基于專題式教學法的城市規劃專業3S技術課程研究

張瑞芳 張萍

摘 要：針對城市規劃專業3S技術課程中存在的問題，論述了使用以任務為導向的專題式教學法的必要性，提出了適合城市規劃專業本科生3S技術課程的幾大教學專題，并對各專題下的理論及實踐環節進行了詳細設計。

關鍵詞：城市規劃；3S技術；專題式教學法；課程設置

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2017）17-0107-04

Abstract： Aiming at the problems existing in the 3S technical course of urban planning， this paper discusses the necessity of using the task-oriented thematic teaching method， and puts forward some major teaching topics suitable for 3S technical course of urban planning majors and makes detailed design for the theoretical and practical links under the various topics.

Keywords： urban planning； 3S technology； thematic teaching method； course setting

3S是地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）、和全球定位系統（GPS）的統稱，是采集空間信息并管理、建模、分析及顯示地理信息的技術，尤其是GIS技術日益被應用到城市規劃編制和管理中，成為全新的城市規劃技術平臺和分析決策工具，促進了城市規劃信息分析方法由定性為主演變為定性與定量并舉，使得城市規劃方案更加科學。

我校對城市規劃專業本科生在幾年前就開設了3S技術課程，但存在許多問題，解決教學中存在的教學內容與城市規劃專業實踐相脫離等問題，是擺在教師面前的重要課題。

一、教學中存在的問題

（一）時間緊任務重

3S技術是邊緣交叉綜合性學科，在理論和內容上相當復雜， 涉及到數學、物理、電子、計算機技術、空間技術等諸多學科。3S技術課程要求講授空間數據及分析理論，還有ArcGIS、ERDAS、FME、SPSS等數據處理軟件的操作。理想的教學學時應該在100學時左右，但現實是在我校城市規劃專業，這門講授3個系統的課程學時數僅有40個，時間緊任務重，如何在有限時間內，既能將學生引進門，掌握基本知識，又能讓學生產生興趣，掌握如何用于城市規劃實踐是教師面臨的難題。

（二）教學理念陳舊，與城市規劃專業實踐相脫離

3S技術課程主要教學內容是：理論、軟件、專業實踐三大塊。雖然3S技術主要目的是解決具體實踐問題，但需要有理論支持。比如空間數據來源渠道眾多且結構復雜，數據屬于何種類型、適合用什么方法進行空間處理，都需要在掌握數據結構理論的基礎上才能進行恰當的操作處理，顯然理論講授非常重要。過去的3S教學將大量時間用于講授3S方法及其理論基礎，由于學時數的限制，留給講授理論如何應用到具體規劃實踐的時間所剩無幾，給人以虎頭蛇尾，草草了事的感覺，學生反映理論枯燥難懂，最主要的是不知如何運用，學完課程收獲小，提不起興趣。要改變這種局面，必須改變教學理念與方法，教師觀念的陳舊老化，勢必造成課堂教學的因循守舊、默守陳規。要本著學有所用的原則，針對學生專業特點，對理論知識進行篩選，應基于本科生的知識水平，結合城市規劃專業的需求，本著“夠用即可”的原則，不必貪全求深，針對性的講解主要理論及實踐操作，需要設計出適合城市規劃專業學生的教學模式，既能讓學生掌握3S基本方法，又能將其運用到專業實踐中解決實際問題。

二、采用專題式教學法的必要性

所謂專題式教學法，是指由任課教師把整個教學階段的教學內容分成若干部分，然后把每個部分視為一個獨立的專題來備課和授課的教學方法。對于專題的取舍，既要服務于教學計劃，又要立足于城市規劃實際需要，并適度關注學科前沿問題，可以將教師的科研成果作為一個專題。任何一個專題，都將講述一個或者幾個學科重點問題，其自成體系、獨立成篇。

教師采用專題式教學法，需要先提出待解決的規劃問題，然后講授怎樣運用信息技術解決此問題。專題式教學法具有針對性、現實性、研究性特征，教師更容易在照顧到本門課程體系完整的基礎上有重點地安排教學內容，使知識點的輕重和課程邏輯體系一目了然，便于學生學習和掌握。

