基于GIS的数字校园系统设计

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：中国一卡通收录   人气： 发表时间：2011年12月29日

　　随着我国高校管理体制的改革，许多高校相继合并，同一院校有多个校区，给学校的教学和管理带来了诸多不便。同时，高等院校的校园面积较大、建筑物较多，地上、地下的管网、供电和通信线路交叉分布，用常规的管理方法难以实现有效的管理，应用GIS 技术有助于解决这些问题。本系统以河南师范大学校区为例，在GIS 技术支持下对校园地形、房屋、道路、山地等进行显示和管理，实现数字小区的初步设想。河南师范大学校区正处在发展和扩建阶段，数字校园的建设意义更为突出。

　　"数字校园"信息系统主要采用了地理信息系统技术、网络技术、数据库技术、GPS 技术，用可视化集成开发工具和地理信息系统ActiveX 控件以及Web 服务器进行二次开发。在"校园巡逻"子系统的研究中，集成了GIS 和GPS, GIS 系统通过采用标准数据接口方式，从GPS 系统实时数据库中读取巡逻人员的定位数据，并在校园电子地图上实时显示。在"校园管网"子系统的研究中，集成了地理信息系统和SCADA, GIS 系统通过采用标准数据库接口方式，调用实时招测函数方式或TCP 报文方式从SCADA 系统实时数据库中读取管网实时数据，通过ADO从关系数据库中读取管网历史数据库，与SCADA 系统进行通信，并在GIS上显示SCADA 数据。在"数字校园"空间信息发布模块中，集成了GIS 和网络技术，通过TCP/IP 协议以及XML 传输语言，基于B/S 结构方式对系统中的各类空间信息、属性信息进行发布。

　　一、"数字校园"信息系统总体设计建立系统模块

　　1.电子地图模块

　　提供基本的电子地图浏览功能，通过校园鸟瞰，整体浏览以及小区内部具体房间的空间形状三级描述，可以以无缝衔接的方式显示出来，也可以通过用户的双击查看相对应的下一级地图。

　　2. 检索查询模块

　　可以将各种输入的空间信息， 如电网、道路、建筑边界等以不同的颜色和图案显示在屏幕上，也可以输出到彩色打印机和绘图仪上，利用系统的检索功能，只需要移动光标到查询点，则系统自动检索到线或者是多边形信息，并将相关的描述信息列表出来。如需要查找一个地下下水道的情况只需要在屏幕上移动光标到目标地，由系统将地下水道找出列出相关的信息。

　　查询到的信息可以打印输出，供实际的维修施工使用。对描述性信息的查询，可以从数据库中提取符合条件的信息并以报表的形式打印出来。

　　利用鼠标划定区域可以查询选定地物的名称。可以利用图层管理器设置可查询的图层、可见的图层。查询结果多于一个时会在结果列表里显示，并通过点击结果列表具体定位。操作方式包括： 鼠标点击地图，查询选中的地物类； 用鼠标划定圆形区域，查询所包含的地物信息； 用鼠标划定矩形区域，查询所包含的地物信息； 用鼠标划定多边形，查询所包含的地物信息。

　　3. 校园巡逻模块

　　属性库中含有包括卫生清洁人员和保安信息校园服务人员表。该模块提供每天值班人员信息。夜间10 点之后早上凌晨6 点之前保安可以携带有GPS 监控功能的PDA 在校园内巡逻，如果有突发事件或者有校园内住户报警时，可以通过系统的操作人员及时通过报话机向其通知，使其第一时间赶到出事地点。

　　该模块具有历史数据回放功能，选定过去一时间段，查询该时间段内指定车辆的历史数据，并进行历史回显。可以一次对多个跟踪点进行回放，并可在一个窗口里对比出现，各车辆数据将会按照时间顺序同步回放。回放过程中可以随时调整数据回放的速度，可以快进、快退，快进快退过程中可以实时显示当前位置的时间，可以暂时中止回放并随后继续，可以随时终止回放。

　　4. 收费管理模块

　　将每个楼层的收费情况统计出来，每个住户的缴费情况都可入库并且定期更新，还可以查阅历史信息，定期公布汇总后打印报表，交往煤气以及水电公司等单位。

　　5. 校园管网模块

　　地下布设的管网线路，当校园面临扩建或者设备更新的时候，就不可避免的要查找地下管线的信息，如果要把所有的相关地下信息全部找出，人力物力花费巨大而且针对一个点而言计算不一定准确，容易造成事故。基于GIS 和SCADA 技术，实时从数据库中读取管网数据，并通过从关系数据库中读取历史数据库，达到动态监测的目的。

