基于GIS的高校学生信息基层集成空间化管理与分析系统

王育红, 刘 莹, 袁占良, 杜久升

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

·计算机技术应用·

基于GIS的高校学生信息基层集成空间化管理与分析系统

王育红, 刘 莹, 袁占良, 杜久升

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

针对当前高校学生信息管理方式难以满足基层一线教学工作需要的普遍问题，采用全球领先的主流地理信息系统(GIS)技术，开发了学生信息数据库及管理与分析系统。介绍了学生信息数据库设计与建立步骤，数据库的逻辑结构及其组成元素,管理与分析系统的开发策略，系统功能及其实现原理。该系统的研发与应用实现了生源、出勤、成绩、奖励、荣誉、考研、就业等多源学生信息在基础教学组织端的集成空间化管理和深层次分析利用，为科学规划、实施、管理与评价基层教学工作提供了准确详实的信息参考和形象直观的工具支持，有效促进了各项工作全面、协调、可持续发展。

基层教学组织; 地理数据; 匹配定位; 日常考核

0 引 言

为了有效缓解招生规模扩大、师生比例失调、个体差异加剧给高校学生管理和人才培养工作带来的困难和压力，积极利用信息技术建立学生信息管理系统已成为各高校的普遍共识和举措，并取得了可喜成效。然而，由于缺少统一规划、资金支持不足、认识制度不到位等原因，目前许多高校所建的现有各类学生信息系统仍普遍存在着数据孤立分散、格式表达不一、使用范围有限、共享互用困难、深层分析不足、表现能力薄弱等问题[1-2]，一般仅限于校、院两级管理人员对学生信息的日常查询式使用，不能很好地满足基层教学组织内众多一线教师对学生信息的需求。

作为教学管理与实施的基层组织，无论是系还是教研室都担负着学生培养方案制定、课程体系建设、教学大纲修编、教学内容优化、教学方法改革、理论知识讲授、实验实践指导、教学质量评价、良好学风营造、科技活动组织、专业建设评估等直接面向或服务于学生的工作[3]。这些工作成功与否关键取决于对学生的了解与认识程度，只有全面收集掌握并充分挖掘利用兴趣爱好、优势特长、学习成绩、奖励荣誉、就业深造等多种学生信息，才能确保各项工作统筹兼顾、科学协调、健康持续发展，从而真正做到以生为本、尊重个性、因材施教、扬优成势。

针对以上问题与需求，本文采用主流地理信息系统(GIS)技术，即美国ESRI公司的Geodatabase数据库技术与ArcEngine二次开发技术，开发了高校学生信息管理与分析系统(简称GIStudents)，实现了生源、出勤、成绩、奖励、荣誉、考研、就业等多源学生信息在基层教学组织端的集成一体化与空间形象化管理，具备浏览编辑、查询检索、统计分析、制图表达等功能，能够有效缓解高校不同职能部门学生信息管理压力与分析瓶颈，为科学规划、实施、管理与评价基层教学工作提供准确详实的信息参考与实用高效的工具支持。

1 系统数据库设计与建立

数据库是信息系统的核心和基础，数据库设计与建立是信息系统开发的重要组成部分[4]。本文采用Geodatabase技术建立学生信息管理系统数据库。Geodatabase是利用标准关系数据库和面向对象技术来表现、存储和管理地理空间信息的新一代数据模型和软件系统，它支持常规属性表格数据以及矢量、栅格、DEM、TIN、网络、时空等多种空间数据的集成一体化管理。相对于早期的CAD与Coverage模型，Geogatabase具有统一性、智能化等特征，能够更清晰、准确地反映现实现象实体的特征与行为[5-7]。

1.1 数据库设计

数据库设计是一项交互、往复、费时、精细的工作，基于Geodatabase的数据库设计过程一般由5个步骤组成[8-9]。其中，前3步属于概念设计阶段，最终要形成一个不依赖于具体计算机系统的概念化结构；后2步属性逻辑设计阶段，最终形成一个框架规范合理、功能操作高效的逻辑结构。另外，数据库设计还应与应用系统设计紧密结合起来,同步进行，两者相互参考、相互补充[10]。

(1) 建立用户数据视图。在一定论域范围内，确定并描述用户的业务职能，明确执行职能所需的数据类型及其流动处理过程，确定数据的使用要求和各种约束条件，对数据进行逻辑分组。

(2) 定义对象及联系。对用户关注的业务、职能、数据做进一步的分类、聚集和概括，形成一系列可辨识的对象(或实体)及其特征，确定和描述对象间的关系，并以图形(如ER、UML图等)的形式进行直观表达。

