GIS可视化的教学脉络与方法探索

张文 孟令奎

【摘要】本文立足于探讨GIS可视化的教学脉络与方法。本文分析并明确了GIS可视化对象及其特点，在此基础上，梳理了GIS可视化从二维、三维到多维数据可视化的教学脉络和重难点，理清了整个课程的教学内容及其相互的逻辑联系。最后，结合教学目标和内容，探索并提出了综合应用案例教学、实践教学和课外扩展学习等多种方法的教学思路。通过本文对《GIS可视化方法》的教学对象、内容和方法进行了探讨和梳理，期待能够帮助提高教学效果，达成教学目标。

【关键词】GIS 可视化 课程脉络 教学方法

【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）46-0228-02

地理信息系统（Geographical information system，GIS）是用于输入、存储、管理、查询、分析和表达地理数据的计算机系统[1]。随着GIS的发展，其内涵和外延都不断的拓展，已经成为一门综合了地理学、地图学原理、遥感和计算机科学等学科的科学与技术。对地理空间信息的描述和表达是GIS的重要内涵之一，信息技术、计算机视觉以及大数据技术出现与快速进步，极大地推动了GIS可视化从传统的地图制图，不断向着动态、三维/多维、交互式的方向拓展，其重要性日益凸显。在地球科学相关专业的本科教学中，系统性地讲授GIS可视化的理论与方法是学科发展的必然要求，有助于相关专业的学生更好地理解GIS可视化的作用、内涵与外延，并在未来的专业工作中更好地应用可视化技术发挥GIS的作用。

本文分析了GIS可视化对象及其特点，在此基础上，梳理清楚了GIS可视化的脉络和教学的重难点，理清了整个课程的教学内容及其相互的逻辑联系。结合教学目标和内容，探讨了多种教学方法的应用及其对于教学的正面作用，有助于理清教学思路、提升教学效果。

一、GIS可视化对象分析

GIS可视化的对象是时空数据，同时具有时间和空间维度（二维/三维）信息，以及专题属性信息。专题信息表达了数据在特定领域的特性，是GIS与领域应用结合的关键。由于现实世界80%以上的信息都与位置相关，大都可归于时空数据的范畴。时空数据具有多源、海量、更新快速等大数据的典型特征[2]，时空大数据的概念已得到学术界和工业界的广泛认可，在GIS可视化教学中，应充分考虑引入和借鉴大数据可视化和分析技术。

空间维度主要是指对象的经度、维度和高程，经度和纬度可以确定对象在地球表面的地理位置，高程则确定了对象与平均海平面之间的高差。大部分GIS应用关注的重点是对象的地理位置，只需要经纬度就可以确定，使得二维地理空间信息表达在传统GIS可视化技术研究中占据着重点。随着人类向地球深处和高空探索的技能不断增强，对地球表面空间信息表达的准确性、详细度和逼真度等要求越来越高，使得高程信息的重要性日益提高。结合虚拟现实、计算机视觉技术的进步，GIS可视化的重心正逐步转移到三维可视化上。GIS可视化对象除了具有三维空间信息，还包含时间、专题属性等维度信息，这些信息也可以作为第三维信息用于可视化，这使得GIS三维可视化的内涵和外延都得到了极大拓展。在GIS可视化的教学中，通过循序渐进的教学，让学生了解和掌握GIS可视化对象的特点，以及与之相对应的可视化表达需求，是整个教学工作的基础。

二、GIS可视化的教学脉络

面向不对的可视化对象，GIS可视化的核心问题可以分为二维数据（经度和维度）可视化、三维数据（经纬度和第三维度 <高程/时间/专题属性>）可视化和多维数据可视化三个层面，在教学中，也应按照这个脉络，由简到繁，逐层展开。

