学术交流 地舆信息科学专业学生三维GIS实践才干培育-亚洲ca88官方网站

　　新式才智城市建造进程导致三维GIS实践才干成为地舆信息科学专业学生中心竞争力，这给地舆信息科学专业实践教育带来新应战。本文针对地舆信息科学专业学生三维GIS实践才干培育新要求，讨论相应教育内容和实践途径：从三维数据表达视角看，包含三维场景认知和三维模型构建；从三维空间剖析视角看，包含空间坐标系、三维空间算法和空间剖析运用等；从三维GIS系统开发视角看，包含三维数据服务、三维场景构建和三维系统开发等，可为国内地舆信息科学专业建造供给有利探究和参阅。

　　现在，跟着新式才智城市建造的全面推动，被隐喻为才智城市“操作系统”的GIS也和BIM、CIM走向集成运用。天然资源部正在推动实景三维我国建造，建造根据数字城市、物联网和云核算的实景三维才智城市变得越来越重要。GIS作为一门研讨空间地舆信息的科学，将会是才智城市建造的根底。三维GIS实践才干已成为地舆信息科学专业学生的中心竞争力。学生三维GIS实践才干的培育正在成为专业实践教育亟待加强的一个点，立异性要求比较高。

　　在运用实践中，三维GIS与二维GIS存在着显着差异，三维GIS场景往往稀有据量大、标准跨越大、符号动态表达、核算开支大、实时性强、交互程度高档特色。因而，三维GIS实践才干培育可从三维空间数据表达、空间剖析和系统开发等3方面找准着力点（图1）。

　　三维空间数据表达才干，是将地舆空间数据在三维场景中进行可视化表达的才干，是根底的三维GIS实践才干。三维空间数据表达才干与空间思想才干休戚相关，是指对空间事物表象进行调查、考虑、笼统。空间思想便是将人类感官获取的详细空间表象归纳加工构成空间感觉,最终经过空间幻想完结对空间事物认知的思想进程。在三维空间中，地舆目标具有更多维度特征，其空间形状及散布规则也愈加杂乱，对空间幻想才干的要求也就更高。

　　在专业教育中，学生对空间数据表达的思想结构大多是二维平面的，如电子地图、遥感印象等，假如转化到三维空间，需求规划、树立并习惯新的三维空间思想结构，包含三维场景认知和三维模型构建等内容。

　　三维场景是以GIS、三维仿真技能为支撑，用建模以及可视化技能实在模仿出国际的各种物质形状、空间联系等信息。三维场景认知能够经过多途径模仿操练，使学生树立起根底空间感知，能够对三维实体形状和空间联系构成根本认知。

　　1）认知实际国际场景。经过户外地舆实习，增强空间幻想所需的地舆表象认知回忆，针对不同地势，知道其地貌特征、高程改变和地物散布等三维地势和天然景象构成要素。亦可调查城市的公共设施、修建物（群）、立体交通、地下空间和室内空间等，了解其空间特征、空间结构和空间联系，构成根本的空间方位感、间隔感和深度感。

　　2）感知三维游戏场景。游戏场景一般对实在国际的仿真度较高，具有传神的天然以及城市景象，一起关于人物、交通等具有很强的虚拟仿真效果，如各种赛车类、求生类和虚拟城市类等大型仿真游戏。学生调查场景中的天空、太阳、大气、水体、气候、植被等天然景象，或调查场景中的交通工具模型、人体仿真模型、修建模型、城市结构等，都利于感知三维场景的组成。

　　3）体会三维GIS系统场景。操作运用Google Earth、Skyline、World Wind、Cesium、SuperMap等GIS软件，体会从高空到近地表进程中三维坐标和高程系统的改变，调查不同高程下视觉景象的改变，动态叠加印象和矢量要素，脑筋中和实际国际树立空间联系衔接，增强认知力。

　　4）树立二三维映射。专业教育中一般运用很多的二维地舆数据，但这些数据在三维场景往往有着不同的特征表达。经过阅览剖析二维地图和遥感图画中地舆实体特色，比照这些实体在三维空间中相应的表达特色，树立相互间的空间散布、特征体现、空间相关等，愈加深化地舆解数据特征和空间联系，完结两者在二三维表达之间映射，强化主体认知才干。

