摘要：針對(duì)校園安全信息系統(tǒng)的可視化、科學(xué)性要求，基于ArcGIS Engine進(jìn)行了西安科技大學(xué)校園安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)基于.Net 4.0平臺(tái)，采用C#編程語(yǔ)言、ArcEngine 10.0組件式GIS技術(shù)、DockPanel Suite開(kāi)源類(lèi)庫(kù)建立了校園安全系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)校園監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示、空間屬性數(shù)據(jù)查詢(xún)與編輯、最短路徑分析、通視分析、幾何網(wǎng)絡(luò)分析以及監(jiān)控區(qū)域?qū)ｎ}圖制作輸出等功能，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)校園范圍內(nèi)的安全分析。

關(guān)鍵詞：校園安全系統(tǒng)；通視分析；ArcGIS Engine

中圖分類(lèi)號(hào)：P28；TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）07-1731-03

數(shù)字校園的建設(shè)是當(dāng)今高校發(fā)展的必然趨勢(shì)，而校園安全系統(tǒng)是數(shù)字校園建設(shè)的重要組成部分。以往人們對(duì)數(shù)字校園研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在了各種類(lèi)型的校園信息管理系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化上，如教務(wù)管理子系統(tǒng)[1-3]、學(xué)籍檔案管理子系統(tǒng)[4，5]、后勤物業(yè)管理子系統(tǒng)[6，7]、高校人力資源管理系統(tǒng)[8-10]、校園財(cái)務(wù)管理信息系統(tǒng)[11]、固定資產(chǎn)管理信息系統(tǒng)[12，13]等，注重于屬性數(shù)據(jù)的管理和事務(wù)邏輯處理。而針對(duì)校園安全系統(tǒng)的建設(shè)，蘇東等[14]運(yùn)用信號(hào)控制、通信、數(shù)字視頻等技術(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)字校園監(jiān)控方案的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)安置在教室的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻點(diǎn)對(duì)有可能發(fā)生的隱患進(jìn)行監(jiān)控，偏重于對(duì)監(jiān)控設(shè)備下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的搭建，以及安保人員的崗位值守上，缺乏對(duì)校園范圍內(nèi)的安全規(guī)劃分析和調(diào)度管理的系統(tǒng)性平臺(tái)建設(shè)。在將GIS技術(shù)運(yùn)用于校園安全系統(tǒng)建設(shè)上，孫彥花等[15]利用通視分析原理并結(jié)合ArcGIS空間建模功能進(jìn)行了校園安全分析建模，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)校區(qū)范圍的安全分析，但該模型只能在ArcGIS軟件下執(zhí)行，無(wú)法與其他數(shù)字校園系統(tǒng)信息系統(tǒng)進(jìn)行集成。劉愛(ài)華等[16]以山東農(nóng)業(yè)大學(xué)虛擬校園為例，利用ArcGIS的分析功能優(yōu)勢(shì)，對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等空間分析；并能利用VBA語(yǔ)言進(jìn)行特定功能的二次開(kāi)發(fā)，從而完善三維虛擬校園的系統(tǒng)功能。王艷安等[17]以長(zhǎng)江大學(xué)虛擬校園的設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，以長(zhǎng)江大學(xué)校園為虛擬空間，以建立長(zhǎng)江大學(xué)虛擬校園為目的，實(shí)現(xiàn)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)——微機(jī)平臺(tái)虛擬校園漫游系統(tǒng)。

基于GIS技術(shù)的校園安全系統(tǒng)將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)集成并可視化顯示，用戶(hù)可以在大比例尺矢量地形圖或柵格影像上直接查看管理當(dāng)前校園范圍內(nèi)監(jiān)控設(shè)備、警衛(wèi)亭以及巡邏車(chē)隊(duì)路線的空間位置和數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)提供了基本的地圖操作、信息查詢(xún)檢索、報(bào)表輸出以及相關(guān)專(zhuān)題制圖等功能。利用地理信息技術(shù)的強(qiáng)大空間分析能力為監(jiān)控設(shè)備和警衛(wèi)亭的選址規(guī)劃、最佳巡邏路線的制定，以及校園突發(fā)事件的人員物資調(diào)配等提供輔助依據(jù)。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)與資料數(shù)據(jù)

