数字校园系统的设计与实现

安徽大学本科毕业论文（设计、创作）题目： 数字校园系统的设计与实现 学生姓名： 付廷红 学号： E01014242 院（系）：计算机科学与技术 专业：计算机科学与技术 入学时间： 2010 年 9 月导师姓名： 邹海 职称/学位： 副教授/博士 导师所在单位：安徽大学计算机科学与技术学院 完成时间： 2014年 5 月数字校园系统的设计与实现摘要所谓“数字校园”是指学校在开展教学、科研和管理及对外通讯工作全过程中运用宽带、交互性和专业性的局域网实现学校办学的数字化、信息化和智能化。“数字校园”是地理信息系统、计算机管理科学、系统科学的有机融合。电子地图的出现与发展以及地理信息系统在各个领域的广泛应用,带动了“数字地球”、“数字城市”,乃至“数字校园”的产生。”数字城市是“数字地球技术在特定领域的具体应用，“数字校园是“数字城市”建设的一个微观领域的具体应用,“数字校园”是各个大学期望建立的校务处理和辅助决策平台。针对校园管理的信息化、科学化和可视化, 本文在分析现有校园信息管理特点的基础上, 研究了校园地理信息系统数据模型的设计方法, 并以安徽大学为例, 建立了基于ArcGIS 的校园地理信息系统, 详细阐明地理信息系统应用于校园信息综合管理的必要性，可能性和解决方案。对GIS技术在新校区信息管理中的应用进行了研究。首先，根据学校的实际需求和数据资料特点，分析系统用户和系统功能，并设计系统的总体结构和功能模块。然后对组件式GIS和三维GIS技术进行了深入分析和研究，基于面向对象数据模型Geodatabase构建了学校地理数据库，确定了数据的组织结构。本文采用Arc作为系统的GIS开发平台，用面向对象的方法进行程序设计，通过Visual C#开发语言调用 ArcGIS 组件库所提供组件，利用相关接口和函数开发系统功能，实现了数据加载、数据编辑、地图浏览、查询检索、三维显示、系统管理和地图打印等功能。关键字：数字校园；地理信息系统；ArcGISIDesign and Implementation of the Human Resources SystemAbstractThe so-called digital campus refers to school in developing the teaching, scientific research and management and external communication process using broadband, and interaction in the local area network realization school running professional digital, information and intelligence. Digital campus is the geographical information system, computer science, education science, scientific management, the integration of system science .The appearance and development of electronic map and geographic information system extensive application in many fields, drive the digital earth and digital city, and digital campus production. Digital city is digital earth technology in particular areas of specific application, digital campus is construction of digital city of a micro field concrete application, digital campus is expected to have a different university school of process and aided decision platform. Aimed at the campus management information, scientific and visualization, based on the analysis of existing campus information management based on the characteristics of campus, studied the geographic information system data model design methods, and Anhui University for example, based on ArcGIS campus geographic information system, elaborated the geographic information system applied in the campus information comprehensive management the necessity, possibility and solutions. To the GIS in the application of the new campus information management