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關鍵詞:GIS;地理教學;應用
在中學地理教學當中,初中教師現在仍偏重于讓學生記憶,這種教學方式不能很好地激發學生學習地理的興趣和培養學生的學習能力;對于高中生來說,這門課需要理解的內容更多,在教學中如何幫助學生更好地理解所學內容,是所有地理老師面臨的問題。地理信息系統可輔助地理教學。隨著地理信息系統(Geographic Information System,簡稱GIS)的日漸成熟和廣泛應用,把它引進地理課堂優化教學將會成為未來發展的趨勢。同時,GIS作為一項具有廣闊發展前景的信息技術將會對中學地理教學起到巨大的推動作用。
一、GIS的概念與特征
GIS的最大、最基本的特征在于它將空間和屬性信息有機地結合起來,從空間和屬性兩個方面對現實對象進行查詢、檢索和分析,并將結果以各種直觀的形式準確、形象地表達出來,即地理數據可視化。GIS采用層的概念組織管理數據,這樣可以做到一圖多用。同時,根據需要可將不同的層進行疊加分析,對某一區域可做緩沖區分析等等,即地理空間分析。
二、將GIS融入中學地理教學的必要性
1.中學地理課程標準的要求
2003年4月,國家教育部修訂、頒布了《普通高中地理課程標準(實驗)》(以下簡稱《標準》),《標準》將普通高中地理課程劃分為3個必修模塊和7個選修模塊。必修模塊中的地理信息技術教學內容在必修模塊3中,專設了“地理信息技術的應用”標題。7個選修模塊由“宇宙與地球”“海洋地理”“旅游地理”“城鄉規劃”“自然災害與防治”“環境保護”和“地理信息技術應用”組成。《標準》正是看到了GIS在中學地理教學中的重要性,因此在《標準》中提出了對GIS的教學要求。
2.GIS自身的強大功能
GIS的基本功能是地理數據可視化,它將地理事物和現象的空間分布在地圖上最直觀地反映出來。隨著時代的發展,GIS與Internet、多媒體、虛擬現實技術的結合越來越緊密,這使得它對空間數據的表現力越強,將其引入中學地理教學必將提高教學效果。GIS采用層的概念組織管理空間數據與屬性數據。在實際教學中教師可通過點擊圖層的某一區域獲取其屬性信息,也可通過輸入某個屬性條件而了解其空間分布,即實現雙向地理查詢。通過展示GIS的空間分析功能,不僅讓學生對空間概念有了直觀的認識,同時提高他們分析問題、解決問題的能力,充分認識到地理信息系統作為決策工具的作用。
三、GIS在中學地理教學中的應用
1.自制教學用圖
由于傳統教學掛圖有時不能很好地反映教師所要講授的問題,且容易損壞。教師可利用GIS的強大制圖功能,自制地圖,突出教學主體,方便插入到多媒體課件中。
2.空間查詢
利用GIS可實現雙向查詢,如學習34個省級行政區時,為了方便學生記憶每個省級行政區的名稱、簡稱、位置、輪廓界線,可以逐個以動態閃爍的方式顯示,而且分別賦予相應的屬性,可以即時查詢每個行政單位的面積、人口、社會經濟情況等內容。同時,GIS的可視化增強了學生的感性認識,提高了學生的學習興趣。
隨著現代教育技術的高速發展,地理信息系統(GIS)作為地理學第三代語言的重要性不言而喻。在實際教學中要求教師熟練應用GIS解決實際問題的同時還要把這種能力傳授給學生,這給中學地理教師提出了新的挑戰和機遇。
參考文獻:
[1]鄔倫.地理信息系統:原理、方法和應用[M].北京:科學出版社,2001.
【關鍵詞】巖土工程勘察;數字化;GIS;數據庫
0 引言
巖土工程地質勘察是工程設計的先決條件,但傳統的巖土工程地質勘察資料一般都局限于二維、靜態的表達,這種表達描述場地地質空間構造起伏變化的直觀性差,不能充分揭示場地地質空間變化的規律,難以使人們直接、準確、完整的理解和感受場地土的物理力學性質變化情況,也越來越不能滿足巖土工程的空間分析要求,因此不能很好的服務于工程設計。如何突破傳統巖土工程勘察的技術缺陷,如何利用巖土工程勘察資料來推斷場地土的區域分布規律,如何利用巖土工程勘察資料來預測場地土的巖土工程性質,是巖土工程界一個古老而又有新意的問題。巖土工程地質勘察數字化主要解決的是巖土工程勘察中場地方域的數字化、場地物性指標的數字化、場地地層的數字化和巖土工程勘察數據庫的設計。本文在分析、總結前人理論的基礎上,提出了巖土工程地質勘察數字化的體系和具體的實現方法。
1 場地方域的數字化―地理信息系統
地理信息系統(Geographical Information System,簡稱GIS)是一門集計算機科學、信息科學、地理學等多門學科為一體的新興學科,它是在計算機軟件和硬件支持下,運用系統工程和信息科學的理論,科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據,以提供對規劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統。一個典型的GIS系統應包括四個基本的組成部分:計算機系統(硬件、軟件)、空間數據庫系統、應用人員與組織機構和應用模型。
1.1地理信息系統的功能與應用
作為地理信息自動處理和分析系統,地理信息系統的功能與應用貫穿數據采集、分析、決策應用的全部過程,具體可概括為以下幾個方面:
(1)數據采集與編輯。即在數據處理系統中將系統外部原始數據傳輸給系統內部,主要用于獲取數據,保證系統數據庫中的數據在內容上與空間上的完整性、數據值邏輯一致性等。目前可用于地理信息系統數據采集的方法和技術很多,如跟蹤數字化、掃描數字化、遙感等。
(2)數據操作。包括數據的格式化、轉換、概化。數據的格式化是指不同數據結構的數據間變換;數據轉換包括格式轉換(如矢、柵格式的轉換)、數據比例尺的變換、投影變換等;數據概化包括數據平滑、特征集結等。
(3)數據的存儲與組織。這是一個數據繼承的過程,也是建立地理信息系統數據庫的關鍵步驟,涉及到空間數據和屬性數據的組織,其關鍵是如何將二者融合為一體。
(4)查詢、檢索、統計、計算功能。這是地理信息系統應具備的最基本的分析功能。
(5)空間分析功能。這是地理信息系統的核心功能,也是地理信息系統與其它計算機信息系統的根本區別。地理信息系統的空間分析可分為三個不同的層次。一是空間檢索,包括從空間位置檢索空間實體及其屬性和從屬性條件集檢索到空間實體。第二是空間拓撲疊加分析,空間拓撲疊加實現了輸入特征的屬性的合并以及特征屬性在空間上的連接。第三是空間模擬分析,包括外部的空間模擬分析 (將地理信息系統作為一個通用的空間數據庫,而空間模擬分析功能則借助于其它軟件)、內部的空間模擬分析(利用地理信息系統軟件來提供空間分析模塊)和混合型的空間模擬分析(盡可能利用地理信息系統所提供的功能,同時充分發揮地理信息系統使用者的能動性)。
(6)輸出功能。以報表、圖形、地圖等形式顯示輸出全部或部分數據。
1.2 地理信息系統在巖土工程勘察中的應用
巖土工程勘察設計一體化系統與地理信息系統雖屬于兩個不同研究領域,但巖土的工程力學性質具有地理信息的屬性,即二者之間存在著一個重要的相似之處,即它們都蘊含著與空間坐標有關的信息。巖土工程勘察設計一體化側重于在空間信息基礎上進行設計、并對設計結果做出分析、評價和決策。它離不開全面的空間信息的支持。而地理信息系統側重于對各種空間信息的采集、管理和分析。如將地理信息系統技術,應用于巖土工程勘察設計,利用GIS強大的數據采集、管理能力和空間查詢、空間分析能力,對巖土工程勘察、設計、施工中獲取的大量的、形式多樣的信息進行有效地管理和分析,并為設計方案的生成、分析、評價和決策提供全面的信息支持,將為巖土工程勘察設計走向一體化開辟一條有效途徑。
將地理信息技術用于巖土工程勘察設計,與傳統的巖土工程勘察設計技術相比,具有以下優勢:
(1)地理信息系統強大的數據采集和數據處理能力,使巖土工程勘察數據來源更加廣泛,數據采集質量更高、速度更快。
(2)勘察設計數據具有內容上的復雜性和形式上的多樣性等特點,傳統的勘察設計系統對其處理顯得無能為力。能夠描述和表達復雜的空間實體且對于圖形、圖像數據和屬性數據高度集成的地理信息系統數據庫,為全面管理勘察設計信息提供了可能,從而為建立完善的專業設計模型、分析模型、評價和輔助決策模型提供了全面的信息支持。
(3)GIS空間分析功能,如拓撲疊加、緩沖區分析、數字地形分析等,為建立完善的專業設計、分析、評價、輔助決策模型提供了強有力的分析工具。
(4)GIS強大的可視化操作能力,為巖土工程勘察提供一個可視化操作平臺。
2 場地地層的數字化―巖土工程建模
所謂模型,就是根據實物、設計圖、構想,按比例、生態或主要特征(屬性)做成相似的物體或圖件,用以顯示、展示、揭示一類事物和問題。在巖土工程學科中,巖土工程地質模型,就是依據工程性狀,將重要的巖土工程條件,亦可稱要素,按實際狀態,簡明醒目地用圖形表示出來,簡言之,即工程與地質條件相互依存關系的圖示。這種地質與工程結合形式一一模型,能較好地解決了地質與工程的脫節,便于設計人員充分認識與真正應用好巖土工程工作成果,它深化了巖土工程條件的研究,更抓住了影響工程巖土變形或破壞的關鍵條件,與此同時,還促進地質與工程結合后的巖土變形規律、效應與法則的理性化,在理論與實用的兩方面均會得到實質性的進展。
2.1 巖土工程地質模型的特點
(1)確定性
巖土工程地質模型的應用特點是針對工程所涉巖土實體,它一般表現為場地
或地基。巖土工程工作者解釋研究的對象是確定的巖體,相應的它的地質模型應
具有確定性,不應當只局限在有限個剖面上。
(2)可視性
可以有多種方式對巖土工程地質模型進行可視化表述,常見的有以下5種:
①三維景觀方式。它容許人們從不同角度、不同方位、不同距離觀看三維工程地質模型的表面。為了增強模型的真實感,還要加上光照、紋理等效果,給人以逼真的感覺。但它還是只能看到模型的表面。
②掀蓋層三維景觀方式。在三維景觀方式的基礎上,想象掀開上覆的蓋層看到下伏工程地質界面,其實是第一種方式的變形。
③透視三維景觀方式。假象穿透地質體的一些部分,看到內部的工程地質界面,這也可以看做是掀蓋層三維景觀方式的一種變形。
