基于GIS的數字校園系統設計

　隨著(zhù)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，給學(xué)校的教學(xué)和管理帶來(lái)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(xiàn)路交叉分布，用常規的管理方法難以實(shí)現有效的管理，應用GIS 技術(shù)有助于解決這些問(wèn)題。本系統以河南師范大學(xué)校區為例，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)現數字小區的初步設想。河南師范大學(xué)校區正處在發(fā)展和擴建階段，數字校園的建設意義更為突出。

　　"數字校園"信息系統主要采用了地理信息系統技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、數據庫技術(shù)、GPS 技術(shù)，用可視化集成開(kāi)發(fā)工具和地理信息系統ActiveX 控件以及Web 服務(wù)器進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。在"校園巡邏"子系統的研究中，集成了GIS 和GPS, GIS 系統通過(guò)采用標準數據接口方式，從GPS 系統實(shí)時(shí)數據庫中讀取巡邏人員的定位數據，并在校園電子地圖上實(shí)時(shí)顯示。在"校園管網(wǎng)"子系統的研究中，集成了地理信息系統和SCADA, GIS 系統通過(guò)采用標準數據庫接口方式，調用實(shí)時(shí)招測函數方式或TCP 報文方式從SCADA 系統實(shí)時(shí)數據庫中讀取管網(wǎng)實(shí)時(shí)數據，通過(guò)ADO從關(guān)系數據庫中讀取管網(wǎng)歷史數據庫，與SCADA 系統進(jìn)行通信，并在GIS上顯示SCADA 數據。在"數字校園"空間信息發(fā)布模塊中，集成了GIS 和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議以及XML 傳輸語(yǔ)言，基于B/S 結構方式對系統中的各類(lèi)空間信息、屬性信息進(jìn)行發(fā)布。

　　一、"數字校園"信息系統總體設計建立系統模塊

　　1.電子地圖模塊

　　提供基本的電子地圖瀏覽功能，通過(guò)校園鳥(niǎo)瞰，整體瀏覽以及小區內部具體房間的空間形狀三級描述，可以以無(wú)縫銜接的方式顯示出來(lái)，也可以通過(guò)用戶(hù)的雙擊查看相對應的下一級地圖。

　　2. 檢索查詢(xún)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和繪圖儀上，利用系統的檢索功能，只需要移動(dòng)光標到查詢(xún)點(diǎn)，則系統自動(dòng)檢索到線(xiàn)或者是多邊形信息，并將相關(guān)的描述信息列表出來(lái)。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(dòng)光標到目標地，由系統將地下水道找出列出相關(guān)的信息。

　　查詢(xún)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(xún)，可以從數據庫中提取符合條件的信息并以報表的形式打印出來(lái)。

　　利用鼠標劃定區域可以查詢(xún)選定地物的名稱(chēng)�？梢岳脠D層管理器設置可查詢(xún)的圖層、可見(jiàn)的圖層。查詢(xún)結果多于一個(gè)時(shí)會(huì )在結果列表里顯示，并通過(guò)點(diǎn)擊結果列表具體定位。操作方式包括： 鼠標點(diǎn)擊地圖，查詢(xún)選中的地物類(lèi)； 用鼠標劃定圓形區域，查詢(xún)所包含的地物信息； 用鼠標劃定矩形區域，查詢(xún)所包含的地物信息； 用鼠標劃定多邊形，查詢(xún)所包含的地物信息。

　　3. 校園巡邏模塊

　　屬性庫中含有包括衛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 監控功能的PDA 在校園內巡邏，如果有突發(fā)事件或者有校園內住戶(hù)報警時(shí)，可以通過(guò)系統的操作人員及時(shí)通過(guò)報話(huà)機向其通知，使其第一時(shí)間趕到出事地點(diǎn)。

　　該模塊具有歷史數據回放功能，選定過(guò)去一時(shí)間段，查詢(xún)該時(shí)間段內指定車(chē)輛的歷史數據，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，各車(chē)輛數據將會(huì )按照時(shí)間順序同步回放�；胤胚^(guò)程中可以隨時(shí)調整數據回放的速度，可以快進(jìn)、快退，快進(jìn)快退過(guò)程中可以實(shí)時(shí)顯示當前位置的時(shí)間，可以暫時(shí)中止回放并隨后繼續，可以隨時(shí)終止回放。

　　4. 收費管理模塊

　　將每個(gè)樓層的收費情況統計出來(lái)，每個(gè)住戶(hù)的繳費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

　　地下布設的管網(wǎng)線(xiàn)路，當校園面臨擴建或者設備更新的時(shí)候，就不可避免的要查找地下管線(xiàn)的信息，如果要把所有的相關(guān)地下信息全部找出，人力物力花費巨大而且針對一個(gè)點(diǎn)而言計算不一定準確，容易造成事故�；贕IS 和SCADA 技術(shù)，實(shí)時(shí)從數據庫中讀取管網(wǎng)數據，并通過(guò)從關(guān)系數據庫中讀取歷史數據庫，達到動(dòng)態(tài)監測的目的。