例如：遙感的基礎知識和內容是極其繁多的，我們從城市規劃需要解決的實際問題出發，將“土地利用現狀及變化”作為授課專題。圍繞著專題需要，講授遙感數據獲取、對獲取數據進行幾何糾正、裁剪、鑲嵌、分類、分類后處理的方法。再安排遙感圖像處理上機實驗，對某時期的遙感圖像進行處理，能得到某時期土地利用現狀信息；對兩期遙感圖像比對處理，得到土地利用變化信息。通過此專題的學習，既掌握了遙感數據處理基本方法，又能靈活應將其應用到實際問題解決過程。

采用專題式教學法，課程內容來自于實際規劃問題，能極大滿足學生的興趣；以為題為導向，能煥發學生強烈的好奇心和求知欲，興趣是最好的老師，有了對3S技術的興趣，他們在以后的規劃實踐中就會主動應用這些知識，服務于規劃設計及管理實踐。

3S技術是解決空間問題的工具，這門學科的實踐性非常強，必須十分重視實驗在教學過程中的作用。我們緊密結合規劃設計及管理實際需求，針對性地將怎樣解決某個規劃問題做成專題，課堂教學及實驗內容都圍繞著這個專題進行設計，編寫專門針對規劃專業學生的3S實驗指導書，指導學生解決具體的規劃問題。

三、課程內容設置

在3S技術中，GIS是核心，RS和GPS為GIS提供快捷高效的數據源和數據更新的手段，城市規劃專業3S的教學重點在于如何借助GIS分析城市信息及輔助規劃決策，如何用RS及GPS獲取城市信息簡要介紹即可。

設置幾大專題：ArcGIS和ERDAS基本操作；3S土地利用及變化分析；CAD圖導入ArcGIS，建立三維地形，地形分析及三維可視化；用地適宜性分析；交通可達性分析；城市社會區分布分析。

將總學時的50%時間用于實驗，對學生成績的評分方法為：課堂理論學習（20%）+上機實驗操作（30%）+實驗報告（50%）。各專題主要內容：

（一）ArcGIS及 ERDAS基本操作

ArcMap中新建文檔，設置文檔數據庫相對路徑，加載一幅遙感圖為底圖，手工屏幕矢量化，建立建筑物圖層圖形文件，并對其賦予屬性值，輸出建筑專題圖，建筑圖層輸出到CAD。

認識ERDAS軟件圖標面板；遙感數據識讀：分辨率、像素灰度值、投影信息、直方圖信息、遙感圖像基本統計特征；進行校園遙感圖像幾何校正、裁剪、鑲嵌、融合處理。

（二）3S土地利用及變化分析

1. 下載城市遙感圖

指導學生從http：//glovis.usgs.gov/網上下載同一地區不同時期的LandSat衛星遙感圖（圖1）。下載時，坐標系有兩種選擇：帶參考系及不帶參考系。若選擇不帶參考系，則按下列步驟進行；若選擇帶參考系，則不進行以下所列第2步的操作。

2. 幾何校正

ERDAS中，借助地面控制點（借助goole earth獲取控制點，也可用GPS獲取，這兩種方法皆納入實驗范圍），對遙感圖像進行地理坐標的校正。

3. 監督分類

ERDAS中用武漢市行政區矢量圖掩膜裁剪出武漢市行政區范圍內的遙感圖（圖2）；再進行遙感圖像分類，對影像分為4種類型：城鎮及道路、江河湖泊、農田、綠地（由于時間關系粗略分成4類，若時間許可分類可更詳細），進行監督分類（圖3）并用混淆矩陣進行分類精度評定，然后做分類后處理（聚類、去除小斑塊）。

4. 土地利用變化信息提取

單擊Main＼Interpreter＼Utilities＼Change Detection 命令，啟動Change Detection對話框，完成前后圖像的變化檢測，從得到的highlight change文件能發現目標變化區域。

5. 土地利用類型轉化分析

ERDAS中將兩期的同類地物賦予相同的value，對兩期經過上述處理后的影像進行分類重編碼record，再進行轉移矩陣分析，“Raster→Attributes”查看其特征值，分析出土地利用變化信息如表1：

6.利用ArcMap建立土地利用空間數據庫

ERDAS中，將某期經過重編碼后的柵格圖轉換成矢量，用工具Main＼Vector＼Raster to Vector，在ArcMap中加載矢量數據，按屬性選擇分層得到上述4類土地的矢量圖，然后進行屬性數據定義及輸入，建立土地利用信息數據庫。

