《GIS大數(shù)據(jù)平臺與數(shù)據(jù)可視化應用》-課程教學大綱

《GIS大數(shù)據(jù)平臺與數(shù)據(jù)可視化應用》課程教學大綱一、課程基本信息課程代碼：19170563課程名稱：GIS大數(shù)據(jù)平臺與數(shù)據(jù)可視化應用英文名稱：GISanddatavisualizationapplication課程類別：必修學時：48學時（其中實驗學時為40學時）學分：3適用對象:建筑與環(huán)境藝術設計專業(yè)考核方式：分散先修課程：專業(yè)繪畫、計算機輔助設計二、課程簡介（中英文，200字左右）本課程介紹地理信息系統(tǒng)（GIS）及數(shù)據(jù)可視化的基本概念、相關案例及設計應用等。并通過使用ArcGIS軟件，教授操作功能性GIS的基本技能。本課程將介紹地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)可視化在自然科學、社會科學、人文科學、環(huán)境研究、工程和管理等多個不同學科的應用案例，例如野生動物棲息地研究、城市和區(qū)域規(guī)劃、傳染病監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和林業(yè)、環(huán)境質(zhì)量評估、應急管理、交通規(guī)劃、消費者和競爭對手分析等。并著重講解其在城市設計和景觀規(guī)劃方向上的具體應用。通過本課程的學習，學生將了解空間數(shù)據(jù)采集、地理數(shù)據(jù)庫設計、空間查詢與顯示，掌握GIS基礎知識與操作、空間分析與建模、GIS應用初步、地圖制圖與動態(tài)可視化等應用。能獨立完成設計分析或設計研究，為后面的城市設計、景觀設計課程和深入的設計研究做好前置準備。Thiscourseintroducesthebasicconcepts,relatedcasesanddesignapplicationsofgeographicinformationsystem(GIS)anddatavisualization.AndthroughtheuseofArcGISsoftware,teachingthebasicskillsoffunctionalGIS.ThiscoursewillintroducetheapplicationcasesofGISanddatavisualizationinnaturalscience,socialscience,humanities,environmentalresearch,engineeringandmanagement,suchaswildlifehabitatresearch,urbanandregionalplanning,infectiousdiseasemonitoring,agricultureandforestry,environmentalqualityassessment,emergencymanagement,transportationplanning,consumerandcompetitoranalysisEtc.Italsofocusesonitsapplicationinurbandesignandlandscapeplanning.Throughthestudyofthiscourse,studentswillunderstandspatialdatacollection,geographicdatabasedesign,spatialqueryanddisplay,masterthebasicknowledgeandoperationofGIS,spatialanalysisandmodeling,preliminaryapplicationofGIS,cartographyanddynamicvisualization.Canindependentlycompletedesignanalysisordesignresearch,andprepareforthefollowingurbandesign,landscapedesigncoursesandin-depthdesignresearch.三、課程性質(zhì)與教學目的課程性質(zhì)：本課程是以計算機實際操作為基礎，以案例實踐為主，并輔以課堂教學的全方位實驗課程。課程結合理論知識和程序設計能力，鍛煉實際動手能力，掌握熟練的計算機操作和探索研究精神。教學目的：學生將學習如何編譯、分析和呈現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)，同時掌握數(shù)據(jù)可視化的應用，以生動形象的方式展現(xiàn)以數(shù)據(jù)支撐的嚴謹設計分析。最終，學生將能夠完成一套完整的設計分析方案。課程思政：培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學素養(yǎng)與銳意進取的創(chuàng)新精神。“GIS設計”課程面向學科交叉與科技前沿，鼓勵學生在GIS與數(shù)據(jù)可視化設計過程中調(diào)研和發(fā)現(xiàn)自然資源監(jiān)測、國土空間規(guī)劃、城市規(guī)劃與景觀設計等方面存在的問題。