基于布局優化的學校建設規劃信息管理系統設計

呂玉香，戴 紅，辛 宏

(1.山東建筑大學 建筑規劃設計研究院，山東 濟南 250013；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013)

隨著城鎮化進程的加快和產業結構的調整與升級，科學合理地開展學校布局規劃和學校建設項目規劃，成為教育規劃管理部門的重要任務。2012年，教育部發展規劃司提出，當前的核心任務是設計開發學校建設規劃信息管理系統，以輔助各級各類學校管理者直觀把握學校基本建設的現狀和布局規劃情況。因此，設計開發適用于各級各類學校基本建設管理者需求的學校建設規劃地理信息系統，是本文研究的重點。

地理信息系統(GIS)技術是近些年迅速發展起來的一門空間信息分析技術，不僅可以有效管理具有空間屬性的各種資源環境信息，還可將數據收集、空間分析和輔助決策綜合一體，為資源合理配置提供技術支持。因此，20世紀90年代末以來，隨著GIS的發展，文獻[1-3]開始將GIS引入學校布局規劃中，借助GIS研究學區劃分、學校選址、學校規模調整等問題。在國內，隨著GIS技術的日趨成熟，WebGIS已廣泛應用于城市公共服務設施選址規劃中[4],但WebGIS技術應用于學校布局規劃研究，還處于起步階段。近年來，文獻[5-8]開始關注學校布局規劃的合理性問題，并借助于GIS技術進行區域學校布局規劃分析。

由于經濟、歷史、地理等多種原因，我國各級各類學校發展不均衡的問題仍然存在，城鄉之間、地區之間、校際之間的教育發展差距很大。尤其是近年來，我國一些地區學校布局結構不合理現象日益凸顯，部分學校辦學條件不達標[9]，學校基本建設規劃成為當前教育發展改革的重要任務。同時，傳統的逐級書面報送匯總的靜態規劃信息管理方式弊端凸顯，數據收集周期長、數據描述粒度粗，已難以適應學校布局規劃調整和學校建設規劃項目監管的需要。目前國內尚未見到成熟實用的省級以上的學校基本建設規劃信息管理系統。因此，設計開發科學、直觀、智能的學校基本建設規劃信息系統，對于輔助教育管理者進行學校建設規劃決策具有重要意義。

1 系統總體設計

1.1 系統建設目標

學校建設規劃信息管理系統以地理信息技術為載體，以加強建設項目規劃能力、展示規劃成果為目標，基于學校基本建設管理的全過程進行設計開發，力求形成以教育規劃目標政策體系引領學校建設、以建設項目信息管理監控教育資金投入、以形象化地圖呈現規劃成果的閉路循環，引導學校基本建設螺旋式上升、不斷自我完善。各級管理者應以目標政策體系為指導，建立推動教育基建發展的學校地理空間數據庫和學校建設項目數據庫，并以地圖形象化呈現國家、省、市、區(縣)、學校和單體建筑等不同層次的基建規劃情況。

1.2 系統體系結構

學校建設規劃信息管理系統面向各級教育行政管理部門和學校基建管理者提供服務，其體系結構總體上可概括為“四級規劃數據中心，五級應用系統”。四級規劃數據中心即國家級、省級、市級、區(縣)級規劃數據中心，五級應用系統即國家級、省級、市級、區(縣)級與校園級建設規劃信息管理系統。不同層級的系統功能有所差異，除校園級建設規劃信息系統用于采集管理校園建設布局的和規劃建設項目布局信息外，其它各級系統主要以采集、管理轄區內學校基建規劃成果為主，并可以查看、審核、匯總下級系統的相關信息。

圖1 系統架構圖

1.3 系統總體構架

系統分為基礎支撐層、空間數據層、系統管理層、信息服務層、業務應用層5個層次，總體架構如圖1所示。其中，空間數據層十分關鍵，又分為基礎空間數據和專業空間數據，專業空間數據主要為學校建設規劃專題地圖制作提供數據基礎。信息服務層和業務應用層面向終端用戶，直接為用戶提供專題地圖制作、區域基建概要統計、辦學條件分析等相關服務。

