基于GIS的高校學生信息基層集成空間化管理與分析系統

王育紅, 劉 瑩, 袁占良, 杜久升

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

·計算機技術應用·

基于GIS的高校學生信息基層集成空間化管理與分析系統

王育紅, 劉 瑩, 袁占良, 杜久升

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

針對當前高校學生信息管理方式難以滿足基層一線教學工作需要的普遍問題，采用全球領先的主流地理信息系統(GIS)技術，開發了學生信息數據庫及管理與分析系統。介紹了學生信息數據庫設計與建立步驟，數據庫的邏輯結構及其組成元素,管理與分析系統的開發策略，系統功能及其實現原理。該系統的研發與應用實現了生源、出勤、成績、獎勵、榮譽、考研、就業等多源學生信息在基礎教學組織端的集成空間化管理和深層次分析利用，為科學規劃、實施、管理與評價基層教學工作提供了準確詳實的信息參考和形象直觀的工具支持，有效促進了各項工作全面、協調、可持續發展。

基層教學組織; 地理數據; 匹配定位; 日常考核

0 引 言

為了有效緩解招生規模擴大、師生比例失調、個體差異加劇給高校學生管理和人才培養工作帶來的困難和壓力，積極利用信息技術建立學生信息管理系統已成為各高校的普遍共識和舉措，并取得了可喜成效。然而，由于缺少統一規劃、資金支持不足、認識制度不到位等原因，目前許多高校所建的現有各類學生信息系統仍普遍存在著數據孤立分散、格式表達不一、使用范圍有限、共享互用困難、深層分析不足、表現能力薄弱等問題[1-2]，一般僅限于校、院兩級管理人員對學生信息的日常查詢式使用，不能很好地滿足基層教學組織內眾多一線教師對學生信息的需求。

作為教學管理與實施的基層組織，無論是系還是教研室都擔負著學生培養方案制定、課程體系建設、教學大綱修編、教學內容優化、教學方法改革、理論知識講授、實驗實踐指導、教學質量評價、良好學風營造、科技活動組織、專業建設評估等直接面向或服務于學生的工作[3]。這些工作成功與否關鍵取決于對學生的了解與認識程度，只有全面收集掌握并充分挖掘利用興趣愛好、優勢特長、學習成績、獎勵榮譽、就業深造等多種學生信息，才能確保各項工作統籌兼顧、科學協調、健康持續發展，從而真正做到以生為本、尊重個性、因材施教、揚優成勢。

針對以上問題與需求，本文采用主流地理信息系統(GIS)技術，即美國ESRI公司的Geodatabase數據庫技術與ArcEngine二次開發技術，開發了高校學生信息管理與分析系統(簡稱GIStudents)，實現了生源、出勤、成績、獎勵、榮譽、考研、就業等多源學生信息在基層教學組織端的集成一體化與空間形象化管理，具備瀏覽編輯、查詢檢索、統計分析、制圖表達等功能，能夠有效緩解高校不同職能部門學生信息管理壓力與分析瓶頸，為科學規劃、實施、管理與評價基層教學工作提供準確詳實的信息參考與實用高效的工具支持。

1 系統數據庫設計與建立

數據庫是信息系統的核心和基礎，數據庫設計與建立是信息系統開發的重要組成部分[4]。本文采用Geodatabase技術建立學生信息管理系統數據庫。Geodatabase是利用標準關系數據庫和面向對象技術來表現、存儲和管理地理空間信息的新一代數據模型和軟件系統，它支持常規屬性表格數據以及矢量、柵格、DEM、TIN、網絡、時空等多種空間數據的集成一體化管理。相對于早期的CAD與Coverage模型，Geogatabase具有統一性、智能化等特征，能夠更清晰、準確地反映現實現象實體的特征與行為[5-7]。

1.1 數據庫設計

數據庫設計是一項交互、往復、費時、精細的工作，基于Geodatabase的數據庫設計過程一般由5個步驟組成[8-9]。其中，前3步屬于概念設計階段，最終要形成一個不依賴于具體計算機系統的概念化結構；后2步屬性邏輯設計階段，最終形成一個框架規范合理、功能操作高效的邏輯結構。另外，數據庫設計還應與應用系統設計緊密結合起來,同步進行，兩者相互參考、相互補充[10]。

