基于专题式教学法的城市规划专业3S技术课程研究

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  摘 要:针对城市规划专业3S技术课程中存在的问题,论述了使用以任务为导向的专题式教学法的必要性,提出了适合城市规划专业本科生3S技术课程的几大教学专题,并对各专题下的理论及实践环节进行了详细设计。
  关键词:城市规划;3S技术;专题式教学法;课程设置
  中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:2096-000X(2017)17-0107-04
  Abstract: Aiming at the problems existing in the 3S technical course of urban planning, this paper discusses the necessity of using the task-oriented thematic teaching method, and puts forward some major teaching topics suitable for 3S technical course of urban planning majors and makes detailed design for the theoretical and practical links under the various topics.
  Keywords: urban planning; 3S technology; thematic teaching method; course setting
  3S是地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)、和全球定位系统(GPS)的统称,是采集空间信息并管理、建模、分析及显示地理信息的技术,尤其是GIS技术日益被应用到城市规划编制和管理中,成为全新的城市规划技术平台和分析决策工具,促进了城市规划信息分析方法由定性为主演变为定性与定量并举,使得城市规划方案更加科学。
  我校对城市规划专业本科生在几年前就开设了3S技术课程,但存在许多问题,解决教学中存在的教学内容与城市规划专业实践相脱离等问题,是摆在教师面前的重要课题。
  一、教学中存在的问题
  (一)时间紧任务重
  3S技术是边缘交叉综合性学科,在理论和内容上相当复杂, 涉及到数学、物理、电子、计算机技术、空间技术等诸多学科。3S技术课程要求讲授空间数据及分析理论,还有ArcGIS、ERDAS、FME、SPSS等数据处理软件的操作。理想的教学学时应该在100学时左右,但现实是在我校城市规划专业,这门讲授3个系统的课程学时数仅有40个,时间紧任务重,如何在有限时间内,既能将学生引进门,掌握基本知识,又能让学生产生兴趣,掌握如何用于城市规划实践是教师面临的难题。
  (二)教学理念陈旧,与城市规划专业实践相脱离
  3S技术课程主要教学内容是:理论、软件、专业实践三大块。虽然3S技术主要目的是解决具体实践问题,但需要有理论支持。比如空间数据来源渠道众多且结构复杂,数据属于何种类型、适合用什么方法進行空间处理,都需要在掌握数据结构理论的基础上才能进行恰当的操作处理,显然理论讲授非常重要。过去的3S教学将大量时间用于讲授3S方法及其理论基础,由于学时数的限制,留给讲授理论如何应用到具体规划实践的时间所剩无几,给人以虎头蛇尾,草草了事的感觉,学生反映理论枯燥难懂,最主要的是不知如何运用,学完课程收获小,提不起兴趣。要改变这种局面,必须改变教学理念与方法,教师观念的陈旧老化,势必造成课堂教学的因循守旧、默守陈规。要本着学有所用的原则,针对学生专业特点,对理论知识进行筛选,应基于本科生的知识水平,结合城市规划专业的需求,本着“够用即可”的原则,不必贪全求深,针对性的讲解主要理论及实践操作,需要设计出适合城市规划专业学生的教学模式,既能让学生掌握3S基本方法,又能将其运用到专业实践中解决实际问题。
  二、采用专题式教学法的必要性