④切面方式。假象切開工程地質模型,看到地質模型內部的水平或垂直切面上的地質構造形態。由于在二維切面上能方便地進行量算、修改等操作,還可以采用平行切出一系列切片的方式來形象地反映工程地質模型的內部結構,因而它是用二維方式來表達三維模型內部結構的一種理想方式,地質工作中常用的剖面圖就是這種方式的原形。在三維模型的支持下,用切面方式能產生很好的二維與三維聯動效果,即在二維剖面上的修改將影響到三維模型的形態。
⑤投影等值線方式。將工程地質界面的等高線或界面交線垂直地投影到水平面上形成等值線圖,地震勘探層位構造圖、礦床標高或厚度等值線圖等就是投影方式的原形。使用者可以根據工程地質界面的等高線圖對工程地質界面的空間形態有著非常好的把握能力,因此,該方法是傳統的用二維方式表達三維模型的重要方式之一。
(3)可修改性
要求工程地質模型具有可修改性是基于以下原因。一是由于勘探的實施獲取了新的數據資料,需要對己經建立的地質模型進行細化;二是隨著研究的深入,巖土工程師對地質模型有了新的認識,需要修改地質模型;三是利用已建立的地質模型指導進一步的勘探工作。可修改性使人們能對地質模型進行修改和處理,使設想中的東西變成虛擬現實。
2.2 巖土工程地質建模的實現方法
巖土工程地質建模的方法目前采用的主要有表面模型法,表面模型法(也叫數字表面模型)的歷史較早,它的基本內容就是通過精確的表示出工程地質體的外表面來表示均質地質體的建模方法。也是目前廣泛使用的建模方法。
表面模型法的數據來源是通過測點獲得的一系列離散的測點資料,包括測點的幾何特征數據和屬性特征數據。然后利用數據解釋結果重構地質體界面。可以抽象為把一系列同屬性的點按照一定的規則連接起來,構成網狀曲面片,進而確定整個地質體的空間屬性。有很多方法用來表示表面,常用的方法主要有數學模型法和圖示模型法。
(1)圖示模型法
常用的圖示模型法有邊界表示法、規則格網法、等值線法、不規則格網法等。
①邊界表示法:通過面、線、點等簡單幾何元素的屬性來表示工程地質體的位置、形狀、屬性,這種方法用來表示簡單物體時十分有效。但對于很不規則的地質實體則很不方便,只有再降低精度要求的情況下,才可以使用。
②規則格網法(Grid )規則網格:通常是正方形,也可以是矩形、三角形等規則網格。規則網格將區域空間切分為規則的格網單元,每個格網單元對應一個數值。數學上可以表示為一個矩陣,在計算機實現中則是一個二維數組。每個格網單元或數組的一個元素,對應一個屬性值。
③等值線模型:等值線通常被存成一個有序的坐標點對序列,可以認為是一條帶有屬性值的簡單多邊形或多邊形弧段。由于等值線模型只表達了區域的部分屬性值,往往需要一種插值方法來計算落在等值線外的其它點的屬性值,又因為這些點是落在兩條等值線包圍的區域內,所以,通常只使用外包的兩條等值線的屬性值進行插值。
④不規則格網法(TIN ) : TIN模型根據區域內有限個點將區域劃分為相連的三角面網絡,區域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內。如果任意點不在頂點上,則該點的數字屬性值通常通過線性插值的方法得到(在邊上用邊的兩個頂點的高程,在三角形內則用三個頂點的高程)。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型,在整個區域內連續但不可微。
3 巖土工程勘察數據庫的建設
巖土工程勘察數據具有多源性和空間性特點,常規關系數據庫技術已不能滿足人們對這些數據處理的需要,并且巖土工程勘察數據顯著的空間特征和復雜的結構屬性,使巖土工程勘察成為計算機科學可視化的一個既非常重要又十分復雜的應用領域。如何有效地在數據庫系統的基礎上利用計算機技術實現巖土工程勘察數據的時空分析、并開展定量結構刻畫和空間建模,是擺在當今巖土工程勘察工作者面前的一道難題。值得慶幸的是,隨著計算機信息處理技術飛速進步而迅猛發展起來的地理信息系統(GIS)技術,集計算機科學、地理學、地圖學、計算機圖形學、測繪學、遙感學、環境科學、空間科學、信息科學、管理科學以及數據庫技術于一體,以其對空間地理數據強大的儲存查詢和分析處理功能、鮮明地區別于普通管理信息系統,它將空間數據處理、屬性數據處理、空間分析與模型分析等技術與計算機技術緊密結合,展示了極強的空間表現力,它能夠對復雜的地球空間數據進行采集、儲存、分類、檢索查詢、刻畫表述、分析建模,從而為我們開展相關研究提供了一個不可多得的、多學科集成的基礎平臺。因此,建立以處理空間數據為特征的巖土工程勘察數據庫系統和高效、快捷地巖土工程勘察數據進行采集、儲存、分類、檢索查詢、刻畫表述、分析建模等功能的GIS平臺是完全可以實現的。
3.1 基于GIS的巖土工程勘察數據庫的建設
地理信息系統集數據庫、制圖、空間分析功能為一體,它的出現為地質領域繁雜的數據管理、多源的成果表達形式和空間數據分析提供了快速、方便、準確的手段。建立正確有效的信息數據庫無疑是地質數據分析、研究的重要基礎,一個高質量的數據庫系統將使系統的功能得到最大限度的發揮。
(1)巖土工程勘察數據庫的概念模型設計
巖土工程勘察信息處理系統是一個信息處理系統,信息或數據及其作用在信息或數據之上的處理是系統需求分析的主要任務,即要弄清需要有哪些數據,數據之間有何聯系,數據本身有何性質,數據的結構和應對數據進行哪些處理,每個處理有什么邏輯功能。因此,為了把用戶的數據要求明確地表達出來,首先在較高的抽象層面上,使用一種面向問題的數據模型(概念性數據模型),按照用戶的觀點來對數據和信息建模。
(2)數據庫建立實現
巖土工程一體化系統的數據有三類:用戶輸入的原始數據、系統生成的中間數據及最終數據。
原始數據由測點數據組成,而測點數據又由測點幾何屬性數據(位置)和測點信息屬性數據(地層厚度、地層頂面標高、含水率、孔隙度、抗壓強度等物性參數)。
中間數據包括根據原始數據系統自動生成的地層層面等值線模型、三維表面模型、剖面模型等,根據這些模型可以生成用戶需要的各種圖件,還可以進行各種信息查詢操作。
最終數據種類繁多,主要是根據用戶需要由中間數據生成,包括圖形資料(如單孔柱狀圖、連線剖面圖等)和文檔資料(如地質勘察報告等)。由于巖土工程的復雜關系,對于巖土工程的數據庫管理必須嚴格遵循時間序列,即遵循原始數據―中間數據―最終數據的關系。
3.2 基于GIS的巖土工程數據庫的主要功能
(1)數據輸入
數據輸入的時候關鍵是需要注意數據有效性檢驗和規范化處理。確保進庫數據滿足實際需要的精度和誤差范圍。
(2)數據庫檢索
某一實體的信息包括空間位置數據和屬性數據兩部分,相應地,數據庫檢索就可以依據實體的空間位置檢索或依據實體的屬性進行檢索。空間檢索包括 “圖示點檢索”、“圖示矩形檢索”和“區域檢索”,而“條件檢索”和“交叉條件檢索”則屬于屬性檢索。利用數據庫檢索這一功能檢索和提取數據中的地質信息。
(3)空間分析
空間分析包括以下3個內容:
①疊加分析。包括區對區疊加分析,區對線疊加分析,區對點疊加分析,點對線疊加分析等。
②緩沖區(Buffer)分析。包括點緩沖區分析,線緩沖區分析,區緩沖區分析。
③多層立體疊加。
(4)屬性分析
包括為單屬性統計分析、單屬性累計直方圖、單屬性累計頻率直方圖、單屬
性分類統計、單屬性基本初等函數變換、雙屬性累計直方圖、雙屬性累計頻率直
方圖、雙屬性分類統計、雙屬性四則運算等。
(5)數據輸出
數據庫中單表、雙表、多表的單項數據、雙項數據、多項數據的單向和多向輸出和多組合輸出。這項功能的完成有賴于上述各項任務的完成程度,其目的是使用數據庫中裝載的數據來完成某項任務或為某項任務提供數據。
4 結論與建議
本文主要論述了基于GIS的巖土工程數字化系統涉及到的相關理論知識,如地理信息系統理論、地質統計學、土性相關距離理論、地質建模技術、巖土工程數據庫技術等,在此基礎上,對基于GIS的巖土工程數字化系統進行了研究,提出以下建議:
1、在巖土工程建模中沒有考慮斷層、透鏡體等地質現象的影響,巖土工程
地質模型有一定的局限性。為解決此問題,其中重要的環節是獲取研究區域關于
這方面的實際資料,通過知識反饋不斷來修正工程地質模型。
2、將研究區域當成一個統一體來看待的,沒有區分不同地質單元的差別,如河流、湖泊與陸地的差別,這個問題的解決,應當通過劃分區塊,將不能統一對待的區域從研究區剔除出來。但這樣做,會引起另外一個問題,就是研究區域在平面上就不是連續的,在插值計算時會有突變現象發生。對此問題的研究有待加強。
3、在地質物理力學性質指標的統計計算中是將研究區域作為一個區域體來看待的,而實際上往往是一個大區域在物理力學性質指標上可以劃分為幾個小區域。對此問題的解決首先確定小分區的邊界,然后對每個小分區單獨進行統計。
作者簡介:趙斌,男,1982年生,2006年7月畢業于沈陽農業大學水利學院,畢業后于遼寧省第五地質大隊工作,現主要從事巖土勘察工作。
參考文獻:
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[關鍵詞]:地理信息系統;水土保持;空間數據庫
[Abstract]:The geography information system (GIS) is the analysisand the processing magnanimous geography data general technology.Itdiscussed the geography system research main content, and beforeopposition geography information system essential technical measure in conservation of water and soil plan system application, specificallyhad to sum goal in view of conservation of water and soil management,analyzed one based on the relational database model conservation ofwater and soil plan information system in the GIS application basicfunction.
