基于富客户端GIS的数字校园系统研究与实现

李熹微，李明峰，衡春杰，常小林

(南京工业大学测绘学院，江苏南京210009)

基于GIS技术的信息管理系统可实现师生与校区间信息交互，是校园软环境建设的重要组成部分［1］。国内现有以传统GIS实现的校园信息系统，功能划分不明确，局限于空间信息的可视化表现，缺乏丰富的用户体验，交互应用均集中在服务器端，混合传输交互数据和显示信息，网络负载重，响应速度慢［2］。因此，本文拟采用基于Silverlight的富客户端GIS技术，提高系统运行效率，实现更具人性化界面操作的数字校园系统。

一、富客户端GIS概述

富客户端技术是一种既能处理复杂的多媒体数据应用，又能大大提高用户的交互体验的应用技术。它能够充分利用本地机器的资源处理数据，将大部分业务逻辑从服务器端移植到客户端，减少了服务器端压力，保持了系统使用与部署的便携性，提高了数据交互速度与丰富的用户体验，从而实现了网络负载均衡［3］。

以Microsoft公司的Silverlight为基础，将富客户端技术和GIS结合成富客户端 GIS，采用 Model-ViewModel-View模型［4］，不仅继承了桌面应用程序反应快、交互性强的优点，且具有Web应用程序部署灵活、低成本的特性，简化并改进了Web应用程序的用户交互［5-6］。界面内容呈现与数据分离，适应查询内容、校园定位及信息更新的特点(如图1所示)。基于富客户端GIS开发的应用程序在图像、视频、音频、双向数据通信和复杂窗体创建等方面有着突出的优势［7］，可提供内容丰富、交互良好的用户体验，是真正实现跨浏览器、跨客户平台的应用技术。

图1 富客户端GIS应用系统的组织结构

二、数字校园系统设计

1.系统分析

数字校园系统的应用可提高师生学习办公与校园信息管理效率。其具有明确的地理定位，并以校园建筑、交通道路为依托，将校园中的典型建筑物、公共设施等作为相应的地理坐标，直接传达校园信息。

系统总体框架结构设计采用富客户端GIS特有的C/S与B/S相结合的体系结构，并配合企业级WebGIS的应用优势。

C/S结构主要针对具有一定权限的校园管理人员，使其能根据需要在客户机上管理相关数据，而系统会根据指令将修改后的数据传送到服务器保存。B/S结构主要针对非管理人员，高校的普通用户可以通过内部局域网(校园网)访问和查询相关数据。

系统整个框架包括3个部分：应用层、服务层和数据层(如图2所示)。数据层负责存储与管理地理数据，同时维护GIS数据之间的关系;服务层中使用ArcGIS Server作为地图服务器，实现与数据库(包括地图数据库和属性数据库)的连接和数据处理，应用服务器则对外部提供数据的查询和访问接口;应用层主要剪裁并集成下层提供的服务，使开发人员得到满足其需要的富客户端GIS应用系统。

2.数据组织结构设计

顾及校区地理信息资料的多样性，将系统数据分为空间数据、属性数据和元数据3大类(如图3所示)。对与地理位置相关的空间数据采用大分类小分层的方式进行组织，即把数据划分为基础数据和专题数据两大类，然后对每类数据按层组织，将相同类型划分为同一图层，并由ArcSDE进行统一维护管理;属性数据包括数据的名称与形状等，采用一般商用RDBMS(关系型数据库系统)，如SQLServer、Oracle等进行存储;元数据是描述数据的数据，是说明数据生产、内容、质量、状况、使用等特征的数据，它能促进数据的有效管理、维护及重利用，因此是数据管理不可缺少的［8］;此外，一些不便于数据库存储管理的数据以文件的方式存放在服务器端，供应用层调用。

图3 数字校园系统数据库设计

3.系统总体功能设计

基于富客户端GIS技术和Internet网络，围绕院校的功能区域及公共设施等，将系统数据库、应用服务器、客户端浏览器有机结合起来，分区设计出系统的功能框架(如图4所示)，实现了分布式校区信息化管理，能合理准确地传达校园信息，体现校园的人文内涵和文化底蕴。其总体功能如下：

1)地图操作。以地图方式表达空间数据，供用户浏览。通过导航工具栏拉框或滑动条拖动方式实现地图的放大、缩小、全图、漫游、测距等功能。系统服务端使用切片地图缓存服务，将地图分级缩放，当达到最大比例尺时则无法再放大;反之，达到最小比例尺时无法再缩小。

图4 系统功能设计

2)导向定位。即快速查找校园用户所需的地物与路线，包括校园巴士路线、功能区域亮显、公共设施定位等。可根据校园区域特点采用代表性的导向标识在地图上引导定位，并在客户端的视图中显示查询结果，同时附带基本信息。

3)信息查询。用户可通过关键字或下拉框内选项指定查找对象，查询校内设施、道路、教学实验楼、宿舍楼等，查询结果则以列表形式显示出来，用户可点击列表结果实现地图定位，也可控制相应弹出框查看基本信息和详细数据。

