（3）多學科融合交叉，知識更新快，但學校相關配套的軟、硬件設施比較落后。地圖學是一門交叉學科，包括計算機圖形學、地理信息科學、測繪學、自然地理學、統(tǒng)計學、人工智能、區(qū)域分析等。尤其，隨著時空大數(shù)據(jù)時代的快速發(fā)展，地圖學的基礎理論、數(shù)據(jù)獲取方式、制圖技術、應用范疇已經(jīng)發(fā)生了巨變。但是，在實際教學過程中，理論教學多以簡單理論講解為主，缺乏與多學科交叉融合，融會貫通（如與3S技術的結合，從數(shù)據(jù)獲取，到數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)制圖，最后到地圖應用，讓學生真正把握地圖學的知識體系）。實踐教學主要以紙質地圖等傳統(tǒng)的地圖為主，缺乏現(xiàn)代設備和前沿技術方法支撐或輔助，如高性能圖形工作站、3D打印機、專業(yè)制圖軟件等，導致學生缺乏利用現(xiàn)代化設備和軟件系統(tǒng)完成地圖實踐活動的機會。

3 時空大數(shù)據(jù)時代地圖學教學內容調整

在時空大數(shù)據(jù)時代，隨著地圖學課程信息源、主題、載體、形式、內容、制作方法以及應用方式等課程內容的不斷變化，地圖學教學內容同樣面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。為適應時空大數(shù)據(jù)時代地圖學發(fā)展的新需求，當前地圖學的教學內容應該從地圖學方法論、地圖數(shù)據(jù)多源實時動態(tài)化、地圖主題針對化且內容復合化、地圖表現(xiàn)形式多樣化與個性化、地圖制作現(xiàn)代化與地圖服務廣泛化等方面進行優(yōu)化調整，從而完善與拓展傳統(tǒng)地圖學的教學內容。讓學生真正掌握時空大數(shù)據(jù)的“提取數(shù)據(jù)→分析挖掘→發(fā)現(xiàn)知識→設計或選擇知識表達方式并可視化”整個過程。

（1）地圖學的時空觀和方法論。包括人類活動在內的任何事物和現(xiàn)象的運動變化有空間和時間性，時空大數(shù)據(jù)是由包括人類活動在內的任何事物和現(xiàn)象的運動變化所產(chǎn)生的。其都具有時間、空間、屬性、多源異構、多維動態(tài)等特征，同時也有空間參照與時間參照。萬事萬物的時空特征作為地圖學主要研究對象，展現(xiàn)了地理實體的時空維度。在時間維，可進行時間序列延拓，從而科學表達過去、現(xiàn)在與未來；在空間維，能科學表達地球表層、海洋、月球表面、網(wǎng)絡空間等。要讓學生具有地圖學的時空觀，才能更好地描述和表達萬事萬物的時空特征。

（2）多源（元）異構時空大數(shù)據(jù)融合，是時空大數(shù)據(jù)時代給地圖學帶來的新問題[12]。來自國內外不同行業(yè)、不同部門的時空大數(shù)據(jù)具有多類型、多時態(tài)、多分辨率、多尺度、多語義、多參考系等特性，集成的時空大數(shù)據(jù)不連續(xù)、不一致問題突出，給地圖制圖增加了難度。因此，對不同時間、不同類型、不同尺度、不同語義和不同參考系統(tǒng)的時空大數(shù)據(jù)的復雜關系和相互轉換規(guī)律進行科學表達、描述和分析[13]，解決多源（元）異構時空大數(shù)據(jù)的融合，已成為時空大數(shù)據(jù)時代地圖學亟待解決的科學問題。因此在地圖學教學過程中應不斷更新地圖數(shù)據(jù)源獲取方法，數(shù)據(jù)融合技術，及時介紹多源異構時空大數(shù)據(jù)源的產(chǎn)生特點、獲取方式及融合方法，以增強內容的現(xiàn)勢性。

（3）時空大數(shù)據(jù)分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)，為時空大數(shù)據(jù)的核心與本質。其中，時空大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析要比普通專題地圖制圖數(shù)據(jù)處理要更復雜，普通專題地圖的數(shù)據(jù)處理模型方法已經(jīng)較成熟[14]，而時空大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析設計一系列科學技術問題，如需要大數(shù)據(jù)的清洗、數(shù)據(jù)融合，以及統(tǒng)計計算是在大數(shù)據(jù)分布式存儲驅動下進行的[15]。用時空大數(shù)據(jù)思維去發(fā)現(xiàn)其潛在價值，挖掘傳統(tǒng)方法發(fā)現(xiàn)不了的新知識、新規(guī)律和新模式，必將開啟地圖學的重大時代轉型。因此，在地圖學教學過程中讓學生了解與掌握時空大數(shù)據(jù)分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)的方法非常關鍵。