　　三维场景中的多源数据一般结构杂乱。对地舆信息科学专业学生而言，了解和把握三维模型数据收集、加工、建模和运用的全进程，才干深刻了解三维数据表达。

　　1）三维数据结构。关于地势、BIM、激光点云、歪斜拍照丈量数据、人工几许模型等典型三维模型，了解其数据特色、原理、安排和运用，进一步学习不同三维数据的文件格局及相关技能规范。

　　2）三维数据收集。大多数三维模型数据收集需求专业设备和软件完结，具有必定程度的杂乱性，如歪斜拍照丈量数据收集，需把握无人机的根本原理和操作办法，规划拍照视点、拍照道路，关于无法拍照部分，还需进行地上补拍等，逐渐操练空间思想。

　　3）数据加工建模。三维数据加工建模办法具有多样性，首先要一致不同数据收集办法运用的多种空间坐标系，如点云数据，学生需了解点云数据处理优化、构建网格、纹路贴图等工序。

　　空间剖析向来是GIS教育和运用的中心。前期的GIS仅能处理二维图形和特色数据，运用的空间坐标系统也是二维的。三维GIS要安身三维空间坐标系统构成新的三维空间剖析系统。三维空间剖析将传统空间剖析三维化，也便是直接在三维空间中进行空间操作与剖析，连同对空间目标进行三维表达与办理，使得三维GIS显着不同于二维GIS，一起在功用上也愈加强壮。三维空间剖析才干决议了能否将三维数据潜在效果以三维可视化办法发挥出来，一起也是三维GIS开发的根底，包含空间坐标系、三维空间算法和空间剖析运用等三方面内容。

　　1）空间坐标系原理。了解空间坐标系原理是学生构成三维空间思想的要害，学生需学习三维空间坐标系与二维坐标系的联系，学习相关的丈量学、数学常识；了解三维笛卡尔坐标系，柱面坐标系，球面坐标系，把握其界说、原理，了解其坐标表明办法，能够剖析比照不同坐标系的差异。

　　2）三维坐标转化。空间量算、空间定位、空间剖析等不同类型核算需挑选相应的三维空间坐标系，需求学生学习不同三维坐标系相互间的转化办法，操练相应的坐标转化算法，了解屏幕坐标与三维空间坐标的相互联系及转化办法。

　　在地舆信息科学专业教育中，对学生的培育包含地舆、测绘和核算机科学等多个学科，GIS运用需求必定的算法才干。三维空间算法触及很多的GIS算法以及核算机图形学的常识。

　　1）空间移动算法。指三维物体在三维场景中进行移动、改换、交互的算法，学生需了解三维物体旋转、平移、翻转的图形学原理及矩阵改换完结，把握三维目标的运动办法，学习经过用户交互操控三维物体移动改换的相应算法。

　　2）空间量算算法。指三维场景中两点间的直线间隔、高差、视点等，学生需把握两点间间隔量算、地表贴地长度的核算办法，把握根本的三维面积、体积的量算办法。

　　3）GIS空间算法。指三维物体的相交、包含、相邻等空间拓扑联系核算，学生需把握根据不规则三角网的系列算法，了解其在三维建模中的重要效果，如把握地势特征提取、流向、水文等GIS空间算法的完结。

　　空间数据的三维可视化才干增强，推动了三维GIS空间剖析的开展。空间剖析运用是运用三维空间算法对三维场景进行剖析核算，其才干决议了剖析决议计划支撑的水平。

　　1）二维到三维的空间剖析。把握空间联系剖析、空间衡量剖析、地势剖析、水文剖析等根本办法，比照二维空间，探究其在三维场景中的运用办法、办法，测验编写相关算法，将二维空间剖析拓宽到三维空间，并进行优化。

　　2）空间查询剖析。在了解三维空间联系根底之上，把握拓扑、次序、间隔、方位等空间查询办法，能运用空间联系束缚从数据库中查询相应特色特征，能完结地址匹配查询。

　　3）交互式空间剖析。协助发掘地舆现象散布规则，调控在地舆空间上产生的事情，协助再现前史和未来的地舆现象进程。了解空间交互根本算法、间隔与空间联系判别、模型操作算法等，把握三维场景数据获取办法，能动态创建和增加地舆要素，能了解量测剖析、分层分户、视野剖析、视域剖析、剖切剖析等交互式空间剖析的根本原理，把握其完结办法。

