基于ArcGISEngine的数字校园系统的设计与实现毕业设计.docx
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基于ArcGISEngine的数字校园系统的设计与实现毕业设计
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分类号编号
毕业论文
题目基于ArcGISEngine的
数字校园系统的设计与实现
摘要
随着我国信息化建设步伐的加快，“数字地球”、“数字城市”建设正如火如荼的进行。
数字校园作为“数字城市”的一个缩影,具有“数字城市”的基本特点和功能,其建设工作对于我国高等教育的现代化建设具有重要意义[1]。
数字校园通过图形、图像数字信息来表现校园的各种空间及属性要素,为用户提供各种校园信息的查询、检索和必要的空间分析、统计操作以及按不同用户要求输出相应的专题要素,为校园的发展预测、规划决策以及科学管理提供可靠依据。
高等院校作为高新技术的集中地,有必要在“数字校园”建设方面做进一步的开发与研究。
本论文在以上认识的基础上，结合数字校园关键技术，提出了以地理信息系统为基础来建立华北水利水电学院数字校园系统。
系统是以组件式软件即ArcGISEngine和面向对象的可视化编程工具Visua1Basic6.0构架的技术体系为基础进行开发的。
系统不仅具有普通电子地图所具有的功能，同时具有统计分析、专题图制作、查询操作、三维模型展示等功能。
文章结合系统的开发过程，首先介绍了系统开发的背景环境；接着研究了系统开发过程中所涉及到的一些关键性技术；然后对三维建筑物模型的建立，从数据的采集到三维场景的制作整个流程做了详细介绍；再通过以华北水利水电学院数字校园系统为例，从系统开发平台、系统数据库的设计及系统结构进行研究；最后，对开发出的系统进行简单介绍，并对其实现的功能模块作了详细说明。
【关键字】：
组件式GIS；数字校园；ArcGISEngine;
1绪论
1.1引言
近年来一些高校纷纷合并，招生人数增加、老房屋需要改造、校园需要重新规划，所以正在或者即将改造、扩建老校区或兴建新校区。
无论是合并的还是新建的校区，大都不在一处，各成体系，给高校的规划与管理工作带来许多不便与困难，传统的手工规划与管理模式已远远不能满足高校发展的需要[2]，所以校园的合理规划与有效的管理越来越引起社会及高校领导的重视，数字校园系统就应运而生。
数字校园是利用计算机技术、网络技术、通讯技术对学校与教学、科研、管理和生活服务有关的所有信息资源进行全面的数字化:
并用科学规范的管理对这些信息资源进行整合和集成，以构成统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限控制;把学校建设成面向校园内，也面向社会的一个超越时间、超越空间的虚拟校园。
通过提升教学设施、教学方法、教学手段、教学管理，从而达到全面提高教学质量、管理水平与效率的目的。
数字校园系统的开发，不仅在辅助领导决策、提高管理效率等方面显示出传统管理模式所不能比拟的优点，同时也为在校生和校园的来访者提供了及时、准确的信息。
为学校日后建立科学、智能、网络一体化的综合校园管理体系奠定了基础。
1.2论文研究背景
华北水利水电学院坐落在中华民族的母亲河——黄河之滨的郑州市，是水利部与河南省共建、以河南省管理为主的高校，是河南省重点支持建设的骨干高校之一。
2005年在教育部普通高等学校本科教学工作水平评估中获得优秀。
目前学校已发展成为一所以水利电力为特色，工科为主干，理、工、农、社、管、文等多学科协调发展的大学。
近几年来,学校发展比较迅速,在校生人数不断增长;同时随着龙子湖校区的投入使用,在校园规划、设施管理、教学管理和人员信息管理各方面,依靠传统的人工管理和决策方式,其难度也越来越大,且容易造成差错。
