地理信息系统辅助教学软件的设计与开发

1、第18卷第5期2001年10月杭州师范学院学报（自然科学版J ournal of Hangzhou Teachers College （Natural Science V ol. 18No . 5O ct. 2001文章编号:1008-9403（2001 06-003404地理信息系统辅助教学软件的设计与开发陈久和（杭州师范学院初等教育学院，浙江杭州310002摘要:根据GIS的教学内容及教学模式的特点，把GIS辅助教学软件设计为 GIS理论学习系统、G IS实践系统、G IS词典的集成，并系统地阐述了各子系统的设计方案与核心技术.关键词:地理信息系统（GIS ;计算机辅助教学（C AI ;实

2、践系统；理论学习系统中图分类号：P91文献标识码：ACAI是将计算机用作教学工具，使学生通过与计算机的交互对话来进行学习的 一种新型教学方式.GIS（Geographic Inf or mation Systems®理信息系统 是地球科学 与计算机科学之间的交叉学科.因此，对GIS的学习则更多地需要通过计算机来实 现.目前，全国高校的GIS教学一般主要依靠教师的讲授和书本，原因在于GIS软件 价格昂贵，也没有成熟的GIS辅助教学软件，除一些重点院校外，多数院校条件较差, 学生无法通过计算机来了解GIS的基本概念和理论及其分析功能.因此，提供一套 能帮助学生学习，又使用方便的工具性软件

3、成为当务之急.1 GIS辅助教学软件的构成GIS教学内容一般包括:G IS的概念以及与其他相关学科的关系；GIS中的数 据、数据模型、数据结构；GIS数据获取、数据管理、空间数据的转换与维护；G IS 空间查询与分析功能；G IS系统的建立和产品的生成；常用G IS软件的学习和GIS实例分析；GIS专业词汇等.其中,要对GIS数据及其空间查询和分析功能有直观的 了解，则需要学生对GIS软件进行操作.而目前大多数GIS软件都属于/平台式0,其 商业价格相当昂贵，对于大多数GIS学习者来说仅需使用G IS软件的基本功能，故 需要开发一个具有GI S数据显示、空间数据的查询和基本数据运算与处理的G

4、IS实践系统，即GIS外壳.而对于基本概念和理论的学习，则可以通过普通的C AI软 件的设计思想来开发GIS理论学习系统.同时，GIS是多学科的综合产物，其涉及的 词汇相当广泛，为了便于学生掌握相关的专业词汇，系统中还包括GIS词典部分.2 GIS理论学习系统的开发2. 1开发平台的选择为了提高程序开发的效率及其可再开发性，利用Visual Basic6. 0（以下简称VB 开发一个CAI工具平收稿日期：2000212219作者简介：陈久和（1964-,男，浙江杭州人，杭州师范学院初等教育学院地理学讲 师,主要从事土地信息系统方面的研究.第5期陈久和：地理信息系统辅助教学软件的设计与开发35台

5、.在选择开发平台时还应考虑以下几项原则:（1是否具有良好的、面向对象的编程环境；（2是否具有 较强的支持多媒体数据的输入能力，包括文本数据、图形、图象数据、视频数据的 输入和处理；（3是否具有制作动画和播放外部动画文件的能力；（4是否能实现超文 本链接；（5是否具有应用程序连接能力；（6是否1具有形成安装文件和可执行文件的功能.212系统模式的设计对于一个给定的选题，如何把教学内容通过电脑软件的形式表达出来，这就是教 学软件的系统模式问题.GIS理论学习系统与其他的教学软件一样，也由基本模式、 教学模式、和专用模式组成.(1基本模式的设计.根据GIS的知识结构来设计软件的基本模式和结构，应以

6、章为单位设计课件，每个课件中则由节和知识点组成.每个课件均由以开发的C AI 工具平台来创建，并使各课件之间保持一致的系统模式和界面风格 .(2教学模式的设计.教学模式类型包括课堂教学模拟型、课外辅导型和知识扩 展型.在该系统中，利用多媒体技术，通过学生与计算机之间的人机交互来完成，相当 于课堂听课、课堂操作以及部分课后练习等教学过程.子系统应运用大量的多媒体素材来加深学生对基本概念及系统理论的理解.同时，可用一些动画来演示某些GIS 原理和过程，使其更形象、更直观.另外，系统还应包括GIS课外测试功能.(3专用模式的设计.这是为实现某一教学过程的一些特殊教学策略而设计的功能模块，为了加深学生

