空間大數(shù)據(jù)時代GIS二次開發(fā)的教學改革研究與實踐

謝小魁，魏金占，林 卉

（1.北部灣大學 資源與環(huán)境學院，廣西 欽州 535011；2.桂林航天工業(yè)學院 電子信息與自動化學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

GIS 在中國得到快速發(fā)展，目前已在科學研究、智慧城市建設(shè)、互聯(lián)網(wǎng)+智慧行業(yè)等行業(yè)取得了顯著成效。2011年5 月，國家測繪局更名為國家測繪地理信息局［1］，同年7月，中國地理信息系統(tǒng)協(xié)會更名為中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會［2］，標志著測繪、地理、信息和產(chǎn)業(yè)在中國的融合，反映了國家對GIS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路的重視。

隨著GIS 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，社會對GIS 人才的需求量持續(xù)增加。通常，GIS 專業(yè)的就業(yè)崗位主要分為GIS 應(yīng)用操作和GIS 軟件開發(fā)，而后一種是更加熱門的就業(yè)領(lǐng)域［3］。國土［4］、農(nóng)林［5］、地質(zhì)［6］、城市規(guī)劃［7］、水利［8］、醫(yī)學［9］等多個行業(yè)對GIS 二次開發(fā)均有廣泛需求。對62 家地理信息相關(guān)單位的用人需求進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)［10］，超過一半的用人單位（33 家）要求熟悉COM 開發(fā)技術(shù)，掌握ArcEngine、MapObjects、MapX 或SuperMap Objects 等常見的GIS 開發(fā)平臺或開發(fā)組件?！?1job”“智聯(lián)招聘”“3S 招聘網(wǎng)”三大招聘網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，在GIS 類別的崗位中，軟件開發(fā)技術(shù)需求量最大［11］，將來較長一段時間內(nèi)GIS 二次開發(fā)需求將會居高不下。

GIS 二次開發(fā)是測繪工程、地理信息科學、地理信息工程等專業(yè)本科生和研究生必修的一門核心課程［12］，一致認為這是由專業(yè)課程體系和應(yīng)用型人才的社會需求共同決定。相關(guān)研究較多，研究角度涉及從產(chǎn)業(yè)型人才培養(yǎng)模式［3］、社會需求角度［11］、GIS 開發(fā)競賽［13-14］等方面；培養(yǎng)專業(yè)分別從地理信息科學［15］、城建類［13］、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)［16］等專業(yè)出發(fā)，分析不同專業(yè)對GIS 二次開發(fā)人才的特定需求；在開發(fā)平臺和實踐教學上，主要選擇ArcEngine［14，17-18］、Map Objects［17，19］和MapX［17］等傳統(tǒng)的COM GIS；應(yīng)用案例上，選擇了三維數(shù)字校園系統(tǒng)［20］、動態(tài)追蹤［19］、土地承包經(jīng)營權(quán)［18］等。由于涉及內(nèi)容廣泛，包括離散數(shù)學、程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、數(shù)據(jù)庫、遙感影像處理、地圖編繪等多個專業(yè)課程［3］，應(yīng)用性強，動手能力要求高，大部分學生對此課程缺乏信心和興趣，普遍認為這門課程難度較大。

隨著地理大數(shù)據(jù)激增、人工智能快速發(fā)展、社會精細管理等方面的沖擊，社會對GIS 專業(yè)人才知識結(jié)構(gòu)和動手能力的需求發(fā)生了極大變化。一些學者認為，當前國內(nèi)GIS 二次開發(fā)的課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)體系比較陳舊，GIS 開發(fā)模式和教學重點相對落后［3，11-12，21-23］，已不能滿足大數(shù)據(jù)和人工智能背景下GIS 人才培養(yǎng)需求。大數(shù)據(jù)需求背景下，如何設(shè)計GIS 二次開發(fā)課程教學模式、教學內(nèi)容和教學方法等，降低GIS 二次開發(fā)課程學習難度，提升學生學習興趣，促使學生適應(yīng)新形勢下社會和行業(yè)發(fā)展需求，是GIS二次開發(fā)教學改革面臨的重要問題。

1 傳統(tǒng)GIS二次開發(fā)模式面臨的挑戰(zhàn)

