基于GIS的數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：中國一卡通收錄   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年12月29日

　　隨著我國高校管理體制的改革，許多高校相繼合并，同一院校有多個(gè)校區(qū)，給學(xué)校的教學(xué)和管理帶來了諸多不便。同時(shí)，高等院校的校園面積較大、建筑物較多，地上、地下的管網(wǎng)、供電和通信線路交叉分布，用常規(guī)的管理方法難以實(shí)現(xiàn)有效的管理，應(yīng)用GIS 技術(shù)有助于解決這些問題。本系統(tǒng)以河南師范大學(xué)校區(qū)為例，在GIS 技術(shù)支持下對校園地形、房屋、道路、山地等進(jìn)行顯示和管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字小區(qū)的初步設(shè)想。河南師范大學(xué)校區(qū)正處在發(fā)展和擴(kuò)建階段，數(shù)字校園的建設(shè)意義更為突出。

　　"數(shù)字校園"信息系統(tǒng)主要采用了地理信息系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GPS 技術(shù)，用可視化集成開發(fā)工具和地理信息系統(tǒng)ActiveX 控件以及Web 服務(wù)器進(jìn)行二次開發(fā)。在"校園巡邏"子系統(tǒng)的研究中，集成了GIS 和GPS, GIS 系統(tǒng)通過采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口方式，從GPS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中讀取巡邏人員的定位數(shù)據(jù)，并在校園電子地圖上實(shí)時(shí)顯示。在"校園管網(wǎng)"子系統(tǒng)的研究中，集成了地理信息系統(tǒng)和SCADA, GIS 系統(tǒng)通過采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫接口方式，調(diào)用實(shí)時(shí)招測函數(shù)方式或TCP 報(bào)文方式從SCADA 系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中讀取管網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過ADO從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中讀取管網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)庫，與SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行通信，并在GIS上顯示SCADA 數(shù)據(jù)。在"數(shù)字校園"空間信息發(fā)布模塊中，集成了GIS 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過TCP/IP 協(xié)議以及XML 傳輸語言，基于B/S 結(jié)構(gòu)方式對系統(tǒng)中的各類空間信息、屬性信息進(jìn)行發(fā)布。

　　一、"數(shù)字校園"信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)建立系統(tǒng)模塊

　　1.電子地圖模塊

　　提供基本的電子地圖瀏覽功能，通過校園鳥瞰，整體瀏覽以及小區(qū)內(nèi)部具體房間的空間形狀三級描述，可以以無縫銜接的方式顯示出來，也可以通過用戶的雙擊查看相對應(yīng)的下一級地圖。

　　2. 檢索查詢模塊

　　可以將各種輸入的空間信息， 如電網(wǎng)、道路、建筑邊界等以不同的顏色和圖案顯示在屏幕上，也可以輸出到彩色打印機(jī)和繪圖儀上，利用系統(tǒng)的檢索功能，只需要移動光標(biāo)到查詢點(diǎn)，則系統(tǒng)自動檢索到線或者是多邊形信息，并將相關(guān)的描述信息列表出來。如需要查找一個(gè)地下下水道的情況只需要在屏幕上移動光標(biāo)到目標(biāo)地，由系統(tǒng)將地下水道找出列出相關(guān)的信息。

　　查詢到的信息可以打印輸出，供實(shí)際的維修施工使用。對描述性信息的查詢，可以從數(shù)據(jù)庫中提取符合條件的信息并以報(bào)表的形式打印出來。

　　利用鼠標(biāo)劃定區(qū)域可以查詢選定地物的名稱?？梢岳脠D層管理器設(shè)置可查詢的圖層、可見的圖層。查詢結(jié)果多于一個(gè)時(shí)會在結(jié)果列表里顯示，并通過點(diǎn)擊結(jié)果列表具體定位。操作方式包括： 鼠標(biāo)點(diǎn)擊地圖，查詢選中的地物類； 用鼠標(biāo)劃定圓形區(qū)域，查詢所包含的地物信息； 用鼠標(biāo)劃定矩形區(qū)域，查詢所包含的地物信息； 用鼠標(biāo)劃定多邊形，查詢所包含的地物信息。

　　3. 校園巡邏模塊

　　屬性庫中含有包括衛(wèi)生清潔人員和保安信息校園服務(wù)人員表。該模塊提供每天值班人員信息。夜間10 點(diǎn)之后早上凌晨6 點(diǎn)之前保安可以攜帶有GPS 監(jiān)控功能的PDA 在校園內(nèi)巡邏，如果有突發(fā)事件或者有校園內(nèi)住戶報(bào)警時(shí)，可以通過系統(tǒng)的操作人員及時(shí)通過報(bào)話機(jī)向其通知，使其第一時(shí)間趕到出事地點(diǎn)。

