簡述地理信息科學前沿研究及其在中學教學的意義

彭國強

（陜西師范大學 地理科學與旅游學院，陜西 西安 710119）

引言

地理信息科學（Geographic Information Science,GIS）是地理學一級學科的重要分支學科之一，目前國內大約有190所大學開設了地理信息科學相關專業［1］。在技術和工具層面GIS被定義為一種特定的十分重要的空間信息系統，它是在計算機軟硬件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據，進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統［2］。在科學層面，GIS更加強調與綜合運用信息技術、計量地理學、空間科學等相關學科所提供的技術和方法支撐，探索和揭示地理現象和要素的分布形態、時空演化規律、相互作用和影響機制，從而服務于地理決策支持［3］。

傳統的中學地理教學以地理知識傳遞為主，存在著明顯的死記硬背現象，這也讓中學地理教學具備了較為明顯的文科特征。但在實際學習過程中，地理知識的內容又包含了實驗分析、推理、野外考察、空間化抽象等諸多邏輯思維和實證特性。因此，在中學地理實踐教學、邏輯論證十分缺乏的當今，急需一種直觀、可視的分析實驗方法，幫助中學生以實踐和邏輯論證的方式進行地理知識發現與規律探索。

一、地理信息科學研究內容及當前研究熱點

地理信息科學研究內容的具體表現形式包括：地理數據的采集與獲取、地理數據組織與管理、地理數據分析與應用、地理可視化理論與方法以及地理信息技術在當代地理學研究中的綜合應用［2］。

（一）地理數據的采集與獲取

地理數據采集與獲取是利用數字化、信息化方法對描述現實世界地理實體及其特征的數據生產步驟［2］。近年來，隨著傳感器技術的發展，以高精度雷達傳感器為代表的數據采集方式越來越廣泛，其主要采集的數據內容包括：基于傾斜射影數據的實景三維數據采集、基于點云的高精度測量及形變數據采集等。此外，隨著智能手機、平板電腦等普通用戶終端設備的普及，文字和照片圖像也非常容易地被賦予地理坐標信息或打上空間位置標記，這些文字或圖像信息，也被認為是廣義上的地理數據。

（二）地理數據的組織與管理

在信息化和數字化時代，地理數據的存儲是指不同儀器和設備采集的地理信息在計算機中的存儲和組織方式［2］。近年來，隨著數據采集和來源的類型越來越多，地理數據越來越呈現出多源異構的特征，如：常用的測繪儀器和傳感器采集的數據主要是上文提到的以矢量及柵格數據格式存儲的結構化數據，而普通用戶終端所產生的具有空間位置信息的文字、圖像、音視頻數據，常具有明顯的非結構化數據特征。因此，目前地理數據庫的研究熱點也聚焦在對地理數據進行分布式存儲和對非結構化數據的存儲和管理方面。

（三）地理數據分析與應用

地理數據分析是對于地理要素及實體對象的特征、空間現象、時空分布和演化規律的定量化研究技術和方法，其基本內涵是通過對地理數據進行不同的計算和變換使之具有不同的形式和維度，并且提取其潛在的信息［2］。近年來，地理空間大數據分析的研究范式的不斷完善，人工智能分析識別方法、虛擬仿真等技術快速進步，地理大數據分析、基于AI的地理時空大數據的分析與計算、三維空間分析等方法得到了長足的發展，成為當前空間分析領域的研究熱點和前沿［5］。

（四）地理可視化的理論與方法

地理可視化是地理信息的核心研究技術和方法之一，傳統的地圖學及地圖制圖是地理可視化研究和應用的經典代表［4］。近年來，地理數據的動態可視化技術主要聚焦于通過計算機圖形學、渲染技術將眾源地理數據進行可視化表達，如：人口交通流熱力圖、人口遷徙圖等，強調對不同地理數據的時空演化規律進行揭示與表達。地理數據的動態可視化技術，主要來自于眾源大數據。實景三維場景因其具有更為逼真的表達能力，一直是地理可視化的重要的發展方向，其廣泛應用于三維實景導航、智慧城市等領域。總體來看，隨著計算機圖形學和計算機軟硬件技術的發展和進步，數字孿生、虛擬地理環境等技術成為了地理可視化領域的研究熱點，尤其是數字孿生技術，已經成為最接近于實現全真互聯網元宇宙的技術手段。