were studied. First, according to the actual demand and school data analysis of the features of users of the system and the system function, and design the system of general structure and function modules. Then on GIS and 3D GIS technology, analyses and studies based on object-oriented data model Geodatabase constructed the school geographic databases, confirm the data structures.Using the Arc as GIS system development platform, with object-oriented program design, the method Visual C Sharp development language calls by ArcGIS components provided by the agreement of components, with using relevant interface and function development system function, achieve data loading, data editing, maps, inquires the retrieval, 3D display, system management and map print function. Key words: digital campus; geographic information system ;ArcGISII目 录1 绪论11.1 校园地理信息研究目的和意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 研究内容31.4 技术路线32 基础理论42.1 地理信息系统与校园信息系统42.2 系统开发平台52.3 系统实现的关键技术62.3.1 组件式GIS63 需求分析与数据库设计73.1 需求分析73.1.1 数据的采集和输入功能83.1.2 数据的检查、编辑和转换功能83.1.3 数据的存储与管理83.1.4 空间查询以及空间分析、统计操作功能83.1.5 数据的输出与表达功能93.2 数据库技术93.2.1 空间数据采集与内容93.2.2 属性数据采集与内容103.2.3 数据加工与入库103.3 数据库设计原则113.4 系统数据库的设计与实现113.4.1 系统地图数据矢量化过程123.5 数据的获取143.6 数据的矢量化处理143.6.1 系统数据矢量化方法144 数字校园总体设计154.1 系统的体系结构154.2 系统功能设计15III4.2.1 地图控制功能164.2.2 电子地图浏览174.2.3 电子地图输出174.2.4 信息查询174.2.5 在线帮助184.3 系统的界面设计185 系统的具体实现195.1 系统操作功能的实现195.1.1 系统放大、缩小的功能实现195.1.2 系统控制功能的实现205.2 系统信息查询功能的实现205.3 系统定位功能的实现205.4 系统区域面积显示功能215.5 查询最短路径功能的实现215.6 地图打印功能226 系统的测试226.1 系统的测试环境和功能测试226.1.1 系统的测试平台226.1.2 系统的功能测试227 总结与展望27主要参考文献29致谢30IV1 绪论1.1 校园地理信息研究目的和意义地理信息系统实在计算机硬件和软件支持下，运用地理信息科学和系统工程理论，科学管理和综合分析各种地理数据，提供管理、模拟、决策、规划、预测和预报等任务所需要的各种地理信息的技术系统。地理信息系统是地理科学与信息科学交叉的一门学科，在课题研究中，最深的体会是它利用以计算机应用为核心的信息技术，为地理学的研究提供了一种新的思路和手段。在查询的各种资料中都认为地理信息系统为地理学的研究和发展注入了新的活力，是当前地理学研究和应用的前沿。地理信息系统1（Geographic Information System GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。随着信息技术的日新月异, 以地理信息的收集、分析、处理、输出等功能为主的GIS 技术在城市建设、规划、环境资源利用、综合平衡、协调发展和决策支持等方面发挥了很大的作用。校园地理信息系统(Campus Geographic Information System, CGIS) 是城市地理信息系统( UGIS) 的一个缩影, 具有城市地理信息系统的特点和功能, 它用图形、图像数字信息来表现校园各种空间及属性要素, 为用户提供各种校园信息的查询、检索和必要的空间分析、统计操作以及按不同用户要求输出相应的专题要素, 为校园的发展预测、规划决策以及科学管理提供可靠依据。高等院校作为高新技术的集中地, 有必要在校园地理信息系统的建设方面做进一步的开发与研究, 为城市数字化做一些基础性及实验性的工作。随着“数字地球”概念的提出，引出了一系列数字化建设的概念，“数字校园”可以看做是数字化的、虚拟的校园，是“数字地球”的微观表现形式在校园区域的具体体现。