花园校区和龙子湖校区,分布在郑州市的不同方位，导致各校区之间联系的矛盾尤为突出。
由于新校区建设进度和实验设施不完善,还无法满足学生正常的学习要求,学校采取了回老校区——花园校区学习的方法.为了使同学们更快的适用花园校区环境,更好的进入学习状态,也为加快校园信息化步伐，提高工作效率，强化学校管理，因而建立一个结合地理空间位置和信息管理于一体的数字校园系统对提高华北水利水电学的信息化水平起到非常积极的促进作用。
1.3数字校园的研究意义
高校作为研究、开发利用和推广高新技术的前沿，理应成为信息化研究、开发和利用的重要承担者，首要任务就是建立数字校园地理信息系统。
现代化的大学需要现代化的管理，建立校园GIS的目的就是要改变传统校园管理无序、费工费时、数据更新慢的半自动化管理状态;解决传统的管理信息系统无法处理空间数据的问题;为校园管理、规划、决策等快速、准确地提供各种所需的图片、图像、文字并茂的现势性信息，使校园信息的分析更为全面。
通过数字化校园管理信息系统的建立，可以有效地提高学校管理的现代化水平，提高基层管理工作效率和准确性，实现办公自动化的科学管理，有利于多种数据的统一和共享，可以为学校领导和各级基层管理部门及时、准确、详细、可靠地掌握有关校园内各种教学、行政和管理的地理空间资源信息和数据提供有力的技术保障[3]。
建立校园地理信息系统的意义归纳起来主要有以下几个方面[4]:
（1）可以较全面地反映校园地理信息的现状;
包括各类建筑物、道路的空间位置、分布及其关联。
由于数字校园的空间信息和属性信息都实现了数据库管理，可以为用户提供所需的各种信息，同时可按各种条件生成和输出各种图表和报表。
（2）可以对校园各种建筑物进行有效管理;
可快速、准确地进行各类建筑物的查询和定位，为校园的管理、规划和设计提供准确而详细的数据，而且既可以根据图形数据查属性，又可以根据属性数据显示相应的图形，实现了图数查询。
（3）可对学生信息进行有序化管理;
将学生档案信息与地理信息相结合，可快速、准确地进行学生信息的查询和定位。
（4）可以使校园资源的得到高效利用;
将校园的地理位置信息与学生的选课信息相结合，可以进行各种统计分析和空间分析，实现了教室资源的优化配置。
（5）有利于提高管理水平和工作效率;
有利于建筑物的维护、动态修测和更新，从而提高管理水平和工作效率。
（6）实现资源的共享.
1.4数字校园开发的关键技术
1.4.1地理信息系统
地理信息系统（GeographyInformationsystem，GIS）是一种为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统（1998年，美国国家地理信息与分析中心定义）。
这里空间数据是指使用采用不同方式的遥感与非遥感手段所获得的数据，它有多种数据类型，包括地图、遥感、统计数据等，它们的共同特点是都有确定的空间位置。
地理信息系统不仅能将空间信息和非空间信息集成在统一的信息平台上进行管理和分析。
而且,以地理空间数据为基础,以地理信息系统中的空间分析方法为基础还可以开发各种应用模块,为校园发展规划、资源优化配置、突发事件的处理等提供决策分析方面的支持。
目前,许多高校都已经将GIS应用到校园里,不仅方便了对校园各种信息的管理,同时为校园的发展预测、规划决策等方面都提供了可靠的依据[5]。
1.4.2组件式GIS
组件式GIS是面向对象技术和组件技术在GIS软件技术开发中的应用。
组件式GIS控件与其他软件通过标准接口进行通信，实现跨程序、跨计算机、跨网络的分布式操作。
同传统的GIS相比较，它具有多方面的特点，包括:
无缝集成、跨语言使用、易于推广、开发简捷、使用方便、成本低、可视化界面设计以及Internet应用等。
组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。
