摘 要 分析GIS概论课程特点及教学中存在的问题，以“垃圾填埋场的选址”为情景案例进行研究性学习，借助ILWIS软件的空间分析功能，通过3种不同的地理模型实现选址，理解GIS空间分析原理，掌握空间分析技能与方法。
关键词 研究性学习；GIS空间分析；ILWIS软件
中图分类号：G642.0 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)06-0048-04
Inquiry Study Reform Plan of GIS Introduction based on ILWIS Software//Zhu Jing, Zhao An, Tang Qiqiang, Huang Chaoqing, Zhang Ganggang
Abstract Analyzing the characteristics of GIS Introduction curriculum and teaching problems, choose the selection of a waste disposal site as the case in inquiry study, using space analysis function of the ILWIS software, through three different geographic models to achieve location and mastered the skills and methods of spatial analysis of GIS.
Key words inquiry study; spatial analysis of GIS; ILWIS software
Author’s address Jiangxi Normal University, Nanchang, China 330022
地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）是一门实践操作性和应用性很强的学科。GIS概论课程是大学本科地理科学专业的一门专业必修课，通过理论教学和实践应用，使学生了解和掌握GIS的基本理论与方法，熟悉常用GIS软件技能，解决实际地理问题。然而目前国内大学开设的GIS概论课程大多偏重基本理论的讲授，GIS应用型人才培养与现实需求相距较大，问题日显突出。GIS教育教学工作者从GIS课程教学内容的构建[1]、教学方法的探讨[2]与实验设计[3]等方面进行了一系列的教学改革与探索，取得一定的教学成果，但要使学生在有限的实习课时（9～12课时）内迅速掌握GIS基本技术和软件，并解决现实科研问题是有困难的。因此，有必要寻找在掌握GIS基本原理条件下，快速运用GIS理论和技术，解决实际科研问题的软件和案例教学方案，开展研究性学习。
1 GIS概论与地理研究性学习
1.1 GIS概论课程特点与教学目标
GIS概论既是一门基础理论课程，又是一门应用性较强的技术性课程，因此在教学中必须注意基础技能的培养。GIS概论也是地理科学专业的一门专业必修课程，通过理论教学和实践应用，使学生了解和掌握GIS的基本理论与方法，熟悉常用GIS软件技能，解决实际地理问题。
1.2 目前GIS概论课程实践教学存在的问题
地理科学专业的学生不同于地理信息系统专业，除了具有一定的地理基础知识外，在计算机技术等其他方面的掌握有一定的欠缺，这就给GIS课程的教学和学生的学习带来一定困难。GIS基本理论与软件应用实践教学内容多而课时少的矛盾一直无法缓解。大量的新内容要补充，教学质量要提高，但学时数却在不断减少。目前GIS实习教程主要有地理信息系统实习教程[4]和ArcGIS空间分析试验教程[5]，这两套教程比较系统地介绍了ArcGIS等软件的基本功能和应用问题，但学生很难在有限的实习课时内迅速掌握GIS技术和软件，以解决实际地理问题。
1.3 以案例教学的方式展开研究性学习的优势
研究性学习作为一种新型的学习理念和方式，泛指学生主动探究的学习活动[6]，注重探究过程、技能发展和合作学习[7]。由于GIS概论课程的实践课时较短，为了激发学生学习兴趣，有必要在教学中选择熟悉且应用性较强的情景案例来辅助教学，使学生在解决实际地理问题过程中快速掌握GIS基本技能，同时促进理论知识的理解和掌握，增加学习动力，实现理论与实践一体化教学。
2 教改方案设计
本文以地理科学专业本科三年级的GIS概论课程空间分析一章内容为素材，以地理问题“垃圾填埋场选址”为案例，以地理信息系统（GIS）/遥感（RS）软件ILWIS为操作平台，设计案例教学的研究性学习方案，展开地理研究型学习。
2.1 教学准备
经过2年的基础地理课程学习，特别是通过GIS概论课程的理论学习和ILWIS软件基本功能的讲解，学生已基本具备一定的地理专业知识和GIS操作技能，本教改方案通过指导学生运用ILWIS软件，分小组进行研究型学习，探索、解决现实生活中“垃圾填埋场选址”这个熟悉的地理问题，明确空间分析思路，理解空间分析原理并掌握基本的空间分析技术，以获得亲身参与科学探究的体验，培养问题意识，提高发现问题和解决问题的能力。
ILWIS（Integrated Land and Water Information System）软件是荷兰地球监测和地球信息科学国际研究院开发的地理信息系统（GIS）/遥感（RS）软件，该软件安装简单、功能全面、操作简便，特别适合作为课堂实践教学平台，也适合初级学习者对GIS软件的快速掌握与应用。
2.2 创设情境案例，展开研究性学习
1）确定研究的问题。