2 系統主要功能

圖2 某區域各類調整學校布局規劃圖

學校建設規劃信息管理系統的主要功能包括：學校建設規劃制圖、學校基建概要、規劃建設項目管理、辦學條件分析與預警、規劃建設信息發布等。

2.1 學校建設規劃圖

學校建設規劃圖以規劃學校的地理位置標注為基礎，主要目標是制作學校規劃專題電子地圖、直觀呈現學校建設規劃布局(如圖2所示)和規劃建設項目布局(如圖3所示)，同時提供影響學校布局規劃調整的相關信息，如：人口密度、交通、地質、水文、周邊環境等信息，多方位、多角度輔助學校規劃布局的科學決策。尤其是在三維的校園地理信息系統中[10]，可以更直觀清楚的展示影響學校建設布局的相關信息(如圖4所示)。

2.2 學校基建概要

學校基建概要信息主要分類統計呈現區域內的學校基本建設概況、建設工程情況等信息。面積情況主要按學校性質統計各類學校的現有建筑面積和需要增加的面積，也可以查看區內某所學校的基建概要信息。

圖3 某區域教師周轉房規劃項目分布圖 圖4 某學校規劃建設項目布局圖

區域建設工程規劃信息匯總區域所有學校規劃建設的工程項目信息見表1，位置及周邊環境信息可在電子地圖中查看。

表1 某省2013年擬建工程項目規劃表(部分)

2.3 規劃建設項目管理

規劃建設項目管理主要是對經教育規劃管理部門批準的建設項目進行管理、監控，具體包括建設項目報批、建設項目資金管理、建設項目進度匯報、建筑形象展示等功能，主要包括：建設性質(新建、改擴建、利用閑置校舍等)、建設規模(項目建筑面積)、設計單位、施工單位、監理單位、招標時間、土地征用時間、開工時間、完工時間、驗收時間、審計時間、交付使用時間、投資金額、支付工程款等。規劃建設項目管理功能不僅能有效輔助各級管理和決策人員開展工作，還能規范項目工程建設方的行為，監督控制工程質量、工程進度及施工安全。運用VR(Virtual Reality,虛擬現實)技術的學校級建設規劃信息管理系統，還可以輔助規劃建設項目的方案論證，直接在三維環境中展示建設方案及其與周邊環境和學校整體規劃布局的關系，使項目建設符合學校總體建設規劃，提高項目投資決策水平。此外，系統還支持對規劃建設項目的基建檔案數字化管理，即以規劃建設項目為組織單位，按照基建管理程序，收集規劃—設計—施工—竣工驗收等環節的相關檔案，數字化掃描轉換后，分類存儲歸檔，以提高建設規劃項目檔案檢索和利用效率。

2.4 辦學條件分析預警

學校辦學條件分析主要用于分析區域內學校的基本辦學條件。系統可根據普通高等學校建筑規劃面積指標(簡稱92指標)、十二五規劃、中長期規劃指標對學校基本辦學條件進行審核，并提供相應的差額信息(見表2)，進行辦學條件預警，從而有計劃的開展建設項目規劃，逐步改善學校辦學條件。另外，也可以對轄區內學校單體建筑的使用年限進行預警，統計轄區內超期和到期建筑的數量，還可對區域內學校的服務半徑、辦學規模預警，作為學校布局規劃調整和建設項目規劃依據。

2.5 規劃建設信息發布

規劃建設信息發布主要用于提供教育基建規劃目標與政策體系、學校基建規劃審批結果公示、基建管理部門通訊錄、教育基建學會的會議通知、會議報道、新聞信息等(見圖5)，提高日常辦公效率。

表2 某學校2013年學校辦學條件分析表(部分) 人·m-2

3 關鍵技術實現

圖5 規劃建設信息發布

3.1 WebGIS的實現

WebGIS是建立在Web技術上的一種特殊環境下的地理信息系統。WebGIS在互聯網或網絡環境下可以存儲、處理、分析、顯示和應用空間信息，能夠在互聯網平臺下實現復雜、大規模的地理信息服務。WebGIS消除了單機GIS的限制，使GIS功能(應用邏輯)能夠在互聯網環境下運行，無限拓展了GIS的服務范圍。

WebGIS的實現模式是指如何在網絡中實現并部署GIS應用邏輯和表示邏輯〔8〕。目前，WebGIS的實現模式主要有3種。1)基于服務器端的模式。該模式將WebGIS的應用邏輯全部部署在服務器中，表示邏輯在客戶機中；2)基于客戶端的模式。該模式將GIS應用邏輯和表示邏輯全部部署在客戶機中，服務器只負責管理GIS數據，客戶與服務器的交互主要是數據的提取與存儲； 3)分布式模式。該模式將以上2種模式結合，即將系統應用邏輯在服務器端和客戶端進行分配，其目的是避免基于服務器端的模式響應速度較慢和基于客戶端的模式效率不高的問題，使系統整體負載得以平衡，從而提高運行效率。