（4）由于地圖數(shù)據(jù)源多源異構化，地圖可視化形式也日新月異，電子地圖已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)紙質地圖，可視化顯示維度已從二維顯示轉變?yōu)橐詴r空大數(shù)據(jù)為支撐的多維實時動態(tài)顯示，此外，如全息位置地圖、時空大數(shù)據(jù)地圖等新的可視化圖種出現(xiàn)[16]。因此，地圖的可視化教學應成為地圖教學的重要內容之一，使學生了解并學會設計地圖可視化的多樣性。

（5）時空大數(shù)據(jù)時代的地圖已經(jīng)不僅僅用于表達靜態(tài)地理環(huán)境特征等特定領域，而是前所未有的實時動態(tài)全民位置地圖新時代。人們的衣食住行時空與地圖息息相關，如逛街購物、外賣配送、實時路線導航、共享單車等。整個地圖信息傳輸過程，地圖空間認知貫穿始終，即從制圖者、地圖信息、地圖、地圖使用者、使用地圖的效果之間相互聯(lián)系、相互作用。而當前地圖學教學和實踐內容中仍主要以傳統(tǒng)地形圖教學為主，較少進行課堂理論知識與實際應用出口的銜接，與時俱進。因此，案例學習中應補充和更新地圖在不同領域最新應用，體現(xiàn)學科課程的現(xiàn)實價值意義。

4 時空大數(shù)據(jù)時代地圖學模式探索

作為一門理論實踐性很強的專業(yè)基礎與必修課，地圖學教學過程中應注重培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實踐，同時多項目化教學，競賽促進教學等方式，激發(fā)學生自主學習、勤于動手的動力。本文結合南寧師范大學學生具體情況，探索時空大數(shù)據(jù)時代地圖學教學改革模式。

4.1 地圖理論的實驗教學

地圖學的理論知識體系非常龐大，需要通過實踐，才能真正掌握。特別是時空大數(shù)據(jù)時代的地圖學，需要掌握新的理論，新的技術方法。實驗教學包括多源數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析挖掘、知識發(fā)現(xiàn)以及地圖應用等。在理論教學過程中，可隨堂進行試驗教學的穿插，讓學生盡快在實踐中真正理解理論知識點。

4.2 地圖多源數(shù)據(jù)獲取的任務教學

在數(shù)據(jù)獲取實驗教學中，基于原有數(shù)字化地圖、野外實測成圖、傳統(tǒng)攝影測量與遙感觀測等地圖數(shù)據(jù)獲取方式教學，新增無人機低空攝影測量、三維激光掃描測量、互聯(lián)網(wǎng)上爬取的大數(shù)據(jù)等的教學。因為學時有限，需要掌握的額外理論知識和技能較多，需要分無人機小組、三維激光小組、Python小組，分任務完成數(shù)據(jù)獲取并經(jīng)驗分享等多種形式，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)獲取方式的實驗教學。

4.3 分析挖掘與知識發(fā)現(xiàn)的演示教學

大數(shù)據(jù)分析挖掘教學：根據(jù)獲取的不同數(shù)據(jù)，讓學生掌握采用不同處理軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗與分析，如ARCGIS軟件、MATLAB軟件的使用。這可通過軟件的演示，讓學生基本掌握軟件的使用，學會大數(shù)據(jù)的簡單分析與挖掘。知識發(fā)現(xiàn)教學：根據(jù)分析的數(shù)據(jù)，讓學生學會看圖說話，同時所做的圖不僅要規(guī)范更要美觀。可通過推薦及帶領學生多閱讀相關好文獻，學習人家的作圖技巧、分析結果的方法等。通過教師的相關教學演示，讓學生學會舉一反三。

4.4 地圖應用的案例教學

地圖學課程中的案例教學源于生活，是銜接理論和應用的途徑，可有助于掌握理論知識，理解理論聯(lián)系實際的作用。根據(jù)不同部門不同行業(yè)需求，進行項目化教學，讓學生學會制作不同類型的專題地圖、動態(tài)地圖等。讓每位學生選擇一個主題，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取，到數(shù)據(jù)分析與挖掘、知識發(fā)現(xiàn)，最后到地圖應用的全過程，作為最后課程的作業(yè)。

5 結語

隨著時空大數(shù)據(jù)時代到來，地圖學迎來了新的機遇與挑戰(zhàn)。因此，地圖學需緊跟科學技術發(fā)展前沿，調整和更新教學內容和教學模式，以適應時空大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，讓地圖學能站在新的起點向更高水平發(fā)展。在時空大數(shù)據(jù)時代的背景下，基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術、智能傳感器網(wǎng)技術、新興計算技術、人工智能技術等新信息化技術，就本校地圖學教學實際情況，總結教學中的，探討時空大數(shù)據(jù)時代地圖學教學內容和模式應做出的調整與建議，讓學生真正掌握時空大數(shù)據(jù)的“提取數(shù)據(jù)→分析挖掘→發(fā)現(xiàn)知識→設計或選擇知識表達方式并可視化”整個過程，以期為地圖學理論與實踐教學改革提供參考。