　　6. 校园空间信息发布模块

　　学校中各类空间信息总是在不停的发生变化，如新楼房的建立、建筑物的迁址、单位属性信息的变化等等，在今天是正确的信息，明天可能就已经过时，为了能正确的反映这种变化，单凭个人或一个部门，无能为力，通过该模块可以将学校实时的空间信息通过WEB 发布出来，从而实现全校园内信息的共建共享。该模块囊括了电子地图模块的所有功能。

　　7. 权限设置模块

　　系统登录后，根据登录用户的权限设置系统运行环境及可使用的功能项。为不同类型的人员设计不同的权限，只有系统管理人员才可以分配新的用户ID 等。权限的设置读取外部数据库，对不同菜单的属性进行更改完成。

　　8. 日志管理以及系统维护模块

　　可看到对操作员使用者有用的一些日常操作日志和服务移动终端的历史信息内容，并且可以对系统产生的这些日志进行维护，包括对日志的查询，删除和打印；包含所有的控制及调度指令的想过信息，从中可以查询到所有操作员所进行的操作控制信息，其中包括：用户，手持PDA 终端编号，SCADA 终端的操作时间、操作码、子操作码、操作参数等；包含所有的消息类的信息，系统所有产生的消息都可以看到，其中包括：手持PDA 终端编号，发生时间和消息内容等；包括及时保存历史库以及人员库，并对人员入库时设置好权限。如图1 所示。 

　　图1 系统模块整体框架图 

　　图2 数字校园系统数据处理流程

　　1. 空间信息采集与编码

　　空间数据获取是地理信息系统建设的首要任务，其中已有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段。在GIS 中，录入的内容包括空间信息和非空间信息，前者是录入的主体。

　　地形图部分采用全站仪进行控制测量和碎部测量，主要测定地面上的地形信息、各种建筑物、道路及绿化用地情况等。

　　管线探测主要测绘给水、污水、暖气、煤气、电力、通讯、有线电视、网络管线的走向和埋深及其检修井的位置等。测量数据在绘图软件中利用精确绘图功能形成1:1000 地形图和综合管线图。运用扫描技术对地图进行扫描处理，扫描后处理过程中采用半自动矢量化方法，获得空间数据。

　　为保证后期属性数据与图形数据的正确挂接，建立每条记录与对应图形要素的惟一标识码，该编码力求简单明了、便于管理，并且能随基础设施建设的发展进行扩充。

　　2. 属性数据采集与编码

　　实用的地理信息系统除具有准确纤细的图形数据外，还应该具有详尽丰富的属性数据，才能为管理决策部门提供足够的信息。系统建设过程中，在图形数据采集整理的同时还应采集图形数据对应的属性数据并建立数据库，通过对学校基建科、教务处、水电暖服务中心、网络中心、维修科等管理部门的实际工作进行调研，将建筑物和8 大类管线分别建立不同数据表结构，使属性数据表结构的建立尽量满足实际需求。

　　3. 数据加工与入库
　　
　　在图形数据录入完毕后，需要进行各种处理，包括坐标变换、拼接等等，其中最重要的是建立拓扑关系。

　　4. 数据存储模式
　
　　SuperMap SDX+5 是SuperMap GIS 的第四代海量空间数据库引擎，是SuperMapGIS III 系列中SDX+ 的升级版本，是SuperMap Objects 的重要组成部分。通过它，可以直接把GIS 的空间几何对象数据和属性数据一体化存储到多种关系型数据库中，真正实现空间数据和属性数据的无缝管理。

　　三、"数字校园"信息系统核心模块详细设计与实现

　　1. 校园巡逻模块操作流程

　　电子巡逻模块操作如下： 选择目前巡逻人员的线路。（ 该步骤是模拟该模块加入，如果具备其他硬件设施如PDA 、GPS 等，可以改进加入其他功能通过GPS 数据接受等方式将位置数据实时显示在屏幕上） 通过点选跟踪菜单项或是工具栏上的跟踪按钮可以开始模拟跟踪。屏幕右边有两个显示信息表示XY 的位置。如果该地点有问题发生，可以直接点选右边的问题选项（ 这里只给出了部分可能出现的状况）。通过鼠标点选，相关文本信息及时反映到了右边的文本框中。通过点选保存记录按钮，可以将一天或一段时间之内的信息保存到本地硬盘的一个文本文件中（ 这里测试使用了DATA 文件夹下的Note.txt 文件）。

