高中地理 “地理信息技术”教学研究

高中地理“地理信息技术的应用”教学研究
陈莹北京崇文门中学
高中新课程标准对地理信息技术应用的学习提出了较高的要求，不仅把地理信息技术作为必修模块的一部分，还专门设立了相关的选修模块。

应用现代地理科学发展的前沿科学——地理信息科学“武装”地理课程，培养学生地理信息素养，是新课程重要的目标之一，所以，“地理信息技术的应用”部分的教学内容在高中地理课程的教学中是不可忽视的。

老师既要了解相关知识，同时在地理教学的过程中要把地理信息技术充分的应用到课堂之中。

一、“地理信息技术”进入高中地理课程
地理信息技术是地理科学新的分支学科，著名的地理学家陈述彭院士曾说过：“如果说地图是地理学的第二代语言，那么地理信息系统就是地理学的第三代语言。

”地理信息技术不是简单的将纸版的地图搬到了计算机上，它是在计算机技术的支持下，对空间地理数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示的技术。

它强大的分析运算功能已经应用到了地理科学的各个研究领域，已经成为了地理科学研究的关键技术，是地理科学的伟大变革。

地理信息技术包括了遥感技术（ Remote Sensing RS ）、地理信息系统（ Geographical information System GIS ）和全球定位系统（ Global Positioning System GPS ）三方面的核心技术组成。

这三种技术名词中最后一个单词字头都为 S，所以也把它们合称为 3S 技术。

三种关键技术在地理信息技术中各自充当着不同的角色，遥感技术是信息采集（提取）的主力，通过对遥感图像的处理，可直接、快速地获取空间目标的数字信息产品，为 GIS 提供丰富和更为实时的信息数据源；全球定位系统是对地理信息进行空间定位，赋予坐标的技术；地理信息系统是地理信息的 "大管家 "，负责对从遥感图像提取出的地理信息和获得的地理坐标进行展示和空间分析。

地理信息技术的应用具体形式，大到地球村、数字地球，小到数字居民区、数字家庭。

地理信息技术是“数字化地球”、“信息化地球”的基础。

当今的地理信息技术正处在高速发展阶段，也正逐渐的被人们所熟知和了解。

目前，地理信息技术已经广泛的应用到了国土、地质、气象、水文、农业、军事、环保等多个领域。

今后 GPS将不再是定位技术的代名词，而定位技术正向着多卫星星座时代迈进， GPS、北斗、伽利略等更多的定位系统会提供人们更高精度、更准确的定位信息。

同时伴随着地理空间数据需求的日益旺盛，小型商业卫星、无人机、小卫星群、机载、车载、微波遥感等多元遥感数据获取手段将满足高光谱、高分辨率的数据影像需求。

在未来几年 GIS技术将朝向
富客户端、云计算、物联网 GIS等方向发展，并结合遥感和定位技术广泛应用在应急响应、制图、资源监测调查、教育科研、等各方面。

同时，在美国的教育领域，早就开始利用地理信息技术来辅助他们的教学。

未来地理信息技术将深入到人们的生活，将提供更加人性化、更加贴近生活的服务。

对于高中生的学习来说， 3S技术具有一定的吸引力，但是其技术原理又较复杂，所以在高中阶段，新课标要求该部分知识的学习是以 3S技术的应用为主，特别是在必修阶段，新课标要求学生学习会应用 3S技术来解决生活中的地理问题。

高中地理课程中的必修内容
地理信息技术已广泛应用于人民的生活中，例如，小到民用的电子地图，车载 GPS导航，大到汶川地震等各种灾害中遥感技术的应用等等。

地理信息技术的发展和应用已成为人们科学地认识人口、资源、环境、社会相互协调发展的重要知识、技能和方法，是现代社会对国民的基本要求 ,地理信息技术成为了“公民必备的地理素养”之一。

