地理信息科學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容改革實(shí)踐

沈敬偉

【摘 要】在當(dāng)前地理信息科學(xué)專業(yè)教學(xué)中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容和計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容相似，如果不能很好地結(jié)合地理信息科學(xué)專業(yè)的特色進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，就無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。結(jié)合地理信息科學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和地理信息系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 地理信息科學(xué)專業(yè) 教學(xué)內(nèi)容改革

一、前言

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門綜合性專業(yè)基礎(chǔ)課，算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的兩大支柱。地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。作為計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是GIS專業(yè)的核心課程。然而，計(jì)算機(jī)專業(yè)和GIS專業(yè)學(xué)生專業(yè)背景不同，學(xué)習(xí)重點(diǎn)也不同。因此，在GIS專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中，根據(jù)本專業(yè)的需求，并結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)內(nèi)容是十分必要的。

二、GIS專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)存在問題

通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握：數(shù)據(jù)的各種邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，包括線性表、棧、隊(duì)列、串、樹、圖等；基于各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各種運(yùn)算，如插入、刪除、檢索等；基于各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法，例如基于圖的最短路徑分析、查找算法等；分析算法的效率，主要指算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度[1]。

GIS專業(yè)是一門集地理學(xué)、計(jì)算機(jī)、遙感技術(shù)和地圖學(xué)于一體的新型專業(yè)。GIS專業(yè)的學(xué)生不僅要有深厚的計(jì)算機(jī)功底，而且還應(yīng)該具有較強(qiáng)的空間思維能力，能夠處理和分析二維/三維的地理空間數(shù)據(jù)。然而教師在當(dāng)前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中，普遍重視非空間數(shù)據(jù)的處理，較少涉及空間數(shù)據(jù)的組織和管理。同時(shí)，學(xué)生對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與GIS專業(yè)的關(guān)系非常疑惑，特別是常規(guī)的教學(xué)內(nèi)容與方法，不能與專業(yè)相結(jié)合，學(xué)習(xí)起來就比較困難。

通過近幾年的教學(xué)研究，筆者在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程引入空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、空間數(shù)據(jù)管理、空間關(guān)系、空間分析等與GIS專業(yè)關(guān)系密切的教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有了更好的理解，對(duì)GIS的學(xué)習(xí)也有了很好的促進(jìn)作用。

三、GIS專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容改革實(shí)踐

（一）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究?jī)?nèi)容包括線性表、棧、隊(duì)列、串、樹、圖等結(jié)構(gòu)。它們不僅能夠?qū)Ψ强臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)，也能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的不再是整型、浮點(diǎn)型、字符型等簡(jiǎn)單類型，還可以是各種各樣的空間數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，要求學(xué)生能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)點(diǎn)、線和面等不同維度的矢量和柵格空間數(shù)據(jù)、影像空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體（或類），并實(shí)現(xiàn)線性表、棧、隊(duì)列、串、樹、圖等結(jié)構(gòu)的定義和運(yùn)算，使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠處理各種類型的空間數(shù)據(jù)。

（二）樹結(jié)構(gòu)用于空間數(shù)據(jù)管理

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，要求學(xué)生能夠利用樹結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)典型的空間數(shù)據(jù)索引。空間數(shù)據(jù)的一個(gè)非常重要的特性是其海量特征。海量的空間數(shù)據(jù)管理，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的空間索引。作為一種輔助性的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，空間索引介于空間操作算法和空間對(duì)象之間，它通過篩選作用，排除大量與特定空間操作無關(guān)的空間對(duì)象，從而提高空間操作的速度和效率。比較有代表性的空間索引有格網(wǎng)索引、四叉樹索引、R樹和R+樹索引、CELL樹索引。

空間索引的設(shè)計(jì)需要樹結(jié)構(gòu)的支持。例如，四叉樹空間索引的構(gòu)建可以用樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。通過建立樹結(jié)構(gòu)表示，表達(dá)地理空間對(duì)象，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的快速檢索。

（三）圖結(jié)構(gòu)用于空間關(guān)系表示

GIS不僅關(guān)心空間目標(biāo)自身的幾何特征及屬性，還必須能夠處理其與所處環(huán)境間的關(guān)系。因此，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，要求學(xué)生掌握空間關(guān)系的基本理論并設(shè)計(jì)相應(yīng)的圖結(jié)構(gòu)，使圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ω鞣N空間關(guān)系進(jìn)行計(jì)算機(jī)表達(dá)。

空間關(guān)系是GIS的核心研究?jī)?nèi)容之一，主要包含拓?fù)洹⒎轿缓投攘靠臻g關(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系描述了空間對(duì)象在拓?fù)渥儞Q下的拓?fù)洳蛔兞浚环轿魂P(guān)系描述了空間對(duì)象之間的相對(duì)位置信息；度量空間關(guān)系是用某種度量空間中的度量來描述對(duì)象間的關(guān)系。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持空間關(guān)系的計(jì)算機(jī)表達(dá)，也是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中的重點(diǎn)。

空間關(guān)系可以通過圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)。圖G是由集合V（G）和E（G）組成，記為G=（V，E），其中V（G）是頂點(diǎn)的非空有限集合，E（G）是邊的有限集合，邊是點(diǎn)的無序?qū)蛴行驅(qū)ΑＴ诳臻g關(guān)系的表達(dá)過程中，采用頂點(diǎn)表示地理空間對(duì)象，邊表示地理空間對(duì)象之間的空間關(guān)系。V（G）表示地理空間對(duì)象集合，E（G）表示地理空間對(duì)象關(guān)系的集合。然而，地理空間對(duì)象之間存在多種空間關(guān)系，例如，地理空間對(duì)象A和B之間的拓?fù)潢P(guān)系為相離、方位關(guān)系為東、度量關(guān)系為10米。這就需要定義多種子圖，分別表達(dá)不同的空間關(guān)系，然后將各種子圖進(jìn)行合并，形成一個(gè)更高級(jí)別的圖集合。可以定義圖的集合：，其中，表示圖的集合，分別表示各種子圖。

（四）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于空間分析

GIS包含很多空間分析方法，如疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析等。其中，網(wǎng)絡(luò)分析通過研究網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)以及模擬和分析資源在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)和分配情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其資源的優(yōu)化問題進(jìn)行研究。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，要求學(xué)生掌握空間分析的基本理論并設(shè)計(jì)相應(yīng)的圖結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的Dijkstra算法進(jìn)行路徑選擇、資源分配和網(wǎng)流量分析。

網(wǎng)絡(luò)分析可以通過圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。例如，基于圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的Dijkstra算法能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，能夠選取一條最優(yōu)的路徑，也可以選擇合理的資源配置中心，同樣可以選擇最佳的布局中心。

四、結(jié)論和展望

空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、空間數(shù)據(jù)管理、空間關(guān)系、空間分析是GIS專業(yè)的核心研究?jī)?nèi)容。教師結(jié)合GIS專業(yè)特色，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在GIS方面的應(yīng)用，使教學(xué)內(nèi)容更具有針對(duì)性，既有利于增強(qiáng)GIS專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的興趣，又有利于GIS專業(yè)人才培養(yǎng)。

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