面向GIS專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)探討

應(yīng) 申，翁 敏，王明軍

（武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079）

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是隨著計(jì)算機(jī)和信息化的發(fā)展而崛起的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，研究如何在計(jì)算機(jī)中表示、計(jì)算、處理和顯示圖形的相關(guān)原理、方法和技術(shù)［1－2］，其主要涉及圖形硬件設(shè)備、圖形繪制算法和圖形系統(tǒng)、交互技術(shù)、幾何變換以及真實(shí)感圖形生成等內(nèi)容。其內(nèi)容確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為眾多信息相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程地位，如荷蘭代爾夫特理工大學(xué)為工程相關(guān)專業(yè)開始本課程［3］。地理信息系統(tǒng)專業(yè)主要系統(tǒng)地提供從多維地理空間信息獲取與處理、存儲(chǔ)與管理、分析與查詢、到信息開發(fā)與應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)的基本理論知識(shí)、方法和技能；該專業(yè)的特征集中體現(xiàn)在地理信息系統(tǒng)（Geographic Infor mation System，GIS）上。海量的點(diǎn)、線、面圖形繪制和縮放、漫游操作，是目前GIS圖形系統(tǒng)的主要特征。自地理信息科學(xué)專業(yè)設(shè)置以來(lái)，作為專業(yè)必修的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，在教學(xué)中，普遍存在如下幾個(gè)問(wèn)題，如重計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本算法和理論、輕專業(yè)結(jié)合，進(jìn)而存在實(shí)習(xí)實(shí)踐不足、學(xué)習(xí)期望和教學(xué)效果之間的差距較大等問(wèn)題。GIS專業(yè)具有較強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性［4］，相關(guān)課程設(shè)置時(shí)應(yīng)充分考慮到本專業(yè)的特點(diǎn)［4－5］，采用適宜的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法［6－10］。本文針對(duì)GIS專業(yè)內(nèi)容和特征論述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程，以內(nèi)容為導(dǎo)向，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和GIS的認(rèn)知。

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與GIS專業(yè)的緊密結(jié)合

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和GIS都是以計(jì)算機(jī)為依托，利用計(jì)算機(jī)的高效計(jì)算分析性能實(shí)施應(yīng)用并完善和發(fā)展自身。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為GIS提供圖形基礎(chǔ)，同時(shí)GIS豐富和擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用。

1．1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與GIS教學(xué)內(nèi)容的融合

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容與GIS有緊密聯(lián)系，在教學(xué)中要有效的抓住兩者的結(jié)合點(diǎn)，有意識(shí)有目標(biāo)地教學(xué)，下面列舉幾點(diǎn)兩者的關(guān)聯(lián)部分，并以硬件發(fā)展和基本圖形算法進(jìn)行詳解：

1）講解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中的圖形設(shè)備、圖形標(biāo)志和交互技術(shù)時(shí) 有目的的介紹GIS掃描儀 繪圖儀等設(shè)備，GIS軟件開發(fā)和圖形開發(fā)遵從的圖形標(biāo)準(zhǔn)，虛擬現(xiàn)實(shí)以及移動(dòng)GIS等，充分利用和綜合現(xiàn)有的圖形交互技術(shù)。

2）講解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中的曲線、曲面以及幾何造型的內(nèi)容時(shí)，充分結(jié)合GIS中的二維和三維模型構(gòu)建需要曲線、曲面的支持和建模。

3）講解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的裁剪、二維和三維圖形變換，密切結(jié)合GIS中圖形可視化中的窗口視口變換、坐標(biāo)變換、空間操作、基本的縮放漫游以及地圖投影等，將理論與應(yīng)用有效的結(jié)合。

4）消隱和真實(shí)感圖形繪制是GIS中地形可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。

5）圖形學(xué)界面和接口設(shè)計(jì)中的回退機(jī)制、反饋機(jī)制等也是GIS軟件應(yīng)具備的功能。GIS用戶進(jìn)行重繪、拾取、或定位地理目標(biāo)等操作，也需要圖形學(xué)中的繪制和拾取技術(shù)進(jìn)行支撐。

