校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)

馬 娟，鄭 松，汪東靜

(昆明冶金高等專科學(xué)校測繪學(xué)院，云南 昆明 650033)

0 引 言

教育信息化經(jīng)過多年發(fā)展，歷經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)和數(shù)字校園平臺(tái)及應(yīng)用整合建設(shè)等階段[1]。智慧校園是教育信息化的更高級(jí)形態(tài)，是對(duì)數(shù)字校園的進(jìn)一步提升和發(fā)展。呂彬等[2]總結(jié)提煉了高校智慧校園一體化設(shè)計(jì)的4個(gè)重要維度，包括智慧基礎(chǔ)環(huán)境、智慧教學(xué)資源、智慧校園管理和智慧校園服務(wù)。作為智慧基礎(chǔ)環(huán)境中必不可少的內(nèi)容，校園地理信息系統(tǒng)用圖形、圖像等形式來表示校園各種地理要素的空間位置、屬性信息和相互關(guān)系，支持空間數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等操作，以實(shí)現(xiàn)校園信息的數(shù)字化、共享化，為校園的科學(xué)管理、規(guī)劃決策等提供可靠依據(jù)[3-4]。

校園地理信息系統(tǒng)的建設(shè)離不開空間數(shù)據(jù)庫作為后臺(tái)支撐。筆者以所在學(xué)校為例，分析校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)滿足的需求，構(gòu)建E-R模型，設(shè)計(jì)要素?cái)?shù)據(jù)集、要素類以及要素編碼方案，基于ArcGIS平臺(tái)，建成校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫，從而為校園地理信息系統(tǒng)建設(shè)提供強(qiáng)有力的后臺(tái)支撐，以期服務(wù)于更高層次的智慧校園。

1 需求分析

經(jīng)過前期充分調(diào)研，確定校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫的服務(wù)群體分為2類：普通用戶和管理人員。其中，普通用戶又包括教師、學(xué)生和外訪者。教師可以從中查詢授課教室的設(shè)備配置情況，以便更好地準(zhǔn)備教學(xué)用具；學(xué)生可以從中獲取圖書館每類書籍所在的樓層和位置，以便快速找到所需書籍；外訪者可以從中了解校園面積，查看校園分布，準(zhǔn)確到達(dá)要去的地點(diǎn)；管理人員則肩負(fù)著建立、更新、維護(hù)、管理校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫之責(zé)，以保證數(shù)據(jù)的有效性、正確性和現(xiàn)勢性。校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫需求關(guān)系如圖1所示。

圖1 校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫需求關(guān)系圖Fig.1 Requirements diagram of basic geospatial database in campus

2 建庫資料準(zhǔn)備

校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)組成。為保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，筆者選擇2018年12月完成的校園1∶500數(shù)字測圖成果作為主要的矢量數(shù)據(jù)源，并以無人機(jī)航空攝影測量得到的校園正射影像圖作為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，開展前期的圖形數(shù)據(jù)采集工作。因沒有現(xiàn)成的文本資料可借鑒，同時(shí)考慮到部分地理要素的屬性數(shù)據(jù)更新周期較短，因此選擇外業(yè)實(shí)際調(diào)查的方法重新采集整個(gè)校園目標(biāo)地理要素的屬性數(shù)據(jù)，以便后續(xù)入庫。

3 概念模型設(shè)計(jì)

概念模型設(shè)計(jì)是對(duì)用戶需求信息的綜合分析、歸納[5]。根據(jù)對(duì)校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫的分析，結(jié)合校園地理要素的實(shí)際類型，從使用角度出發(fā)，將校園這一實(shí)體分為建筑設(shè)施、公共設(shè)施、綠化設(shè)施和道路設(shè)施4個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集及若干要素類。校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫E-R模型如圖2所示。

