校园GIS智能查询系统设计

摘 要：高校已经建成并投入使用的各项管理信息系统（MIS）使得学校的管理工作实现自动化,但这些管理信息系统的使用还不能使各项管理工作实现智能化.随着高校各项管理的自动化和校园GIS的建设,大量的历史数据得以积累.通过对校园MIS和GIS数据的挖掘,可以实现对校园数据的理解,定位校园教学设施的位置,可快速查找与位置相关的信息,进而发现存在于校园数据中的隐藏信息,构建数字校园信息平台.从校园地理信息系统着手,将GIS系统与数据挖掘系统集成,空间数据库系统负责空间信息抽取,GIS实现对挖掘结果进行可视化显示.详细阐述了系统实现过程,设计了系统各子模块,并将其应用于某高校校园GIS中.

关 键 词关 键 词：数字校园；GIS；数据挖掘；关联规则

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2013）007008203

0引言

为适应高等教育改革的需要,各高校都在积极建设自己的“数字校园”.在建设“数字校园”时,任何与校园有关的信息都要定位,并与空间数据联系起来.用户不仅可以图文并茂地查询校园信息,而且可以获得最为直接的结果.校园信息除了包括一般城市建筑所具有的基本信息,还包括教职工、学生信息及校园内相关建筑物的使用情况等.

目前,高校已经建成并投入使用的各项管理信息系统（MIS）已使学校的管理工作实现自动化,比如,教务管理系统的使用使学生在任何一个地方通过网络就可以完成选课、查看课表、查看成绩等,教师通过该系统可以完成教学信息的录入、查询等,所有这些任务的完成,都不受地点的限制.但是,这些管理信息系统的使用还不能使各项管理工作实现智能化,随着校园各项管理的自动化和校园GIS的建设,大量的历史数据得以积累.设计校园GIS智能查询系统就是要将数据挖掘技术应用于GIS空间数据库,对校园GIS数据中的知识进行提取,实现对校园数据的理解,定位校园教学设施的位置,快速查找与位置相关的信息,进而发现存在于校园数据中的隐藏信息.

1校园GIS

本文设计的校园地理信息系统主要面向高校师生、行政管理人员,同时满足校外社会人士对本校的查询要求.该系统具有以下五项功能：①建立空间和属性数据库,实现信息的可视化管理、浏览、查询、输出；②提高校园的日常管理水平,实现各种报表的自动生成、打印等功能；③提供一定的空间分析能力,为校园规划和管理决策提供依据；④实现网上发布功能,用户可以通过互联网了解到学校及时、真实、详尽的信息；⑤方便用户对各个院系、机关、院所网页的访问.

2校园GIS智能查询系统

设计校园GIS智能查询系统就是将数据挖掘方法应用于GIS空间数据库,从校园GIS数据库中发现有用的信息.其实现过程可以概括为以下4步：

（1）理解问题,准备数据.熟悉相关背景知识,分析用户需求.比如一个同学要去自修,他想知道距离他所在位置最近的哪个自修室有空闲地方?主管教学的领导想知道哪个专业学风较好?哪个专业学风较差?影响学生学风的因素有哪些?此阶段是数据挖掘的必经步骤,往往要花很多时间.

（2）选取数据.设计的数据挖掘算法不能直接应用于数据库,这就需要对数据库进行查询、统计,从相关的数据库中选取用户感兴趣的对象及其属性数据,并将它们存储为数据挖掘算法可以识别的格式.

（3）数据预处理.此阶段主要是对数据选取阶段产生的数据进行再加工,如将定名量转换为定序量,连续数据离散化.

（4）选择合适的挖掘算法.目前,空间数据挖掘算法有很多,考虑到空间分类数据的特点,本文采用前面介绍的空间关联规则挖掘算法.该算法利用逐步求精的方法,是对经典Apriori的改进.

（5）进行空间数据挖掘.这个阶段是真正意义上的空间数据挖掘.运用前文介绍的挖掘算法,对数据源中的数据进行挖掘,提取出对用户有用的信息和知识,并将知识以可视化的方式输出.

（6）结果解释.对数据挖掘结束后的结果进行解释,在此过程中,为了取得更为有效的知识,可能会返回前面处理的步骤中.获取的有用信息和知识可以为后续建设高校“数字校园”信息系统平台提供帮助.

校园GIS智能查询系统实现过程如图1所示.

通过上述实现过程,可以将校园GIS智能查询系统分为以下4个模块：用户界面模块、数据抽取模块、数据库管理模块,空间数据挖掘模块.