　　6. 校園空間信息發(fā)布模塊

　　學(xué)校中各類(lèi)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(guò)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(mén)，無(wú)能為力，通過(guò)該模塊可以將學(xué)校實(shí)時(shí)的空間信息通過(guò)WEB 發(fā)布出來(lái)，從而實(shí)現全校園內信息的共建共享。該模塊囊括了電子地圖模塊的所有功能。

　　7. 權限設置模塊

　　系統登錄后，根據登錄用戶(hù)的權限設置系統運行環(huán)境及可使用的功能項。為不同類(lèi)型的人員設計不同的權限，只有系統管理人員才可以分配新的用戶(hù)ID 等。權限的設置讀取外部數據庫，對不同菜單的屬性進(jìn)行更改完成。

　　8. 日志管理以及系統維護模塊

　　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(dòng)終端的歷史信息內容，并且可以對系統產(chǎn)生的這些日志進(jìn)行維護，包括對日志的查詢(xún)，刪除和打��；包含所有的控制及調度指令的想過(guò)信息，從中可以查詢(xún)到所有操作員所進(jìn)行的操作控制信息，其中包括：用戶(hù)，手持PDA 終端編號，SCADA 終端的操作時(shí)間、操作碼、子操作碼、操作參數等；包含所有的消息類(lèi)的信息，系統所有產(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)設置好權限。如圖1 所示。 

　　圖1 系統模塊整體框架圖 

二、"數字校園"信息系統數據庫設計

　　空間信息和屬性信息的采集與編碼系統數據庫設計主要包括空間數據庫和屬性數據庫兩部分，如圖2 所示。 

　　圖2 數字校園系統數據處理流程

　　1. 空間信息采集與編碼

　　空間數據獲取是地理信息系統建設的首要任務(wù)，其中已有地圖的數字化錄入，是目前被廣泛采用的手段。在GIS 中，錄入的內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(xiàn)探測主要測繪給水、污水、暖氣、煤氣、電力、通訊、有線(xiàn)電視、網(wǎng)絡(luò )管線(xiàn)的走向和埋深及其檢修井的位置等。測量數據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(xiàn)圖。運用掃描技術(shù)對地圖進(jìn)行掃描處理，掃描后處理過(guò)程中采用半自動(dòng)矢量化方法，獲得空間數據。

　　為保證后期屬性數據與圖形數據的正確掛接，建立每條記錄與對應圖形要素的惟一標識碼，該編碼力求簡(jiǎn)單明了、便于管理，并且能隨基礎設施建設的發(fā)展進(jìn)行擴充。

　　2. 屬性數據采集與編碼

　　實(shí)用的地理信息系統除具有準確纖細的圖形數據外，還應該具有詳盡豐富的屬性數據，才能為管理決策部門(mén)提供足夠的信息。系統建設過(guò)程中，在圖形數據采集整理的同時(shí)還應采集圖形數據對應的屬性數據并建立數據庫，通過(guò)對學(xué)�；ǹ�、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(mén)的實(shí)際工作進(jìn)行調研，將建筑物和8 大類(lèi)管線(xiàn)分別建立不同數據表結構，使屬性數據表結構的建立盡量滿(mǎn)足實(shí)際需求。

　　3. 數據加工與入庫
　　
　　在圖形數據錄入完畢后，需要進(jìn)行各種處理，包括坐標變換、拼接等等，其中最重要的是建立拓撲關(guān)系。

　　4. 數據存儲模式
　
　　SuperMap SDX+5 是SuperMap GIS 的第四代海量空間數據庫引擎，是SuperMapGIS III 系列中SDX+ 的升級版本，是SuperMap Objects 的重要組成部分。通過(guò)它，可以直接把GIS 的空間幾何對象數據和屬性數據一體化存儲到多種關(guān)系型數據庫中，真正實(shí)現空間數據和屬性數據的無(wú)縫管理。

　　三、"數字校園"信息系統核心模塊詳細設計與實(shí)現

　　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(xiàn)路。（ 該步驟是模擬該模塊加入，如果具備其他硬件設施如PDA 、GPS 等，可以改進(jìn)加入其他功能通過(guò)GPS 數據接受等方式將位置數據實(shí)時(shí)顯示在屏幕上） 通過(guò)點(diǎn)選跟蹤菜單項或是工具欄上的跟蹤按鈕可以開(kāi)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(wèn)題發(fā)生，可以直接點(diǎn)選右邊的問(wèn)題選項（ 這里只給出了部分可能出現的狀況）。通過(guò)鼠標點(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(guò)點(diǎn)選保存記錄按鈕，可以將一天或一段時(shí)間之內的信息保存到本地硬盤(pán)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(guò)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(huà)框里面顯示了小區保安的信息情況，以及每天的值班狀況等。點(diǎn)選文本導出向導按鈕可以將本地硬盤(pán)的文本數據導出到數據庫ACCESS 中。