各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用[6]。
控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能（包括GIS和非GIS功能），根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。
GIS组件的代表作应首推ArcGISEngine,它是由全球最大的GIS厂商ESRI（美国环境研究所）最新GIS软件ArcGIS9.0下新增的基于ArcObject的一个面向开发的新产品。
该产品基于ArcObject构建,并提供跨平台的组件技术框架用于构建ArcGIS。
通过ArcGISEngine,用户可以自由地搭建及配置ArcGIS解决方案,而不需要在同一机器上安装ArcGIS的桌面应用环境。
1.4.3数据库（Access）
Access是微软公司推出的基于Windows的桌面关系数据库管理系统（RDBMS），是Office系列应用软件之一。
它提供了表、查询、窗体、报表、页、宏、模块7种用来建立数据库系统的对象；提供了多种向导、生成器、模板，把数据存储、数据查询、界面设计、报表生成等操作规范化；为建立功能完善的数据库管理系统提供了方便，也使得普通用户不必编写代码，就可以完成大部分数据管理的任务。
Access是一个面向对象的开发工具，利用面向对象的方式将数据库系统中的各种功能对象化，将数据库管理的各种功能封装在各类对象中。
它将一个应用系统当作是由一系列对象组成的，对每个对象它都定义一组方法和属性，以定义该对象的行为和外国，用户还可以按需要给对象扩展方法和属性。
通过对象的方法、属性完成数据库的操作和管理，极大地简化了用户的开发工作。
同时，这种基于面向对象的开发方式，使得开发应用程序更为简便。
1.5系统开发要解决的问题
本系统设计主要解决的问题有以下几个方面:
（1）初步建立校园图形库，实现图形数据的统一综合管理；
（2）实现图像、文本与地图的动态连接以及图形数据和属性数据互查功能；
（3）实现空间分析，最短路径的查询；
（4）实现统计报表和统计专题图的显示和输出功能;
（5）对系统数据进行动态更新。
1.6系统开发主要路线
GIS是融计算机图形和数据库于一体，储存和处理空间信息的信息系统。
它把地理位置和相关属性数据有机地结合起来，实现空间数据的相互查询和可视化输出，从而满足城市建设、规划、施工管理等对空间信息需求的要求。
本系统就是本着GIS这一特点，以华北水利水电学院花园校区为研究对象，通过用外业采集获取的校园规划平面图以及建筑物纹理和属性数据，利用ArcGIS软件按照专题进行分层组织以及对建筑物模型构建。
在VisualBasic6.0开发环境下通过ADO（ActiveXDataobjects）与Access表相连，用SOL语句访问表中的数据，实现对校园属性数据的管理。
利用ArcGISEngine组件提供的各种属性、方法和工具，方便灵活地实现GIS大部分功能，从而实现对校园信息的管理。
1.7论文主要研究内容
本文针对华北水利水电学院的实际情况,在GIS技术的支持下,提出了数字校园建设的具体思路。
本论文研究的主要内容有四个方面:
（l）叙述研究背景及数字校园研究的意义及其用到的相关技术;
（3）对系统中三维建筑物模型构建的整个流程进行深入分析和研究；
（4）对数字校园系统的开发平台和数据库设计方面进行探讨；
（5）简单介绍初步建成的华北水利水电学院数字校园系统。
本论文的目的就是利用组件GIS的优势建立一个可视化“数字校园信息系统”，真正实现空间数据和属性数据的无缝连接。
并实现“基于ArcGISEngine技术的华北水利水电学院数字校园”，为用户提供各种校园信息的查询、检索和必要的空间分析、统计操作以及按不同用户要求输出相应的专题要素,为校园的发展预测、规划决策以及科学管理提供可靠依据。
