校园GIS总体设计

武汉大学
《地理信息系统教程》课程论文
武汉大学校园GIS总体设计
The Overall Design of Campus Geogr aphic Information
System in Wuhan University
学院：资源与环境科学学院
专业：地理科学基地班
学号：2009301110005
姓名：王好峰
任课教师：任福
2011年4月
第一章CGIS概述
1.1 CGIS概念
GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

校园地理信息系统(Campus Geographic Information System, CGIS)是地理信息系统(GIS)的一个分支，具有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。

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。

1.2 CGIS发展
“数字校园”的历史要追溯到上个世纪，1990年由美国克莱蒙特大学教授凯尼斯·格林(kenneth Green)发起并主持的一项大型科研项目“信息化校园计划”( The Campus Comquting Project)，被认为是数字化校园概念的最早出现。

在实践的过程中,数字校园的理念得到了完善和扩充。

随着信息可视化(Information Visualization)技术和GIS技术的发展及广泛应用，出现了一种新的数字校园的理念，即在现实校园的基础上构建可视化的虚拟校园。

这是一种基于地球地理坐标系建立的关于校园的空间信息模型，通过信息网络将现实校园的各种信息收集、整理、归纳、存储、分析和优化，进而对校园的各种资源、生态环境、社会环境、教学环境等方面的实体和现象进行模似、仿真、表现、分析和深入认识。

基于GIS的数字校园，即校园地理信息系统是由一张电子地图和若于图层组成。

1.3 CGIS的功能和意义
校园地理信息系统的建立和应用，可从根本上改变目前无序的人工管理状态，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。

将其应用于学校后勤管理部门，可以提高学校后勤管理的
水平;将CGIS搭乘上校园网络的快车，可以提高管理和决策的透明度，同时也将扩大CGIS的应用范围;将CGIS应用至校务管理部门，可以有效的提高校务管理水平。

建立校园地理信息系统的意义归纳起来主要有以下几个方面:
(1)可以成功地用数字产品全面地反映校园地理信息的现状，包括各类建筑物的空间位置、分布及其相互关系。

由于系统的空间信息和属性信息都实现了数据库管理，可以生成用户所需的各种数字化信息。

(2)有利于校园资源的更加经济有效的利用。

将校园的地理位置信息与学生的选课信息相结合，可以进行各种统计分析和空间分析，实现了教室资源的优化配置。

(3)有利于学生信息的有序化管理。

将学生档案信息与地理信息相结合，可快速、准确地进行学生信息的检索查询和定位。

(4)有利于校园各种建筑物的有序化管理。

可快速、准确地进行各类建筑物的检索查询和定位，为管理和设计规划提供准确而详细的数据，这种检索和查询是双基于矢量图形的校园地理信息系统技术研究向的，既可以根据图形查属性，又可以根据属性显示相应的图形。

(5)由于使用了计算机管理，管理信息便于传输，适合一次建设，多家共享。

使用网络分析工具来优化资源调配，作各种应急处理，提高了决策的科学性。

就目前而言，校园地理信息系统的建立是一个热门的课题。

武汉大学作为中国的一所著名高等学府，在该方面的研究和实施还并未完善，我谨希望能通过这篇论文表达自己的一些想法。

第二章WHu CGIS 系统调查分析
本文主要是介绍武汉大学校园GIS的总体设计方案，因此，对于该校园GIS建设的系统调查分析阶段，只是简要提供一些理论方面的内容，并不针对武汉大学作具体的分析。

