陳 晨,劉 斌,鄭江華
(1.新疆大學 智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室,新疆 烏魯木齊830046;2.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,新疆烏魯木齊 830046)
隨著“數(shù)字校園”的建設逐漸被納入高?,F(xiàn)代化發(fā)展規(guī)劃[1],新疆大學先后完成了綜合信息服務系統(tǒng)、教務網絡管理系統(tǒng)[2]、古籍數(shù)字圖書館系統(tǒng)[3]、教師工作量管理系統(tǒng)[4]、誠信考試在線報名信息系統(tǒng)[5]、實驗室信息共享系統(tǒng)[6]等一系列校級規(guī)模的軟件系統(tǒng)構建;而以吾守爾·斯拉木院士為核心的新疆多語種信息技術產學研基地[7],在國內首創(chuàng)世界領先的多語種信息處理系統(tǒng)多項,極大地促進了新疆大學信息化建設的發(fā)展.與此同時,面向未入校及在校學生、教職工、交流來訪等人員,提供校園各地理要素的空間位置與相關信息的數(shù)字化與可視化瀏覽與查詢服務,日益提上新疆大學信息化建設的發(fā)展日程.
新疆大學現(xiàn)有的校園地理信息資料主要為以規(guī)劃設計、專題示意為主等地圖圖件,大多以紙質形式記錄保存,拷貝復制困難,大量發(fā)行則又會由于校園設施環(huán)境不斷改善引起數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性下降.盡管當前谷歌地圖、百度地圖等商業(yè)網絡電子地圖都提供了覆蓋校園范圍的空間信息服務,然而迄今為止對于高校內部的地理信息表現(xiàn)詳盡程度仍然有限,不能適用于針對高校尺度的地理信息需求.因此,本文以新疆大學本部校區(qū)為例,進行校園地理信息服務系統(tǒng)的設計,介紹基于MapX組件與Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)新疆大學校園地理信息服務系統(tǒng)的開發(fā)技術.
在系統(tǒng)設計準備階段,從當前已發(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卷,對部分在校本科生、研究生、留學生、教職工、交流訪問人員進行隨機用戶需求調查;整理與統(tǒng)計問卷結果,與具有代表性的潛在用戶建立周期性訪談關系,貫穿系統(tǒng)整個開發(fā)過程始終.
經過充分分析用戶需求,系統(tǒng)應主要具備:(1)信息詳實,系統(tǒng)能夠滿足地圖顯示、瀏覽、注釋、查詢、空間實體圖片關聯(lián)參照、標記等功能;(2)用戶可以將自行編輯的即時視圖輸出,或轉存至其它電子設備便于隨時隨地查看;(3)安裝簡單,對軟硬件要求低,界面友好,易于操作,用戶有很大的自主應用空間;(4)系統(tǒng)能夠提供實用細致的幫助手冊等特點,詳情見表1.
表1 系統(tǒng)基本功能
根據(jù)用戶需求分析結果,系統(tǒng)建設的核心是基于空間位置的信息服務,空間定位與屬性數(shù)據(jù)一一對應,從而實現(xiàn)校園空間要素實體的瀏覽、圖文信息的雙向查詢等功能.考慮當前最為經濟、高效、適用的技術方法之一:采用具有地圖分析功能的GIS(地理信息系統(tǒng))組件MapX,標準的可視化開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio 2010,選用VB.net編程語言,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,通過關鍵字實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接,系統(tǒng)邏輯結構見圖1.
圖1 系統(tǒng)邏輯結構圖
采用這種方案開發(fā)新疆大學校園地理信息服務系統(tǒng):(1)基于MapX組件式開發(fā)技術,高效可靠、易于部署;(2)運用完全的面向對象的VB.NET語言,類庫豐富,簡捷穩(wěn)定;(3)采用模塊化設計,當軟件需要開發(fā)人員進行相關功能的增刪與完善時,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.
校園地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫建立是一個將校園地理要素最終抽象為能夠由系統(tǒng)使用的存儲模型的過程,需要經歷從概念模型到邏輯模型再到存儲模型等階段,如圖2所示.在總體設計階段,對數(shù)據(jù)的結構、分類、編碼等進行設計;在詳細設計階段主要是進行空間數(shù)據(jù)的采集與處理,同時設計系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)表、確定表的關系和主關鍵字,并設計數(shù)據(jù)定義語言等.