[keywords]:Geography information system;Conservation of waterand soil;Spatial database
中圖分類號:S157.9文獻標識碼: A 文章編號:2095-2104(2012)02-0020-02
1前言 地理信息系統(Geoqrphic Information System, 簡稱GIS)管理空間信息和數據庫屬性數據,廣泛應用于國防建設、城市規劃、資源管理、環境監測等領域;目前國產GIS軟件種類很多(如: MAPGIS、VTEWGIS)在許多領域得到廣泛應用與推廣,極大激勵了GIS技術的發展,被列入各國高科技重點攻關項目,已成為各領域數字信息化建設首選的高科技軟件。
2 GIS技術的概述及其研究內容
2.1 GIS的概念
GIS是一門多學科綜合的邊緣學科,其核心是計算機科學,基本技術是數據庫,地圖可視化及空間分析,而GIS是計算機科學,地理系統測量學、地圖學、空間學、信息科學等多門學科綜合的技術。
GIS狹義的概念可以理解為:1基于數據庫的定義:GIS的數據庫系統有空間次序,并且提供一個對數據進行操作的操作集合,用來回答對數據庫中空間實體的查詢;2基于功能的定義:GIS是采集、存儲、檢查、操作、分析和顯示地理數據的系統;3基于應用的定義:由于GIS應用領域的不同, GIS可分為土地信息系統、水土保持規劃信息系統、空間決策支持系統等。
2.2 GIS研究的內容
GIS是一種決策支持系統,它與其他信息系統的主要區別是其存儲和處理的信息是經過地理編碼的,地理位置及與位置有關的地物屬性信息成為信息檢索的重要部分。一個完整的地理信息系統主要由計算機硬件系統、計算機軟件系統、地理數據(或空間數據) 、系統操作人員4 個部分組成。
2.2.1 輸入系統:地理數據如何有效地輸入到GIS中是一項瑣碎、費時、代價昂貴的工作,大多數的地理數據是從低質地圖輸入GIS。掃描輸入則面臨另一個問題,掃描得到的柵格數據如何變換成GIS數據庫通常要求的點、線、面、拓撲關系屬性等形式,一般采用交互式的地圖識別是矢量化方法的一種較為現實的理想輸入方法,而全自動的智能地圖識別方法采用較少。
2.2.2 存儲系統:GIS中的數據分為柵格數據和矢量數據兩類,如何在計算機中有效存儲和管理這兩類數據是GIS的基本問題。大多數的GIS系統中采用了分層技術,即根據地圖的某些特征,把它分成若干層,整張地圖是所有層疊加的結果,可同時高效地處理上萬幅的海量地圖庫。在與用戶的交換過程中只處理涉及到的層,而不是整幅地圖,因而能夠對用戶的要求做出快速反應和處理。
2.2.3 地理數據的操作:GIS對圖形數據(點、線、面)和屬性數據的增加、刪除、修改等基本操作中對數據的操作提供了對地理數據有效管理的手段,GIS并使圖形數據與屬性數據緊密結合在一起,形成對地物的描述。
2.2.4 空間分析: GIS的空間分析分為矢量數據空間分析和柵格數據空間分析兩類:矢量數據空間分析通常包括:空間數據查詢和屬性分析,多邊形的重新分類、邊界消除與合并,點線、點與多邊形、線與多邊形、多邊形與多邊形的疊加,緩沖區分析,網絡分析,面運算,目標集統計分析;柵格數據空間分析功能通常包括:記錄分析、疊加分析、濾波分析、擴展領域操作、區域操作、統計分析。
2.2.5 輸出:數據分析的結果以合適的形式輸出是GIS問題求解方程過程的最后一道工序,輸出形式通常有在計算機屏幕上顯示或通過繪圖儀輸出。
3 地理信息系統模塊在水土保持中的應用分析
在水土保持領域,有鐵路工程水土流失監測與管理、黃土丘陵溝壑區小流域侵蝕產沙的地貌分帶研究、土壤侵蝕與土地利用關系研究、區域水土流失快速定量評價、巖溶地區水土流失遙感定量監測研究、土壤侵蝕與其背景的空間分析,建立了小流域水土保持規劃信息系統、區域水土流失評價模型、土壤侵蝕背景數據庫、水土流失遙感定量模型、水土保持土壤侵蝕信息系統。
3.1 水土保持規劃系統平臺設計
傳統GIS開發平臺均采用專門設計的開發語言。例如,Arc/Info采用AML或C++語言,加上龐大的函數、命令庫,使得開發技術人員掌握難度較大,遞延了應用產品的開發周期。
3.2 水土保持規劃系統與GIS組件設計理論
對于GPS應用,除了需要地圖顯示、信息查詢等一般的GIS功能外,還需要特定的應用功能,如動態目標顯示、目標鎖定等。這些GPS行業性應用功能組件被封裝起來后,開發者的工作就可簡化為設置顯示目標的圖例以及調用、接受數據的方法等。
3.3 水土保持系統在GIS使用中的優點
將GIS的功能適當抽象,以組件形式提供開發者使用,會帶來許多傳統GIS工具無法比擬的優點。
3.3.1 GIS功能強大、系統處理速度快。
目前市場上開發使用的GIS組件都是基于128位系統平臺的,采用InProc直接調用形式,所以無論是管理大數據的能力還是處理速度方面均不比傳統GIS軟件遜色。GIS組件完全能夠提供拼接、裁剪、疊合、緩沖區等空間處理能力和豐富的空間查詢與分析能力。
3.3.2 靈活方便、價格適宜。
組件化的GIS平臺集中提供空間數據管理能力,并且能以靈活的方式與數據庫系統連接這樣,用戶便能以較好的性能價格比獲得或開發最優GIS應用系統。
3.4 水土保持規劃系統中的GIS系統基本功能
建立水土保持規劃信息系統的目標是高效地管理海量的多時態水土保持利用數據,實現對水土資源的科學管理,及時提供科學、詳實、直觀的數據,為水土保持工程的實施決策提供科學依據,實現水土保持生態資源總量動態平衡,最終達到區域水土保持可持續發展。
3.4.1 查詢功能:水土保持規劃系統采用關系數據庫管理空間數據,空間數據與屬性數據一體化,因此圖形和屬性之間相互查詢比較方便。查詢包括對圖形和屬性的雙向查詢、圖形定位等查詢功能。
3.4.2 統計分析功能:水土保持統計分析是水土保持規劃信息系統的重要組成部分。通過水土保持統計了解土地數量結構、利用狀況的區域分布特征。
3.4.3 變更編輯功能:水土保持規劃系統變更是指水土保持利用狀況發生的變化,即地類、面積發生的變化。系統提供各種圖形和屬性變更工具,圖形變更能夠直接輸入精確坐標進行變更操作,圖形變更時自動生成新實體編號(如圖斑編號),避免重號的發生。
3.4.4 制圖顯示功能:制圖顯示功能包括常規的地圖操作,如放大、縮小,地圖圖層控制管理等;創建默認水土保持規劃(現狀)利用圖,創建各種專題圖如單一值規劃圖、等級符號圖、統計專題圖等。利用等高線和高程點生成DEM和數字正射影像,并與水土保持利用圖疊加顯示,生成形象直觀的水土保持土地利用圖,可以很直觀地看出地類在地形上的分布情況。
3.4.5 輸出功能:根據用戶具體要求可以輸出多種形式的數據、報表、圖表,按小流域或者區劃可以輸出一定比例的水土保持土地利用圖、水土保持規劃圖、水土流失現狀圖等。
4GIS的應用前景
目前,GIS的研究和應用都處在一個高速發展的階段。未來空間數據采集和GIS技術將會有新的更大的發展,由于GIS本身的特點,過去建立起來的城市GIS系統的實際效益在未來幾年將會逐步顯示出來,人們的認識會進一步提高,城市GIS的生命力將愈加旺盛,并將會發揮應有的、符合其特點的作用,GIS也將真正走向產業化和市場化。
[參考文獻]:
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【關鍵詞】GIS;專業英語;教學實踐
測繪地理信息是涉及地球表面數據收集、處理、分析、制圖與可視化的學科。目前該學科處于高速發展階段,很多新興技術不斷產生,需要從業者能夠從英語材料上獲取最新技術進展,靈活應用。因此,在該專業開設專業英語課程十分必要。筆者所講授的專業方向為地圖學與地理信息系統,專業英語課程安排在大三上下兩個學期。該課程的目標是使學生在學習完通識英語后能夠直接轉入英語在專業領域的應用階段,提高英語的綜合使用能力;在知識層次上偏重于核心概念和原理的理解,摒棄過于晦澀的技術細節。同時,為使地圖學專業學生對整個測繪系統體系有一個全面的認知,在學科內容上安排了相鄰專業通識內容,包括大地測量,全球導航衛星系統,攝影測量等內容的介紹。在地圖學與地理信息系統方向上,課程內容適當深入。
