虚拟校园空间数据库的设计.doc

毕业论文题 目：虚拟校园空间数据库的设计 以毕节学院为例学 号： 08121002014姓 名： 穆璐教 学 院： 地理与生命科学院专业班级： 地理科学2010级2班指导教师： 张鹏飞完成时间： 2014年 4 月 日 毕节学院教务处制毕节学院毕业论文学生诚信声明书本人郑重声明：本人所提交的毕业论文虚拟校园空间数据库的设计以毕节学院为例是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；对本文研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。论文(设计)作者： （签字） 时间： 年 月 日指 导 教 师： （签字） 时间： 年 月 日 毕节学院毕业论文版权使用授权书本毕业论文虚拟校园空间数据库的设计以毕节学院为例是本人在校期间所完成学业的组成部分，是在毕节学院教师的指导下完成的，论文工作的知识产权属于毕节学院。本人同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权毕节学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、网页制作或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。毕业论文无论做何种处理，必须尊重本人的著作权，署明本人姓名。未经指导教师和毕节学院同意，本人不擅自发表毕业论文相关研究内容或利用毕业论文从事开发和盈利性活动。毕业后若发表毕业论文中的研究成果，需征得指导教师同意，作者第一单位署名应为“毕节学院”， 成果发表时本人工作（学习）单位可以在备注中注明。论文(设计)作者： （签字） 时间： 年 月 日指 导 教 师： （签字） 时间： 年 月 日目 录摘要:1Abstract:1引言11. 空间数据库的概念及特征21.1空间数据库的概念21.2空间数据库的特征22. 空间数据库内容33. 空间数据库需求分析33.1 空间数据内容及表达33.2 属性数据内容及表达43.3 数据组织关系43.3.1教学管理43.3.2生活管理54. 空间数据库设计54.1 空间数据表达设计64.2 其他非空间要素属性表结构设计74.1.1 学生基本信息表74.1.2 教师基本信息表84.1.3 课程基本信息表84.1.4 院系基本信息表84.1.5 专业基本信息表94.1.6 班级基本信息表94.1.7 寝室基本信息表94.1.8 食堂基本信息表95. 结论10参考文献11致谢12 毕节学院本科毕业论文（设计）i毕节学院本科毕业论文（设计）虚拟校园空间数据库的设计以毕节学院为例作者姓名：穆璐 专业班级：地理科学（2）班学号：08121002014 指导教师：张鹏飞摘要:虚拟校园，实质上是一种地学虚拟环境，是虚拟与现实技术在地理科学中的典型应用。空间数据库作为虚拟校园建设的数据支撑，在虚拟校园中处于主导的地位，空间数据库设计的好坏将影响虚拟校园的表达效果。随着毕节学院的发展，校园范围不断扩大及信息的复杂庞大，需要建立虚拟校园空间数据库进行储存管理。本文以毕节学院为分析对象，进行虚拟校园空间数据库的设计。通过本文的研究，最终将实现要素（例学生）的查询功能。对毕节学院的信息管理奠定基础，为以后建立虚拟校园空间数据库提供基础。关键词: 虚拟校园 空间数据库 GIS 空间数据iiiThe design of the spatial database in the virtual campus In Bijie college, for example Candidate: Mu Lu Major: Geography science (2) class Student No: 08121002014 Advisor: Zhang PengfeiAbstract:Virtual campus，is essentially a farming virtual learning environment，technology is virtual and reality in the typical applications of geographical science。Spatial database as the data support of virtual campus construction，in the virtual campus in a dominant position，the stand or fall of spatial database design will affect the expressing effect of virtual campus。With the development of Bijie college，complex huge campus scope expands unceasingly, and information，need to build a virtual campus space database for storage management。