《遙感與GIS應用》-教學大綱

《遙感與GIS應用》教學大綱課程編號：012253A課程類型：□通識教育必修課□通識教育選修課□學科基礎課R專業(yè)核心課□專業(yè)提升課□專業(yè)拓展課總學時：48講課學時：16實驗（上機）學時：32學分：3考試類型：R考試□考查適用對象：城市管理專業(yè)R是□否適合作為其他專業(yè)學生的個性化選修課先修課程：城市管理學、計算機應用基礎，數(shù)據(jù)庫應用一、課程的教學目標城市是一個空間對象，城市中的大量空間信息也是進行城市管理和城市規(guī)劃的重要內(nèi)容。本課程作為城市管理專業(yè)的專業(yè)核心課程，目的是讓同學掌握遙感和地理信息系統(tǒng)等相關空間信息技術的基本理論和方法；了解空間數(shù)據(jù)及空間分析方法在城市管理以及社會日常生活中的作用及意義；了解在計算機支持下采集、管理、分析城市空間數(shù)據(jù)的技術和方法。本課程的學習可以為城市規(guī)劃與管理、區(qū)域經(jīng)濟分析等課程提供技術方法，也可以為相關課程提供空間基礎、空間分析原理等理論基礎。本課程在講述以上專業(yè)知識的同時，也加強課程思政建設，回歸教育初心，將“立德樹人”貫穿課程始終。將國家版圖意識、地理國情、測繪技術航天技術發(fā)展史等愛國主義元素以及嚴謹認真的責任意識、鉆研創(chuàng)新等基本素質(zhì)融入到課程教學中。二、教學內(nèi)容及其與畢業(yè)要求的對應關系在人們的日常生活中，80%以上的信息都與空間有關，將空間信息與其它信息進行集成與融合，可以提高數(shù)據(jù)挖掘、政務決策的有效性和直觀性。隨著數(shù)字城市、智慧城市等城市信息化建設的推進，城市空間信息成為集成其他信息的基礎框架，因此，遙感和地理信息系統(tǒng)成為支持城市相關學科發(fā)展的一項重要技術。該課程注重遙感和地理信息系統(tǒng)等空間信息技術在城市管理領域的應用，全面系統(tǒng)講述遙感和地理信息系統(tǒng)的學科基礎、技術體系，重點突出空間信息領域的基礎理論、各種類型的空間數(shù)據(jù)分析以及空間分析功能在城市管理領域的應用。該課程力求將空間信息技術基礎理論、技術方法和實踐融為一體，使學生在學習空間信息技術基本原理和方法的同時，系統(tǒng)掌握遙感與地理信息系統(tǒng)的技術的方法應用，從而使學生能夠真正領會和把握作為現(xiàn)代高科技的空間信息技術的科學性、技術性和實踐性。因此，本門課程的內(nèi)容體系要以講述遙感和GIS的基本概念、原理為基礎，以介紹遙感和GIS在城市科學分析中的應用為重點。具體來說包括遙感信息的處理與分析、基于GIS的空間數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、GIS的空間分析功能等，并結合專業(yè)典型應用案例，介紹遙感和GIS在區(qū)域經(jīng)濟分析、區(qū)域規(guī)劃、城市管理、城市規(guī)劃等領域的具體應用。同時，本課程還是一門理論性和實踐性都很強的學科，在教學方法上除進行課堂授課，使學生掌握基本理論與方法外，還要求加強實驗和實踐，同學課程學習使學生掌握簡單的遙感和GIS軟件操作，通過兩方面的合理結合使學生對遙感和GIS這兩種先進的空間信息技術有一整體認知和掌握。