【情境案例引入】本案例来自《ILWIS应用手册》[8]，Chinchina（简称C）市位于哥伦比亚（南美洲）安第斯山脉的中央大山脉，约1.5万户居民，所有的城市垃圾都倾倒在离市中心不远的一条小河里，环境污染问题日益严重，影响城市生活质量。市政府决定建垃圾填埋场处理垃圾，优化城市环境质量。
【教师提问】垃圾填埋场最适宜建在什么地方？
【师生讨论】研究主题是为C市寻找最适宜建垃圾填埋场的地址。查找的结果将会是一幅地图，显示适合建立垃圾场的可能的地址（每个适宜地址的适宜程度用适宜等级表示），标明图上每个地址建垃圾填埋场的适宜程度。
2）选择影响因子并确定所需数据。
【教师启发】C市建的垃圾填埋场要考虑哪些影响因素呢？需要满足哪些条件？
【小组讨论】面积要足够大，要建在平坦开阔的地方，不能占用农田，道路方便运输，离C市不能太远，水源的下游，等等。
【教师启发提示，引导学生总结建垃圾填埋场的条件】垃圾场不应该建在有滑坡或将来可能发生滑坡的地方；地形开阔，坡度较小；有一定的粘土含量，并且土壤渗透率较小，避免垃圾污染地下水源和环境；应该建在没有重要经济和生态价值的区域；离C市不能太近，但不能离建城区（居民区）太远，交通便利。
【学生质疑】哪里有相对平坦的土地，并且不会发生滑坡？这些位置上的土地利用类型和土壤条件合适吗？这些地方是否离建城区足够近？是否与C市保持一定距离？面积至少需要1公顷。最适宜的地址应该同时满足以上条件。
通过讨论，学生明确了建垃圾填埋场的影响因子有坡度、地质条件、土地利用类型、土壤类型、距离和面积，但这些影响因子如何进行合并与综合就涉及具体的地理模型。
3）获取影响因子专题图。教师提供本案例的原始数据图[8]有：地质（slide）、坡度（slope）、土地利用（landuse）、城市（city）土壤属性表（borehole）和地质斑块单元矢量图（geol）、道路（road）数据。打开ILWIS软件加载原始数据，分析原始数据及其类型，明确哪些原始数据可以派生所需数据。
【提问】如何提取所需影响因子专题图？
将介绍布尔逻辑、二元证据和多级指数叠加3种不同的地理模型提取影响因子，创建适宜性等级图。在布尔逻辑模型中，首先假设这些影响因素中，满足适宜性条件的赋值1，不满足的赋值0，所有的影响因子专题图中只有1（适宜）或0（不适宜），提取适宜区域。
拟定适宜性条件为：坡度小于20°，地层不会发生滑坡；土壤的粘土含量在50%以上并且厚度不小于5米，渗透率低于0.05米/天；土地利用类型为灌木、荒地；距离C市2 000米以内但必须在任何已建城区300米之外，面积至少1公顷。
①派生距离数据集，分析原始数据需从土地利用类型（landuse）图中提取出建城区（built-area），并对其缓冲区分析，派生建城区300米以外的距离图。
【操作过程】a.提取建城区（built-area）：built-up area=iff(landuse="built-up area",landuse,? )。b.右击建城区图（built-area），选择distance calculation，生成距离缓冲区（builtdist）。c.派生建城区距离图（suitbuilt）：suitbuilt=iff(built-area5)and(avgclay>50)and (avgperm10000,1,0)。d.右击suitarea，选择attribute map创建适宜性面积属性图（suitmost）。e.叠加道路（road）图，寻找最佳位址。
【提问】布尔逻辑模型实现选址有什么优势？又有哪些局限？
最后计算结果只有“适宜区域”与“不适宜区域”两种状态。所有的影响因子在选址决策中有相同的重要性，这是比较理想的状态，在实际中不同影响因素会对决策产生不同的影响。
【思考】如果按照影响因子对选址的贡献不同，分配不同的权重合并专题图层会得到什么结果？这种方法称为二元证据模型，计算公式为：
①
在二元证据模型中各个因子对选址的贡献大小不同，分别分配不同的权重，如果将贡献最大定为10，最小定为0，通过分析得知各因子的贡献大小依次为土壤条件9、距C市距离8、距建城区距离7、土地利用6、坡度5、滑坡4。代入公式①创建适宜性位址图suit2。
【操作过程】Suit2=(Suitslid*4+Suitslop*5+Suituse*6+Suitbuil*7+SuitC*8+Suitgeol*9)/39。
【提问】计算结果中适宜性图suit1和suit2有什么不同？
二元证据模型得到的是一幅适宜性程度从低到高在0-1之间渐变矢量图。对结果进行重新分类，分为最适宜（Suitable）、相对适宜（Moderately suitable）和不适宜（Unsuitable）三类，寻找最适宜的地址。
重分类运算：ssuit2=iff(Suit2 距建城区的适宜距离是大于300米，以100米为单位对建城区缓冲区分5类，大于300米的分类分配较高的权重，提取分类的建城区适宜距离图（Sbuilt），类似提取C市适宜距离图（SC）。
【提问】土壤属性表数据如何实现分类、赋权重呢？
③适宜性土壤的粘土含量50%以上，厚度不小于5米，渗透率低于0.05米/天。
【操作过程】geol属性表运算：
Sclay=iff(avgclay>60,10,iff(avgclay>50,9,iff(avgclay>40,7,iff(avgclay>20,4,1))));
Schick=iff(avgthick>6,10,iff(avgthick>5,9,iff(avgthick>4,7,iff(avgthick>2,4,1))));
Sperm=iff(avgperm