2数字校园三维场景实现的基本流程
数字校园三维场景是应用三维可视化技术和虚拟现实等技术,以直观的三维地形地物代替了传统的抽象的二维地图符号,使校园地理空间信息在电脑中立体化显示,用户可以随时获得所需的信息,可以图文并茂地进行校园信息的查询.通过该系统可以更加真实的反映校园的面貌,使用户具有身临其境的感觉[7]。
数字校园三维场景建立的基本流程是：
先通过将外业采集到的数据利用ArcMap软件通过配准并矢量化分层后，确定好各建筑物的相对位置，利用AutoCAD软件以及获取的学校规划平面图，按比例绘制出建筑物的平面底图，再利用3dmax软件逐个对建筑物构建模型，然后将通过photoshop软件处理好的纹理对建立好的模型进行贴图，使其与真实景物相符，接着将建立好的每个模型导出为3ds格式，再建立好自己的符号库，最后将建筑物导入场景中，加载Arcscene自带的树木花草模型，最终形成整个校园的三维景观模型。
如下图2-1：
图2-1建筑物三维场景制作流程
2.1数据的采集
华北水利水电学院电子地图的设计与编绘是以校园规划平面图为基础,以ArcGIS作为基础平台建立的,其数据源是多方面的,主要包括以下几个方面:
（1）华北水利水电学院校园规划平面设计图
（2）纹理资料,由数码摄像机对各个学院、宿舍的外观及校区内标志性建筑进行拍照得到。
（3）3D模型数据,通过实地采集获取每个建筑物的形状和大致高度,再利用3dmax软件制作模型，用来逼真的表示建筑物的精细结构和材质特征.
（4）统计数据，通过对各院系信息的收集。
2.2数据的预处理
数据的预处理工作主要包括配准;地形图的矢量化等;具体处理工作如下[1]:
（1）在ArcMap导入校园规划平图作为底图数据
（2）影像配准:
主要工作在ArcMap中完成,利用Georeferencing（影像配准）工具条上的“addcontrolpoint”（增加控制点）工具采集底图上所有方里网交点和4个角点.（如图2-2）然后,选择该工具条上下拉菜单中的“rectify”命令,生成一个经配准了的新影像数据，如图2-3：
图2-2：
校园规划平面图图2-3：
控制点配准数据
（3）在Arccatalog内新建图层，并在ArcMap软件里分图层进行矢量化，并添加对应属性数据，实现空间数据和属性数据相关联。
2.3校园建筑物三维模型的建立
校园的建筑物（主要是楼房）在二维电子地图中表现为面状对象，只能反映楼房底面分布的平面坐标信息，并没有建筑物高度和其外结构的三维数据，因此，要对这些数量庞大、结构复杂的地物进行建模非常困难。
2.3.1Autocad底图的生成
三维模型的建立就好像建筑工地施工一样，必须有原始的资料,在校园里的数据主要是地形和地物的数据[8]。
由于华北水院校园地形的数据不太复杂，我们采用过去的学校平面规划设计图。
由于无法获取每栋建筑物的地理坐标数据，不能与地理坐标关联。
这时我们可以通过相对坐标创建点的方式进行建模，展现三维场景中的相对位置关系，而不考虑实际地理坐标。
通过数据预处理后，将矢量化好分好层的图层导入到CAD软件中，利用ArcGIS自带的Arctoolbox工具箱里的conversiontools—toCAD—ExporttoCAD，将shape文件转化成CAD文件（如图2-4），为下一步的3dmax建模作准备。
图2-4：
shape文件转换成CAD文件后图
2.3.23dmax三维模型的创建
创建三维景观模型是三维虚拟GIS空间数据库组建的最关键的一步，模型创建的好坏直接影响到三维数字校园的整体效果[9]，模型的创建过程采用3dmax建模软件完成（如图2-5所示）。
对于建筑物，经统计发现，花园校区区内建筑物将近60幢，如果对所有建筑物都采用3dmax建模的话，不仅时间成本太高，系统在渲染模型上的开销也相当大。
因此，将建筑物分为重点建模的建筑物和非重点建模的建筑物:
需要重点建模的建筑物指比较有标志性且造型较为特殊的建筑物，如综合实验楼、图书馆、讲堂群、文体活动中心等，如下图2-6；对于这些采用3dmax软件详细建模:
其他形状较为规则的建筑物则直接通过在3dmax软件里将导入的CAD二维平面数据拉伸贴图创建而成。
图2-5：
建立的部分建筑物3dmax模型
图2-6：
文体活动中心3dmax模型
2.3.3photoshop纹理处理
建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图。
通过纹理贴图可以增加模型的质感,完善模型的造型,使创建的三维场景更接近现实。
纹理，即在三维可视化中对地物进行贴图处理时用到的地物表面数据，主要包括建筑物的侧面、顶面、草地、操场、围墙、树木、路灯以及雕塑等纹理[2]。
在校园三维地物建模过程中,纹理是建模中的重要环节之一,它将直接关系到所建模型的视觉效果和逼真程度。
校园内建筑物的侧面纹理是用数码相机到实地拍摄而获得的，所拍摄到的原始图像并不能完全符合要求，比如图像倾斜、被其它的景物如树木遮挡等，同时，考虑到在ArcScence中显示三维场景时，亮度通常低于实际照片亮度，因此，需要将纹理图片的亮度调高。
这样就需要运用photoshop软件进行旋转、拉伸、修补等处理，使得纹理图像符合要求。
如下图2-7和2-8：
图2-7：
图片处理前图2-8：
图片处理后
纹理处理的好坏可以说与最后的三维效果息息相关，因为现有模型的建筑都是灰色的，毫无真实感可言。
纹理应用于三维空间对象建模，可以大大提高三维可视化的逼真度，增加用户进行实时漫游时的真实感和沉浸感（如图2-9和2-10）。
图2-9：
未贴图的图书馆图2-10：
贴图后的图书馆
2.3.43D符号库的建立
在3Dmax中将建立好的模型导出为.3ds格式，再在arcscene中用点状符号表示，但由于arcscene软件的原因，对曲面的支持并不是很好，而且当一个mesh细节越高时运行速度会越慢，所以建模的细节度不能太高，这些部分需要贴图来弥补。
在建模当中遇到的问题是一开始建模时细节度太高，面比较多，以至于在导出3ds模型后显示速度太慢。
比较起整个校园的漫游速度来说，放弃一部分的细节度是值得的。
于是通过将导出好的模型，在stylemanage中制作自己的符号库，制作时可以直接调用里面的符号，发现效果还是比较理想的，最重要的是场景加载速度有了一定的提高。
3ds符号库建立的步骤：
①对于某建筑物图层更改其符号属性（SymbolSelector），然后再点击属性;
②在弹出对话框中选择3DMarkerSymbol，并选择前面已经建好的*.3ds格式文件;
③按照实际需要修改模型的大小以及模型的朝向;
④将建立好的模型保存为.style格式,并定义Category名称为dsz.
⑤点击MoreSymbols在弹出的下级菜单中，选择Add，将dsz.style加载到符号库中，最终结果显示如下图2-11：
图2-11:
建立好的名称为dsz的符号库
由于三维符号具有易读性和直观性，对于拓展地图的应用领域具有现实意义。
三维地理信息的符号化是对空间地理现象的表示,是三维空间地理要素可视化的一种实现方法[10]。
在三维地理信息系统中，所有的地理现象以及空间实体都需要有相应的三维符号模型来表示,不仅可以解决数据量庞大问题，而且可以真实的反映校园的面貌,给人以逼真感。
2.4校园三维场景的生成
本系统通过使用ArcGISDesktop系列软件与3DSMAX建立三维场景,建立好自己的符号库后,需要将通过校园规划图确定好的建筑物相对地理位置，在建筑物中心绘制二维点,用对应的三维模型符号代替.由于ArcScene增加了使用三维符号的支持,允许用3D符号来代表GIS要素,使得我们可以从标准符号选择对话框中选择各种各样的类型,从而使我们数字校园系统显得更加容易操作.
