基于ArcGIS Engine的校園安全系統設計與實現

摘要：針對校園安全信息系統的可視化、科學性要求，基于ArcGIS Engine進行了西安科技大學校園安全系統設計。系統基于.Net 4.0平臺，采用C#編程語言、ArcEngine 10.0組件式GIS技術、DockPanel Suite開源類庫建立了校園安全系統，可實現校園監控點數據顯示、空間屬性數據查詢與編輯、最短路徑分析、通視分析、幾何網絡分析以及監控區域專題圖制作輸出等功能，該系統能夠實現校園范圍內的安全分析。

關鍵詞：校園安全系統；通視分析；ArcGIS Engine

中圖分類號：P28；TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1731-03

數字校園的建設是當今高校發展的必然趨勢，而校園安全系統是數字校園建設的重要組成部分。以往人們對數字校園研究開發的重點放在了各種類型的校園信息管理系統和辦公自動化上，如教務管理子系統[1-3]、學籍檔案管理子系統[4，5]、后勤物業管理子系統[6，7]、高校人力資源管理系統[8-10]、校園財務管理信息系統[11]、固定資產管理信息系統[12，13]等，注重于屬性數據的管理和事務邏輯處理。而針對校園安全系統的建設，蘇東等[14]運用信號控制、通信、數字視頻等技術設計了數字校園監控方案的系統架構，實現了通過安置在教室的網絡攝像機視頻點對有可能發生的隱患進行監控，偏重于對監控設備下的視頻監控系統的搭建，以及安保人員的崗位值守上，缺乏對校園范圍內的安全規劃分析和調度管理的系統性平臺建設。在將GIS技術運用于校園安全系統建設上，孫彥花等[15]利用通視分析原理并結合ArcGIS空間建模功能進行了校園安全分析建模，初步實現了對校區范圍的安全分析，但該模型只能在ArcGIS軟件下執行，無法與其他數字校園系統信息系統進行集成。劉愛華等[16]以山東農業大學虛擬校園為例，利用ArcGIS的分析功能優勢，對三維場景進行緩沖區分析、疊置分析、網絡分析等空間分析；并能利用VBA語言進行特定功能的二次開發，從而完善三維虛擬校園的系統功能。王艷安等[17]以長江大學虛擬校園的設計為研究對象，以長江大學校園為虛擬空間，以建立長江大學虛擬校園為目的，實現了一種虛擬現實系統——微機平臺虛擬校園漫游系統。

基于GIS技術的校園安全系統將空間數據和屬性數據進行關聯集成并可視化顯示，用戶可以在大比例尺矢量地形圖或柵格影像上直接查看管理當前校園范圍內監控設備、警衛亭以及巡邏車隊路線的空間位置和數據信息，系統提供了基本的地圖操作、信息查詢檢索、報表輸出以及相關專題制圖等功能。利用地理信息技術的強大空間分析能力為監控設備和警衛亭的選址規劃、最佳巡邏路線的制定，以及校園突發事件的人員物資調配等提供輔助依據。

1 開發平臺與資料數據

1.1 ArcGIS Engine開發工具包

ArcGIS Engine開發工具包是美國Esri公司在ArcGIS 9.0版本后將ArcObjects中的一些組件單獨打包出來，基于COM技術可重用的通用GIS二次開發組件產品。它可用于大量開發框架中，像.Net、VC++、Delphi等開發環境，開發人員可以使用ArcGIS Engine開發工具包建立具有簡單接口的集中式GIS解決方案，以集成GIS功能或嵌入式GIS邏輯到現有應用程序，實現地圖與用戶管理信息之間的協同關系。系統是在.Net 4.0平臺下使用C#語言進行開發的。

1.2 DockPanel Suite開源類庫

DockPanel Suite是一個支持選項卡式窗體布局的多文檔管理開源類庫，其選項卡外觀可以進行自定義擴展，工具欄可實現?？亢妥詣与[藏，窗體在容器中拖拉操作時呈“田”字形可視化布局，便于自定義界面布局。該開源類庫下的窗體具有持久性功能，可將當前的程序狀態保存為XML文件，下次打開即加載XML還原成上次關閉時的窗體布局，給用戶帶來便捷的交互操作和良好的界面布局效果。

1.3 資料數據

數據來源為西安科技大學1∶500地形圖數據，數據為CAD格式，需要在ArcGIS下對CAD數據進行轉換和處理，由CAD轉換成的SHAPE圖層分為五類，分別是點、線、面、注記以及多面體層。這些圖層又分別包含不同類型的地物實體、去除注記和多面體圖層，在轉換為SHAPE數據后對其進行拓撲查錯。在系統中可根據監控器和警衛亭的原始資料文件對其進行屬性字段數據的錄入編輯，存儲為Shapefile格式并保存在文件地理數據庫中。此外還需要校區DEM地形數據，包括規則格網數據和不規則三角網數據，用戶可以在系統中根據實際需要由控制點構建和轉換兩種類型的DEM地形數據。

2 校園安全系統分析與功能設計

2.1 系統分析與整體設計

校園安全系統以現有的西安科技大學臨潼校區1∶500地形圖矢量數據為例。在實現對校區地形圖的基本顯示操作和空間數據編輯管理上，通過地理建模設計工具，基于通視分析原理，將視域、視點分別用于可見性分析，進一步為校園監測設施的布置提供依據，基于幾何網絡的最佳路徑分析和資源配置分析為校園最佳巡邏路線選擇、校園突發事件保安人員調配等提供依據，在構建地理分析處理模型的基礎上利用ArcGIS Engine組件結合開源類庫DockPanel Suite進行界面設計和應用開發。校園安全系統概要設計見圖1。