Taking Bijie college as the analysis object，for the design of virtual campus space database。Through the study of this article，will eventually achieve the function of elements (for example students) query，lay a foundation of Bijie college of information management，to build a virtual campus space database provides the basis for later。Key words: Virtual campus; Spatial database; GIS; Spatial data引言随着计算机图形图像技术的高速发展。三维虚拟技术正广泛地应用于各个领域。其中包括军事、教育、工程设计、影视广告、模拟仿真、娱乐、城市规划等，同时，也渐渐的从计算机研究过渡到计算机应用。所谓虚拟校园1，即以现代计算机网络技术、信息技术和虚拟现实技术为基础，对校园进行多分辨率、多尺度、多时空的三维描述，用于模拟和表达校园的地形地貌、建筑和交通等环境中的现象和过程。虚拟校园利用现代信息技术手段和工具，实现从环境、资源到活动的全部数字化，在传统校园基础上构建数字空间以拓展现实校园的时空维度，从而提升了校园管理的效率，扩展了传统校园的功能2。虚拟校园不仅是现代高校信息化建设的目标，同时也是高校整体综合实力的重要体现。虚拟校园处理的范围主要是一个完整的学校，或者是跨越多个校区的地理空间、多时空多角度的立体校园等。其所需表达的信息除了物理上的校园地理信息以外，还包含逻辑上的学院系别、学生信息和教师信息等。要实现对现实世界的虚拟和管理，首先就要实现现实世界复杂数据的有效的组织和表达，因此需要建立虚拟校园空间数据库。本文通过对毕节学院现状数据及规划的分析，在虚拟校园空间数据库的信息需求和功能需求的基础上对虚拟校园空间数据库进行概念设计、逻辑设计和物理设计，并重点对虚拟校园空间数据库的库结构设计及要素进行研究。本文的研究对校园的信息化管理奠定基础。对于“空间数据库的设计”国内外学者都有所研究，但是国外学者研究起步早，而我国对这方面的研究比较晚。Sri Maryati, Hideki Shimada, Takashi Sasaoka, Akihiro Hamanaka, Kikuo Matsui, Hideaki Nagawa在为在印度尼西亚的采矿的环境管理的GIS数据库模块中研究了在 Indone- sia 的采矿操作为环境管理设计 GIS 数据库模板。David Taniar; Wenny Rahayu在为在空间数据库的最近的邻居询问的一个分类中讨论了在空间数据库中最近的邻居询问。韩文军，崔昆，徐远在矿产资源空间数据库的设计和实现中通过对矿产资源规划业务的分析3，引出了矿产资源规划空间数据库的信息需求和功能需求，在此基础上提出了矿产资源规划空间数据库的概念设计、逻辑设计和物理设计，并重点介绍了矿产资源空间数据库的实现技术。万剑华，刘娜，马张宝,孟慧在“数字城市”的空间数据库设计方法研究中分别从数据库的结构设计、数据库的功能设计、数据库的界面设计、基础数据库的建立等方面提出了“数字城市”的数据库的设计与建设方案,并成功运用在“数字东营”的数据库建设中4,10。鲁胜平，常胜曾，克峰在数字校园空间数据库建设以湖北民族学院为例中，在研究数字校园建设中空间数据库基础上,提出其设计和建设的程序和方法,并选择SUPERMAPDESKPRO作为基础平台,建立了湖北民族学院空间数据库,为学院数字校园建设奠定了基础5。本文以毕节学院为例，研究虚拟校园空间数据库的设计，当中重点介绍了空间数据库结构的设计以及空间数据库中要素的表达，其目的在于为学院各信息管理发挥重要作用，并为以后这方面的研究提供参考。1. 空间数据库的概念及特征1.1空间数据库的概念空间数据库，也称为地理数据库6，是指GIS在计算机物理介质上储存的与应用相关的地理空间数据的总和7。空间数据是空间数据库系统的简称，是存储在一起的空间数据有机结合，包括空间数据库、空间数据库管理系统和空间数据库应用系统8，是地理信息系统中空间数据的储存场所。它是3S技术、数据库技术、网络技术为基础，对空间数据进行管理的技术体系9。1.2空间数据库的特征区别于其他一般数据库的特征，空间数据库具有如下7个特征4,10：(1)海量数据特征：空间数据量特别大，通常称海量数据。地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往是很大的。(2)空间特征：从数据内容上看，空间数据库中不仅有属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据（描述地理要素空间分布位置的数据），并且这两种数据之间有不可分割的关系。