　　三维GIS开发才干，是将三维GIS技能构成职业运用、服务于社会群众的才干。三维GIS开发是将数据、场景、运用等构建成在线服务或系统以满意用户学习、模仿、规划、决议计划、预演等需求，其重要性显而易见。三维GIS开发才干包含三维数据服务、三维场景构建和三维系统开发等三方面内容。

　　三维数据是三维GIS的根底，也是决议三维GIS运用才干的最要害因素。三维数据服务是三维GIS系统运转根底，是将三维数据处理后发布为在线服务，从而满意交互阅读、查询和同享等需求。三维数据服务使得三维数据更易同享，一起GIS用户更易获取三维数据，完结GIS之间的地舆信息同享和空间数据互操作。

　　1）服务品种。了解常用到的网络地图服务及其接口办法，如WMS、TMS、WMTS和WFS等，了解遥感印象的栅格数据安排、服务类型和获取数据办法，把握地势和模型数据服务的根本原理、两者间差异以及和地图、印象服务的不同之处。

　　2）服务加载。把握各干流渠道加载三维数据服务的办法和操作流程，能够经过对加载办法施行优化完结精度、功用和流通度动态平衡。

　　3）服务发布。了解常见三维数据格局特色及其转化办法，了解国内外干流企业级或开源（如Cesium等）的数据服务渠道，把握其环境建立和服务发布流程办法。

　　1）场景交互。经过干流渠道，操练根本交互办法。经过学习三维场景相机原理，例如相机position、heading、pitch、roll等参数的含义，把握经过鼠标操作来操控相机移动，从而经过相机操控三维场景交互。把握道路移动、飞翔跳转、第一人称与第三人称周游等交互体会的根本原理和算法完结。

　　2）场景功用。体会干流渠道的用户界面和操作流程，剖析其操作便利性和视觉效果，构成功用知道，从而了解其原理，能够经过编码完结。

　　3）职业运用。了解干流渠道关于职业范畴海量数据和运用需求的支撑状况，如为城市办理、大众安全、轨道交通、社区服务、电子政务、应急呼应、旅行等，供给愈加多样化的功用和服务办法，进一步了解政府、企业和高校等的需求及开展趋势。

　　GIS软件开发才干是地舆信息科学专业首要的培育目标之一，提高学生开发才干能够更好满意GIS工业需求。根本开发技能包含各类核算机高档言语、面向目标程序规划言语、数据库技能、数据结构、核算机图形学及GIS中的开发工具。对地舆信息科学专业学生而言，了解、学习和开发三维GIS系统是培育三维GIS实践才干的重要途径。

　　1）开发技能。把握常用的三维渠道中心层、烘托器层、场景层和动态场景层的功用，解构其底层开发办法和技能系统，把握Direct3D与OpenGL等烘托引擎运用办法及其优缺点。

　　2）开源渠道。与商业软件比较， 免费运用开源三维渠道，能够让地舆信息科学专业学生到达更高的学习意图。常见的开源三维渠道有Cesium.js、Three.js、Babylon.js、WebGL Earth、OpenWebGlobe等，比照其对矢量、印象、地势、BIM、激光点云、歪斜拍照丈量和人工几许模型等数据的加载支撑状况，比照其阅读、查询、标示、特效、空间剖析等功用点，剖析在数据安排、海量数据加载、动态调度、环境特效等方面的功用优化和效果，比照其在用户界面、操作便利性、操作流程、功用操作、视觉效果等方面的体会，剖析其跨渠道支撑状况、接口才干、可扩展性和开发适宜性等。

　　3）二次开发。把握三维渠道二次开发的全体结构、常用的API接口和功用完结办法，了解PostGIS等空间数据库数据安排及检索办法，了解内部三维引擎、客户端可视化和后台存储之间的交互完结办法等。

　　三维GIS实践才干在地舆信息科学专业课程学习和现在职业运用发挥着重要的效果。数字经济时代，时空大数据建模与剖析需求井喷式增加，促进对学生三维GIS实践才干的培育愈加急迫，也给地舆信息科学专业实践教育改革带来新的应战和机会。

　　引文格局：任 福，宋志浩，张书亮，等. 地舆信息科学专业学生三维GIS实践才干培育[J].地舆信息国际,2021,28(3):1-4.

　　作者简介：任福，男，内蒙古包头人，教授，博士，首要从事地舆信息智能服务、智能专题地图制图、地舆信息系统开发与运用研讨工作