(3) 选择地理表达方式。对于具有几何图形特性或需要以地图形式进行可视化的对象，进一步选择确定其空间表达类型，如点、线、面、表面、栅格等。

(4) 转换到Geodatabase。依据一定规则将上述步骤确定的实体、联系及其特征，转换为相应的Geodatabase表达元素，如表、要素类、关系类、字段、属性域、子类型和要素数据集等。其中，表主要用来储存非空间对象的属性信息；要素类是一种具有“shape”字段的特殊表，用来存储空间对象(要素)的几何与属性信息；关系类用来建立表之间的联系以实现对象信息的关联查询与使用。

(5) Geodatabase结构调整与优化。在考虑将来实际使用情况的基础上，依据关系数据库规范化理论，通过分解、合并、组合、重构等操作对数据库结构进行调整优化，以降低数据冗余、避免操作异常，做到存储空间与访问效率平衡兼顾，整体结构清晰明了。

根据上述数据库设计基本步骤并结合基础教学组织对各类学生信息的需求，笔者最终设计创建的学生信息数据库共有9个要素类、2个要素数据集、8个表和11个关系类组成，图1所示描述了这些元素间的具体联系，要素类之间通过空间关系建立隐性间接联系。

下面对19个元素的主要作用及基本特征介绍如下：

(1) 省级政区类。以面形式存储省级(含自治区、直辖市等)行政区要素及其属性的要素类，其字段组成为(Shape，行政代码，省区名)，其中带“ ”下划线的字段为主键(下同)。

(2) 省区中心类。以点形式存储省级行政区政府所在地及其属性的要素类，其字段组成为(Shape，行政代码，省区名，中心名)。

图1 学生信息数据库组成元素及其关系

(3) 市级政区类。以面形式存储市级行政区要素及其属性的要素类，其字段组成为(Shape，行政代码，所属省，市区名)。

(4) 市区中心类。以点形式存储市级行政区政府所在地及其属性的要素类，其字段组成为(Shape，行政代码，所属省，市区名)。

(5) 县级政区类。以面形式存储县级行政区要素及其属性的要素类，其字段组成为(Shape，行政代码，所属省，所属市，县区名)。

(6) 县区中心类。以点形式存储县级行政区政府所在地及其属性的要素类，其字段组成为(Shape，行政代码，所属省，所属市，县区名)。

(7) 学生信息类。以点形式存储学生来源及其它信息的要素类，其字段组成为(Shape，学号，姓名，性别，出生日期，政治面貌，所在省，所在地，所在县，高考总分，省控分数，入学年级，专业班级，居住宿舍，个人照片)。其中：“性别”字段的值域为{男，女}。

(8) 高校院所类。以点形式存储学生本科就读及研究生报考高校、科研院所所在地及其他信息的要素类，其字段组成(Shape，名称，所在省，所在市，类别，Logo)。

(9) 工作单位类。以点形式存储学生就业工作单位所在地及其他信息的要素类，其字段组成为(Shape，名称，所在省，所在县，所在县，类型)。其中：“类型”字段的值域为{政府，行政机关，事业单位，国有企业，国有控股企业，私营企业，合资企业，外资企业}。

(10) 定位参考数据集。将为学生信息提供定位背景参考的基础政区信息组织在一起的要素数据集。

(11) 学生空间数据集。将可依据基础政区信息进行空间化的相关学生信息组织在一起的要素数据集。使用要素数据集的目的是将相同主题的要素类组织在一起，以使数据库结构更加清晰。

(12) 日常考核表。存储学生的日常考核、考勤信息的表，其字段组成为(OID，学号，课程号，日期，类型，形式，结果)。其中：带“ ”下划线的字段为外键(下同)；依据“类型”字段将该表划分为4个字类型，即出勤考核，作业考核，实验考核，测验考核；“形式”字段的值域为{抽查，全查}；对于出勤考核子类型其“结果”字段的值域为{到课，请假，迟到，早退，缺席}，其他考核子类型其“结果”字段的值域为{优秀，良好，中等，合格，不合格}。

(13) 学习成绩表。存储学生所修课程的各种成绩信息，其字段组成为(OID，学号，课程号，平时成绩，考试成绩，综合成绩)。其中：平时成绩通过日常考核信息统计计算获得。

