基于GIS的成圖大賽信息系統的設計與實現

劉繼鵬， 肖海紅， 邵立康

（1. 河南工程學院土木工程學院，河南 鄭州 451191；2. 解放軍陸軍軍官學院四系，安徽 合肥 230031）

自2008年以來，中國圖學學會制圖技術專業委員會先后舉辦了6屆“全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽”，涉及機械、建筑、水利和道橋4個方向，幾乎涵蓋了高等學校工科大部分專業，參賽規模不斷擴大，社會影響力不斷提升。全國決賽選手從最初的幾百人到目前的一千多人，帶動各省市初賽、預賽數萬人，形成了學校-省市或地區-全國三級競賽體制。隨之帶來的是競賽的管理問題，如何科學、高效地對競賽進行管理，成為擺在我們面前的現實問題。

GIS是集計算機科學、地理學、測繪學、環境科學、經濟學、空間科學、信息和管理科學于一體的新興邊緣學科[1]，它是在計算機軟件和硬件支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供對規劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統[2]。GIS由于其強大的數據分析和空間分析功能，可以應用于成圖大賽競賽管理，從而實現競賽管理的信息化和智能化。

本文在地理信息系統專業軟件MapInfo環境下，利用MapXtremeNT和ASP進行競賽信息系統的開發，將高校空間屬性數據與參賽隊的地理分布圖形相結合，實時分析各參賽隊的信息資料，易于操作，顯示更為直觀，便于競賽管理部門及參賽各方發現問題并進行改進。

1 系統體系結構與工作流程[3-5]

1.1 系統體系結構

系統利用MapX5.0、MapInfo Spatial For Microsoft SQL Server2000和地圖服務器構建基于C/S架構的成圖大賽GIS系統，實現全國高校地理信息數據的發布和數據共享、高校與其他地物的地理空間信息定位、查詢與分析。系統采用基于C/S的三層體系結構：①數據表現層：用于全國高校分布空間數據、全國城市基礎地理空間數據與相關屬性數據的組織、存儲與管理；②應用服務器層：利用基于MapX對用戶請求的數據進行分析、處理，并返回分析結果；③數據服務層：負責用戶客戶端與地圖服務器進行數據交換，系統將用戶需求信息或請求處理結果返回給用戶，將圖片、文字以網頁方式組織起來。

這種基于C/S的GIS三層體系結構，將數據存儲和數據應用分開，可方便地實現數據庫系統對各類數據的組織、管理、應用和發布，提高了系統穩定性與可擴展性。系統體系結構如圖1所示。

圖1 系統體系結構

1.2 系統工作流程

采用數字地圖作為系統數據的來源，保證成圖大賽GIS系統所需的基本信息以及系統的運行效率，系統實現流程圖如圖2所示，主要由以下3部分組成：

（1）空間數據采集：利用MapInfo Runtime7.5完成數字地圖制作，包含紙質地圖的矢量化及其他數字資料的轉化。數字地圖要素主要包含城市和大區基礎地理信息、高校空間信息及其他基礎地理信息等，并通過ODBC將完成的地圖上載到空間數據庫中[6]。

（2）成圖大賽數據采集：每屆成圖大賽參賽高校數據通過兩種方式采集，一是通過報名網站直接錄入信息進行參賽報名；二是通過郵件反饋按規定格式填寫的報名表，然后由管理員批量導入系統中。參賽高校報名數據包含：參賽學校基本信息（名稱、專業類別、領隊、聯系方式等）、指導教師信息、參賽學生信息（姓名、性別、參賽模式、建模軟件、身份證號等）。

（3）成圖大賽比賽數據處理：根據采集的成圖大賽數據，系統通過數據流在監考教師管理、考場安排、考卷審閱管理、成績管理和獲獎信息管理等模塊的處理，最終得到一系列比賽數據，進而完成本次比賽系統管理。

