地理空间数据库实践教学改革与设计_郭黎.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.1Jan.,2023收稿日期:2021-12-06基金项目:2021 年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目(2021SJGLX299)资助作者简介:郭 黎(1975-),女,河南滑县人,副教授,硕士生导师,博士,2008 年毕业于信息工程大学地图制图与地理信息工程专业,主要从事空间数据集成、融合与关联研究工作。地理空间数据库实践教学改革与设计郭 黎,张 毅,刘 贺(信息工程大学 地理空间信息学院,河南 郑州 450001)摘要:实践教学是地理空间数据库的重要内容。为强化自主创新、科技自立,本文中的实践教学改变了以往主要依靠国外软件平台开展实践教学的现状,强化基础开发,使用开源数据库 MySQL 和国产空间数据库 BeyonDB开展实践教学改革与设计,重点设计了 7 个基本实验教学科目,在实践教学中取得了较好的效果。关键词:空间数据库;开发;开源;国产数据库;实践教学中图分类号:P25;G420 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0007-03Practical Teaching Reform and Design of Geospatial DatabaseGUO Li,ZHANG Yi,LIU He(Institute of Geospatial Information,Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China)Abstract:Practical teaching is an important content of geospatial database.In order to strengthen independent innovation and self-re-liance in science,the university has changed the status quo of relying mainly on foreign software platforms to carry out practical teach-ing,enhanced fundamental development,conducted practical teaching reform and design by using open source database MySQL and domestic geospatial database BeyonDB,and set up seven basic experimental teaching subjects,which has achieved good results in practical teaching.Key words:geospatial database;development;open source;domestic database;practical teaching0 引 言20 世纪 80 年代,为解决数字地图生产与管理问题,国内部分高校开设了地图数据库专业,并开设了相关课程。随着地理信息应用需求的变化和技术发展,在 90 年代部分院校陆续开设了地理信息系统专业,由于数据管理的范畴从地图数据拓展到了地理空间数据,“地图数据库”课程名称随之更改为“地理空间数据库”,并沿用至今。“地理空间数据库”是一门综合性、实践性较强的课程,内容涉及测绘学、信息科学、计算机科学、地理学等多学科,近年来,国内外高校在资源环境、地理信息系统、测绘工程、计算机工程等专业中都开设了相应的课程1,空间数据库技术已成为与地理信息管理、分析、处理和表达等相关领域研究和应用的基础。地理空间数据库课程具有交叉性、抽象性和实践性强等特点。以往在教学过程中,特别是在实践教学环节,常常优先采用技术先进、功能齐备且应用服务案例丰富的国外大型商用空间数据库平台。随着 GIS 技术的发展,国产 GIS 软件和空间数据管理平台取得了长足进步,整体已达到了世界先进水平,完全可以满足课程教学需求。同时,来自开源社区的各类 GIS 项目,也为本课程教学实施提供了功能类型丰富且架构设计良好的开放式资源。放眼当前国际新形势,我国面临的外部环境渐趋复杂,以华为、中兴等事件为代表的科技“卡脖子”问题再次警醒我们:国家科技自立势在必行。因此,强化自主创新,加强自主可控地理空间数据管理平台的研究和应用已上升到了维护国家地理信息安全的新高度。对应于空间数据管理人才培养,采用国产及开源等自主可控软件平台开展实践教学,成为新时代地理空间数据库实践教学改革的重要方向。1 地理空间数据库教学现状分析1.1 课程教学内容分析空间数据库课程的特点是内容交叉性、抽象性和实践性强2-3。实践平台往往是多种大型数据库系统,对学生要求高。1)内容综合交叉。空间数据库内容涉及数据结构、遥感、地理信息系统、数据库、计算机网络等多学科知识,由于专业学时所限,学生在较短的时间内储备这些涵盖面广的基础知识,并进一步深入学习,难度较大。2)理论抽象难懂。由于空间数据库课程内容完备性强,主要包括空间数据模型、空间数据索引、空间数据查询、空间数据库设计、空间数据库引擎、空间数据库建立等,内容复杂、理论抽象4。很多内容学生之前并没有应用实践,需精心设计实践内容,借此加深对抽象理论的理解,进一步融会贯通理论内容。3)实践技术性强。空间数据库实验内容往往涉及众多数据库平台,如 Oracle Spatial、ArcSDE,对学生的动手实践能力要求较高。如果需要进行数据库开发,还需掌握空间查询语言和编程语言,学生普遍感觉有一定的难度。