3種模式的主要區別在于如何在客戶端和服務器端部署這些功能模塊(應用邏輯)以及實現這些功能模塊的難度。基于服務器端的模式只涉及到服務器端應用程序開發，而且目前各項技術已經很成熟，因此開發難度較小。基于客戶端的模式對系統客戶機要求較高，而且一些較復雜的GIS功能在客戶機上實現起來較困難，因此具有一定的難度。分布式模式需要在服務器應用程序和客戶機應用程序之間進行通訊和協調，開發難度最大。

考慮到系統需求和系統用戶的計算機操作能力，山東省學校建設規劃地理信息系統開發采用的是基于服務器端的模式。在具體開發時，選擇Server API、J2EE、ActiveX等技術進行系統開發。

Server API是為解決CGI應用程序效率低下問題而研發的，是一種經過擴充的CGI工具。利用Server API開發的應用程序以一種共享庫的形式工作，如Windows環境下的DLL和UNIX環境下的SO，這些程序一經啟動便作為一個進程長期運行于服務器中，服務器可以通過進程間通訊協議(Inter-Process Communication，IPC)與這些程序進行信息交換，因此避免了CGI程序頻繁啟動造成的服務器中進程數量急劇增加的問題。基于Server API的WebGIS的工作方式和組成與采用CGI技術時基本相同。目前，Server API的技術規范主要有Microsoft的ISAPI和Netscape的NSAPI。不過由于Server API沒有統一的標準，所以一旦采用了某種Server API，那么服務器端將依賴于這種服務器程序。

Java是新一代的網絡應用程序開發語言，具有跨平臺、完全面向對象的顯著特點。Java Applet是可以運行在瀏覽器中的小應用程序，Servlet、JSP是J2EE平臺下的兩項技術，可以運行于服務器中，與CGI具有相同的功能，但Servlet程序是一種進程內的應用程序，Servlet程序一旦啟動便長期運行于服務器中，對以后的請求服務器只在該進程內啟動一個線程進行處理。同時利用Java Bean、EJB等技術可以構建出多層、分布式的應用模型。采用Java語言開發WebGIS主要有兩種形式：一種是僅采用Java Applet技術開發客戶端，所有的應用邏輯都部署在客戶機中；另一種是服務器端和客戶端都開發Java程序并分布應用邏輯。

ActiveX是由Microsoft開發的一套應用于網絡應用程序開發的技術。利用ActiveX技術開發出具有GIS功能的ActiveX組件，當用戶訪問GIS服務器時，這些組件將伴隨Web頁面一起下載到客戶機中并由它們處理GIS數據。

3.2 空間數據的組織

GIS的優點是善于處理海量復雜的空間數據。但是與普通數據相比，空間數據(柵格數據和矢量數據)的數據量相當大，其結構特點不符合關系型范式的規范，因此，無論在數據存儲方面，還是傳輸方面都與普通數據有很大不同。

要在目前流行的關系型數據庫上存儲和管理空間數據必須要有以下兩種技術作為支持：1)擴展關系型數據庫。對象-關系型數據庫管理系統(ORDBMS)是在關系型數據庫管理系統中引入對象類型，并遵循對象存儲標準(SQL-99，SQL-99等)的基礎上對SQL語言進行擴充，可以充分利用關系型數據庫系統的原有技術。2)空間數據引擎。建立空間數據服務器，即空間數據引擎，以當前的關系數據庫為基礎，進行擴充和完善。在數據存儲和組織上，將空間數據項作為單獨的列加入到關系數據庫表中，用戶可對表中數據進行查詢、合并等操作，還可以進行由空間數據查屬性和由屬性查目標的空間分布等操作。這些空間查詢操作都可以在服務器端進行。滿足查詢條件的數據在服務器端緩沖存放并返回給客戶端，這種緩沖存放的方法降低了網上負荷，提高了效率。在數據查詢和訪問上，采用標準的SQL命令來訪問和操作數據(包括對數據的增、刪、改)。在提高查詢速度上，大多引進四叉樹、R樹等空間索引技術。擴展關系型數據庫和空間數據引擎各有特點，面向不同用戶。前者提供一個完全開放的數據庫空間數據管理架構，所提供的空間數據存儲、管理功能與數據庫服務器完全集成。其核心是數據庫的空間化擴展，實現簡單空間要素(點、線、面)和復雜要素(組合線段、組合圖斑)的存儲，建立高效的索引機制，面向的是完全從底層開發WebGIS應用程序的開發者。而后者是通過中間件技術來提供空間數據和特定軟件平臺接口，在空間數據處理效率上優于前者，而且支持標注類型數據和影像數據的索引，面向的是在特定WebGIS軟件平臺上做二次開發的用戶。