(1) 建立用戶數據視圖。在一定論域范圍內，確定并描述用戶的業務職能，明確執行職能所需的數據類型及其流動處理過程，確定數據的使用要求和各種約束條件，對數據進行邏輯分組。

(2) 定義對象及聯系。對用戶關注的業務、職能、數據做進一步的分類、聚集和概括，形成一系列可辨識的對象(或實體)及其特征，確定和描述對象間的關系，并以圖形(如ER、UML圖等)的形式進行直觀表達。

(3) 選擇地理表達方式。對于具有幾何圖形特性或需要以地圖形式進行可視化的對象，進一步選擇確定其空間表達類型，如點、線、面、表面、柵格等。

(4) 轉換到Geodatabase。依據一定規則將上述步驟確定的實體、聯系及其特征，轉換為相應的Geodatabase表達元素，如表、要素類、關系類、字段、屬性域、子類型和要素數據集等。其中，表主要用來儲存非空間對象的屬性信息；要素類是一種具有“shape”字段的特殊表，用來存儲空間對象(要素)的幾何與屬性信息；關系類用來建立表之間的聯系以實現對象信息的關聯查詢與使用。

(5) Geodatabase結構調整與優化。在考慮將來實際使用情況的基礎上，依據關系數據庫規范化理論，通過分解、合并、組合、重構等操作對數據庫結構進行調整優化，以降低數據冗余、避免操作異常，做到存儲空間與訪問效率平衡兼顧，整體結構清晰明了。

根據上述數據庫設計基本步驟并結合基礎教學組織對各類學生信息的需求，筆者最終設計創建的學生信息數據庫共有9個要素類、2個要素數據集、8個表和11個關系類組成，圖1所示描述了這些元素間的具體聯系，要素類之間通過空間關系建立隱性間接聯系。

下面對19個元素的主要作用及基本特征介紹如下：

(1) 省級政區類。以面形式存儲省級(含自治區、直轄市等)行政區要素及其屬性的要素類，其字段組成為(Shape，行政代碼，省區名)，其中帶“ ”下劃線的字段為主鍵(下同)。

(2) 省區中心類。以點形式存儲省級行政區政府所在地及其屬性的要素類，其字段組成為(Shape，行政代碼，省區名，中心名)。

圖1 學生信息數據庫組成元素及其關系

(3) 市級政區類。以面形式存儲市級行政區要素及其屬性的要素類，其字段組成為(Shape，行政代碼，所屬省，市區名)。

(4) 市區中心類。以點形式存儲市級行政區政府所在地及其屬性的要素類，其字段組成為(Shape，行政代碼，所屬省，市區名)。

(5) 縣級政區類。以面形式存儲縣級行政區要素及其屬性的要素類，其字段組成為(Shape，行政代碼，所屬省，所屬市，縣區名)。

(6) 縣區中心類。以點形式存儲縣級行政區政府所在地及其屬性的要素類，其字段組成為(Shape，行政代碼，所屬省，所屬市，縣區名)。

(7) 學生信息類。以點形式存儲學生來源及其它信息的要素類，其字段組成為(Shape，學號，姓名，性別，出生日期，政治面貌，所在省，所在地，所在縣，高考總分，省控分數，入學年級，專業班級，居住宿舍，個人照片)。其中：“性別”字段的值域為{男，女}。

(8) 高校院所類。以點形式存儲學生本科就讀及研究生報考高校、科研院所所在地及其他信息的要素類，其字段組成(Shape，名稱，所在省，所在市，類別，Logo)。

(9) 工作單位類。以點形式存儲學生就業工作單位所在地及其他信息的要素類，其字段組成為(Shape，名稱，所在省，所在縣，所在縣，類型)。其中：“類型”字段的值域為{政府，行政機關，事業單位，國有企業，國有控股企業，私營企業，合資企業，外資企業}。

(10) 定位參考數據集。將為學生信息提供定位背景參考的基礎政區信息組織在一起的要素數據集。

(11) 學生空間數據集。將可依據基礎政區信息進行空間化的相關學生信息組織在一起的要素數據集。使用要素數據集的目的是將相同主題的要素類組織在一起，以使數據庫結構更加清晰。