2.2 空間分析建模

通常在開發GIS分析功能時，較多采用的是在每一邏輯分析功能層面上進行的開發，一個業務分析往往是在復雜多環節流程下進行的，通常是彈出多個窗體由用戶選擇輸入數據源、參數，設定環境條件，上一環節所產生的結果數據是下一環節的前提條件，如果上一環節執行出錯，則整個業務分析將無法完成得到結果。并且在基于特定情況下的業務分析，過多地輸入參數選擇，路徑選擇的冗余化為用戶使用操作帶來了較大的困難。

在開發過程中利用ArcGIS提供的地理處理工具ModelBuilder，根據實際要求建立特定業務分析流之下的地理處理模型，并生成工具（.tbx格式）文件后將其引入程序中，以便捷快速的GP開發方式來調用特定業務分析所構建的地理處理模型，使整個業務分析在一個窗體下進行，并忽略中間過程所產生的不需要的冗余數據，直接得到最終結果數據。良好的界面設計隱藏了中間環節的邏輯執行，一次輸入操作便可得到分析結果，為用戶操作帶來方便，節省了分析處理流程時間和數據占用空間。

3 校園安全系統功能詳細設計

3.1 系統基本功能設計

校園安全系統的基本功能主要包含以下模塊。

1）圖形瀏覽操作模塊。實現圖層控制顯示，地圖放大、縮小、漫游、全圖、拉框選擇、鷹眼與主視圖、布局視圖的交互操作顯示。

2）空間信息查詢模塊?？稍趫D上查詢校園現有攝像頭和警衛亭的空間位置信息和屬性信息。包括其監控設施編號、設備名稱、啟用時間、警衛亭的編號、值守人員、聯系方式等。也可根據監控設施或目標要素的非幾何屬性字段通過SQL語句進行限定查詢并在圖上高亮顯示，或者是通過拉框選擇圖元進行批量瀏覽查詢，實現長度距離和區域面積的動態量算顯示。

3）圖形屬性數據管理模塊。實現了對布控的監測設備在圖上進行編輯繪制，對要素屬性信息進行添加、修改、刪除、更新。并可將監測設備的相關信息導出為Excel報表文件，以便后勤存檔管理。

4）專題圖渲染與制作模塊。實現了對校園監測設備規劃布局專題圖、監控區域視域范圍專題圖、最佳巡邏路線專題圖等的快速生成。通過選擇已有制圖模版或人工操作整飾等功能，實現專題圖制作和輸出打印，為校園監控設施布局規劃提供依據。

圖2為系統的主界面以及屬性數據管理模塊，可以通過下方的數據管理擴展直接對屬性數據進行編輯保存并可選導出Excel報表。

3.2 安全分析功能設計

安全分析是基于通視分析、可視域分析以及網絡分析等原理，監控設備對單個或多個目標點是否通視以及沿線的可視性判斷。分別將視域和視點工具用于可視域范圍生成，利用網絡分析下的最佳路徑分析和資源配置分析，來模擬和分析巡邏車和警衛亭在巡邏路線的選定和應急事件的人員調配等方面的問題。

1）地形分析模塊。系統可對西安科技大學臨潼校區所采導線控制點數據，根據其高程字段和構建類型來建立不規則三角網TIN圖層，并實現由不規則三角網數據向格網數據的轉換，為校園安全分析提供DEM數據來源。

2）通視分析模塊。實現監測設備對單個或多個目標點是否通視以及沿線的可見性。通過對輸出的通視線要素的VisCode字段進行惟一值渲染著色，在地形圖上直觀反映該視線上的可見部分和不可見部分，可根據需要選擇輸出阻擋通視的障礙點。

3）可視域分析模塊。將視域和視點工具用于可視域范圍柵格區域的生成。其中視域工具輸出的可視域范圍柵格數據記錄著從每個監控設備位置看到每個區域的次數，該值記錄在輸出柵格表的Value項中，用視點工具可精確識別從每個柵格表面位置看到的那些目標點。

4）網絡分析模塊。主要實現了路徑分析和資源分配功能。根據校園各路段的重要性，將重要路段的道路結點設為必經路段或者通過對各次要路段按照重要性設立權重比例，對巡邏車路線進行規劃選取，以使其能科學有效地對校區進行巡視。當校園某位置突發緊急情況時，系統通過計算各路段長度、耗時并結合判斷巡邏車隊位置、警衛亭位置以及障礙路段，應用資源分配功能迅速找出用時最短的臨近出警人員。

圖3為模擬監測設備對目標點間的通視情況分析結果，淺色表示的為不可見視線部分，深色的為可見視線部分。

圖4為基于視點工具由監控設備生成的視域結果，可通過對監控設備編號（OBSn）進行SQL語句查詢并在地圖高亮顯示滿足指定條件的區域。

4 小結

基于ArcGIS Engine組件式GIS技術結合DockPanel Suite開源類庫，不僅縮短了開發周期，降低了開發成本，并充分利用GIS強大的空間分析功能，開發了基于C/S模式的校園安全分析系統。該系統實現了對西安科技大學臨潼校區數據的可視化顯示及編輯管理，而且利用GIS在通視分析、可視域分析、網絡分析方面的強大功能，可為校園安全設備數據管理、警衛設施選址規劃、巡邏車巡視路線選擇、應急事故人員調配問題等提供依據。

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