GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

朱凌一　丁園圓　王勇

[摘 要] 為了滿足地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生GIS算法課程實習(xí)教學(xué)的需要，基于GIS算法原理，采用Visual C#語言構(gòu)建了GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了登錄界面、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)判斷方式設(shè)置、要素繪制和要素繪制選項設(shè)置等功能模塊的建立，完成了算法原理查詢、操作、代碼查閱、評價及結(jié)果顯示，將抽象的原理變得具體，有效提高了學(xué)生對GIS算法知識的理解。同時，高新技術(shù)反哺教育的典型案例給新時代教育事業(yè)的發(fā)展增添了色彩，也為各類課程的實踐教學(xué)平臺建設(shè)提供了新案例。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;GIS算法課程實習(xí);Visual C#;系統(tǒng)

[基金項目] 2019年度國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“城市多尺度大氣污染物擴(kuò)散監(jiān)測模擬技術(shù)研究”（2019YFB2102003-1）

[作者簡介] 朱凌一（2000—），男，江蘇泰興人，南京信息工程大學(xué)長望學(xué)院2018級地理信息科學(xué)專業(yè)本科生，研究方向為GIS技術(shù)與應(yīng)用;丁園圓（1982—），女，江蘇泰興人，理學(xué)博士，南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院講師（通信作者），主要從事GIS技術(shù)與應(yīng)用研究;王 勇（1979—），男，江蘇海安人，理學(xué)博士，南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院副教授，主要從事3S技術(shù)與氣象應(yīng)用研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0033-04 [收稿日期] 2021-08-25

引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)虛擬仿真、可視化顯示、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的興起，為社會中的各行各業(yè)帶來了極大的便利。教育部在2018年發(fā)布了《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》，這為高校實驗室的建設(shè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇[1，2]。虛擬仿真對客觀上存在的或抽象的事物，采用計算機(jī)技術(shù)構(gòu)建出虛擬的環(huán)境，給人一種身臨其境的感覺。地理信息系統(tǒng)（GIS）算法是解決地理信息問題的計算方法和步驟，課程兼顧原理與上機(jī)實踐，內(nèi)容抽象，依賴于計算機(jī)技術(shù);而虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是將專業(yè)理論知識與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，所以GIS算法課程實習(xí)教學(xué)非常適合建立虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，通過計算機(jī)的交互操作、可視化顯示和數(shù)據(jù)處理等功能，對實習(xí)內(nèi)容進(jìn)行可視化的虛擬仿真，以完成算法原理、操作、代碼查閱、評價及結(jié)果顯示，從而可進(jìn)行各種GIS算法實驗，將抽象的原理變得具體，通過人機(jī)交互的方式，為學(xué)生展現(xiàn)一個友好的學(xué)習(xí)界面，使學(xué)生更容易掌握抽象的知識，為實驗室教學(xué)帶來了方便，并深受學(xué)生的喜愛。因此，把虛擬仿真技術(shù)引入地學(xué)類課程實習(xí)教學(xué)已成為一種趨勢[3-5]。

20世紀(jì)80年代末，美國弗吉尼亞大學(xué)的William Wolf教授首先提出了將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真實驗平臺，1998年美國麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實驗室使用了虛擬仿真技術(shù);美國俄勒岡大學(xué)主辦的VLAB物理實驗網(wǎng)站涵蓋了天體物理、力學(xué)、熱學(xué)等幾十種虛擬實驗;美國休斯敦大學(xué)和NASA聯(lián)合建立了一個具有高度交互性的VETL實驗室;美國密歇根大學(xué)創(chuàng)建了在化學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的VRCEL實驗室。其他發(fā)達(dá)國家也取得了不錯的進(jìn)展，如澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)設(shè)計熱傳遞過程的虛擬仿真實驗;加拿大維多利亞大學(xué)開發(fā)了電子電路虛擬仿真實驗室;德國波鴻魯爾大學(xué)建立了一個具有三維實驗場景的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。由此可見，虛擬實驗室在發(fā)達(dá)國家已十分普及。

在國內(nèi)，各大高校也非常重視虛擬實驗室的建設(shè)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出我國第一套虛擬仿真實驗平臺軟件“幾何光學(xué)設(shè)計平臺”;清華大學(xué)成立了“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真”國家重點(diǎn)實驗室;中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了土壤—作物系統(tǒng)虛擬實驗室。此外，南京大學(xué)、上海交通大學(xué)、河海大學(xué)、南京信息工程大學(xué)[6]等一批高校，也相繼開發(fā)了一批虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，在物理、電子、醫(yī)學(xué)、建筑、生化、氣象等學(xué)科中發(fā)揮了重要作用。