2.1 武汉大学概述
武汉大学是中央部属高校，教育
部直属重点综合性大学，是国家“985
工程”和“211工程”重点建设高
校。

学校占地面积5167亩，建筑面积
252万平方米。

2000年经合校组建后，，
校园增加到四个校区分别为：文理学
部（即原国立武汉大学校区）、工学部、
信息学部、医学部。

武汉大学学科门
类齐全、综合性强、特色明显，涵盖
了哲、经、法、教育、文、史、理、工、农、医、管理等11个学科门类。

学校现有普通本科生31280人，硕士研究生10731人，博士研究生6736人，其中包括港澳台侨学生566人，有外国留学生 1491 人。

学校现有专任教师3500余人，其中正副教授2300余人。

作为中国的一所著名的高等学府，武汉大学有着庞大的师资队伍、管理机构、科研机构、项目以及各种建筑，它们之间的关系错综复杂。

同时，武汉大学包括四个不同的学部，其中，文理学部和工学部相邻，而信息学部和它们之间相隔着一条马路，医学部位于工学部北侧，距离较远。

长久以来，地理空间上的间隔等各方面的原因为武汉大学的管理以及学生教师等的生活或学习带来了极大的不便，严重阻碍了校园的运行及发展。

同时，武汉大学部门繁杂，包括党群部门，行政部门（教务部，人事部，财务部，保卫部等），直属部门（图书馆，档案馆，校医院，体育部等）以及后勤部门在内的众多部门都需要应用GIS系统对数据进行管理。

因此，建立一个能够满足学生生活学习、教师教学科研、校园管理、外来单位及人员等多方面的合理便捷的校园GIS势在必行。

2.2 需求调查与分析（简要）
需求调查与分析，是对用户以及相应的用户群的要求和对用户以及其群体的情况进行调查分析。

调查的主要内容概括如下：
（1）用户的性质、规模、结构、职责。

应当了解用户单位工作性质，机构设置的职责，工作任务的目的、规模，以及他们系统支持的强度，并调查哪些部门、哪些人员的职责同欲建GIS有直接、间接关系。

（2）传统的处理和管理方法。

要详细了解传统方法的作业流程及存在的主要问题，以便全面衡量工作广度、深度及要突破的关键技术。

（3）要求新系统产生的结果和可获得资料、数据的程度。

（4）用户对应用界面和程序接口的要求。

用户对新系统的要求必须明确、具体，有些是直接的，有些是长期的、理想的，都要分门别类，了解透彻。

对于资料应了解该资料、数据能否足够支持新系统，并能否及时提供。

（5）潜在用户和地理信息系统的潜力。

设计者应当把握潜在用户的要求，在满足当前用户要求的前提下，归纳、抽象推广到更广的用户的需求。

目前，相当大一部分高校的信息管理还停留在MIS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。

基于校园GIS的特征和功能，根据目前学校已有的管理信息系统，结合地理信息系统空间处理的功能，CGIS能够对学校区域、房屋(如教学楼、体育基于矢量图形的校园地理信息系统技术研究馆、礼堂、办公楼、学生宿舍楼等)各层房间的分布，各个房间用途、负责人、电话等信息进行管理。

它具有楼图、楼层房间图的浏览、录入、编辑、查询、打印输出，以及相关统计报表功能。

另外，空间信息可以与非空间信息(人事、管理、课程、学生等)无缝地结合起来，使系统成为一个和谐的整体。

学校有些公共设施并没有建立相应的管理系统，如道路、宗地、房产、绿地、通讯线路、动力管线、消防设施、上下水管线等，本系统的开发可以使这些与学校日常生活息息相关的东西以地图与属性数据形式明晰的反映在新系统中，为学校的日常管理和日后的决策分析提供直观、准确的资料。

另外，新系统需要提供空间信息与非空间信息相结台的数据分析功能，为学校决策层提供辅助。

例如，通过统计各个教学部教职工的职称、年龄分布，统计各个教学部所占房产面积、人均房产面积等，来正确掌握学校资产部门的空间分布状况。

2.3 可行性分析（简要）
可行性分析是对建立系统的必要性和实现目标的可能性，从社会、经济、技术三个方面进行分析，以确定用户的实力、系统环境、资料、数据、数据流量、硬件能力、软件系统、经费预算以及时间分析和效益分析。

（1）理论上可行。

（2）技术上可行。

（3）成本可行。

在我看来，武汉大学在GIS技术方面有较大优势，难度较大的一点在于数据采集以及数据库的建立，这方面需要大量长时间的细致工作。

但是，校园GIS
的独特功能和实用性使得其建立势在必行。

第三章WHu CGIS 总体设计方案
3.1 系统目标
校园GIS是GIS的一个分支，其目的在于运用各种GIS技术以及功能实现校园管理的高效化，同时尽可能满足各方面用户的需求。

