基于ArcGISruntimeSDkfor.net的初中地理信息教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

溫馨+曾唯珈

【摘 要】本文將Esri公司的ArcGIS runtime SDK for .net技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（geographic information system）的開發(fā)理念相結(jié)合，設(shè)計出一個基于ArcGIS技術(shù)的初中地理信息教學(xué)系統(tǒng)。在本篇文章中，對該系統(tǒng)的相關(guān)體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能模塊的設(shè)計、以及系統(tǒng)得以完成運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了比較完整的論述，經(jīng)過相關(guān)測試和實際應(yīng)用證明其可行性和合理性。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)地理信息教學(xué)系統(tǒng)；ArcGIS runtime；.net；系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

隨著時代的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地理作為一門科學(xué)性強、科學(xué)面廣的學(xué)科，其進(jìn)步與發(fā)展也隨之推進(jìn)。著名的地理信息系統(tǒng)專家陳述彭院士認(rèn)為：“定性描述是地理學(xué)的第一代語言，地圖是地理學(xué)的第二代語言，地理信息系統(tǒng)（GIS）是地理學(xué)的第三代語言。”[1]傳統(tǒng)的初中學(xué)地理教學(xué)中，主要以地圖與定性描述的方式為主，定性描述存在準(zhǔn)確性有誤的問題，地圖圖紙存在圖紙易破損，不能查詢選擇，兩者亦不具備時效性，隨著信息的變動與更新，無法及時更新相應(yīng)的資料，兩者早已不能滿足地理教學(xué)的需要，唯有改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式與相應(yīng)模式，尋找到地理教學(xué)的新模式新方法，才能優(yōu)化與提高地理教學(xué)。

而GIS，作為地理學(xué)的第三代語言，其主要功能是用于地理分析與地理信息存儲，其并非為了地理教學(xué)而設(shè)計，但是GIS中的大多數(shù)功能對地理教學(xué)相當(dāng)適用。例如道路、水系等矢量數(shù)據(jù)的可視化；在GIS中對地圖的任意縮放；GIS的圖層分層顯示技術(shù)；以及可利用GIS軟件制作不同的專題地圖。

近幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，ArcGIS runtime 技術(shù)發(fā)展迅速，其簡潔、快速、漂亮的特點，使其能夠快速的占領(lǐng)市場。相比與用ArcGIS engine開發(fā)一個功能軟件，ArcGIS runtime開發(fā)出來的程序不僅更小巧、開發(fā)的更加快速，而且對機器功耗小，反應(yīng)速度更快。將ArcGIS runtime開發(fā)技術(shù)運用到中學(xué)地理教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)中，可使開發(fā)的系統(tǒng)性能更上一層樓。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

此中學(xué)地理教學(xué)系統(tǒng)采用的是輕量級兩層C/S的體系結(jié)構(gòu)，兩層分別為：C端（客戶端）桌面客戶端與S端（服務(wù)端）組成。而相對于傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)，輕量級C/S結(jié)構(gòu)主要“輕”在客戶端，客戶端主要負(fù)責(zé)對服務(wù)器端發(fā)出指令并上傳需要處理的數(shù)據(jù)，一切的空間分析問題由服務(wù)器端進(jìn)行計算和解決。

1.1 開發(fā)平臺選擇

本系統(tǒng)所選用的開發(fā)平臺為C#.net語言、VS2013 WPF框架和ESRI公司的ArcGIS runtime SDK for .net。ArcGIS Runtime是Esri公司的新一代的輕量開發(fā)產(chǎn)品，它提供多種API，可以使用WPF，Java，Qt（C++），Objective-C等語言及其相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境快速的構(gòu)建地圖應(yīng)用。ArcGIS Runtime支持在線和離線的資源調(diào)用模式，開發(fā)簡單，易于部署，輕巧靈活，并且可以按需選擇功能—從簡單地圖瀏覽到高級空間分析，以及屬性和空間的查詢。支持GP服務(wù)和地理編碼服務(wù)，異步的處理模式，易于部署，輕巧靈活。