目前虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高校的各類實驗室中，因此要加大對地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，擺脫高校實驗室受經(jīng)費(fèi)與硬件設(shè)備頻繁更新等因素的限制，使實習(xí)條件跟上最新技術(shù)的發(fā)展，滿足學(xué)生實習(xí)的需求。同時，為了改善高校地學(xué)類GIS算法課程實習(xí)教學(xué)條件、改革課程實習(xí)教學(xué)方法、提高課程實習(xí)教學(xué)水平，本文基于GIS算法課程實習(xí)中的案例原理，利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生更為直觀地掌握GIS算法的原理，同時此平臺的建設(shè)也為地理信息科學(xué)專業(yè)等相關(guān)課程開展虛擬仿真實驗提供了有益的參考。

一、課程目標(biāo)和虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢

（一）課程目標(biāo)

GIS算法課程是一門實踐性、綜合性、應(yīng)用性較強(qiáng)的地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)課程，對學(xué)生動手能力要求很高。上機(jī)實驗是該課程的必要實習(xí)環(huán)節(jié)。通過上機(jī)實驗，學(xué)生將學(xué)到的算法運(yùn)用于實際操作，一方面可以更為深刻地掌握算法的基本原理;另一方面可以提高學(xué)生的計算機(jī)實際應(yīng)用動手能力，讓學(xué)生有成就感，激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣。課程包括原理與上機(jī)實踐。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是高新技術(shù)反哺教育，將GIS算法課程實習(xí)內(nèi)容與虛擬仿真相結(jié)合，以完成算法原理、操作、代碼查閱、評價及結(jié)果顯示。通過各種GIS算法實驗，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)為課程實習(xí)教學(xué)帶來了便捷。

（二）虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢

采用虛擬仿真技術(shù)在課程實習(xí)教學(xué)中具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）突破時間空間限制，不局限于實驗室，使用電子設(shè)備就可以隨時隨地開展實習(xí)，實現(xiàn)線上教學(xué)，師生在線研討;（2）解決了實驗耗材搭建難的問題，通過虛擬技術(shù)模擬抽象問題，讓學(xué)生可以體驗各種實習(xí)，可以更好地獲取知識，既真實直觀又不損耗儀器，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情;（3）易開展綜合性實習(xí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力;（4）提高課堂效率，可以展示抽象的原理，提高教學(xué)效率;（5）安全教學(xué)，可以任意進(jìn)行探索性操作，沒有安全隱患。

二、GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建

（一）主要GIS算法原理

GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的主要內(nèi)容有點(diǎn)與線段位置關(guān)系判斷、兩線段位置關(guān)系判斷等算法，本文以矢量（點(diǎn)與線段、兩線段）位置關(guān)系判斷算法為例，介紹其原理[7]。

點(diǎn)與線段的位置關(guān)系判斷，使用矢量叉乘，設(shè)點(diǎn)為Q，線段為PP，主要依據(jù)是：（Q-P）×（P-P）=0，同時滿足Q在以P、P為對角頂點(diǎn)的矩形內(nèi)。前者說明Q點(diǎn)在線段PP所在的直線上，后者說明Q點(diǎn)不在線段PP或者線段PP的延長線上。

兩線段的位置關(guān)系判斷，可確定兩條線段是否相交，分兩步：（1）快速排斥試驗。設(shè)以線段PP為對角線的矩形為R和以線段QQ為對角線的矩形為T，若R和T不相交，表明兩線段不會相交。（2）跨立試驗。若兩線段相交，則兩線段必須相互跨立對方。使用矢量叉乘，若線段PP跨立線段QQ，則矢量（P-Q）和（P-Q）位于矢量（Q-Q）的兩側(cè)，即（P-Q）×（P-Q）*（P-Q）×（Q-Q）<0。上式改寫為（P-Q）×（Q-Q）*（Q-Q）×（P-Q）>0。當(dāng)（P-Q）×（Q-Q）=0時，說明（P-Q）和（Q-Q）共線，但是因為已經(jīng)通過快速排斥試驗，所以P1一定在線段Q1Q2上;同理，（Q-Q）×（P-Q）=0說明P2一定在線段QQ上。故判斷線段PP跨立線段QQ的依據(jù)是：（P-Q）×（Q-Q）*（Q-Q）×（P-Q）≥0。同理，判斷線段Q1Q2跨立線段P1P2的依據(jù)是：（Q-P）×（P-P）*（P-P）×（Q-P）≥0。

（二）系統(tǒng)的功能

根據(jù)GIS算法課程實習(xí)教學(xué)內(nèi)容，以GIS矢量（點(diǎn)與線段、兩線段）位置關(guān)系判斷算法為例，設(shè)計了GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，其操作界面見圖1。系統(tǒng)由登錄界面功能、系統(tǒng)設(shè)置功能、系統(tǒng)判斷方式設(shè)置、要素繪制和要素繪制選項等五個模塊組成。本系統(tǒng)實現(xiàn)矢量要素的判斷功能，能夠方便地計算矢量與矢量之間的關(guān)系，實現(xiàn)矢量點(diǎn)、矢量邊的可視化。