引導學生通過“設計”探索科學解決方案，融合地理大數(shù)據(jù)、地理智能等前沿技術，為建立可感知、能學習、善治理、自適應的智慧型國土空間規(guī)劃提供信息化支持。在此過程中培養(yǎng)學生的公共服務意識，提升學生社會發(fā)展參與能力。課程堅持寓教于研、教研相長，指導學生積極申請大學生科研訓練項目，吸收學有余力的學生參加教學創(chuàng)新團隊的科研項目，開展自主創(chuàng)新研究，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和動手實踐能力，形成教學與科研融合的人才培養(yǎng)良性互動局面。（2）聚焦國家戰(zhàn)略需求與社會發(fā)展痛點。課程貼近時代脈搏，面向生態(tài)文明建設等國家重大戰(zhàn)略和地方發(fā)展需求，培養(yǎng)學生GIS設計技能和學生的愛國情感，實現(xiàn)“為國育人”。課程系統(tǒng)講授GIS與數(shù)據(jù)可視化設計思想、設計方法與全生命周期設計過程等內(nèi)容，契合“促進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化”要求的空間治理切入點。課程鼓勵學生從實踐出發(fā)選題，針對社會發(fā)展痛點，探索解決我國社會發(fā)展實際問題、尤其是空間信息化問題，開展GIS設計。將包括GIS設計在內(nèi)的專業(yè)知識應用于社會實踐、服務于國家空間治理，助力新時代美麗鄉(xiāng)村建設。四、教學內(nèi)容及要求第一章GIS與數(shù)據(jù)可視化概述（一）目的和要求對GIS與數(shù)據(jù)可視化的基本理論初步了解。掌握相關專有名詞，需適當記憶相應規(guī)范。能自行操作完成課堂練習。課程思政：了解我國的技術發(fā)展和面臨問題，激發(fā)學習大數(shù)據(jù)核心技術的信心與興趣。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)數(shù)據(jù)可視化概論1.大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)可視化的含義、優(yōu)勢與重要性1.1數(shù)據(jù)可視化含義：把抽象的概念用具體化的方式表達就是數(shù)據(jù)可視化，即將數(shù)據(jù)映射為視覺模式。將不可見或難以直接顯示的數(shù)據(jù)轉化為圖形、符號、顏色、文理等。1.2數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)勢數(shù)據(jù)可視化有信息記錄、信息推理、信息分析和傳播的作用。它的優(yōu)勢在于：（1）使用戶在最短的時間內(nèi)獲取數(shù)據(jù)所表達的信息。人類從外界獲取信息83%來自視覺，50%人腦功能用于視覺感知，視覺處理帶寬在人類所有器官中最高，為100MB。圖像讓人快速了解信息。（2）以建設性方式提供結果。1.3數(shù)據(jù)可視化的分類按發(fā)展順序：（1）信息圖（2）科學可視化（3）信息可視化（4）可視分析按目的：（1）探索性分析找到隱藏的信息（2）解釋性分析快速直觀展示數(shù)據(jù)2.數(shù)據(jù)可視化的表達形式2.1圖表2.2動畫動畫與過渡效果可以增加可視化結果視圖的豐富性與可理解性，增加用戶交互的反饋效果，操作自然、連貫；還可以增強重點信息或者整體畫面的表現(xiàn)力，吸引用戶的關注力，增加印象。包括（1）顯示數(shù)據(jù)變化（2）交互反饋效果。課堂練習：試做一段數(shù)據(jù)可視化動畫。3.數(shù)據(jù)的種類與獲取3.1常規(guī)數(shù)據(jù)如人口數(shù)據(jù)、GDP、CPI（居民消費價格指數(shù)）數(shù)據(jù)等。獲取方法登錄，注冊國家統(tǒng)計局、世界銀行等數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載。3.2DEM數(shù)據(jù)DEM(Digitalelevationmodel)：數(shù)字高程模型，是包括高程在內(nèi)的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布?？梢杂米鞯匦畏治?、坡度坡向分析、水文分析、提取等高線、高程點等。國內(nèi)DEM數(shù)據(jù)獲取方法登錄，注冊中科院開發(fā)的地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載。3.3API（ApplicationProgrammingInterface）、POI數(shù)據(jù)的獲取。POI數(shù)據(jù)是最為常用基礎大數(shù)據(jù)。其特點是類型齊全，數(shù)據(jù)樣本占比較高，甚至能達到全樣本，并且更新頻率極快?；A設施POI的應用極其廣泛。POI數(shù)據(jù)中包含了POI的編號、地址、名稱、類型(一級分類、二級分類和三級分類)、經(jīng)緯度坐標等信息。3.4其他數(shù)據(jù)獲取。3.5數(shù)據(jù)獲取工具3.6可視化生成平臺及軟件4.