目前，数字化校园建设已经纳入高等学校建设的重要议程，并作为一项基础性、长期性和经常性的工作，建立了相应的领导机构，并分阶段制定了实施目标。其建设水平己成为体现高校办学水平、学校形象和地位的重要标志。“数字校园”系统将成为校园新的信息源，任何与校园有关的信息都将给定位，并与空间数据联系起来。用户将可以图文并茂的查询校园信息，而且获得最为直接的效果。数字校园系统有很大的集成度，用户可以随时获得所需的信息，就如同置身于校园中一般。从而可以提高校园对外的知名度，而且给学校的各项工作都带来了很大方便，可为学校创造可观的社会效益。“数字化校园系统”是信息技术运用于教育改革过程所形成的最新研究成果。它以GIS为平台，利用先进的信息技术手段，实现教学、科研、管理和服务等资源的全部数字化，在物理校园的基础上构建一个信息化数字校园空间，以扩展物理校园的功能，从而实现全部教育过程数字化的目标，以跟上信息时代的高等教育要求。数字化校园系统就是要实现信息数字化、管理自动化、服务智能化、校园虚拟化、资源最大化。目前，我国许多重点大学，如北京大学、清华大学、浙江大学、中国人民大学等均将数字化校园系统的建设提上了建设日程，并正在进行建设之中。随着我国高校管理体制的改革，许多高校相继合并，这样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，这些信息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，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。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状一些发达国家的校园信息化建设起步较早，最具有代表性的是数字化校园的建设。数字化校园是以网络为基础，利用先进的信息化手段和工具，实现从环境、资源到活动的全部数字化。美国最早进行数字化校园探索与实践。自从1993年美国政府制定国家信息基础设施 (National Information Infrastructure简称NII)的行动纲领以来，大大推动了Internet在美国尤其是大学校园的应用与发展。近年来，Internet逐渐改变着美国大学校园的传统工作、学习、管理和生活方式，成为大学教师、研究生、本科生和行政管理人员在教学、科研、学习、管理和日常生活中必不可少的工具，并开始成为衡量一所大学教学、科研与管理水平高低的重要标志之一。目前，美国大学校园的信息化建设己经涉及图书馆网络、学校管理工作、教学活动、科研活动、学生日常生活的各个方面，并且已经取得了举世瞩目的成绩。美国大学“虚拟校园”的大门己经向世界敞开。1999年10月，瑞士联邦两院正式通过了瑞士大学2000一2003年发展计划在2000-2003年期间，瑞士联邦政府将以特别财政补贴方式为州立大学拨款3000万瑞郎，以鼓励在高等教育领域进行信息化建设，建立“瑞士虚拟校园”。瑞士的两所联邦高工和7所高等职业学院也将参加实施“瑞士虚拟校园计划”。瑞士大学联席会议委托弗里堡大学的新技术与教学中心建立了国家高等教育和新信息技术网。该网站目前提供以下服务:建立瑞士高校使用信息技术教学的项目方案数据库(可按学校检索、查询等);建立瑞士高校使用信息技术教学的有关机构目录:瑞士和国际上关于用新信息技术教学的报告会、研讨会等活动时间表;有关的出版物和文章索引;教学模块、工具软件及现有教学手段的演示:以超链接形式参考其他有用资源;所有的内容都提供德、法、英三种语言服务。1.2.2 国内研究现状世界各国校园信息化建设的大潮促进了我国校园信息化建设的迅速发展，首先做出反映的是国内一些知名大学。北京大学建设的数字化校园工程一“数字北大”，利用北大青鸟公司的GIS软件一Geo Union作为 WebGIS 服务器，并提供三个客户端插件，实现了北大校园及周边环境的地图显示、基本信息浏览、查询及路径分析等功能2。厦门大学也提出基于GIS的数字化校园工程“数字厦门大学”。其中规划的主要内容包括收集、提取、更新厦门大学基础地理信息数据库(4D产品)，实现厦门大学校区的三维可视化漫游、检索和动态管理。建立和发布GIS网站，建成厦门大学校园GIS、校园风光、校园综合服务体系。综上所述，可以看出我国的校园信息化建设己经迈出了可喜的步伐，正在朝着广泛、深入的方向发展。但是无需讳言，国内的校园信息化建设尚处于起步阶段，存在着诸多问题困。1.3 研究内容有关地理信息服务的理论、技术以及应用成为当前GIS研究的一个重要内容，从其规范制定到实际应用都体现了GIS技术的发展。本文对地理信息服务同样有着极大的认同与兴趣，在尝试数字校园系统设计与实现的过程中，以ArcGIS理论与技术为主要支持，以方便校内外人士对校园空间信息查询、分析、管理为目的，研究了数字校园系统设计与实现。从数据准备、系统设计到实现等环节的实践中，对地理信息服务有了比较深入的认识，在许多细节问题的处理上，提出了诸多新思路、新方法，最终成功完成了数字校园系统建设，并结合实际应用情况对其进行了一系列优化，在实际操作中总结出了丰富的经验。1.4 技术路线本论文从满足安徽大学新校区信息管理的实际需要出发，考虑现在流行的GIS开发平台和开发方式，选择了新一代嵌入式地理信息系统平台一 ArcGIS为开发平台，结合可视化开发语言Visual C#进行集成二次开发。采用关系数据库 SQL和 ArcSDE10.0相结合的技术统一管理空间数据和属性数据，确保空间和非空间数据的一体化存储，实现数据的存储、管理、查询、检索及数据的深层次挖掘问题，为前端GIS应用功能的开发提供强有力的支持。