基于WEB的北京市高等教育地理信息系統設計與開發

許國雄 王愛華 賈積有 郭文革 文東茅

【摘要】文章介紹國內第一個面向公眾開放的高等教育地理信息系統——北京市高等教育地理信息系統的設計與開發。系統提供數據查詢、數據管理及專題圖制作發布等功能。系統采用三層結構:數據層,包括空間數據及屬性數據;中間層,用來提供Web和GIS服務;表現層,包括用于Web客戶端和GIS客戶端的軟件封裝。GIS軟件采用性價比較好的國產WEB-GIS軟件開發平臺SuperMap IS.NET,開發工具選用Visual Studio.NET 2005。

【關鍵詞】Web-GIS;高等教育;專題圖

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2009)08—0085—04

引言

GIS(Geographic Information System,地理信息系統)是信息系統的一種,可以實現地理空間數據和信息的科學可視化,即通過圖形圖像等可辨認的手段,來形象表現科學數據的內涵[1]。信息的可視化能極大地提高信息與知識理解、傳播的效率。

Web-GIS(萬維網地理信息系統)是運行在萬維網上的地理信息系統,是在Internet上面向大眾提供地理信息服務的應用系統[2]。它基于Internet的網絡平臺,利用WEB瀏覽器作為客戶端,通過HTTP協議訪問遠端GIS服務器。Web-GIS可以使基于地圖(圖形、圖像)的應用系統得以通過互聯網技術在各行各業中得到廣泛的應用。

GIS已經被應用于日常生活的各個方面[3]。比如GIS可以用于電力、燃氣、水等公用事業,幫助保持市場競爭力;在電信領域,GIS可用于新客戶開發、電話報修分析以及客房關懷;在交通領域,GIS可用于交通基礎設施和相關資產管理以及充足、有效的網絡分析解決方案,用于最短路徑的確定,為交通工具線路設計、城市交通模擬等服務;在應急管理領域,GIS可以整合空間數據,對災害可能造成的影響、在瞬息萬變的環境中最佳疏散路線的確定等進行模擬,也可以用于資產記錄和資源的空間定位等;在土地管理領域,GIS已成為進行數據集成的核心;在城市規劃中,GIS用于對城市規劃信息進行編碼和可視化;在圖書館領域,圖書館能提供越來越多的GIS信息,收集、維護、存儲空間資源并提供訪問。

在教育領域中,國內外GIS的應用案例并不多見。通過文獻分析,我們發現GIS能夠以直觀的方式幫助決策者、研究者和普通公眾了解教育資源的分布,通過與數據分析和挖掘技術相結合,可以幫助決策者、研究者抓住數據中所隱藏的一些規律,從而為決策、研究提供支持。因此,研究與實現教育地理信息系統對教育領域的數據顯示、管理決策、科學研究等都非常重要。

本文所設計和實現的北京市高等教育地理信息系統充分利用WEB-GIS的功能,為高等教育研究者、社會公眾、教育管理與決策者提供教育數據的查詢、統計、分析、可視化顯示等功能。開創了GIS在國內高等教育應用方面的先河,彌補了GIS在國內高等教育應用方面的空白,對高等教育信息管理、科研輔助、教育決策等方面的研究具有重大意義。

一 相關研究分析

位于阿肯色大學(University of Arkansas)教育與健康專業學院課程與教學系的美國國家測度與評估系統研究辦公室(The National Office foe Research on Measurement an Evaluation Systems (NORMS)) 開發了分析阿肯色州教育成績鴻溝的GIS應用——GAPS(Geographic Academic Policy Series) 。其目標是使用地理信息和顏色表示教育分析結果,以提供基于地圖的分析“快照”。GAPS系統按年收集阿肯色州各學校、學區學生的文學、數學成績的統計數據。研究人員選擇人們關心的教育問題,在GAPS系統中進行專題分析,生成專題圖,提供給決策者作為輔助決策工具。例如,針對學區規模與學生成績是否存在相關關系的問題,GAPS生成了一系列專題圖。從圖形顯示發現,學生成績與學區規模沒有顯著關系,反而跟學區的地理位置有很大的相關性。位于阿肯色州30號州際公路右下方的學區學生成績低于州平均水平的概率更高。不向大眾開放使用,人們只能看到針對一些問題生成的靜態的地圖快照。因此從使用方式來說,不支持普通用戶自己對數據進行分析。

