新疆大學(xué)校園地理信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

陳 晨，劉 斌，鄭江華

(1.新疆大學(xué) 智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830046;2.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046)

0 引言

隨著“數(shù)字校園”的建設(shè)逐漸被納入高?，F(xiàn)代化發(fā)展規(guī)劃[1]，新疆大學(xué)先后完成了綜合信息服務(wù)系統(tǒng)、教務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)[2]、古籍?dāng)?shù)字圖書館系統(tǒng)[3]、教師工作量管理系統(tǒng)[4]、誠(chéng)信考試在線報(bào)名信息系統(tǒng)[5]、實(shí)驗(yàn)室信息共享系統(tǒng)[6]等一系列校級(jí)規(guī)模的軟件系統(tǒng)構(gòu)建；而以吾守爾·斯拉木院士為核心的新疆多語(yǔ)種信息技術(shù)產(chǎn)學(xué)研基地[7]，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)世界領(lǐng)先的多語(yǔ)種信息處理系統(tǒng)多項(xiàng)，極大地促進(jìn)了新疆大學(xué)信息化建設(shè)的發(fā)展.與此同時(shí)，面向未入校及在校學(xué)生、教職工、交流來(lái)訪等人員，提供校園各地理要素的空間位置與相關(guān)信息的數(shù)字化與可視化瀏覽與查詢服務(wù)，日益提上新疆大學(xué)信息化建設(shè)的發(fā)展日程.

新疆大學(xué)現(xiàn)有的校園地理信息資料主要為以規(guī)劃設(shè)計(jì)、專題示意為主等地圖圖件，大多以紙質(zhì)形式記錄保存，拷貝復(fù)制困難，大量發(fā)行則又會(huì)由于校園設(shè)施環(huán)境不斷改善引起數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性下降.盡管當(dāng)前谷歌地圖、百度地圖等商業(yè)網(wǎng)絡(luò)電子地圖都提供了覆蓋校園范圍的空間信息服務(wù)，然而迄今為止對(duì)于高校內(nèi)部的地理信息表現(xiàn)詳盡程度仍然有限，不能適用于針對(duì)高校尺度的地理信息需求.因此，本文以新疆大學(xué)本部校區(qū)為例，進(jìn)行校園地理信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹基于MapX組件與Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)新疆大學(xué)校園地理信息服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù).

1 用戶需求分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段，從當(dāng)前已發(fā)表的校園地理信息系統(tǒng)開發(fā)案例中參考借鑒并制作問(wèn)卷，對(duì)部分在校本科生、研究生、留學(xué)生、教職工、交流訪問(wèn)人員進(jìn)行隨機(jī)用戶需求調(diào)查；整理與統(tǒng)計(jì)問(wèn)卷結(jié)果，與具有代表性的潛在用戶建立周期性訪談關(guān)系，貫穿系統(tǒng)整個(gè)開發(fā)過(guò)程始終.

經(jīng)過(guò)充分分析用戶需求，系統(tǒng)應(yīng)主要具備：（1）信息詳實(shí)，系統(tǒng)能夠滿足地圖顯示、瀏覽、注釋、查詢、空間實(shí)體圖片關(guān)聯(lián)參照、標(biāo)記等功能；（2）用戶可以將自行編輯的即時(shí)視圖輸出，或轉(zhuǎn)存至其它電子設(shè)備便于隨時(shí)隨地查看；（3）安裝簡(jiǎn)單，對(duì)軟硬件要求低，界面友好，易于操作，用戶有很大的自主應(yīng)用空間；（4）系統(tǒng)能夠提供實(shí)用細(xì)致的幫助手冊(cè)等特點(diǎn)，詳情見表1.