1.1 ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)工具包

ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)工具包是美國(guó)Esri公司在ArcGIS 9.0版本后將ArcObjects中的一些組件單獨(dú)打包出來(lái)，基于COM技術(shù)可重用的通用GIS二次開(kāi)發(fā)組件產(chǎn)品。它可用于大量開(kāi)發(fā)框架中，像.Net、VC++、Delphi等開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)人員可以使用ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)工具包建立具有簡(jiǎn)單接口的集中式GIS解決方案，以集成GIS功能或嵌入式GIS邏輯到現(xiàn)有應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)地圖與用戶(hù)管理信息之間的協(xié)同關(guān)系。系統(tǒng)是在.Net 4.0平臺(tái)下使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

1.2 DockPanel Suite開(kāi)源類(lèi)庫(kù)

DockPanel Suite是一個(gè)支持選項(xiàng)卡式窗體布局的多文檔管理開(kāi)源類(lèi)庫(kù)，其選項(xiàng)卡外觀可以進(jìn)行自定義擴(kuò)展，工具欄可實(shí)現(xiàn)?？亢妥詣?dòng)隱藏，窗體在容器中拖拉操作時(shí)呈“田”字形可視化布局，便于自定義界面布局。該開(kāi)源類(lèi)庫(kù)下的窗體具有持久性功能，可將當(dāng)前的程序狀態(tài)保存為XML文件，下次打開(kāi)即加載XML還原成上次關(guān)閉時(shí)的窗體布局，給用戶(hù)帶來(lái)便捷的交互操作和良好的界面布局效果。

1.3 資料數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來(lái)源為西安科技大學(xué)1∶500地形圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為CAD格式，需要在ArcGIS下對(duì)CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，由CAD轉(zhuǎn)換成的SHAPE圖層分為五類(lèi)，分別是點(diǎn)、線、面、注記以及多面體層。這些圖層又分別包含不同類(lèi)型的地物實(shí)體、去除注記和多面體圖層，在轉(zhuǎn)換為SHAPE數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行拓?fù)洳殄e(cuò)。在系統(tǒng)中可根據(jù)監(jiān)控器和警衛(wèi)亭的原始資料文件對(duì)其進(jìn)行屬性字段數(shù)據(jù)的錄入編輯，存儲(chǔ)為Shapefile格式并保存在文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外還需要校區(qū)DEM地形數(shù)據(jù)，包括規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)和不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)，用戶(hù)可以在系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際需要由控制點(diǎn)構(gòu)建和轉(zhuǎn)換兩種類(lèi)型的DEM地形數(shù)據(jù)。

2 校園安全系統(tǒng)分析與功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析與整體設(shè)計(jì)

校園安全系統(tǒng)以現(xiàn)有的西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)1∶500地形圖矢量數(shù)據(jù)為例。在實(shí)現(xiàn)對(duì)校區(qū)地形圖的基本顯示操作和空間數(shù)據(jù)編輯管理上，通過(guò)地理建模設(shè)計(jì)工具，基于通視分析原理，將視域、視點(diǎn)分別用于可見(jiàn)性分析，進(jìn)一步為校園監(jiān)測(cè)設(shè)施的布置提供依據(jù)，基于幾何網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑分析和資源配置分析為校園最佳巡邏路線選擇、校園突發(fā)事件保安人員調(diào)配等提供依據(jù)，在構(gòu)建地理分析處理模型的基礎(chǔ)上利用ArcGIS Engine組件結(jié)合開(kāi)源類(lèi)庫(kù)DockPanel Suite進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。校園安全系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