1.1 傳統(tǒng)GIS二次開發(fā)方式

根據(jù)內(nèi)容可將GIS 分為工具型GIS 和應(yīng)用型GIS 兩大基本類型［24］。對于大多數(shù)非GIS 專業(yè)的普通用戶而言，工具型GIS 平臺功能復雜、難以掌握，應(yīng)用型GIS 更能滿足特定行業(yè)應(yīng)用需求，市場上對應(yīng)用型GIS 的需求大大超過工具型GIS。應(yīng)用型GIS 一般是利用高級程序設(shè)計語言（如Python、C#、Java、C++等），在工具型地理信息系統(tǒng)平臺（如SuperMap、MapGIS、ArcGIS、MapInfo、QGIS 等）基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)而來。

GIS 二次開發(fā)模式主要包括單純二次開發(fā)和集成二次開發(fā)［3，24-25］，或者宿主型開發(fā)和組件式開發(fā)兩大類［21］。“單純二次開發(fā)”又叫宿主型二次開發(fā)，通過使用GIS 平臺的腳本語言實現(xiàn)。在過去，大多數(shù)GIS 平臺提供了自己的二次開發(fā)語言。如ESRI ArcView 有Avenue［26］，ArcGIS 早期支持VBA，MapInfo Professional 提供了MapBasic 語言、MGE提供了MDL［24］。這種開發(fā)方式難度低，可以快速擴充系統(tǒng)功能，程序穩(wěn)定。“集成二次開發(fā)”又叫組件式開發(fā)，利用通用高級程序設(shè)計語言（C#、Java、C++等），通過調(diào)用GIS可視化控件實現(xiàn)，大部分功能都綁定到GIS 控件。例如，ArcGIS 早期提供MapObjects 組件，后來產(chǎn)生ArcObjects 和ArcEngine 組件；MapInfo 早期擁有MapX，后期發(fā)布了MapXtreme；SuperMap 的SuperMap Objects 簡單易用。此種方式對專業(yè)程序員比較友好，只需利用熟悉的通用高級程序設(shè)計語言和集成開發(fā)環(huán)境即可開發(fā)，具有投入成本低、開發(fā)速度快、容易集成業(yè)務(wù)工作流、開發(fā)出來的程序界面漂亮、易于商業(yè)化等優(yōu)點。

隨著信息技術(shù)和GIS 的發(fā)展，GIS 二次開發(fā)的內(nèi)涵和外延也隨著發(fā)生變化。其他的GIS 二次開發(fā)模式還包括Web API 二次開發(fā)和開源二次開發(fā)［21］。Web API 開發(fā)通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實現(xiàn)，主要用于互聯(lián)網(wǎng)電子地圖服務(wù)和公眾電子地圖展示，但空間分析功能較弱；開源二次開發(fā)基于優(yōu)秀的開源GIS 平臺（如NASA WorldWind、MapWindow、QGIS 等），通過修改、優(yōu)化和擴展源代碼實現(xiàn)。

1.2 新時期的挑戰(zhàn)

技術(shù)層面上，隨著衛(wèi)星定位、攝影測量和遙感、機載激光雷達和無人船等技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，空間數(shù)據(jù)的采集手段越來越多、成本越來越低、效率越來越高。政策層面上，隨著“一帶一路”倡議的提出和“精準扶貧”“西氣東輸”“南水北調(diào)”等重大工程的實施，國家進行了地理國情普查、第三次土地調(diào)查、林業(yè)調(diào)查、草業(yè)資源清查等全國范圍的空間信息項目，積累了大量的空間數(shù)據(jù)。2022 年2 月16 日，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于開展第三次全國土壤普查的通知》，決定自2022 年起利用4 年時間完成第三次全國土壤普查，調(diào)查方案將基于RS 和GIS 制定，數(shù)據(jù)采集利用GNSS進行定位，成果采用GIS管理。

社會對地理數(shù)據(jù)的需求發(fā)生了極大變化，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)需求量大、計算密集型高、實時性強、業(yè)務(wù)流程繁多、專業(yè)模型復雜、智能化程度要求高。例如，疫情防控的健康碼、行程卡分析，需要集成來自各種渠道的空間大數(shù)據(jù)，進行時空伴隨分析，精準性和實時性要求都非常高。