4)校园管理。主要实现数字校园系统中的用户管理、校区学生的宿舍区域管理、校车路线和校区路网的维护管理等。

三、关键技术研究

1.地图服务访问

为实现系统数据更新的实时性，提高服务端性能和多用户并发访问响应能力，减轻服务端计算负载，系统中地图服务采用GIS服务器动态地图渲染与地图切片技术相结合的方式来发布。

对于上层矢量数据，因其实时性及数据更新频繁，应采用动态渲染，即客户端发出请求后，地图服务器按照用户请求的地图范围动态绘制地图，生成JPG、PNG等格式的栅格地图图片。

底层较固定的地图数据，可利用地图切片技术进行地图发布，最大限度地发挥动态地图渲染技术，以支持数据实时更新的优点与地图切片技术响应速度快的性能优势。通过ArcGIS Server以四叉树方式对地图在n级比例尺等级下进行切分，由式(1)可得切分片数

系统实现过程中，各类型的地图服务均被视为一个地图图层，通过 ArcGIS API for Silverlight的ArcGISDynamicMapServiceLayer接口，在地图中添加动态渲染地图图层，ArcGISTiledMapServiceLayer添加切片地图图层(如图5所示)。通过在地图中添加不同的地图服务图层，实现动态渲染地图服务与切片地图服务的叠加。此外，为节约地图切片预创建时间，以及便于切片地图服务空间数据的后期更新，对访问量大的中小比例尺等级，预先创建地图切片缓存;对大比例尺等级，采用按需实时缓存。

图5 四叉树方式切片原理

2.系统信息查询

本系统的查询内容主要针对校区建筑(点)、校园道路(线)、校园区块(面)等图层，查询方式以鼠标点击、区域定位为主。

首先，借助Services Directory查到所需地图服务，调用QueryLayer接口，输入查询条件，返回查询结果。查询数据库时，考虑到用户会指定一个或多个查询条件筛选查询数据，系统采用表达式树查询法。虽然其与一般的LINQ查询法等方法相比更为复杂，但灵活性强。在运行时动态构建查询语句，查询所用到的参数、属性和方法以字符串形式“传入”表达式，从而实现动态查询。

分别使用不同数据量对普通查询方法和表达式树查询法进行测试(见表1)，测试平台是普通的2 GB双核笔记本，操作系统为Windows XP，浏览器为IE7。

表1 查询时间比较表

测试结果表明，系统提高了查询速度，改进了运行效率。

四、系统实现

根据以上研究，以南京工业大学江浦校区为应用对象，实现了基于ArcGIS Server 10.0、Visual Studio 2010和Silverlight 4.0开发的数字校园系统，系统具有地图浏览、属性查询、空间定位、信息查询、用户管理等功能。Silverlight作为RIA应用的开发技术，具有丰富的媒体元素呈现能力、动画和数据内容的分离的其特点，与传统Web应用程序通过刷新页面和弹出窗呈现详细信息的方式相比，系统实践过程中菜单、信息窗口等均动态浮现于总体视图之上，用户可对其进行拖拽、弹出、隐藏等操作。系统界面更加简洁、美观，解决了现有数字校园系统用户交流情景体验不足的问题，其在数字校园建设中有广泛的应用价值(如图6所示)。系统运行结果表明，数据组织安全高效，功能较为完善，信息查询方便快捷，实现了预期设计目标。

图6 数字校园系统实现

五、结束语

基于富客户端GIS技术实现的数字校园系统界面美观友好，克服了传统GIS开发中存在的交互性差、响应速度慢等缺陷，显著提高了系统可用性，加强了校园信息化建设。同时，在建设前期需进行详细的系统分析与设计，搜集和整合现有资源，方能使系统达到预期效果。

［1］高翼生.当代高校校园规划提示［J］.新建筑，2002(4)：10-12.

［2］曹小燕，孟志勇.基于GIS的校园信息化［J］.北京测绘，2004(1)：19-21.

［3］吴涛，戚铭尧，黎勇，等.WebGIS开发中的RIA技术应用研究［J］.测绘通报，2006(6)：34-37.

［4］SMITH J.WPF Apps with the Model-View-ViewModel Design Pattern［DB/OL］.［2012-04-16］.http：∥msdn.microsoft.com/en-us/magazine/dd419663.aspx.

［5］程国雄，胡世清.基于 Silverlight的RIA系统架构与设计模式研究［J］.计算机工程与设计，2010，31(8)：1706-1709.

［6］Microsoft.Silverlight Overview ［EB/OL］.［2012-04-20］.http：∥msdn.microsoft.com/en-us/library.

［7］孙超，钟珞.基于 Silverlight的富界面应用研究［J］.武汉理工大学学报，2008，30(12)：101-103.

［8］张瑜.基于Flex和ArcGISServer的WebGIS设计与研究［D］.南京：南京林业大学，2011.