2.2 空間分析建模

通常在開(kāi)發(fā)GIS分析功能時(shí)，較多采用的是在每一邏輯分析功能層面上進(jìn)行的開(kāi)發(fā)，一個(gè)業(yè)務(wù)分析往往是在復(fù)雜多環(huán)節(jié)流程下進(jìn)行的，通常是彈出多個(gè)窗體由用戶(hù)選擇輸入數(shù)據(jù)源、參數(shù)，設(shè)定環(huán)境條件，上一環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)是下一環(huán)節(jié)的前提條件，如果上一環(huán)節(jié)執(zhí)行出錯(cuò)，則整個(gè)業(yè)務(wù)分析將無(wú)法完成得到結(jié)果。并且在基于特定情況下的業(yè)務(wù)分析，過(guò)多地輸入?yún)?shù)選擇，路徑選擇的冗余化為用戶(hù)使用操作帶來(lái)了較大的困難。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中利用ArcGIS提供的地理處理工具M(jìn)odelBuilder，根據(jù)實(shí)際要求建立特定業(yè)務(wù)分析流之下的地理處理模型，并生成工具（.tbx格式）文件后將其引入程序中，以便捷快速的GP開(kāi)發(fā)方式來(lái)調(diào)用特定業(yè)務(wù)分析所構(gòu)建的地理處理模型，使整個(gè)業(yè)務(wù)分析在一個(gè)窗體下進(jìn)行，并忽略中間過(guò)程所產(chǎn)生的不需要的冗余數(shù)據(jù)，直接得到最終結(jié)果數(shù)據(jù)。良好的界面設(shè)計(jì)隱藏了中間環(huán)節(jié)的邏輯執(zhí)行，一次輸入操作便可得到分析結(jié)果，為用戶(hù)操作帶來(lái)方便，節(jié)省了分析處理流程時(shí)間和數(shù)據(jù)占用空間。

3 校園安全系統(tǒng)功能詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

校園安全系統(tǒng)的基本功能主要包含以下模塊。

1）圖形瀏覽操作模塊。實(shí)現(xiàn)圖層控制顯示，地圖放大、縮小、漫游、全圖、拉框選擇、鷹眼與主視圖、布局視圖的交互操作顯示。

2）空間信息查詢(xún)模塊?？稍趫D上查詢(xún)校園現(xiàn)有攝像頭和警衛(wèi)亭的空間位置信息和屬性信息。包括其監(jiān)控設(shè)施編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、啟用時(shí)間、警衛(wèi)亭的編號(hào)、值守人員、聯(lián)系方式等。也可根據(jù)監(jiān)控設(shè)施或目標(biāo)要素的非幾何屬性字段通過(guò)SQL語(yǔ)句進(jìn)行限定查詢(xún)并在圖上高亮顯示，或者是通過(guò)拉框選擇圖元進(jìn)行批量瀏覽查詢(xún)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度距離和區(qū)域面積的動(dòng)態(tài)量算顯示。

3）圖形屬性數(shù)據(jù)管理模塊。實(shí)現(xiàn)了對(duì)布控的監(jiān)測(cè)設(shè)備在圖上進(jìn)行編輯繪制，對(duì)要素屬性信息進(jìn)行添加、修改、刪除、更新。并可將監(jiān)測(cè)設(shè)備的相關(guān)信息導(dǎo)出為Excel報(bào)表文件，以便后勤存檔管理。

4）專(zhuān)題圖渲染與制作模塊。實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園監(jiān)測(cè)設(shè)備規(guī)劃布局專(zhuān)題圖、監(jiān)控區(qū)域視域范圍專(zhuān)題圖、最佳巡邏路線專(zhuān)題圖等的快速生成。通過(guò)選擇已有制圖模版或人工操作整飾等功能，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)題圖制作和輸出打印，為校園監(jiān)控設(shè)施布局規(guī)劃提供依據(jù)。

圖2為系統(tǒng)的主界面以及屬性數(shù)據(jù)管理模塊，可以通過(guò)下方的數(shù)據(jù)管理擴(kuò)展直接對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯保存并可選導(dǎo)出Excel報(bào)表。