(12) 日常考核表。存儲學生的日常考核、考勤信息的表，其字段組成為(OID，學號，課程號，日期，類型，形式，結果)。其中：帶“ ”下劃線的字段為外鍵(下同)；依據“類型”字段將該表劃分為4個字類型，即出勤考核，作業考核，實驗考核，測驗考核；“形式”字段的值域為{抽查，全查}；對于出勤考核子類型其“結果”字段的值域為{到課，請假，遲到，早退，缺席}，其他考核子類型其“結果”字段的值域為{優秀，良好，中等，合格，不合格}。

(13) 學習成績表。存儲學生所修課程的各種成績信息，其字段組成為(OID，學號，課程號，平時成績，考試成績，綜合成績)。其中：平時成績通過日常考核信息統計計算獲得。

(14) 課程信息表。存儲學生所修課程的基本信息，其字段組成為(課程號，名稱，類別，學時，學分，開設學期，任課教師)。其中：“類別”字段的值域為{必修課，選修課，公選課}。

(15) 榮譽信息表。存儲學生所獲各項榮譽的相關信息，其字段組成為(OID，學號，榮譽名稱，頒發部門，級別，授予日期，證書)。其中：“級別”字段的值域為{國家級，省部級，市廳級，校級，院級}。

(16) 獎勵信息表。存儲學生所獲各項獎勵的相關信息，其字段組成為(OID，名稱，等級，頒發部門，級別，頒發日期，證書)。其中：“等級”字段的值域為{特等獎，一等獎，二等獎，三等獎，優秀獎}；“級別”字段的值域為{國家級，省部級，市廳級，校級，院級}。

(17) 考研信息表。存儲學生報考研究生的相關信息，其字段組成為(OID，學號，報考院校，專業，分數，是否錄取，調劑院校)。其中：“是否錄取”字段的值域為{是，否}。

(18) 就業信息表。存儲學生就業工作經歷的相關信息，其字段組成為(OID，學號，單位名稱，工作部門，職務，任職日期)。

(19) 班委成員表。存儲班委成員的相關信息，其字段組成為(OID，學號，姓名，職務，起始日期，結束日期)。1.2 數據庫建立

在完成數據庫的設計之后，就可以建立空間數據庫。數據庫的建立包括三項工作，即建立數據庫結構、裝入數據和調試運行[11]。

(1) 建立數據庫結構。根據數據庫設計最終結果，利用ArcGIS for Desktop的ArcMap目錄窗口或ArcCatalog提供的上下文菜單，在指定路徑中創建數據庫并逐項定義相應組成元素，以將設計藍圖轉化為實際的數據庫結構。目前Geodatabase支持3種具體的存儲形式，即Personal Geodatabase，File Geodatabase，ArcSDE Geodatabase。從容量限制、平臺支撐、性能成本等方面綜合考慮，本文選擇文件Geodatabase。

(2) 裝入數據。數據裝入之前要做許多準備工作，如數據收集、整理、分類、編碼、格式轉換、補充完善等。裝入的數據要確保其準確性和一致性。最好是把數據裝入和調試運行結合起來，先裝入少量數據，待調試運行基本穩定后，再裝入大批量數據。

針對所設數據庫結構對數據內容的要求，收集整理了全國1∶100萬公開版行政區劃電子地圖數據(Shp格式)。在實際應用中，基層教學組織可從招生、教務、就業等不同部門業務系統中篩選導出所管學生的相關表格數據，建議存儲為Excel格式。對于一些不能直接獲取的缺失信息，可在每個班級中招募一定數量的學生信息員做進一步的補充完善，并負責日后相關數據的收集匯總、更新維護工作。

在準備好各類外部原始數據之后，一般可通過ArcGIS提供了“數據加載”“圖像加載”等工具將其上載到所建數據庫的表、要素類或關系類(m:n關系類實際上也是表)中。但這些工具目前還存在一定的不足，例如：“數據加載”工具只能直接加載原始數據，轉換再生能力差，后期處理任務量大；“圖像加載”工具只能逐條加載所選記錄的圖像信息，人機交互頻繁，易出錯，效率低。因此，在數據入庫時，筆者只采用“數據加載”工具將處理完善后的政區數據直接加載到數據庫相應的政區要素類中，其他數據則通過另行開發的“導入表格”與“導入圖片”工具進行加載。