以建筑設(shè)施要素?cái)?shù)據(jù)集為例進(jìn)行說明。圖2中，建筑設(shè)施要素?cái)?shù)據(jù)集由主教樓、學(xué)院樓、圖書館、實(shí)訓(xùn)樓、校務(wù)大樓、創(chuàng)新樓、教師公寓、學(xué)生公寓等17個(gè)要素類組成。所有的要素類除繼承建筑設(shè)施這個(gè)父類實(shí)體的名稱、編碼、用途、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、占地面積6個(gè)屬性外，還具有其自身的其它屬性。如學(xué)院樓增加了教室、辦公室、實(shí)訓(xùn)室和其它4個(gè)屬性；圖書館增加了南區(qū)和北區(qū)2個(gè)屬性；校務(wù)大樓增加了辦公室、會(huì)議室、管理中心和其它4個(gè)屬性。

4 邏輯模型設(shè)計(jì)

校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫采用目前主流的Geodatabase數(shù)據(jù)模型。該數(shù)據(jù)模型能清晰、準(zhǔn)確地反映現(xiàn)實(shí)世界中空間對(duì)象的信息，如建筑物、道路、路燈、樹等，而不再是無意義的點(diǎn)、線、面，從而使得空間數(shù)據(jù)庫中的要素更加智能化，便于地理信息系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[6]。

空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)前期，需要對(duì)地理信息進(jìn)行分類和編碼，目的是為了科學(xué)準(zhǔn)確地表達(dá)地理對(duì)象的屬性信息，方便對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、應(yīng)用和共享。

4.1 地理信息分類

地理信息分類方法主要有層次分類法和多源分類法。校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫采用層次分類法，將整個(gè)校園內(nèi)的地理要素按照其功能性分為建筑設(shè)施、公共設(shè)施、綠化設(shè)施和道路設(shè)施4個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集及若干要素類(對(duì)應(yīng)E-R模型)，如圖3所示。

4.2 編碼方案

校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫采用層次分類編碼法，在地理信息分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)編碼的基本原則，采用三級(jí)分類體系，按照一級(jí)類、二級(jí)類、三級(jí)類的層次設(shè)計(jì)編碼結(jié)構(gòu)，一級(jí)類碼、二級(jí)類碼、三級(jí)類碼均為2位數(shù)字碼，如圖4所示。編碼結(jié)構(gòu)確定后，即可設(shè)計(jì)校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫編碼方案，如表1所示，共劃分一級(jí)類4個(gè)，二級(jí)類30個(gè)，三級(jí)類24個(gè)。

表1 校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫編碼方案Tab.1 Encoding scheme of basic geospatial database in campus

4.3 屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫中各地理要素類的屬性數(shù)據(jù)以屬性表(關(guān)系表)的形式存儲(chǔ)，并依附于其對(duì)應(yīng)的要素類。在屬性表中，通過系統(tǒng)自動(dòng)生成的Shape字段來記錄各要素對(duì)象的空間數(shù)據(jù)。Shape字段為幾何類型(點(diǎn)、線、面)，不僅記錄要素的類型，而且存儲(chǔ)各要素對(duì)象的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以通過它自動(dòng)計(jì)算得到線狀要素的長度和面狀要素的面積。根據(jù)校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計(jì)結(jié)果，采用關(guān)系模式表示各地理要素類的屬性結(jié)構(gòu)(系統(tǒng)自動(dòng)生成的屬性除外)，以下僅列舉部分：

主教樓(名稱、編碼、層數(shù)、用途、結(jié)構(gòu)、占地面積、辦公室、普通教室、階梯教室、其它);

學(xué)院樓(名稱、編碼、層數(shù)、用途、結(jié)構(gòu)、占地面積、教室、機(jī)房、辦公室、其它);

校務(wù)樓(名稱、編碼、層數(shù)、用途、結(jié)構(gòu)、占地面積、辦公室、其它);

圖書館(名稱、編碼、層數(shù)、用途、結(jié)構(gòu)、占地面積、南區(qū)、北區(qū));

道路(名稱、編碼、長度、路面類型);

籃球場(名稱、編碼、占地面積、用途);

5 校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫基于ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)和實(shí)現(xiàn)，在對(duì)圖形數(shù)據(jù)采集與編輯的基礎(chǔ)上，完成屬性數(shù)據(jù)采集與編輯、拓?fù)溴e(cuò)誤檢查與修改、數(shù)據(jù)入庫等操作。