其系统设计目标主要包括：(1)建立完善的校园基础地理信息数据库和基础设施数据库，初步建立校园图形库；
(2)利用webGIS技术将部分校园信息进行网上发布，实现数据共享；
(3)完成复杂的地形图及各种专题图的显示、查询、开窗、缩放以及GIs独特、强大的空间分析功能，便于各级领导对校园的整体规划与统一管理进行可视化的分析与决策，同时也便于全校师生查询、检索所需信息；
(4)实现统计报表和统计专题图的显示和输出功能；
(5)实现空问分析功能，如最短路径分析、空间距离计算及缓冲区分析等；
(6)对系统数据进行动态更新。

3.2 系统结构组成
根据GIS的特点以及校园GIS的需求分析，校园GIS可分为四层：第一层为用户层，是最常用的Web浏览器，用户可通过浏览器直接与系统进行交互，直观的查看地图显示;第二层为Web服务器层，包括Internet以及校园内部局域网等，负责Web信息传输与交互，将第三层的GIS服务器中处理的地理信息表现向客户端浏览器发送，同时也负责将客户的GIS操作发送给GIS服务器;第三层为GIS 服务器层，负责对地理数据进行各种处理;第四层为数据供给层，由ArcSDE和Oracle共同组成，对空间数据和属性数据进行组织和管理。

主要包括校园基础地理信息数据库，校园基础设施数据库，校园图形数据库，学校教师、学生及其他人员属性数据。

用户
Web服务器
GIS服务器
数据库
3.3 系统功能设计
校园信息包括空间信息和非空间信息，校园GIS可将校园内各资源的图形及其属性结合起来，加以空间分析，在可视环境下解决与校园空间信息有关的信息
查询、信息发布、空间规划和信息管理体制等实际问题，对学校的各项资源进行最有效的管理和最充分的利用。

具体功能设计如下:
1) 地图显示功能
分层显示校园综合地图、专题校园地图以及校园周边地图，这些地图又分为平面图和3D 视图两种，用户可对它们进行放大、缩小、漫游、航空视图等直接操作，获取理想详细程度的校园信息，包括校园的地形图、现状图和规划图等;
2) 图文互查功能.
a.交互式查询，即在矢量地图窗口上直接查询学校有关信息，用鼠标点击想要查询的对象，就可获得该对象的属性信息。

例如用户想了解资环学院的详细信息，则可直接在图上点击资环学院在图上的位里，资环学院的详细信息如教职工和学生人数、占地面积、科研机构等等就立即显示出来，使用户对此有非常全面的了解。

b.条件查询，在查询条件中输入用户已知条件或者要求的条件，即可在窗口的适当位里列出所查到的所有符合条件的对象，并在地图上以特殊颜色显示出来。

例如要查询学校中有哪些学院的学生人数在1000人以上时，则可在系统的条件查询界面中输入条件即可得到图文结果。

3)空间分析功能
GIS 与一般MIS(管理信息系统)的主要区别就在于它的空间分析功能，校园GIS 的空间分析功能在校园资源分配、校园规划等方面能起到辅助决策功能。

例如在进行校园规划设计时，给系统输入一定的现状数据和目标数据，通过缓冲区分析得到校园规划图，获得非常直接的效果。

4)网络查询和分析功能
我们所建立的校园GIS 是要向INTERNET 发布的，因此具有网络查询和分析功能。

功能设计 地图显示 图文互查
空间分析 网络查询与分析
3.4 软硬件配置的环境设计
硬件包括：服务器，工作站，扫描仪，数字化仪，磁盘阵列，绘图仪，测量仪器。

软件非常丰富，宜选用以Windows作为平台的软件如MapInfo，ArcView，MapGis等。

GIS还需要相关支持软件，二次开发语言（Visual C++，Visual BASIC），数据库管理软件（SQL，ORACLE），制图及图像处理软件（AUTOCAD，Photoshop）等。

应尽量选用大众化软硬件并与教学使用的相一致，软件的功能要尽量覆盖较宽的功能面。

3.5 空间数据设计
3.5.1 数据类别
校园数据的获取主要是通过校内管理部门收集的现状及规划数据以及对现状资料调查的相关信息而得，按数据的类型分:主要分为空间数据(主要指图形信息、图像信息)和非空间数据(包括统计表信息、文本信息等)
(1)空间数据
图形数据:校区图、建筑平面图、道路图、水系图、规划系列图等。