三、各教學環(huán)節(jié)學時分配教學課時分配序號章節(jié)內(nèi)容講課實驗其他合計1城市中的空間信息及3S集成222遙感與GIS概述4263GIS空間數(shù)據(jù)模型與管理210124空間參照系統(tǒng)與地圖投影4485遙感圖像分類及處理2466空間數(shù)據(jù)查詢與空間分析21214合計163248四、教學內(nèi)容第1章遙感與地理信息系統(tǒng)概論及3S集成第一節(jié)城市中的空間要素及空間信息的應用城市的概念城市科學及城市科學研究中的空間信息空間信息在城市管理中的應用及發(fā)展第二節(jié)3S技術集成RS、GPS、GIS的概念3S技術的集成我國測繪技術的發(fā)展歷史教學重點、難點：城市科學研究中的空間信息及其重要性、3S技術集成及在實際中的應用課程的考核要求：能夠理出城市科學研究中的空間信息，能夠利用生活中的實例理解3S技術的集成及其實際應用。思考題：請簡單列舉城市的空間特征有哪些？有哪些城市管理問題是必須考慮城市的空間特性的？空間測繪領域的3S是什么？請依托百度地圖或高德地圖試著解釋3S之間是如何相互支撐提供空間服務的？第2章空間信息技術在城市/區(qū)域領域的應用第一節(jié)地理信息系統(tǒng)的概念、組成、功能與發(fā)展GIS的概念GIS的系統(tǒng)組成GIS的系統(tǒng)功能GIS的發(fā)展遙感的概念、組成、特點及應用RS的概念RS的系統(tǒng)組成及工作原理RS技術的特點RS的分類RS技術的發(fā)展及應用教學重點、難點：地理信息系統(tǒng)的概念、組成及功能；RS系統(tǒng)的組成、工作原理課程的考核要求：熟練掌握GIS、RS的概念；掌握GIS的組成及功能，掌握RS系統(tǒng)的組成及特點；理解RS的工作原理及分類；了解GIS、RS與其它相關學科的關系發(fā)展簡史。課程思政切入點：在以上兩章分別為課程概述以及GIS、RS具體的概念介紹，這兩章中將會通過案例以及數(shù)據(jù)介紹我國測繪技術發(fā)展史以及我國測繪事業(yè)的發(fā)展部分，包括我國古代在天文、制圖方面的貢獻，新中國成立后測繪事業(yè)的發(fā)展成就如北斗導航系統(tǒng)、風云系列衛(wèi)星等內(nèi)容，這些內(nèi)容既有中國古代的璀璨文明與傳統(tǒng)文化，也有現(xiàn)代的巨大成就，有助于增強學生的民族榮譽感、自豪感與文化自信，激發(fā)學生的愛國情懷。同時也應認識到，現(xiàn)階段我國測繪事業(yè)與國際先進水平相比還有一定的差距，因此也鼓勵年輕學子，發(fā)憤圖強，鉆研創(chuàng)新，努力趕超。復習思考題：GIS的概念及其含義GIS的組成包括哪些部分？GIS的功能及應用主要體現(xiàn)在哪些方面？狹義RS的定義是什么？遙感技術系統(tǒng)的特點以及對城市研究的意義是什么？請用自己的語言梳理遙感技術系統(tǒng)的分類。第3章GIS空間數(shù)據(jù)模型與管理第一節(jié)空間數(shù)據(jù)基本概念GIS的工作流程回顧數(shù)據(jù)的概念地理實體與地理目標地理數(shù)據(jù)第二節(jié)數(shù)據(jù)的來源與組織空間數(shù)據(jù)的來源空間數(shù)據(jù)的組織與采集實驗一：空間數(shù)據(jù)采集與錄入空間數(shù)據(jù)結構空間數(shù)據(jù)結構的概念矢量數(shù)據(jù)結構柵格數(shù)據(jù)結構矢量結構與柵格結構的對比重點、難點：本章的重點是要求學生掌握空間數(shù)據(jù)的來源及采集，難點是空間數(shù)據(jù)結構。