  所谓专题式教学法,是指由任课教师把整个教学阶段的教学内容分成若干部分,然后把每个部分视为一个独立的专题来备课和授课的教学方法。对于专题的取舍,既要服务于教学计划,又要立足于城市规划实际需要,并适度关注学科前沿问题,可以将教师的科研成果作为一个专题。任何一个专题,都将讲述一个或者几个学科重点问题,其自成体系、独立成篇。
  教师采用专题式教学法,需要先提出待解决的规划问题,然后讲授怎样运用信息技术解决此问题。专题式教学法具有针对性、现实性、研究性特征,教师更容易在照顾到本门课程体系完整的基础上有重点地安排教学内容,使知识点的轻重和课程逻辑体系一目了然,便于学生学习和掌握。
  例如:遥感的基础知识和内容是极其繁多的,我们从城市规划需要解决的实际问题出发,将“土地利用现状及变化”作为授课专题。围绕着专题需要,讲授遥感数据获取、对获取数据进行几何纠正、裁剪、镶嵌、分类、分类后处理的方法。再安排遥感图像处理上机实验,对某时期的遥感图像进行处理,能得到某时期土地利用现状信息;对两期遥感图像比对处理,得到土地利用变化信息。通过此专题的学习,既掌握了遥感数据处理基本方法,又能灵活应将其应用到实际问题解决过程。
  采用专题式教学法,课程内容来自于实际规划问题,能极大满足学生的兴趣;以为题为导向,能焕发学生强烈的好奇心和求知欲,兴趣是最好的老师,有了对3S技术的兴趣,他们在以后的规划实践中就会主动应用这些知识,服务于规划设计及管理实践。
  3S技术是解决空间问题的工具,这门学科的实践性非常强,必须十分重视实验在教学过程中的作用。我们紧密结合规划设计及管理实际需求,针对性地将怎样解决某个规划问题做成专题,课堂教学及实验内容都围绕着这个专题进行设计,编写专门针对规划专业学生的3S实验指导书,指导学生解决具体的规划问题。
  三、课程内容设置   在3S技术中,GIS是核心,RS和GPS为GIS提供快捷高效的数据源和数据更新的手段,城市规划专业3S的教学重点在于如何借助GIS分析城市信息及辅助规划决策,如何用RS及GPS获取城市信息简要介绍即可。
  设置几大专题:ArcGIS和ERDAS基本操作;3S土地利用及变化分析;CAD图导入ArcGIS,建立三维地形,地形分析及三维可视化;用地适宜性分析;交通可达性分析;城市社会区分布分析。
  将总学时的50%时间用于实验,对学生成绩的评分方法为:课堂理论学习(20%)+上机实验操作(30%)+实验报告(50%)。各专题主要内容:
  (一)ArcGIS及 ERDAS基本操作
  ArcMap中新建文档,设置文档数据库相对路径,加载一幅遥感图为底图,手工屏幕矢量化,建立建筑物图层图形文件,并对其赋予属性值,输出建筑专题图,建筑图层输出到CAD。
  认识ERDAS軟件图标面板;遥感数据识读:分辨率、像素灰度值、投影信息、直方图信息、遥感图像基本统计特征;进行校园遥感图像几何校正、裁剪、镶嵌、融合处理。
  (二)3S土地利用及变化分析
  1. 下载城市遥感图
  指导学生从http://glovis.usgs.gov/网上下载同一地区不同时期的LandSat卫星遥感图(图1)。下载时,坐标系有两种选择:带参考系及不带参考系。若选择不带参考系,则按下列步骤进行;若选择带参考系,则不进行以下所列第2步的操作。
  2. 几何校正
  ERDAS中,借助地面控制点(借助goole earth获取控制点,也可用GPS获取,这两种方法皆纳入实验范围),对遥感图像进行地理坐标的校正。
  3. 监督分类
  ERDAS中用武汉市行政区矢量图掩膜裁剪出武汉市行政区范围内的遥感图(图2);再进行遥感图像分类,对影像分为4种类型:城镇及道路、江河湖泊、农田、绿地(由于时间关系粗略分成4类,若时间许可分类可更详细),进行监督分类(图3)并用混淆矩阵进行分类精度评定,然后做分类后处理(聚类、去除小斑块)。
  4. 土地利用变化信息提取
  单击Main\Interpreter\Utilities\Change Detection 命令,启动Change Detection对话框,完成前后图像的变化检测,从得到的highlight change文件能发现目标变化区域。
  5. 土地利用类型转化分析