在課程建設和教學實踐過程中,筆者始終思考的兩個問題:(1)如何提高學生對專業英語的學習興趣?(2)如何保證學生的持續注意力?在教學實踐中,筆者的經驗是通過多種教學手段結合,控制課堂節奏兩個方面來把握,具體介紹如下。
一、課程設置
1授課階段劃分與組織
筆者把每一次課的結構劃分為預熱階段、知識回顧、內容講授、課堂互動、多媒體教學階段。其中知識回顧、內容講授、課堂互動為必選階段。
1)預熱階段:從學科趣聞軼事,近期發生的重大新聞事件等方面尋找英文原文報道或新聞視頻,與同學一起學習交流。材料內容一般與當天課程內容具有一定相關性,以起到課程導引目的,同時增加趣味性。重大新聞事件材料往往在上課前幾天的備課階段尋找與課程內容相關的、能夠激起學生討論熱情的材料。比如2014年馬航失聯航班事件涉及到地圖、定位、GPS等內容,與本專業內容結合密切,被選入預熱階段的學習材料。
2)知識回顧:根據艾賓浩斯記憶曲線,記憶專業術語最好的方式就是通過重復。因此,我在這門課程中的知識和語言回顧分幾個階段。首先,聯系較為緊密的知識講授完畢后,進入小結性回顧。其次,每周上課時對上周內容進行回顧。最后,第二學期對上學期內容做簡單回顧。此外,學科中較為普遍的原理會在課程講授中進行適時闡述和提問,以深化理解。
3)內容講授:所有核心概念以及專業詞匯都在這個階段介紹。
4)課堂互動:主要通過課堂問答,學生討論,臨場翻譯等形式開展。這一階段主要訓練學生的詞匯發音,口語表達。此外,由于學生從被動接受變為主動思考,左右腦發生轉換,可是緊張的大腦得到休息,為再次集中注意做好準備。
5)多媒體教學:本課程每周課程中都會安排多媒體內容,形式多為視頻報告。本學科屬于新興發展的交叉學科,需要涉及多個學科交叉的內容學習,通過互聯網獲得的學科最新發展狀況,有利于開闊學生眼界。此外可訓練學生對專業內容的聽力能力,通常播放兩遍,第一遍獲得內容梗概,第二遍抓取細節信息,在關鍵時刻老師暫停視頻,進行講解。
2靈活調節課堂節奏
控制課堂節奏旨在保證學生有效注意力的持續時長。每周課程通常安排為兩節或三節連上,不光老師吃不消,學生高效學習的時間也不能保證。因此,合理調節課堂節奏至關重要。預熱階段往往能夠使學生較為輕松的進入到上課狀態,課堂互動和多媒體教學可以起到很好的調節作用,因此通常視學生狀態而定。當老師和學生都覺得注意力渙散時,可轉入課堂互動或多媒體教學階段。這兩種手段往往能夠激起學生討論,使大腦重新充電,往往效果不錯。
二、與中文課程的協調
非母語教學環境下并不適合從一開始就學習全新的內容,所以在初期筆者將內容鎖定在已經學過的專業內容,如果選擇與本學期正在進行的課程同步,一般在課程時間安排上比同步課程相對滯后較好。這樣有兩點好處:(1)學生對于知識內容和知識體系較為熟悉,只是對相應的英語表述較為陌生,這樣能降低學生的認知負荷,較快的建立專業術語和現有知識體系的對應關系;(2)通過英語語言對習得專業知識的學習,溫故而知新,且英文材料能夠從不同角度對同一知識進行闡述,能夠鞏固加深對專業知識的理解。
三、重視閱讀與聽力訓練
加大語言刺激的輸入量,語言輸出會變得順其自然。從筆者的海外留學經歷來看,英語口語和寫作(語言輸出)就是在大量練習中不斷積累和逐步成長的。然而,孤立的說和寫很難取得實質性進步,一種輸出需要對應一種輸入,如口語對應聽力,寫作對應閱讀。口語的提升一定是伴隨著聽力的刺激,當聽力刺激達到一定量時,學習者就會想要主動進行口語表達。類似的,寫作的提升則依賴大量的閱讀輸入,在閱讀科技文獻的時候,盡量選擇母語國家作者的文章,內容上適合選擇難度適中、具有較廣讀者群的科技文章,借鑒其謀篇布局,起承轉合,特定表述,固定搭配等,然后在自己寫作的時候盡量應用學到的用法,使英語寫作越來越地道。
四、口語練習中的認知層次與認知支持
在課堂互動環節的問答從認知層次上分為低階思維技巧(如what,when,where,which問題)和高階思維技巧(如why,how問題)。后者需要用到更為復雜的語言技巧,認知負荷較大,根據國際同行的經驗,應該在課程初期就盡快讓學生進入發展高階思維技巧階段。當然,老師應該提供一定的認知支持,比如提供學生語言元素,讓學生組織因果或邏輯關系。此外,筆者推薦使用概念圖來輔助語言組織,概念圖能夠將所述內容可視化的展現在紙面上,并指明概念間的關系,能夠記錄非線性語言結構,在講述時只用對概念圖上的關鍵點進行正常語言組織,能夠豐富對一個內容的口語描述。
五、結語
目前各大高校都在提升學校和學科專業在全國乃至全世界的影響力,專業英語課程首當其沖。為了提高學生在專業業務方面的英語綜合應用能力,提高專業英語課程的教學效果也十分必要。本文以測繪類專業英語教學實踐為例,探討了教學目的,教學內容,教學方法,注意事項等方面,以供相關專業老師討論,共同進步。
參考文獻:
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這首單曲是Beyond樂隊考察非洲難民區后有感而作的一首膾炙人口的歌曲,現在想來之所以歌曲寫得這么好,是因為黃氏兄弟從小也成長在類似的環境中。從小七個兄弟姐妹的黃家駒和黃家強成長在勞工家庭,當他們看到非洲的難民后,大腦中的藝術細胞空前活躍,于是便鑄就了這首不朽的歌曲。
黃家駒能寫這么好的一首曲子,是因為他有著與非洲難民類似的成長經歷,而我之所以聽到這首歌淚流滿面,是因為我那時正巧有著初闖深圳、到處躲避城管和四處尋找免費住處的切實感受。用皮亞杰教育學原理來講,我們具有共同的“圖式”;用建構主義理論來解釋,我們頭腦中有了相同的建構。
只是,在1991年時,大家都認為人之所以具有類似的情感和經驗是由于大腦經過訓練,從來不會有人想到,事實上這和大腦的結構有著密切的關系。
2014年,諾貝爾生理學和醫學委員會宣布,將當年的諾貝爾醫學和生理學獎授予三位科學家:約翰?奧基弗、梅-布里特?莫澤和愛德華?莫澤,以表彰他們對大腦定位系統機理的突破性研究。
How do we know where we are? How can we find the way from one place to another? And how can we store this information in such a way that we can immediately find the way the next time we trace the same path? This year's Nobel Laureates have discovered a positioning system, an "inner GPS" in the brain that makes it possible to orient ourselves in space, demonstrating a cellular basis for higher cognitive function.(我們如何知道我們在哪兒?我們如何從一個地方找到另一個地方?我們如何存儲此類信息,以便于我們下次能夠迅速找到同一條道路?本年度(2014年)的諾貝爾獎得主發現了一種大腦定位系統――內部GPS,可以指導我們的空間定位,為更高級的認知功能提供了細胞基礎。)
約翰?奧基弗的貢獻在于,他早在1971年就發現,當受訓過的老鼠經過一個特定的迷宮時,老鼠大腦不同部分的神經細胞活躍度與迷宮的地圖位置有確定的關聯關系。而梅-布里特?莫澤和愛德華?莫澤在20年后的實驗中,找到了這種活躍的神經細胞,即網格細胞。也就是說,動物的定位原理在于,大腦中這種處于不同大腦位置的網格細胞映射了動物接收到的地理位置系統,如鴿子之所以不迷路,是因為鴿子大腦中有一條由網格細胞組成的路。
約翰?奧基弗、梅-布里特?莫澤和愛德華?莫澤的發現解決了哲學家和科學家幾個世紀以來一直爭論不休的問題,即大腦如何對我們周圍的空間產生地圖,以及如何通過這個系統在復雜的環境中導航。如果我們的想象力再豐富一些,就會發現三位科學家還解決了建構主義理論中的“圖式”,以及再往深一些研究的“思維模式”。人們能否學會一些東西,以及智商相同的人學習同一知識效果迥異,取決于他們大腦中已有的圖式是否能夠映射到新知識。