（4）成圖大賽數據分析：通過對單屆或多屆比賽數據進行空間分析統計，為科學決策提供服務。

圖2 系統工作流程

2 系統詳細設計

2.1 功能設計

系統主要由成圖大賽數據維護子系統和GIS子系統兩部分構成，數據維護子系統主要有參賽數據維護、常規操作、統計報表等功能模塊[7]；GIS子系統主要有高校空間數據編輯、成圖大賽空間分析、統計報表和基礎地理信息查詢分析等功能模塊。

（1）常規操作：為GIS系統的一些基本功能，例如放大、縮小、漫游、鷹眼導航等功能，使用者可在GIS系統中自助查詢所有需要的信息，包括參賽隊基本信息、成績和獲獎信息等。

（2）空間數據采集：全國基礎空間數據及高校空間數據采集，以2013年6月21日教育部公布的高校基本數據為準，全國高校共計2921所。

（3）參賽高校數據采集：成圖大賽參賽學校信息的采集，為了方便參賽學校，大多數信息采用下拉菜單直接選擇，僅姓名、電話、身份證號碼為人工錄入。

（4）考場安排：根據本次比賽高校信息（單位信息、專業類別、比賽類型、參賽人數等）以及承辦單位提供的考場信息，系統通過設置不同專業的考場類型、時間、考場、考場人數、建模軟件等信息，自動進行隨機排號，完成比賽考場的安排，同時輸出考場座單號和桌面貼條信息。

（5）監考教師管理：系統設置監考教師信息庫，當考場信息安排完成后，進行監考教師的隨機安排，原則是本校教師不監考本校學生所在考場。

（6）考卷審閱管理：系統設置考卷審閱教師信息庫，當考場信息安排完成后，進行審閱教師的隨機安排，原則是本校教師不審閱本校學生考卷。

（7）成績管理：比賽結束后，審閱教師將最終成績填寫在系統提供的本考場成績單模板中，提交系統管理員，管理員收集全部考場的成績單后批量導入系統中，并完成自動排序。

（8）獲獎信息管理：成績信息導入完成后，系統根據設置的獲獎比例進行獲獎信息提取，分團體獎和單項獎。當對已經提取的獲獎信息進行確認后，就無法對獲獎信息進行修改，同時生成獲獎編號。對已經設置獎項的類別進行輸出，包含：打印獲獎信息、公示獲獎信息和打印獎狀。系統內置獎狀模板，獎狀由制圖技術專業委員會專門設計。

（9）成圖大賽數據分析：通過對單屆或多屆比賽數據進行空間分析統計，包含單次比賽“省區”和“大區”各專業學校統計分析、單次比賽“省區”和“大區”獲獎學校統計分析、多次比賽“省區”和“大區”獲獎學校統計分析，并進行GIS專題圖制作，為圖學會的決策提供服務。

（10）基礎地理信息及其他功能：區域選擇功能（矩形選擇、圓形選擇、多邊形選擇），并可統計出選擇的高校信息，地圖顯示部分能夠實現導出，背景圖控制（添加和刪除），編輯密碼保護，數據備份等功能。

2.2 數據庫設計

系統數據庫包含空間數據庫和屬性數據庫，如圖3所示。

空間數據庫由基礎地理信息數據和高校空間數據組成，基礎地理數據主要由省區、大區、道路、建筑物、河流及其他注記組成，構成系統中的底圖；高校空間數據主要包括高校名稱、位置信息、專業類別、通訊地址等。

屬性數據庫主要由兩部分組成：省區、大區、高校各要素屬性數據和地理基礎信息屬性數據。

圖3 系統數據庫結構

3 成圖大賽GIS專題圖制作

成圖大賽GIS專題圖制作是將比賽數據與空間數據進行結合，利用GIS空間分析功能進行專題圖制作，并進行統計分析，為圖學會的科學決策提供服務。主要分單次和多次大賽專題圖制作。

3.1 單次比賽專題制作

單次比賽包含各專業參賽高校“省區”和“大區”分布專題圖、各專業參賽高校“省區”和“大區”獲獎分布專題圖等。以2013年“第六屆‘高教杯’全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽”為例，進行參賽及獲獎專題圖制作，如圖4、圖5，表1、表2所示。