　　通过点选清空按钮将文本框中的信息清空。点击人员信息按钮后，弹出人员信息对话框里面显示了小区保安的信息情况，以及每天的值班状况等。点选文本导出向导按钮可以将本地硬盘的文本数据导出到数据库ACCESS 中。

　　2. 校园管线核心模块设计与实现

　　将SCADA 和GIS 建立各自的应用系统。它们之间通过数据库的关联来集成，使两种不同的系统联系起来，建立一种动态性的管线系统。

　　一般地讲，SCADA 有它自己的专用数据库，同GIS 数据库之间建立映射关系，就可以相互交换数据。GIS 数据库每天把要传送的图形转换为标准交换格式SIF 后向SCADA 传送。

　　SCADA 把数字校园地下管网信息系统的实时运行状态信息周期性的传送给GIS,供其他应用子系统使用，这种传送周期一般为1~2 秒。

　　3."数字校园"空间信息发布模块设计与实现

　　"数字校园"信息系统是用于提供基于网络的空间信息地图服务的大众性平台门户，具有服务器群集、动态负载平衡、多种地图服务、多源数据集成、海量影像数据支持等重要性，是河南师范大学以空间信息为特色的门户网站，将为河南师范大学师生提供空间定位、交通出行等方面的快捷服务。

　　该网络从系统组织上，采用先进的计算机网络技术，挖掘和集成分布在该中心各个数据服务器上的空间数据库，构成一个有河南师范大学特色的空间信息服务的网络体系。

　　从数据组织和服务上，构建围绕数字校园各个尺度下空间数据为核心的服务体系。该系统根据河南师范大学各系列数据产品和地物相关属性信息，为广大师生提供开放的访问接口，使整个网站构建成为数字校园的有效载体。

　　系统的主要功能包括基本GIS 操作，地图查询、管网分析、校园巡逻、校园大观等。真正实现了图文一体化，有效地宣传了河南师范大学的相关信息。

　　4. 系统原型的实现

　　RTU 检测管线状态变化，用模数转换器把采集来的模拟信号或脉冲信号转化为数字信号，然后通过通讯线路到达主服务器，主服务器上运行WEB 服务器程序和GIS 应用程序、SCADA 服务器，它是整个系统的核心，对从监测单元传来的数字信号通过专用的读取模块进入GIS 系统，进行存储、操作、分析、显示和发布等，然后客户端通过通讯线路访问主服务器，实时获取泄露的报警信息，查看数据，还可以打印出来，进而调配抢修力量，各客户端也可以互相通讯，互换信息。

　　系统的功能模块主要在GIS 应用程序中，可以分为数据导入模块、数据存储模块，数据操作模块，数据空间分析模块，数据的输出模块。

　　数据导入模块：包括从监测单元传来的数据的导入，地形图的导入和专题要素图的导入等。

　　数据存储模块：主要是进行与后台数据库管理系统的通信，做存储、读写等操作。

　　数据操作模块。主要是对导入的数据和数据库中的数据进行投影变换，格式转化等。

　　数据空间分析模块：主要由运行准动态模拟分析、连通分析、最短路径分析、最优路径分析等组成。

　　数据的输出模块：主要是将经过处理的数据以不同的方式显示，有抢修图、专题图、报表、文字通告等形式。

　　四、总结与展望

　　随着国家对教育的重视，入学人数的不断增多，校园规模不断扩大，对校园管理部门来说，要全面掌握所管辖区域的校园详细情况往往较为困难。建设数字校园是一项复杂而庞大的工程，GIS 在其中发挥着重要作用。本文正是充分基于GIS 这一科学的工具来实现对高校科学的、动态的管理规划工作，实现校园信息系统管理后，将会方便、快捷的实现对校园的管理。

　　本文将GPS（Global Position SySTem） 技术、网络技术、SCADA（Supervisor Control And Data Acqusition） 技术与GIS 相结合，提出了动态数字校园信息系统管理的方法，并且利用GPS 　技术、SCADA 技术、网络技术，实现了数字校园内的巡逻、地下管网的检测以及动态数据发布等功能，并给出了系统原型。

　　通过系统设计，笔者深深的感觉到利用GIS 技术提供的空间管理和空间分析功能，能够解决常规管理方法难以解决的许多问题。但更重要的是在校园信息化建设过程中，一方面需要学校内部多方面相互配合，理顺学校的内部管理机制；另一方面，建设过程应统筹规划、分期进行。因为仅校园管理部分就涉及校园规划、房产管理、配电管理、供水管理、排水管理、体育场管理、园林管理等方面。因此，"数字校园"信息系统要考虑各个模块间的相互关系和信息交互，实现系统化管理。