表1 系統(tǒng)基本功能

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶需求分析結(jié)果，系統(tǒng)建設(shè)的核心是基于空間位置的信息服務(wù)，空間定位與屬性數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)校園空間要素實(shí)體的瀏覽、圖文信息的雙向查詢等功能.考慮當(dāng)前最為經(jīng)濟(jì)、高效、適用的技術(shù)方法之一：采用具有地圖分析功能的GIS（地理信息系統(tǒng)）組件MapX，標(biāo)準(zhǔn)的可視化開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio 2010，選用VB.net編程語(yǔ)言，空間數(shù)據(jù)為支持MapX控件的.tab（空間數(shù)據(jù)圖層文件）與.gst（空間數(shù)據(jù)集文件）格式，屬性數(shù)據(jù)采用Microsoft Access管理，通過(guò)關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接，系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

采用這種方案開發(fā)新疆大學(xué)校園地理信息服務(wù)系統(tǒng)：(1)基于MapX組件式開發(fā)技術(shù)，高效可靠、易于部署；(2)運(yùn)用完全的面向?qū)ο蟮腣B.NET語(yǔ)言，類庫(kù)豐富，簡(jiǎn)捷穩(wěn)定；(3)采用模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)軟件需要開發(fā)人員進(jìn)行相關(guān)功能的增刪與完善時(shí)，數(shù)據(jù)與代碼更新的工作量大大降低，便于功能拓展和更新升級(jí).

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

校園地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)建立是一個(gè)將校園地理要素最終抽象為能夠由系統(tǒng)使用的存儲(chǔ)模型的過(guò)程，需要經(jīng)歷從概念模型到邏輯模型再到存儲(chǔ)模型等階段，如圖2所示.在總體設(shè)計(jì)階段，對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、分類、編碼等進(jìn)行設(shè)計(jì)；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段主要是進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的采集與處理，同時(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)表、確定表的關(guān)系和主關(guān)鍵字，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言等.

圖2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)圖

3.1 空間數(shù)據(jù)組織

在基于MapX組件式地理信息系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，需要將多源數(shù)據(jù)組織為特定的.tab地圖圖層文件，最終按照一定順序存儲(chǔ)為校園地理信息服務(wù)系統(tǒng)能夠支持的地圖圖層集.gst數(shù)據(jù)格式，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)的模擬顯示與查詢.

具體操作如下：（1）使用GPS接收機(jī)對(duì)校園選擇分布均勻的典型地面控制點(diǎn)進(jìn)行精確定位，獲取地理坐標(biāo)信息；（2）在遙感數(shù)字圖像處理軟件ENVI中通過(guò)控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)包括新疆大學(xué)空間范圍的2013年空間分辨率為1.65 m的GeoEye-1多光譜衛(wèi)星遙感影像（見圖3-左）進(jìn)行幾何精校正，使遙感影像具有空間參照；（3）在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中，以分類分層的原則對(duì)新疆大學(xué)校園內(nèi)地理實(shí)體進(jìn)行人工目視數(shù)字化矢量編輯，得到校園地理要素圖層.shp格式數(shù)據(jù)；（4）使用FME空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理軟件，將.shp格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MapX能夠使用的.tab格式的圖層數(shù)據(jù)；（5）在MapX提供的Geoset Manager中，將所有.tab圖層按照權(quán)重順序疊加匯總，設(shè)置地圖配色、標(biāo)注顯示等方案后，保存為.gst地圖圖層集，最終用于在系統(tǒng)的地圖控件中顯示與操作（見圖3-右）.

圖3 新疆大學(xué)本部校區(qū)衛(wèi)星遙感影像（左）與數(shù)字線劃地圖（右）

這樣組織空間數(shù)據(jù)有以下目的：（1）以點(diǎn)、線、面矢量分類、分層抽象表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜實(shí)體，保持了空間實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系，精度高，容易實(shí)現(xiàn)面向空間實(shí)體對(duì)象的操作，顯示、輸出質(zhì)量好；（2）數(shù)據(jù)量小，冗余度低，當(dāng)出現(xiàn)校園規(guī)劃地圖變更時(shí)，只需變更地圖數(shù)據(jù).tab，并重新生成.gst文件，然后覆蓋應(yīng)用程序安裝目錄中的地圖文件即可.

3.2 屬性數(shù)據(jù)組織

校園地理要素屬性數(shù)據(jù)需以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)組織，可以采用建立二維表的方式對(duì)地理實(shí)體進(jìn)行編碼、索引、定義和描述.其中空間數(shù)據(jù)實(shí)體與屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)圖元與屬性，所以需要在確定圖層組成、空間數(shù)據(jù)表索引、圖層命名、實(shí)體關(guān)系、關(guān)鍵字段命名規(guī)則的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)字典，確?？臻g數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，逐層深入編碼方法如圖4所示.