目前，GIS 面臨供給側(cè)的地理大數(shù)據(jù)爆炸和需求側(cè)的地理大數(shù)據(jù)需求的雙重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的GIS 二次開發(fā)方式在大數(shù)據(jù)面前顯得力不從心。傳統(tǒng)的宿主型二次開發(fā)使用特定腳本語言（如ArcView 的Avenue、ArcGIS 的VBA、Map-Info 的MapBasic），功能單一、互操作性差、難以跨平臺、計算生態(tài)嚴重缺失。例如，即使曾經(jīng)使用極為廣泛的VBA，也很難開發(fā)出網(wǎng)絡(luò)爬蟲工具，而目前人們大量使用這種技術(shù)下載監(jiān)測數(shù)據(jù)以打造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，這是大數(shù)據(jù)工程建設(shè)的重要組成部分。在傳統(tǒng)的集成式開發(fā)中，GIS 組件一般作為窗體容器的可視化控件，所有功能都通過這些控件綁定，不能以微服務(wù)的形式提供網(wǎng)絡(luò)和共享服務(wù)；如果同時使用多個GIS 平臺的控件，則會占用較多硬件資源，導致其運行速度減慢，軟件不穩(wěn)定，容易崩潰，幾乎不能與大數(shù)據(jù)開發(fā)框架集成，也就難以形成豐富的生態(tài)鏈。例如，進行高斯投影科學計算，不需要可視化，只需要坐標系轉(zhuǎn)換功能即可，但在使用ArcGIS Engine 進行高斯投影計算時，也要安裝全部的ArcGIS Engine。

同時，傳統(tǒng)的GIS 二次開發(fā)難度較大。GIS 需要支持空間數(shù)據(jù)庫，進行大量的空間分析，因此其規(guī)模和復雜程度要遠高于普通的信息管理系統(tǒng)（MIS）或統(tǒng)計分析系統(tǒng)（例如SPSS）。開發(fā)人員需要掌握二次開發(fā)基本原理、組件技術(shù)基礎(chǔ)，掌握GIS 數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、程序?qū)崿F(xiàn)的全過程［27］，也需要學習操作系統(tǒng)、離散數(shù)學、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、空間數(shù)據(jù)庫、軟件工程等基礎(chǔ)課程［24］。教學內(nèi)容中的算法、代碼編寫占很大比例，GIS 空間分析的代碼貢獻較少，開發(fā)人員珍貴，人才奇缺。例如，ArcEngine、MapObjects、MapX 均基于組件技術(shù)［23，28］，非?；逎y懂。并且，在使用ArcGIS Engine 時需要大量使用強制類型轉(zhuǎn)化，IDE 無法進行智能提示，編譯器無法進行類型檢查。

1.3 大數(shù)據(jù)背景下GIS二次開發(fā)的必要性

GIS 二次開發(fā)課程是地理信息系統(tǒng)專業(yè)的核心課程之一，具有很強的技術(shù)性、應(yīng)用性和實踐性。在過去，集成式組件開發(fā)（控件開發(fā)）是大部分GIS 二次開發(fā)的首選方式，開發(fā)人員利用自己熟悉的編程語言（例如C#、Java）進行編程，速度快、方式靈活。然而，這種開發(fā)方式其實很難滿足大數(shù)據(jù)背景下的現(xiàn)實需求，具體表現(xiàn)如下：①GIS 控件往往只包括原系統(tǒng)平臺的少部分功能，一些復雜的地理分析難以實現(xiàn)，而地理分析是GIS 的核心。例如ArcToolbox 是ArcGIS 的核心，利用Arcpy 調(diào)用ArcToolbox 進行空間分析是解決復雜空間問題的重要方法，但如果用戶使用傳統(tǒng)MapObjects、ArcEngine 進行二次開發(fā)，則根本不可能實現(xiàn)類似ArcToolbox 的功能；②集成式開發(fā)技術(shù)需要精通的C#或其他高級程序設(shè)計語言，這對大部分GIS 數(shù)據(jù)分析人員而言過于復雜，導致開發(fā)人員緊缺，時間急迫，開發(fā)人員日夜加班成常態(tài)，但熟練的GIS 技術(shù)員和分析工程師卻幫不上忙，難以滿足大型GIS 工程項目和政府政績的周期和時間節(jié)點要求；③基于GIS 控件開發(fā)獨立的程序，需要從零開始搭建程序框架，意味著缺少成熟商業(yè)軟件特有的基礎(chǔ)設(shè)施、多源數(shù)據(jù)和多數(shù)據(jù)庫的支持、空間分析功能等基本且重要的功能，基本不具有擴展性。

2 變革背景下的GIS二次開發(fā)語言與環(huán)境

2.1 開發(fā)語言比較與選擇

GIS 二次開發(fā)所選擇的語言應(yīng)該是發(fā)展變化的，能適應(yīng)現(xiàn)代程序設(shè)計主流（例如云計算），有較強的大數(shù)據(jù)處理能力。例如，ArcGIS for Desktop 10.8 軟件安裝包大小只有1.3G，而ArcGIS_Desktop_Tutorial_Data 數(shù)據(jù)包就有1.7G。本文在項目教學中處理的數(shù)據(jù)量達到數(shù)十TB。