  ERDAS中将两期的同类地物赋予相同的value,对两期经过上述处理后的影像进行分类重编码record,再进行转移矩阵分析,“Raster→Attributes”查看其特征值,分析出土地利用变化信息如表1:
  6.利用ArcMap建立土地利用空间数据库
  ERDAS中,将某期经过重编码后的栅格图转换成矢量,用工具Main\Vector\Raster to Vector,在ArcMap中加载矢量数据,按属性选择分层得到上述4类土地的矢量图,然后进行属性数据定义及输入,建立土地利用信息数据库。
  (三)CAD图导入ArcGIS,建立三维地形,地形分析
  设置此专题的目的是:目前绝大部分地面信息的数据来源是遥感图像及测绘部门所出的CADdwg格式地形图,在规划实践中,CAD图与ArcGIS的相互转换非常频繁,此专题具有非常强的针对性。
  CAD数据与GIS数据的转换用FME,将dwg格式转换为shp格式。对转换后的数据还要进行检查,需要进行拓扑规则建立、拓扑查错、图形编辑修改、直至满足拓扑关系。
  1. 用FME将CAD图中的数据分层(等高线、高程点、建筑物、道路等)导入ARCGIS(图4)
  2. 创建TIN
  将等高线、高程点作为构建TIN的主要来源,以建筑物和道路等其他地物作为硬断线,建立三维地表面TIN。
  3. TIN转为DEM
  由于DEM是对地形地貌的一种离散的数字表达,每个像元具有不同的高程值,比TIN表达的矢量地表面更适合分析。
  4. 地形分析
  可进行高程分析,提取等高线、坡度坡向求取、可视性分析、地表面阴影图及地形剖面获取等。
  5. ArcScene中3D可视化
  ArcScene是以3D方式创建和展示空间数据的工具,可进行地表面三维显示、编辑;基于地表面可以将遥感影像图或规划图等平面图纸制作成3D效果;也可以将城市中的建筑、道路、河流等地物加载到DEM并批量制作二维半立体模型模拟出城市环境;还可以将在其他软件中建立的复杂3D模型导入,构建比较真实的虚拟现实场景(图5)。
  通过此实验,从CAD地形图创建数字地面模型,借助ARCGIS软件,枯燥的二维CAD地形图演变成为逼真的三维场景,让人如身临其境般地感受规划场地的地形地貌。
  (四)用地适宜性分析
  在进行城市空间布局过程中,规划师需要分析城市范围内哪些土地适合做居住用地、哪些适合做公共设施用地等用地选址问题,即需要分析出适合某种建设需要的用地空间位置所在。此专题内容包括:层次分析法、缓冲区分析、矢量数据叠加分析、栅格数据叠加分析、栅格重分类。
  用地适宜性分析的步骤为:首先确定适宜性评价因子并用层次分析法确定其权重;然后收集涉及各因子的原始数据,对各个单因素做缓冲区分析、矢量数据叠加分析;分等级评分并转换为栅格格式;然后进行栅格叠加分析。
  (五)交通可达性分析
  在路网规划、公交规划、地价评估、区位分析等领域都需要进行交通可达性分析。此专题内容包括:城市路网模拟,构建城市现有的交通网络模型;介绍基于平均出行时间、基于出行范围、基于最小阻抗的交通可达性模型及计算。   (六)城市社会区分布分析
  城市规划不仅包括物质形态的规划,也包括城市社会系统形态规划。此专题对某城市社会经济结构基本统计数据进行分析,将影响经济社会发展的十几项因子用SPSS进行进行主成分及因子统计分析,得出几个主要影响经济社会结构的因子参数,例如土地利用强度、邻里因素、社会经济地位、种族居住情况,用ArcGIS绘制社会区域分布图,例如中心城区高收入地区、远郊区中等收入、远郊区流动人口密集区等等,分析因子空间结构是圆形还是扇形扩展,为后期城市规划提供科学的基础资料。
  四、结束语
  本文从我校城市规划专业3S技术教育现状出发,分析了该课程的特点及在教学实践中存在的与城市规划实际脱钩的问题,提出了3S技术课程采用专题式教学法的必要性,设计了城市规划本科教学的3S课程专题,并对各专题下的理论及实践环节进行了详细阐述。按此实行一年来,教学效果得到极大提升,学生的反响很好。期望能通过3S技术与城市规划融合教育,使这项技术成为改善丰富规划设计、城市建设管理的手段,为科学进行城市规划提供重要技术保障,从而不断地提高城市规划的工作效率和技术水平。
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