3.2 安全分析功能設(shè)計(jì)

安全分析是基于通視分析、可視域分析以及網(wǎng)絡(luò)分析等原理，監(jiān)控設(shè)備對(duì)單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)是否通視以及沿線的可視性判斷。分別將視域和視點(diǎn)工具用于可視域范圍生成，利用網(wǎng)絡(luò)分析下的最佳路徑分析和資源配置分析，來(lái)模擬和分析巡邏車(chē)和警衛(wèi)亭在巡邏路線的選定和應(yīng)急事件的人員調(diào)配等方面的問(wèn)題。

1）地形分析模塊。系統(tǒng)可對(duì)西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)所采導(dǎo)線控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)其高程字段和構(gòu)建類(lèi)型來(lái)建立不規(guī)則三角網(wǎng)TIN圖層，并實(shí)現(xiàn)由不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)向格網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，為校園安全分析提供DEM數(shù)據(jù)來(lái)源。

2）通視分析模塊。實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)是否通視以及沿線的可見(jiàn)性。通過(guò)對(duì)輸出的通視線要素的VisCode字段進(jìn)行惟一值渲染著色，在地形圖上直觀反映該視線上的可見(jiàn)部分和不可見(jiàn)部分，可根據(jù)需要選擇輸出阻擋通視的障礙點(diǎn)。

3）可視域分析模塊。將視域和視點(diǎn)工具用于可視域范圍柵格區(qū)域的生成。其中視域工具輸出的可視域范圍柵格數(shù)據(jù)記錄著從每個(gè)監(jiān)控設(shè)備位置看到每個(gè)區(qū)域的次數(shù)，該值記錄在輸出柵格表的Value項(xiàng)中，用視點(diǎn)工具可精確識(shí)別從每個(gè)柵格表面位置看到的那些目標(biāo)點(diǎn)。

4）網(wǎng)絡(luò)分析模塊。主要實(shí)現(xiàn)了路徑分析和資源分配功能。根據(jù)校園各路段的重要性，將重要路段的道路結(jié)點(diǎn)設(shè)為必經(jīng)路段或者通過(guò)對(duì)各次要路段按照重要性設(shè)立權(quán)重比例，對(duì)巡邏車(chē)路線進(jìn)行規(guī)劃選取，以使其能科學(xué)有效地對(duì)校區(qū)進(jìn)行巡視。當(dāng)校園某位置突發(fā)緊急情況時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算各路段長(zhǎng)度、耗時(shí)并結(jié)合判斷巡邏車(chē)隊(duì)位置、警衛(wèi)亭位置以及障礙路段，應(yīng)用資源分配功能迅速找出用時(shí)最短的臨近出警人員。

圖3為模擬監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)目標(biāo)點(diǎn)間的通視情況分析結(jié)果，淺色表示的為不可見(jiàn)視線部分，深色的為可見(jiàn)視線部分。

圖4為基于視點(diǎn)工具由監(jiān)控設(shè)備生成的視域結(jié)果，可通過(guò)對(duì)監(jiān)控設(shè)備編號(hào)（OBSn）進(jìn)行SQL語(yǔ)句查詢(xún)并在地圖高亮顯示滿(mǎn)足指定條件的區(qū)域。

4 小結(jié)

基于ArcGIS Engine組件式GIS技術(shù)結(jié)合DockPanel Suite開(kāi)源類(lèi)庫(kù)，不僅縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本，并充分利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能，開(kāi)發(fā)了基于C/S模式的校園安全分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)數(shù)據(jù)的可視化顯示及編輯管理，而且利用GIS在通視分析、可視域分析、網(wǎng)絡(luò)分析方面的強(qiáng)大功能，可為校園安全設(shè)備數(shù)據(jù)管理、警衛(wèi)設(shè)施選址規(guī)劃、巡邏車(chē)巡視路線選擇、應(yīng)急事故人員調(diào)配問(wèn)題等提供依據(jù)。

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