“3S技术综合应用”教学与实习方法探讨

陈华根，李嘉虓，许惠平，覃如府

同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092

“3S技术综合应用”教学与实习方法探讨

陈华根，李嘉虓，许惠平，覃如府

同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092

地球信息科学与技术专业的核心知识是3S理论和技术，综合实习是掌握3S的最重要环节。在教学过程中，不仅要注重理论知识和实践能力的培养，还要让学生掌握3S综合应用技术。本文介绍了3S技术综合应用的教学体系，着重强调了3S技术综合实习在该体系中的重要作用，介绍了具体的实习方法，并通过实例展示了实习成果。该方法在实际教学过程中激发了学生的创新思维，提高了学生的综合能力，取得了较好的效果。

地质信息科学与技术；3S技术；综合应用，实习方法

同济大学地球信息科学与技术专业依托于同济大学海洋与地球科学学院，专业建设目的是顺应地球信息理论与技术的快速发展，与时俱进，培养地球信息科学与技术领域中所需的研究及创新应用型高素质人才。针对本专业，“3S技术综合应用”主要传授3S理论和技术以及它们在不同领域中的应用。

随着3S技术的发展，3S集成[2-4]已成为发展主流与方向。然而在教学过程中，一般均单独完成各门理论和实践课程，缺乏3S课程之间的相互配合及集成方法的介绍，因此在注重理论和实践教学基础上，必须加强培养学生的综合实践能力，使学生掌握综合运用3S技术解决实际问题的方法。本专业对3S技术综合应用教学与实习方法进行了初步探索与改进，进一步培养学生综合应用能力，并使少数优秀学生在此基础上进行创新。实践证明，学生对实习有极大兴趣，同时通过具体实现3S集成方案，巩固了3S理论和技术体系，取得了初步成效。

一、3S技术综合应用教学体系

理工科类教学需要注重理论与实践相结合。理论教学从基础抓起，从原理出发，让学生对学科的研究内容有基本的理性认识。实践教学是巩固理论教学内容、加强知识积累、培养动手能力、提高感性认识的重要途径[5-6]。因此3S技术综合应用具备理论、实践教学、3S技术综合实习的教学体系和相关课程设置[7]（表1）。

表1 3S技术综合应用教学体系

从表1可以看出，理论和实践教学是进行3S技术综合应用教学体系的前期准备和必要前提。在这个过程中，学生从理论到实践，对3S技术有了一定的理论认识和技术准备，但是对其综合应用的方法缺乏认识和了解。通过3S技术综合实习，学生可以自主创新，找到3S技术综合应用的切入点，不仅可以对理论有更深的认识，而且能够进一步提高实践能力。因此，3S技术综合实习是整个教学体系的重中之重。

二、3S技术综合实习方法

该实习安排在本科三年级暑期实践教学月进行。这个阶段学生已经完成了理论和实践课程的学习，但是往往将GPS、RS和GIS孤立看待，不了解三者结合的重要意义，该实习便可弥补这个欠缺。在具体教学中分为室内准备—野外实习—数据整理与分析3个阶段。

1.室内准备阶段

这一阶段主要进行以下2方面的内容：

（1）理论知识的回顾。在专业指导教师的带领下，对3S技术的重点知识进行总结和回顾，使学生能够“温故而知新”。现在的大学教育，尤其是理论教育往往偏于应试，往往不注重知识的循环巩固，有的学生在考试之后就可能将学到的知识“还给老师”。通过一定的复习，可以加强学生对重要知识点的理解和掌握，使理论教学得到循环巩固。

（2）熟练仪器和软件的操作。3S技术综合实习中需要用到的仪器主要有GPS接收机、地物光谱仪等。需要用的软件主要有光谱数据处理软件、ArcGIS等。在教师的指导下，学生对前期实践教学过程中学到的各种仪器和软件使用方法进行熟练，重点解决仪器和软件使用过程中的难点和容易发生的问题，这样可以保证下一步野外实习过程中的工作效率和数据准确性。