（一）二维数据可视化

二维数据可视化是表达特定时空环境下的二维空间信息，关注地理对象的位置、几何等特征，以及与相邻对象的空间关系等。传统地图学通过地图投影将地表对象映射到二维平面上表达，再综合地图符号、色彩渲染、注记等技术表达对象的位置、几何和拓扑关系等特征，这些技术为GIS可视化奠定了坚实基础，也支撑着GIS可视化往更高维度拓展。在二维可视化技术的教学中，需要与地图学知识相互呼应，首先帮助学生系统地回顾地图学的可视化要点及其逻辑关系，然后逐步引入二维可视化的扩展表达方法，让学生逐步了解，如何利用专题图层叠加、文字注记、色彩渲染、流向图、热力图、空间统计图（饼图、柱状图、曲线图等）、空间插值图（泰森多边形插值，克里金插值，样条插值等）、时序动画等不同的技术方法[3]，突破二维可视化的局限性，在二维平面上有效表达更多有用的信息。这些二维可视化及其扩展表达方法，既是二维可视化技术突破的关键和教学重点之一，也是从二维可视化向三维可视化的过渡。

（二）三维数据可视化

从二维拓展到三维可视化，是GIS与领域应用紧密结合的必然需求。三维可视化既是GIS可视化教学的重点，也是教学难点。经纬度+高程的三维GIS技术是GIS与计算机视觉、虚拟现实等技术结合的结晶，也是GIS三维可视化中應用最广泛、发展最迅速的领域之一。三维GIS将地理空间位置信息的表达从二维空间拓展到三维空间，极大地增强了GIS对真实三维世界的表达和还原能力，也使GIS能有效应用于大量需要高程信息进行位置确定和辅助分析的应用，如救灾减灾、建筑分析、地下管网管理、旅游规划等。

同时，时间维度和专题信息维度的三维可视化技术也在蓬勃发展，为三维GIS注入了无限的活力和应用潜力。以时间维度为例，传统地图制图侧重于对静态空间信息的表达，所表达的信息具有明显的时间静止特性。随着GIS在交通、气象、水文等领域的广泛应用，空间信息时间纬度的重要性日益提升，特别是对于位置随时间动态变化对象的表达，简单的二维可视化技术存在着极大局限性，引入三维可视化技术，可通过时间维度的扩展形象地描述对象的动态变化过程。GIS的领域应用广泛，不同的应用领域所关注的专题信息不同，如不同城市的温度、湿度、人口密度，道路通畅度等，专题信息与空间位置密切相关，尽管传统的二维GIS可以通过专题图层叠加、空间统计图、空间插值图等在一定程度上达到信息表达的目的，但是其扁平化特性带来了信息表达的直观性不足、手段有限、结果不够美观、不利于可视化分析等问题，突破二维平面建立基于三维空间的三维可视化更符合人的视觉认知，可以表达更为丰富、形象的信息，是GIS可视化迫切需要突破的方向。

在教学中，从传统的三维GIS技术开始，让学生逐步了解高程信息的可视化表达，以及在借鉴高程信息表达的基础上，结合统计三维统计图、三维对象渲染等技术，如何将用户关注的时间、专题信息等信息通过第三维度表达出来，是三维可视化教学的重点。

（三）多维数据可视化

推此及彼，不仅具有时空特征，更具有应用领域专题特征是大部分时空数据的特性，这些信息超越了三维的范围，谓之多维数据。如何在三维可视化的基础上，表达更多维度的信息，是多维数据可视化的教学重点。真实的地理空间是三维立体的空间，在多维数据的可视化教学上，要让学生首先建立这一概念。立足于三维空间，我们可以通过颜色、亮度、对象的高度、密度等形式表达更高维度的信息，但是更多的，人的视觉感知和形象思维也会受到三维空间的束缚。所以，很少有一种数据可视化方法能够完整的建立数据多维度信息的映射机制，需要采用一定的视图转换技术建立一部分维度信息的关联，而舍弃一部分相对不重要的信息。这当中包含了两个层次的问题：①数据的降维处理；②多维信息关联与表达。

关于数据降维，首先应该让学生明确，过于追求数据表达的高维度，极有可能会南辕北辙，背离可视化表达的初衷。要让学生理解数据降维的重要性，并系统地介绍降维的技术方法，如四叉树映射图法、体素化法、HyperSlice法等方法[4]，这些在地理空间数据可视化领域应用较多的降维方法是教学的要点之一。