安徽大学新校区地理信息系统的功能结构层次，如图1所示:安徽大学数字校园系统电子地图输出电子地图控制在线帮助电子地图显示信息查询打印地图最近目标查询对象查询地理定位地理信息查询地理对象距离查询询对象查询属性查系统总体分析与设计询对象查询距离测量查询地图鹰眼动态显示地图显示对象查询地图缩放地图数据更新图层显示控制图层删除询图层移动查询图层索引对象查询图层编辑查询图层添加对象查询图1：功能结构图2 基础理论2.1 地理信息系统与校园信息系统地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形的总称。而地理信息系统(Geographic information system，简称GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据信息的通用技术。地理信息系统建立在地理学和计算机图形学的基础上，涉及信息科学、空间科学和地球科学的多个学科，是多种学科交叉的产物，同时，GIS作为一门综合性技术，己经与其它技术相融合，如:数据库技术、CAD、软件工程、遥感技术、制图学等。地理信息系统的应用需要利用和集成其它技术，同时其它信息技术的应用也需要地理信息系统。GIS至今尚没有一个国际统一的定义，由于GIS涉及的面太广，要给出GIS的准确定义是困难的。从不同的角度，给出的定义就不同，通常可以从4种不同的途径来定义GIS:(1)面向功能的定义。GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统;(2)面向应用的定义。这种方式根据GIS应用领域的不同，将GIS分为各类应用系统，例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等;(3)工具箱定义方式。GIS是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合，这种定义强调GIS提供的用于处理地理数据的工具;(4)基于数据库的定义。GIS是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。从上述定义可以看到，虽然GIS是一门多学科综合的边缘学科，其基本技术是数据库、地图可视化及空间分析。因此，可以认为GIS是处理与地理位置有关的数据信息的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。校园地理信息系统(Campus Geographic Information system ，CGIS)是城市地理信息系统(UGIS)的一个分支，具有城市地理信息系统的特点和功能，它用图形、图像数字信息来表现校园各种空间及属性要素，为用户提供校园信息的查询、检索和必要的空间分析、统计操作以及按不同用户要求输出相应的专题要素，为校园的发展预测、规划决策以及科学管理提供可靠依据。高校在CGIS建设方面的深入开发与研究，为城市数字化做一些基础性及实验性的工作。校园地理信息系统（CGIS）可以描述为利用计算机软硬件的支持，对学校数据和信息按地理坐标和空间位置进行收集、输入、存储、编辑、查询、检索、显示和管理，以及对这些信息进行统计和分析的综合技术。它在描述一般的数据库的基于矢量图形的校园地理信息系统技术研究基础上，具体完成图形数据库的设计，而且共同分析和使用图形数据和属性数据。系统就是要充分利用GIS对地理坐标和空间位置的表示能力以及空间分析能力，将学校数据和信息及其相关的地理信息以各种专题形式进行管理、使用，为管理部门提供更加丰富和直观的信息资料和决策依据。2.2 系统开发平台目前的GIS开发平台软件国外有MapInfor，ArcInfor等，国内的有Supermap即，Geostar等。ArcMap是ArcGIS Desktop三个用户桌面组件之一。ArcGIS是美国环境系统研究所(Environment System Research Institute，ESRI)于1978年开发的GIS系统。ArcGIS Desktop由三个用户桌面组件组成，即：ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox。 ArcMap是一个可用于数据输入、编辑、查询、分析等功能的应用程序，具有基于地图的所有功能，实现如地图制图、地图编辑、地图分析等功能。ArcMap包含一个复杂的专业制图和编辑系统，它既是一个面向对象的编辑器，又是一个数据表生成器。 ArcMap提供两种类型的地图视图：数据视图和布局视图。在数据视图中，用户可以对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS数据集。数据视图时任何一个数据集在选定的一个区域内的显示窗口。在布局视图中，用户可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他数据元素，比如图例、比例尺、指北针等。2.3 系统实现的关键技术2.3.1 组件式GIS纵观GIS软件技术发展历程，GIS软件从最初GIS模块到集成式GIS、模块化GIS，再到核心式GIS，这些GIS软件要么集成困难，要么开发困难，都不方便用户使用。随着组件技术(COM、JavaBean)的问世给GIS带来了巨大的生机，导致了组件式GIS(ComGIS)的诞生。所谓组件式GIS，是指基于标准的组件式平台，以一组具有某种标准通讯接口、允许跨语言应用的组件提供的GIS。