1．2 介紹與時(shí)俱進(jìn)的硬件發(fā)展和前沿應(yīng)用領(lǐng)域

結(jié)合當(dāng)前相關(guān)軟硬件發(fā)展和前沿動(dòng)態(tài)及熱點(diǎn)，把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有效地和GIS應(yīng)用熱點(diǎn)相結(jié)合進(jìn)行講解。圖形學(xué)硬件發(fā)展領(lǐng)域的突破和變革會(huì)直接導(dǎo)致GIS領(lǐng)域的重大變革，如虛擬現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)設(shè)備，教學(xué)中也通過(guò)讓學(xué)生親身體驗(yàn)三維虛擬場(chǎng)景、佩戴G＋眼鏡來(lái)感受可穿戴式設(shè)備，理解虛實(shí)結(jié)合和應(yīng)用。同時(shí)GIS的應(yīng)用和發(fā)展也推動(dòng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)可視化發(fā)展，如大數(shù)據(jù)與地理空間結(jié)合，百度地圖等對(duì)軌跡展示。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖形界面、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)等廣泛地應(yīng)用到GIS中，這些技術(shù)作為多樣化的輔助手段對(duì)GIS的應(yīng)用和高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供了更多可能 清晰 簡(jiǎn)單而美觀的圖形界面、設(shè)計(jì)合理的用戶接口，為提供了全新的用戶體驗(yàn)，有效地促進(jìn)了地理信息的交流與傳播、使用和應(yīng)用，如多點(diǎn)觸摸和語(yǔ)音控制移動(dòng)終端帶來(lái)電子地圖的大眾化和操作簡(jiǎn)易化。在新的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展影響下，現(xiàn)實(shí)設(shè)備的增強(qiáng)和移動(dòng)化、GPU／CPU的計(jì)算、內(nèi)存／顯存的存儲(chǔ)、全息成像等已成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中軟硬結(jié)合的主要方向，這對(duì)移動(dòng)互聯(lián)GIS、大數(shù)據(jù)GIS尤為重要。

1．3 融合GIS專業(yè)的計(jì)算機(jī)基本圖形算法的教學(xué)

把GIS的相關(guān)專業(yè)認(rèn)知與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，讓學(xué)生意識(shí)到兩者的緊密性，一方面增強(qiáng)同學(xué)們對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和信心，另一方面為GIS專業(yè)的學(xué)習(xí)和擴(kuò)展打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論強(qiáng)，涉及面廣，發(fā)展快。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。而地理信息科學(xué)中對(duì)地理信息最基本的建模和可視化就是對(duì)地理對(duì)象的幾何表達(dá)（點(diǎn)、線、面）和符號(hào)化（顏色、線型、填充類型等），這是地圖符號(hào)（如高速公路）的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本圖形算法和技術(shù)為GIS和地圖學(xué)中的要素可視化提供著不斷的支持。如反走樣技術(shù)，由于圖形的走樣，圖形在繪制時(shí)會(huì)出現(xiàn)鋸齒，這不僅會(huì)影響地圖的美觀，更重要的還影響著地理信息表達(dá)的精度；引入反走樣技術(shù)可以完美的解決這個(gè)問(wèn)題（如圖1）。

圖1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的反走樣技術(shù)與GIS符號(hào)結(jié)合的教學(xué)