目前，GIS 商業(yè)軟件和開源軟件很多，GIS 二次開發(fā)語言所面臨的選擇也非常多，為此考察2021 年十大主流編程語言。根據(jù)最新的TIOBE 排行榜（TIOBE Index for October 2021）（www.tiobe.com），選取排名前十的編程語言進行分析，如表1所示。

Table 1 Top ten major programming languages of TIOBE in 2021表1 2021年TIOBE十大主流程序設(shè)計語言

在上述10 門編程語言中，C/C++直接操作內(nèi)存和硬件，具有極強的性能優(yōu)勢，適合專業(yè)程序員作為開發(fā)GIS平臺的系統(tǒng)級開發(fā)語言，但存在控制難度大、開發(fā)周期長等問題；Java 和C#具有現(xiàn)代編程語言的面向?qū)ο?、類型安全等?yōu)點，開發(fā)速度較快，適合開發(fā)界面豐富、業(yè)務(wù)流程復雜的商業(yè)程序；Visual Basic .NET 的功能與C#類似，但有逐漸邊緣化的趨勢；經(jīng)典的Visual Basic 最高版本為6.0，之后不再更新，由于網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等功能較弱，現(xiàn)在主流的GIS開發(fā)平臺不再支持。JavaScript 作為一種腳本語言，與瀏覽器交互效果好，適合作為前端展示，但并不適合算法開發(fā)、科學計算，絕大部分GIS 都不支持JavaScript 擴展其空間分析和大數(shù)據(jù)處理功能；SQL 是數(shù)據(jù)庫專用語言；PHP 作為服務(wù)器端執(zhí)行的腳本語言，適用于WebGIS 開發(fā)并嵌入HTML 中。Python 相對簡單易用，開發(fā)速度快；動態(tài)特性適合GIS 插件開發(fā)，用以擴展功能；計算生態(tài)豐富，適合構(gòu)建以大數(shù)據(jù)為中心的高級應(yīng)用；在人工智能方面具有最好的支持；創(chuàng)新優(yōu)勢明顯，學習此門語言對進一步深造和開展科學研究具有很大幫助；該語言開源免費，不需要授權(quán)，GIS 平臺對Python 的支持將會越來越豐富。因此，Python適合GIS數(shù)據(jù)分析，是GIS專業(yè)進行二次開發(fā)的首選語言。

2.2 開發(fā)環(huán)境比較與選擇

選定Python 作為GIS 二次開發(fā)語言后，分析目前主流的集成式開發(fā)環(huán)境（IDE，Integrated Development Environment）（見表2），根據(jù)GIS的特點進行優(yōu)選。

Table 2 Comparison of mainstream Python IDEs表2 主流的Python IDE對比

IDLE 由Python 軟件自帶，可以拿來即用，但綜合功能太弱，語法檢查、智能提示、斷點調(diào)試等提高生產(chǎn)力的功能幾乎不具備，效率極低，不合適作為GIS 二次開發(fā)的IDE；ArcGIS Python 窗口為ArcGIS 軟件自帶，可以拿來即用，適合入門學習；PyCharm 是專業(yè)的Python 開發(fā)工具，智能提示、自動完成、自動排版、代碼重構(gòu)、斷點調(diào)試等功能強大，可以快速提升開發(fā)效率，適合較為復雜的代碼；Visual Studio 非常龐大，而且收費，但開發(fā)功能強大，適合專業(yè)程序員；Visual Studio Code 屬于免費的輕量級開發(fā)環(huán)境，對Python 開發(fā)支持比較好，但手動配置難度較大，對初學者不太友好，適合比較專業(yè)的程序員；Jupyter Notebook 在瀏覽器運行，默認配置信息、文件和數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)盤，但在公共多媒體教室和公共計算機房出于對操作系統(tǒng)安全的考慮，對系統(tǒng)盤進行保護，在電腦重啟時將系統(tǒng)盤到恢復初始狀態(tài)，默認保存在系統(tǒng)盤的數(shù)據(jù)和文件將會丟失，因此不適合安裝在公共機房，但由于瀏覽器的跨平臺特性，適合用于制作教學素材。