7、对较为抽象的一些基本概念和空间分析功能的理解.应在该系统中建立与GIS实践系统的热链接,用户可以随时调入GIS实践系统中某方面的功 能来获得对GI S空间分析的直观认识.为使其具有GIS的空间查询功能,系统还应 引人入空间图形查询控件(O CX ,用户可以调出矢量图和属性数据库进行查询.213 CAI工具平台的制作CAI工具平台是提供给用户进行 C AI的开发，用户可以利用该平台提供的超文 本创建与链接功能来设计课件的知识结构.同时该平台还应提供多媒体节点的创建 功能,并可将多媒体数据引入进行连接，同时提供与其它一般应用程序连接的功能， 最后能生成安装文件.根据GIS理论知识的结构，工具平台可

8、设计为3个层次，即 章、节、知识点.并根据章、节、知识点设计3种不同的界面，同时在屏幕的右下方 设计一个总控窗体，可以随时跳转到其他章节，或进入GIS实践系统或调出GI S词 典等.其结构框如图1所示图1 GIS理论学习系统的结构框图因此，每一个课件都是一个树形结构，结构的顶层是章，最低层的节点是知识点 在章节界面中都是通过超文本节点来实现向下一级的跳转.而知识点界面则用来显 示与某个知识点有关的文本、图形、图像、声音、动画和视频等信息.在多媒体的C AI中，要实现超文本及其他控制，必须建立各种类型的热链结.在该系统中主要3 种方式建立热链结，一是由VB中的标签（label、文本（te xt类

9、定义的超文本节点, 章、节、知识点的标题都属于这一类.二是通过按钮类来定义的多媒体节点的控制 （按钮可分标准按钮和自定义2按钮.第三类则属于热点区域，即当鼠标单击某一区域时，完成某一事件.由于该工具平台不具有生成程序代码的功能,因此在CAI的设计中界面信息及 多媒体数据都不受程序的控制，而由外部文件来管理.根据系统的结构，由自行设计 的几种不同文件结构的私有文件来管理界面信息及多媒体数据.每一个课件有一个 扩展名为.cai的初始化文件,该文件用来装载CAI课件的名称、该章代码、C AI课 件的存放路径等.另外，还有3种扩展名为/* chp 0、/* sec 0、/* pot 0的私有文件 分别

10、用来管理章、节、知识点界面的信息.C HP文件的内部结构为：/*0（*是各个数 据的起始符号，以/+/36杭州师范学院学报2001年+SEC文件的内部结构与C HP文件的内部结构基本相似，只是在文件后半部分增加各个小标题是否为小节的标识值.POT文件的内部结构是：/标题0+/背景图像文件名0+/背景音乐文件名0+/文本文件名 0+/声音文件名0+/视频文件名0+/动画文件名0+/演示图片数0+/图片1文件名0+/ 图片2文件名0+.一+/需要链结的应用程序0+/GI S网络数据文件名0+/矢量图文 件名0+/热点区域数目0+/热点1左上角坐标0(X与Y坐标用逗号隔开+/热点1右 上角坐标0+/

11、热点类型值0+/热点对应的事件内容0(课件运行是根据文件扩展名来 判断多媒体数据的类型+3 GIS实践系统的开发311数据结构与数据组织方法GIS实际系统基于网格和矢量两种数据结构.在该系统中，有3种主要的数据文 件类型:矢量结构的3图形数据文件，网格结构的图像数据文件和属性数据文件.网格结构的数据文件来源与IMG文件，包括像素值文件、图像说明文件、调 色板文件.在图像说明文件中记录了图像的标题、图像的矢量坐标范围及图例等要 数，便于生成专题图件及与矢量图层的配准.调色板文件的应用进一步增强了图像显 示的灵活性.在系统中，网格数据文件还可以来源于 B M P、TIF文件系统将其转化 为I M

12、G格式进行显示和处理.矢量数据来源于D XF文件和V EC文件，DX F文件是目前使用较广的图形数 据交换格式，它采用A SCII码记录目标的类型、坐标值等信息.而VEC文件则是二 进制文件，它记录了目标代码、目标类型及坐标值,同时与说明文件及符号文件共同 描述一幅图形.属性数据库文件则采用M D B、D BF文件.属性数据库文件是为了能与图 像、图形数据建立连接关系进行双向查询，以实现GIS的空间查询功能，所以在设计属性数据库时应建立一个与图像中的像素值或图形中的目标代码相对应的OBJEC T 2ID 字段.312 GIS实际系统的功能及特点GIS实践系统基本功能包括网格数据与矢量数据的显示