因而进入了高中课程标准 , 成为高中生学习的内容。

新课标提出强调学生地理信息的收集、整理、分析和运用，现在地理信息的收集、整理在方式上发生着根本的变革，所以要求学生掌握基本的地理信息技术。

对高中地理课程的教学提出了新的挑战
从高中的教学实际来看，地理信息技术也不仅仅是教学的内容。

还可以作为教学的方法和手段。

例如 , 可以作为地理课堂教学内容的呈现方式，作为课堂教学方式的载体，调节地理课堂教学中师生关系结构的要素，也可成为丰富的地理教学资源。

这对教师也提出了新的要求，不仅仅要懂得什么是地理信息技术，同时要更好的将地理信息技术同中学的地理教学相结合，应用到地理的教学过程中，更好的展示地理教学内容，使地理教学更加的直观、形象和真实，激发学生对地理学习的兴趣，培养学生的基本地理素养。

二．“地理信息技术的应用”教学内容
根据高中课程标准的要求，这部分的教学内容主要包含遥感、全球地位系统、地理信息系统和数字地球四部分内容。

在必修课程中，依据课程标准，要求的层面是“了解”或“说出”，对这部分知识的要求不是很高。

所以在必修的教材中侧重介绍了 3s的概念及其应用。

作为必修模块的学习，重点是 3s技术在各领域的应用；而由于课时和条件的限制等多种原因，在必修阶段让学生很好的区别 3S技术的主要功能和在各应用领域的差异，明确三者之间的联系需要教师详细的讲解，所以该部分作为学习的难点内容。

在选修中，课标提出了在初步了解地理信息技术内涵与发展状况的基础上，分别对地图与遥感、地理信息系统、全球定位系统的基本原理与相关知识有简单认识，并能对遥感图像进行简单判读、对地理信息系统进行基本操作实践，对 3s技术在社会生产、生活、军事等领域中的应用有初步了解，形成基本的地理信息素养。

根据新课标的要求，选修部分的教学重点也是 3s技术在各领域的应用方面。

而要想真正理解 3s技术的用途，既要深刻理解 3s技术的概念，了解它们之间的区别和联系，还要了解 3s技术的简单原理，这个层次在选修中有所涉及。

3s技术发展快速，同时涉及到测绘等相关知识，所以其工作原理对高中学生是个难点，甚至对有些教师该部分也是难点。

同时，遥感图像的判读和 GIS的基本操作实践，也具有一定的难度。

当然，在必修当中对 3s 的技术原理是不做要求的。

1 ．遥感
在必修课程中，课标提出：结合实例，了解遥感在资源普查、环境和灾害监测中的应用。

依据课标，让学生重点把握两方面问题：什么是遥感技术？遥感技术如何运用？
什么是遥感技术？
" 遥感 "，顾名思义，就是遥远的感知。

狭义上可以理解为应用相关仪器，从远处获得观察对象信息的综合技术。

遥感图像看起来好像很复杂，其实它的基本原理和相机的原理有些类似。

遥感其实就是利用装在飞机或人造卫星等（遥感平台）上面的光学和电子设备（传感器），接收地球上物体反射或辐射的电磁波，形成影像，再将影像数据传输回地面接收站，使用处理和识别设备对影像进行处理和分析，获得地物的信息的过程。

因为地球上的物体都在不停的以电磁波的形式吸收、发射和反射信息和能量。

不同物体的电磁波特性是不同的。

如下图，北京故宫的建筑、植被、护城河等地表物体的性质不同，反射的电磁波也不同，所以通过遥感设备记录在图像上的颜色、纹理等光谱特征也就不同，这样在图像上能清晰辨别各种地物。

比如植被和护城河水体的颜色和纹理都不同，即使同样是岩石，但地面和甬道的岩石材质不同，反应出来的颜色也不同，所以甬道可以清晰看到。

遥感技术具有监测范围大，瞬时成像、实时传输、快速处理，迅速获取信息和实施动态监测等优势，所以它已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域。

