基于WebGIS的数字校园平台的研究与设计

刘 凯

(湖北理工学院 计算机学院，湖北 黄石 435003)

随着计算机信息技术和高等教育事业的高速发展，越来越多的高等院校开始进行各自数字化校园的建设。数字化校园是以互联网络为基础，利用先进的信息化方法和软、硬件工具，实现从学校资源、校园环境到师生活动的全面数字化。数字化校园是各类校园应用系统、管理系统、办公系统的集成[1]。

WebGIS是GIS技术与Web技术集成的产物，它继承了GIS的部分功能，侧重于地理信息与空间处理的共享，是一个基于Web计算平台实现地理信息处理与地理信息分布的网络化软件系统。与传统的GIS技术相比，它具有访问范围广、平台独立、大规模降低系统成本、维护及升级方便等特点；在运行环境上，WebGIS基于Web计算平台，运行于Internet多用户并发访问的分布式环境；在技术上，WebGIS是GIS发展与组件技术、互操作技术、分布式技术的集成。随着地理信息互操作和Web服务技术的发展，WebGIS技术已经从初始的在Web上简单地发布地理信息转换成为实现地理信息互操作和地理信息Web服务的关键技术[1]。

利用WebGIS系统直观易用、交互性强、分布式管理等特点，将它作为数字化校园的平台载体具有较强的实用性，可以提供良好的用户体验。本文主要设计了一个基于WebGIS的数字校园平台模型，其中包含了地理信息系统的结构、原理以及部署应用方法；探讨了如何在GIS系统软件上进行图形矢量化及数据入库等数据生产工作、空间数据库的建立和应用方法、地理信息发布平台的搭建方式、基于Silverlight技术的GIS应用程序接口等内容[2]。

1 系统整体方案设计

1.1 系统的基本功能设计

WebGIS平台将对整个校园资源进行统一整合，为各类应用管理系统提供链接接口，此外WebGIS系统本身必须具备以下功能：

1)地图浏览功能:地图放大、缩小功能和地图漫游功能。

2)信息查询功能:查询结果显示功能和查询结果定位功能。

3)标注测距功能：地图标注功能和地图测距功能。

4)图层开关控制功能:允许用户控制每个图层是否显示。

1.2 软、硬件平台的设计

系统由服务器端和客户端2部分构成，服务器端包括数据库服务器和Web服务器，数据库服务器安装有Window服务器版本操作系统和SQL Server数据库管理系统。Web服务器同样需要Windows服务器版本操作系统并安装和配置IIS信息服务。为了连接数据库和发布空间数据，Web服务器还需要安装ArcSDE数据引擎和ArcGIS Server软件。

客户计算机为普通个人计算机，安装有Web浏览器Silverlight运行时环境。客户端计算机需要具有与Web服务器较高速的网络连接。服务器及客户端软件构架图如图1所示。

图1 服务器及客户端软件构架图

2 系统关键技术的实现

2.1 数据采集及矢量化

本文中讨论的校园WebGIS平台所需要的数据为湖北理工学院及其校园周边的地理信息数据。通过Google卫星遥感影像进行矢量化操作，可以将栅格形式的卫星地图转换成为ArcGIS可以接受并存储在空间数据库中的矢量数据。

计算机中显示的图形一般可以分为2大类：矢量图和位图，位图也称为栅格图。矢量图使用直线和曲线来描述图形，这些图形的元素是一些点、线、矩形、多边形、圆和弧线等，它们都是通过数学公式计算获得的。由于矢量图形可通过公式计算获得，所以矢量图形文件体积一般较小。矢量图形最大的优点是进行放大、缩小或旋转等都不会失真。

栅格图像也称光栅图像、栅格图形，是指在空间和亮度上都已经离散化了的图像。可以把一幅栅格图像考虑为一个矩阵，矩阵中的任一元素对应于图像中的一个点，而相应的值对应于该点的灰度级，数字矩阵中的元素叫做像素。数字图像与马赛克拼图相似，是由一系列像素组成的矩形图案，如果所有的像素有且仅有2个灰度级(黑或白)，则称其为二值图像，即栅格图像[3]。

Google所提供的卫星遥感影像为栅格图像，这些图像无法直接导入至空间数据库中。使用Google开发的地球卫星图浏览软件“Google Earth”可以浏览和处理地球卫星影像图。

在Google Earth中，放大图像并定位至湖北理工学院区域，点击软件工具栏中的“新建”多边形按钮，当鼠标变成田字框时，按住鼠标左键不动，拖动成研究区的形状，尽量保持多边形区域与卫星图像轮廓吻合。完成后将多边形保存为KML格式的文件。Google Earth卫星图像矢量化如图2所示，使用多边形勾画出湖北理工学院的校园轮廓，并保存为KML文件。KML文件中保存了多边形的矢量化特征，通过这样的方法，就可以将栅格卫星图上的指定部分进行矢量化。