2.野外实习阶段

这一阶段主要进行以下3方面的内容：

（1）实习计划的制订。从这一阶段开始采取4～5名学生为一组的分组方式进行，实习基地选定在崇明岛。通过对崇明岛植被、土壤、水体、人工建筑等的实地调查和了解，每个小组自拟实习计划。指导教师需要对每个实习计划的可行性、3S技术的综合性以及具体实施的意义等做出针对性的指导和解释，并辅导学生进行改进，最终确定可行的、有针对性的、能够综合应用3S技术的实习计划。

（2）数据采集与分析。分配给每个小组GPS接收机、地物光谱仪和笔记本电脑各一台，每组根据自拟的实习计划在规定的时间内独立行动进行数据采集。采集的数据主要有GPS地理信息以及不同地物的光谱数据。如某小组对番茄的成长过程感兴趣，便可以采集不同环境下（如大棚和自然环境）生长的番茄光谱，成熟和未成熟的番茄光谱，健康和病害的番茄光谱等。由于需要采集的数据较多以及天气因素的影响，这个过程可能需要5天左右完成。每天数据采集工作完成后，每个小组要进行成果展示，并进行初步分析和讨论。这样便实现了“理性—感性—理性”的认识过程。

（3）崇明岛自然景观的参观。借助参观的机会，学生可以更详尽地了解崇明岛概况，进行有针对性的地物光谱采集工作，同时给学生一个亲近大自然、放松身心的机会。参观的主要内容有东滩湿地、西溪湿地等。

3.数据整理与分析阶段

这一阶段主要进行以下4方面的内容：

（1）数据整理。野外实习阶段测得的数据比较繁多，需要根据每个小组的具体实习计划提取有用的数据，为接下来的GIS二次开发做准备。其中，GPS数据作为地图配准的依据及地理要素的基本地理信息。地物光谱可用于建立光谱数据库，在GIS中进行数据分析等。

（2）GIS二次开发。采用ArcObjects或MapObjects组件式GIS开发方法，在.NET环境下通过编程实现3S技术的综合应用。该过程采用软件工程中的软件设计开发流程，要求学生尽可能按照规范完成可行性分析，需求分析，概要设计，详细设计，地理底图处理，程序设计，程序测试，编写帮助文档与产品说明书等过程，这样可以让学生充分了解软件设计的整个流程。从程序设计开始，要求每个学生整合野外实习的数据独立完成一个基于GIS的3S技术综合应用的系统。

（3）成果总结与汇报。实习的最后阶段，采取论文答辩的形式，每个学生将自己的成果进行展示与介绍，并编写实习报告。最后，程序和书面报告一同作为实习成果。

（4）成绩评定。3S技术综合实习的成绩评定主要根据两方面内容，一是实习阶段的综合表现，主要考察学生的主动性、积极性、独立思考能力、动手实践能力等；二是最终成果，主要考察学生的编程能力、语言组织能力和创新能力等。

4. 3S技术综合实习时间分配

3S技术综合实习各个环节的时间分配如表2所示。整个实习过程的时间应控制在一个月左右，指导教师可以根据天气等客观因素、学生对知识的掌握情况来调整各环节的具体时间。

三、综合实习成果实例

通过上面的实习过程，学生在回顾理论知识基础上，自主创新的设计实习计划，并将理论结合实际，不仅熟悉了GPS、RS、GIS每一门学科的独立应用，更通过GIS二次开发，掌握了3S技术综合应用的方法和技能。实习过程中，涌现了许多骄人的成果，这里仅列举学生实习的成果—基于GIS的崇明岛野外光谱采集分析系统为例。

表2 3S技术综合实习时间分配

该系统在结合GPS数据进行地理底图配准和矢量化基础之上，完成了GIS基本功能的设计，通过数据添加、修改、删除等建立崇明岛实测的野外地物光谱数据库，并对其进行数据管理。在此技术上，编程实现了光谱数据分析的相关功能。较好地实现了3S技术的综合应用。图1是系统的主界面。

图1 GIS系统主界面

此系统中，地理底图来自于遥感图像，控制点来自于GPS精确测量，并作为地图配准的依据。地理底图和空间数据库使用ArcGIS进行设计、开发。本系统采用基于MapObjects的组件式GIS开发方法，主要实现了GIS地图控制、信息查询、数据编辑处理以及空间分析等功能。此外，通过建立野外实习阶段采集的地物光谱数据库，便可将光谱分析的相关功能结合到GIS当中去，以实地测量的植物光谱采样点为例，采样点位和实景照片显示如图2。

