GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統

朱凌一　丁園圓　王勇

[摘 要] 為了滿足地理信息科學專業學生GIS算法課程實習教學的需要，基于GIS算法原理，采用Visual C#語言構建了GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統。系統實現了登錄界面、系統設置、系統判斷方式設置、要素繪制和要素繪制選項設置等功能模塊的建立，完成了算法原理查詢、操作、代碼查閱、評價及結果顯示，將抽象的原理變得具體，有效提高了學生對GIS算法知識的理解。同時，高新技術反哺教育的典型案例給新時代教育事業的發展增添了色彩，也為各類課程的實踐教學平臺建設提供了新案例。

[關鍵詞] 虛擬仿真;GIS算法課程實習;Visual C#;系統

[基金項目] 2019年度國家重點研發計劃“城市多尺度大氣污染物擴散監測模擬技術研究”（2019YFB2102003-1）

[作者簡介] 朱凌一（2000—），男，江蘇泰興人，南京信息工程大學長望學院2018級地理信息科學專業本科生，研究方向為GIS技術與應用;丁園圓（1982—），女，江蘇泰興人，理學博士，南京信息工程大學地理科學學院講師（通信作者），主要從事GIS技術與應用研究;王 勇（1979—），男，江蘇海安人，理學博士，南京信息工程大學應用氣象學院副教授，主要從事3S技術與氣象應用研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0033-04 [收稿日期] 2021-08-25

引言

隨著計算機技術的發展，計算機虛擬仿真、可視化顯示、網絡等技術的興起，為社會中的各行各業帶來了極大的便利。教育部在2018年發布了《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，這為高校實驗室的建設帶來了新的發展機遇[1，2]。虛擬仿真對客觀上存在的或抽象的事物，采用計算機技術構建出虛擬的環境，給人一種身臨其境的感覺。地理信息系統（GIS）算法是解決地理信息問題的計算方法和步驟，課程兼顧原理與上機實踐，內容抽象，依賴于計算機技術;而虛擬仿真教學系統是將專業理論知識與計算機技術結合的產物，所以GIS算法課程實習教學非常適合建立虛擬仿真教學系統，通過計算機的交互操作、可視化顯示和數據處理等功能，對實習內容進行可視化的虛擬仿真，以完成算法原理、操作、代碼查閱、評價及結果顯示，從而可進行各種GIS算法實驗，將抽象的原理變得具體，通過人機交互的方式，為學生展現一個友好的學習界面，使學生更容易掌握抽象的知識，為實驗室教學帶來了方便，并深受學生的喜愛。因此，把虛擬仿真技術引入地學類課程實習教學已成為一種趨勢[3-5]。

20世紀80年代末，美國弗吉尼亞大學的William Wolf教授首先提出了將虛擬仿真技術應用于虛擬仿真實驗平臺，1998年美國麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室使用了虛擬仿真技術;美國俄勒岡大學主辦的VLAB物理實驗網站涵蓋了天體物理、力學、熱學等幾十種虛擬實驗;美國休斯敦大學和NASA聯合建立了一個具有高度交互性的VETL實驗室;美國密歇根大學創建了在化學工程領域應用虛擬仿真技術的VRCEL實驗室。其他發達國家也取得了不錯的進展，如澳大利亞皇家墨爾本理工大學設計熱傳遞過程的虛擬仿真實驗;加拿大維多利亞大學開發了電子電路虛擬仿真實驗室;德國波鴻魯爾大學建立了一個具有三維實驗場景的網絡虛擬實驗室。由此可見，虛擬實驗室在發達國家已十分普及。

在國內，各大高校也非常重視虛擬實驗室的建設。中國科學技術大學研制出我國第一套虛擬仿真實驗平臺軟件“幾何光學設計平臺”;清華大學成立了“電力系統及大型發電設備安全控制和仿真”國家重點實驗室;中國農業大學建立了土壤—作物系統虛擬實驗室。此外，南京大學、上海交通大學、河海大學、南京信息工程大學[6]等一批高校，也相繼開發了一批虛擬實驗教學系統，在物理、電子、醫學、建筑、生化、氣象等學科中發揮了重要作用。