春秋時期,相馬大師伯樂將相馬經寫成書,并通過幾個特征來識別好馬。結果伯樂的兒子找了一個完全符合好馬條件的“瘌蛤蟆”。于是,哭笑不得的伯樂說“這馬太愛跳了,不好駕馭”,這就是成語“按圖索驥”的由來。人們學習知識,如果不經過訓練,在大腦中就不能形成立體的圖式,從而導致就事論事,拿著概念套,這就是我們常說的書呆子。這也說明,很早人們就意識到,如果按照圖紙找馬就不會有很大的偏差。而為什么不同的人對同一個概念有完全不同的理解呢?生物學家揭示,人的大腦和計算機完全不同,人們是按照自己大腦中的歷史經驗(神經突觸)的回路以及不同功能的大腦細胞的映射來理解問題的,因而如果加入“圖”就能夠非常容易地矯正人腦的概念。這里所說的圖,不僅僅是地理意義上的圖。
宋代的“禹跡圖”清晰地記載了大禹治理水的華夏版圖,可惜的是,事實上大禹并沒有發明橫縱直角坐標的地圖(圖是宋代的),大禹年代所處的時期是通過河流流域的線坐標(如山海經中的往東、往西幾百里的表述),以及制作九鼎的方位坐標來定位的,這樣就造成了后世的一個遺憾,即《山海經》中所描述的地理位置與現實中國版圖很難匹配。但馬王堆漢墓中出土的中國目前最早的地圖,由于標注了河流和山脈,歷史地理學家則很快就能夠發現平南王府就在湖南藍天縣。
人們對《尚書?禹貢》中的“禹傅土、墮山、刊木、奠高山大川”有著不同的理解。聯系歷史,有的學者給出了現代的解釋:大禹視察了全部國土,治理了洪水,勘定了九州疆界,命名了高山大川。而現代的有關信息的詞匯表達,就是大禹畫出了中國第一個地理信息系統。
事實上,地圖和大腦中的邏輯圖一樣,都是現實的邏輯投射到大腦不同位置的網格細胞而已。中國教育鼓勵人們學習的方式是“讀萬卷書、走萬里路”,其實這就是在書和路之間做靈魂的旅行,最后找到人腦中的“心中的宇宙”。
各種各樣的圖,在信息社會逐漸成為大家溝通的語言和數據科學展現的最重要的方式。古代的克里米亞戰爭,著名的統計學家和護士南丁格爾給司令官畫了一張著名的極地圖,很快地說服了司令官建立戰地醫院。而2014年匹茲堡大學的一位教授,將美國200多年的所有傳染病畫成一張圖,極有力地說明了疫苗在傳染病中的作用,而且通過改圖能夠查詢到幾百年來美國任何一個流行病細節的數據。
由于人的聰明程度不同,建構不同,要想說服別人,語言、文字也許是最蹩腳的使者,圖形才是忠實的使者。洋洋灑灑幾萬字的語言和文字,很可能使人思維混亂,但一張簡單的圖,即使一字不識的老人也能馬上發現問題。因此,隨著制圖技術的發展,地理信息繪圖系統將會逐漸成為信息系統最重要的工具。
而教育就是構建學生頭腦中的信息模板和建構,但是我們的教育遠不如現實吸引學生。中國的微信用戶已超過6.5億,手機用戶也大致在同一個數量級。智能手機中的地理信息系統和位置傳感器大量普及,使得搖一搖就能發現附近的美女,搖一搖就能找到附近的美食,相信教育很快也會進入到一個地圖時代。
目前,暨南大學藥學院、上海中醫藥大學正在建設的知識地圖,已經能夠讓學生通過智能手機很快地了解校園中的實驗儀器、設備和樓層。事實上,只要經費允許,我們可以設想的最終場景是只要搖一搖就能夠發現附近的教授、知識點、歷史文化和圖書。如果我們將社會的歷史、地理、文化和科技數據疊加在地圖上,則可以輕松地發現附近的中考成績、名師、歷史文化人物、歷史故事等。這樣的地理信息系統,能夠將圖書館堆積的圖書、文化館死去的文字、博物館藏在地下室中的文物、教育考試院躺在庫房的學生成績以及學校利用率很低的實驗設備快速鏈接,從而為學習者提供一個心中宇宙與歷史、地理、科技的鏈接。
摘 要:一些經典文學作品中蘊含著豐富的地理知識,如儒勒?凡爾納的科幻小說,用于地理教學,既可以激發學生的學習興趣,又可以促進學生對經典文學作品的閱讀、理解。這也是地理核心素養綜合思維在地理教學中的體現。
關鍵詞:文學作品;地理教學;學習興趣;互動
“興趣是最好的老師。”其實興趣也是學習、研究過程中最重要的必備條件,如何激發學生的學習興趣是教學過程中的重要任務。一些經典文學作品中蘊含著豐富的地理知識,激發了筆者的閱讀興趣,也引發了筆者對文學作品用于地理教學的關注,并探索把文學作品引入地理課堂。以筆者的閱讀感受來看,儒勒?凡爾納的科幻小說中有很多地理知識。因此,筆者以儒勒?凡爾納的小說為例,進行文學作品與地理教學的互動嘗試。
一、儒勒?凡爾納小說輔助地理教學的優勢分析
儒勒?凡爾納(1828~1905年),是19世紀法國著名的科幻小說家,代表作為三部曲《格蘭特船長的兒女》《海底兩萬里》《神秘島》,主要作品有《氣球上的五星期》《地心游記》《太陽系歷險記》《從地球到月球》《環繞月球》《黑印度群島》《漂逝的半島》《八十天環游地球》等。
儒勒?凡爾納的小說中蘊含著豐富的地理知識,另外,他的很多小說都成為世界文學經典,其中《格蘭特船長的兒女》《八十天環游地球》《海底兩萬里》被列入世界少年文學經典文庫,也在我校學生推薦閱讀書目之中。因此,大部分高中生讀過這三本小說。《地心游記》《太陽系歷險記》《神秘島》也是學生所熟悉的。所以,把儒勒?凡爾納的小說引進地理課堂,既可以引起學生的共鳴,激發學生的學習興趣,又可以促進學生閱讀世界經典文學作品。
二、文學作品與地理教學的互動展示
筆者在“氣壓帶和風帶”的教學中,引入了儒勒?凡爾納的小說《氣球上的五星期》。該小說是儒勒?凡爾納的成名作,描寫了一位英國探險家乘坐氣球“維多利亞號”從東到西,橫穿非洲大陸進行探險的故事。筆者首先請一位閱讀過該小說的學生簡要介紹小說內容,然后引用小說中英國探險家的話“我希望借助信風飛行,信風的方向總是不變的。”引出信風,引出大氣環流概念。以氣球“維多利亞號”的飛行路線導入新課,激發學生的學習興趣,增加了地理課堂學習的趣味性,因此,要對學生進行情感、態度、價值觀的教育,希望學生能夠利用自己的知識做有意義的事情。
天文對中學生有很強的吸引力,但中學缺少天文課堂,地理課堂便兼顧了天文科普的功能。面浩渺的星空,廣大地理教師會因時間安排或自身天文素養缺乏等原因而很難開展天文教學。所以,儒勒?凡爾納的《太陽系歷險記》《從地球到月球》《環繞月
球》等作品引入地理課堂,可以激發和提高學生學習天文的興趣,有利于順利展開地理教學。筆者就在“宇宙中的地球”教學中引入了《太陽系歷險記》,該小說深入淺出地介紹了彗星、木星、土星等天體的特征和許多有趣的天文知識,雖然很多知識在現在看來是錯誤的。筆者請學生分享讀這篇小說的感受,并判斷小說中蘊含的天文知識是否正確。很多學生閱讀過這篇小說,踴躍發言,課堂氣氛非常活躍。對小說中天文知識正誤的判斷,有利于培養學生發現問題、鑒別問題的能力,使學生擁有敢于質疑的精神,能夠在科學上深入探究。
文學作品,尤其是經典文學作品,作為一種地理素材,具有經典、接受度高的點。對于學生來說,只要閱讀過該作品就自然擁有該素材;對于教師來說,要引導學生關注、分析文學作品中的地理知識,激發并提高學生的學習興趣,有利于促進學生閱讀經典文學作品。例如,在筆者所教班級“氣壓帶和風帶”學習結束后,就有很多學生表示,會閱讀《氣球上的五星期》。學科之間是有聯系的,運用文學作品輔助地理教學,有效地打破了語文學科與地理學科之間的壁壘,帶活了地理課堂,有利于培養學生的綜合思維與地理實踐能力,提升地理核心素養。
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引言:物流專業課程教學中出現的困難
物流專業是近年來隨著互聯網和交通運輸業的發達而出現的新興學科,物流的專業課程涉及到的知識面非常龐大,是由多種學科交叉形成的邊緣學科,教師在課堂教學的過程中會發現如下方面的問題:
a)概念、流程難以理解
物流專業課程涵蓋的知識點涉及到很多新技術、新概念和相應的流程,例如在《物流信息管理》中有條碼技術、射頻技術、全球定位系統、地理信息系統等,在《物流仿真》課程中有時間推進法、事件調度法、元胞自動機、多智能體仿真以及物流在運輸、搬運、存儲、處理過程中遇到的各種流程。這些概念和流程在學生學習和教師授課的過程中起著重要的作用。但是由于大部分概念包含知識點龐雜并且有比較高的技術含量,教師們在講授、學生們在學習的過程中都需要大量的時間來理解。
b)大數據、多媒體以及互聯網的沖擊
近年來,由于信息技術的發展,教學過程中越來越多得出現跟大數據、多媒體和互聯網相關的內容,使用傳統的教學方法在一是在形式上不夠豐富,還是以單向灌輸為主,不能很好的與學生互動,學生們在課堂上處于被動狀態,不能很好的理解知識;二是在內容上缺少實用性的技能訓練,例如數據的收集、處理、分析等,很難滿足的以后工作的需要和學生們的求知欲。