13、、缩放、开窗、漫游、 叠加显示，属性数据的双向查询，网格图像的基本处理和运算，同时还提供了创建矢 量图和属性数据库的管理功能.313 GIS实践系统的开发平台与技术难点的实现VB具有强大的界面开发功能,因此以VB 6. 0作为系统界面的开发平台，但VB 开发的应用程序运行速度较慢,可在该系统中采用Visual C +（简称VC 6. 0开发 GIS实践系统的核心功能，如图像、图形的显示，运算和处理等.其中图像的运算和 处理是通过VC开发的动态链结库（D LL来实现的，D LL文件中包括了所需的图像 处理函数.如果要显示其运算进度，则需要在界面上提供一个能支持绘图的控件，如 PIC 2TURE框

14、,然后把该控件的HD C属性作为参数传递给功能函数，在用VC开发 功能函数时，则根据图像的运算过程用一定的语句在该控件上输出进度标条和百分 比.图像、图形的显示操作则通过 VC开发的OC X控件来实现.该系统主要可开 发两个OCX控件，一个是提供图像的显示、缩放、开窗与光标查询等操作的OC X控件；另一个则用来实现图形的显示操作.该设计思想也正是当今 GIS软件的发展 趋势，即向部件化产品方向发展.由于OCX控件可以广泛地应用于其它开发平台， 如D elphi、VB等，这样就大大地提高了产品的可移植性和再开发性 ，而且也能适 用于不同层次的用户，如M AP P INFO推出的M ap X, E

15、SRI推出的Map Object都 是基于该设计思想.VC6. 0提供的/O LE control wizard 0就可以自动创建一个 OC X项目的程序框 架.彳贸设项目名为X,贝U将产生三个基本类:CX CPP、CXC TRL和C XPROPPAGE. 其中C XCPP主要完成程序的初始化及运行工作，CXC 2TRL用来完成OC X控件的界面设计,CX PRO PPA GE是特有属性页的类,可以通过程序来添加控件的属性 和事件.如图像显示控件的开发，由于要完成缩放、漫游、查询等操作，因此在属性 页中可定义一个/操作类型0的属性，并给不同的操作类型赋予不同的值,再通过外 部控件如VB提供的按

16、钮来改变这些属性值，当/第5期陈久和：地理信息系统辅助教学软件的设计与开发37查询功能包括基于图像、图形的查询和基于属性数据库的查询.当通过图形、图像来查询属性值时，则 根据鼠标点对应的象素值或图形中的目标代码来寻找属性数据库中相应的字段.而基于属性的查询，则通过属性值的运算来获取目标代码，再通过目标代码来获取要查 询的目标.数据库管理系统的开发基于 VB提供的Data、Grid、DB List、 DBCombo等控件，同时Data控件支持标准的S QL语言，这样就可以完成数据库的 管理与操作.4 GIS词典的设计与开发GIS词典的设计应具备以下主要特点：(1图文并茂.在该词典中不但要给出查询

17、 单词的中英文形式、解释内容及该名词的参考词汇，同时还要有该名词的图解.(2查询形式丰富.应有:按英文查找、按中文查找、按页数查找、从屏幕捕获单词查询 (3查询速度快，使用方便.当进行中英文查询时，用户只需输入该名词的一部分，则 可识别出与输入内容最接近的名词.(4允许用户向系统中增加新的词汇及解释内容.(5该词典可以设置为顶层窗体，挂在GIS实践系统或理论学习系统中，以便随 时查询件来实现的.4. GIS词典可在VB 6. 0平台上开发形成，具多媒体词库信息的 访问和查询是通过 VB提供的/D A TA 0控5结束语GIS辅助教学软件的设计对传统的 C AI设计思想有所发展，尤其是针对不同学

18、科提出不同的系统构成及系统模式.GIS实际系统的开发解决了大多数学生使用GIS软件难的问题，其部件化的设计思想也正体现了GIS软件工程的发展趋势.CAI 工具平台的开发也有着重要的意义，它在地球科学CAI的制作中有广泛的适应性， 同时也提高了程序开发的效率.参考文献：1马秀峰.C AI课件设计的理论探索J.中国电化教育.1997(8 :4346.2郑咸义.多媒体教学软件系统设计的几个问题J.多媒体世界，1996(2 :1113.3陈述彭，等.地理信息系统导论M.北京:科学出版社，2000:8588.4周成虎，等.数字地球导论M.北京:科学出版社，2000:8184.The design and development of computer assistedinstruction software for Geographic Information SystemsC HEN Jiu 2he(C olle ge of Elementary Education, Hangzhou Teac hers College, Hangz hou 310002, C hinaAbstr act :Acco rding to the characteris tics o f