ArcGIS软件在现代地图学教学中的应用研究

周鹤峰^1,2，周泽民¹，赵云¹，高东宝¹，田章福¹

(1. 国防科学技术大学气象海洋学院，湖南长沙，410073； 

2. 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海，200240)

[摘  要]作为现代地图学的一个重要延伸和突出成果，地理信息系统在现代地图学课程中占据重要地位。培养学生熟练掌握GIS软件解决实际问题成为课程教学的重要组成部分。考虑到有限的学时和不同软件的性能差异，ArcGIS软件成为学生操作实习的最优选择。根据现代地图学的教学大纲，制定了相应的软件应用内容。课堂讲授和实践训练的有机结合将为学生综合能力的提升提供有力支撑。

[关键词]现代地图学；地理信息系统；ArcGIS

[基金项目] 2020年度国家自然科学基金项目（项目名称：强干扰环境中基于稀疏阵列的时频域近场声全息技术研究，项目批准号：11904406）。

[作者简介]周鹤峰，(1987-),男，汉族，安徽池州，博士，国防科技大学气象海洋学院，助理研究员，主要从事测量学、地图学以及地理信息系统方面的教学与研究。

[中图分类号]G642.0      [文献标识码]A    [文章编号]      

0  引言

地球信息科学与技术融合了地球科学、测量学、地图学、3S技术（GPS、GIS、RS）等学科，是一个突出交叉性的新兴专业^[1]。进入21世纪，地球信息科学与技术伴随着现代科学技术的进步取得了飞速发展。值得注意的是，无论该专业处于何种发展阶段，地图始终是其地理空间信息的主要载体和数据可视化的主要表现形式^[2]。相应的，作为专门研究地图的理论、制图以及应用的一门学科，地图学在地球信息科学与技术专业建设和人才培养中占据了重要地位^[3]。

传统地图学存在一系列局限，例如：以经验总结为主，忽视基本理论；联系直接关系学科为主，忽视更高层次学科联系；以地图制作为主，忽视地图应用研究。进入信息时代，随着信息论、控制论、系统论和计算机应用的发展，推动了现代地图学理论上的创新和技术上的革命^[4]。因此，从提高地图学课程教学质量的角度，十分有必要从教学内容和教学条件两方面着手，与时俱进地引入新理论和新技术。

地理信息系统（GIS）是现代地图学的一个重要延伸和突出成果，广泛应用于交通运输、水利水电、城乡规划、国防建设等各个领域。地图学课程中如果缺失了GIS相关内容，其深度和广度就会大打折扣。一般来说，地球信息科学与技术专业注重培养应用型人才，因此现代地图学的一个教学重点在于培养学生使用GIS软件解决实际问题的能力^[5]。目前市场上存在着诸多GIS平台软件，其中最受人瞩目的是美国ESRI公司推出的ArcGIS软件，凭借着强大的数字地图制图能力和空间分析功能受到了广大制图人员和地图工作者的青睐。根据前瞻产业研究院发布的《2015-2020年中国导航设备行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》，在中国的GIS应用平台软件市场上，ArcGIS占有的市场份额最高，约为40%^[6]。本文以ArcGIS软件在现代地图学教学中的应用为切入点，对应用该软件的必要性进行了分析，并给出了在教学过程中实际操作的具体安排。

1  ArcGIS软件的简介

自1978年问世以来，ArcGIS不断更新迭代，最新版本的软件是ESRI在全面整合GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他相关技术的基础上推出的代表GIS最高技术水平的产品。地图学课程教学中推荐使用较新版本的ArcGIS软件，如ArcGIS 10。

ArcGIS主要由三部分组成：ArcGIS Desktop桌面软件，ArcSDE空间数据库引擎、ArcIMS网络地图发布与服务软件。其中，ArcGIS Desktop通过ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox这三个应用程序，提供用户与GIS地图、数据和工具进行交互的操作界面。而ArcMap是ArcGIS Desktop的核心应用，执行所有面向地图的任务，如制图、编辑、查询、统计和报告生成。此外，ArcGIS还提供了大量的功能扩展模块供用户根据实际需求进行选择，例如3D、Spatial、Geo Statistical、Arc Press等。作为一个全面的、可伸缩的GIS平台，ArcGIS为用户构建一个完善的GIS系统提供了完备的解决方案。

2  ArcGIS软件的优势

值得注意的是，传统GIS软件在表达复杂符号方面的能力较弱。在一定时期内，为了实现丰富多彩的图形化表现效果，如CorelDRAW、AutoCAD这类计算机辅助设计（CAD）软件被大量应用于数字地图制图工作中。

