基于富客戶端GIS的數(shù)字校園系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

李熹微，李明峰，衡春杰，常小林

(南京工業(yè)大學(xué)測繪學(xué)院，江蘇南京210009)

基于GIS技術(shù)的信息管理系統(tǒng)可實現(xiàn)師生與校區(qū)間信息交互，是校園軟環(huán)境建設(shè)的重要組成部分［1］。國內(nèi)現(xiàn)有以傳統(tǒng)GIS實現(xiàn)的校園信息系統(tǒng)，功能劃分不明確，局限于空間信息的可視化表現(xiàn)，缺乏豐富的用戶體驗，交互應(yīng)用均集中在服務(wù)器端，混合傳輸交互數(shù)據(jù)和顯示信息，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重，響應(yīng)速度慢［2］。因此，本文擬采用基于Silverlight的富客戶端GIS技術(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，實現(xiàn)更具人性化界面操作的數(shù)字校園系統(tǒng)。

一、富客戶端GIS概述

富客戶端技術(shù)是一種既能處理復(fù)雜的多媒體數(shù)據(jù)應(yīng)用，又能大大提高用戶的交互體驗的應(yīng)用技術(shù)。它能夠充分利用本地機(jī)器的資源處理數(shù)據(jù)，將大部分業(yè)務(wù)邏輯從服務(wù)器端移植到客戶端，減少了服務(wù)器端壓力，保持了系統(tǒng)使用與部署的便攜性，提高了數(shù)據(jù)交互速度與豐富的用戶體驗，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡［3］。

以Microsoft公司的Silverlight為基礎(chǔ)，將富客戶端技術(shù)和GIS結(jié)合成富客戶端 GIS，采用 Model-ViewModel-View模型［4］，不僅繼承了桌面應(yīng)用程序反應(yīng)快、交互性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且具有Web應(yīng)用程序部署靈活、低成本的特性，簡化并改進(jìn)了Web應(yīng)用程序的用戶交互［5-6］。界面內(nèi)容呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)分離，適應(yīng)查詢內(nèi)容、校園定位及信息更新的特點(diǎn)(如圖1所示)。基于富客戶端GIS開發(fā)的應(yīng)用程序在圖像、視頻、音頻、雙向數(shù)據(jù)通信和復(fù)雜窗體創(chuàng)建等方面有著突出的優(yōu)勢［7］，可提供內(nèi)容豐富、交互良好的用戶體驗，是真正實現(xiàn)跨瀏覽器、跨客戶平臺的應(yīng)用技術(shù)。

圖1 富客戶端GIS應(yīng)用系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

二、數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)分析

數(shù)字校園系統(tǒng)的應(yīng)用可提高師生學(xué)習(xí)辦公與校園信息管理效率。其具有明確的地理定位，并以校園建筑、交通道路為依托，將校園中的典型建筑物、公共設(shè)施等作為相應(yīng)的地理坐標(biāo)，直接傳達(dá)校園信息。

系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計采用富客戶端GIS特有的C/S與B/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，并配合企業(yè)級WebGIS的應(yīng)用優(yōu)勢。

C/S結(jié)構(gòu)主要針對具有一定權(quán)限的校園管理人員，使其能根據(jù)需要在客戶機(jī)上管理相關(guān)數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)會根據(jù)指令將修改后的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器保存。B/S結(jié)構(gòu)主要針對非管理人員，高校的普通用戶可以通過內(nèi)部局域網(wǎng)(校園網(wǎng))訪問和查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)整個框架包括3個部分：應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層(如圖2所示)。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲與管理地理數(shù)據(jù)，同時維護(hù)GIS數(shù)據(jù)之間的關(guān)系;服務(wù)層中使用ArcGIS Server作為地圖服務(wù)器，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(包括地圖數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫)的連接和數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用服務(wù)器則對外部提供數(shù)據(jù)的查詢和訪問接口;應(yīng)用層主要剪裁并集成下層提供的服務(wù)，使開發(fā)人員得到滿足其需要的富客戶端GIS應(yīng)用系統(tǒng)。

