校园基础地理空间数据库建设

马 娟，郑 松，汪东静

(昆明冶金高等专科学校测绘学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

教育信息化经过多年发展，历经网络基础设施建设、业务应用系统建设和数字校园平台及应用整合建设等阶段[1]。智慧校园是教育信息化的更高级形态，是对数字校园的进一步提升和发展。吕彬等[2]总结提炼了高校智慧校园一体化设计的4个重要维度，包括智慧基础环境、智慧教学资源、智慧校园管理和智慧校园服务。作为智慧基础环境中必不可少的内容，校园地理信息系统用图形、图像等形式来表示校园各种地理要素的空间位置、属性信息和相互关系，支持空间数据的查询、统计、分析等操作，以实现校园信息的数字化、共享化，为校园的科学管理、规划决策等提供可靠依据[3-4]。

校园地理信息系统的建设离不开空间数据库作为后台支撑。笔者以所在学校为例，分析校园基础地理空间数据库应满足的需求，构建E-R模型，设计要素数据集、要素类以及要素编码方案，基于ArcGIS平台，建成校园基础地理空间数据库，从而为校园地理信息系统建设提供强有力的后台支撑，以期服务于更高层次的智慧校园。

1 需求分析

经过前期充分调研，确定校园基础地理空间数据库的服务群体分为2类：普通用户和管理人员。其中，普通用户又包括教师、学生和外访者。教师可以从中查询授课教室的设备配置情况，以便更好地准备教学用具；学生可以从中获取图书馆每类书籍所在的楼层和位置，以便快速找到所需书籍；外访者可以从中了解校园面积，查看校园分布，准确到达要去的地点；管理人员则肩负着建立、更新、维护、管理校园基础地理空间数据库之责，以保证数据的有效性、正确性和现势性。校园基础地理空间数据库需求关系如图1所示。

图1 校园基础地理空间数据库需求关系图Fig.1 Requirements diagram of basic geospatial database in campus

2 建库资料准备

校园基础地理空间数据库由空间数据和属性数据组成。为保证数据的现势性，笔者选择2018年12月完成的校园1∶500数字测图成果作为主要的矢量数据源，并以无人机航空摄影测量得到的校园正射影像图作为辅助数据进行比对，开展前期的图形数据采集工作。因没有现成的文本资料可借鉴，同时考虑到部分地理要素的属性数据更新周期较短，因此选择外业实际调查的方法重新采集整个校园目标地理要素的属性数据，以便后续入库。

3 概念模型设计

概念模型设计是对用户需求信息的综合分析、归纳[5]。根据对校园基础地理空间数据库的分析，结合校园地理要素的实际类型，从使用角度出发，将校园这一实体分为建筑设施、公共设施、绿化设施和道路设施4个要素数据集及若干要素类。校园基础地理空间数据库E-R模型如图2所示。

以建筑设施要素数据集为例进行说明。图2中，建筑设施要素数据集由主教楼、学院楼、图书馆、实训楼、校务大楼、创新楼、教师公寓、学生公寓等17个要素类组成。所有的要素类除继承建筑设施这个父类实体的名称、编码、用途、层数、结构、占地面积6个属性外，还具有其自身的其它属性。如学院楼增加了教室、办公室、实训室和其它4个属性；图书馆增加了南区和北区2个属性；校务大楼增加了办公室、会议室、管理中心和其它4个属性。

4 逻辑模型设计

校园基础地理空间数据库采用目前主流的Geodatabase数据模型。该数据模型能清晰、准确地反映现实世界中空间对象的信息，如建筑物、道路、路灯、树等，而不再是无意义的点、线、面，从而使得空间数据库中的要素更加智能化，便于地理信息系统的开发和应用[6]。

空间数据库建设前期，需要对地理信息进行分类和编码，目的是为了科学准确地表达地理对象的属性信息，方便对空间数据进行管理、应用和共享。

4.1 地理信息分类

地理信息分类方法主要有层次分类法和多源分类法。校园基础地理空间数据库采用层次分类法，将整个校园内的地理要素按照其功能性分为建筑设施、公共设施、绿化设施和道路设施4个要素数据集及若干要素类(对应E-R模型)，如图3所示。

4.2 编码方案

校园基础地理空间数据库采用层次分类编码法，在地理信息分类的基础上，根据编码的基本原则，采用三级分类体系，按照一级类、二级类、三级类的层次设计编码结构，一级类码、二级类码、三级类码均为2位数字码，如图4所示。编码结构确定后，即可设计校园基础地理空间数据库编码方案，如表1所示，共划分一级类4个，二级类30个，三级类24个。