3 大數(shù)據(jù)背景下GIS二次開發(fā)教學內(nèi)容設(shè)計

3.1 需求分析

以前，GIS 二次開發(fā)系統(tǒng)追求“信息系統(tǒng)的工作流、商業(yè)軟件的獨立界面、空間數(shù)據(jù)的可視化”，處理核心業(yè)務(wù)的程序代碼并不多。目前，相關(guān)科學技術(shù)發(fā)生深刻變革，GIS軟件繁多、算法成熟、應(yīng)用型顯著加強，開源GIS 工具（如GDAL、OGR）和軟件（QGIS、MapWindow）層出不窮。很多先進的算法，如人工智能軟件TensorFlow、森林景觀模型LandScape、景觀指數(shù)計算FragStats 等軟件得以廣泛使用，空間統(tǒng)計回歸、土地利用變化模擬、地理元胞自動機等算法都已經(jīng)較為成熟并集成到地理信息系統(tǒng)軟件中。GIS 提供了成熟的二三維一體化的可視化功能，界面和空間數(shù)據(jù)可視化不再是GIS 二次開發(fā)中需要關(guān)注的重點問題。例如，讀取空間數(shù)據(jù)的坐標系、對空間數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換等，只需要使用Python 調(diào)用API 即可，并不需要顯示空間數(shù)據(jù)，也不需要打開GIS軟件。

總之，目前GIS 二次開發(fā)的實踐重點發(fā)生了變化，貼上了開源開放、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等標簽；腳本化和批處理成為自動化處理空間大數(shù)據(jù)必不可少的手段；如何快速提高生產(chǎn)力成為GIS二次開發(fā)亟需解決的問題。

3.2 教學內(nèi)容

科學技術(shù)和用戶需求的深刻變化，導致教學內(nèi)容必然發(fā)生變化，課程的教學大綱需要綜合優(yōu)化。很多傳統(tǒng)的GIS 二次開發(fā)流于表面，局限于常規(guī)的GIS 功能。例如，地圖的縮放、查詢、數(shù)據(jù)加載、要素編輯、專題圖制作、數(shù)據(jù)庫管理等，都是GIS 平臺提供的成熟功能。學習傳統(tǒng)的GIS二次開發(fā)，可以做出一個帶有基本功能的GIS，但很難擴展現(xiàn)有系統(tǒng)功能，因而難以應(yīng)對大數(shù)據(jù)空間分析的核心挑戰(zhàn)，對科學研究的意義不大。

GIS 的外在表現(xiàn)是空間制圖，內(nèi)在基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)管理，核心功能是空間分析。學習二次開發(fā)之后，應(yīng)該可以對已有功能進行集成，進行批處理；或者開發(fā)新算法，加入新功能。考慮到技術(shù)更迭和可持續(xù)發(fā)展，GIS 二次開發(fā)課程應(yīng)當適當具有前瞻性和引領(lǐng)性，“1+3”個面向，第一個是面向未來，而面向未來意味著面向大數(shù)據(jù)，面向科學計算，面向人工智能。其邏輯關(guān)系是大數(shù)據(jù)是GIS 的血液，科學計算是處理空間大數(shù)據(jù)的方法，而其中人工智能是科學計算的重要組成部分。

在“1+3”面向的思想指導下，將空間數(shù)據(jù)制圖、空間數(shù)據(jù)管理和空間分析的作為二次開發(fā)的核心內(nèi)容，使GIS 二次開發(fā)成為解決科學研究、生產(chǎn)工程、技術(shù)創(chuàng)新的有效手段。空間數(shù)據(jù)制圖主要是對地圖和圖層的基本操作，目的是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)可視化、制圖自動化；數(shù)據(jù)管理是GIS 開發(fā)的基礎(chǔ)，主要進行空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存取，目的是對地理大數(shù)據(jù)進行管理，同時也是地理處理工具的入口；空間分析主要是調(diào)用工具對地理大數(shù)據(jù)進行批處理組件工作流，同時通過開發(fā)算法定制獨特的工具，GIS 二次開發(fā)內(nèi)容設(shè)置如表3 所示。各部分都有典型應(yīng)用案例，內(nèi)容循序漸進，逐步深入到GIS開發(fā)的核心［29］。

Table 3 Content for GIS secondary development表3 GIS二次開發(fā)內(nèi)容設(shè)置

對于GIS 平臺本身具有的基本功能（如地圖的縮放漫游操作）、必須手工操作實現(xiàn)更為方便的功能（如圖層符號化）、在計算生態(tài)中有比較成熟的解決方案的內(nèi)容（如土地利用轉(zhuǎn)移矩陣），就不再作為GIS開發(fā)的優(yōu)選內(nèi)容。