圖4 屬性數(shù)據(jù)組織示例圖

4 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

用戶界面由（1）標(biāo)題欄、（2）菜單欄、（3）工具條、（4）地圖視窗、（5）定位總覽視窗、（6）查詢工具欄、（7）圖片窗口、（8）狀態(tài)欄共8個(gè)部分組成，如圖5所示.

圖5 用戶界面

標(biāo)題欄用于顯示系統(tǒng)名稱與系統(tǒng)標(biāo)識(shí)-新疆大學(xué)?；?，支持最小化、最大化與關(guān)閉系統(tǒng)操作.

菜單欄包括文件、視圖、瀏覽、注記、幫助五個(gè)基本菜單項(xiàng).見圖6.

工具條包括地圖瀏覽工具、地圖注記工具條，見圖7.

地圖視窗是地圖瀏覽、地圖注記、圖元與屬性交互查詢、地圖輸出等主要功能實(shí)現(xiàn)的最主要載體.地圖以不同比例尺顯示時(shí)，地圖視窗中地物要素、符號(hào)、標(biāo)注信息顯示的詳細(xì)程度也會(huì)不同.當(dāng)鼠標(biāo)在“地圖視窗”范圍內(nèi)時(shí)，滾動(dòng)鼠標(biāo)滑輪，可以看到不同詳細(xì)程度的地物要素、符號(hào)、標(biāo)注信息.地圖比例尺越大，地圖視窗中地物要素、符號(hào)、標(biāo)注信息的顯示越詳細(xì)，見圖8.

圖6 注記功能

圖7 系統(tǒng)工具條

圖8 地圖視窗

總覽視窗以紅色矩形框表明當(dāng)前地圖視窗顯示范圍，見圖9.

圖9 查詢視窗

圖10 圖片視窗非查詢狀態(tài)下顯示內(nèi)容（左）、查詢“新疆大學(xué)正門”狀態(tài)下顯示內(nèi)容（右）

查詢視窗分為三個(gè)選項(xiàng)卡，分別用于用屬性查詢圖元、用圖元查詢屬性、用文本查詢屬性.

圖片視窗在未執(zhí)行查詢狀態(tài)下顯示默認(rèn)內(nèi)容（圖10左），查詢狀態(tài)下顯示查詢地理要素對(duì)象的影像內(nèi)容，如查詢新疆大學(xué)正門時(shí)顯示圖10右.

狀態(tài)欄右下角實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)指針?biāo)诘貓D位置上的地理坐標(biāo)，如圖11.

圖11 狀態(tài)欄地理坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示

用戶最終可以利用系統(tǒng)將地圖視窗當(dāng)前顯示的全部?jī)?nèi)容保存為可選格式的圖片文件，如圖12所示.

圖12 輸出的地圖文件

5 結(jié)論與展望

通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)新疆大學(xué)校園地理信息服務(wù)系統(tǒng)v1.0，主要得出以下結(jié)論：

（1）數(shù)字化、可視化的新疆大學(xué)校園地理信息系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)代高校規(guī)劃與管理工作的發(fā)展需要，能夠?yàn)楸姸嘤脩籼峁┬@地理信息服務(wù).

（2）高分辨率遙感影像等多源空間數(shù)據(jù)協(xié)同進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、編輯、顯示、描述，可以較全面地反映校園包括各類地理要素的空間位置、分布及其關(guān)聯(lián)屬性信息的現(xiàn)狀.

（3）系統(tǒng)界面友好、用戶手冊(cè)完備、操作簡(jiǎn)單，用戶可以根據(jù)需求靈活地進(jìn)行瀏覽、查詢、圖文標(biāo)注、電子地圖輸出等實(shí)用操作.

（4）信息便于傳輸與共享，一次建設(shè)，可使全校共享準(zhǔn)確、詳實(shí)、便利的校園地理信息服務(wù).即便校園環(huán)境發(fā)生變化，只需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)更新，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)捷高效.

在地理信息系統(tǒng)飛速發(fā)展的今天，新疆大學(xué)校園地理信息服務(wù)系統(tǒng)將繼續(xù)向多語(yǔ)化、網(wǎng)絡(luò)化、三維化、移動(dòng)化方向發(fā)展，為更多用戶提供服務(wù)，同時(shí)也與眾多開發(fā)者與團(tuán)隊(duì)共同致力于“數(shù)字校園”建設(shè).