（五）地理信息技術在當代地理學研究中的綜合應用

除上述地理信息技術主要研究方向之外，地理信息技術在新興研究方向還包括：地理建模與模擬、地理空間人工智能、基于GIS的地理綜合研究等［6］。

在地理建模與模擬方面，近年來，基于不同領域數學物理模型進行的地理建模與模擬得到了長足的發展，如：水流過程、經濟演化、傳染病擴散等，這些行業模型大多依賴于地理信息技術提供的數據支撐作為模型模擬的初始條件，借助于地理可視化等技術對模擬結果進行動態表達。人工智能技術正逐漸影響和改變著各行各業的研究范式，地理學亦不例外。近年來，地理空間人工智能也是地理信息科學新的研究范式之一，人工智能在知識發現與知識自動提取方面的優勢和能力，與地理學揭示一般性規律的目標不謀而合。隨著研究數據越來越豐富，為基于深度學習和機器學習的地理人工智能研究提供了足夠多的訓練樣本。

在基于GIS的地理綜合研究方面，地理信息科學與技術在當代地理學綜合研究的支撐作用，主要體現在以下方面：（1）地理數據對地理空間異質性特征的綜合表達能力。（2）地理綜合研究的一大主題是，能重現地理環境過往、反演地理環境的現狀、模擬地理環境的未來演化規律、揭示要素之間的相互作用規律與響應機制，并將地理綜合研究中的內容進行動態可視化表與輸出。（3）地理綜合研究涉及諸多的交互、模擬、信息輸出，這些交互、模擬與信息輸出是依賴于現代信息技術手段來完成的，基于地理信息技術的綜合應用系統是實現地理綜合研究的重要平臺與載體。

二、中學階段GIS教學的意義及教學實施案例

（一）GIS支撐中學地理教學的意義

地理信息技術不僅已經深入到人們生活的方方面面，還服務于國家的重大發展戰略，其逐漸成了人們應該掌握和具備的基本知識和技能，也是國家經濟發展和社會創新的重要動力源泉。近年來，隨著以個人電腦、智能終端等為代表的信息技術普及度的大大提高，人們掌握和使用信息技術的門檻逐漸降低，全民信息素養大幅提高，以及中學階段信息技術教育進一步加強，這些社會發展和進步都為GIS技術走進中學課堂提供了良好的基本支撐條件。目前，在我國發達城市的部分重點中學，如上海、北京等地區的部分中學，已經在高中階段的地理教學中初步加入了GIS技能訓練的教學內容。相關教學內容可讓學生掌握主流GIS軟件的基本用法，如：基本的數據讀取、數據處理、地理分析、制圖展示等。在學生掌握主流GIS軟件的基本使用方法后，進一步將地理教學中的知識點所包含的數據采集、數據加工處理、地理分析、分析結果的可視化輸出與共享，這些重要的環節均通過GIS軟件進行實現。該種教學方法可以一定程度上避免學生死記硬背的情況，讓學生能夠更好地綜合運用地理知識去分析地理規律和探索地理問題。

此外，地理信息技術在培養中學生地理核心素養方面也有著諸多的天然優勢。如：通過對地理環境演化規律的建模與模擬，對空間分析算法或數值計算模型采取不同的輸入邊界條件，可得到不同的模擬分析結果，以揭示人地關系的相互作用，依托地理信息技術的直觀可視化的因果分析結果展示可以更好地幫助學生建立起良好的人地協調觀。不同尺度和方法的地理分析方技術，還可以揭示地理要素和實體對象之間的時空演化及相互作用機制，可以幫助學生更好地分析和認識要素之間的動態互饋過程，幫助學生建立起良好的綜合性思維。不同區域、不同層次的地理數據的綜合表達與統計分析，以及數據之間的對比分析，是增加區域認知的良好支持條件，傳統GIS的制圖技術可幫助學生直觀地認知區域之間的差異性及協調性。中學地理教學中野外實踐條件是有限的，GIS的數字化表達和虛擬仿真可視化能力，可以彌補真實環境中地理實踐條件的不足，此外，信息技術時代背景下，數字化實踐能力本身也是地理實踐能力的重要組成部分。