(3)抽象特征：空间数据描述的是真实世界中地物及地貌特征，及其复杂，必须经过抽象处理，在不同的抽象中，同一自然物可能有不同的语义。(4)多尺度和多态性：不同的观察尺度下具有不同的比例尺和精度，同一地物在不同情况下将会有形态上的差异，空间数据还具有时空性，即空间数据库中有同一时间不同空间的数据，也有同一空间不同时间的数据。(5)分类编码特征：每一个空间对象都有对应的一个分类编码，而这种分类编码常常是属于国家标准或者是行业标准，每一种地物类型在某个GIS种的属性项个数是一样的。在多种情况之下，一种地物类型对应一个属性数据表文件。(6)非结构化特征：空间数据不能满足关系数据库的“结构化”要求。若将一条记录表达成一个空间对象，它的数据项可能是变长的。如1条弧段，其长度是不可限定的，可能是2对坐标，也可能是10万对坐标。(7)分类编码特征：每一个空间对象都有一个分类编码，而这种分类编码往往是属于国家标准或行业标准，每一种地物的类型在某个GIS种的属性项个数是相同的。在多种情况下，一种地物类型对应于一个属性数据表文件。空间数据库技术是GIS基础和核心11。空间数据作为GIS的操作对象，是GIS组成的核心内容。GIS建设中最重要、最基础的工作即是采集空间数据、建立空间数据库。在虚拟校园GIS建设中，采集空间数据、建立空间数据库，也就是在一定的硬件和软件平台的支撑下，将校园范围内的相关地理数据源转换成为GIS可以接受、处理的数字形式，并将这些数据用空间数据库管理系统来统一进行存储和管理。2. 空间数据库内容每个GIS数据集都提供了对世界某一方面的空间表达12。包括：基于矢量的要素（点、线和多边形）的有序集合；诸如数字高程模型和影像的栅格数据集；诸如数字高程模型和影像的栅格数据集 ；地形和其他地表；测量数据集；其它类型数据（诸如地址、地名和制图信息）；描述性的属性。除了地理表现形式之外，地理数据集还包括传统的描述地理对象的属性表。许多表和空间对象之间可以通过他们所共有的字段（也常称为“关键字”）相互关联13。就像它们在传统数据库应用中一样，这些仪表的形式存在的信息集和信息关系在GIS数据模型中扮演着非常关键的角色。3. 空间数据库需求分析毕节学院于2005年03月经国家教育部批准成为本科院校，随着学校的不断发展壮大，在实施组织管理方面也提出了新的要求。基于空间数据库的信息化管理已成为未来学校管理的一种必然趋势。高效快捷的了解学校构成要素的空间位置，存在状态等信息是学校教学、生活等方面管理的必然需求。因此，学校空间数据库的设计构建，需表达出学校一切要素的空间信息与属性信息，以及要素间相互之间的关系。3.1 空间数据内容及表达毕节学院需抽象表达的空间数据内容主要有：教学楼、办公楼、实验楼、食堂、道路交通系统、体育馆、学生宿舍、楼层分布等等。对于这些空间要素的空间表达需细化到学校管理涉及空间划分的最小单元，如对教学楼，须细化到教室，对于宿舍楼需细化到寝室。这样才能满足学校空间查询管理的要求。具体需求如表1。表1 空间要素及表达要求细化表Table 1 Space elements and express requirements detailed list序号空间要素名称空间最小单元关键属性功能及应用1教学楼教室教室编号教学管理2办公楼办公室办公室编号及名称行政管理3学生宿舍寝室寝室编号生活管理4道路系统路段道路名称交通管理5食堂窗口食堂名称生活管理6体育馆区区名称生活管理3.2 属性数据内容及表达随着毕节学院学校规模的不断壮大，大学生数量急剧增加，有关学生的各种信息也在成倍增长。面对庞大的信息量，就需要设计一个空间数据库来进行储存和管理，来提高管理工作的效率。通过此空间数据库，可以做到信息的规范管理、科学统计和快速查询，从而减少管理方面的工作量。在虚拟校园空间数据库中有以下属性数据：学生；教师；课程；系；班级；专业等。3.3 数据组织关系在空间数据库当中，数据都是各自储存，但它们之间却存在紧密的关联。例如教师与学生之间以课程关联，食堂与寝室间通过学生关联。3.3.1教学管理学校有若干个系，每个系有若干个老师和学生，每个教师可以担任若干门课程，并参加多个项目每个学生可以同时选修多门课程，每门课程每个学期可能有多名教师教，课程又分为必修、选修、任选三种。因此学校教学管理的信息包括学生姓名、学号、班级、性别、班号、学制、籍贯、出生日期、所属系编号、所属系名称、所在班级号、所在寝室号，教师编号、教师姓名、入职年份、学历、教师职称、教师所授课程，课程编号、课程名、课程学分、课程学时、课程类型。教学管理的设计即教师课程学生之间的关联设计。总体的结构图如图1所示。图1教师课程学生关系图Figure 1 Teachers- curriculum- students diagram3.3.2生活管理毕节学院有若干个学生，每个学生住在不同的寝室，每栋寝室有若干个寝室，若干个寝室的学生都需要去食堂吃饭。所以学院生活管理的信息包括寝室名、寝室号，食堂名、饭卡号。寝室与食堂的关系图如图2所示。图2食堂学生寝室关系图Figure 2 Canteen - students - bedroom diagram4. 