2002年,俄勒岡州教育委員會、俄勒岡大學系統(the Oregon University System)與俄勒岡州立大學(Oregon State University)共同合作,啟動美國俄勒岡州教育委員會GIS輔助決策支持項目(Oregon State Board of Education GIS Decision Support Pilot Project),旨在研究GIS在幫助俄勒岡州教育委員會進行政策決策方面的功用。該項目把俄勒岡劃分為15個勞動力市場區域,以IT產業為例,按照各區域IT課程供應和IT招聘職數,制作了教育供給與勞動力需求專題圖,對于教育資源布局和教育規劃提供了有力的支持[4]。俄勒岡GIS輔助決策支持項目為我們在北京高等教育地理系統中利用GIS功能研究與呈現高等教育變量與相關社會經濟變量之間的關系,進而輔助進行高等教育政策決策開拓了思路。這個項目也沒有向公眾提供可利用系統所提供的功能進行即時探查分析的入口。

北京市教育委員會提供的教育電子地圖3在普通北京市地理系統基礎上建設,它增加教育地理信息圖層,包括各類院校、中小學、教育相關部門。它提供的功能有周邊查詢,如查詢學校周圍的銀行;行車路線;公交服務;打車助手;交通路況。這個地圖可以大大方便人們了解學校周邊情況,但它只提供基本的地理信息查詢功能,缺少教育的特色數據,也缺少教育的特色應用研究。

“中國教育地理信息系統(CEGIS)”由國家教育發展研究中心、中國教育發展戰略學會和紹興托普信息職業技術學院共同合作開發[5]。系統功能包括查詢世界各國、全國各省、指定省各地的各類教育資源的布局、各種教育統計數據(當前和歷史數據)及其空間分布情況,可以顯示與教育密切相關的各種社會、經濟統計數據和它們的地域分布情況;使用系統關聯的國際著名統計分析軟件SPSS For Windows可以對各國、各省或指定地、市、縣的教育統計數據進行深入的定量分析,以便形成正確的決策、咨詢意見等。該系統使用的數據主要是各種統計數據,缺乏專項調研數據和專題分析工具。這也是我們在設計HEDUGIS時,試圖創新之處。

本文所描述的北京市高等教育地理系統的關注對象主要是研究人員,為此在系統中錄入了大量的科研、課題數據,這是與中國教育地理信息系統(CEGIS)所不同的,因此系統能夠提供的服務類型也會有所不同。

本文所描述的基于WEB的北京市高等教育地理信息系統(以下簡稱HEDUGIS)擁有各種教育特色數據,關注教育應用和社會服務,是已經實現、開始服務于全社會的系統。本文后面部分將重點介紹HEDUGIS的功能設計、系統設計和系統實現。

二 HEDUGIS的功能設計和系統結構

1 功能設計

本系統的目標主要是為研究者查詢和發布高等教育研究的相關信息提供服務,同時為社會公眾和政符工作人員提供相關的數據查詢服務。因此本系統首先著眼于高等教育研究者的需求,同時兼顧社會公眾和教育管理決策人員的需求?；谝陨峡紤],系統的目標為[6]:

面向高等教育研究者提供數據輸入服務,包括直接輸入和由系統管理者協助的間接輸入服務,使得高等教育研究所需的數據和成果都能方便地存儲到系統中。

面向高等教育研究者、普通社會公眾、教育管理決策者提供數據查詢服務,包括基于文本的查詢和基于地圖的查詢。

面向系統管理員,提供可協助研究人員制作和發布高等教育專題圖的工具。地理專題圖的制作和發布是一件比較復雜的任務,因此系統沒有開發直接面向研究者的專題圖制作和發布工具,而是利用GIS軟件提供的可視化專題圖制作功能和ASP.NET編程工具向系統管理員提供制作和發布專題圖的工具和模板,讓系統管理員制作并發布專題圖后供研究人員使用。

面向高等教育研究者,提供按需設計的輔助工具開發及集成。高等教育研究者可以按自己需求開發出輔助工具并整合到本系統中。

基于以上系統設計目的,本文提出如圖1所示的功能設計。

本系統包括以下四類功能模塊:

數據查詢工具:數據查詢工具負責完成用戶對數據的多種檢索任務。根據查詢的數據類型可分為地圖數據檢索、屬性數據檢索工具。根據數據查詢的方式可分為數據分類瀏覽工具、數據結構化查詢工具等。

數據管理工具:數據管理工具負責對數據庫數據的添加、刪除、修改、導入、導出等任務。

專題圖制作、發布工具:專題圖制作、發布工具負責根據用戶需要制作專題圖并將其發布到系統中,以方便用戶瀏覽。

其他輔助工具:該類工具包括為了支持高等教育研究而按需開發的輔助型工具。

2 系統結構

根據系統設計目的和系統功能,考慮到Web-GIS的一般體系結構,我們提出三層的系統結構[6]。三層分別為:數據層,包括空間數據及屬性數據;中間層,用來提供Web和GIS服務;表現層,包括用于Web客戶端和GIS客戶端的軟件封裝,Web客戶端用于普通用戶瀏覽地理信息,GIS客戶端主要用于地圖的制作、管理等。

基于系統設計,我們決定基于Windows平臺開發本系統,數據庫采用與Windows平臺結合比較緊密、可用性和穩定性方面都比較優越的SQL Server 2005,GIS軟件采用性價比較好的國產WEB-GIS軟件開發平臺SuperMap IS.NET,開發工具選用Visual Studio.NET 2005[6]。系統結構如圖2所示。

系統特色介紹:

數據:HEDUGIS中不僅有大量的統計數據,還是大量的科研數據,如科研團隊、研究中心等。因此,通過查詢系統中的數據,科研人員可以了解相關研究機構的研究方向、前沿課題和同行等。

數據庫設計:系統數據分為四種類型:基礎代碼類(存儲名稱與代碼的對應關系)、信息表類(存儲用于發布的具體數據)、數據庫描述表類(存儲數據表、視圖的描述信息)、與SuperMap相關的數據表類(存儲空間數據信息)。本系統數據庫包含眾多的數據表,為避免多表關聯造成的程序編碼復雜性,在數據庫中生成相關表的數據視圖,以便于業務邏輯層的數據訪問。

WEB服務器端實現:采用ASP.NET技術進行WEB服務器端的動態網頁編程,以分離HTML代碼與后臺程序代碼,增強了

程序代碼的可讀性和可維護性,提高動態網頁的執行效率。

三 HEDUGIS已實現功能

本系統已經基本實現功能設計的全部功能,部署在互聯網上,對社會公眾開放4。不同類型的用戶可以通過這個系統找到自己感興趣的數據。圖3是系統首頁。

1 數據查詢

進入系統首頁后,可以進行不同形式的信息查看方式,如分類瀏覽、數據查詢(查詢結果會在地圖上顯示出來)、純文本查詢(沒有地圖顯示)等。

2 專題圖工具:對北京市IT產業與高校布局的分析

專題圖工具是一種查看一些專題圖示例應用,如圖4所示的北京市各區IT行業GDP占全市IT行業GDP總值的百分比專題圖(2004數據),圖5所示的各區縣IT產業GDP占本區GDP總值的百分比。在專題圖中,不同色塊表示不同比例的百分比區間。

四 結束語

本文介紹了北京市高等教育地理信息系統的設計與開發,這是GIS在教育領域內的一種應用。本系統已經投入運行一年多,得到用戶的充分肯定。本系統是國內最早將高等教育科研數據與GIS相結合、向公眾提供服務、進行輔助管理決策的信息平臺。系統提供多種檢索結果顯示,用戶可以進行瀏覽、檢索或純文本檢索,既有直觀的地圖顯示,也有對更加詳細屬性數據的文本顯示。還設計了專題圖分析工具,對分析高等教育資源的布局提供了輔助支持信息。由于GIS已經是一種比較成熟的工具,系統設計與開發中面臨的主要困難搜集和獲取高等教育科研數據,這在很大程度上限制了該系統對高等教育研究和決策的支持,也影響了項目的進一步完善。本項目研究者希望未來能與相關數據中心合作,拓展數據來源,不斷充實和完善高等教育地理信息系統,使其在教育研究和決策中發揮更大的作用。