　　該模塊具有歷史數(shù)據(jù)回放功能，選定過去一時(shí)間段，查詢該時(shí)間段內(nèi)指定車輛的歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行歷史回顯?？梢砸淮螌Χ鄠€(gè)跟蹤點(diǎn)進(jìn)行回放，并可在一個(gè)窗口里對比出現(xiàn)，各車輛數(shù)據(jù)將會按照時(shí)間順序同步回放。回放過程中可以隨時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)回放的速度，可以快進(jìn)、快退，快進(jìn)快退過程中可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置的時(shí)間，可以暫時(shí)中止回放并隨后繼續(xù)，可以隨時(shí)終止回放。

　　4. 收費(fèi)管理模塊

　　將每個(gè)樓層的收費(fèi)情況統(tǒng)計(jì)出來，每個(gè)住戶的繳費(fèi)情況都可入庫并且定期更新，還可以查閱歷史信息，定期公布匯總后打印報(bào)表，交往煤氣以及水電公司等單位。

　　5. 校園管網(wǎng)模塊

　　地下布設(shè)的管網(wǎng)線路，當(dāng)校園面臨擴(kuò)建或者設(shè)備更新的時(shí)候，就不可避免的要查找地下管線的信息，如果要把所有的相關(guān)地下信息全部找出，人力物力花費(fèi)巨大而且針對一個(gè)點(diǎn)而言計(jì)算不一定準(zhǔn)確，容易造成事故?；贕IS 和SCADA 技術(shù)，實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫中讀取管網(wǎng)數(shù)據(jù)，并通過從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中讀取歷史數(shù)據(jù)庫，達(dá)到動態(tài)監(jiān)測的目的。

　　6. 校園空間信息發(fā)布模塊

　　學(xué)校中各類空間信息總是在不停的發(fā)生變化，如新樓房的建立、建筑物的遷址、單位屬性信息的變化等等，在今天是正確的信息，明天可能就已經(jīng)過時(shí)，為了能正確的反映這種變化，單憑個(gè)人或一個(gè)部門，無能為力，通過該模塊可以將學(xué)校實(shí)時(shí)的空間信息通過WEB 發(fā)布出來，從而實(shí)現(xiàn)全校園內(nèi)信息的共建共享。該模塊囊括了電子地圖模塊的所有功能。

　　7. 權(quán)限設(shè)置模塊

　　系統(tǒng)登錄后，根據(jù)登錄用戶的權(quán)限設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及可使用的功能項(xiàng)。為不同類型的人員設(shè)計(jì)不同的權(quán)限，只有系統(tǒng)管理人員才可以分配新的用戶ID 等。權(quán)限的設(shè)置讀取外部數(shù)據(jù)庫，對不同菜單的屬性進(jìn)行更改完成。

　　8. 日志管理以及系統(tǒng)維護(hù)模塊

　　可看到對操作員使用者有用的一些日常操作日志和服務(wù)移動終端的歷史信息內(nèi)容，并且可以對系統(tǒng)產(chǎn)生的這些日志進(jìn)行維護(hù)，包括對日志的查詢，刪除和打??；包含所有的控制及調(diào)度指令的想過信息，從中可以查詢到所有操作員所進(jìn)行的操作控制信息，其中包括：用戶，手持PDA 終端編號，SCADA 終端的操作時(shí)間、操作碼、子操作碼、操作參數(shù)等；包含所有的消息類的信息，系統(tǒng)所有產(chǎn)生的消息都可以看到，其中包括：手持PDA 終端編號，發(fā)生時(shí)間和消息內(nèi)容等；包括及時(shí)保存歷史庫以及人員庫，并對人員入庫時(shí)設(shè)置好權(quán)限。如圖1 所示。 

　　圖1 系統(tǒng)模塊整體框架圖 

　　圖2 數(shù)字校園系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

　　1. 空間信息采集與編碼

　　空間數(shù)據(jù)獲取是地理信息系統(tǒng)建設(shè)的首要任務(wù)，其中已有地圖的數(shù)字化錄入，是目前被廣泛采用的手段。在GIS 中，錄入的內(nèi)容包括空間信息和非空間信息，前者是錄入的主體。

　　地形圖部分采用全站儀進(jìn)行控制測量和碎部測量，主要測定地面上的地形信息、各種建筑物、道路及綠化用地情況等。

　　管線探測主要測繪給水、污水、暖氣、煤氣、電力、通訊、有線電視、網(wǎng)絡(luò)管線的走向和埋深及其檢修井的位置等。測量數(shù)據(jù)在繪圖軟件中利用精確繪圖功能形成1:1000 地形圖和綜合管線圖。運(yùn)用掃描技術(shù)對地圖進(jìn)行掃描處理，掃描后處理過程中采用半自動矢量化方法，獲得空間數(shù)據(jù)。