物流專業軟件在教學過程中的使用
在實際的教學過程中,我們嘗試把教學重點轉移到專業軟件的使用上,這樣做可以有效的將學生們的注意力集中到一些實際的可操作的小問題上。在實際的教學過程中我們以以下三個軟件舉例來說明如何使用軟件教學。
a)Excel的使用
Mapinfo是一款輕量級的流行地理信息系統(GIS)軟件,我們教會學生將地理信息數據(如世界地圖)導入到軟件中,在軟件中對點、線、面等圖形對象進行空間分析,如相交、相離、包含、周長、面積等分析。GIS軟件還在數據的可視化方面有著重要的作用,我們教會學生將一些通過Excel處理過的數據導入的軟件中,然后使用專題圖的方式可視化的顯示出來,這樣做既使學生了解了相關的知識也使學生掌握了軟件的使用。
c)Flexsim軟件的使用
Flexsim是一款比較常用的物流專用仿真軟件,它使用直觀的三維界面來展示仿真的過程。Flexsim包含了物流系統中常用的三維物件庫,用戶可以直接從物件庫中把相關物件拖入到場景中,并且通過鼠標的控制旋轉、縮放物件對象,從多個角度觀察對象的細節。在仿真的教學過程中,我們使用Flexsim直觀的界面展示物流系統中的工具,通過在Flexsim中逼真的三維重現使學生們了解各種物流過程,學生們還可以對某些物流流程進行改進,再修改仿真模型并運行得到改進后的表現。
圖 2 使用Mapinfo軟件制作專題圖
教學效果的提高
學生們通過在課堂和課下對軟件的操作使用,直觀深入的了解一些物流專業的概念和流程,使教學效果獲得了很大的提高。
a)學生理解能力的提高
學生通過專業軟件在對數據、模型進行操作的同時不經意也用到了其他各種相關的知識,例如統計學的知識,計算機的知識等等。由于很多操作過程中的每一個細節出錯都會導致結果出問題,這就要求學生對概念和流程的了解達到一定的深度,促使學生通過各方面來了解概念和流程。當所要求的問題被解決的時候,學生們會有一定的成就感,并且更加愿意吸收相關的知識來改進結果,從而形成正反饋。
b)學生課堂注意力的提高
課堂上只使用單方面的知識灌輸手段來使學生被動的接受知識會讓學生感到枯燥,而使用專業軟件來教學,可以讓學生產生動手試一試的興趣,尤其軟件使用的數據跟實際問題相關時,學生們接受信息的意愿和效率是普通課堂教學方法的數倍。學生在課堂上的注意力會從抽象的概念轉移到實際的軟件操作中,這時如果能將概念和具體軟件操作結合在一起講解會得到非常突出的效果。
c)學生實踐動手能力的提高
學生在操作專業軟件的過程中會遇到很多需要親自動手解決的問題,例如處理數據出現的瑕疵,輸出圖表的整理等等。在整個的學習過程中學生都需要獨立的思考問題、分析問題和解決問題。這就要求學生在以后的學習過程中遇到問題就會自然的去想如何去解決,怎么樣利用工具來處理。這在無形中培養了學生的實踐動手能力和獨立思考能力,同時也培養了學生的創新能力。.
圖 3 使用Flexsim演示物流仿真
結論
關鍵詞:巖土工程;地質勘察;數字化系統
眾所周知,如今學科發展的三大支柱是:理論、實驗和學科計算機技術。特別是學科計算機的發展為應用學科的發展帶來了巨大的變化。三大支柱帶來的巨大變化也影響了巖土工程勘察領域。
1我國巖土工程勘察的現狀及存在的問題
隨著經濟和科學技術的發展,巖土勘察設計工作取得了巨大的進步,并與國際差距縮小。但是仍存在有以下幾個問題:
1.1勘察資料與設計脫節
由于之前部門長期都是勘察、設計、施工都是分散作業,加之一些新規范,新技術應用不及時,造成巖土工程設計與勘察脫節。這不免造成勘察提供的勘察資料讓設計人員往往摸不著頭腦。并且就當前實踐經驗來看,勘察在設計整個過程的參與度還不夠。另外,由于設計和勘察的脫節,設計人員往往勘察方面知識不足,很難深層次理解勘察資料,使勘察資料有效性沒有得到最大發揮,造成了不必要的浪費和損失。
1.2系統綜合能力差
巖土工程勘察設計涉及到方方面面的信息,包括水文、地理等等。然而,現有的巖土工程勘察設計系統還沒有實現各類數據的綜合采集、分析,因而使得設計方案可以獲取的信息量有限,并不能得到全方位的數據支持。
1.3巖土工程勘察設計系統的局限性
現有的巖土工程勘察設計系統不具備空間分析能力,這種局限性極大的限制了其功能的發揮,如難以科學決策支持現有的勘察設計方案,取而代之,現有的勘察設計方案很大程度上受到專業人員主觀因素的影響。另外,現有的很多軟件都是比較落后的,與實際脫節。落后的軟件就很難反應實際的情況,解決具體問題也非常的不完善。
1.4勘察技術與國際水平有較大差距
雖然解放以來我國巖土工程勘察技術取得了巨大的進步,但是與國際先進技術相比,我們仍有很大的差距,主要原因是我們在改革開放以來與國際先進國家技術交流不充分,國內巖土勘察技術成熟的過程相對閉塞,呈現曲折發展的狀態。
2數字化系統方案
2.1巖土工程勘察數字化
數字化簡單來說就是將一些分散的元素整合在一起,從而成為一個更具有整體性和協調性的整體。正是由于數字化這個巨大的優勢,因而被認為是極具有價值的一個過程。如果設計到巖土工程勘察設計這個領域,我們可以將巖土工程勘察數字化解釋為不同學科的有效組合。這個數字化系統相比于傳統系統的優勢在于充分整合和利用現代科學技術。尤其是CAD技術轉變,使得信息化采集數據,數字化處理勘察資料,網絡化硬件系統等成為可能,并隨著其發展逐步建立起完善的工程勘察設計體系。具體說來巖土工程勘察數字化系統的概略工作流程如圖1所示。
2.2巖土工程數字化系統的組成
巖土工程數字化系統因承載著采集和整合數據信息的任務,因而對技術的要求比較高,它主要涉及多方面的技術,如地理信息系統(GIS)、數據庫、計算機圖形學、地質學、地質統計學、地質建模、AutoCAD和Word自動化等。如圖2所示,他們以勘察和設計為基礎形成一個嚴密的系統工程:由圖2我們可以清晰明了的看到數字化系統將這些技術緊密結合起來并形成了一個體系,這與傳統的各學科獨立工作不同,這樣不僅能夠促使各學科的相互滲透,相互交流,同時也方便數據的整合和集成。實現巖土設計數字化必經階段和前提條件是巖土勘察的數字化,因而我們應加大對巖土勘察數字化的建設。
3數字化系統的實現
巖土工程地質勘察數字化的實現,主要解決以下關鍵問題:巖土工程勘察中場地方域的數字化、場地物性指標的數字化、場地地層的數字化和巖土工程勘察數據庫的設計。如何實現這個數字化系統呢,可以結合巖土工程地質勘察與地理信息系統(GIS),這樣的好處就在于能夠充分利用GIS的優勢,充分發揮其效用。眾所周知,GIS具有強大的信息采集、處理、分析能力以及空間查詢功能。勘察數字化系統與GIS結合可謂是強強聯手,一方面可以精確分析勘察數據資料信息,改善傳統勘察系統對于復雜多變情況下束手無策的狀態。另一方面有利于實現巖土工程勘察數字化系統中場地方域的數字化。因為借助GIS的優勢可以創建可視化操作平臺,而這個平臺是實現勘察數字化的前提條件。如何實現巖土工程勘察數字化系統中物性指標呢?總的來說應該通過理論聯系實際,理論作為指導,實際情況作為重要的參考。具體說來,理論主要是指地質統計學、相關距離的基本理論。而所謂的實際就是結合工程情況包括物理力學性質指標、相關距離和工程場地剪切波速等,然后運用理論進行統計計算分析。巖土工程地質建模相關理論詳細的對巖土工程勘察參數的數據結構設計以及虛擬巖土工程剖面、地質相關屬性等計算的相關技術進行了說明,其實,這就表示巖土工程勘察數字化系統中的場地地層的數字化的實現。總的來說,數字化系統的實現需要考慮當前的現狀,并且適應其發展規律,對系統的概念和結構設計進行分析和總結,并綜合運用相關技術才得以完成。
巖土工程勘察設計數字化系統是一個系統工程,它跨多個專業多個學科,因而巖土工程勘察設計數字化不是一蹴而就的,而是一項長期的任務。要解決傳統的勘察設計情況,就應該深入剖析當前巖土勘察設計的現狀,并通過理論和實際的研究創建一個巖土工程勘察設計數字化系統,并且這個系統的開發應得到現有成熟技術并尋求或有的先進技術的支持。只有這樣才能夠真正實現巖土工程勘察設計數字化。
作者:陳媛媛 單位:四川省川建勘察設計院
參考文獻
[1]包世泰,夏斌,蔣鵬,等.基于GIS的地質勘察信息系統設計與實現[J].地理與地理信息科學,2004,20(04):31-35.