在本次系统制作中,建筑物模型建立好后,制作成自己的符号库，当使用到该建筑物时，直接调用.style符号，由于ArcScene提供了各种各样的灯、树、亭模型，所以在建立这些要素的模型时，只需分要素类型建立点状要素层（如树木层、电话亭层等），再在合适的位置“栽”上从样式库中选择的合适的模型。
也就是可以直接使用ArcScene自带的三维符号，不用花时间建立模型。
由于考虑到数据量大的问题，本次设计将学校分多个场景显示，如图2-12和图2-13所示：
图2-12:
校园教学楼区三维场景图
图2-13:
学校大门三维场景图
2.5本章小结
本章通过三维模型建立流程的深入研究和分析,提出了三维模型的最终实现，要经过三个步骤，数据的采集、3D模型的构建、模型的符号化等。
我们对三维模型建立每一个步骤的技术实现进行了讨论，找到具有较高实际应用价值的方法，把本章所讨论的技术应用到实际建筑物中，取得了良好的实验效果。
在后面，我们将结合华北水利水电学院数字校园系统开发项目，应用本文所讨论的建模方法进行实际的项目开发。
3基于ArcGISEngine数字校园系统的建立
前面我们讨论了建设数字校园的一些方法和三维场景的实现，这些基本内容清楚以后，就要考数字校园的具体实现。
只有将建设数字校园的规划有目的、有计划、有步骤地付诸实施，才能真正实现校园信息化建设。
在本章中，我们对数字校园实施过程中的一些具体问题进行探讨。
任何一个系统，都有其实现的步骤。
通过分析，我们建立的数字校园流程见图3-1：
图3-1：
华北水利水电学院数字校园系统制作流程
3.1系统开发平台设计
结合GIS工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式是现在GIS应用开发的主流。
它的优点是既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、便于维护[11]。
在选择平台时本着:
简单、经济、实用的原则。
选择广大开发人员熟悉的开发工具，缩短开发周期、减少开发成本;选择功能完备、价格便宜的GIS平台，减少软件投资。
本系统采用开发平台如下图3-2所示：
图3-2:
华北水利水电学院数字校园系统开发平台
3.1.1地理信息系统平台
为了能高效开发出华北水利水电学院数字校园系统，本系统GIS平台使用ArcGISEngine。
此套组件是由ESRI公司开发研制的新一代大型组件式地理信息系统平台，我们采用ArcGISEngine组件技术，可以使用任何支持COM的编程语言对ArcGIS平台的基本控件AO（Arcobjects）基础函数进行集成和二次开发，实现一个能够脱离ArcGIS而独立运行的应用程序。
ArcGISEngine可以帮助用户实现地图的漫游和缩放;地图要素的查询和标注以及专题图制作和统计分析等最基本的地图操作功能,用户可以不用代码直接调用其自带的模块来实现这些功能.
3.1.2系统开发语言
选择高效的VB6.0，它完全支持ActiveX控件的应用，对数据库的支持也非常完备，提供完全可视化的、面向对象的编程环境，有利于提高系统的开发效率，加快系统的开发进度;另外，用它能够开发出一流的用户界面，使系统易于使用。
在VB6.0环境下结合ArcGISEngine对系统进行开发，可以很方便的将地图处理功能嵌入到应用程序中，并可以编译成exe文件，脱离ArcGIS的软件平台运行。
同时，ArcGISEngine能够简单快速的在数据库管理系统中嵌入地图化功能，增强系统的空间查询和空间分析能力。
3.1.3数据库平台
由于本系统使用的数据量不是太多，为实现各院系的统计数据的查询,将这些与空间数据无关的统计数据存储在Access表中，在VB6.0环境下通过ADO与Access表相连，用SQL语句等方式直接访问表中的数据来管理各种属性信息。
3.1.4系统运行平台
本系统软件运行平台为Windows2000及以上操作系统，推荐使用Windows2000或WindowsXP。
由于三维操作对硬件的要求比较高，硬件最低平台要求为CY2GCP
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