2 基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)方法改革

2．1 教學(xué)與實(shí)踐的深度結(jié)合

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程不僅在于基本算法和原理的學(xué)習(xí)，更在于動(dòng)手能力的培養(yǎng)和提高。GIS的圖形系統(tǒng)中需要大量的基本圖形（點(diǎn)、線、面）符號(hào)繪制、定位、漫游和縮放等，這些都與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本圖形算法和操作緊密相關(guān)。為了確保本課程和專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和效果，筆者結(jié)合專業(yè)特征，一方面選擇實(shí)踐內(nèi)容融合專業(yè)，繪制“道路”、“居民地”等地理要素，繪制基本的線、面圖形和配置屬性；另一方面，充分發(fā)揮地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生已具備的編程能力 通過(guò)學(xué)過(guò)的C語(yǔ)言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程 進(jìn)行多環(huán)境多語(yǔ)言的實(shí)踐。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)采用Tur bo C為上機(jī)實(shí)習(xí)平臺(tái)，而全新流行的可視化編程環(huán)境，對(duì)學(xué)生的吸引力更大。因此依據(jù)專業(yè)內(nèi)學(xué)習(xí)其他課程具備的知識(shí)和能力，教學(xué)中學(xué)生可根據(jù)自己對(duì)編程語(yǔ)言和環(huán)境的掌握來(lái)自主選擇，可采用．Net、Matlab、Visual St udio C＋＋等實(shí)施開發(fā)，實(shí)現(xiàn)基本圖形繪制和地理數(shù)據(jù)的表達(dá)。通過(guò)教學(xué)和實(shí)踐結(jié)合、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程和GIS專業(yè)培養(yǎng)結(jié)合，學(xué)生的實(shí)踐能力有效提高，增強(qiáng)了GIS專業(yè)的技能培訓(xùn)。

2．2 充分抓住可視化主題

可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上展示，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)?？梢暬瘜⒉灰桌斫獾?、難以直觀表達(dá)的數(shù)據(jù)用圖形圖像的形式呈現(xiàn)在人們面前，便于對(duì)數(shù)據(jù)的理解，也有利于算法的直接表達(dá)，如股市行情，能量流、物質(zhì)流。它涉及多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)的表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問(wèn)題的綜合技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為GIS的可視化提供理論支持，GIS是圖形可視化在地理信息領(lǐng)域的具體應(yīng)用?？梢暬贕IS中是典型的數(shù)據(jù)輸出，做到數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)變化的可視化和數(shù)據(jù)分布的可視化。

GIS雖然有著眾多的功能劃分，如數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與組織、查詢檢索、空間分析等?；诳臻g認(rèn)知和地理學(xué)的特征，對(duì)地理信息的可視化幾乎貫穿GIS的各個(gè)環(huán)節(jié)和方面，也使得圖形可視化更為突出；此特征促使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的圖形算法和可視化成為GIS的一個(gè)重要內(nèi)容。GIS中的空間信息以及落地定位后的社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性數(shù)據(jù)的可視化和動(dòng)態(tài)推演，都需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形中的可視化技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的語(yǔ)言支持、數(shù)值分析和算法、虛擬現(xiàn)實(shí)、友好界面設(shè)計(jì)等來(lái)完成各種模擬和可視化。

2．3 多課程協(xié)調(diào)，互為補(bǔ)充

計(jì)算機(jī)圖形課程的內(nèi)容和GIS專業(yè)的其他相關(guān)課程具有較強(qiáng)的相關(guān)性，如地理空間分析基礎(chǔ)算法、空間分析、GIS原理與方法。它們?cè)趥?cè)重點(diǎn)上不同 但是卻整體上相互補(bǔ)充和增強(qiáng) 形成對(duì)GIS專業(yè)內(nèi)容的完整構(gòu)造。針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為GIS提供基礎(chǔ)的算法和可視化手段，開展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與GIS互為“媒介”的綜合性討論，分析討論兩者之間的關(guān)系。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與GIS學(xué)科交叉和科技的發(fā)展而不斷的交織發(fā)展，同時(shí)它們之間也相互依托、交融。

3 結(jié) 語(yǔ)

地理信息系統(tǒng)專業(yè)作為與IT相關(guān)的專業(yè)，在教授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程時(shí)充分發(fā)揮兩者信息結(jié)合、內(nèi)容結(jié)合和實(shí)踐結(jié)合的特征，可以有效地讓學(xué)生在學(xué)習(xí)好基礎(chǔ)課程的同時(shí)，夯實(shí)對(duì)GIS專業(yè)的掌握。本文僅從內(nèi)容結(jié)合和教學(xué)方法上進(jìn)行探討，在新環(huán)境下，下一步繼續(xù)根據(jù)綜合教改情況，進(jìn)行教學(xué)模式（如MOOC）、大學(xué)生眾創(chuàng)進(jìn)行探討和研究。

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