1.2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

該中學(xué)地理信息教學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由矢量數(shù)據(jù)信息庫、柵格信息數(shù)據(jù)庫兩個空間數(shù)據(jù)庫和教學(xué)數(shù)據(jù)庫、圖片、flash數(shù)據(jù)庫組成。

其中，矢量數(shù)據(jù)庫主要用于存儲河流，道路，地標(biāo)點，以及其他矢量數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫，只用于存儲點、線、面形式的矢量數(shù)據(jù)，在查詢相應(yīng)矢量數(shù)據(jù)時，直接由空間查詢索引到矢量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查找，相對將多種形式的數(shù)據(jù)存儲到同一數(shù)據(jù)庫，此種數(shù)據(jù)庫查詢能提高查詢效率。柵格信息數(shù)據(jù)庫，主要是存儲柵格圖像，如遙感圖像，地理地圖，山脈圖等柵格底圖。教學(xué)數(shù)據(jù)庫與圖片、flash數(shù)據(jù)庫則存儲相應(yīng)的上課所需要用到的教學(xué)案例，以及教學(xué)PPT、教學(xué)時所需要用到的圖片等非空間數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)功能模塊

中學(xué)地理信息教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊，初步設(shè)計為以下8個功能模塊，如圖2所示。

圖層加載模塊：在該系統(tǒng)中利用ArcGIS runmine 服務(wù)，對ArcGIS runtime服務(wù)器端的地圖底圖進(jìn)行調(diào)用，加載出一副底圖圖像。

在線地圖變換：提供不同的地圖底圖，不同的地圖底圖可以相互切換。主要是根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行地圖底圖的切換，如行政區(qū)域圖與實時的遙感衛(wèi)星圖像的切換，這些在線地圖服務(wù)，主要都是由Esri公司的ArcGIS runtime服務(wù)提供的。

本地數(shù)據(jù)加載：本地數(shù)據(jù)加載分為地圖包數(shù)據(jù)加載與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)加載。其中，地圖包數(shù)據(jù)加載是將打包好過后的地圖包進(jìn)行數(shù)據(jù)的加載，加載的數(shù)據(jù)可疊置在原先已有的底圖數(shù)據(jù)上。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)加載，是將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)調(diào)出，調(diào)出操作時，提供4種不同的數(shù)據(jù)庫選擇，不同類型的數(shù)據(jù)在不同的數(shù)據(jù)庫中調(diào)出。

數(shù)據(jù)編輯：對調(diào)出的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，并且可修改其相應(yīng)屬性值。

數(shù)據(jù)渲染：對不同的矢量數(shù)據(jù)（點，線，面）可以進(jìn)行渲染，渲染分為唯一值的渲染和簡單渲染兩種渲染方式。

趣味地理：增強地理教學(xué)的娛樂性，點擊該模塊后，出現(xiàn)相應(yīng)圖片，在點擊圖片后，相應(yīng)的地標(biāo)點在地圖中放大并顯示地標(biāo)點屬性。

3D光照模型：提供3維wgs84橢球體模型，可進(jìn)行全球在北京時間下的光照條件模擬。

數(shù)據(jù)查詢：可快速查找相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)的位置，并且突出顯示。

鷹眼模塊：在系統(tǒng)主界面提供鷹眼窗口，對地圖位置的調(diào)整。

數(shù)據(jù)顯示功能：在點擊圖上的對應(yīng)矢量數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的屬性信息會在相應(yīng)數(shù)據(jù)框中得到顯示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多級瓦片緩存離線地圖包制作技術(shù)

多級瓦片緩存離線地圖包制作技術(shù)是將高清的衛(wèi)星影像地圖或者其他的柵格數(shù)據(jù)類型的地圖通過地圖瓦片分層切片技術(shù)制作成為瓦片地圖再將其制作成可離線使用的瓦片地圖包的一種技術(shù)。通過該技術(shù)得到離線地圖包，使數(shù)據(jù)方便使用，無需擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)問題，同時，數(shù)據(jù)加載速度也得到提高。[2]