这种组件称为GIS组件，各个组件之间不仅可以进行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为儿个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。组件式GIS的特点：1）高效无缝的系统集成3ComGIS不依赖于某一种开发语言，可以嵌入通用的开发环境中实现GIS功能，专业模型则可以使用这些通用开发环境来实现，也可以插入其他的专业性模型分析控件。组件式GIS构造应用系统，只实现GIS自身的功能，其他功能则由其他组件实现。组件之间的联系则由可视化的通用开发语言如VB、VC实现，从而实现了系统组件之间的高效、无缝集成。 2）无须专门GIS开发语言传统GIS一般都提供一套独立的二次开发语言，这既是GIS基础软件开发者的负担，也给用户带来学习上的负担。ComGIS的用户则不必掌握专门的GIS开发语言，只需熟悉基于windows平台的通用集成开发环境，以及ComGIS各个控件的属性、方法和事件，就可以完成应用系统的开发和集成。3）大众化的GIS组件式技术己经成为业界标准，用户可以象使用其他ACtiveX控件一样使用组件式GIS控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成GIS应用系统，推动了GIS大众化进程。组件式GIS的出现使GIS不仅作为专家们的专业分析工具，同时也成为普通用户对地理相关数据进行管理的可视化工具。4）成本低由于传统GIS结构的封闭性，软件本身往往变得越来越庞大，不同系统的交互性变差，系统的开发难度大。ComGIS提供实现空间数据的采集、存储、管理、分析和模拟等功能，至于其他非GIS功能(如关系数据库管理、统计图表制作等)，则可以使用专业厂商提供的专门组件，这有利于降低GIS软件开发成本。另一方面，组件式GIS本身又可以划分为多个控件，分别完成不同功能。用户可以根据实际需要选择所需控件，最大限度地降低了用户的经济负担。5）可扩展性4在组件式软件技术背后，有一个十分庞大的组件资源库，用户可以从不计其数的组件中挑选需要的组件与ComGIS一起集成应用系统，极大地扩展了GIS的功能。全球范围内有许多软件公司在编写各种各样的控件，这些第三方控件可以解决任何通用软件编程中所遇到的问题，从简单的命令按钮到动态的三维统计图，从多媒体播放到超文本显示，几乎无所不有。组件式GIS是组件大家庭中的一员，使用组件式GIS集成应用系统，具有无限的扩展性。3 需求分析与数据库设计3.1 需求分析校园在空间上是一个区域，其包含的信息大多具有空间属性。GIS是管理空间信息最有效的工具，在数字校园中引入GIS将使校园教学、行政、科研、生活等等相关的信息与空间位置建立紧密的联系，从而为人们提供最为直观的，深层次的信息交互，可从根本上改变目前管理状态，节省大量的人力、物力，为管理、设计、决策快速准确地提供各种所需的图文、声像并茂的资料。因此GIS在数字校园框架中有其不可替代的位置。目前相当大一部分高校的信息管理还停留在Msl模式，主要是对文本、数据资料的管理，在规划管理工作上则基本上是采用传统的分散管理模式。分散管理模式主要是对规划管理信息以图纸和文档资料的方式分别进行分类归档整理，信息之间的内在联系主要靠规划管理人员人工加以描述。这种传统管理模式的不足之处主要表现:规划管理信息资料从整体上说不够完整、不够准确、不够规范;整个规划管理过程高度抽象，不直观生动，费时费力;面对大量的信息，由于操作人员的不同，对规划管理信息的管理和操作不统一、不规范:信息加工的时间周期长，获得最终成果数量少、质量不高。因此要实现高校信息的完全现代化管理，在规划管理中应实现对图形与文档资料的统一管理。为了方便地输入信息快捷地提取数据，并且能够进行多信息源支持下辅助决策与模拟，该系统应具有控制管理功能，输入、输出功能，空间分析功能以及决策支持功能。3.1.1 数据的采集和输入功能主要包括校园空间数据的采集和属性数据的采集。空间数据的采集可以利用现有的( 1: 500) 大比例尺地形图、航测遥感图像等, 利用数字化仪或扫描仪进行数字化, 经过屏幕编辑后取得校园的图形数据, 或者通过实地调查、数字测图的方式来获取现势图形数据; 属性数据一般是通过对各级教学管理部门进行调研得到, 也可以统一数据格式, 由各部门自行录入, 最后由系统汇总。数据的采集和输入是生成CGIS 数据库的基础, 工作量大, 应充分利用各种渠道来生产和更新。3.1.2 数据的检查、编辑和转换功能 主要是指校园的地理信息系统图形、数据的检查、编辑和修改, 提供不同格式数据之间的转换。如: 对校园地形图进行编辑修补、实现对地形图的漫游、缩放、刷新等、对数据格式进行检查、不同类型的数据文件的转入与转出。3.1.3 数据的存储与管理GIS的数据分为栅格数据和矢量数据两大类。数据的存储，即是把这些数据以某种形式记录在计算机的内部或外部存储器上，目的是使计算机能够灵活、高效、快速地访问并处理这些数据，关键就在于如何建立纪录的逻辑顺序以确定存储的地址。一般而言，GIS系统都采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分为若干层，整张地图正是所有层的叠加结果。这样用户操作时就只涉及到一些特定的层，而不是整幅地图，因而系统能对用户的要求做出迅速反应。GIS的数据管理包括图形库管理和属性库管理。根据图形数据的几何特点，可将其分为点数据、线数据、面数据三种类型。