基于GIS的數(shù)字校園系統(tǒng)設計

文章出處：http://m.coolbang.cn 作者：中國一卡通收錄   人氣： 發(fā)表時間：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，同一院校有多個校區(qū)，給學校的教學和管理帶來了諸多不便。同時，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)的管理方法難以實現(xiàn)有效的管理，應用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、山地等進行顯示和管理，實現(xiàn)數(shù)字小區(qū)的初步設想。河南師范大學校區(qū)正處在發(fā)展和擴建階段，數(shù)字校園的建設意義更為突出。

　　"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 服務器進行二次開發(fā)。在"校園巡邏"子系統(tǒng)的研究中，集成了GIS 和GPS, GIS 系統(tǒng)通過采用標準數(shù)據(jù)接口方式，從GPS 系統(tǒng)實時數(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時顯示。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)通過采用標準數(shù)據(jù)庫接口方式，調(diào)用實時招測函數(shù)方式或TCP 報文方式從SCADA 系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫中讀取管網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，通過ADO從關系數(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、屬性信息進行發(fā)布。

　　一、"數(shù)字校園"信息系統(tǒng)總體設計建立系統(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和繪圖儀上，利用系統(tǒng)的檢索功能，只需要移動光標到查詢點，則系統(tǒng)自動檢索到線或者是多邊形信息，并將相關的描述信息列表出來。如需要查找一個地下下水道的情況只需要在屏幕上移動光標到目標地，由系統(tǒng)將地下水道找出列出相關的信息。

　　查詢到的信息可以打印輸出，供實際的維修施工使用。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表的形式打印出來。

　　利用鼠標劃定區(qū)域可以查詢選定地物的名稱?？梢岳脠D層管理器設置可查詢的圖層、可見的圖層。查詢結(jié)果多于一個時會在結(jié)果列表里顯示，并通過點擊結(jié)果列表具體定位。操作方式包括： 鼠標點擊地圖，查詢選中的地物類； 用鼠標劃定圓形區(qū)域，查詢所包含的地物信息； 用鼠標劃定矩形區(qū)域，查詢所包含的地物信息； 用鼠標劃定多邊形，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人員表。該模塊提供每天值班人員信息。夜間10 點之后早上凌晨6 點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)住戶報警時，可以通過系統(tǒng)的操作人員及時通過報話機向其通知，使其第一時間趕到出事地點。

　　該模塊具有歷史數(shù)據(jù)回放功能，選定過去一時間段，查詢該時間段內(nèi)指定車輛的歷史數(shù)據(jù)，并進行歷史回顯。可以一次對多個跟蹤點進行回放，并可在一個窗口里對比出現(xiàn)，各車輛數(shù)據(jù)將會按照時間順序同步回放。回放過程中可以隨時調(diào)整數(shù)據(jù)回放的速度，可以快進、快退，快進快退過程中可以實時顯示當前位置的時間，可以暫時中止回放并隨后繼續(xù)，可以隨時終止回放。

　　4. 收費管理模塊

　　將每個樓層的收費情況統(tǒng)計出來，每個住戶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)線路，當校園面臨擴建或者設備更新的時候，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地下信息全部找出，人力物力花費巨大而且針對一個點而言計算不一定準確，容易造成事故?；贕IS 和SCADA 技術(shù)，實時從數(shù)據(jù)庫中讀取管網(wǎng)數(shù)據(jù)，并通過從關系數(shù)據(jù)庫中讀取歷史數(shù)據(jù)庫，達到動態(tài)監(jiān)測的目的。

　　6. 校園空間信息發(fā)布模塊

　　學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，為了能正確的反映這種變化，單憑個人或一個部門，無能為力，通過該模塊可以將學校實時的空間信息通過WEB 發(fā)布出來，從而實現(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)限設置模塊

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

　　8. 日志管理以及系統(tǒng)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)生的這些日志進行維護，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)生時間和消息內(nèi)容等；包括及時保存歷史庫以及人員庫，并對人員入庫時設置好權(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)建設的首要任務，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。運用掃描技術(shù)對地圖進行掃描處理，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圖形要素的惟一標識碼，該編碼力求簡單明了、便于管理，并且能隨基礎設施建設的發(fā)展進行擴充。