4 GIS二次開發(fā)的痛點與對策

GIS 二次開發(fā)的本質(zhì)是在精通GIS 原理、熟悉GIS 操作的基礎(chǔ)上，對GIS 平臺提供的API 進行合理調(diào)用的過程。API數(shù)量巨大、記憶負擔重、思維抽象、函數(shù)調(diào)用語法復雜、復現(xiàn)難，極易出錯。如果在編寫程序時需要反復查找API、記憶函數(shù)名稱、確認拼寫等，則需要花費大量時間，降低了開發(fā)流暢度，影響了開發(fā)效率，糟糕的開發(fā)體驗會給初學者造成較大壓力，使之失去進一步學習的信心和興趣。通過優(yōu)化課程體系設(shè)置，提高教學技巧，可提高初學者開發(fā)體驗，增強其學習的信心。

4.1 課程體系設(shè)置

以夯實基礎(chǔ)為目的，采用Python 作為“高級程序語言設(shè)計”“數(shù)據(jù)機構(gòu)和算法”“空間數(shù)據(jù)庫”的實施語言，逐步加深對Python 的理解，消除對Python 的恐懼心理。如果沒有前面的扎實基礎(chǔ)，直接入手GIS 二次開發(fā)，則很難靈活變通。大型GIS 平臺都采用了空間數(shù)據(jù)庫引擎，屏蔽了數(shù)據(jù)庫底層的物理結(jié)構(gòu)，因而GIS 二次開發(fā)并不需要針對特定的空間數(shù)據(jù)庫修改教學大綱。

4.2 教學設(shè)計技巧

在教學設(shè)計上，通過自動代碼生成，探索式開發(fā)，將常用代碼片段總結(jié)成模板，降低初學門檻，減輕記憶負擔。

（1）自動式代碼生成。由于Python 窗口支持拖放式的自動生成代碼［29］，拖放工具自動生成函數(shù)，拖放數(shù)據(jù)自動生成參數(shù)，基本不用記憶和查詢函數(shù)名稱和用法即可快速入門GIS二次開發(fā)，即刻體驗開發(fā)的樂趣。

以查詢某一要素類的個數(shù)為例［29］：在工具箱里找到Get Count，拖放到Python 窗口，會自動生成函數(shù)，在內(nèi)容列表或目錄窗口拖放圖層或數(shù)據(jù)，自動生成函數(shù)的參數(shù)，如圖1所示。

Fig.1 Code generation by dragging and dropping圖1 拖放式代碼生成

（2）探索式程序開發(fā)。在現(xiàn)代面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想指導下，通過命名空間（模塊）、類、成員的層次結(jié)構(gòu)，分類組織API，通過IDE 的上下文智能提示和自動完成，可以通覽對象成員，快速探索API；API 本身有許多列舉函數(shù)，可以列舉出所有成員；Python 可以通過dir 函數(shù)，查找出對象的所有成員。例如，for attr in dir（mxd）：print（attr，getattr（mxd，attr）），可以列舉出地圖文檔mxd 的所有成員。利用這種探索式開發(fā)方式，邊學習邊擴充知識，快速熟悉更多的API。

（3）模板式代碼片段。在GIS 二次開發(fā)過程中，有很多框架式代碼，只需要修改參數(shù)，就可將其應(yīng)用于不同的場景。例如，下面的程序片段為獲取第一個圖層代碼，這是很多程序的入口，可以作為標準模版重復使用。

將GIS二次開發(fā)的教學內(nèi)容和教學設(shè)計技巧整理成教材《基于Python 的ArcGIS 二次開發(fā)實驗實習教程》，已由武漢大學出版社出版［29］。

5 GIS二次開發(fā)實踐項目案例與分析

GIS 二次開發(fā)能顯著提升GIS 數(shù)據(jù)生產(chǎn)、加工效率和科研深度，能將科學思想迅速轉(zhuǎn)化為科研成果，產(chǎn)生經(jīng)濟產(chǎn)值和社會價值。在實際項目開發(fā)中，如果GIS 二次開發(fā)模式選擇合理、技術(shù)路線設(shè)計科學、技術(shù)人員經(jīng)驗豐富，則可以起到事半功倍的效果；反之，如果GIS 二次開發(fā)模式不合時宜、技術(shù)路線不科學、技術(shù)人員沉留于傳統(tǒng)的界面開發(fā)和功能組裝，缺少現(xiàn)代地理數(shù)據(jù)分析的觀念和技能，則事倍功半，甚至導致項目失敗。