圖4 2013年參賽高校“省區”分布專題圖

表1 2013年參賽高校“省區”分布統計表

從2013年參賽高校“省區”分布專題圖中可以看出，2013年參賽隊集中于東北、華北、華東、華中及華南，西北及西南幾乎沒有高校參與，其中內蒙、寧夏、新疆、青海、西藏、云南及廣西等地沒有一所高校參加，也有部分省份僅有1～2所高校參與。說明主辦方在這些省份的宣傳工作力度不夠，同時也跟大多數邊遠省份教育資源短缺，教育實力不強有很大關系。數據告訴我們今后圖學會應重視邊遠及落后省份的圖學教育，采取措施提升這些省份的圖學教育水平。

圖5 2013年參賽高校“大區”獲獎情況分布專題圖

表2 2013年參賽高校“大區”“團體獎”統計表

從2013年參賽高校“大區”獲獎情況分布專題圖中可以看出，華北、華中、華南及西南地區的成績相對要好一些，查閱成績發現，北京、山東、廣東、重慶和陜西等省份的成績較好，團體獎獲獎率在50%以上，而華東地區成績不夠理想，上海、江蘇及浙江的團體獎獲獎率均不超過20%。這和競賽培訓方式有一定的關系，這些地區的部分高校集訓的周期會比較短，管理上比較自由，更多的是發揮參賽學生的自覺性。

3.2 多次比賽專題制作

多次比賽專題圖制作是系統管理員根據連續幾年的參賽數據，包含各專業參賽高校“省區”和“大區”分布專題圖、各專業參賽高校“省區”和“大區”獲獎分布專題圖等。以2011-2013年連續3年的全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽數據為例，進行參賽及獲獎專題圖制作，如圖6，表3所示。

圖6 2011-2013年參賽高校“省區”“機械類”分布專題圖

表3 2011-2013年參賽高校“省區”“機械類”分布統計表

以機械類為例，查看2011-2013年參賽高校“省區”“機械類”分布專題圖可以發現，參賽高校的數量不斷發生變化，參賽隊伍的變化和賽事承辦地有很大關系。2011年比賽在哈爾濱舉行，東北地區的參與熱情就比較高，而華南地區的高校參與的就比較少；2013年比賽在廣州舉行，東北地區的參與熱情馬上就降低了，而華南地區的參與熱情也相應提高了；同樣可以看出2012年比賽在上海舉行，華東地區的高校參與的就多。造成這種結果的原因，應該和各個高校對學科競賽的支持力度有關，于是當競賽地點比較遠時，參賽的成本超出了學校的承受能力，部分高校可能會放棄參賽，這在今后主辦方選擇參賽地點時，應該作為一個影響因素予以考慮。

4 結 論

全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽信息系統是基于GIS的環境下開發的，使用方便，環境友好，真正實現了競賽管理的信息化和智能化。競賽管理系統實現了賽前、賽中、賽后的科學管理。競賽專題圖的制作讓我們可以發現目前圖學教育中存在的一些問題并進行改進，對圖學工作者進行圖學教育的改革與創新具有很大的借鑒意義。

[1] 盧 娟,李沛川. 淺析電力 GIS系統的發展及其主要功能[J]. 測繪通報,2005,2: 55-57,67.

[2] 陳述彭,魯學軍,周成虎. 地理信息系統導論[M].北京: 科學出版社,2000: 1-10.

[3] 趙 英,王 忠. 基于 WEBGIS的 110報警指揮系統[J]. 武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2007,31(2): 232-234,269.

[4] 張健雄,蔣金豹,白明哲. 城市公共交通WebGIS的開發[J]. 遼寧工程技術大學學報,2007,26(4):509-512.

[5] 程起敏,楊崇俊,劉冬林,高 亮. 基于WebGIS/GPS/GSM的車輛監控網絡信息系統[J]. 計算機工程,2005,31(7): 46-48.

[6] 王洪源,張 武,金莉莉. 基于GIS的城鄉電網管理系統[J]. 微計算機信息,2005,21(7-3): 96-98.

[7] 楊 群,李 偉,閭國年. 基于 GIS 構建配電網拓撲關系的方法[J]. 電力系統自動化,2003,27(18):79-82.