5.1 圖形數(shù)據(jù)采集與編輯

基于校園1∶500數(shù)字測圖成果(.dwg格式)，將其導(dǎo)入ArcGIS軟件并轉(zhuǎn)換為.shp格式，設(shè)置空間參考系統(tǒng)，與校園正射影像圖進(jìn)行圖像配準(zhǔn)并疊加，比對(duì)影像圖進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)更新。數(shù)據(jù)更新完成后，按照?qǐng)D3所示的地理信息分類結(jié)果，提取校園地理要素并分層。

5.2 屬性數(shù)據(jù)采集與編輯

校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)采用外業(yè)實(shí)地調(diào)查方法進(jìn)行采集。外業(yè)工作結(jié)束后，將屬性數(shù)據(jù)錄入到對(duì)應(yīng)的要素類屬性表中，主要采用直接鍵盤輸入和外部表連接2種方法。圖5為學(xué)院樓要素類的屬性表。

圖5 學(xué)院樓屬性表Fig.5 Attribute table of faculty buildings

5.3 拓?fù)溴e(cuò)誤檢查與修改

拓?fù)潢P(guān)系描述空間要素對(duì)象之間的某種位置關(guān)系，如關(guān)聯(lián)、鄰接、包含等。這種關(guān)系較之幾何數(shù)據(jù)具有更大的穩(wěn)定性，不會(huì)隨地圖投影的變化而變化[7]。空間數(shù)據(jù)在正式入庫之前必須檢查圖形數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系。在ArcCatalog中，通過定義符合實(shí)際問題需求的拓?fù)湟?guī)則，創(chuàng)建拓?fù)潢P(guān)系并檢查圖形數(shù)據(jù)中存在的拓?fù)溴e(cuò)誤加以修正。

5.4 空間數(shù)據(jù)入庫

空間數(shù)據(jù)入庫主要是把已經(jīng)編輯和處理好的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到地理數(shù)據(jù)庫中。為保證數(shù)據(jù)庫的可擴(kuò)展性，校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫采用文件地理數(shù)據(jù)庫進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？臻g數(shù)據(jù)入庫具體步驟如下：

1) 新建地理數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)建一個(gè)文件地理數(shù)據(jù)庫，命名為校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫.gdb。

2) 新建要素?cái)?shù)據(jù)集。在校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫.gdb中分別創(chuàng)建4個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集：建筑設(shè)施、公共設(shè)施、綠化設(shè)施和道路設(shè)施，并定義空間參考系統(tǒng)。

3)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)入庫。圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)入庫實(shí)際上是導(dǎo)入要素類的過程。逐個(gè)選取各要素?cái)?shù)據(jù)集，采用批量導(dǎo)入的方法，按照?qǐng)D3地理信息分類結(jié)果將各要素類導(dǎo)入到其對(duì)應(yīng)的要素?cái)?shù)據(jù)集中。由于屬性數(shù)據(jù)是依附于圖形數(shù)據(jù)而存在，因此，導(dǎo)入后各要素類對(duì)應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)即完成入庫。

建成的校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫全局圖如圖6所示。

圖6 校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫全局圖Fig.6 Global map of basic geospatial database in campus

6 結(jié) 語

本文分析了校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫的服務(wù)群體，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)源，從概念模型設(shè)計(jì)著手，建立E-R模型，對(duì)校園內(nèi)的地理要素進(jìn)行分類和編碼，進(jìn)一步完成圖形數(shù)據(jù)采集與編輯、屬性數(shù)據(jù)采集與編輯、拓?fù)溴e(cuò)誤檢查與修改、空間數(shù)據(jù)入庫等操作，最終建立并實(shí)現(xiàn)了校園基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫。

隨著應(yīng)用的深入以及空間數(shù)據(jù)更新的要求，后續(xù)空間數(shù)據(jù)庫的使用、管理和維護(hù)，可結(jié)合實(shí)際需求對(duì)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和完善，為進(jìn)一步建立校園地理信息系統(tǒng)甚至更高層次的智慧校園提供有力的后臺(tái)支撐。