　　2. 校園管線(xiàn)核心模塊設計與實(shí)現

　　將SCADA 和GIS 建立各自的應用系統。它們之間通過(guò)數據庫的關(guān)聯(lián)來(lái)集成，使兩種不同的系統聯(lián)系起來(lái)，建立一種動(dòng)態(tài)性的管線(xiàn)系統。

　　一般地講，SCADA 有它自己的專(zhuān)用數據庫，同GIS 數據庫之間建立映射關(guān)系，就可以相互交換數據。GIS 數據庫每天把要傳送的圖形轉換為標準交換格式SIF 后向SCADA 傳送。

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

　　3."數字校園"空間信息發(fā)布模塊設計與實(shí)現

　　"數字校園"信息系統是用于提供基于網(wǎng)絡(luò )的空間信息地圖服務(wù)的大眾性平臺門(mén)戶(hù)，具有服務(wù)器群集、動(dòng)態(tài)負載平衡、多種地圖服務(wù)、多源數據集成、海量影像數據支持等重要性，是河南師范大學(xué)以空間信息為特色的門(mén)戶(hù)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 )從系統組織上，采用先進(jìn)的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，挖掘和集成分布在該中心各個(gè)數據服務(wù)器上的空間數據庫，構成一個(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。

　　從數據組織和服務(wù)上，構建圍繞數字校園各個(gè)尺度下空間數據為核心的服務(wù)體系。該系統根據河南師范大學(xué)各系列數據產(chǎn)品和地物相關(guān)屬性信息，為廣大師生提供開(kāi)放的訪(fǎng)問(wèn)接口，使整個(gè)網(wǎng)站構建成為數字校園的有效載體。

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

　　4. 系統原型的實(shí)現

　　RTU 檢測管線(xiàn)狀態(tài)變化，用模數轉換器把采集來(lái)的模擬信號或脈沖信號轉化為數字信號，然后通過(guò)通訊線(xiàn)路到達主服務(wù)器，主服務(wù)器上運行WEB 服務(wù)器程序和GIS 應用程序、SCADA 服務(wù)器，它是整個(gè)系統的核心，對從監測單元傳來(lái)的數字信號通過(guò)專(zhuān)用的讀取模塊進(jìn)入GIS 系統，進(jìn)行存儲、操作、分析、顯示和發(fā)布等，然后客戶(hù)端通過(guò)通訊線(xiàn)路訪(fǎng)問(wèn)主服務(wù)器，實(shí)時(shí)獲取泄露的報警信息，查看數據，還可以打印出來(lái)，進(jìn)而調配搶修力量，各客戶(hù)端也可以互相通訊，互換信息。

　　系統的功能模塊主要在GIS 應用程序中，可以分為數據導入模塊、數據存儲模塊，數據操作模塊，數據空間分析模塊，數據的輸出模塊。

　　數據導入模塊：包括從監測單元傳來(lái)的數據的導入，地形圖的導入和專(zhuān)題要素圖的導入等。

　　數據存儲模塊：主要是進(jìn)行與后臺數據庫管理系統的通信，做存儲、讀寫(xiě)等操作。

　　數據操作模塊。主要是對導入的數據和數據庫中的數據進(jìn)行投影變換，格式轉化等。

　　數據空間分析模塊：主要由運行準動(dòng)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。

　　數據的輸出模塊：主要是將經(jīng)過(guò)處理的數據以不同的方式顯示，有搶修圖、專(zhuān)題圖、報表、文字通告等形式。

　　四、總結與展望

　　隨著(zhù)國家對教育的重視，入學(xué)人數的不斷增多，校園規模不斷擴大，對校園管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，要全面掌握所管轄區域的校園詳細情況往往較為困難。建設數字校園是一項復雜而龐大的工程，GIS 在其中發(fā)揮著(zhù)重要作用。本文正是充分基于GIS 這一科學(xué)的工具來(lái)實(shí)現對高�？茖W(xué)的、動(dòng)態(tài)的管理規劃工作，實(shí)現校園信息系統管理后，將會(huì )方便、快捷的實(shí)現對校園的管理。

　　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 相結合，提出了動(dòng)態(tài)數字校園信息系統管理的方法，并且利用GPS 　技術(shù)、SCADA 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，實(shí)現了數字校園內的巡邏、地下管網(wǎng)的檢測以及動(dòng)態(tài)數據發(fā)布等功能，并給出了系統原型。

　　通過(guò)系統設計，筆者深深的感覺(jué)到利用GIS 技術(shù)提供的空間管理和空間分析功能，能夠解決常規管理方法難以解決的許多問(wèn)題。但更重要的是在校園信息化建設過(guò)程中，一方面需要學(xué)校內部多方面相互配合，理順學(xué)校的內部管理機制；另一方面，建設過(guò)程應統籌規劃、分期進(jìn)行。因為僅校園管理部分就涉及校園規劃、房產(chǎn)管理、配電管理、供水管理、排水管理、體育場(chǎng)管理、園林管理等方面。因此，"數字校園"信息系統要考慮各個(gè)模塊間的相互關(guān)系和信息交互，實(shí)現系統化管理。 

基于GIS的數字校園系統設計