GIS專業(yè)基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的DEM生成教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李 佳,段 平,賀軍亮,張 馳

(1．云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650050;2．石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 石家莊 050035;3．南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019)

GIS專業(yè)基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的DEM生成教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李 佳1,段 平1,賀軍亮2,張 馳3

(1．云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650050;2．石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 石家莊 050035;3．南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019)

數(shù)字高程模型是地理信息科學(xué)專業(yè)的必修課，DEM生成方法是該課程的核心知識(shí)點(diǎn)之一。通常以GIS軟件為實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)構(gòu)建DEM，GIS軟件提供良好的操作界面且簡化教學(xué)過程，但軟件同時(shí)會(huì)弱化學(xué)生對(duì)DEM生成過程的理解，而面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程往往開設(shè)在數(shù)字高程模型課程之前。文中融合面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)和數(shù)字高程模型課程知識(shí)點(diǎn)，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想對(duì)DEM課程中的DEM生成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，為GIS專業(yè)的DEM生成實(shí)驗(yàn)提供新的教學(xué)思路，提升DEM課程教學(xué)實(shí)踐的品質(zhì)和效果。

地理信息科學(xué)；面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)；數(shù)字高程模型；TIN

1998年地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)專業(yè)通過教育部批準(zhǔn)設(shè)立，于2012年在教育部印發(fā)的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄(2012年)》中更名為地理信息科學(xué)專業(yè)(Geographic Information Science，GIS)[1]。GIS專業(yè)在我國開設(shè)時(shí)間并不長，但是其發(fā)展速度較為迅猛，目前國內(nèi)開設(shè)GIS專業(yè)的高校多達(dá)170多所，每年培養(yǎng)GIS畢業(yè)生近萬人[2-3]，在專業(yè)課程設(shè)置中，數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是GIS專業(yè)的必修課，同時(shí)也是GIS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[4]。

DEM是對(duì)地表數(shù)字化表示，其數(shù)據(jù)本質(zhì)是離散高程數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)本身不能反映實(shí)際地表的幾何特征，因此需要合理地對(duì)離散高程數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確組織才能有效表達(dá)地形表面，即空間結(jié)構(gòu)化組織[5-7]。常見的DEM空間結(jié)構(gòu)化組織有二種：不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)或者規(guī)則格網(wǎng)，在數(shù)據(jù)組織過程中，可以首先對(duì)散亂高程數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN模型，然后利用插值方法將TIN模型轉(zhuǎn)換為規(guī)則格網(wǎng)DEM。目前，大多數(shù)商業(yè)GIS軟件(如ArcGIS，Surfer)均提供良好的操作界面，實(shí)現(xiàn)以上兩種DEM空間結(jié)構(gòu)化組織的生成方法。在DEM教學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，商業(yè)GIS軟件常被選用于DEM課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[8]，盡管它提供高效的DEM生成方法，但簡化中間生成過程，弱化學(xué)生對(duì)DEM生成方法流程的深刻理解。

DEM課程通常在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期開設(shè)，而學(xué)生前期已經(jīng)學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、GIS設(shè)計(jì)等程序開發(fā)的基礎(chǔ)課程，已經(jīng)具備程序開發(fā)良好素質(zhì)，如何有效地將前期學(xué)習(xí)的程序設(shè)計(jì)專業(yè)課程知識(shí)與DEM課程相結(jié)合，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)DEM生成方法，不僅可以讓學(xué)生深刻理解DEM生成的整個(gè)過程，而且還能加強(qiáng)學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域上的程序開發(fā)能力。

基于此，以構(gòu)建二種空間結(jié)構(gòu)化的DEM為目的，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)生成TIN和規(guī)則格網(wǎng)DEM的實(shí)驗(yàn)方案，其中TIN的生成方法采用相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的逐點(diǎn)插入法，在逐點(diǎn)插入法中涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆棧結(jié)構(gòu)，而在DEM可視化中涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，本文DEM生成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可將所學(xué)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)專業(yè)知識(shí)串連起來，加強(qiáng)學(xué)生在多門課程中對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通。

1 DEM插值實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)以Microsoft Visual Studio 2010為開發(fā)環(huán)境，采用C#面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言，對(duì)離散采樣數(shù)據(jù)(x，y，z)構(gòu)建兩種表達(dá)形式的DEM，該方法主要分為3個(gè)部分(見圖1)：首先采用逐點(diǎn)插值法對(duì)離散采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建TIN模型；其次，在TIN模型的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)插方法(如：三角形線性內(nèi)插等)構(gòu)建格網(wǎng)DEM，并對(duì)規(guī)則格網(wǎng)DEM進(jìn)行可視化表達(dá)；最后，將規(guī)則格網(wǎng)DEM以ASCII碼進(jìn)行存儲(chǔ)，可用于后期與ArcGIS軟件兼容顯示。