地理信息技術是以現代信息技術為技術基礎,以全球衛星定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、遙感(RS)等空間信息技術為手段,以計算機、現代網絡和通訊技術為技術支撐,為實現快速、高保真、大容量地獲取、處理、分析、應用、傳輸、存儲和管理與空間位置有關的數據而建立起的一個技術體系。地理信息技術的快速發展為農業數字化建設和自動化、智能化管理提供堅實的技術基礎,并逐漸成為以可持續發展為目標的精準農業技術體系的核心技術。然而,國內外關于地理信息技術應用于精準農業的研究基本上仍是集中于面向大田作物生產的精準農作中的3S技術應用,而沒有較全面地研究地理信息技術在整個精準農業體系中的地位和作用。本文旨在探討地理信息技術在精準農業中的應用前景和問題,為3S技術在精準農業中應用提供思路。
2地理信息技術發展現狀
以GPS/GLONASS,以及歐盟即將通過“伽利略”計劃建立起的導航衛星系統為代表的全球衛星定位技術具有快速、方便地獲取高精度位置信息的優勢。目前,差分定位(DifferentialGPS,簡稱DGPS)系統的定位精度可達到亞米級水平,實時動態差分(RealTimeKine-matic,簡稱RTK)技術能夠在野外實時得到厘米級的定位精度,特別是美國政府取消GPS數據精度選用政策(SA),GPS的民間用戶將能夠使定位精度提高10倍。因此,全球衛星定位技術將在很多領域逐漸取代常規的光學和電子測量定位儀器。衛星定位技術與現代通訊技術的結合,使空間定位技術發生巨大變革,為信息化農業獲取高精度定位信息提供了技術保障。遙感技術蓬勃發展,能夠獲取多傳感器、多時相、高分辨率(空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率)的直接或間接反映地球表層地物光譜特征的遙感數據。極高分辨率的衛星遙感影像(如0.61m分辨率QuickBird)民用化和商業化,能夠滿足大比例尺的農業、資源環境等領域的應用,將成為信息獲取的重要數據源。高光譜遙感的發展,展現出遙感在農業中應用的蓬勃生機。在遙感影像處理方面,引入多源信息融合技術和智能專家系統使遙感信息提取邁上一個新的臺階[9]。地理信息系統正向網絡化、組件化發展[10],GIS逐步融入IT主流,其應用正走向企業化和社會化。GIS傳統功能日臻完善,如查詢統計、空間分析、編輯、地理數據可視化、制圖等;系統分析和設計全面采用面向對象技術(OOA&OOD),以及空間數據庫技術的發展等都為GIS在農業中應用提供很強的理論和技術基礎[11]。所有這些核心地理信息技術的發展為精準農業田間信息獲取、分析、管理和決策,以及系統集成研究與實踐提供了技術基礎。
3精準農業技術思想
3.1精準農業的技術思想
上世紀80年代初期,根據農田內以米為單位的小區作物產量、生長環境條件等具有明顯的時空差異性,國外學者產生了對農作物實施定位管理(Site-specificManagement)、根據實際需要進行變量投入(VariableRateTechnology)等農業生產的精準管理思想,進而提出了精準農業(PrecisionAgriculture)的概念。精準農業的思想實質就是通過各種技術手段來獲取農田內不同單元小區的農作物具體生產環境信息,并根據這些信息確定各個小區內的最為經濟和科學合理的農業生產投入,達到獲得經濟、環境等方面最高回報的目的,從而實現農業生產的精準管理[2,3]。
3.2精準農業技術體系
精準農業強調經濟、生態和社會效益的統一,實現定位、定量、定時的最優化生產管理,由此可見,精準農業是一種基于空間信息管理和變異分析的現代農業管理策略和農業操作技術體系,以地理信息技術為主體的信息技術是精準農業的技術核心,基于知識和先進技術的現代農田精準農業技術體系至少包括以下方面:地理信息技術(GIS、RS、GPS)、生物技術、農業專家系統(ES)、決策支持系統(DSS)、工程裝備技術等[13]。通常所說的精準農業的核心是強調減少種植管理過程中的農業投入,因此研究將精準農業分為田間信息獲取、信息分析處理、決策分析、精準實施4個過程[12]。精準農業的目標不單是盡量減少投入,更重要的是要獲得經濟、環境等方面的最高回報,因此筆者認為整個精準農業種植循環過程應該經過產前規劃、產中種植管理、產后分析、產后加工和產后銷售等5個環節。其中產中種植管理是體現精準農業核心思想的重要環節,幾乎涉及精準農業技術體系中的所有技術。目前,國內外研究的核心在于種植管理中的時空變異信息獲取與提取(傳感器、遙感軟硬件研制)技術、信息處理與分析方法、決策分析集成系統,以及攜帶DGPS的智能農機系統,這些正是精準農業實施和推廣必須解決的關鍵技術。
3.3精準農業發展現狀
20世紀90年代以來,發達國家許多學者著力于研究運用高新技術提高農業勞動生產率和農資利用率,以達到經濟效益、生態效益和社會效益的最大統一,最終實現農業生產可持續發展。他們的研究取得了令人矚目的成果,并建立了若干支持精細農業技術的示范應用系統[1,4~7],如美國CaseIH公司的AFS(AdvancedFarm-ingSystem)、英國MasseyFerguson的FieldStar、美國JohnDeree公司的GreenStar等。在實踐過程中,也已經獲得較好的效果,精準農業在大農場生產中已得到較廣泛的應用,并且許多成熟的技術已經形成。據統計,到1995年,美國約有5%的作物面積上不同程度地應用了精準農業技術[12],在西方發達國家,精準農業技術思想也逐漸被農場管理人員了解和接受,并且成立了許多以精準農業為基礎的服務機構。近年來不僅西方發達國家對精準農業的技術實踐引起重視,在日本、韓國、巴西、馬來西亞等國亦已開始了試驗示范研究[8]。在我國,從事農業研究的人員首先開始了精準農業研究,隨后生物技術、信息技術、地理科學和生態學研究人員對此表示了濃厚的興趣,并且先后開展了關于技術體系、發展策略等方面的研究[14~23]。但從總體上我國對精準農業的研究還處在引進和消化吸收階段,還沒有形成較為系統的學術思想和技術體系。目前已經在北京和上海建成兩個精準農業示范區。
4地理信息技術在精準農業中應用
精準農業實施的前提是及時采集分析土壤肥力和作物生長狀況的空間差異信息,生成田間管理處方,以實現精準的定位和定量的田間管理,因此,地理信息技術應在精準農業中扮演重要的角色。國外關于精準農業的研究基本上仍是集中于利用3S空間信息技術和作物生產管理決策支持技術(DSS)為基礎的、面向大田作物生產的精準農作技術,而沒有較全面地研究地理信息技術在整個精準農業體系中的應用。
4.1全球定位系統應用
GPS技術為土壤類型、土壤肥力特性、水分、作物生長發育狀況、病蟲草害及農作物產量等田間信息采樣和決策方案的田間實施提供準確的空間位置信息。在精準農業中,GPS作用主要有三點:控制測量、農田信息采集定位(采樣定位和遙感信息定位)和控制導航。目前,GPS應用研究主要在研制基于移動電腦或掌上電腦的農田信息采集系統和攜帶GPS接收機的智能農機系統兩個方面。如美國FieldWorker公司的基于掌上電腦的信息采集軟件FieldWorker能很好地滿足精準農業農田信息采集的需要;美國Trimble公司的AgGPS160PortableComputer能實現田間成圖、各種作物及其生長環境屬性信息記錄、獲取來自各種田間環境傳感器的信息。智能農業機械在田間進行農作生產時通過GPS獲取的精確定位信息實施導航監控,同時能夠實時獲得農作物生長狀態信息和與之相關的空間位置信息。目前智能農機應用研究最為成功的是帶有GPS定位系統的能夠獲取田間作物產量信息的聯合收割機[24]。變量施用機具是精準農業的田間實現,國內外的研究均很多,如變量施肥機、變量播種機、變量灌溉和噴藥機等,其中變量施肥是精準農業變量施用技術的第一項內容,也是研究最多的項目,但無論如何,單純用于農田信息采集的軟件系統將隨著遙感在農田信息獲取應用的不斷深入而被淘汰,取代它的將是集成GPS的遙感系統與智能農機系統。可以預見,集成GPS的遙感成像系統將在獲取田間“空間差異”信息方面發揮巨大作用。
4.2遙感應用
