地理信息科學(xué)專業(yè)背景下的R語言教學(xué)內(nèi)容探索

席振 熊立偉 劉芬良

摘要：R語言是一種統(tǒng)計計算和繪圖的語言和環(huán)境，當(dāng)前在地理信息科學(xué)專業(yè)背景下開設(shè)的《R語言》課程以統(tǒng)計學(xué)和概率論為基礎(chǔ)，在融合GIS專業(yè)背景方面，存在著GIS相關(guān)內(nèi)容較少、新算法學(xué)習(xí)滯后等問題。針對這些問題進行探討，提出對應(yīng)的改革方法，以加深學(xué)生對R語言智能處理地學(xué)信息的理解，使學(xué)生更好地掌握地理信息科學(xué)專業(yè)知識，提升專業(yè)知識技能。

關(guān)鍵詞：R語言;地理信息科學(xué);機器學(xué)習(xí);教學(xué)探索

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0227-02

Exploration of R language teaching under the background of geographic information science

XI Zhen， XIONG Li-wei， LIU Fen-liang

（School of Municipal and Geomatics Engineering， Hunan City University， Yiyang 413000，China）

Abstract： R is a language and environment for statistical calculation and drawing. The current "R Language" course offered under the background of geographic information science is based on statistics and probability theory. In terms of integrating the background of GIS， there are problems such as less GIS-related content and lagging in the learning of new algorithms. To discuss these issues and propose corresponding reform methods to deepen students' understanding of R language intelligent processing of geoscience information， so that students can better master the professional knowledge of geographic information science and improve their professional knowledge and skills.

Key words： R language; geographic information science; machine learning; teaching exploration

R是一種統(tǒng)計計算和繪圖的語言和環(huán)境。R有很多獨有的特征：完全免費，全面的統(tǒng)計研究平臺，制圖功能十分強大，囊括了其他軟件所不可用的、與時俱進的統(tǒng)計計算程序，新方法的更新速度是以周來計算的 [1]。正是由于R有這么明顯的優(yōu)勢，在很多高等院校多種專業(yè)都開設(shè)了R語言相關(guān)的課程。

從MOOC平臺查詢R語言課程可以發(fā)現(xiàn)有多門R語言相關(guān)的課程。國家精品課程包括《多元統(tǒng)計分析與R語言建?！贰抖嘣y(tǒng)計分析》。其他包括《R語言與金融數(shù)據(jù)挖掘》《大數(shù)據(jù)中的R語言編程》等。其中《多元統(tǒng)計分析與R語言建?！肥墙y(tǒng)計學(xué)專業(yè)的核心課程。課程內(nèi)容包括多元統(tǒng)計分析概述;多元數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)表達;多元數(shù)據(jù)的直觀表示;多元相關(guān)與回歸分析;廣義與一般線性模型;判別分析及R使用;聚類分析及R使用;主成分分析及R使用;因子分析及R使用;對應(yīng)分析及R使用;典型相關(guān)分析及R使用;多維標(biāo)度法及R使用;綜合評價方法及R使用。除了慕課平臺，在Bilibili站中有大量R語言的教學(xué)視頻，主要分為兩類：其一為R入門基礎(chǔ)課程，主要包括R的基礎(chǔ)語法與操作教學(xué)視頻，有各高校上課的視頻也有網(wǎng)站個人錄制的視頻;其二為R語言處理專業(yè)數(shù)據(jù)教學(xué)視頻，如醫(yī)學(xué)統(tǒng)計學(xué)、生物信息學(xué)、金融學(xué)等，這方面的視頻以個人錄制為主，講解面向?qū)?yīng)專業(yè)，有的放矢，一般有理論分析，也有案例解析，對具有專業(yè)背景學(xué)生學(xué)習(xí)R語言處理專業(yè)數(shù)據(jù)的理想教學(xué)視頻。在其他的教學(xué)網(wǎng)站，如智慧樹也有許多R語言相關(guān)的課程，課程內(nèi)容大體與上述兩類類似。

從已設(shè)置R語言課程可以看到，當(dāng)前R語言課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括R語言的基礎(chǔ)編程、可視化編程、機器學(xué)習(xí)算法及其在某些專業(yè)的應(yīng)用內(nèi)容。