表1 校园基础地理空间数据库编码方案Tab.1 Encoding scheme of basic geospatial database in campus

4.3 属性结构设计

校园基础地理空间数据库中各地理要素类的属性数据以属性表(关系表)的形式存储，并依附于其对应的要素类。在属性表中，通过系统自动生成的Shape字段来记录各要素对象的空间数据。Shape字段为几何类型(点、线、面)，不仅记录要素的类型，而且存储各要素对象的坐标数据，系统可以通过它自动计算得到线状要素的长度和面状要素的面积。根据校园基础地理空间数据库概念模型设计结果，采用关系模式表示各地理要素类的属性结构(系统自动生成的属性除外)，以下仅列举部分：

主教楼(名称、编码、层数、用途、结构、占地面积、办公室、普通教室、阶梯教室、其它);

学院楼(名称、编码、层数、用途、结构、占地面积、教室、机房、办公室、其它);

校务楼(名称、编码、层数、用途、结构、占地面积、办公室、其它);

图书馆(名称、编码、层数、用途、结构、占地面积、南区、北区);

道路(名称、编码、长度、路面类型);

篮球场(名称、编码、占地面积、用途);

5 校园基础地理空间数据库实现

校园基础地理空间数据库基于ArcGIS平台进行建设和实现，在对图形数据采集与编辑的基础上，完成属性数据采集与编辑、拓扑错误检查与修改、数据入库等操作。

5.1 图形数据采集与编辑

基于校园1∶500数字测图成果(.dwg格式)，将其导入ArcGIS软件并转换为.shp格式，设置空间参考系统，与校园正射影像图进行图像配准并叠加，比对影像图进行图形数据更新。数据更新完成后，按照图3所示的地理信息分类结果，提取校园地理要素并分层。

5.2 属性数据采集与编辑

校园基础地理空间数据库属性数据采用外业实地调查方法进行采集。外业工作结束后，将属性数据录入到对应的要素类属性表中，主要采用直接键盘输入和外部表连接2种方法。图5为学院楼要素类的属性表。

图5 学院楼属性表Fig.5 Attribute table of faculty buildings

5.3 拓扑错误检查与修改

拓扑关系描述空间要素对象之间的某种位置关系，如关联、邻接、包含等。这种关系较之几何数据具有更大的稳定性，不会随地图投影的变化而变化[7]。空间数据在正式入库之前必须检查图形数据间的拓扑关系。在ArcCatalog中，通过定义符合实际问题需求的拓扑规则，创建拓扑关系并检查图形数据中存在的拓扑错误加以修正。

5.4 空间数据入库

空间数据入库主要是把已经编辑和处理好的图形数据和属性数据存储到地理数据库中。为保证数据库的可扩展性，校园基础地理空间数据库采用文件地理数据库进行空间数据存储。空间数据入库具体步骤如下：

1) 新建地理数据库。创建一个文件地理数据库，命名为校园基础地理空间数据库.gdb。

2) 新建要素数据集。在校园基础地理空间数据库.gdb中分别创建4个要素数据集：建筑设施、公共设施、绿化设施和道路设施，并定义空间参考系统。

3)图形数据和属性数据入库。图形数据和属性数据入库实际上是导入要素类的过程。逐个选取各要素数据集，采用批量导入的方法，按照图3地理信息分类结果将各要素类导入到其对应的要素数据集中。由于属性数据是依附于图形数据而存在，因此，导入后各要素类对应的图形数据和属性数据即完成入库。

建成的校园基础地理空间数据库全局图如图6所示。

图6 校园基础地理空间数据库全局图Fig.6 Global map of basic geospatial database in campus

6 结 语

本文分析了校园基础地理空间数据库的服务群体，基于现有数据源，从概念模型设计着手，建立E-R模型，对校园内的地理要素进行分类和编码，进一步完成图形数据采集与编辑、属性数据采集与编辑、拓扑错误检查与修改、空间数据入库等操作，最终建立并实现了校园基础地理空间数据库。

随着应用的深入以及空间数据更新的要求，后续空间数据库的使用、管理和维护，可结合实际需求对图形数据和属性数据进行调整和完善，为进一步建立校园地理信息系统甚至更高层次的智慧校园提供有力的后台支撑。