GIS可視化的教學脈絡與方法探索

張文+孟令奎

【摘要】本文立足于探討GIS可視化的教學脈絡與方法。本文分析并明確了GIS可視化對象及其特點，在此基礎上，梳理了GIS可視化從二維、三維到多維數據可視化的教學脈絡和重難點，理清了整個課程的教學內容及其相互的邏輯聯系。最后，結合教學目標和內容，探索并提出了綜合應用案例教學、實踐教學和課外擴展學習等多種方法的教學思路。通過本文對《GIS可視化方法》的教學對象、內容和方法進行了探討和梳理，期待能夠幫助提高教學效果，達成教學目標。

【關鍵詞】GIS 可視化 課程脈絡 教學方法

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）46-0228-02

地理信息系統（Geographical information system，GIS）是用于輸入、存儲、管理、查詢、分析和表達地理數據的計算機系統[1]。隨著GIS的發展，其內涵和外延都不斷的拓展，已經成為一門綜合了地理學、地圖學原理、遙感和計算機科學等學科的科學與技術。對地理空間信息的描述和表達是GIS的重要內涵之一，信息技術、計算機視覺以及大數據技術出現與快速進步，極大地推動了GIS可視化從傳統的地圖制圖，不斷向著動態、三維/多維、交互式的方向拓展，其重要性日益凸顯。在地球科學相關專業的本科教學中，系統性地講授GIS可視化的理論與方法是學科發展的必然要求，有助于相關專業的學生更好地理解GIS可視化的作用、內涵與外延，并在未來的專業工作中更好地應用可視化技術發揮GIS的作用。

本文分析了GIS可視化對象及其特點，在此基礎上，梳理清楚了GIS可視化的脈絡和教學的重難點，理清了整個課程的教學內容及其相互的邏輯聯系。結合教學目標和內容，探討了多種教學方法的應用及其對于教學的正面作用，有助于理清教學思路、提升教學效果。

一、GIS可視化對象分析

GIS可視化的對象是時空數據，同時具有時間和空間維度（二維/三維）信息，以及專題屬性信息。專題信息表達了數據在特定領域的特性，是GIS與領域應用結合的關鍵。由于現實世界80%以上的信息都與位置相關，大都可歸于時空數據的范疇。時空數據具有多源、海量、更新快速等大數據的典型特征[2]，時空大數據的概念已得到學術界和工業界的廣泛認可，在GIS可視化教學中，應充分考慮引入和借鑒大數據可視化和分析技術。

空間維度主要是指對象的經度、維度和高程，經度和緯度可以確定對象在地球表面的地理位置，高程則確定了對象與平均海平面之間的高差。大部分GIS應用關注的重點是對象的地理位置，只需要經緯度就可以確定，使得二維地理空間信息表達在傳統GIS可視化技術研究中占據著重點。隨著人類向地球深處和高空探索的技能不斷增強，對地球表面空間信息表達的準確性、詳細度和逼真度等要求越來越高，使得高程信息的重要性日益提高。結合虛擬現實、計算機視覺技術的進步，GIS可視化的重心正逐步轉移到三維可視化上。GIS可視化對象除了具有三維空間信息，還包含時間、專題屬性等維度信息，這些信息也可以作為第三維信息用于可視化，這使得GIS三維可視化的內涵和外延都得到了極大拓展。在GIS可視化的教學中，通過循序漸進的教學，讓學生了解和掌握GIS可視化對象的特點，以及與之相對應的可視化表達需求，是整個教學工作的基礎。

二、GIS可視化的教學脈絡

面向不對的可視化對象，GIS可視化的核心問題可以分為二維數據（經度和維度）可視化、三維數據（經緯度和第三維度 <高程/時間/專題屬性>）可視化和多維數據可視化三個層面，在教學中，也應按照這個脈絡，由簡到繁，逐層展開。