田間時空變異信息獲取方式有傳統田間采樣測試、GPS田間信息采集、智能農機系統作業采集和多平臺遙感信息采集系統。然而遙感能夠以“無損測試”方式方便、及時、準確地獲取反映較大面積內的“面狀”地物性質與狀態信息。而其它方式獲取的“點狀”信息顯然不足以了解全局,而且人工采樣都會對作物造成不同程度上破壞。因此遙感將在實現大面積情況下作物長勢與營養實時診斷中發揮不可替代的作用。目前遙感應用研究主要集中在對地面光譜測量數據和采樣測試相關數據的分析,建立遙感數據與土壤狀況或作物生物物理化學參數(如葉面積指數、葉綠素含量、土壤特性等)之間的相關關系,結合作物生態生理過程間接獲取作物農學特性(作物冠層營養水平、籽粒與生物質產量、質量等信息)。在大面積農作物宏觀長勢監測、農作物宏觀估產、農情宏觀預報、農業資源調查等方面,遙感已經發揮其應有的作用,而且研制出了可行的技術路線[28,29],如東北玉米、華北小麥和南方水稻估產精度達到90%以上。高光譜遙感是遙感發展的一個重要趨勢,光譜分辨率達到納米級的高光譜遙感數據可以很好地描述作物的“紅邊”特性(紅邊位置、紅邊斜率、“紅移”、“藍移”),區分作物葉片生化成分、含量及其變化[27],還可以用來減弱土壤對作物光譜的影響,作物具有一些明顯的、獨特的吸收特征。作物生物物理和生物化學信息是研究理解植被生態系統過程和生理機制的重要參數,是診斷植物營養狀況的重要依據,國內外許多學者已經涉足高光譜遙感在植被生物物理信息和生物化學信息提取方面的研究[25,26]。高光譜遙感以其高光譜分辨率特性所攜帶的豐富光譜信息為遙感應用帶來了強大的活力,通過分析高光譜植被指數與農作物特征的關系,選擇表征農作物特征的特定波段和光譜參量可以較好地反演作物生物物理和生物化學信息。在精準農業體系中,遙感(特別是高光譜遙感)將為精準農業實施提供大量的田間時空變化信息,遙感技術將成為監測土壤和作物養分變化、水分脅迫和病蟲害等的主要數據源。由于航空、航天遙感成本較高,而且受信息獲取的滯后性、信息分析處理方法等因素的限制,目前許多學者開始研制基于地物光譜特征,并用于田間低成本間接測定作物養分和生化參數的儀器和工具,如NDVI測量儀、LAI測量儀、谷物品質測量儀等,這在衛星和航空遙感技術進一步發展和成熟前,正在被發展為高密度獲取農田信息的技術手段。
4.3地理信息系統應用
GIS在精準農業技術體系中的地位舉足輕重,其作用不僅在于從田間信息采集、信息處理與管理、信息分析,到田間決策方案實施的整個種植管理過程,而且貫穿規劃、種植管理、產后分析、產后加工及銷售的整個種植循環過程。這要歸功于精準農業實施對空間信息的依賴性。在精準農業體系中,GIS不再是一個孤立的系統,而是圍繞精準農業核心思想而提供較全面的地理信息服務的平臺,而且該平臺與其它系統或用戶之間通過信息交換而緊密聯系。概括來說,這種地理信息服務主要包括信息管理服務、信息交換與更新服務、信息決策分析服務和信息服務等4項,如圖2所示。
4.3.1農田信息管理
農田信息具有多源性,具體表現在存儲格式多樣性、多尺度性、獲取方式多樣性,另外還包括系統或數據庫數據組織的復雜性。通過GIS平臺,在融合多源數據的基礎上建立農田管理系統,實現對多源、多時相農田信息的有序管理和分析,這是精準農業實施的基礎,其作用表現在數據組織和集成管理、空間分析查詢、空間數據更新與綜合處理、可視化分析與表達。GIS為田間信息采集提供基礎信息,也為田間變量實施決策分析提供信息源,因此農田地理信息系統是精準農業實施的信息管理員。目前GIS在國外精準農業應用中還處在農田邊界圖管理、土壤肥力管理、產量分布圖管理分析和GIS制圖階段,并沒有充分發揮GIS應有的作用,相應的管理軟件也不成熟。雖然經過幾十年的發展,國外許多GIS產商開發了諸如ArcGIS產品系列、MapInfo系列等通用GIS軟件,但這些軟件與農業生產有關的功能只是很小一部分,而且它們價格昂貴。然而,應用于精準農業的GIS應用系統應該是小型廉價且適用的農場信息系統FIS(FarmInformationSystem)。因此根據農業信息采集、存儲和處理分析的特點,研發功能針對性強的FIS是農業GIS發展的一個方向。
4.3.2信息更新與交換
信息更新與交換服務是服務平臺的重要組成部分。數據是系統的血液,平臺的生命力在于信息的現勢性及可更新性。信息更新一般分為兩個層次:一是不定期的局部數據更新;二是周期性的全局數據更新。信息交換是信息進出服務平臺的通道,解決服務平臺與各種數據采集系統、應用系統之間的數據交換問題。遙感信息的特點決定了它必將成為農田信息獲取的主要手段,然而從遙感獲取的不是直接用于精準農業的信息,如土壤水分、作物冠層生化參數等,而需要通過分析建立遙感信息與土壤和作物生長狀態相關的參數之間的關系,這是限制遙感信息應用與農業信息獲取的“瓶頸”。GIS的參與將為遙感信息提取提供新的思路,提供背景數據和分析方法。遙感和地理信息集成研究,脫離龐大昂貴的遙感影像處理系統,開發服務于具體應用的遙感和GIS集成系統,是GIS應用于農業的又一個重要方向。
4.3.3決策分析
決策分析服務是整個地理信息服務平臺的核心部分,利用已有的信息,根據不同應用目的,集成相應的知識和模型,分析生成供決策服務的知識,這是地理信息技術在精準農業應用中的首要目的。信息分析服務是一個知識挖掘的過程,其關鍵是GIS與專家系統、模型庫系統集成,其集成程度決定分析效率和分析結果的可靠性。決策分析可以歸納為產前規劃評價分析、產中監測與控制分析,以及產后分析與銷售管理。規劃評價主要利用區域自然要素、社會經濟要素、產量歷史數據、作物品種特性等進行農業區的規劃、種植區劃、作物種植適宜性評價和作物品質區劃,這方面的GIS應用研究取得了一定的進展[32,33]。實現以高產、高效、優質和實時管理為目標,為農業生產提供一個合理、詳細、完整的農田作業規劃,它是精準農業實施的基礎。如通過分析產量數據、肥力水平和作物生長的適宜性,選擇合適的品種、肥料和農業機械設備,制定合理的耕作計劃。監測與控制分析是信息分析決策服務的一個重要內容,是最能體現精準農業核心思想的內容。將GIS作為決策分析的平臺為精準農業實施提供決策和控制的依據是其在精準農業中的另一個發展方向。通過GIS集成作物栽培管理輔助決策支持系統與作物生產管理與長勢預測模擬模型、投入產出模擬模型和智能化農作專家系統,根據作物長勢和其背景狀況做出診斷,提出科學處方,調控操作。將不同類型的地理數據,如土壤、作物、氣象和土地歷史等,與水分運動、溶質運移、農藥滲漏、作物生長、土壤侵蝕等各種模擬模型和專家知識和推理機整合,產生支持定位實施的“農作處方”,這一切都需要集成模擬模型和專家系統的GIS應用服務平臺的支持。也正是GIS的這一功能才使得用于變量作業的農藝處方生成得以實現,同時也能夠通過專家系統實現精準農業實施中的自動控制。國內有學者開始研究采用GIS進行施肥推薦處方生成[30,31]。
4.3.4產后分析與銷售管理
從精準農業實施的經濟效益和產業化角度考慮,GIS在精準農業中的應用并沒有隨著精準農業田間實施全過程的結束而終止,它還在后續工作中起著重要作用。利用產后產量分析為下一種植循環的規劃提供決策信息,這是當前國外精準農業體系中注意得比較多的一項內容,但僅此而已,它們并沒有從市場銷售角度考慮GIS的應用。目前,作物生產已開始由單純追求高產模式向優質、專用和高效的方向轉變,利用品質監測信息可用于指導糧食分類加工,大幅度提高加工品質和附加值,這是產后基于GIS分析的又一個內容。市場分析是根據作物產量和品質,以及社會經濟要素進行分析,用于指導糧食銷售價格和銷售方向,從而提高糧食生產的經濟效益。銷售管理主要對客戶和糧食配送的管理,分為客戶關系管理和物流管理,它是提高糧食銷售管理效率的必要前提。因此研發為精準農業服務的產后市場分析和銷售管理的應用軟件是GIS應用于精準農業中的一個重要補充,具有較大應用前景。
4.3.5空間信息
利用GIS進行空間信息服務是精準農業體系中“空間變異信息”的重要消費者,它通過Internet或無線(有線)通訊向公眾原始和分析結果信息。的空間信息可以包括農田作物長勢監測信息、作物產量及品質監測和預測信息、產品供需分布信息等,空間信息將使地理信息技術在精準農業中的應用走向社會化,這是產業化發展的重要方向。
5應用前景與產業化發展