制作離線瓦片緩存地圖包有兩種方法：（1）利用Arcmap，建立地圖集，再通過地圖集生成相應(yīng)的地圖包；（2）利用ArcGIS Server的地圖緩存服務(wù)導(dǎo)出地圖包。兩者比較，前者需要將對于的地圖集文件配置好，生成速度慢，數(shù)據(jù)量過大則無法生成。后者需要有ArcGIS Server的在線瓦片地圖服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫管理查詢技術(shù)

本系統(tǒng)中存在兩種類型的數(shù)據(jù)庫，即：空間數(shù)據(jù)庫與非空間數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)擁有對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改調(diào)用、查詢的功能，這些功能的實現(xiàn)都需要數(shù)據(jù)庫的管理與查詢技術(shù)。在修改數(shù)據(jù)時，需要一個系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的接口，來反應(yīng)數(shù)據(jù)的改變。同時，數(shù)據(jù)庫的查詢時，也需要建立相關(guān)索引。

3.3 ArcGIS runtime數(shù)據(jù)交互與命令傳輸技術(shù)

本系統(tǒng)主要是利用ArcGIS runtime服務(wù)技術(shù)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理以及分析請求上傳至ArcGIS runtime 服務(wù)器端，利用ArcGIS runtime服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)分析與處理，再將處理結(jié)果傳輸?shù)阶烂婵蛻舳?，要實現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)傳輸與命令請求，就需要用到ArcGIS runtime 的數(shù)據(jù)交互和命令傳輸技術(shù)，其中，命令傳輸技術(shù)是處理命令、傳輸命令、傳回命令的技術(shù)，而數(shù)據(jù)交互技術(shù)則是上傳數(shù)據(jù)和返回數(shù)據(jù)的處理技術(shù)。

4 系統(tǒng)運行情況簡介

初步實現(xiàn)的中學(xué)地理信息教育系統(tǒng)，功能較為齊全，能夠完成教學(xué)任務(wù)，且界面布局簡單易懂、界面清晰、美觀。其主界面情況如圖3。

主界面上方為對應(yīng)功能的菜單欄，菜單欄下方為主顯示界面，而在主界面的右下角為鷹眼。圖4 為系統(tǒng)在加載數(shù)據(jù)后點擊對應(yīng)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)相應(yīng)屬性的顯示情況。

5 結(jié)語

通過ArcGIS runtime技術(shù)來實現(xiàn)中學(xué)地理信息教學(xué)系統(tǒng)是一種改革地理教學(xué)的新途徑，本系統(tǒng)也只是一個中學(xué)地理信息教學(xué)的初步設(shè)計與實現(xiàn)，但隨著ArcGIS runtime 技術(shù)的推廣與發(fā)展，該系統(tǒng)也能逐漸的完善，達(dá)到更加適用的程度。該系統(tǒng)是對于ArcGIS runtime技術(shù)開發(fā)，在地理教學(xué)系統(tǒng)方向的發(fā)展的一次探索，相信以后會有更多的科研工作者將ArcGIS runtime 技術(shù)投入到地理教育方向的開發(fā)上來。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李玉萍.文化·道[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[2]麻萬諸，李麗，陸若輝等.基于ArcGIS Runtime for WPF的觸摸屏施肥咨詢系統(tǒng)集成與應(yīng)用[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，27（12）：2206-2211.

[3]韓旭麗，羅德安.基于WebGIS的中學(xué)地理教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國建設(shè)教育，2009（8）.

[4]張躍西，江興亮.地理教學(xué)系統(tǒng)思維方法——兼論教材體系建設(shè)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1996（04）：390-394.

[5]傅興鼎，陳啟洪.中學(xué)地理教學(xué)系統(tǒng)的特點及發(fā)展途徑[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，1996（05）：31-33.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]