(14) 课程信息表。存储学生所修课程的基本信息，其字段组成为(课程号，名称，类别，学时，学分，开设学期，任课教师)。其中：“类别”字段的值域为{必修课，选修课，公选课}。

(15) 荣誉信息表。存储学生所获各项荣誉的相关信息，其字段组成为(OID，学号，荣誉名称，颁发部门，级别，授予日期，证书)。其中：“级别”字段的值域为{国家级，省部级，市厅级，校级，院级}。

(16) 奖励信息表。存储学生所获各项奖励的相关信息，其字段组成为(OID，名称，等级，颁发部门，级别，颁发日期，证书)。其中：“等级”字段的值域为{特等奖，一等奖，二等奖，三等奖，优秀奖}；“级别”字段的值域为{国家级，省部级，市厅级，校级，院级}。

(17) 考研信息表。存储学生报考研究生的相关信息，其字段组成为(OID，学号，报考院校，专业，分数，是否录取，调剂院校)。其中：“是否录取”字段的值域为{是，否}。

(18) 就业信息表。存储学生就业工作经历的相关信息，其字段组成为(OID，学号，单位名称，工作部门，职务，任职日期)。

(19) 班委成员表。存储班委成员的相关信息，其字段组成为(OID，学号，姓名，职务，起始日期，结束日期)。1.2 数据库建立

在完成数据库的设计之后，就可以建立空间数据库。数据库的建立包括三项工作，即建立数据库结构、装入数据和调试运行[11]。

(1) 建立数据库结构。根据数据库设计最终结果，利用ArcGIS for Desktop的ArcMap目录窗口或ArcCatalog提供的上下文菜单，在指定路径中创建数据库并逐项定义相应组成元素，以将设计蓝图转化为实际的数据库结构。目前Geodatabase支持3种具体的存储形式，即Personal Geodatabase，File Geodatabase，ArcSDE Geodatabase。从容量限制、平台支撑、性能成本等方面综合考虑，本文选择文件Geodatabase。

(2) 装入数据。数据装入之前要做许多准备工作，如数据收集、整理、分类、编码、格式转换、补充完善等。装入的数据要确保其准确性和一致性。最好是把数据装入和调试运行结合起来，先装入少量数据，待调试运行基本稳定后，再装入大批量数据。

针对所设数据库结构对数据内容的要求，收集整理了全国1∶100万公开版行政区划电子地图数据(Shp格式)。在实际应用中，基层教学组织可从招生、教务、就业等不同部门业务系统中筛选导出所管学生的相关表格数据，建议存储为Excel格式。对于一些不能直接获取的缺失信息，可在每个班级中招募一定数量的学生信息员做进一步的补充完善，并负责日后相关数据的收集汇总、更新维护工作。

在准备好各类外部原始数据之后，一般可通过ArcGIS提供了“数据加载”“图像加载”等工具将其上载到所建数据库的表、要素类或关系类(m:n关系类实际上也是表)中。但这些工具目前还存在一定的不足，例如：“数据加载”工具只能直接加载原始数据，转换再生能力差，后期处理任务量大；“图像加载”工具只能逐条加载所选记录的图像信息，人机交互频繁，易出错，效率低。因此，在数据入库时，笔者只采用“数据加载”工具将处理完善后的政区数据直接加载到数据库相应的政区要素类中，其他数据则通过另行开发的“导入表格”与“导入图片”工具进行加载。

(3) 调试运行。装入数据后，要对数据库应用系统进行全面调试，执行各功能模块，发现系统中存在的错误、漏洞、缺陷等问题，确定问题产生的原因及位置，并且加以改正与优化。经调试后，如能满足稳定性、健壮性、完整性、安全性等方面的要求，则可投入实际使用运行。

2 系统开发策略与功能描述

在学生信息数据库建立之后，一般可通过ArcGIS桌面系统对其数据进行浏览、查询、编辑、统计、分析、制图等操作。作为一种工具型GIS平台软件，ArcGIS桌面系统是面向多种用户设计的，具有基础性、通用性、专业性等特征。虽然桌面系统功能丰富强大，但在灵活性、便捷性、实用性等方面仍难以满足特定的应用需要。因此，必须对其进行扩展定制设计开发针对学生信息管理与分析业务的应用型GIS系统。

2.1 系统开发策略

目前，ArcGIS桌面系统支持ModelBuilder、Python语言、VBA、ArcObjects、Add-in与ArcEngine等多种技术对其进行扩展与定制[12-16]。其中，基于前5种技术实现的扩展功能都需要桌面系统的支持，不能独立运行，使用成本高、可移植性低。为此笔者采用ArcEngine技术开发学生信息管理与分析应用系统。