遥感技术的应用
遥感技术的应用是该部分的另一重点。

这部分最好是采取案例教学。

在教学中，教师根据教学内容选择适当的案例，让学生充分理解遥感技术在各领域中的应用。

从身边的生活开始了解遥感
课标中虽然主要突出了遥感技术在资源普查、环境和灾害监测中的应用。

这些应用相对于学生来讲，离学生的生活比较远。

在学生还不是很了解遥感图像时，最好是先从身边学生熟悉的生活环境入手，让学生先直观感知什么是遥感，遥感图像中不同的纹理分别代表的是哪些地物。

大家熟悉的 Google Earth 是一个较实用的工具，利用它可以让学生找到自己的家或学校。

比如，到北京旅游的学生让他判断所在的位置是北京的什么地方？找到故宫、鸟巢等标志性建筑，这样也无形中锻炼了学生对遥感图像地物的判读。

在初步学习了遥感含义的基础上，教师可以对其在资源普查、环境和灾害监测等方面的应用进一步进行分析。

资源调查中的应用
例如，在资源调查中，很多部门已经充分发挥遥感技术的优势。

资源调查的应用很多，如土地资源、矿产资源等。

有的教师在讲课时，就是照书直接陈述性的讲解这些话，而不是运用真实的案例教学，学生是很难理解遥感的真正用途的。

同时在案例教学中，教师最好将如何利用遥感图像来进行资源监测的过程讲清楚，才能够让学生真正的明白在资源监测方面遥感技术的用处。

例如，重庆市土地利用的调查（ PPT 第 16、 17页）
如果教师只是用语言叙述：“遥感技术在国土资源调查、规划、管理、保护和合理利用中发挥重要作用。

”学生可能对遥感技术的应用印象不是很深刻，同时对其真正怎么使用可能也一知半解。

如果利用重庆市土地利用调查的案例，学生会很清楚的了解遥感技术的应用过程。

图中左右两张分别代表 2004年和 2005年的土地利用遥感图像，不同的颜色代表不同的地物，比如绿色代表耕地，灰色代表建筑用地。

通过对比，很容易看出 2005年有些土地的用途发生了变化，耕地变成了建筑用地，利用遥感技术很容易找到土地资源发生变更的地方。

并且通过进一步调查，可以明确得出土地利用中违法变更的区域，如图可用红色标示出来。

利用遥感技术进行土地资源的调查既方便快捷，又节省了很多人力物力。

同样的方法在生态退耕调查、土地执法检查和监测城市土地利用规模等多方面都起到了很好的作用。

这样，通过举例，学生对遥感技术在国土资源调查中的应用就很清楚了。

同时，最好让学生总结归纳遥感技术动态监测、省时、省力等优点。

遥感在资源调查方面的应用还很多，比如矿产资源、水资源、森林资源的分别等等，这里就不一一赘述。

环境中的应用
在环境监测中比如空气质量、大气中可吸入颗粒物的多少等等都运用到遥感技术。

在必修一中，学生都学过的城市热岛现象就可以运用遥感技术来进行监测。

下图就为国家卫星气象中心提供的图像（ PPT第 19页）。

它是利用气象卫星 2006年 8月 15日 12时 59分资料制作的北京市热岛监测图像，教师引导学生去进行判读，首先应先看图例，红色和绿色分别代表的气温如何 ,思考图像反映的信息，引导他们总结结论。

如：北京市城区的热岛现象较明显 ,城八区大部温度较郊区偏高；郊区县中大兴区、昌平区、顺义区、房山区等区县的城镇地区温度较其周边郊区也偏高。

通过这样的判读，可以让学生很好的了解遥感图像在城市热岛现象中的监测作用。

灾害中的应用（地震、洪水、生物灾害）
同时灾害也是高中地理课程中重要的一部分。

遥感作为监测受灾情况的有效手段，广泛的运用到了各种灾害的监测当中。

地震灾害（ PPT第 20页）
比如 3月 11日，日本发生的 9.0级大地震，在地震发生的第二天，各大门户网站上登出了地震灾害前后的遥感卫星影片。

从图中可以真实直观的了解到日本地震灾害的情况，图中很清晰的看到，日本的仙台机场和周围的建筑已经遭到了严重的毁坏，同时受到海啸的影响，原来的居民区现在已经成为了一片汪洋。