2.數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計

顧及校區(qū)地理信息資料的多樣性，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)3大類(如圖3所示)。對與地理位置相關(guān)的空間數(shù)據(jù)采用大分類小分層的方式進(jìn)行組織，即把數(shù)據(jù)劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)兩大類，然后對每類數(shù)據(jù)按層組織，將相同類型劃分為同一圖層，并由ArcSDE進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)管理;屬性數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)的名稱與形狀等，采用一般商用RDBMS(關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))，如SQLServer、Oracle等進(jìn)行存儲;元數(shù)據(jù)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是說明數(shù)據(jù)生產(chǎn)、內(nèi)容、質(zhì)量、狀況、使用等特征的數(shù)據(jù)，它能促進(jìn)數(shù)據(jù)的有效管理、維護(hù)及重利用，因此是數(shù)據(jù)管理不可缺少的［8］;此外，一些不便于數(shù)據(jù)庫存儲管理的數(shù)據(jù)以文件的方式存放在服務(wù)器端，供應(yīng)用層調(diào)用。

圖3 數(shù)字校園系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.系統(tǒng)總體功能設(shè)計

基于富客戶端GIS技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)，圍繞院校的功能區(qū)域及公共設(shè)施等，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端瀏覽器有機(jī)結(jié)合起來，分區(qū)設(shè)計出系統(tǒng)的功能框架(如圖4所示)，實現(xiàn)了分布式校區(qū)信息化管理，能合理準(zhǔn)確地傳達(dá)校園信息，體現(xiàn)校園的人文內(nèi)涵和文化底蘊(yùn)。其總體功能如下：

1)地圖操作。以地圖方式表達(dá)空間數(shù)據(jù)，供用戶瀏覽。通過導(dǎo)航工具欄拉框或滑動條拖動方式實現(xiàn)地圖的放大、縮小、全圖、漫游、測距等功能。系統(tǒng)服務(wù)端使用切片地圖緩存服務(wù)，將地圖分級縮放，當(dāng)達(dá)到最大比例尺時則無法再放大;反之，達(dá)到最小比例尺時無法再縮小。

圖4 系統(tǒng)功能設(shè)計

2)導(dǎo)向定位。即快速查找校園用戶所需的地物與路線，包括校園巴士路線、功能區(qū)域亮顯、公共設(shè)施定位等。可根據(jù)校園區(qū)域特點(diǎn)采用代表性的導(dǎo)向標(biāo)識在地圖上引導(dǎo)定位，并在客戶端的視圖中顯示查詢結(jié)果，同時附帶基本信息。

3)信息查詢。用戶可通過關(guān)鍵字或下拉框內(nèi)選項指定查找對象，查詢校內(nèi)設(shè)施、道路、教學(xué)實驗樓、宿舍樓等，查詢結(jié)果則以列表形式顯示出來，用戶可點(diǎn)擊列表結(jié)果實現(xiàn)地圖定位，也可控制相應(yīng)彈出框查看基本信息和詳細(xì)數(shù)據(jù)。

4)校園管理。主要實現(xiàn)數(shù)字校園系統(tǒng)中的用戶管理、校區(qū)學(xué)生的宿舍區(qū)域管理、校車路線和校區(qū)路網(wǎng)的維護(hù)管理等。

三、關(guān)鍵技術(shù)研究

1.地圖服務(wù)訪問

為實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新的實時性，提高服務(wù)端性能和多用戶并發(fā)訪問響應(yīng)能力，減輕服務(wù)端計算負(fù)載，系統(tǒng)中地圖服務(wù)采用GIS服務(wù)器動態(tài)地圖渲染與地圖切片技術(shù)相結(jié)合的方式來發(fā)布。

對于上層矢量數(shù)據(jù)，因其實時性及數(shù)據(jù)更新頻繁，應(yīng)采用動態(tài)渲染，即客戶端發(fā)出請求后，地圖服務(wù)器按照用戶請求的地圖范圍動態(tài)繪制地圖，生成JPG、PNG等格式的柵格地圖圖片。

底層較固定的地圖數(shù)據(jù)，可利用地圖切片技術(shù)進(jìn)行地圖發(fā)布，最大限度地發(fā)揮動態(tài)地圖渲染技術(shù)，以支持?jǐn)?shù)據(jù)實時更新的優(yōu)點(diǎn)與地圖切片技術(shù)響應(yīng)速度快的性能優(yōu)勢。通過ArcGIS Server以四叉樹方式對地圖在n級比例尺等級下進(jìn)行切分，由式(1)可得切分片數(shù)