图形数据的一个重要特点是它含有拓扑关系，这是地理实体之间的重要空间关系。图形数据和属性数据之间的连接方式目前有:专题属性数据作为图形数据的悬挂体、用串项指针指向属性数据、属性数据与图形数据采用统一的结构、图形数据与属性数据自成体系。3.1.4 空间查询以及空间分析、统计操作功能GIS 之所以在处理空间信息的性能上强于其他信息系统, 就在于它具有很强的空间查询和空间分析能力4,5。CGIS 实现了由属性查询图形, 如: 查询楼层数高于五层的教学用建筑物、查询学院各部门的位置及属性、查询各种体育教学设施的位置及属性等; 由图形查询属性, 在地形图上点击某一图形, 则显示与该图形对应的各种属性, 如: 教学建筑物信息、教室信息、学生宿舍信息、实验室信息等; 空间分析主要有: 缓冲区分析、最短路径分析、包含分析、相交分析等矢量分析。CGIS 还提供了对某一专题进行统计分析的操作, 例如: 教室座位数、教室的类型、实验室分布、教学面积统计、教师学历统计分析。3.1.5 数据的输出与表达功能将校园地理信息系统分析或查询检索结果表达为用户所需要的地图、图表、图形和图像。实现专题图、直观图制作以及图形、文本的打印和输出功能。3.2 数据库技术地理信息系统所需的数据量大，种类烦杂，数据组织是否合理将直接影响到系统性能，所以数据组织是系统设计的关键。系统的数据可分为两种:与地理位置相关的空间数据和和与空间位置无关的属性数据。空间数据展示实物的地理位置信息，属性数据记录实物的具体属性。在进行数据库设计时，通过数据分层、图层管理、属性编码和空间索引设计，建立空间数据库，然后进行属性数据库设计，最后建立空间数据库与属性数据库的连接关系。为了更生动形象地展示校园的实际情形，在本系统属性数据中引入文字说明及影像数据。文字说明用以详尽介绍各种教学及科研设施。数据库的组织和管理是信息系统的基础，直接影响工作效率和用户的使用。良好的数据库性能为后面的系统开发搭建了良好的数据基础。系统数据库设计主要包括空间数据库和属性数据库两部分，组织流程，如图2所示：栅格图像矢量化属性数据采集空间数据加工与编辑属性数据采集数据入库地形数据库地形文件属性数据表空间索引文件图2：组织流程图3.2.1 空间数据采集与内容空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有多种实现方式包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中己有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力资源的工作。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。 在GIS 中，空间数据主要包括：1）空间实体的位置空间坐标即在某一个已知坐标系中的几何坐标，他可以标识地理现象在自然界或某个地图区域的空间位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。要对空间实体的位置进行描述，就必须对其进行抽象表示。一般来说，在三维分析空间，根据分析问题的尺度，我们把自然界中的物体抽象为点、线、面三种；在三维分析空间，则区分为点、线、面、体四种。2）空间实体的关系实体空间的关系通常包括：( 度量关系，如两个实体之间距离的远近：( 延伸关系（或方位关系），定义了两个实体之间的方位；( 拓扑关系，定义了两个实体之间的关联、邻接、包含关系。3）空间实体的非几何属性一般简称属性，是指与地理实体相关联的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量两种：定性数据包括名称、类型、特性等，如地貌类型、土地利用类型、行政区划等；定量数据包括数量、级别等，如土地面积、道路长度、人口数量、高程等。非几何属性一般经过抽象、概括，通过分类、量算、统计得到。地理信息系统中的分析、检索大部分都是通过对属性的操作运算实现的，因此，属性数据的分类系统、量算指标、准确性对系统功能的实现有较大的影响。4）空间实体的时间特征指现象或空间实体随时间的变化。空间实体的位置数据和属性数据相对于时间来说，常常呈相互独立的变化，即自爱不同的时间，空间位置不变，但是属性特征可能已经发生变化，或者相反。3.2.2 属性数据采集与内容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，为提高工作效率，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，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。3.2.3 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。在图形数字化完成后，对于大多数地图需要建立拓扑，以正确判别地物之间的拓扑关系。在GIS数据管理中，拓扑关系可以定义以下内容:1. 区域，如果多边形数据DIME数据模型，每个多边形可以用一组封闭的线来表示，而不需要记录封闭线上的所有点，避免两次记录相邻多边形的公共边界，这样减少了数据冗余。2. 邻接性，另一种可以用拓扑描述的属性是多边形之间的相互邻接性。3. 连通性，连通性是指对弧段连接的判别，连通性的建立和表现是网络分析的基础。3.3 数据库设计原则1）标准规范原则数据库设计要符合国家及相关部门颁布的数据库建设标准和技术规范，数据分层、分类与编码、精度、符号等标准应执行已有的国家标准和行业标准6。