數(shù)據(jù)可視化的應用領域4.1業(yè)界4.2學術界第二節(jié)GIS概論1.GIS系統(tǒng)簡介1.1什么是GIS。GIS是地理信息系統(tǒng)GeographicInformationSystem的簡稱。它是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。1.2GIS可以做什么。1.3GIS的工作原理。1.4GIS應用軟件相關gis軟件。主要有Arcgis、Qgis、MapGIS、超圖等。2.ARCGIS軟件簡介ArcGIS是GIS界最有名的專業(yè)軟件，是ESRI公司研發(fā)。2.1ArcGIS?Desktop。ArcGIS?Desktop是一個集成了眾多高級GIS應用的軟件套件，它包含了一套帶有用戶界面組件的Windows桌面應用（例如，ArcMap，ArcCatalogTM，ArcTooboxTM以及ArcGlobe）。ArcGIS?Desktop具有三種功能級別――ArcView，ArcEditorTM和ArcInfoTM，都可以使用各自軟件包中包含的ArcGIS?Desktop開發(fā)包進行客戶化和擴展。（三）思考與實踐除了老師的舉例，你還知道哪些數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)秀案例。學習中你遇到的哪些問題可以用數(shù)據(jù)可視化的方法解決。（四）教學方法與手段教學方法：采取集中講授、提問互動等方法提高傳播知識的效率教學手段：采取多媒體演示手段輔助教學。組織小游戲、小競賽促進學生的學習興趣。第二章ArcGIS應用基礎（一）目的和要求熟悉ArcGIS?Desktop的基本組成，認識其圖形用戶界面。理解GIS的基本功能、地理數(shù)據(jù)是如何進行組織及基于“圖層”進行顯示的，以及地理數(shù)據(jù)是如何與其屬性信息進行連接的。掌握ArcMap的基本操作。課程思政：掌握科學的學習方法，養(yǎng)成嚴謹客觀的學習態(tài)度。遵守相關法規(guī)，嚴守國家機密。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)ArcGIS的組成及主要功能1．組成及常用組件1.1ArcMAPArcMap可以概括成以下的功能：可視化。用地理方式操作數(shù)據(jù)可以看到以前不能看到的格局，揭示潛在的趨勢和分布狀況，以及獲得新的視野。創(chuàng)建地圖。很容易創(chuàng)建地圖來表達數(shù)據(jù)。ArcMap提供了各種工具來輸入數(shù)據(jù)，并以有效的方式顯示解決問題。使用地理方式處理數(shù)據(jù)能回答諸如“在哪里”、“有多少”、“如果..將…”這樣的問題。理解了這些關系將會有助于做出更好的決策。展示結果?？梢院苋菀椎仫@示工作的結果。可以制作精美的地圖，創(chuàng)建交互的顯示，將圖、表、圖形、照片以及其他元素有機結合起來。使用地理方式傳遞信息是一種有效的方式。界面與基礎操作。1.2ArcCatalogArcCatalog是ArcGISDesktop中最常用的應用程序之一，它是地理數(shù)據(jù)的資源管理器，用戶通過ArcCatalog來組織、管理和創(chuàng)建GIS數(shù)據(jù)。Geodatabase數(shù)據(jù)模型主要是用來實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的一體化存儲，目前主要有兩種格式，一種是基于Access文件的格式（稱之為PersonalGeodatabase）,另外一種是基于Oracle或SQLServer等RDBMS關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，它的主要特點在于采用標準關系數(shù)據(jù)庫技術來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型，利用標準的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來存儲和管理地理信息，通常將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在一個數(shù)據(jù)表中，這樣每一個圖層對應這樣一個數(shù)據(jù)表。1.3ArcSceneArcScene是一種3D查看器，非常適合生成允許導航3D要素和柵格數(shù)據(jù)并與之交互的透視圖場景。ArcScene基于OpenGL，支持復雜的3D線符號系統(tǒng)以及紋理制圖，也支持表面創(chuàng)建和TIN顯示。所有數(shù)據(jù)均加載到內(nèi)存，允許相對快速的導航、平移和縮放功能。矢量要素渲染為矢量，柵格數(shù)據(jù)縮減采樣或配置為您所設置的固定行數(shù)/列數(shù)。1.4ArcGlobeArcGlobe是ArcGIS3DAnalyst擴展模塊的組成部分。此應用程序通常專用于超大型數(shù)據(jù)集，并允許對柵格和要素數(shù)據(jù)進行無縫可視化。此應用程序基于地球視圖，所有數(shù)據(jù)均投影到全局立方體投影中、以不同細節(jié)層次(LOD)顯示并組織到各個切片中。