從空間數據的傳輸上來看，網絡空間數據傳輸有兩種方式，即柵格數據傳輸方式和矢量數據傳輸方式 。柵格數據傳輸時，客戶端向服務器發送一個地圖請求后，空間服務器根據要求產生一個地圖，并對該地圖做一個圖像“快照”(圖像格式是網絡傳輸允許的格式)，客戶端發送新請求時，就產生一個新圖片。客戶端只需發送帶有地物位置信息等相關GIS 參數的請求，其它操作由服務器后臺程序完成。該方式實現起來比較容易，與普通網站傳輸圖片技術類似。數據傳輸量小而頻繁，適合對客戶端基本不要求定制地圖的場合。矢量數據傳輸時，客戶端向服務器發送一個地圖請求后，空間服務器根據要求產生一個地圖，將該地圖的矢量數據傳輸到客戶瑞，在客戶端直接運行GIS操作程序。當需要新矢量數據時(如增加圖層、顯示范圍擴大、更新地圖數據等)，再由服務器傳送新矢量數據到客戶端。服務器端只完成組織和傳送數據工作，其它工作由客戶端完成。矢量數據傳輸方式實現起來較為復雜，在客戶端需要下載插件。數據傳輸量大而不頻繁，適合要求要素標注、符號化、地圖提示操作等在客戶端實現的場合，支持客戶端的用戶交互和分析功能。

在山東省學校建設規劃地理信息系統開發過程中，主要采用MySQL Server 作為存儲空間數據的數據庫，百度公司的地圖引擎作為空間數據引擎，空間數據傳輸采用矢量數據傳輸方式。

4 結語

學校建設規劃信息管理系統以WebGIS為核心技術，以VR、遙感技術為輔助，直觀呈現學校建設規劃成果的空間布局，為各級教育管理者進行學校基本建設規劃科學決策提供信息支持，并將地理信息與影響學校基建規劃的其它信息有機結合，將促進學校基本建設更加科學、規范、快速的發展。

參考文獻：

[1]Antunes A, Peeters D. A Dynamic Optimization Model for School Network Planning [J].Socio-Economic Planning Sciences,2000,34(2):101-120.

[2]Pizzolato N D,Barcelos F B, Lorena L A N.School Location Methodology in Urban Areas of Developing Countries [J].International Transactions in Operational Research,2004,11(6):667-681.

[3]Steven J,Hite.School Mapping and GIS in Education Micro-Planning[EB/OL].[2012-08-09](2013-10-10).http://www.iiep.unesco.org/fileadmin/ user_upload/ StevenHite.pdf.

[4]孟付明,李海鵬,楊長嶺.地理信息系統在城市工程管線綜合規劃中的應用[J].山東建筑大學學報,2009,24(2):180-183.

[5]李俊峰.基于GIS的城市學校信息系統的設計與研究[J].廣西輕工業,2008,24(6):90-91.

[6]孔云峰.利用GIS與線性規劃學校最優學區劃分[J].武漢大學學報：信息科學版,2012,37(5):513-515.

[7]趙丹,吳宏超.農村學校撤并對學生上學距離的影響——基于GIS和Ordinal Logit模型的分析[J].教育學報,2012,8(3):62-73.

[8]趙丹.農村學校布局調整的過程、問題及結論——基于GIS的分析[J].教育與經濟,2012(1):13-16.

[9]雷萬鵬,謝瑤.義務教育學校布局:影響因素與政策啟示[C]//2010年中國教育經濟學學術年會論文集.北京：中國教育學會教育經濟學分會,2010:15.

[10]孫英君,丁寧,王倩.基于二三維聯動機制的數字校園系統研究[J].山東建筑大學學報,2009,24(4):377-380.