图2 采样点信息查询

通过GIS平台可方便查询野外光谱测量对象的地理信息和光谱信息。此外，通过编程实现了对光谱数据的显示和分析，把遥感的光谱数据处理方法整合到GIS软件中。两种植物光谱曲线的绘制以及针对两者采用导数分析的效果如图3所示。

通过绘制光谱曲线，可以明显看出不同地物光谱曲线的特征。通过导数对比分析，可以发现本来并不明显的光谱差异，为光谱特征分析和地物分类提供了更广泛的手段。与此同时，光谱信息与采样点地理信息的对应，实现了属性信息与空间信息的融合，可以为实际的生产实践和科学研究提供参考和帮助。

该系统的实现，让学生充分了解了GPS、RS和GIS各自的作用以及三者结合应用的重要意义。在整个过程中，学生独立思考的能力、动手能力、发现问题和解决问题的能力都有很大提高。同时，对3S技术领域的关键技术、仪器使用和软件设计开发方法有了全方位的了解和体验，对以后的毕业设计乃至走向实际工作岗位具有重要作用。

四、结论

随着3S技术的发展，3S集成已经体现出广阔的应用前景。在教学过程中，除了要注重培养学生的理论修养和实践能力，更重要的能够激发学生对3S技术综合应用的兴趣。3S技术综合应用教学体系包含了理论教育和实践教育，并在此基础上开设3S技术综合实习。整个实习过程以学生为主体，根据实习计划合作或独立完成各项工作。指导教师作为引导者做好疑难问题的解答和总体方向性的把握工作。

图3 光谱绘制与光谱导数分析

3S技术综合实习是通过野外光谱测量建立光谱数据库，并将其整合到GIS二次开发中的方式进行3S技术的综合应用。通过该实习不仅能够帮助学生总结深化3S技术理论，而且使大多数学生基本掌握了独立科研及承担3S项目的能力。更重要的是，学生在实习过程中深入理解了3S技术综合应用的方法与意义，通过对3S技术的灵活运用完成了创新型想法从思维设计到具体实现的过程，在教学过程当中取得了良好的效果。

[1]李德仁.论RS，GPS与GIS集成的定义、理论与关键技术[J]. 遥感学报，1997，(1)：64-68.

[2]李德仁，李清泉.论地球空间信息科学的形成[J]. 地球科学进展，1998，13(4)：319-326.

[3]马荣华，黄杏元，蒲英霞.数字地球时代“3S”集成的发展[J].地理科学进展，2001，20(1)：89-96.

[4]毛政元，李霖.“3S”集成及其应用[J].华中师范大学学报（自然科学版），2002，36(3)：385-388.

[5]杨承运.关于新世纪地球科学人才培养的思考[J].中国大学教育，2002，(6)：21-23.

[6]胡明.工科勘探类专业实践教学在学生能力培养中的作用[J].中国地质教育，2010，(1)：52-55.

[7]赵学胜，陈宜金.测绘工程专业“3S”课程群的设置与探讨[J].矿山测量，2007，(1)：5-7.

Teaching and Practicing Methods of Comprehensive Application of 3S Technology

CHEN Hua-gen, LI Jia-xiao, XU Hui-ping, QIN Ru-fu
Tongji University, Shanghai 200092, China

3S theory and technology is the core of geo-information science and technology major. Comprehensive practice has greatest significance to master 3S application. During teaching process, the professors should not only pay attention to training of students’ theory knowledge, but also improve their abilities on 3S comprehensive application. This paper introduces teaching system of 3S comprehensive application, emphasizes the significance of 3S comprehensive practice, introduces its methods in detail and demonstrates its achievements by instance. These methods inspire students’ innovative thinking, improve their comprehensive abilities and achieve better results.

geo-information science and technology; 3S technology; comprehesive application; practice methods

G642

A

1006-9372 （2011）01-0071-04

2010-12-06。

陈华根，男，副教授，主要从事GIS与地学可视化的教学与研究。