系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，各類型的地圖服務(wù)均被視為一個地圖圖層，通過 ArcGIS API for Silverlight的ArcGISDynamicMapServiceLayer接口，在地圖中添加動態(tài)渲染地圖圖層，ArcGISTiledMapServiceLayer添加切片地圖圖層(如圖5所示)。通過在地圖中添加不同的地圖服務(wù)圖層，實現(xiàn)動態(tài)渲染地圖服務(wù)與切片地圖服務(wù)的疊加。此外，為節(jié)約地圖切片預(yù)創(chuàng)建時間，以及便于切片地圖服務(wù)空間數(shù)據(jù)的后期更新，對訪問量大的中小比例尺等級，預(yù)先創(chuàng)建地圖切片緩存;對大比例尺等級，采用按需實時緩存。

圖5 四叉樹方式切片原理

2.系統(tǒng)信息查詢

本系統(tǒng)的查詢內(nèi)容主要針對校區(qū)建筑(點(diǎn))、校園道路(線)、校園區(qū)塊(面)等圖層，查詢方式以鼠標(biāo)點(diǎn)擊、區(qū)域定位為主。

首先，借助Services Directory查到所需地圖服務(wù)，調(diào)用QueryLayer接口，輸入查詢條件，返回查詢結(jié)果。查詢數(shù)據(jù)庫時，考慮到用戶會指定一個或多個查詢條件篩選查詢數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用表達(dá)式樹查詢法。雖然其與一般的LINQ查詢法等方法相比更為復(fù)雜，但靈活性強(qiáng)。在運(yùn)行時動態(tài)構(gòu)建查詢語句，查詢所用到的參數(shù)、屬性和方法以字符串形式“傳入”表達(dá)式，從而實現(xiàn)動態(tài)查詢。

分別使用不同數(shù)據(jù)量對普通查詢方法和表達(dá)式樹查詢法進(jìn)行測試(見表1)，測試平臺是普通的2 GB雙核筆記本，操作系統(tǒng)為Windows XP，瀏覽器為IE7。

表1 查詢時間比較表

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)提高了查詢速度，改進(jìn)了運(yùn)行效率。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)以上研究，以南京工業(yè)大學(xué)江浦校區(qū)為應(yīng)用對象，實現(xiàn)了基于ArcGIS Server 10.0、Visual Studio 2010和Silverlight 4.0開發(fā)的數(shù)字校園系統(tǒng)，系統(tǒng)具有地圖瀏覽、屬性查詢、空間定位、信息查詢、用戶管理等功能。Silverlight作為RIA應(yīng)用的開發(fā)技術(shù)，具有豐富的媒體元素呈現(xiàn)能力、動畫和數(shù)據(jù)內(nèi)容的分離的其特點(diǎn)，與傳統(tǒng)Web應(yīng)用程序通過刷新頁面和彈出窗呈現(xiàn)詳細(xì)信息的方式相比，系統(tǒng)實踐過程中菜單、信息窗口等均動態(tài)浮現(xiàn)于總體視圖之上，用戶可對其進(jìn)行拖拽、彈出、隱藏等操作。系統(tǒng)界面更加簡潔、美觀，解決了現(xiàn)有數(shù)字校園系統(tǒng)用戶交流情景體驗不足的問題，其在數(shù)字校園建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用價值(如圖6所示)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，數(shù)據(jù)組織安全高效，功能較為完善，信息查詢方便快捷，實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

圖6 數(shù)字校園系統(tǒng)實現(xiàn)

五、結(jié)束語

基于富客戶端GIS技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)字校園系統(tǒng)界面美觀友好，克服了傳統(tǒng)GIS開發(fā)中存在的交互性差、響應(yīng)速度慢等缺陷，顯著提高了系統(tǒng)可用性，加強(qiáng)了校園信息化建設(shè)。同時，在建設(shè)前期需進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)分析與設(shè)計，搜集和整合現(xiàn)有資源，方能使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果。

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