1 GIS專業(yè)R語言教學(xué)內(nèi)容分析

地理信息科學(xué)專業(yè)旨在培養(yǎng)學(xué)掌握寬厚的地理信息科學(xué)與地圖學(xué)的基本理論、基本知識和基本技術(shù)。具備數(shù)據(jù)采集、編輯、處理和分析以及地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)能力，能在城市規(guī)劃、國土資源以及測繪和地理信息行業(yè)的企事業(yè)單位和政府相關(guān)部門從事數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及應(yīng)用開發(fā)等工作。R語言與地理信息科學(xué)專業(yè)課程之間存在三個方面的緊密聯(lián)系：

1.1 基于地理位置的可視化

地圖學(xué)是地理信息科學(xué)的一門主要課程，空間數(shù)據(jù)的表達和可視化是本專業(yè)一項基本工作。R語言在地圖可視化方面有大量優(yōu)秀的函數(shù)包，如GISTools包提供多個常用的地圖制圖和空間數(shù)據(jù)處理工具，具有完善的綜合制圖功能。recharts包是基于Echarts接口的交互式可視化二次開發(fā)地圖可視化包。leaflet包提供基本的在線地圖（如Google Map、OpenStreetMap）可視化功能，支持地圖的交互式操作，支持不同來源地學(xué)信息的疊加可視化。

1.2 空間統(tǒng)計分析

R作為專業(yè)的統(tǒng)計軟件，在數(shù)據(jù)分析中，可以快速一鍵式的完成定性分析到定量分析?？臻g地學(xué)數(shù)據(jù)除了具有一般數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)特征外，還具有空間地理特征的屬性，R語言有許多可以一鍵式快速分析空間數(shù)據(jù)的空間統(tǒng)計分析函數(shù)工具包。另外，R語言由于語言的特性，對處理數(shù)據(jù)的規(guī)模大小不敏感，這是顯著優(yōu)于其他的空間統(tǒng)計軟件。如spdep是空間決定性工具包，包括空間權(quán)重矩陣計算、空間自相關(guān)分析、空間濾波模型等空間統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，功能十分強大。GWmodel包是空間關(guān)系異質(zhì)性地理加權(quán)技術(shù)函數(shù)包，囊括了地理加權(quán)相關(guān)的回歸、主成分分析、匯總統(tǒng)計、判別分析等地理加權(quán)建模技術(shù)，是當(dāng)前地理學(xué)中研究熱點和研究難點之一[2]。

1.3 空間數(shù)據(jù)的機器學(xué)習(xí)模型

機器學(xué)習(xí)是研究計算機模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識和技能，重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)不斷改善自身性能。設(shè)計多學(xué)科知識，如統(tǒng)計學(xué)、概率論、算法復(fù)雜度理論等。是當(dāng)前和今后一段時間持續(xù)的一個研究熱點。R語言中的機器學(xué)習(xí)函數(shù)包從古典的判別分析、貝葉斯方法到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等，覆蓋全面，更新以周為單位[3]。在地理信息科學(xué)中，對空間數(shù)據(jù)的分析、模擬和再現(xiàn)是地理信息科學(xué)重要的一環(huán)。當(dāng)前，GIS自我學(xué)習(xí)的能力還不足，自我檢驗與驗證是各類地學(xué)數(shù)據(jù)分析的重要研究內(nèi)容之一?；跈C器學(xué)習(xí)的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)與應(yīng)用包含數(shù)據(jù)的建模與分析、空間優(yōu)化、智能主體模擬等，可以充分地與R語言中機器學(xué)習(xí)算法函數(shù)包相結(jié)合，以提高效率，提高精度。

2 GIS專業(yè)R語言教學(xué)內(nèi)容探索

對于GIS專業(yè)設(shè)置的《R語言》課程，目的是加深學(xué)生對R語言在地理信息專業(yè)中的應(yīng)用理解，使學(xué)生更好地掌握R語言的編程技巧。我校地理信息科學(xué)專業(yè)《R語言》課程設(shè)置為32個學(xué)時，16個學(xué)時理論課，16個學(xué)時實踐課。

對于GIS專業(yè)設(shè)置的《R語言》課程，目的是加深學(xué)生對R語言在地理信息專業(yè)中的應(yīng)用理解，使學(xué)生更好地掌握R語言的編程技巧、對應(yīng)地理信息科學(xué)的相關(guān)算法，提升處理和分析專業(yè)地學(xué)信息的技術(shù)，為學(xué)生將來更好地融入不同的工作崗位，適應(yīng)地理信息科學(xué)日新月異的發(fā)展變化奠定良好的基礎(chǔ)。從地理信息科學(xué)專業(yè)設(shè)置的《R語言》課程中理論講授內(nèi)容、數(shù)據(jù)和方法及實踐內(nèi)容等四個方面，把《R語言》課程設(shè)置為32個學(xué)時，16個學(xué)時理論課，16個學(xué)時實踐課。