目前虛擬仿真教學系統已經廣泛應用于高校的各類實驗室中，因此要加大對地理信息科學專業學生實踐能力的培養，擺脫高校實驗室受經費與硬件設備頻繁更新等因素的限制，使實習條件跟上最新技術的發展，滿足學生實習的需求。同時，為了改善高校地學類GIS算法課程實習教學條件、改革課程實習教學方法、提高課程實習教學水平，本文基于GIS算法課程實習中的案例原理，利用虛擬仿真技術開發GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統，使學生更為直觀地掌握GIS算法的原理，同時此平臺的建設也為地理信息科學專業等相關課程開展虛擬仿真實驗提供了有益的參考。

一、課程目標和虛擬仿真教學的優勢

（一）課程目標

GIS算法課程是一門實踐性、綜合性、應用性較強的地理信息系統基礎課程，對學生動手能力要求很高。上機實驗是該課程的必要實習環節。通過上機實驗，學生將學到的算法運用于實際操作，一方面可以更為深刻地掌握算法的基本原理;另一方面可以提高學生的計算機實際應用動手能力，讓學生有成就感，激發學生對本課程的學習興趣。課程包括原理與上機實踐。虛擬仿真教學系統是高新技術反哺教育，將GIS算法課程實習內容與虛擬仿真相結合，以完成算法原理、操作、代碼查閱、評價及結果顯示。通過各種GIS算法實驗，虛擬仿真教學系統為課程實習教學帶來了便捷。

（二）虛擬仿真教學的優勢

采用虛擬仿真技術在課程實習教學中具有以下幾點優勢：（1）突破時間空間限制，不局限于實驗室，使用電子設備就可以隨時隨地開展實習，實現線上教學，師生在線研討;（2）解決了實驗耗材搭建難的問題，通過虛擬技術模擬抽象問題，讓學生可以體驗各種實習，可以更好地獲取知識，既真實直觀又不損耗儀器，激發了學習熱情;（3）易開展綜合性實習，有利于培養學生的創新能力;（4）提高課堂效率，可以展示抽象的原理，提高教學效率;（5）安全教學，可以任意進行探索性操作，沒有安全隱患。

二、GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統的構建

（一）主要GIS算法原理

GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統的主要內容有點與線段位置關系判斷、兩線段位置關系判斷等算法，本文以矢量（點與線段、兩線段）位置關系判斷算法為例，介紹其原理[7]。

點與線段的位置關系判斷，使用矢量叉乘，設點為Q，線段為PP，主要依據是：（Q-P）×（P-P）=0，同時滿足Q在以P、P為對角頂點的矩形內。前者說明Q點在線段PP所在的直線上，后者說明Q點不在線段PP或者線段PP的延長線上。

兩線段的位置關系判斷，可確定兩條線段是否相交，分兩步：（1）快速排斥試驗。設以線段PP為對角線的矩形為R和以線段QQ為對角線的矩形為T，若R和T不相交，表明兩線段不會相交。（2）跨立試驗。若兩線段相交，則兩線段必須相互跨立對方。使用矢量叉乘，若線段PP跨立線段QQ，則矢量（P-Q）和（P-Q）位于矢量（Q-Q）的兩側，即（P-Q）×（P-Q）*（P-Q）×（Q-Q）<0。上式改寫為（P-Q）×（Q-Q）*（Q-Q）×（P-Q）>0。當（P-Q）×（Q-Q）=0時，說明（P-Q）和（Q-Q）共線，但是因為已經通過快速排斥試驗，所以P1一定在線段Q1Q2上;同理，（Q-Q）×（P-Q）=0說明P2一定在線段QQ上。故判斷線段PP跨立線段QQ的依據是：（P-Q）×（Q-Q）*（Q-Q）×（P-Q）≥0。同理，判斷線段Q1Q2跨立線段P1P2的依據是：（Q-P）×（P-P）*（P-P）×（Q-P）≥0。

（二）系統的功能

根據GIS算法課程實習教學內容，以GIS矢量（點與線段、兩線段）位置關系判斷算法為例，設計了GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統，其操作界面見圖1。系統由登錄界面功能、系統設置功能、系統判斷方式設置、要素繪制和要素繪制選項等五個模塊組成。本系統實現矢量要素的判斷功能，能夠方便地計算矢量與矢量之間的關系，實現矢量點、矢量邊的可視化。

1.登錄界面功能。在用戶初次加載此程序的時候，在GIS矢量數據位置關系判斷可視化系統加載登錄界面時，系統會完成自檢，并從后臺讀取本地的幫助文檔文件以檢測幫助文檔是否存在。若不存在，系統會提示檢測本地的幫助文檔;若存在，則完成對系統的載入。