為獲得最佳性能，請對數(shù)據(jù)進行緩存處理，這樣會將源數(shù)據(jù)組織并復制到切片的LOD中。矢量要素通常被柵格化并根據(jù)與其關聯(lián)的LOD進行顯示，這有助于快速導航和顯示。2主要功能第二節(jié)空間數(shù)據(jù)采集1基礎創(chuàng)建1.1Shapefile創(chuàng)建1.2數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建1.3數(shù)據(jù)編輯第三節(jié)空間數(shù)據(jù)轉換與分析1投影變換坐標系統(tǒng)是GIS數(shù)據(jù)重要的數(shù)學基礎，用于表示地理要素、圖像和觀測結果的參照系統(tǒng)，坐標系統(tǒng)的定義能夠保證地理數(shù)據(jù)在軟件中正確的顯示其位置、方向和距離，缺少坐標系統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)是不完善的，因此在ArcGIS軟件中正確的定義坐標系統(tǒng)以及進行投影轉換的操作非常重要。ArcGIS中預定義了兩套坐標系統(tǒng)，地理坐標系（Geographiccoordinatesystem）和投影坐標系（Projectedcoordinatesystem）。地理坐標系(GCS)使用三維球面來定義地球上的位置。GCS中的重要參數(shù)包括角度測量單位、本初子午線和基準面（基于旋轉橢球體）。地理坐標系統(tǒng)中用經(jīng)緯度來確定球面上的點位，經(jīng)度和緯度是從地心到地球表面上某點的測量角。球面系統(tǒng)中的水平線是等緯度線或緯線，垂直線是等經(jīng)度線或經(jīng)線。這些線包絡著地球，構成了一個稱為經(jīng)緯網(wǎng)的格網(wǎng)化網(wǎng)絡。將球面坐標轉化為平面坐標的過程稱為投影。投影坐標系的實質(zhì)是平面坐標系統(tǒng)，地圖單位通常為米。投影坐標系在二維平面中進行定義。與地理坐標系不同，在二維空間范圍內(nèi)，投影坐標系的長度、角度和面積恒定。投影坐標系始終基于地理坐標系，即：“投影坐標系=地理坐標系+投影算法函數(shù)”。在數(shù)據(jù)的操作中，我們經(jīng)常需要將不同坐標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一坐標系下，方便對數(shù)據(jù)進行處理與分析，軟件中坐標系轉換常用以下兩種方式：直接采用已定義參數(shù)實現(xiàn)投影轉換、自定義三參數(shù)或七參數(shù)轉換。2格式變換3空間可視化表達第四節(jié)GIS空間分析導論1矢量數(shù)據(jù)空間分析2柵格數(shù)據(jù)空間分析（三）思考與實踐遇到坐標轉換，我不知道參數(shù)該怎么辦。獲取數(shù)據(jù)應遵守哪些安全守則？（四）教學方法與手段教學方法：采取集中講授、上機操作等方法提高授課效果。教學手段：采取多媒體演示手段輔助教學。第三章三維分析展示與空間設計應用（一）目的和要求熟悉ArcGIS的三維創(chuàng)建功能，認識其常用工具。理解GIS的三位創(chuàng)建邏輯。掌握ArcScene的基本操作。課程思政：引導學生通過“設計”探索科學解決方案，融合地理大數(shù)據(jù)、地理智能等前沿技術，為建立可感知、能學習、善治理、自適應的智慧型國土空間規(guī)劃提供信息化支持。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)三維分析1.表面創(chuàng)建與分析2.三維要素分析3.ArcScence三維可視化第2節(jié)空間分析建模1分類2圖解建模3腳本建模第3節(jié)規(guī)劃大數(shù)據(jù)空間分析1規(guī)劃大數(shù)據(jù)簡述2微博簽到大數(shù)據(jù)分析3手機定位大數(shù)據(jù)分析第4節(jié)地統(tǒng)分析1地統(tǒng)基礎2分析工具（三）思考與實踐空間分析中你認為最困難的地方在哪里？試對學校進行空間分析。（四）教學方法與手段教學方法：采取集中講授、上機操作、提問互動等方法提高傳播知識的效率。教學手段：采取多媒體演示手段輔助教學。第四章景觀生態(tài)與規(guī)劃設計應用（一）目的和要求熟悉ArcGIS的地形、水文及綠地分析功能，認識遙感數(shù)據(jù)及其表現(xiàn)形式。理解GIS的景觀生態(tài)分析方法。掌握生態(tài)格局分析及展示的基本操作。課程思政：課程鼓勵學生從實踐出發(fā)選題，針對社會發(fā)展痛點，探索解決我國景觀生態(tài)發(fā)展遇到的實際問題。開展GIS設計，將專業(yè)知識應用于社會實踐、服務于國家環(huán)境治理，助力新時代美麗鄉(xiāng)村建設。（二）教學內(nèi)容第1節(jié)景觀生態(tài)格局分析1.遙感數(shù)據(jù)2.綠地分析3.基礎設施與生態(tài)分析第2節(jié)水文分析1匯流分析2.流域分析第3節(jié)用地適宜性評價1地形分析2土地復被分析第4節(jié)GIS景觀視線分析1簡單的視線分析