利用高分辨率的图像，能很精确的、动态的监测到灾害发生的情况，充分体现了瞬时成像、实时传输、快速处理，迅速获取信息等特点。

在汶川地震中，遥感技术也发挥了很大的作用。

汶川地震发生后，重灾区的道路、电力和通讯等基础设施全部中断，再加上震后连续大暴雨的恶劣天气，使得救援人员很难进入重灾区，就连飞机都很难起飞。

为了能够尽快的了解重灾区的情况，就在震后的第二天，利用第一时间获得的第一景高分辨率雷达影像，可以及时分析建筑物的倒塌情况。

特别是学校、医院、政府机关作为重点的监测对象。

下图为四川省都江堰市中医院及其周边房屋倒塌情况分析。

上面的遥感图像是地震之后得到的雷达影像。

它属于主动式遥感，它最大的优点就是全天候工作，不受黑天和白天光线强弱的限制，也不受恶劣天气的影像，可以及时成像。

所以在天气恶劣的条件下，在第二天利用遥感影像及时的对灾情有了一定的了解。

对比下面震前的遥感图像，可以得出中医院老住院楼等四座楼房屋倒塌，医院西侧区域大部分房屋也倒塌了。

这张图像也是对房屋倒塌情况的分析，经过分析和估算，可以判定重灾区北川县城的房屋倒塌率高达 85%，图 a为震后北川县城航空影像，图 b为高空间分辨率航空影像分析
的北川县城房屋建筑受损分布图，其中红色表明的部分为灾后没有倒塌的房屋，其他房屋均已倒塌。

C1为房屋被滑坡淹埋， 2为已倒塌的建筑。

D为震毁的桥梁。

遥感图像同普通照片一个很大的区别在于，它是能精确反映地物信息的，经过处理的遥感图像是可测量的，距离是精确的，这样就给评估带来了方便，通过比例尺换算得到受灾的面积等，给灾害的评估提供了快捷的手段。

大地震造成了大量房屋倒塌损毁，灾民安置与活动板房建设是重建家园的重要环节。

对地观测中心利用灾后一年后获取的高分辨率光学航空图像对灾民安置的活动板房建设情况进行了遥感监测，地震灾区活动板房建设的空间分布与规模状况清晰可见。

PPT 第 21、22页为 2009年 5月 18日上午的获取的四川省绵竹市东南部的高分辨率航空光学遥感图像，图中黄色框内为整齐的规模化活动板房。

监测结果估算表明，仅在绵竹市东南方向 8平方公里区域就建设了 200多万平米的活动板房。

洪涝灾害
遥感技术除了在地质灾害中的应用很广外，在洪涝灾害中，也有应用。

在人教版的教材中，就列举了遥感技术在 1998年洞庭湖及荆江地区洪涝灾害中的应用。

教材中也对四幅图像做了具体的说明。

在讲课的过程中，这样的图像最好是教师带领学生来进行读取，同时请老师注意以下几点：
一、引导学生一定要读图例。

这几张遥感图像，不像普通的照片，一看就能很明了知道是什么，而对于右面的图像都是假彩色合成的遥感图像，具体不同颜色代表的含义一定要通过图例才能有所了解。

还有就是一定要细致的去看下面注释的文字，因为一般遥感图像与真实地物的表象上的差距使有些人，很难读懂图像的意思，这时下边的文字就显得尤为重要了，包括这两个遥感图像的时间，代表的含义以及内容。

通过阅读我们才知道，这时在 98年洪水暴发时期，荆江河段和洞庭湖水域，那么可以看到黑色代表水体，紫色代表的常年水域，绿色代表被淹农田等。

（ PPT 第 23页）
二：上下两幅图，装载传感器的设备是不同的，上图是航拍得到的遥感图像，摄像范围相对要小，但是空间分辨率高，所以要运用镶嵌技术将图像拼接得到整幅图像。