图2 Google Earth卫星图像矢量化

2.2 图层及数据库的设计

根据数据库的概念设计，将整个校区的地理对象分为：建筑物(如教学楼、院系办公楼、体育场馆等)、绿地、停车场、道路、管线、通信接口等图层。

根据数据的数据形态将基础数据库中的数据分为点状数据、线状数据和面状数据。

1)点状数据：主要包括能够反映湖北理工学院的基础设施建设信息的图层数据。

2)线状数据：主要包括道路交通线这一类信息，大路中心线图层主要是用单线段代替传统意义上的双线道路，这样的表达方式使得数据查找方便、图形美观。

3)面状数据：主要包括能反映区域特征的面状信息的数据，其中，校内、校外片区图层表达的空间信息能够反映出微观区位条件下区域特征。具体图层分类及命名如表1所示。

通过制定统一的分类代码标准，将多格式基础地理信息数据统一整理转换进行入库形成统一的数据库的过程称为数据入库。数据入库要经过规范及标准的制定、基础地理信息数据整理、基础地理信息数据检查等步骤。严格按照地理信息数据入库的步骤可以最大程度地保持源数据的完整性和准确性。

在本系统的开发过程中，数据入库的操作主要是通过程序将KML文件中的地理矢量信息在ArcMap中进行重绘，并将图形存放到元素相对应的图层中。

表1 图层分类及命名

在ArcToolbox的转换工具(Conversion Tools)中选择由KML转出(From KML)，再选择KML转图层工具(KML to Layer)。此工具将会把KML或KMZ文件的数据，转换到FileGDB中的数据集中，数据的展现符号化等信息存储在同名的图层文件(.lyr)中。

将校园各个要素图层导入，需要填写物标相应字段的信息，为道路物标填写相应的属性。

对图形进行修整和接边处理后，图形就可以提交保存至空间数据库中。图形编辑完成后整体效果如图3所示。

图3 图形编辑完成效果

2.3 WebGIS服务的实现

数据库作为空间数据的管理和控制中心在整个系统中显得至关重要，正确的安装和配置数据库管理系统可以提高整个系统的稳定性和安全性。数据库软件选择Microsoft SQL Server 企业版本进行搭建。数据库的安装根据安装向导即可完成。数据库安装完毕后需要在SQL Server Configuration Manager中配置网络连接的参数，主要是在设置中启用对TCP/IP协议的支持,配置完毕后可以在命令提示符下使用netstat命令检查3306端口是否处于开放状态[4]。

ArcGIS Server将地理数据以服务的形式发布，供上层应用访问。服务的发布如果配置不正确将导致上层应用无法读取地理信息数据。ArcGIS Server根据平台语言划分为.Net和Java 2个版本，由于Silverlight是基于.Net平台的组件，所以需要安装.Net版本ArcGIS Server[5]。安装过程中需要新建SOM用户作为安全访问控制用户，使用此用户可以登录ArcGIS Server Manager和REST服务管理器。

发布服务可以通过ArcGIS Server Manager和ArcGIS Catalog来实现。

客户端使用Microsoft Visual Studio开发，需要安装Silverlight SDK和Silverlight开发运行时环境，以提供Silverlight应用程序的开发和调试功能。开发时需要先建立一个Web应用程序作为Silverlight应用程序的容器，开发完成后，编译好的Silverlight应用程序可以嵌入到任何已存在的网页中运行[6]。Silverlight应用程序源代码由前台XAML资源描述文件和CS后台逻辑代码组成。

通过服务器端和客户端的设置，可具体实现以下功能：

1)信息查询功能。地图查询功能提供一个搜索框，用户在搜索框中输入感兴趣的关键字，点击按钮后将查询结果显示在列表框中，点击列表框中的信息后将查询结果所在位置在地图中以高亮显示。

2)地图浏览功能。地图浏览功能是本系统的主要功能，为用户提供基本的地图浏览、放大缩小、漫游功能。使用ESRI Silverlight SDK中提供的地图控件ESRI:Map作为地图容器。在地图容器中嵌套层容器，并指定地图服务REST接口的URL地址作为显示地图的源。

3)标注测距功能。此功能的实现原理是在绘图层中绘制一条折线，并获取折线的起始和终止点的坐标信息，通过屏幕坐标到地理坐标的换算关系计算出折线所代表的实际距离。

4)图层开关控制功能。图层开关控制功能提供图层列表，通过选择或取消选择图层名前的选择框实现控制图层开关的功能。图层控制的核心控件是一个列表控件，通过读取地图信息获取图层名称。

3 结束语

以ArcGIS为基础的地理信息系统解决方案功能强大、扩展性强，在大型系统开发中具有很广泛的应用前景。利用WebGIS技术将校园信息发布到网上，方便了学生、教师及校外人士对校园信息的查询，使其如同置身于校园中一般，从而提高师生的工作和学习效率，增加学校的知名度，给学校的各项运转维护工作带来很大方便，可为学校创造可观的社会效益。

参考文献

[1] 冯恒栋,杜会石,雷军.基于ArcGIS Server的数字校园系统设计[J].国土与自然资源研究,2013(2):40-42.

[2] 杨波,谢瑞莲.基于WebGIS的数字咸阳师范学院建设构想[J].测绘与空间地理信息,2011，34(4):26-28，33.

[3] 张瑞军,姜雪娇,曾维周,等.一种基于WebGIS的网络地图数据采集方法研究[J].测绘科学,2014，23(2):24-28.

[4] 徐卓揆.基于HTML5、Ajax和Web Service的WebGIS研究[J].测绘科学,2012,37(1):145-147.

[5] 金靖.基于ArcGIS Engine的地理信息系统二次开发原理和方法[J].测绘与空间地理信息,2012(3):46-49.

[6] 谢文军.基于Silverlight的WebGIS开发[J].测绘与空间地理信息,2013,36(7):94-96.