圖1 基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的 DEM生成方案

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)具有易維護(hù)、易擴(kuò)展、質(zhì)量高、效率高等特征，是一種全新的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法，但是對(duì)于初學(xué)者不易接受。學(xué)生在學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言后，應(yīng)該重點(diǎn)掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想，而不是程序設(shè)計(jì)語言本身。目前面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的教材主要由計(jì)算機(jī)專業(yè)背景的人員編寫，主要面向計(jì)算機(jī)信息等領(lǐng)域，在課程的實(shí)際舉例中，如類、對(duì)象及繼承性等的實(shí)例講解，多數(shù)是以現(xiàn)實(shí)生活中的“人、動(dòng)物”為例子[9]，沒有涉及GIS相關(guān)課程的內(nèi)容。因此，如能采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)GIS相關(guān)課程的問題，應(yīng)用該課程來解決GIS專業(yè)知識(shí)問題，可使學(xué)生深刻理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想，游刃有余地處理各種GIS專業(yè)知識(shí)。

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想是將一個(gè)大的問題分解為多個(gè)對(duì)象，把對(duì)象作為程序處理的單元，它包含封裝的數(shù)據(jù)和操作。將具有共同特征的對(duì)象抽象為一個(gè)個(gè)類，一個(gè)對(duì)象是通過實(shí)例化類來構(gòu)造的。圖2為采用面向?qū)Υ顺绦蛟O(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)DEM構(gòu)建中較為典型的類圖。

1.1 點(diǎn)類的設(shè)計(jì)

散亂高程數(shù)據(jù)點(diǎn)集是構(gòu)建TIN和規(guī)則格網(wǎng)DEM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將每個(gè)點(diǎn)設(shè)計(jì)為類，命名為Point，將點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y，z)設(shè)置為類中的私有變量，通過屬性將私有變量封裝，以提高程序的安全性。基本變量設(shè)計(jì)后，需要考慮點(diǎn)類中的方法，在DEM的構(gòu)建中經(jīng)常會(huì)計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離，因此定義方法為getDist(Point p1，Point p2)，getDist為方法名，括號(hào)為方法的兩個(gè)參數(shù)，最終方法是計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離，返回類型是雙精度型。

圖2 主要類圖設(shè)計(jì)

1.2 三角形類的設(shè)計(jì)

TIN是DEM表達(dá)的一種方式，是多個(gè)三角形構(gòu)成的集合。在TIN模型的構(gòu)建過程中，需要設(shè)計(jì)三角形類。三角形由3個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，則三角形類中包含3個(gè)點(diǎn)的基本變量。采用逐點(diǎn)插入算法構(gòu)建TIN模型，涉及如下操作方法：①判斷點(diǎn)是否在三角形內(nèi)，返回類型為布爾型；②三角形面積計(jì)算，返回類型為雙精度型；③三角形外接圓圓心計(jì)算，返回類型為Point類型；④判斷三角形外接圓是否包含數(shù)據(jù)點(diǎn)，若包含，返回類型為Point類型，反之則返回Null；⑤TIN模型的可視化表達(dá)，返回類型為void；⑥對(duì)TIN模型中的三角形進(jìn)行繪制，方法主要調(diào)用Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)的Graphics類，對(duì)三角形的邊進(jìn)行繪制。

1.3 區(qū)域索引中矩形類的設(shè)計(jì)

逐點(diǎn)插入算法中，每插入一個(gè)點(diǎn)都需要判斷點(diǎn)落入的三角形。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量很大時(shí)，三角形的搜索非常耗時(shí)，因此在逐點(diǎn)插入過程中，可以采用區(qū)域索引來提高三角形的查找速度[10]。

區(qū)域索引是將整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域劃分為多個(gè)大小相同的矩形，判斷當(dāng)前已構(gòu)建的TIN中每個(gè)三角形與矩形是否重疊，如重疊，則該矩形存儲(chǔ)當(dāng)前TIN中三角形的索引編號(hào)，在后期查找點(diǎn)落入的三角形，只需判斷點(diǎn)所在的矩形內(nèi)所存儲(chǔ)的三角形即可。

區(qū)域索引矩形類包含4個(gè)點(diǎn)類型，分別表示矩形4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，方法主要包含索引計(jì)算及索引搜索兩部分。