（二）運用GIS技術開展中學GIS教學實施案例

1.運用GIS進行海拔高度與等高線知識點的教學。海拔高度與等高線是中學地理教學中的基本知識點。傳統的中學地理教學中，往往只是以圖片和文字的方式進行講解，而運用GIS技術進行教學可以讓學生更為直觀和沉浸式地進行知識的學習理解。在海拔高度方面，可以結合在線網站天地圖、PC端軟件谷歌地球、移動端虛擬地球等平臺和軟件進行講解。教師可以動態地將地圖切換到我國的黃海海平面以介紹海拔高度知識點中的基準高程概念，通過讓學生提問查詢世界任意位置的海拔，構建起互動式的教學模式，以活躍課堂氣氛。在完成基準高程和任意位置海拔高度認知后，進一步通過不同區域的平均海拔分析方法，引入我國的三級階梯的概念；通過查詢世界上海拔最高的山峰區位和海拔高度值、世界上海拔最低的海溝區位及海拔高度值，進一步基于海拔高度的知識點進行世界地理認知方面的教學，將海拔高度知識實際用于地理認知中。

在運用GIS技術進行等高線知識點的教學方面，教師可以結合ArcGIS，SuperMap等GIS軟件，展示等高線地圖的生產過程，使得學生不僅具備判讀等高線的能力，還了解其具體的制作過程。主要制作流程為：（1）導入由測繪部門采集生產的高程點數據；（2）運用空間插值工具將離散的高程點數據插值為連續的數字高程模型；（3）運用等高線提取工具（如：ArcGIS的contour）生成不同間距的等高線；（4）對等高線數據添加標注、比例尺、圖例等地圖要素，進行等高線制圖并輸出。在教學實施環節，可簡要介紹高程點的基本采集方法，還可通過生成不同間距的等高線進行對比教學。通過上述豐富的教學內容，增加學生的學習興趣，進一步增強學生對知識的理解和掌握能力。

2.運用GIS 進行世界降雨量分布知識點的教學。本案例需要的教學數據主要包括：（1）基于Excel 存儲的單一站點多時間序列降雨量數據；（2）基于Excel的某區域多個雨量站點多時間序列降雨量數據；（3）基于柵格數據存儲的全球不同季度的降雨量分布數據。教學實施過程中，教師可基于數據（1）詳細講解降雨量數據的采集和存儲方式，基于數據（2）講解不同區域、不同時刻降雨量的空間和時間上的差異性，數據（2）的內容可以用Excel統計圖表的方式進行講解，也可轉換成GIS中的柵格地圖數據進行直觀展示。在完成降雨量數據采集原理、區域降雨量的差異性認知的基礎上，基于數據（3）對全球降雨數據進行展示和對比分析，對比分析包括時間維度和空間維度兩個方面，再將中學降雨量知識點的其他主要內容結合全球降雨量分布數據進行交互式講解。教師講解過程中通過查詢不同區域、不同時刻的平均降雨量，向學生提問，例如：你們覺得不同季節降雨量最多的區域是哪里？老師可通過GIS軟件實時統計和顯示任意區域的降雨量，基于數據實證的方式回答學生所提出各種關于全球降雨量分布的問題，可在拓展教學內容的基礎上，進一步活躍課堂的氣氛。

結語

基于GIS的地理建模與分析計算具有嚴格的邏輯推理和實證性特征，基于GIS的地理分析結果也能夠得到直觀可視化的表達，GIS的這些典型特征與優勢正好彌補中學地理教學的不足，從而有效提升中學地理教學中理科特性的教學能力。在信息技術和智能化應用高度發展的時代大背景下，全民信息化素養的大大提高和中學階段信息技術教育的加強，使地理信息技術教育在中學階段開展具備了切實可行的基礎條件。