图像数据:航测像片、校园建筑物像片。

(2)非空间数据
统计表数据:建筑物使用类型、用地等级、规划道路等级、规划建筑物类型等。

文字数据:建筑物情况、用地规划说明、规划文本书、系统说明等。

3.5.2 数据采集方式
本系统数据根据不同类型，采用了不同的
采集方式:一般照片采用数码相机直接输入，利
用数码相机拍摄校园建筑物和校园景观等图像
资料:地图则采用扫描屏幕数字化方式，利用己
有的比例尺为1:2000的校园图(包括现状图及
规划图)，通过实地调查修改后，利用绘图软件
进行数字化，建立数据图形文件:统计报表及文
字资料则用键盘录入。

如图所示。

3.5.3 数据处理要点
(1)图形数据输入
图形数据输入是将地图数字化，这是GIS
中数据处理和分析的开始。

这种输入主要是把地图矢量化。

矢量化图形与栅格图形的根本区别在于:栅格图形，只是简单地存储整个图形的点阵信息;而矢量化图形是将点、线、面及说明这些图素的颜色、大小、方向等信息存储图形。

本系统先把现状地形图扫描进计算机，存成TIFF格式，然后利用CorelDraw 绘图软件，通过把TIFF格式的图像文件导入绘图软件中作为底图，然后在底图上重绘生成数字化图形文件并存成DXF格式，最后在MapInfo里根据不同的层转成MapInfo的点、线、面文件格式，生成不同的专题图层。

另外由于系统的规划图件为AutoCAD软件所做，且为DWG格式，为了避免在数据转换时图形信息的丢失，因此在数据格式转化之前要进行预处理，需要在AutoCAD的图形编辑环境下对各图层的点、线、面进行加工，例如对闭合多边形线条的连接、对线段断开的处理、对图层的分类等，其中图层的分类在数据导出时比较重要，因为每一图层代表一类专题信息，只有对原图的图层进行了明确的分类才能按要求导出，才能保证专题图层要素的完整。

(2)属性数据录入
属性数据的输入，首先要定义属性数据的结构，由于GIS的地物类型复杂，属性特征多种多样，描述它们的属性项及值域也不相同，因此属性数据录入有两种方法，其一是用户需自定义数据结构，然后利用数据库软件建立起属性数据。

其二是在图形编辑环境下输入属性数据，这种方法直观，可以随时对所关心图元的属性结构和属性进行修改.并且查找方便，但是由于软件狗的限制，软件开发和数据录入工作不能同时进行，会影响工作效率。

本系统在建立过程中采用的是基本属性数据信息同步输入:首先对各要素图层考虑其各自的属性特征，在MapInfo中建立其属性数据库结构(如建筑物图层，其属性数据库结构可以包含有建筑物结构、建筑物层数、建筑用途分类、建筑物编号、建筑物名称、建筑年代等字段)，其次在完成好拓扑关系的图层中分别对每个图形单元(如每一个单独地物、每一个水体、每一段道路等〕进行属性赋值。

(3)对图形数据建立拓扑关系
图元间具有拓扑关系，这是GIS与机助制图或者CAD制图的一个重要区别，也是GIS进行空间分析的基础。

所谓图元的拓扑关系，在地图上最直观的反映就是不同的要素被定义成了一个整体，不再是CAD中的几根线条，并在其中的要素中填充了不同的颜色，不同的要素有包容、重叠等拓扑关系。

建立拓扑关系后，计算机就可以识别不同的面状图元要素代表不同建筑物，我们对这个面状图元可以定义它的属性结构，比如面积、建筑年代、用途、建筑层数等，还可以进行叠加、缓冲区计算等空间分析运算。

模型系统图形拓扑的建立首先要在MapInfo
系统中的编辑模块下对转化过来的数据进行修改、编辑，然后在相应模块下利用Clean及Build命令完成。

(4)图形数据分层
分层是为了便于对图形的管理。

每个文件是一个“要素层”，要素可分点要
素、线要素及面要素。

各种要素对应相应线型、符号、颜色等。

本系统对于各种专题图件都根据实现情况进行了分层，例如中心校区边界图层(线要素)、道路中心线图层(线要素)、道路图层(面要素)、水体图层(面要素)、建筑物图层(面要素)等。