（一）二維數據可視化

二維數據可視化是表達特定時空環境下的二維空間信息，關注地理對象的位置、幾何等特征，以及與相鄰對象的空間關系等。傳統地圖學通過地圖投影將地表對象映射到二維平面上表達，再綜合地圖符號、色彩渲染、注記等技術表達對象的位置、幾何和拓撲關系等特征，這些技術為GIS可視化奠定了堅實基礎，也支撐著GIS可視化往更高維度拓展。在二維可視化技術的教學中，需要與地圖學知識相互呼應，首先幫助學生系統地回顧地圖學的可視化要點及其邏輯關系，然后逐步引入二維可視化的擴展表達方法，讓學生逐步了解，如何利用專題圖層疊加、文字注記、色彩渲染、流向圖、熱力圖、空間統計圖（餅圖、柱狀圖、曲線圖等）、空間插值圖（泰森多邊形插值，克里金插值，樣條插值等）、時序動畫等不同的技術方法[3]，突破二維可視化的局限性，在二維平面上有效表達更多有用的信息。這些二維可視化及其擴展表達方法，既是二維可視化技術突破的關鍵和教學重點之一，也是從二維可視化向三維可視化的過渡。

（二）三維數據可視化

從二維拓展到三維可視化，是GIS與領域應用緊密結合的必然需求。三維可視化既是GIS可視化教學的重點，也是教學難點。經緯度+高程的三維GIS技術是GIS與計算機視覺、虛擬現實等技術結合的結晶，也是GIS三維可視化中應用最廣泛、發展最迅速的領域之一。三維GIS將地理空間位置信息的表達從二維空間拓展到三維空間，極大地增強了GIS對真實三維世界的表達和還原能力，也使GIS能有效應用于大量需要高程信息進行位置確定和輔助分析的應用，如救災減災、建筑分析、地下管網管理、旅游規劃等。

同時，時間維度和專題信息維度的三維可視化技術也在蓬勃發展，為三維GIS注入了無限的活力和應用潛力。以時間維度為例，傳統地圖制圖側重于對靜態空間信息的表達，所表達的信息具有明顯的時間靜止特性。隨著GIS在交通、氣象、水文等領域的廣泛應用，空間信息時間緯度的重要性日益提升，特別是對于位置隨時間動態變化對象的表達，簡單的二維可視化技術存在著極大局限性，引入三維可視化技術，可通過時間維度的擴展形象地描述對象的動態變化過程。GIS的領域應用廣泛，不同的應用領域所關注的專題信息不同，如不同城市的溫度、濕度、人口密度，道路通暢度等，專題信息與空間位置密切相關，盡管傳統的二維GIS可以通過專題圖層疊加、空間統計圖、空間插值圖等在一定程度上達到信息表達的目的，但是其扁平化特性帶來了信息表達的直觀性不足、手段有限、結果不夠美觀、不利于可視化分析等問題，突破二維平面建立基于三維空間的三維可視化更符合人的視覺認知，可以表達更為豐富、形象的信息，是GIS可視化迫切需要突破的方向。endprint

在教學中，從傳統的三維GIS技術開始，讓學生逐步了解高程信息的可視化表達，以及在借鑒高程信息表達的基礎上，結合統計三維統計圖、三維對象渲染等技術，如何將用戶關注的時間、專題信息等信息通過第三維度表達出來，是三維可視化教學的重點。

（三）多維數據可視化

推此及彼，不僅具有時空特征，更具有應用領域專題特征是大部分時空數據的特性，這些信息超越了三維的范圍，謂之多維數據。如何在三維可視化的基礎上，表達更多維度的信息，是多維數據可視化的教學重點。真實的地理空間是三維立體的空間，在多維數據的可視化教學上，要讓學生首先建立這一概念。立足于三維空間，我們可以通過顏色、亮度、對象的高度、密度等形式表達更高維度的信息，但是更多的，人的視覺感知和形象思維也會受到三維空間的束縛。所以，很少有一種數據可視化方法能夠完整的建立數據多維度信息的映射機制，需要采用一定的視圖轉換技術建立一部分維度信息的關聯，而舍棄一部分相對不重要的信息。這當中包含了兩個層次的問題：①數據的降維處理；②多維信息關聯與表達。

關于數據降維，首先應該讓學生明確，過于追求數據表達的高維度，極有可能會南轅北轍，背離可視化表達的初衷。要讓學生理解數據降維的重要性，并系統地介紹降維的技術方法，如四叉樹映射圖法、體素化法、HyperSlice法等方法[4]，這些在地理空間數據可視化領域應用較多的降維方法是教學的要點之一。