空间数据库设计空间数据库的设计，实质上就是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是GIS中的空间实体建立数据模型的过程14。虚拟校园除了物理上的校园地理信息之外，还包括逻辑学上的院系别、学生信息、教师信息等。4.1 空间数据表达设计 毕节学院空间要素的采集基础图件来源于遥感影像和补充实测数据，坐标系统采用目前国土资源管理统一使用的西安80坐标系统，由于仅做数据库结构设计，因此在设计中选择了相对简单的个人数据库类型建立空间数据库，另外，没有对空间数据进行美化，而仅对逻辑层次进行了梳理和表现。空间数据组织的逻辑层次和要素表达如表2所示。表2空间数据组织的逻辑层次和要素表达Table 2. The logical and elements to express spatial data organization序号图层名称表达要素关键属性图层类型备注1JTLine道路道路编号及名称Line线为道理中心线和道路边线，中心线关联道路编号及名称2JTpolygon道路无polygon主要用于图示表达3ZYJZpolygon办公楼、宿舍楼、图书馆、教学楼等编号、类型polygon与ZXDYpoint空间关联4ZXDYpoint教室、寝室、办公室编号、名称Point（具备Z值）与ZYJZpolygon空间关联提供空间查询定位，拓展二维表达5JTpolygon绿地草坪、池塘无polygon主要用于图层表达6JTpolygon基础设施无polygon主要用于图层表达在空间要数表达设计中，既考虑了图示表达的需要，也考虑了属性表达的需要，并理顺了要素之间的空间关系，可以满足数据库应用中的空间查询、分析的需要。通过对毕节学院的空间数据处理，空间数据库体现了各要素在学校空间的表达，如图3所示。 图3 毕节学院平面分布图Figure 3 Bijie college map4.2 其他非空间要素属性表结构设计4.1.1 学生基本信息表列名长度数据类型约束主键学号10Char不能为空、唯一Yes姓名20VarChar不能为空no性别2Char男或女no籍贯40VarCharno学制1Char不能为空no专业2VarChar不能空、唯一no联系电话20Charno出生日期20Charno系号7Char不能为空、唯一no班级号7Char不能为空no寝室号7Char不能为空no4.1.2 教师基本信息表列名长度数据类型约束主键教师编号10Char不能为空、唯一Yes姓名20VarChar不能为空no性别2Char男或女no籍贯40VarCharno学历1Char不能为空no联系电话20Charno年龄20Charno系号7Char不能为空、唯一no入职年份7Char不能为空no说授课7Char不能为空no4.1.3 课程基本信息表列名长度数据类型约束主键课程编号20VarChar不能为空、唯一Yes课程名称10Char不能为空no任课教师10Char男或女no学分状态2Charno限选人数3Char不能为空no课程类别12VarCharno开设院系30VarCharno学时2Char不能为空、唯一no考核类型8Char不能为空no4.1.4 院系基本信息表列名长度数据类型约束主键院系号2Char不能为空Yes院系名称20Char不能为空、唯一no行政负责人10Char不能为空no党务负责人10Char不能为空no教务管理人员10Char不能为空no4.1.5 专业基本信息表列名长度数据类型约束主键专业编号2Char不能为空、唯一Yes专业名称20VarChar不能为空、唯一no所属院系2Char不能为空、唯一no所修学历1Char不能为空、唯一no总学分5Char不能为空no必修学分5Char不能为空no限选学分5Char不能为空no实践学分5Char不能为空no修业最低年限1Char不能为空no修业最高年限1Char不能为空no4.1.6 班级基本信息表列名长度数据类型约束主键班级编号10Char不能为空Yes班级名称20VarChar不能为空、唯一no班级负责人10Char不能为空、唯一no班级人数3Char不能为空no所属院系2Char不能为空、唯一no所属专业2Char不能为空、唯一no年级4Char不能为空no4.1.7 寝室基本信息表列名长度数据类型约束主键寝室名称20VarChar不能为空、唯一Yes寝室编号10Char不能为空、唯一no类型10Char男或女no4.1.8 食堂基本信息表列名长度数据类型约束主键食堂名称20VarChar不能为空、唯一Yes饭卡编号20Char不能为空、唯一no5. 结论本文以毕节学院为例，对虚拟校园空间数据库进行设计，基本清晰地表达了校园的所有要素以及他们之间的空间和逻辑关系，实现基本信息的数据库表达。可为虚拟校园应用系统的开发应用提供数据支撑。特别是引入具备Z值的点文件对空间要素最小单元（教室、宿舍等）的表达，能合理将三维空间要素和二维平面要素和属性要素联系起来，极有利于空间要素数据的查询与分析，又与现实学校管理应用结合起来，达到了良好的应用效果。第 13 页 共 13 页参考文献1 张锦鸿,杨胜斌,刘珍,杨启芳.三维虚拟校园的设计与研究J.