这些图形的分层在AutoCAD绘图环境卜数字化时已经建立(或己经存在)，因此在将数据转入MapInfo中时就可以很方便地按层进行输出了。

按图层输出的数据经过编辑及修改建立了拓扑关系后也就可以得到各种要素的图形数据分层类型。

(5)数据匹配
数据匹配是将己输入计算机的图形数据和属性数据进行关联，只有进行了匹配，才可进行各种一般性查询和空间查询、分析。

本系统的数据匹配采用在Mapinfo环境下的编辑模块下进行逐个图元属性匹配，因此属性数据随着图层拓扑关系的建立，图形数据与属性数据己经自动进行了关联，可以进行一般性的查询与分析了;而数据库内容的扩充则采用了Access数据库与系统通过标识码进行数据挂接。

3.5.4数据库设计
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，影像数据则以电影录像的形式让用户对实物有一个直观印象。

3.5.5数据分类编码
校园地理信息种类繁多，内容丰富，如何将它们有机地进行组织，有效地进行存贮、管理和检索应用，直接影响数据库乃至地理信息系统的应用效率。

只有将校园地理信息系统按一定的规律进行分类和编码，使其有序地存入计算机，能对它们进行按类别存贮，按类别和代码进行检索，以满足各种应用分析需求，否则，这些信息进入数据库后，将会成为一堆杂乱无章的数据，或者无法查找，或者检索出的数据与需求不一致，甚至可能使数据库完全失去使用价值。

(1)数据分类
将具有不同属性或特征的信息区别开来。

本系统对信息分类的方法在图形信息中主要采用了线分类法，它是一种层级分类法，它将数据逐次分成有层次的类
目，类目间构成并列和隶属关系，形成串、井联结合的树形结构。

在属性信息分类中则采用了面分类法，它是根据分类对象各自的特征，分成互不相关的面，相互间没有从属关系，不同面不互相交叉、重复、且顺序固定，每一个面是一个属性项，属性项值可以是数据值、名称，也可以是代码。

(2)数据编码
将信息分类的结果用一种易于被计算机和人识别的符号体系表示出来。

编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组有序排列的符号，它一般由数字、或字符、或数字字符混合构成，具有唯一性，并有分类和排序的功能。

处理的结果产生了分类码及标识码(也称识别码)。

分类码主要是对基础信息及各种专题信息的分类代码，它是用来标记不同类别信息的数据。

标识码是间接利用信息分类结果，即在分类的基础上，对某些类别的数据分别设计出其全部或主要实体的识别代码，用以对某一类数据中某个实体，如一幢建筑物、一条道路、一个水体等进行标识，以便能按实体进行存贮和逐个地进行查询检索，从而弥补利用分类码不能按实体进行个体分离的缺陷。

对系统数据的分类及编码从以下几个方面考虑:校园中心区土地利用现状分类与编码;校园中心区房屋建筑结构、建筑年代及建筑使用情况分类与编码;校园中心区道路系统分类与编码。

3.6 系统建立计划和经费预算（略）
3.7 成本及收益分析（略）
第四章总结
数字校园是现代高校发展的必然趋势，校园GIS作为数字校园和GIS技术的一种集成系统，为现代高校的发展建设提供了一条新的设计思路。

它能有效的解决学校的规划和管理问题，同时也能为为校园的发展预测、规划决策以及科学管理提供可靠依据。

本文首先介绍了CGIS即校园地理信息系统的概念、发展以及意义，然后完成了对武汉大学校园地理信息系统的系统调查分析和总体设计，重点对CGIS进行了需求分析，从系统目标、系统功能、系统组成和空间数据设计等方面进行了深入的阐述，充分分析了高校校园的空间特征，将传统的MIS和GIS相结合，利用高校校园网络的优势，根据校园空间资源分配的具体情况，大致做出了武汉大学校园GIS的总体设计方案。

武汉大学拥有着全国各高校都不可比拟的GIS技术，为校园GIS的建设提供了很大的支持和帮助。

然而，由于武汉大学本身机构和管理工作以及地理空间上的复杂性，这都大大增加了空间数据设计的难度，从而为校园GIS的建设带来诸。