分析空间数据库课程,进行实践教学设计,不仅是对理论教学的加强,还要结合学生已经开展的课程、具备的基础,找准难点,循序渐进,使学生能够快速进入高效的实习状态,掌握空间数据库基本技能,锻炼开发能力。1.2 实践教学内容现状分析有些院校实践内容以操作为主,选择 GeoDatabase 作为空间数据库实验教学软件平台。其实验教学安排包括GeoDatabase 设计建立及操作、ArcSDE 安装调试、ArcSDE数据加载及存储管理、ArcSDE 查询优化与空间索引分析设置、ArcSDE 多用户管理5。有的院校注重综合应用能力,实践教学包括空间数据库设计、空间数据库建立、空间分析应用、空间数据库管理系统开发及应用4。空间数据库设计结合具体案例包括需求分析、概念设计、逻辑设计、数据字典设计、物理设计;空间数据库建立包括空间数据库结构建立、数据采集与处理、空间数据加载;空间分析应用是在新建数据库的基础上进行简单的空间分析或者在开发空间数据库管理系统的界面下完成相应的空间分析功能,进一步了解数据的管理及可视化表达;空间数据库管理系统开发及应用主要对空间数据库管理系统进行二次开发,以实现对空间数据的实时更新和动态管理。有的院校内容相对更加深入,在注重综合应用的基础上,对空间查询语言和空间数据库开发都有要求。实验内容主要包括空间数据库的安装与配置,了解空间数据库体系结构和组成部分;空间数据库的设计与实现,理解空间数据逻辑模型和物理模型;空间数据的导入与导出,了解空间数据转换机制;空间查询语言的使用,掌握空间查询和分析操作;空间数据库开发实验,熟悉编程语言接口,实现基于空间数据库的地理信息应用6。1.3 实践教学软件平台现状分析国内空间数据库实验教学大纲,空间数据库实验环节采用的平台多以国外商业软件为主,如 Oracle Spatial、ArcSDE、SQL Server 等。近年来,部分开源软件如 MySQL、PostGIS、QGIS 也被一些高校采用,配合空间数据库其他软件平台一起用于实验教学。ArcSDE、Oracle Spatial 等国外商业软件功能强大而丰富,是众多高校多年来首选采用的数据库实验教学平台,其通过空间数据库引擎 ArcS-DE,用传统的关系数据库去管理地理空间数据7。实验内容一般紧密结合其实验平台,包括软件安装、数据库设计、数据库建立、空间数据入库与处理、应用分析。由于国外相关数据库软件平台功能强大,学生结合实习能够锻炼空间数据库设计能力,较好地应用空间数据管理软件解决实习问题,为进一步从事空间数据库建设打下了坚实的基础。然而,西方强国为遏制我国科技、经济迅速崛起,各种制裁、频繁出台。从 2018 年的中兴事件,2019 年的华为事件,再到 2020 年颁布的 AI 软件禁令,已揭开了科技战的序幕。美国政府在 2020 年 1 月采取措施限制人工智能类软件出口,此措施势必将陆续产生一系列国外智能软件应用难题,对各种工程项目开展、信息系统应用,乃至国家重大发展战略的实施产生重大影响。与此相关,地理空间数据库软件面临同样的严峻形势。目前,我国还有不少关键系统使用 Oracle、SQL Server等国外数据库,受长期的市场培育及用户习惯影响,目前国内主流数据库软件还是国外软件。过度地依赖国外商业软件展开地理空间数据库实践教学,培养的学生在工作中也会对国外相关软件先入为主,同时,不利于推广、发展国内地理空间数据库软件。因此,发展壮大并使用国产空间数据库软件平台显然已成为保障国家信息安全、践行科技强国战略、服务社会发展的必然要求。事实上,我国国产空间数据库经过多年积累,技术上和应用上都日益成熟,已经呈现百花齐放的势头,对国外空间数据库的替代已势在必行,行业应用也应从以前主要依靠国外软件向依靠国内数据库软件逐渐转变。2 空间数据库实践教学设计实践教学是巩固空间数据库理论学习的重要途径和环节。在创新创业大潮席卷而来的当下,更好的本科教育应该是培养创新型人才,丰富实验实践。根据当前技术及形势发展,空间数据库实践教学设计基于以下几个方面的考虑:1)基础开发能力培养我国科技上游众多核心技术长期受制于人,给国家信息、技术安全带来了严峻挑战。只有大力发展自主核心技术、探索科技创新培养模式,才能从根本上解决问题。这就要求学生不能只是具备熟练应用软件的能力,更要具备一定的开发能力,才能在科技自主创新的路上越走越有力。开发科目设计,着重培养学生底层开发能力。训练的科目包括:基于文件的空间数据读取与管理;空间数据索引建立;数据库连接等基本操作。2)开源数据库平台引入“开源”提倡开发者共享源代码,共同进步,目前已成为一种公众认可且正在流行的教育工具,但开源软件开8 测绘与空间地理信息 2023 年发文档和学习资料相对较少,推广相关开源数据库势在必行,且具有重要的意义8。在实践平台部分,引入 MySQL 数据库。MySQL 数据库近年来迅速崛起,代码开源,安装简单、速度快、成本低,市场占有率高居榜首9。实践教学内容,基于 MySQL 数据库设计了基于 SQL语句的轨迹数据的导入、导出、空间数据表的操作、空间数据查询分析等基本操作。软件简单易用,学生们通过实践,均可快速掌握海量数据高效处理技术。3)国产空间数据库引入我国的信息基础设施多年来一直被 IT 国际巨头垄断,国内信息安全事件频发,在当前国际经济、政治、科技形势下,IT 基础设施自主化发展的紧迫性和重要性提升到前所未有的一个新高度。国产数据库作为 IT 基础设施,是非常重要的一环。具有完全自主知识产权的国产数据库,迎来了前所未有的发展机遇。加快国产空间数据库的推广应用也是我们责无旁贷的使命。当前国产数据库较多,较知名的国产数据库对空间数据的支持一般需要靠第三方引擎,见表 1。表 1 国产数据库对比表Tab.1 Comparison of domestic databases名称关系型数据空间数据跨平台安全性博阳世通(BeyonDB)支持支持,内置空间引擎支持国四级达梦(DM)支持不支持(需要第三方引擎)支持国四级金仓(KingBase)支持不支持(需要第三方引擎)支持国四级南大通用(gBase)支持不支持(需要第三方引擎)