相比CAD软件，ArcGIS的优势在于：首先，ArcGIS可以支持从数据采集、输入、加工、导出地图的全过程，无需切换工作环境，避免了在不同软件中导入导出以及修改更新带来的工作效率降低；其次，ArcGIS配备的地图投影系统模块，使得用户可以根据需要随时进行地图投影的选择、设置和变换，摆脱了固定投影的束缚；再次，ArcGIS提供了常用专题地图模块，用户可以通过一系列简单的操作制作出理想的专题地图，大大降低了逐个绘制专题符号带来的工作量；最后，由于ArcGIS中的专题图层与属性数据库直接关联，所以数据的变化可以直接反映在地图上，无需重新绘图，提高了工作效率。

一方面，由于ArcGIS软件是针对地图学应用专门设计开发的，其功能模块更加适用于专业地图编辑制作；另一方面，经过广泛调研发现国内大部分院校的地图学课程学时数有限，而目前主流的CAD软件和GIS软件都具备丰富的功能，想在有限的学时条件下掌握多种软件，做到“鱼和熊掌兼得”，反而容易陷入“多而不精”的窠臼，教师点到为止，学生浅尝辄止，实际的制图用图能力难以得到有效的提升。因此，综合两方面因素考虑，现代地图学课程建议将ArcGIS软件作为重点攻关的对象。

3  ArcGIS软件的应用

在深入调研与分析主流地图学教材和相关高校同类课程的基础上，笔者制定了现代地图学的教学大纲。按照“知行合一、融会贯通”的理念，考虑到有限的学时，设计了与教学内容配套的ArcGIS软件应用内容，如表1所示。被动学习与主动实践的有机结合有助于学生进一步理解和掌握现代地图学的相关理论、技术和方法，培养学生的创新意识与合作精神，形成良好的工程实践能力。

表1 现代地图学教学内容与ArcGIS应用的结合

具体来说，以第5项为例，专题地图是突出地表示一种或几种自然现象和社会经济现象的地图。行政区划图表示各级行政区域的划分，反映政府对国界、省界等的标准绘制及行政区域命名和各类地名的正确表示，是最常用的地图之一。当确定了一幅地图所包含的数据之后，下一步就是确定地图要素的表示方法，即符号化方法。它是根据数据的属性特征、地图用途和制图比例尺来确定地图要素的表示方法。符号化决定了地图将传递怎样的内容。矢量数据中，无论是点状、线状还是面状要素，都可以依据要素的属性特征采取不同的符号化方法来实现数据的表达。地图注记是一幅完整地图的有机组成部分，用来说明图形符号无法表达的定量或定性特征，如道路名称、城镇名称等。坐标格网是地图重要的组成要素，它反映了地图的坐标系统或者地图投影信息。一幅完整的地图除了上述要素之外，还需要包含与地理数据相关的一系列辅助要素，如图名、图例、比例尺、指北针等。因此，该项目的主要目的是使学生了解符号化、注记标注、格网绘制及地图整饰的意义，掌握基本的符号化方法、自动标注操作及相关地图的整饰和输出的操作。在练习过程中，该项目将基于长沙市部分地区的矢量地图（包含点图层、线图层和面图层），首先完成数据的符号化显示（例如将地图中的各个区按照ID字段来用分类色彩表示），接着完成注记标注（例如对地图中的各个区的Name字段使用自动标注或手动标注），然后完成格网绘制（例如使用索引参考格网），最后添加图幅整饰要素（例如添加图例、指北针和比例尺）。

4  ArcGIS条件的建设

为了保证ArcGIS软件在现代地图学课程中的成功应用和教学质量，需要进行一系列配套条件的建设。具体工作可以从以下几个方面开展：

（1）师资队伍建设

打铁还需自身硬，教师首先要在学懂弄通做实ArcGIS软件的相关知识方面下功夫，不断强化自身能力素质；同时注重“以老带新、以新促老”，即保证每个课题组内有若干经验丰富、能力突出的老教师传、帮、带新教师，强化ArcGIS软件操作技巧的掌握，让新教师尽快站稳脚步，而新教师在练习过程中产生的一些新问题和解决问题的一些新思路，也会反馈作用于老教师，促进其更进一步；定期组织教学研讨活动，互通有无，在互动过程中不断融合创新；除了加强练习操作，还可以不定期地参加一些校外的培训班，确保及时追踪业界动态，紧跟技术前沿，从而形成一支业务水平高、教学能力强、梯队结构合理、保持长期稳定的师资队伍。