圖2 空間數(shù)據(jù)庫設計圖
在基于MapX組件式地理信息系統(tǒng)的開發(fā)過程中,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為校園地理信息服務系統(tǒng)能夠支持的地圖圖層集.gst數(shù)據(jù)格式,以實現(xiàn)計算機對現(xiàn)實的模擬顯示與查詢.
具體操作如下:(1)使用GPS接收機對校園選擇分布均勻的典型地面控制點進行精確定位,獲取地理坐標信息;(2)在遙感數(shù)字圖像處理軟件ENVI中通過控制點坐標對包括新疆大學空間范圍的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新疆大學校園內地理實體進行人工目視數(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)轉換處理軟件,將.shp格式的數(shù)據(jù)轉換為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圖層按照權重順序疊加匯總,設置地圖配色、標注顯示等方案后,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、線、面矢量分類、分層抽象表達現(xiàn)實世界的復雜實體,保持了空間實體的拓撲關系,精度高,容易實現(xiàn)面向空間實體對象的操作,顯示、輸出質量好;(2)數(shù)據(jù)量小,冗余度低,當出現(xiàn)校園規(guī)劃地圖變更時,只需變更地圖數(shù)據(jù).tab,并重新生成.gst文件,然后覆蓋應用程序安裝目錄中的地圖文件即可.
校園地理要素屬性數(shù)據(jù)需以關系型數(shù)據(jù)庫組織,可以采用建立二維表的方式對地理實體進行編碼、索引、定義和描述.其中空間數(shù)據(jù)實體與屬性數(shù)據(jù)項的一一對應關系是實現(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、實體關系、關鍵字段命名規(guī)則的基礎上建立數(shù)據(jù)字典,確保空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)嚴格的一一對應關系,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
用戶界面由(1)標題欄、(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個部分組成,如圖5所示.
圖5 用戶界面
標題欄用于顯示系統(tǒng)名稱與系統(tǒng)標識-新疆大學?;?,支持最小化、最大化與關閉系統(tǒng)操作.
菜單欄包括文件、視圖、瀏覽、注記、幫助五個基本菜單項.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現(xiàn)的最主要載體.地圖以不同比例尺顯示時,地圖視窗中地物要素、符號、標注信息顯示的詳細程度也會不同.當鼠標在“地圖視窗”范圍內時,滾動鼠標滑輪,可以看到不同詳細程度的地物要素、符號、標注信息.地圖比例尺越大,地圖視窗中地物要素、符號、標注信息的顯示越詳細,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)下顯示內容(左)、查詢“新疆大學正門”狀態(tài)下顯示內容(右)
查詢視窗分為三個選項卡,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)下顯示默認內容(圖10左),查詢狀態(tài)下顯示查詢地理要素對象的影像內容,如查詢新疆大學正門時顯示圖10右.
狀態(tài)欄右下角實時顯示鼠標指針所在地圖位置上的地理坐標,如圖11.
圖11 狀態(tài)欄地理坐標實時顯示
用戶最終可以利用系統(tǒng)將地圖視窗當前顯示的全部內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
通過設計與實現(xiàn)新疆大學校園地理信息服務系統(tǒng)v1.0,主要得出以下結論:
(1)數(shù)字化、可視化的新疆大學校園地理信息系統(tǒng)適應現(xiàn)代高校規(guī)劃與管理工作的發(fā)展需要,能夠為眾多用戶提供校園地理信息服務.
(2)高分辨率遙感影像等多源空間數(shù)據(jù)協(xié)同進行空間數(shù)據(jù)采集、儲存、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、分布及其關聯(lián)屬性信息的現(xiàn)狀.
(3)系統(tǒng)界面友好、用戶手冊完備、操作簡單,用戶可以根據(jù)需求靈活地進行瀏覽、查詢、圖文標注、電子地圖輸出等實用操作.
(4)信息便于傳輸與共享,一次建設,可使全校共享準確、詳實、便利的校園地理信息服務.即便校園環(huán)境發(fā)生變化,只需進行相應的數(shù)據(jù)更新,運行維護簡捷高效.
在地理信息系統(tǒng)飛速發(fā)展的今天,新疆大學校園地理信息服務系統(tǒng)將繼續(xù)向多語化、網絡化、三維化、移動化方向發(fā)展,為更多用戶提供服務,同時也與眾多開發(fā)者與團隊共同致力于“數(shù)字校園”建設.