5.1 成功案例

成功案例為“基于GIS 的不動產(chǎn)證制作系統(tǒng)”的開發(fā)。2014 年底，中央出臺《關(guān)于引導農(nóng)村土地經(jīng)營權(quán)有序流轉(zhuǎn)發(fā)展農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營的意見》，提出用5 年時間基本完成土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記頒證工作，共涉及2 838 個縣（市、區(qū)）及開發(fā)區(qū)、3.4 萬個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、55 萬多個行政村，15 億畝承包地的確權(quán)工作［30］。全國通過野外GNSS RTK 測量、無人機航拍、全站儀實測等多手段采集數(shù)據(jù)；在機房利用ArcGIS、CASS for AutoCAD 等軟件繪制權(quán)屬地圖、建立空間數(shù)據(jù)庫［31］。農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記將農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)的承包關(guān)系、承包地塊、面積、空間位置、用途、地類、等級等情況記錄于專門的簿冊，這是明晰土地承包關(guān)系，強化對土地承包經(jīng)營權(quán)的物權(quán)保護，保持現(xiàn)有土地承包關(guān)系穩(wěn)定并長久不變的根本手段［17］。

建立空間數(shù)據(jù)庫后，國家希望快速制作土地承包經(jīng)營權(quán)證書，提出“應(yīng)發(fā)盡發(fā)”的要求。在面臨著“數(shù)據(jù)量大、任務(wù)重、時間短、經(jīng)費低”的挑戰(zhàn)下，本文采用項目教學方式，承擔了數(shù)十個縣市的經(jīng)營權(quán)證書印制工作。具體技術(shù)路線是基于Python 語言，主要通過調(diào)用ArcGIS 的ArcPy 進行二次開發(fā)，研制了“農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)證書系統(tǒng)”。該軟件讀取空間數(shù)據(jù)庫和Excel 數(shù)據(jù)表，通過空間分析動態(tài)調(diào)整出圖比例尺，批量生成精美、規(guī)范的土地承包經(jīng)營權(quán)證書，智能化程度高、適應(yīng)范圍廣，為保障2 億農(nóng)戶農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)證書的頒發(fā)提供了技術(shù)手段和應(yīng)用示范，在本地區(qū)本行業(yè)甚至在全國產(chǎn)生了較大影響力和示范作用。

5.2 失敗案例

失敗案例是一個“不動產(chǎn)確權(quán)登記中間數(shù)據(jù)庫”項目開發(fā)。2021 年，全國范圍實施“房地一體”確權(quán)登記工作，目的是對宗地和房屋進行權(quán)屬調(diào)查和高精度測繪，這是實施推進宅基地“三權(quán)分置”改革工作的基礎(chǔ)，不動產(chǎn)統(tǒng)一登記的基本內(nèi)容。該項目在實施過程中綜合利用無人機航拍、權(quán)屬實地調(diào)查、地籍RTK 測量；利用Pix4D 制作正射影像、Context Capture 進行傾斜攝影三維建模；利用CAD、GIS等軟件制圖，所獲得數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性強、幾何精度高。2021年夏季，某縣自然資源局為了加快推動“房地一體”的實施，后期充分利用“房地一體”項目所獲得的寶貴數(shù)據(jù)，擬建設(shè)“不動產(chǎn)確權(quán)登記中間數(shù)據(jù)庫”，項目經(jīng)費400 萬元，主要功能包括多源數(shù)據(jù)輸入、外業(yè)調(diào)查任務(wù)分配和進度跟蹤、調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、宅基地和房產(chǎn)統(tǒng)計、“一戶一宅”合法性分析，達到房產(chǎn)證“應(yīng)發(fā)盡發(fā)”的目的，滿足2021 年底房產(chǎn)證發(fā)放率達到80%的省控要求。

“不動產(chǎn)確權(quán)登記中間數(shù)據(jù)庫”項目的技術(shù)負責方具有成功實施“地籍管理信息系統(tǒng)”的技術(shù)和經(jīng)驗，筆者作為合作方旁聽了研討會。如果此項目進展順利，將會引入為項目教學，讓教師和學生參與后期技術(shù)開發(fā)和數(shù)據(jù)處理。本項目采用的技術(shù)路線如下：在某著名的通用GIS 平臺基礎(chǔ)上，采用GIS 組件進行集成式二次開發(fā)，開發(fā)語言采用C#，開發(fā)環(huán)境采用Visual Studio，空間數(shù)據(jù)庫采用Oracle。技術(shù)路線和軟件框架對接現(xiàn)有的“地籍管理信息系統(tǒng)”，可以大量使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)和“地籍管理信息系統(tǒng)”的功能和部分代碼。軟件開發(fā)時，將控件作為載體，以地圖查看和數(shù)據(jù)庫的“增刪改查”等常規(guī)內(nèi)容作為開發(fā)的切入點。項目開始幾周后，技術(shù)承擔單位還在進行GIS 基本功能開發(fā)，進度太慢，遠不能滿足國家對“房地一體”項目時間節(jié)點的要求，開發(fā)的功能滿足不了“一戶一宅”分析的靈活性和功能的完備性要求，項目未能按計劃實施而失敗，造成較大損失。