2.1用户界面模块

用户界面模块作为系统与用户的接口,它接受用户的挖掘命令以及必需的参数,并负责把挖掘的结果显示给用户.设计用户界面时,考虑到大多数用户的计算机专业知识比较少,尽可能将用户界面做得简单易用,且交互性好.采用目前Windows环境中最为流行的用户界面向导方式,把复杂的任务分为多个步骤,为用户提供多个选项.用户可根据自己的需求选择要进行挖掘的主题.

2.2数据抽取模块

数据抽取模块是数据挖掘模块与数据库的接口,其功能是分析用户的输入,从相应的数据库中取得为了完成用户的要求而所需的数据.在本系统中,MapObjects通过ODBC与MSSQLServer数据库连接.

数据抽取模块提供多种查询方式来完成有关空间查询的任务,如按照地理目标之间相对距离的关系搜索.按这种方法查询,要求空间对象满足两个条件：一是与已知对象的距离要小于规定的距离；二是要满足字段要求的条件,如查询距离道路10m以内的建筑物的位置、名称和使用情况.

按照逻辑查询,也就是按SQL语句的条件查询空间对象.这种查询方式是按属性数据库中字段的值查询空间特征.如搜索教室座位数在120个以上的教学楼的位置、名称和使用情况.

2.3数据库管理模块

校园GIS中的数据分为两种：与地理位置相关的空间数据和与空间位置无关的属性数据.空间数据展示实物的地理位置信息,属性数据记录实物的具体属性.对于系统中的空间数据,考虑到现在流行的GIS系统平台通常仅支持Point、Line和Polygon几种空间数据格式,不同格式的数据存储在不同的图层上.建立校园GIS图形数据库时,将校园CAD平面图转入MapInfo,将CAD的DXF格式文件转化为MapInfo的MIF格式文件,并按照GIS数据分层管理组织方法,重新定义新图层,将校园信息分为教学楼、宿舍楼、道路、绿化地、运动场、怎么写作点、其它等7个图层.

对于系统中的属性数据,根据校园信息的特点,设计了7个属性数据表：教学楼属性表、道路属性表、宿舍楼属性表、绿化地属性表、运动场属性表、怎么写作点属性表和其它.根据各属性数据的具体特点及系统要求制定出各属性表结构.表1和表2是教学楼和道路的属性表结构.

2.4空间数据挖掘模块

空间数据挖掘模块是整个系统的核心,由它负责具体的空间数据挖掘工作.该模块在数据抽取模块获取的数据基础上,应用前文介绍的数据挖掘方法,获取各种有用的知识和信息,并把挖掘结果传送到用户界面部分,在用户界面部分以可视化形式最终显示给用户.空间数据挖掘模块主要完成对GIS中的数据统计分析和前文设计的空间关联规则挖掘算法的实现.

为了体现整个系统的智能化并提高空间数据挖掘的效用,空间数据挖掘模块与知识库有着非常密切的联系.首先,指导空间数据挖掘的专家知识和泛化值来自于知识库；其次,将挖掘结果进行匹配描述的知识也来自于知识库；最后也是最重要的,挖掘的最终结果以谓词的形式存储于知识库,以供知识学习和决策支持之用.

3系统实现

系统开发语言采用VisualBasic,数据库系统采用MSSQLServer与MapObjects相结合.该系统不仅可以查询校园里每座教学楼的上座率,还可以发现隐藏在校园GIS中的隐性知识.

3.1按教学楼统计上座率

在“数据挖掘主题选择”对话框中,单击“按教学楼统计上座率”按钮,则会打开校园地图,以图文并茂的方式显示校园内各项教学设施的分布情况.点击你想察看的任意一个教学楼或实验楼,就可以清楚地看到该楼的座位空闲情况,如图2所示.

4结语

设计校园GIS智能查询系统,将数据挖掘技术应用于校园GIS,可以将离散的实时数据进行抽取、清晰化和提取,得到面向主题的、集成的稳定的数据仓库,并对特定数据源进行挖掘,得到信息之间的关联关系,对高校的学生管理、教学资源管理等各方面起到有效的指导作用.借助于该系统,用户可以轻松了解每个教学楼的上座率,这是挖掘出的显性知识.除此以外,还可以利用空间数据关联挖掘算法,获取学生的学风情况,有了这种分析结果,负责学生的管理人员就可以针对不同的情况制定不同的对策,进而提高学生学习的积极性,营造良好的学习风气,创造和谐校园.

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责任编辑（责任编辑：孙娟）