課程的考核要求：了解當前空間數(shù)據(jù)的采集方式；掌握ArcGIS軟件支持下的空間數(shù)據(jù)采集功能，掌握一般的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)輸入過程和方法；理解柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)結構的原理與差異。課程思政切入點：在本章中將會進行本門課程非常重要、非?；A的一個上機操作實驗，讓學生了解空間數(shù)據(jù)輸入與處理的過程和方法以及ArcGIS軟件的操作。在這一部分中，會反復要求學生的操作必須嚴謹、認真，可以有誤差但絕對不能有錯誤，培養(yǎng)學生嚴謹認真的工作態(tài)度，且希望在此基礎上能夠促進學生嚴謹、認真的人生態(tài)度的培養(yǎng)。另一方面可以讓學生以小組的形式，利用GIS工具講述“地圖故事”，通過制作“一帶一路GIS”、“紅色長征GIS”、“北京歷史文化地圖”等案例向學生積極滲透革命理想信念、宣傳國家重大戰(zhàn)略舉措、強化學生“四個自信”、弘揚科學家的探索追求精神以及合作創(chuàng)新意識。復習思考題：地理實體與地理目標的關系是什么？什么是地理數(shù)據(jù)？地理數(shù)據(jù)主要描述的是地理實體哪幾方面的特征？空間數(shù)據(jù)采集的原則是什么？空間數(shù)據(jù)輸入的方法有哪些？什么是空間數(shù)據(jù)結構？柵格數(shù)據(jù)結構與矢量數(shù)據(jù)結構的區(qū)別于聯(lián)系有哪些？并舉例哪些實際應用可以采用什么樣的數(shù)據(jù)結構進行分析？第4章空間參照系統(tǒng)和地圖投影第一節(jié)地球橢球體基本要素地球的形狀地球的大小高程我國的大地控制網(wǎng)地圖比例尺第二節(jié)坐標系地理坐標系平面上的坐標系用戶自定義坐標系第三節(jié)地圖投影的基本問題地圖投影的概念地圖投影的變形分類中國各種地圖投影第四節(jié)高斯-克呂格投影分帶投影的原理投影帶與中央經(jīng)線之間的關系換算重點、難點：地圖投影及坐標系的原理課程的考核要求：掌握坐標系和地圖投影的原理與算法，特別是高斯-克呂格投影的基本原理，了解中國各種地圖投影及其應用。課程思政切入點：本章主要介紹測繪空間基礎，在本部分中將會介紹到國家坐標控制網(wǎng)，涉及青島國家水準原點、西安80坐標系大地坐標原點等內(nèi)容，可通過圖片、圖像或者實地考察等形式，增強學生對我國測繪事業(yè)發(fā)展的了解，增強民族自豪感。其次在對不同坐標系下我國地圖變形的展示過程中滲入國家版圖意識，普及測繪法律知識，維護國家版圖尊嚴。復習思考題：比例尺的概念及分類地理坐標系與平面坐標系的區(qū)別與聯(lián)系是什么？高斯-克呂格分帶投影的特點簡要介紹我國的大地控制網(wǎng)遙感圖像分類及處理遙感圖像解譯概述遙感解譯的概念遙感解譯的原理遙感解譯的分類遙感影像的選擇遙感目視解譯遙感目視解譯的概念及原則遙感圖像目標地物的識別特征遙感目視解譯方法遙感目視解譯的過程不同地物目視解譯的綜合判讀第三節(jié)遙感圖像計算機分類概述遙感影像分類基本原理影像分類的過程遙感影像分類方法分類后處理遙感影像分類中存在的問題影像解譯專家系統(tǒng)重點、難點：本章的重點是遙感圖像解譯的原理、方法和過程。難點是遙感圖像計算機解譯的方法與操作。課程的考核要求：掌握遙感圖像分類解譯的概念、原理及分類；理解遙感目視解譯的方法和過程；了解目視解譯目標地物特征；理解遙感圖像計算機解譯的原理和方法，掌握基于軟件的遙感圖像解譯分類基本操作。