（2）教学资源整合

整理编写与教学内容相适应的、既有深度又有广度的课程讲义，制作形象生动的多媒体课件和教学视频，力求做到“复杂问题变简单、抽象问题更形象”。搜集分享与课程相关的网络教学资源和学习资料，开发要点突出、定位精准的习题库，使学生通过立体多元的途径理解和掌握ArcGIS软件的应用要点。以栅格数据的空间分析为例，基于栅格数据的空间分析是GIS空间分析的基础，也是ArcGIS软件空间分析模块的核心内容。该模块提供了一个范围广阔且功能强大的空间分析和建模工具集，允许用户从GIS数据中快速获取所需信息，并以多种方式进行分析操作，包括距离制图、密度制图、表面生成、表面分析、统计分析、重分类、栅格计算等。教师可以将“学校选址”这一问题纳入习题库，使学生通过练习熟悉ArcGIS栅格数据距离制图、成本距离加权、数据重分类、多层面合并等空间分析功能，熟练掌握利用ArcGIS空间分析功能，进而分析和解决类似学校选址的实际应用问题。

（3）教学方法改革

教师要牢固树立以学生为中心的教学理念，教学重在提质而不是加量，要充分发挥学生的主动性和创造性，改变传统的灌输式教学方法，积极探索翻转课堂、问题导向学习、基于项目的学习、协同式学习等新型教学手段的运用，既要强调基本理论知识的传授，还要重视学生实践能力和创新思维的培养，使学生养成勤于学习、善于思考、强于实践的全方位素质。同时积极引入现代化的教学工具，线上教学和现场教学双管齐下，使教学活动不拘泥于时间和空间的限制。值得一提的是，由于新冠肺炎疫情常态化防控的要求，线上教学将得到越来越多的关注。

（4）教学基础打造

大力完善ArcGIS软件教学所需的软硬件设施，建设场所固定、条件适宜的实验室环境，争取做到教师教学所需仪器完备，学生每人一台可供操作的功能齐全的计算机，并配备专人管理，做到定期维护，及时更新设备和耗材；与业内知名高校、企业合作建立校外实习基地，为学生开展ArcGIS软件应用实践打造平台；同时加强与计算机基础、测量学等交叉课程的学习交流，形成ArcGIS软件应用的能力基础，例如空间数据的采集与组织离不开地理数据库的创建，空间数据的转换与处理就涉及到地图投影变换，空间分析建模就需要利用Python创建脚本文件。

（5）教学互动探索

形成“请进来”和“走出去”的两条思路，一方面把外部资源引入课堂，广泛邀请校外名师、企业专家等来给学生讲学报告，分享交流ArcGIS操作技巧和使用经验，另一方面把课堂学习延伸到课外，积极探索与外校或外单位的产学研合作，允许学生组建兴趣小组，积极参与校级以上的GIS软件开发大赛，考取GIS软件相关的专业技能证书等，鼓励学生有条件地参与测绘工程项目，将课堂所学应用于实际生产科研问题的集智攻关中。

5  结论

培养学生使用GIS软件解决实际问题的能力是现代地图学教学的重要内容。ArcGIS软件具备强大的数字地图制图能力和空间分析功能，成为有限学时条件下学生操作实习的最佳选择。本文结合现代地图学的教学大纲，设计了与教学内容配套的ArcGIS软件应用内容，将极大地促进学生对现代地图学的相关理论、技术和方法的理解和掌握。

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[5] 王文福, 马俊海. “质量工程”背景下地图学精品课程建设的思考和实践[J]. 测绘与空间地理信息, 2011, 34(1): 22-25.

[6] 李华蓉, 潘国兵. 基于ArcGIS的地图学与GIS实验课程贯通教学[J]. 西南师范大学学报, 2017, 42(4): 151-157.

Study on Application of ArcGIS software in Modern Cartography Teaching

ZHOU He-feng^1,2, ZHOU Ze-min¹, ZHAO Yun¹, GAO Dong-bao¹, TIAN Zhang-fu¹, GONG Chang-chao¹

(1. College of Meteorology and Oceanology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, Hunan;

2. State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, Shanghai)

Abstract: As an important extension and outstanding achievement of modern cartography, GIS plays an important role in modern cartography courses. It has become an important part of the course teaching to train students to master GIS software and solve practical problems. Considering the limited class hours and the performance differences of different software, ArcGIS software becomes the best choice for students to practice. According to the teaching syllabus of modern cartography, the corresponding software application content is formulated. The organic combination of classroom teaching and practical training will provide strong support for the improvement of students' comprehensive ability.

Key words: modern cartography; GIS; ArcGIS