經(jīng)過分析，此項目的核心訴求是大數(shù)據(jù)分析。例如，“建筑面積超限、占地面積超限、宅基地數(shù)量超限、手續(xù)不全”等多種情況及其組合，均可導致不符合“一戶一宅”的要求，因此從軟件開發(fā)實踐上而言，“一戶多宅”情況難以窮舉。該項目除房產(chǎn)證發(fā)放屬于工作流外，其他功能需求本質(zhì)也屬于數(shù)據(jù)分析。在軟件功能過于復雜、難度較高、靈活性較強、不能準確確定開發(fā)邊界的前提下，采用Python 開發(fā)基本功能，GIS 分析員快速參與進來，通過腳本或者可視化建模組合功能，推動項目進展，是更好的設(shè)計思路。

6 結(jié)語

大數(shù)據(jù)分析具有很大的不確定性，包括數(shù)據(jù)的不確定、軟件功能的不確定、算法的不確定以及結(jié)論的不確定，因此是一個逐步優(yōu)化的過程。Python 語言由于簡明、動態(tài)、開源、適合于數(shù)據(jù)密集型和計算密集型任務(wù)，與人工智能結(jié)合緊密、計算生態(tài)豐富，為GIS 二次開發(fā)的首選語言。GIS 軟件廠商對Python 的支持越來越好，上下文智能提示、自動代碼生成、斷點調(diào)試等高級功能可以顯著提升開發(fā)效率，提升開發(fā)流暢度。GIS 二次開發(fā)入門推薦使用內(nèi)置的Python Window；而后面的課程綜合實習、項目教學實訓適合采用PyCharm 進行較大規(guī)模的代碼開發(fā)；教學視頻課程制作可以采用Jupyter Notebook，這是因為Jupyter Notebook在瀏覽器里運行，在不同平臺的操作和表現(xiàn)比較一致。

為了應(yīng)對GIS 二次開發(fā)入門難、精通難的痛點，在專業(yè)課程體系設(shè)置上，建議采用Python 作為高級程序語言設(shè)計、數(shù)據(jù)機構(gòu)和算法、空間數(shù)據(jù)庫的實施語言，先夯實基礎(chǔ)。通過代碼自動生成，減輕記憶和拼寫負擔，可以快速入門GIS 二次開發(fā)；探索式開發(fā)方式可以讓學生在學習過程中快速熟悉API，為可持續(xù)學習提供了切實可行的方法；優(yōu)化的工作流代碼模板是一些典型任務(wù)總結(jié)出來的代碼片段，可以拿來即用，快速提高項目開發(fā)效率。

使用Python 進行二次開發(fā)，適合于GIS 數(shù)據(jù)分析人員，除能夠顯著提升開發(fā)效率、降低開發(fā)難度外，還有一個重要的優(yōu)勢是能利用原GIS 平臺的基礎(chǔ)設(shè)施和擴展特性。例如，在進行不動產(chǎn)證制作時，只需使用Python 調(diào)用API開發(fā)出單個證書制作的地理處理工具；當需要對大量數(shù)據(jù)進行處理時，可以利用GIS 平臺提供的模型構(gòu)建器，通過迭代數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)集進行批處理。由于腳本的靈活性，功能可以隨時修改和擴充；鑒于GIS 平臺的基礎(chǔ)設(shè)施和擴展特性，GIS 分析師可以盡早參與到項目中，輔助軟件開發(fā)過程，通過模型構(gòu)建器組合不同的地理處理工具，應(yīng)用不同的策略和工作流進行數(shù)據(jù)分析，這是應(yīng)對大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)極為有效的手段。

在教學資料方面，目前GIS 操作應(yīng)用類教材層出不窮，GIS 二次開發(fā)的教材較少，而且主要以是傳統(tǒng)的組件式開發(fā)內(nèi)容居多，GIS 二次開發(fā)的視頻類教程更是稀缺。未來將進一步完善大數(shù)據(jù)背景下的GIS 二次開發(fā)教材，制作對應(yīng)的教學視頻，及時進行科學計算并構(gòu)建人工智能模型，為應(yīng)對地理大數(shù)據(jù)分析提供理論支撐和項目教學實踐參考。