復習思考題：目視解譯原理遙感目視解譯的主要標志有哪些？各自概念是什么？遙感目視解譯的原則和方法有哪些？遙感目視解譯的工作過程是怎么樣的？遙感影像計算機解譯的基本概念遙感影像計算機解譯的基本原理是什么？遙感影像計算機解譯的基本過程監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的優(yōu)缺點比較空間數(shù)據(jù)查詢與空間分析基于GIS的查詢功能基于圖形查屬性基于屬性查圖形基于空間關系的查詢綜合查詢基于GIS的計算與統(tǒng)計功能計算功能及其在城市管理的應用統(tǒng)計功能及其在城市管理的應用基于GIS的空間分析功能鄰域分析空間疊置分析網(wǎng)絡分析空間統(tǒng)計分析重點、難點：重點是要掌握GIS空間分析的基本方法，難點是如何將GIS空間分析的基本方法應用到城市管理的科研與實踐中。課程的考核要求：掌握空間查詢與量算、緩沖區(qū)分析、空間疊置分析、網(wǎng)絡分析的基本原理，在實驗基礎上掌握某一GIS軟件下以上空間分析基本的操作；了解以上分析方法在城市管理中的應用。課程思政切入點：如有可能可帶領學生赴浙江德清地理信息小鎮(zhèn)參觀。德清作為首屆聯(lián)合國世界地理信息大會會址，已經(jīng)成為地理信息科學的先鋒小鎮(zhèn)。小鎮(zhèn)上的地理信息科技館作為國內(nèi)規(guī)模最大的地理信息科學專題科技館，展館內(nèi)容豐富，展示了地理信息技術的發(fā)展史，地理信息在環(huán)境資源、管道監(jiān)測、智慧城市、極地科考、航天航空等領域的應用，地理信息應用產(chǎn)品，中國古今地圖的發(fā)展史，以及德清為可持續(xù)發(fā)展做出的實踐探索等，可通過實際案例的學習與考察，深切感受空間信息技術的應用。復習思考題：1.考慮以下題目所需要的GIS數(shù)據(jù)和運用到的GIS空間分析方法？（1）基于矢量數(shù)據(jù)的市區(qū)買房適宜地點選擇（2）基于柵格數(shù)據(jù)的學校建設選址分析（3）用已有的格網(wǎng)數(shù)據(jù)進行最小累積成本距離分析，并得到兩個計算單元的最短成本路徑（4）查找兩個城市之間的最佳（最短）路徑2.綜合考慮GIS空間分析方法在城市管理中的應用。五、考核方式、成績評定 課程考核建議采用試卷考試和上機考核相結合的方式進行，其中期末試卷成績與日常上機考核的比例可以為6:4或5:5，突出日常實驗上機操作的重要性。六、主要參考書及其他內(nèi)容1.本課程實驗教學環(huán)節(jié)：序號實驗項目實驗內(nèi)容學時實驗類型備注1遙感圖像及其GIS平臺ArcGIS簡介熟悉遙感圖像處理軟件和ArcGIS軟件基本結構和功能2驗證性必做2GIS數(shù)據(jù)采集與處理基于ArcGIS的空間與屬性信息采集、輸入、編輯與可視化表達8驗證性必做3基于Envi軟件的遙感信息提取基于Envi軟件的城市遙感信息提取（人口信息、建筑信息等）4驗證性3項內(nèi)容中選做其一基于遙感的土地利用信息提取及土地利用結構轉換研究4基于遙感的城市/區(qū)域擴張變化研究44基于GIS的空間分析與決策支持（1）基于矢量數(shù)據(jù)的市區(qū)買房適宜地點選擇6驗證性必做5項之中3項（2）基于柵格數(shù)據(jù)的學校建設選址分析6（3）城市/區(qū)域經(jīng)濟信息分析——人口密度分析、GDP密度空間插值、用于物流或城市管線管理的最短路徑分析、天然氣管網(wǎng)應急分析等4（4）查找兩個城市之間的最佳（