（三）CAD圖導入ArcGIS，建立三維地形，地形分析

設置此專題的目的是：目前絕大部分地面信息的數據來源是遙感圖像及測繪部門所出的CADdwg格式地形圖，在規劃實踐中，CAD圖與ArcGIS的相互轉換非常頻繁，此專題具有非常強的針對性。

CAD數據與GIS數據的轉換用FME，將dwg格式轉換為shp格式。對轉換后的數據還要進行檢查，需要進行拓撲規則建立、拓撲查錯、圖形編輯修改、直至滿足拓撲關系。

1. 用FME將CAD圖中的數據分層（等高線、高程點、建筑物、道路等）導入ARCGIS（圖4）

2. 創建TIN

將等高線、高程點作為構建TIN的主要來源，以建筑物和道路等其他地物作為硬斷線，建立三維地表面TIN。

3. TIN轉為DEM

由于DEM是對地形地貌的一種離散的數字表達，每個像元具有不同的高程值，比TIN表達的矢量地表面更適合分析。

4. 地形分析

可進行高程分析，提取等高線、坡度坡向求取、可視性分析、地表面陰影圖及地形剖面獲取等。

5. ArcScene中3D可視化

ArcScene是以3D方式創建和展示空間數據的工具，可進行地表面三維顯示、編輯；基于地表面可以將遙感影像圖或規劃圖等平面圖紙制作成3D效果；也可以將城市中的建筑、道路、河流等地物加載到DEM并批量制作二維半立體模型模擬出城市環境；還可以將在其他軟件中建立的復雜3D模型導入，構建比較真實的虛擬現實場景（圖5）。

通過此實驗，從CAD地形圖創建數字地面模型，借助ARCGIS軟件，枯燥的二維CAD地形圖演變成為逼真的三維場景，讓人如身臨其境般地感受規劃場地的地形地貌。

（四）用地適宜性分析

在進行城市空間布局過程中，規劃師需要分析城市范圍內哪些土地適合做居住用地、哪些適合做公共設施用地等用地選址問題，即需要分析出適合某種建設需要的用地空間位置所在。此專題內容包括：層次分析法、緩沖區分析、矢量數據疊加分析、柵格數據疊加分析、柵格重分類。

用地適宜性分析的步驟為：首先確定適宜性評價因子并用層次分析法確定其權重；然后收集涉及各因子的原始數據，對各個單因素做緩沖區分析、矢量數據疊加分析；分等級評分并轉換為柵格格式；然后進行柵格疊加分析。

（五）交通可達性分析

在路網規劃、公交規劃、地價評估、區位分析等領域都需要進行交通可達性分析。此專題內容包括：城市路網模擬，構建城市現有的交通網絡模型；介紹基于平均出行時間、基于出行范圍、基于最小阻抗的交通可達性模型及計算。

（六）城市社會區分布分析

城市規劃不僅包括物質形態的規劃，也包括城市社會系統形態規劃。此專題對某城市社會經濟結構基本統計數據進行分析，將影響經濟社會發展的十幾項因子用SPSS進行進行主成分及因子統計分析，得出幾個主要影響經濟社會結構的因子參數，例如土地利用強度、鄰里因素、社會經濟地位、種族居住情況，用ArcGIS繪制社會區域分布圖，例如中心城區高收入地區、遠郊區中等收入、遠郊區流動人口密集區等等，分析因子空間結構是圓形還是扇形擴展，為后期城市規劃提供科學的基礎資料。

四、結束語

本文從我校城市規劃專業3S技術教育現狀出發，分析了該課程的特點及在教學實踐中存在的與城市規劃實際脫鉤的問題，提出了3S技術課程采用專題式教學法的必要性，設計了城市規劃本科教學的3S課程專題，并對各專題下的理論及實踐環節進行了詳細闡述。按此實行一年來，教學效果得到極大提升，學生的反響很好。期望能通過3S技術與城市規劃融合教育，使這項技術成為改善豐富規劃設計、城市建設管理的手段，為科學進行城市規劃提供重要技術保障，從而不斷地提高城市規劃的工作效率和技術水平。

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