所以看上去这幅图像周边好像有锯齿。

而下面属于卫星遥感图像，监测范围较大，很可能只为一景图像就可以了。

（ PPT 第 24页）
三：左右的两张图实际是一张遥感图像，左侧的是没有进行过增强处理的黑白图像。

一般为多波段遥感图像，通过将不同波段图像用不同的颜色显示，最后合成得到彩色合成遥感影像。

所以图中的颜色并不是真实地物的颜色。

比如这个红色，并不是真实的红色，而是
代表了洪水的淹没范围。

利用这些醒目的颜色，是为了更加直观的突出地物信息。

（ PPT 第25页）
生物灾害
这是应用在生物灾害方面的案例。

从图中看出，健康的植物我们可以看它的反射率就比较高，而受到了伤害之后反射率就比较低，在不同的反射率状况下，我们就可以利用遥感图像来区分植物现在长势如何。

这在农业中应用非常的广泛。

利用这一点我们能够区别出农作物的长势、甚至能估算产量。

因为植物受到病虫害之后，它的植物含水量会下降，那么它的叶面对不同的波段的电磁波的反射情况就会产生不一样的结果，所以我们就可以利用这种差别，知道它是不是受到了伤害，同时知道农作物的长势，从而对它进行估产，甚至不仅仅是估计自己国家的产量，如果也可以拿到别的国家卫星，那么估算全球的产量、预测出粮价的走势都是有可能的。

遥感的应用很广泛，案例也很多，学生如果有机会多接触些遥感图像，能很好的培养他们获取地理信息的能力。

遥感技术的难点
选修课标：了解遥感技术的基本工作原理与应用领域，初步掌握进行简单的遥感图象判读的技能，结合实例，说明遥感图像在地图制作中的作用。

结合实例，说出遥感的主要功能。

在高中的选修模块中，不仅遥感技术的应用是教学的重点，同时对遥感技术的工作原理和图像判读有一定的要求。

根据课标要求，教师教学时应用简洁的语言文字对遥感的基本工作原理进行阐述。

这就给老师提出了较高要求，要了解遥感技术的相关内容，比如遥感的分类，遥感图像的判读以及遥感图像处理的相关知识。

遥感的分类
根据工作平台层不同可分为：地面遥感、航空遥感（气球、飞机）、航天遥感（人造卫星、飞船、空间站、火箭）。

其实，虽说遥感技术的工作原理简单的说和相机的成像原理有所相似，但相机的感光元件只能对可见光进行感光成像，但不同的地物它除了能够反射可见光，还能够反射一些我们看不到的波段，比如微波或者是红外等。

遥感技术中运用的传感器，与普通的相机不同的是除了接收可见光还能够识别可见光以外不同的波段，如微波、红外线等。

根据传感器的特点分为被动遥感和主动遥感，其中被动遥感主要接收和记录目标物体自身发射或是反射来自太阳的电磁波，因此它在黑天时或光照条件较弱时很难工作，而主动遥感是指人工产生的特
定电磁波照射目标物，再根据接收到的从目标物反射回来的电磁波特征来分析目标物的性质、特征和状态的遥感技术，比如雷达，其主要优点是不依赖太阳辐射，可以昼夜工作，比如在地质、矿产资源勘探中得到广泛应用。

遥感的分辨率
在遥感技术中，不同的传感器有不同的光谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率。

如图的遥感图像中，用不同的传感器、即使是同一地区得到的图像效果也是不同的，因为传感器的空间分辨率不同。

空间分辨率是指图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限。

空间分辨率越高的图像显示就越清晰，如 0.5米分辨率的航空影像和 Quick Bird影像，显示的都十分清晰，甚至连马路上的汽车都很清楚，但它也有他的弊端，从时间分辨率上说，它的更新速度要明显低很多。

那么对于气象预报等行业对时间分辨率要求较高，每隔几小时要更新一次数据，所以天气预报所使用的卫星云图基本上时间分辨率很高，自然相对空间分辨率的要求要低一些。

遥感的目视判读
遥感图像和普通的照片还是有很大差别的，需要我们根据一些知识经验进行一些目视判读，方法有很多，简单的说可从色调、形状、纹理、图案、布局、质地等方面判断。