2）分层设计原则基于地理数据的复杂性、功能实现的多样性，并且为了使数据库结构清晰，便于设计开发和维护管理，对数据采取分层管理的方式，并要求数据的存储结构和存储策略改变不对应用造成重要影响，存储结构具有易维护、易扩充的特性。将数据库物理存储、数据访问层分开，层与层之间藕合度尽量降低，以实现下层的改变不影响上层的设计和实现，从而不造成对上层应用系统的影响。 3）内容完备原则在数据库设计过程中，必须尽可能覆盖用户所需新校区信息的全部内容，使建成的数据库具有数据类型和内容上的完备性，满足在系统中运行处理的各种需求。 4）结构合理原则合理的数据结构，能最大限度地减少数据冗余，保持数据的完整性、一致性，是数据库设计最重要的部分。 5）图文一体原则数据库设计要考虑图文一体的存储设计，使空间数据和属性数据有机地统一存储，利用 SQL对空间与非空间数据进行统一管理，使空间数据与非空间数据实现真正的一体化集成。3.4 系统数据库的设计与实现 数据流程，如图3所示空间数据库属性数据库ArcGISSQL地图数据属性数据地图控制数据库管理数据查询空间分析 文字、图片、地图 图3 数据库的总体设计流程图3.4.1 系统地图数据矢量化过程鉴于本数字校园地理信息系统数据量相对不是很大，设备上又缺少能直接对栅格数据进行矢量化的软件，所以我们采取使用 ArcGIS 自带的数字化功能，手工对数据进行矢量化7。ArcGIS 中的空间数据是通过图层来组织和管理的。具体操作是将地图分成许多个图层，同一个图层的数据具有某种共同的属性且代表地图的某一个具体方面，可以根据需要选择要显示哪一个图层，这样复杂的地图简单化了，简化了系统模型，而且可以一个图层为单位，对视图进行查询、修改、删除、添加等操作，这样也简化了处理过程，系统更具灵活性。以一定的原则分层是分层的首要要求，具体如下： 因为图层数据不断需要更新，所以为方便可以将变换频繁的数据进行分离出来； 为达到数据量的均衡，要尽可能考虑到数据量的大小； 将数据冗余度降低到最低。本数字校园地理信息系统是以校园平面图为基础，将校园的建筑物、绿地、道路等具备不同属性的地物进行分类，具体分类如下：主要地点：主楼、图书馆、基础教学楼、实验室等；后勤服务设施，包括食堂、面包坊、校网管理中心等；运动场所，包括体育馆、足球场、篮球场、网球场等；其他建筑：商业街的各种商业设施、包括超市、文具店、文印中心等；学生宿舍楼，包括研究生和本科生宿舍楼数栋；综合管线：包括地下网线管道、上下水管道、污水管道、通讯管道等。道路分布图：包括现有各种道路及其中心线、交通设施、路旁绿化带、路灯。表1：空间数据的分层图层代码图层内容拓扑类型主要属性项目BJJZ办公教学建筑面建筑物名称、类型JGSS教工宿舍面建筑物名称、类型XSSS学生宿舍面建筑物名称、类型QTJZ其他建筑面建筑物名称、类型DL 道路线道路名称、类型GSGD供水管道线编号 DLTZ 电力特征面 编号 、类型YDC运动场面 编号、类型LVD绿地面编号、面积 LUD 路灯点编号建筑内部分布图，如主楼平面分布图、教学楼平面分布图、图书馆平面分布图、校医院平面分布图、科学楼平面分布图、教工宿舍楼平面分布图、学生宿舍楼平面分布图、学生餐厅平面分布图等。停车场：学校所有的停车区域；道路层：包括校内各大路、小路；绿地层：校内所有绿化面积,包括草地、树木等；湖泊层：包括校内所有大小湖泊；边界层：包括校内区域间的边界和校内与校外区域间的边界。有了这样的归纳及分层，用户可以很方便地对地图根据需要进行各种权限内的操作。分层结果如表1所示：我们以主要地点层为例来说明如何在 ArcGIS 中制作图层的4，如下： 首先制作图层，在工具 ArcCatalog 中，新建 Shapefile 图层，Feature Type选择 point,加入我们要设置的 Coordinate System 和 Fields。 点开 ArcMap,加载 Shapefile 图层和栅格平面图； 在 Editor 工具栏中 Start Editing,手工通过绘制要素工具对地图数据进行数字化； 添加主要地点完毕，检查正确无误后点击 Editor 工具栏中的 Save Edits 进行保存刚才的编辑结果，再选择 Stop Editing 停止当前编辑，则进入下一个环节。3.5 数据的获取数据库是信息系统的核心，是实现土地利用和管理信息化的关键。数据包括空间数据（图件资料）和属性数据（即与空间数据相关的说明信息）。空间数据的获取方法有手扶跟踪数字化地图扫描数字化基于现代地面测仪器的地面数据采集基于全数字摄影测量系统的数据采集遥感影像空间数据从已有各类数据库中获取；专题属性数据可以通过查阅资料获取。3.6 数据的矢量化处理3.6.1 系统数据矢量化方法将栅格地图矢量化是该系统设计的前提和基础，只有完成校园地图数据矢量化，才能实现校园地理信息系统的一切功能。栅格图像，也称光栅图像，是指在空间和亮度上都已经离散化了的图像。因其具有许多缺陷，故不能直接应用于数字校园系统。纸质地图经扫描仪扫描下来以后，以 TIFF、BMP、PCX、JPEG 等的栅格图像形式保存了下来。栅格图像在地理应用领域存在如下缺陷点： 图像的任何像素点（不管前景或背景像素）都被栅格图像文件保存下来，导致存储的开销不断增多。 对栅格图像的操作必须是以某个区域具有相同像素点的所有点同时共同发生某操作，而无法对我们需要的仅仅某区域内的某点、某线或文字符号的属性信息进行修改、删除、复制或移动等操作，这对我们在处理图像数据过程中造成很多不便。 当对图像进行放大地图数据加工时，在放大到一定程度时，图像的目标边界会发生阶梯效应。