　　2. 屬性數(shù)據(jù)采集與編碼

　　實用的地理信息系統(tǒng)除具有準確纖細的圖形數(shù)據(jù)外，還應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)建設過程中，在圖形數(shù)據(jù)采集整理的同時還應采集圖形數(shù)據(jù)對應的屬性數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，通過對學?；?、教務處、水電暖服務中心、網(wǎng)絡中心、維修科等管理部門的實際工作進行調(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系型數(shù)據(jù)庫中，真正實現(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)核心模塊詳細設計與實現(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施如PDA 、GPS 等，可以改進加入其他功能通過GPS 數(shù)據(jù)接受等方式將位置數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕上） 通過點選跟蹤菜單項或是工具欄上的跟蹤按鈕可以開始模擬跟蹤。屏幕右邊有兩個顯示信息表示XY 的位置。如果該地點有問題發(fā)生，可以直接點選右邊的問題選項（ 這里只給出了部分可能出現(xiàn)的狀況）。通過鼠標點選，相關文本信息及時反映到了右邊的文本框中。通過點選保存記錄按鈕，可以將一天或一段時間之內(nèi)的信息保存到本地硬盤的一個文本文件中（ 這里測試使用了DATA 文件夾下的Note.txt 文件）。

　　通過點選清空按鈕將文本框中的信息清空。點擊人員信息按鈕后，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。點選文本導出向?qū)О粹o可以將本地硬盤的文本數(shù)據(jù)導出到數(shù)據(jù)庫ACCESS 中。

　　2. 校園管線核心模塊設計與實現(xiàn)

　　將SCADA 和GIS 建立各自的應用系統(tǒng)。它們之間通過數(shù)據(jù)庫的關聯(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)換為標準交換格式SIF 后向SCADA 傳送。

　　SCADA 把數(shù)字校園地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)信息周期性的傳送給GIS,供其他應用子系統(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)布模塊設計與實現(xiàn)

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

　　該網(wǎng)絡從系統(tǒng)組織上，采用先進的計算機網(wǎng)絡技術(shù)，挖掘和集成分布在該中心各個數(shù)據(jù)服務器上的空間數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成一個有河南師范大學特色的空間信息服務的網(wǎng)絡體系。

　　從數(shù)據(jù)組織和服務上，構(gòu)建圍繞數(shù)字校園各個尺度下空間數(shù)據(jù)為核心的服務體系。該系統(tǒng)根據(jù)河南師范大學各系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品和地物相關屬性信息，為廣大師生提供開放的訪問接口，使整個網(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。真正實現(xiàn)了圖文一體化，有效地宣傳了河南師范大學的相關信息。

　　4. 系統(tǒng)原型的實現(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主服務器，主服務器上運行WEB 服務器程序和GIS 應用程序、SCADA 服務器，它是整個系統(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入GIS 系統(tǒng)，進行存儲、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器，實時獲取泄露的報警信息，查看數(shù)據(jù)，還可以打印出來，進而調(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 應用程序中，可以分為數(shù)據(jù)導入模塊、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)導入模塊：包括從監(jiān)測單元傳來的數(shù)據(jù)的導入，地形圖的導入和專題要素圖的導入等。

　　數(shù)據(jù)存儲模塊：主要是進行與后臺數(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。主要是對導入的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行投影變換，格式轉(zhuǎn)化等。

　　數(shù)據(jù)空間分析模塊：主要由運行準動態(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，入學人數(shù)的不斷增多，校園規(guī)模不斷擴大，對校園管理部門來說，要全面掌握所管轄區(qū)域的校園詳細情況往往較為困難。建設數(shù)字校園是一項復雜而龐大的工程，GIS 在其中發(fā)揮著重要作用。本文正是充分基于GIS 這一科學的工具來實現(xiàn)對高?？茖W的、動態(tài)的管理規(guī)劃工作，實現(xiàn)校園信息系統(tǒng)管理后，將會方便、快捷的實現(xiàn)對校園的管理。

　　本文將GPS（Global Position SySTem） 技術(shù)、網(wǎng)絡技術(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)絡技術(shù)，實現(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)設計，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過程中，一方面需要學校內(nèi)部多方面相互配合，理順學校的內(nèi)部管理機制；另一方面，建設過程應統(tǒng)籌規(guī)劃、分期進行。因為僅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)要考慮各個模塊間的相互關系和信息交互，實現(xiàn)系統(tǒng)化管理。