　　為保證后期屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的正確掛接，建立每條記錄與對應(yīng)圖形要素的惟一標(biāo)識碼，該編碼力求簡單明了、便于管理，并且能隨基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)充。

　　2. 屬性數(shù)據(jù)采集與編碼

　　實(shí)用的地理信息系統(tǒng)除具有準(zhǔn)確纖細(xì)的圖形數(shù)據(jù)外，還應(yīng)該具有詳盡豐富的屬性數(shù)據(jù)，才能為管理決策部門提供足夠的信息。系統(tǒng)建設(shè)過程中，在圖形數(shù)據(jù)采集整理的同時(shí)還應(yīng)采集圖形數(shù)據(jù)對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，通過對學(xué)?；?、教務(wù)處、水電暖服務(wù)中心、網(wǎng)絡(luò)中心、維修科等管理部門的實(shí)際工作進(jìn)行調(diào)研，將建筑物和8 大類管線分別建立不同數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，使屬性數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的建立盡量滿足實(shí)際需求。

　　3. 數(shù)據(jù)加工與入庫
　　
　　在圖形數(shù)據(jù)錄入完畢后，需要進(jìn)行各種處理，包括坐標(biāo)變換、拼接等等，其中最重要的是建立拓?fù)潢P(guān)系。

　　4. 數(shù)據(jù)存儲模式
　
　　SuperMap SDX+5 是SuperMap GIS 的第四代海量空間數(shù)據(jù)庫引擎，是SuperMapGIS III 系列中SDX+ 的升級版本，是SuperMap Objects 的重要組成部分。通過它，可以直接把GIS 的空間幾何對象數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲到多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，真正實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的無縫管理。

　　三、"數(shù)字校園"信息系統(tǒng)核心模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1. 校園巡邏模塊操作流程

　　電子巡邏模塊操作如下： 選擇目前巡邏人員的線路。（ 該步驟是模擬該模塊加入，如果具備其他硬件設(shè)施如PDA 、GPS 等，可以改進(jìn)加入其他功能通過GPS 數(shù)據(jù)接受等方式將位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上） 通過點(diǎn)選跟蹤菜單項(xiàng)或是工具欄上的跟蹤按鈕可以開始模擬跟蹤。屏幕右邊有兩個(gè)顯示信息表示XY 的位置。如果該地點(diǎn)有問題發(fā)生，可以直接點(diǎn)選右邊的問題選項(xiàng)（ 這里只給出了部分可能出現(xiàn)的狀況）。通過鼠標(biāo)點(diǎn)選，相關(guān)文本信息及時(shí)反映到了右邊的文本框中。通過點(diǎn)選保存記錄按鈕，可以將一天或一段時(shí)間之內(nèi)的信息保存到本地硬盤的一個(gè)文本文件中（ 這里測試使用了DATA 文件夾下的Note.txt 文件）。

　　通過點(diǎn)選清空按鈕將文本框中的信息清空。點(diǎn)擊人員信息按鈕后，彈出人員信息對話框里面顯示了小區(qū)保安的信息情況，以及每天的值班狀況等。點(diǎn)選文本導(dǎo)出向?qū)О粹o可以將本地硬盤的文本數(shù)據(jù)導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫ACCESS 中。

　　2. 校園管線核心模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　將SCADA 和GIS 建立各自的應(yīng)用系統(tǒng)。它們之間通過數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)來集成，使兩種不同的系統(tǒng)聯(lián)系起來，建立一種動態(tài)性的管線系統(tǒng)。

　　一般地講，SCADA 有它自己的專用數(shù)據(jù)庫，同GIS 數(shù)據(jù)庫之間建立映射關(guān)系，就可以相互交換數(shù)據(jù)。GIS 數(shù)據(jù)庫每天把要傳送的圖形轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)交換格式SIF 后向SCADA 傳送。

　　SCADA 把數(shù)字校園地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息周期性的傳送給GIS,供其他應(yīng)用子系統(tǒng)使用，這種傳送周期一般為1~2 秒。

　　3."數(shù)字校園"空間信息發(fā)布模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　"數(shù)字校園"信息系統(tǒng)是用于提供基于網(wǎng)絡(luò)的空間信息地圖服務(wù)的大眾性平臺門戶，具有服務(wù)器群集、動態(tài)負(fù)載平衡、多種地圖服務(wù)、多源數(shù)據(jù)集成、海量影像數(shù)據(jù)支持等重要性，是河南師范大學(xué)以空間信息為特色的門戶網(wǎng)站，將為河南師范大學(xué)師生提供空間定位、交通出行等方面的快捷服務(wù)。