关于多维信息的关联与表达，首先应当让学生掌握多维数据映射的关键技术——视图转换技术，如交互式投影、视点控制、魔术眼等[5]，实现对象多维信息的关联。在此基础上，讲授多维信息表达的通用方法，特别是在地理空间数据表达领域使用较多的散点图矩阵、雷达图、平行坐标技术和层次化技术等，使学生有能力综合应用多种技术手段达到多维信息扩展表达的目标。

最后，在教学中一定要让学生理解，二维、三维和多维数据可视化方法并不是彼此割裂的，在现实的GIS可视化应用中，往往是多种技术的综合应用。如地图、二维统计图和多维图表并用的方式是GIS可视化的热点，多种形式的图、表等通过关联更新技术互相关联，更好地服务于GIS用户。

三、多种教学方法的综合应用

（一）引入案例教学法

案例教学能帮助学生更好地理解二维、三维到多维可视化的技术特点和差异。一方面，将国内外在可视化领域，特别是时空数据可视化领域有影响力的成功案例引入到教学当中，让学生了解GIS可视化应用的最新进展。另外一方面，选取特定的应用领域案例，如气象、国土、水文、林业、交通、人口、城市规划等，面向领域时空数据的可视化需求设计教学案例，让学生体验从二维、三维到多维的可视化表达在信息细节的表达视角、丰富程度、美观度等方面不同的效果，以及与之相应的这些可视化方法对于领域信息的表达、分析乃至决策的不同层面的支持作用。

（二）设计丰富的实践环节

通过可视化案例可以让学生了解GIS可视化巨大的应用价值，但同时，更要着重培养学生对可视化方法和工具的掌握和应用能力，这需要有可视化实践环节与之相配套。在教学实践环节，引入新技术，让学生能够掌握最新的知识非常重要。如引入大数据可视化与分析领域大热的R语言为实践工具，结合GIS可视化的教学内容，让学生了解R可用于GIS可视化的重要类包，如maptools、rgdal、ggplot2、ggmap、recharts等。在实践环节，可以选取其中1-2个包作为重点，让学生通过动手实践体会同一组数据采用不同的可视化方案，在可视化效果和辅助分析上的差异。

（三）鼓励学生课外扩展学习

数据可视化是大数据领域的热点之一，大量新技术不断涌现，要让学生在GIS可视化领域的知识保持最新，必须鼓励学生在课外坚持扩展学习。当学生通过资料检索、文献阅读、网络搜索等不同形式获取了大量新知识之后，可以通过课堂报告、小组讨论等形式，与同学共享新知识点。通过课外的拓展学习，一方面可以拓展学生的知识面，培养好的学习习惯；又能够通过扩展学习，进一步增强学生在GIS可视化方面的兴趣和学习动力，从而促进课程学习。

四、结论

本文针对GIS可视化技术的教学问题，明确了GIS可视化对象，并围绕可视化对象对GIS中所涉及的二维、三维和多维数据可视化的教学内容及其重难点进行了探讨。为了达到理想的教学效果，探索并提出了綜合应用案例教学、实践教学和课外扩展学习等多种方法的教学思路，让学生从理论到实践、逐步理解和掌握可视化技术方法，了解技术方法之间的关联，达到从理解到应用的转变，获得理想的教学效果。

参考文献：

[1]李健松，唐雪华等.地理信息系统原理（第二版）[M].武汉：武汉大学出版社.2015.

[2]王劲峰，葛咏，李连发，孟斌，武继磊，柏延臣，杜世宏，廖一兰，胡茂桂，徐成东.地理学时空数据分析方法[J].地理学报.2014，69（9）：1326-1345.

[3]王瑞松.大数据环境下时空多维数据可视化研究[C].杭州：浙江大学.2016.

[4]任东怀，胡俊.多维数据可视化技术综述[J].工程地质计算机应用.2006（04）：4-8.

[5]任磊，杜一，马帅，张小龙，戴国忠.大数据可视分析综述[J].软件学报.2014，25（9）：1909-1936.

作者简介：

张文（1980-），湖北十堰人，博士研究生，武汉大学遥感信息工程学院讲师，主要从事GIS相关的教育教学研究。