關于多維信息的關聯與表達，首先應當讓學生掌握多維數據映射的關鍵技術——視圖轉換技術，如交互式投影、視點控制、魔術眼等[5]，實現對象多維信息的關聯。在此基礎上，講授多維信息表達的通用方法，特別是在地理空間數據表達領域使用較多的散點圖矩陣、雷達圖、平行坐標技術和層次化技術等，使學生有能力綜合應用多種技術手段達到多維信息擴展表達的目標。

最后，在教學中一定要讓學生理解，二維、三維和多維數據可視化方法并不是彼此割裂的，在現實的GIS可視化應用中，往往是多種技術的綜合應用。如地圖、二維統計圖和多維圖表并用的方式是GIS可視化的熱點，多種形式的圖、表等通過關聯更新技術互相關聯，更好地服務于GIS用戶。

三、多種教學方法的綜合應用

（一）引入案例教學法

案例教學能幫助學生更好地理解二維、三維到多維可視化的技術特點和差異。一方面，將國內外在可視化領域，特別是時空數據可視化領域有影響力的成功案例引入到教學當中，讓學生了解GIS可視化應用的最新進展。另外一方面，選取特定的應用領域案例，如氣象、國土、水文、林業、交通、人口、城市規劃等，面向領域時空數據的可視化需求設計教學案例，讓學生體驗從二維、三維到多維的可視化表達在信息細節的表達視角、豐富程度、美觀度等方面不同的效果，以及與之相應的這些可視化方法對于領域信息的表達、分析乃至決策的不同層面的支持作用。

（二）設計豐富的實踐環節

通過可視化案例可以讓學生了解GIS可視化巨大的應用價值，但同時，更要著重培養學生對可視化方法和工具的掌握和應用能力，這需要有可視化實踐環節與之相配套。在教學實踐環節，引入新技術，讓學生能夠掌握最新的知識非常重要。如引入大數據可視化與分析領域大熱的R語言為實踐工具，結合GIS可視化的教學內容，讓學生了解R可用于GIS可視化的重要類包，如maptools、rgdal、ggplot2、ggmap、recharts等。在實踐環節，可以選取其中1-2個包作為重點，讓學生通過動手實踐體會同一組數據采用不同的可視化方案，在可視化效果和輔助分析上的差異。

（三）鼓勵學生課外擴展學習

數據可視化是大數據領域的熱點之一，大量新技術不斷涌現，要讓學生在GIS可視化領域的知識保持最新，必須鼓勵學生在課外堅持擴展學習。當學生通過資料檢索、文獻閱讀、網絡搜索等不同形式獲取了大量新知識之后，可以通過課堂報告、小組討論等形式，與同學共享新知識點。通過課外的拓展學習，一方面可以拓展學生的知識面，培養好的學習習慣；又能夠通過擴展學習，進一步增強學生在GIS可視化方面的興趣和學習動力，從而促進課程學習。

四、結論

本文針對GIS可視化技術的教學問題，明確了GIS可視化對象，并圍繞可視化對象對GIS中所涉及的二維、三維和多維數據可視化的教學內容及其重難點進行了探討。為了達到理想的教學效果，探索并提出了綜合應用案例教學、實踐教學和課外擴展學習等多種方法的教學思路，讓學生從理論到實踐、逐步理解和掌握可視化技術方法，了解技術方法之間的關聯，達到從理解到應用的轉變，獲得理想的教學效果。

參考文獻：

[1]李健松，唐雪華等.地理信息系統原理（第二版）[M].武漢：武漢大學出版社.2015.

[2]王勁峰，葛詠，李連發，孟斌，武繼磊，柏延臣，杜世宏，廖一蘭，胡茂桂，徐成東.地理學時空數據分析方法[J].地理學報.2014，69（9）：1326-1345.

[3]王瑞松.大數據環境下時空多維數據可視化研究[C].杭州：浙江大學.2016.

[4]任東懷，胡俊.多維數據可視化技術綜述[J].工程地質計算機應用.2006（04）：4-8.

[5]任磊，杜一，馬帥，張小龍，戴國忠.大數據可視分析綜述[J].軟件學報.2014，25（9）：1909-1936.

作者簡介：

張文（1980-），湖北十堰人，博士研究生，武漢大學遙感信息工程學院講師，主要從事GIS相關的教育教學研究。endprint