　　該網(wǎng)絡(luò)從系統(tǒng)組織上，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，挖掘和集成分布在該中心各個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器上的空間數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成一個(gè)有河南師范大學(xué)特色的空間信息服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)體系。

　　從數(shù)據(jù)組織和服務(wù)上，構(gòu)建圍繞數(shù)字校園各個(gè)尺度下空間數(shù)據(jù)為核心的服務(wù)體系。該系統(tǒng)根據(jù)河南師范大學(xué)各系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品和地物相關(guān)屬性信息，為廣大師生提供開放的訪問接口，使整個(gè)網(wǎng)站構(gòu)建成為數(shù)字校園的有效載體。

　　系統(tǒng)的主要功能包括基本GIS 操作，地圖查詢、管網(wǎng)分析、校園巡邏、校園大觀等。真正實(shí)現(xiàn)了圖文一體化，有效地宣傳了河南師范大學(xué)的相關(guān)信息。

　　4. 系統(tǒng)原型的實(shí)現(xiàn)

　　RTU 檢測管線狀態(tài)變化，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器把采集來的模擬信號或脈沖信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后通過通訊線路到達(dá)主服務(wù)器，主服務(wù)器上運(yùn)行WEB 服務(wù)器程序和GIS 應(yīng)用程序、SCADA 服務(wù)器，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對從監(jiān)測單元傳來的數(shù)字信號通過專用的讀取模塊進(jìn)入GIS 系統(tǒng)，進(jìn)行存儲、操作、分析、顯示和發(fā)布等，然后客戶端通過通訊線路訪問主服務(wù)器，實(shí)時(shí)獲取泄露的報(bào)警信息，查看數(shù)據(jù)，還可以打印出來，進(jìn)而調(diào)配搶修力量，各客戶端也可以互相通訊，互換信息。

　　系統(tǒng)的功能模塊主要在GIS 應(yīng)用程序中，可以分為數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)操作模塊，數(shù)據(jù)空間分析模塊，數(shù)據(jù)的輸出模塊。

　　數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊：包括從監(jiān)測單元傳來的數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，地形圖的導(dǎo)入和專題要素圖的導(dǎo)入等。

　　數(shù)據(jù)存儲模塊：主要是進(jìn)行與后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的通信，做存儲、讀寫等操作。

　　數(shù)據(jù)操作模塊。主要是對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換，格式轉(zhuǎn)化等。

　　數(shù)據(jù)空間分析模塊：主要由運(yùn)行準(zhǔn)動態(tài)模擬分析、連通分析、最短路徑分析、最優(yōu)路徑分析等組成。

　　數(shù)據(jù)的輸出模塊：主要是將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)以不同的方式顯示，有搶修圖、專題圖、報(bào)表、文字通告等形式。

　　四、總結(jié)與展望

　　隨著國家對教育的重視，入學(xué)人數(shù)的不斷增多，校園規(guī)模不斷擴(kuò)大，對校園管理部門來說，要全面掌握所管轄區(qū)域的校園詳細(xì)情況往往較為困難。建設(shè)數(shù)字校園是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的工程，GIS 在其中發(fā)揮著重要作用。本文正是充分基于GIS 這一科學(xué)的工具來實(shí)現(xiàn)對高?？茖W(xué)的、動態(tài)的管理規(guī)劃工作，實(shí)現(xiàn)校園信息系統(tǒng)管理后，將會方便、快捷的實(shí)現(xiàn)對校園的管理。

　　本文將GPS（Global Position SySTem） 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、SCADA（Supervisor Control And Data Acqusition） 技術(shù)與GIS 相結(jié)合，提出了動態(tài)數(shù)字校園信息系統(tǒng)管理的方法，并且利用GPS 　技術(shù)、SCADA 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字校園內(nèi)的巡邏、地下管網(wǎng)的檢測以及動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布等功能，并給出了系統(tǒng)原型。

　　通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，筆者深深的感覺到利用GIS 技術(shù)提供的空間管理和空間分析功能，能夠解決常規(guī)管理方法難以解決的許多問題。但更重要的是在校園信息化建設(shè)過程中，一方面需要學(xué)校內(nèi)部多方面相互配合，理順學(xué)校的內(nèi)部管理機(jī)制；另一方面，建設(shè)過程應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃、分期進(jìn)行。因?yàn)閮H校園管理部分就涉及校園規(guī)劃、房產(chǎn)管理、配電管理、供水管理、排水管理、體育場管理、園林管理等方面。因此，"數(shù)字校園"信息系統(tǒng)要考慮各個(gè)模塊間的相互關(guān)系和信息交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化管理。