1.4 DEM插值方法類設(shè)計(jì)

該類的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況而定，如果過度細(xì)化各項(xiàng)功能，抽象出過多的類，則可能引起代碼的冗余。如果直接從離散的高程數(shù)據(jù)中采用某種插值方法生產(chǎn)規(guī)則格網(wǎng)DEM，則可以設(shè)計(jì)插值類，包含常見的插值方法。如果從TIN中生產(chǎn)規(guī)則格網(wǎng)DEM，則可在三角形類中直接定義線性插值方法，通過該方法直接生產(chǎn)規(guī)則格網(wǎng)DEM。涉及到插值方法，必然存在誤差，因此在DEM插值方法類設(shè)計(jì)中，需要采用逐點(diǎn)交叉驗(yàn)證方法進(jìn)行誤差分析，至少包含4種誤差指標(biāo)：最大誤差、最小誤差、平均誤差、均方根誤差。

1.5 規(guī)則格網(wǎng)DEM類設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)規(guī)則格網(wǎng)DEM類，命名為DEM，定義規(guī)則格網(wǎng)DEM的變量，如規(guī)則格網(wǎng)DEM的分辨率(Cell Size)，規(guī)則格網(wǎng)的起始坐標(biāo)(x，y)以及沿著x，y方向等間距Δx，Δy，根據(jù)起始坐標(biāo)和等間距比例n就可以計(jì)算任一點(diǎn)的規(guī)則格網(wǎng)DEM的坐標(biāo)(x+n·Δx，y+n·Δy)，相應(yīng)的高程值可以調(diào)用DEM插值方法類中的某一插值方法計(jì)算得到。

構(gòu)建規(guī)則格網(wǎng)DEM的可視化表達(dá)方法，命名為gridDEMVision，方法主要包含對(duì)每一個(gè)規(guī)則格網(wǎng)的高程值轉(zhuǎn)換為(0-255)的灰度值，調(diào)用Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)下的畫筆函數(shù)對(duì)規(guī)則格網(wǎng)DEM進(jìn)行有效表達(dá)，并設(shè)置圖像顯示的刷新頻率。

構(gòu)建規(guī)則格網(wǎng)DEM的ASCII碼存儲(chǔ)方法，命名為gridDEMToAscII，方法主要是將每一個(gè)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的高程值以ASCIII碼存儲(chǔ)在文本中，使得學(xué)生自己所構(gòu)建的規(guī)則格網(wǎng)DEM結(jié)果可與ArcGIS軟件兼容，便于在ArcGIS中進(jìn)行基于規(guī)則格網(wǎng)DEM的空間分析操作，從而增加學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的成就感。

最終構(gòu)建DEM所設(shè)計(jì)的類、對(duì)象、方法，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行思考后設(shè)計(jì)。

2 基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想的DEM生成所涵蓋的課程和知識(shí)點(diǎn)

GIS專業(yè)課程可分為專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課、專業(yè)實(shí)踐課。專業(yè)基礎(chǔ)課包含地球科學(xué)導(dǎo)論、地貌學(xué)、C++程序設(shè)計(jì)、自然地理學(xué)、測量學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫原理、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地圖學(xué)、數(shù)字測圖、遙感概論及應(yīng)用、測量平差、遙感地學(xué)分析、GPS原理及應(yīng)用、數(shù)字?jǐn)z影測量；專業(yè)課包括地理信息系統(tǒng)原理及應(yīng)用、數(shù)字高程模型、GIS二次開發(fā)、空間分析、GIS設(shè)計(jì)、空間數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用[11-12]。從第1節(jié)可知通過面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想的DEM生成方法則可涵蓋多門課程的內(nèi)容，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的DEM生成方法所包含的課程與內(nèi)容

表1說明采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想構(gòu)建DEM，可使學(xué)生對(duì)前期所學(xué)的多門課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融合貫通。

3 實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，采用逐點(diǎn)插入法構(gòu)建離散高程數(shù)據(jù)的TIN，同時(shí)在TIN的基礎(chǔ)上可轉(zhuǎn)換為規(guī)則格網(wǎng)DEM，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)界面和最終DEM生成結(jié)果如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)界面與DEM生成結(jié)果

實(shí)驗(yàn)界面包含TIN的構(gòu)建，規(guī)則格網(wǎng)DEM構(gòu)建、ASCII碼格式的DEM轉(zhuǎn)換、誤差分析等，界面設(shè)計(jì)涉及到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的Windows界面知識(shí)點(diǎn)，可使學(xué)生熟練掌握該部分的知識(shí)點(diǎn)，為后期從事GIS設(shè)計(jì)與開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最終目的是通過基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的DEM生成實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力。對(duì)2014級(jí)地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的DEM生成教學(xué)后，其中81%學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)具有濃厚的興趣，深刻理解DEM的生成過程，其中63%的學(xué)生可以獨(dú)立編寫GIS專業(yè)方面的程序，通過本文教學(xué)實(shí)驗(yàn)取得的效果與2013級(jí)地理信息科學(xué)學(xué)生相比，其對(duì)DEM生成過程及編程興趣和編程能力均有所提高。