2.系統設置功能。在系統加載完備的情況下，用戶通過點擊左上角的設置按鈕，對GIS矢量數據位置關系判斷可視化系統進行個性化設置，包括判斷方式的設置、系統是否可窗口化（縮放）、系統默認繪制方式、繪制顏色與繪制尺寸的設置。

3.系統判斷方式設置。在系統設置界面，用戶通過點擊單選按鈕進行判斷方式的選擇。自動判斷方式系統會在繪制完成后自動給出判斷的結果。手動判斷的方式，系統會提供手動判斷按鈕，在繪制完成后，用戶可以通過點擊判斷按鈕，完成對繪制要素間關系的判斷。

4.要素繪制。在完成繪制模式的選擇后，用戶通過點擊鼠標左鍵可以繪制相對應的要素，并完成可視化顯示。

5.要素繪制選項設置。可以通過系統設置以繪制不同顏色和大小的要素。

（三）系統的軟件開發平臺和技術

矢量作為GIS勾勒世界的主要手段，近年來在GIS系統乃至制圖系統中得到了越來越廣泛的應用。當前有很多的矢量算法，但是實現相關算法，并且實現其可視化的軟件卻很少。該系統的開發平臺為微軟推出的Visual Studio 2012.NET，是開發Windows平臺產品的利器。基于GIS算法理論與C#相關的編程基礎，利用C#代碼實現相關矢量算法及其可視化，實現了GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統的開發。

三、虛擬仿真教學系統的實際應用效果

以地理信息科學專業2018級本科生的課程實習教學情況為例，共有80位學生作為研究對象，通過問卷調查的形式，調查了這80位學生，回收率為100%。調查結果顯示，學生認為虛擬仿真教學網站操作簡單，能夠提高學生的自學能力，加深對知識的理解程度，對于虛擬仿真實驗教學平臺的滿意度較高（見表1）。在實習過程中，系統運行穩定，無報錯情況出現。絕大多數學生提交了合格的實習報告，達到了課程設計的預期目標。

結語

本文將GIS算法原理與虛擬現實等技術結合，采用Visual C#語言建構了GIS算法課程實習虛擬仿真教學系統，建立了登錄界面、系統設置、系統判斷方式設置、要素繪制和要素繪制選項設置等功能模塊，完成了算法原理查詢、操作、代碼查閱、評價及結果顯示，將抽象的原理變得具體，有效提高了學生對GIS算法知識的理解，也是高新技術反哺教育的典型案例，給新時代教育事業的發展增添了色彩，為各類課程的實踐教學平臺建設提供了新案例。

參考文獻

[1]陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢[J].中國現代教育裝備，2010（17）：107-109.

[2]呂淑平，王科俊，于鑫.“四自主”實驗教學模式的開展與研究[J].實驗技術與管理，2014，31（6）：12-14.

[3]郭文良，和學新.翻轉課堂：背景、理念與特征[J].教育理論與實踐，2015，35（11）：3-6.

[4]劉世偉，田世鵬，甘濤，等.虛擬實驗室的研究與應用現狀綜述[J].物聯網技術，2016，6（9）：82-83.

[5]王瑞娟，印志鴻.基于微課的翻轉課堂在任務驅動式實踐教學中的應用[J].現代教育管理，2017（12）：85-89.

[6]王勇，何檸杉，李益，等.城市內澇模型虛擬仿真教學系統[J].教育教學論壇，2019（47）：191-192.

[7]張宏，溫永寧，劉愛利，等.地理信息系統算法基礎[M].北京：科學出版社，2006.

Teaching System of Virtual Simulation for GIS Algorithm Course Practice

ZHU Ling-yi DING Yuan-yuan WANG Yong

（a.Changwang School of Honors， b.School of Geographical Sciences， c.School of Applied Meteorology， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jiangsu 210044， China）

Abstract： In order to meet the needs of the course of GIS Algorithm practice teaching for students majoring in geographic information science， we use Visual C# language to construct a virtual simulation teaching system for GIS Algorithm practice based on GIS Algorithm principles. In the system， the establishment of functional modules is realized such as login interface， system settings， system judgment mode settings， element drawing and element drawing option settings， and completes algorithm principle query， operation， code review， evaluation and result display. The system turns abstract principles into concrete images， which effectively improves students’ understanding of GIS Algorithm knowledge. This is also a typical case of high-tech and back-feeding education， which adds color to the development of education in the new era， and also provides new cases for the construction of practical teaching platforms for various courses.

Key words： virtual simulation; GIS Algorithm course practice; Visual C#; system