就如同点阵汉字无限放大时所发生的阶梯效应一样。当对图像进行缩小显示时，图像信息也会发生失真。这对我们对图像数据的操作造成很大不便。矢量图形是由方向和大小来综合表示目标的对象组合而成的描述性文件。图形数据在矢量图形中以点、线、面三种形式存在，这样，我们可以很方便地将地物按照这三种形式分类，方便了我们对地物的属性信息进行修改、删除、复制、移动等操作，也方便了我们对地图的输入、输出操作。地图数据矢量化是指将以栅格数据保存的图形转换为以点、线、面形式存储的矢量图形，以方便对图像数据进行操作。如 AutoCAD、ARC/INFO、Corel Draw、GeoStar 等软件都是应用于矢量图形的。由于矢量图形的易操作性，矢量图形在很多行业都得到了广泛的应用。矢量化地图的获取用如下几种方法： 通过购买一些矢量化的电子地图（如 ArcView 的 Shape 文件、ArcInfo 的Coverage、AutoCAD 的 DXF/DWGD 等格式），这些格式必须满足能被 GIS 所使用的。 将纸质地图用特定的扫描仪将其扫描成栅格数据的图象后，保存在计算机中，再用矢量化软件对其进行手工矢量化，对个别图根据需要用手工画出，然后再将矢量化的图保存下来，特点是操作简单但是工作量大而且繁琐。 将纸质地图用扫描仪扫描成栅格数据的图像存入计算机后，应用特殊的数字化软件，直接将该栅格数据的图像转化为矢量格式的图像，并对其根据需要进行手工修改。4 数字校园总体设计4.1 系统的体系结构安徽大学新校区地理信息系统基于 ERSI 公司的 ArcGIS 产品构建，利用 MapObject 组件进行开发。软件包括客户端和服务器端两部分，客户端基于 ArcObject 进行开发，服务器端采用 ArcSDE for Oracle 作为空间数据引擎8，对象关系型数据库 Oracle 9i 作为后台数据库，管理空间数据和属性数据。4.2 系统功能设计10,11地理信息系统能为用户提供基本的地理信息浏览、查询以及高级的地理信息发布、分析功能，用户通过客户端软件匿名登陆服务器，进行基本的信息浏览和查询，高级用户必须通过身份验证才能使用系统的高级功能，如地图信息的更新等操作，功能结构，如图4所示。安徽大学数字校园系统电子地图输出电子地图显示电子地图控制在线帮助信息查询打印地图对象查询地理对象距离查询询对象查询最近目标查询对象查询地理定位地理信息查询属性查询对象查询距离测量查询地图鹰眼对象查询动态显示地图显示对象查询地图数据更新地图缩放对象查询图层显示控制图层索引对象查询图层删除对象查询图层移动对象查询图层编辑对象查询图层添加对象查询 图4：功能结构图 4.2.1 地图控制功能地图图层索引（地图导航）：地图的所有图层以树状列表的形式展现在地图上，用户可以更全面地了解整个地图的概况，用户还可以根据需要在地图上选择目标区域为当前显示的地图区域。图层显示控制：组成地图的所有图层以树状列表的形式展现在地图上，用户可以根据需要选中哪些是需要显示的哪些是不需要显示的来实现图层显示控制功能。图层添加：提供地图图层的添加操作。此功能只提供给特定授权用户操作，用户选择此功能弹出身份验证窗口，用户通过身份验证后该功能激活。用户可通过输入需要导入的文件名或者浏览功能选择要导入的地图图层文件，系统暂只支持 ArcView 生成的 shapefile 文件，不能导入其他文件。导入成功后，将在系统导航树中生成新的图层索引。图层删除：提供图层的删除操作。此功能只提供给特定授权用户。用户选择某一图层，再选择此功能，弹出身份验证窗口，用户通过身份验证后该功能激活。删除图层的同时其索引也同时删除。图层编辑：提供图层的编辑操作。此功能只提供给特定授权用户。用户选择某一图层后编辑，上传时验证用户身份。地图数据更新：提供地图数据的更新。 4.2.2 电子地图浏览地图显示功能：双击地图图标，则整个地图显示在用户面前。地图放大：根据用户需要，将当前需要详细了解的部分区域显示范围进行调整，具体操作用户对准某个需要查看的区域使用鼠标左键单击放大按钮就可以实现，按住鼠标左键拖动地图可显示之前隐藏的区域。对这地图不断放大，电子地图的内容越来越丰富。为实现最佳效果，地图放大若干杯后不再放大。地图缩小：根据用户需要，将当前需要详细了解的部分区域显示范围进行调整，具体操作用户对准某个需要查看的区域使用鼠标左键单击缩小按钮就可以实现，按住鼠标左键拖动地图可显示之前隐藏的区域。地图漫游：提供移动电子地图的功能。用户若想要移动电子地图，则可左键单击“漫游”按钮，然后将鼠标移动到地图上，那么鼠标的箭头图标将变成手状模样，按住鼠标左键不动，移动鼠标，则可以看到地图按鼠标拖动的方向移动，地图移动的时候图层和比例尺保持不变。地图刷新：用户点击刷新按钮，即可对当前地图实施刷新操作。地图鹰眼：点击鹰眼按钮，鹰眼矩形框内按显示比例显示当前地图显示的图面， 按住鼠标左键拖动矩形框，根据矩形框内所显示的地图位置，地图窗口内也将显示该位置的信息。地图全图显示：全图显示电子地图。用户选择全图显示的功能后，该功能激活。随后电子地图全图显示在地图显示窗口。4.2.3 电子地图输出输出为位图：将当前显示地图窗口的地图保存为 BMP（位图）文件。输出到打印机：打印当前电子地图。4.2.4 信息查询属性信息查询：系统提供此功能供用户查询特定地物的属性信息。用户选择此功能选项后，将鼠标移动到电子地图上寻找所要查询的地物，此时鼠标显示为查询状态，一旦发现所要查询的地物时，左键单击该地物，该地物的属性信息就会弹出来显示在显示结果窗口上，查询完毕，鼠标移出电子地图后，