4 結(jié) 論

本文從生成DEM教學(xué)實(shí)驗(yàn)出發(fā)，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想，以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)開發(fā)語言為基礎(chǔ),Microsoft Visual Studio 2010為開發(fā)平臺(tái)，從代碼底層設(shè)計(jì)DEM插值實(shí)驗(yàn)方案，通過該實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生將多門課程的內(nèi)容緊密聯(lián)系起來，提高課堂教學(xué)效果。除此之外，本文基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想的DEM生成教學(xué)實(shí)驗(yàn)同樣也可用于DEM課程中的其它實(shí)驗(yàn)部分，如等高線的生成方法、地形細(xì)節(jié)層次技術(shù)(Level of Detail，LOD)等方面。

[1] 程朋根，聶運(yùn)菊，夏云平，等.對(duì)地方高校地理信息科學(xué)專業(yè)教育的探討[J].測繪通報(bào)，2014(6)：120-123.

[2] 湯國安,董有福,唐婉榮,等.我國GIS專業(yè)高等教育現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013(6):26-31.

[3] 湯國安，龍毅，李云梅，等.地理信息系統(tǒng)專業(yè)建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2009(9)：45-47.

[4] 湯國安.我國數(shù)字高程模型與數(shù)字地形分析研究進(jìn)展[J].地理學(xué)報(bào)，2014,69(9)：1305-1325.

[5] 段平，盛業(yè)華，呂海洋，等.基于多層緊支撐徑向基函數(shù)的DEM插值方法[J].地理與地理信息科學(xué)，2014,30(5)：38-41.

[6] 湯國安，劉學(xué)軍，閭國年.數(shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[7] 李芹.利用DEM輔助判定地形類別的方法[J].測繪與空間地理信息，2016,39(2)：142-143.

[8] 吳政庭，嚴(yán)泰來，洪本善，等.互動(dòng)式教學(xué)用于地理信息系統(tǒng)課程的方法研究[J].測繪通報(bào)，2015(2)：129-132.

[9] 程鋼，吳志強(qiáng)，楊杰，等.故事教學(xué)法在GIS專業(yè)“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)與開發(fā)”課堂教學(xué)中的運(yùn)用[J].測繪通報(bào)，2015(11)：129-132.

[10] 段平，盛業(yè)華，李佳，等.自適應(yīng)的IDW插值方法及其在氣溫場中的應(yīng)用[J].地理研究，2014，33(8)：1417-1426.

[11] 洪亮，潘先春，楊昆，等.GIS專業(yè)本科課程體系建設(shè)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011,8(6)：139-141.

[12] 柯長青，李滿春，王結(jié)臣.與時(shí)俱進(jìn) 培養(yǎng)地理信息科學(xué)拔尖創(chuàng)新人才[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013(7)：28-30.

[責(zé)任編輯：張德福]

Teaching experimental design of DEM generation based on object-oriented programing design for GIS specialty

LI Jia1,DUAN Ping1,HE Junliang2,ZHANG Chi3

(1.School of Tourism and Geographical Sciences,Yunnan Normal University,Kunming 650050，China 2.Department of Resources and Environment,Shijiazhuang University,Shijiazhuang 050035,China;3.College of Geographic Science,Nantong University,Nantong 226019,China)

Digital Elevation Model (DEM) is a required course for the Geographic Information Science (GIS) major.One of the core knowledge points of this course is the DEM generation method.GIS software as an experimental operating platform,is used for construction of DEM,which provides a friendly operating interface and simplifies the teaching process.But at the same time,it weakens the students’ understanding of the DEM generation process.And object-oriented programming courses are often set up before DEM courses.This paper integrates the object-oriented programming and the digital elevation model courses knowledge points,uses the thought of object-oriented programming to design and implements the DEM generation experiment in DEM curriculum.A new teaching idea is provided for the DEM generation experiment of GIS major, which ultimately can improve the quality and effectiveness of teaching practice.

geographic information science;object-oriented programming;digital elevation model;triangulated irregular network

引用著錄：李佳,段平,賀軍亮，等.GIS專業(yè)基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的DEM生成教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].測繪工程，2017，26(5)：76-80.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.016

2016-06-29

石家莊學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JGXM-201527A)；南通大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(2015B56)

李 佳(1984-)，女，講師，博士.

G642

A

1006-7949(2017)05-0076-05