如下图，根据外形可以看出飞机，通过纹理布局能辨认出盘山路、建筑和水系图。

当然黑白色的遥感图主要通过亮度来区分地物，而实际上彩色图像更能突出地物。

不同的地物，它具有不同的光谱特性。

遥感信息常常是多波段的，即传感器能对同一地区同时记录多个波段信息，从下图中可以看出，在不同的波段，同一地物呈现的反射率是不同的，对于草地来讲在波段 2下的反射率有明显的提高；同时，在同一波段不同的地物其反射率也是不同的，比如波段 2中草地、水泥和土壤都表现出了不同的反射率，所以在下面的左图中可以清晰的辨认出草地、马路和建筑物，这就帮助我们可以利用不同波段的组合来观察事物。

同时，不同的波段可以组合使用，如下图，如果用蓝色显示蓝光波段，绿色显示绿光波段，红色显示红光波段，三个影像叠加可以得到左图的类似真彩色合成图像，如果把绿光波段用蓝色显示，红光波段用绿色显示，近红外波段用红色显示合并就形成了假彩色合成影像，可以提高绿色光比如植被的辨认能力。

（ PPT 第 29、 30、 31页）
2 、地理信息系统（ GIS）
课标要求
从课标中看出，必修的重点放在 GIS在城市管理中的应用，而对于选修课程来讲，要求的层次高了很多，不仅要了解 GIS的基本功能，还要了解数字化的基本方法，建立 GIS 的数据表，了解简单的空间分析功能等，要让学生更好的了解 GIS的工作流程和原理。

GIS 含义、组成
其实， GIS并不复杂和高深，既然叫做地理信息系统，是一个能显示、分析空间数据的计算机软件。

GIS是管理和分析地理数据的应用技术，它是以数据库为基础，在计算机软硬件支持下，对地理数据进行输入、存储、管理、处理、分析和输出的计算机技术系统。

它一般由计算机系统、地理数据和应用人员三部分组成。

GIS 具有数据输入与编辑、数据存储与管理、空间查询与分析、制图与产品输出等功能。

每一个 GIS系统都有一个强大的数据库作为存储数据的支持。

在数据库中，数据的格式分为空间数据和属性数据（非空间数据）。

空间数据是 GIS处理和分析问题的关键数据。

它主要分为矢量数据和栅格数据。

大多从遥感数据中获得的空间信息为栅格数据，而我们常看到的电子地图多为矢量数据。

现实世界的物体在 GIS中是以点、线、面的形式存在的。

比如，公交站点、水塔等物体在 GIS中多以点来表示，河流、道路、航线等多以线图层来表示，房屋、田地等地物多以面状图层来表示。

当然，这不是绝对的，比如一所学校，在比例尺较小的情况下，可能仅用一个点来表示，而当要分析学校的占地面积是，学校图层变成了面状。

这些点、线、面的图层构成了 GIS空间分析模型的基础。

GIS 空间分析功能
大多数人们可能以为 GIS就是电子地图，仅仅是将地图数字化后，搬到了计算机上。

其实 GIS的内容远远不止“电子地图”的功能， GIS最强大的是他的“空间分析”功能。

起先，人们把现实世界的东西抽象出来，用地图表达，就是为了分析这个世界。

GIS 借助于计算机技术，把许多以前在纸质地图上不可能完成的分析工作系统化了，成了 GIS 区别于其他一般信息系统的重要特征。

这些空间分析功能包括：距离量测，面积量测等空间信息量算功能；空间信息分类；叠加分析；网络分析；缓冲区分析；以及空间统计分析等。

在空间分析功能中应用较多的有缓冲区功能、叠加分析和网络分析等功能。

例如：（ PPT 第 39页）图中给出的是昆明市公安局的治安管理系统，该图中系统的操作主要是有缓冲区分析和叠加分析。

所谓缓冲区分析是指以点、线、面实体为基础，。