(3) 調試運行。裝入數據后，要對數據庫應用系統進行全面調試，執行各功能模塊，發現系統中存在的錯誤、漏洞、缺陷等問題，確定問題產生的原因及位置，并且加以改正與優化。經調試后，如能滿足穩定性、健壯性、完整性、安全性等方面的要求，則可投入實際使用運行。

2 系統開發策略與功能描述

在學生信息數據庫建立之后，一般可通過ArcGIS桌面系統對其數據進行瀏覽、查詢、編輯、統計、分析、制圖等操作。作為一種工具型GIS平臺軟件，ArcGIS桌面系統是面向多種用戶設計的，具有基礎性、通用性、專業性等特征。雖然桌面系統功能豐富強大，但在靈活性、便捷性、實用性等方面仍難以滿足特定的應用需要。因此，必須對其進行擴展定制設計開發針對學生信息管理與分析業務的應用型GIS系統。

2.1 系統開發策略

目前，ArcGIS桌面系統支持ModelBuilder、Python語言、VBA、ArcObjects、Add-in與ArcEngine等多種技術對其進行擴展與定制[12-16]。其中，基于前5種技術實現的擴展功能都需要桌面系統的支持，不能獨立運行，使用成本高、可移植性低。為此筆者采用ArcEngine技術開發學生信息管理與分析應用系統。

ArcEngine是ESRI公司推出的面向開發者的嵌入式組件產品，是對ArcObjects大部分接口、類等進行封裝所構成的二次開發框架與工具集合。除具有訪問Geodatabase及其他各類數據的核心功能外，ArcEngine還提供了空間分析、符號表達、地圖制圖等多種對象庫與開發控件，允許開發者在其強大的GIS功能基礎上集中精力分析解決具體應用的業務邏輯，從而快速定制開發出完全脫離ArcGIS系統、更加符合應用需要的個性化系統。

ArcEngine支持.Net、Java、VB、VC、Delphi、C++等多種開發語言，不同語言均有各自的優缺點，沒有嚴格的好壞之分。從熟練程度、執行效率、易用性、主流趨勢等方面綜合考慮，本文選用Visual .Net 2010中的C#作為集成開發語言。另外，為了獲得較為美觀友好的界面效果，除了常見的Windows界面控件外，系統開發中還使用DevComponents公司DotNetBar for Windows Forms控件集產品中的RibbonBar、PanelEx、SuperGrid等控件。系統開發策略與基本架構如圖2所示，主界面如圖3所示。

圖2 系統開發策略與基本架構

2.2 系統功能描述

目前，系統共有外部表格與圖片導入、地址匹配定位與糾正、日常考核記錄與統計、界面與地圖視圖控制、數據瀏覽編輯與導出、信息查詢與統計分析6類功能，現分別描述如下：

(1) 表格與圖片導入功能。表格導入功能(界面見圖4)通過設置外部Excel表與學生數據庫內相應表之間的字段映射關系以及相應字段的默認取值，能夠將模式結構定義不同的外部表數據批量上載到指定內部表中，并自動為所加載記錄相應字段賦值，可減少前期或后期補充完善的工作量。圖片導入功能主要用于將收集到的學生個人照片、獎勵證書、榮譽證書等圖片批量加載到數據庫相應記錄中，為保證加載的正確性，要求外部圖片按照數據庫中相應記錄的主鍵字段值(如學號、獎勵ID)命名。

圖3 系統主界面

圖4 導入表格功能界面

(2) 匹配定位與糾正功能。匹配定位功能是為學生信息類、高校院所類、工作單位類中的要素記錄批量賦予空間位置信息，實現空間化以使其能夠在地圖窗口中與政區數據疊加一起顯示。該功能的實現原理是：逐條讀取學生信息等要素類中的要素記錄，根據其地址信息(所在縣、所在地、所在省)依次在縣區中心類、地區中心類、省區中心類的縣區名、地區名、省區名中查找相應要素記錄，如果地址信息與返回結果均不為空，則將返回要素的位置信息賦予當前所取要素，并開始讀取下一條記錄進行同樣處理，直到所有記錄被讀取。對于自動匹配定位后的要素，可通過位置糾正功能手動調整其位置。