1.登錄界面功能。在用戶初次加載此程序的時候，在GIS矢量數(shù)據(jù)位置關(guān)系判斷可視化系統(tǒng)加載登錄界面時，系統(tǒng)會完成自檢，并從后臺讀取本地的幫助文檔文件以檢測幫助文檔是否存在。若不存在，系統(tǒng)會提示檢測本地的幫助文檔;若存在，則完成對系統(tǒng)的載入。

2.系統(tǒng)設(shè)置功能。在系統(tǒng)加載完備的情況下，用戶通過點(diǎn)擊左上角的設(shè)置按鈕，對GIS矢量數(shù)據(jù)位置關(guān)系判斷可視化系統(tǒng)進(jìn)行個性化設(shè)置，包括判斷方式的設(shè)置、系統(tǒng)是否可窗口化（縮放）、系統(tǒng)默認(rèn)繪制方式、繪制顏色與繪制尺寸的設(shè)置。

3.系統(tǒng)判斷方式設(shè)置。在系統(tǒng)設(shè)置界面，用戶通過點(diǎn)擊單選按鈕進(jìn)行判斷方式的選擇。自動判斷方式系統(tǒng)會在繪制完成后自動給出判斷的結(jié)果。手動判斷的方式，系統(tǒng)會提供手動判斷按鈕，在繪制完成后，用戶可以通過點(diǎn)擊判斷按鈕，完成對繪制要素間關(guān)系的判斷。

4.要素繪制。在完成繪制模式的選擇后，用戶通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵可以繪制相對應(yīng)的要素，并完成可視化顯示。

5.要素繪制選項設(shè)置?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)設(shè)置以繪制不同顏色和大小的要素。

（三）系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺和技術(shù)

矢量作為GIS勾勒世界的主要手段，近年來在GIS系統(tǒng)乃至制圖系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前有很多的矢量算法，但是實現(xiàn)相關(guān)算法，并且實現(xiàn)其可視化的軟件卻很少。該系統(tǒng)的開發(fā)平臺為微軟推出的Visual Studio 2012.NET，是開發(fā)Windows平臺產(chǎn)品的利器?；贕IS算法理論與C#相關(guān)的編程基礎(chǔ)，利用C#代碼實現(xiàn)相關(guān)矢量算法及其可視化，實現(xiàn)了GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)。

三、虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果

以地理信息科學(xué)專業(yè)2018級本科生的課程實習(xí)教學(xué)情況為例，共有80位學(xué)生作為研究對象，通過問卷調(diào)查的形式，調(diào)查了這80位學(xué)生，回收率為100%。調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真教學(xué)網(wǎng)站操作簡單，能夠提高學(xué)生的自學(xué)能力，加深對知識的理解程度，對于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的滿意度較高（見表1）。在實習(xí)過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無報錯情況出現(xiàn)。絕大多數(shù)學(xué)生提交了合格的實習(xí)報告，達(dá)到了課程設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。

結(jié)語

本文將GIS算法原理與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)結(jié)合，采用Visual C#語言建構(gòu)了GIS算法課程實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，建立了登錄界面、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)判斷方式設(shè)置、要素繪制和要素繪制選項設(shè)置等功能模塊，完成了算法原理查詢、操作、代碼查閱、評價及結(jié)果顯示，將抽象的原理變得具體，有效提高了學(xué)生對GIS算法知識的理解，也是高新技術(shù)反哺教育的典型案例，給新時代教育事業(yè)的發(fā)展增添了色彩，為各類課程的實踐教學(xué)平臺建設(shè)提供了新案例。

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[7]張宏，溫永寧，劉愛利，等.地理信息系統(tǒng)算法基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

Teaching System of Virtual Simulation for GIS Algorithm Course Practice

ZHU Ling-yi DING Yuan-yuan WANG Yong

（a.Changwang School of Honors， b.School of Geographical Sciences， c.School of Applied Meteorology， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jiangsu 210044， China）

Abstract： In order to meet the needs of the course of GIS Algorithm practice teaching for students majoring in geographic information science， we use Visual C# language to construct a virtual simulation teaching system for GIS Algorithm practice based on GIS Algorithm principles. In the system， the establishment of functional modules is realized such as login interface， system settings， system judgment mode settings， element drawing and element drawing option settings， and completes algorithm principle query， operation， code review， evaluation and result display. The system turns abstract principles into concrete images， which effectively improves students’ understanding of GIS Algorithm knowledge. This is also a typical case of high-tech and back-feeding education， which adds color to the development of education in the new era， and also provides new cases for the construction of practical teaching platforms for various courses.

Key words： virtual simulation; GIS Algorithm course practice; Visual C#; system