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 06-0034-04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

2、助教学(C AI ; 实践系统; 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 地理信息系统 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,

3、提供一套能帮助学生学习, 又使用方便的工具性软件成为当务之急.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

4、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 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

5、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. 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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. PO T 文

11、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+. . +/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+/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

12、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I M G 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 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

13、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O BJEC 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、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V

14、B 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, 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

15、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, ESRI 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

16、以自动创建一个OC X 项目的程序框架. 假设项目名为X, 则将产生三个基本类: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

17、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

18、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, 其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