(3) 日常考核與統計功能。日常考核功能(見圖5)可以抽查或全查的形式記錄學生的出勤、作業、實驗、測驗等日常信息，以加強學生學習過程的管理與控制。統計功能則是通過預定義的評價模型，以課程為單位對每位同學的日常考核信息進行匯總計算，最終結果以平時成績的形式記錄在學習成績表中。

圖5 日常考核功能界面

(4) 界面與視圖控制功能。該類功能是系統最基本的功能，主要包括界面風格(Win7，Office 2007，Office 2010，Visual Studio 2010)切換，地圖縮放、漫游、顯示比例設定、視圖切換，圖層顯示/隱藏、文字標注及可見范圍設置等內容。

(5) 瀏覽編輯與導入功能。數據瀏覽功能分為直接瀏覽和關聯瀏覽兩種形式，前者依據主界面側邊欄所選學生層次對指定表中記錄過濾后將相關記錄列舉在下部的表格；后者則根據所選關系類在直接瀏覽記錄下添加一個子表格區域以“表中表”的形式顯示與該記錄關聯的其他表中的記錄，這種方式克服了ArcGIS系統不能顯示1:m關聯記錄的不足。數據編輯功能可以在直接瀏覽表格中對記錄進行修改、刪除、添加、復制等操作，以對數據進行完善與更新。導出功能可將直接瀏覽表格中的全部或所選記錄導出到指定Excel表中，以便與其他系統交換與共享相關數據。

(6) 查詢與統計分析功能。查詢功能可按空間條件或屬性條件檢索返回滿足條件的要素或對象信息。統計分析功能則對學生來源、考研院校、工作就業、課程成績、獎勵榮譽等信息進行匯總計算，并以柱狀圖、專題地圖、來源曲線、工作軌跡等形式對結果進行直觀形象化展示，部分結果如圖6所示。

圖6 統計分析結果展示效果圖

3 結 語

針對當前高校學生信息管理方式難以滿足基層一線教學工作需要的普遍問題，設計開發了基于GIS的學生信息管理與分析系統，實現了多源學生信息在基層教學組織中的有機集成與深層應用，提高了學生信息資源的利用效率與服務價值，增強了教師與學生的地理信息素養。下一步將采用網絡GIS、移動GIS、云計算等技術對系統功能做進一步的擴充與升級，以便更及時準確地獲取更新各類學生信息、更科學全面地挖掘發現各種知識規律，為最終實現高校學生培養與教學服務的個性化和精細化目標提供有力支持與切實保障。

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·名人名言·

提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅僅是一個教學上或實驗上的技能而已。而提出新的問題新的可能性，從新的角度去看舊的問題，都需要有創造性的想像力，而且標志著科學的真正進步。

——愛因斯坦

GIS-based College Student Information Integrated, Spatial Management and Analysis System for Grassroots Teaching Organization

WANGYuhong,LIUYing,YUANZhanliang,DUJiusheng

(School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China)

Aiming to the problem that the management mode of student information is difficult to meet the needs of the grassroots teaching work, the student information database and the corresponding management and analysis system are designed and developed using the GIS technology, namely Geodatabase spatial database technology and ArcEngine component development technology supplied by America ESRI Inc. In this paper, the steps of designing and establishing student information database are firstly summarized. The logic structure of the constructed database and its elements are described in detail. Finally, the main development strategy of management and analysis system is briefly introduced, its core functions and the realization principles are particularly discussed. The system’s research, development and application have achieved the integrated spatial management and the deep analysis and utilization of multi-source student information including origin, attendance, score, prize, honor, graduate school and employment at the grassroots teaching organization. The system has provided the accurate and detailed information reference and the intuitionistic tool support for the scientific planning, implementation, management and evaluation of the grassroots teaching work, and has effectively promoted comprehensive, balanced and sustainable development.

grassroots teaching organizations; geodatabase; matching location; daily checking

2016-07-05

國家自然科學基金委-河南人才培養聯合基金項目(U1304401);河南省高等教育教學改革研究項目(2014SJGLX173);河南省本科工程教育人才培養模式改革試點專業項目(201213070703)

王育紅(1976-)，男，河南柘城人，博士，教授，主要研究方向為空間數據庫與GIS應用開發。

Tel.:15838937593； E-mail:wangyh@hpu.edu.cn

TP 392;G 202;G 645

A

1006-7167(2017)03-0105-06