2.1 理論教學(xué)

R語言基礎(chǔ)語法、數(shù)據(jù)常規(guī)處理及基本可視化是R語言學(xué)習(xí)深造的基礎(chǔ)，特別對以前從未接觸過R語言的初學(xué)者。因此，課程理論課中8個課時為基礎(chǔ)入門教學(xué)設(shè)置。內(nèi)容包括：簡介與語言環(huán)境安裝;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)語法;常用數(shù)據(jù)處理函數(shù);基礎(chǔ)可視化。

第二部分為R中的空間數(shù)據(jù)表達與處理。引入R語言處理和可視化空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容，使學(xué)生能夠更好地理解地理信息科學(xué)專業(yè)課的內(nèi)容，更快地融入到專業(yè)學(xué)習(xí)上。首先需要指導(dǎo)學(xué)生掌握空間數(shù)據(jù)與普通大數(shù)據(jù)在R中不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);而后學(xué)習(xí)空間數(shù)據(jù)在R中的模型建立與分析;最后是R對空間數(shù)據(jù)的可視化和交互式可視化（與WebGIS課程教學(xué)互動）。這里，根據(jù)地理信息科學(xué)其他專業(yè)課程的教學(xué)進度，要把空間分析、遙感圖像處理、WebGIS二次開發(fā)等內(nèi)容引入到R語言中，詳細學(xué)習(xí)并實踐專業(yè)課程內(nèi)容在R中的體現(xiàn)，使同學(xué)們能夠根據(jù)實際情況靈活運用R語言解決遇到的問題。

2.2 實踐課程設(shè)計

結(jié)合理論教學(xué)，地理信息科學(xué)背景下的《R語言》實踐課程需要讓學(xué)生理解并熟練應(yīng)用下列內(nèi)容：R語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)語法;基礎(chǔ)可視化與空間數(shù)據(jù)表達;空間數(shù)據(jù)處理與分析;簡單的大數(shù)據(jù)挖掘模型。圍繞這四塊內(nèi)容，16個課時的實踐課程設(shè)置為：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)編程語法（2課時）;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)讀寫與數(shù)據(jù)處理（2課時）;統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化（2課時）;空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)分析（2課時）;空間數(shù)據(jù)可視化與交互式可視化（2課時）;線性回歸與空間數(shù)據(jù)探索性分析（2課時）;選址與預(yù)測綜合分析（4課時）。

3 結(jié)語

隨著信息社會的快速發(fā)展，R語言在地理信息大數(shù)據(jù)的處理方面發(fā)揮越來越重要的作用，在地理信息科學(xué)專業(yè)開設(shè)R語言的課程十分必要。我校從2019年在地理信息科學(xué)專業(yè)開設(shè)R語言課程，在課程的教材選擇與教學(xué)內(nèi)容篩選方面一直在摸索。通過對R語言與地理信息科學(xué)專業(yè)結(jié)合應(yīng)用的分析，從教學(xué)內(nèi)容、數(shù)據(jù)和方法實踐等方面進行深入討論，建議將R語言強大且更新周期短的新型算法用于地理信息科學(xué)專業(yè)R語言的理論和實踐教學(xué)中，設(shè)置一定的課時量在理論和實踐設(shè)計中添加空間數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的內(nèi)容，避免出現(xiàn)地理信息科學(xué)專業(yè)背景下R語言課程脫離專業(yè)實際。

參考文獻：

[1] 汪浩，李瑩.大數(shù)據(jù)/人工智能背景下IT專業(yè)基于R的概率論與數(shù)理統(tǒng)計教學(xué)改革[J].計算機教育，2021（3）：180-184.

[2] 盧賓賓. R語言空間數(shù)據(jù)處理與分析實踐教程[M].武漢：武漢大學(xué)出版社.

[3] 宋關(guān)福，盧浩，王晨亮，等.人工智能GIS軟件技術(shù)體系初探[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2020，22（1）：76-87.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】

收稿日期：2021-05-22

基金項目：湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目（HNJG-2020-0787）

作者簡介：席振（1986—），河南駐馬店人，博士，講師，研究方向：地質(zhì)資源與地理信息處理。