2構建帶建筑的柵格地表面

3觀景點視域分析4觀景面視域分析

5觀景線路視域分析（三）思考與實踐我國的景觀生態(tài)格局面臨什么問題？在美麗鄉(xiāng)村建設中，GIS能起到什么作用？（四）教學方法與手段教學方法：采取集中講授、提問互動等方法提高傳播知識的效率教學手段：采取多媒體演示手段輔助教學第五章GIS國土空間與城市規(guī)劃應用（一）目的和要求熟悉GIS網(wǎng)絡分析功能，了解國土空間與城市規(guī)劃的相關應用。理解GIS的城市空間分析方法。掌握適宜性及可達性評價的相關操作。課程思政：課程鼓勵學生針對城市規(guī)劃問題進行分析，探索解決方法。引入課程實踐。培養(yǎng)學生的公共服務意識，提升學生社會發(fā)展參與能力。（二）教學內(nèi)容第一節(jié)道路及區(qū)位分析

1道路交通網(wǎng)絡的構建最短路徑的計算

2設施服務區(qū)分析3“位置分配”原理

4交通可達性分析

5設施選址和位置分配運算

6服務區(qū)劃分和再分配第二節(jié)國土空間規(guī)劃雙評價1土地資源評價2生態(tài)評價3適宜性評價（三）思考與實踐分析城市快速化發(fā)展中出現(xiàn)的規(guī)劃問題，思索掌握GIS技術在解決城市問題中可以起到的作用。（四）教學方法與手段教學方法：采取集中講授、提問互動、上機實操等方法提高傳播知識的效率。教學手段：采取多媒體演示手段輔助教學。引入教學實踐環(huán)節(jié)。第六章GIS與數(shù)據(jù)可視化綜合應用（一）目的和要求了解GIS和可視化實際應用案例，自擬題目，進行設計研究和分析。課程思政：培養(yǎng)學生的公共服務