ArcEngine是ESRI公司推出的面向开发者的嵌入式组件产品，是对ArcObjects大部分接口、类等进行封装所构成的二次开发框架与工具集合。除具有访问Geodatabase及其他各类数据的核心功能外，ArcEngine还提供了空间分析、符号表达、地图制图等多种对象库与开发控件，允许开发者在其强大的GIS功能基础上集中精力分析解决具体应用的业务逻辑，从而快速定制开发出完全脱离ArcGIS系统、更加符合应用需要的个性化系统。

ArcEngine支持.Net、Java、VB、VC、Delphi、C++等多种开发语言，不同语言均有各自的优缺点，没有严格的好坏之分。从熟练程度、执行效率、易用性、主流趋势等方面综合考虑，本文选用Visual .Net 2010中的C#作为集成开发语言。另外，为了获得较为美观友好的界面效果，除了常见的Windows界面控件外，系统开发中还使用DevComponents公司DotNetBar for Windows Forms控件集产品中的RibbonBar、PanelEx、SuperGrid等控件。系统开发策略与基本架构如图2所示，主界面如图3所示。

图2 系统开发策略与基本架构

2.2 系统功能描述

目前，系统共有外部表格与图片导入、地址匹配定位与纠正、日常考核记录与统计、界面与地图视图控制、数据浏览编辑与导出、信息查询与统计分析6类功能，现分别描述如下：

(1) 表格与图片导入功能。表格导入功能(界面见图4)通过设置外部Excel表与学生数据库内相应表之间的字段映射关系以及相应字段的默认取值，能够将模式结构定义不同的外部表数据批量上载到指定内部表中，并自动为所加载记录相应字段赋值，可减少前期或后期补充完善的工作量。图片导入功能主要用于将收集到的学生个人照片、奖励证书、荣誉证书等图片批量加载到数据库相应记录中，为保证加载的正确性，要求外部图片按照数据库中相应记录的主键字段值(如学号、奖励ID)命名。

图3 系统主界面

图4 导入表格功能界面

(2) 匹配定位与纠正功能。匹配定位功能是为学生信息类、高校院所类、工作单位类中的要素记录批量赋予空间位置信息，实现空间化以使其能够在地图窗口中与政区数据叠加一起显示。该功能的实现原理是：逐条读取学生信息等要素类中的要素记录，根据其地址信息(所在县、所在地、所在省)依次在县区中心类、地区中心类、省区中心类的县区名、地区名、省区名中查找相应要素记录，如果地址信息与返回结果均不为空，则将返回要素的位置信息赋予当前所取要素，并开始读取下一条记录进行同样处理，直到所有记录被读取。对于自动匹配定位后的要素，可通过位置纠正功能手动调整其位置。

(3) 日常考核与统计功能。日常考核功能(见图5)可以抽查或全查的形式记录学生的出勤、作业、实验、测验等日常信息，以加强学生学习过程的管理与控制。统计功能则是通过预定义的评价模型，以课程为单位对每位同学的日常考核信息进行汇总计算，最终结果以平时成绩的形式记录在学习成绩表中。

图5 日常考核功能界面

(4) 界面与视图控制功能。该类功能是系统最基本的功能，主要包括界面风格(Win7，Office 2007，Office 2010，Visual Studio 2010)切换，地图缩放、漫游、显示比例设定、视图切换，图层显示/隐藏、文字标注及可见范围设置等内容。

(5) 浏览编辑与导入功能。数据浏览功能分为直接浏览和关联浏览两种形式，前者依据主界面侧边栏所选学生层次对指定表中记录过滤后将相关记录列举在下部的表格；后者则根据所选关系类在直接浏览记录下添加一个子表格区域以“表中表”的形式显示与该记录关联的其他表中的记录，这种方式克服了ArcGIS系统不能显示1:m关联记录的不足。数据编辑功能可以在直接浏览表格中对记录进行修改、删除、添加、复制等操作，以对数据进行完善与更新。导出功能可将直接浏览表格中的全部或所选记录导出到指定Excel表中，以便与其他系统交换与共享相关数据。

(6) 查询与统计分析功能。查询功能可按空间条件或属性条件检索返回满足条件的要素或对象信息。统计分析功能则对学生来源、考研院校、工作就业、课程成绩、奖励荣誉等信息进行汇总计算，并以柱状图、专题地图、来源曲线、工作轨迹等形式对结果进行直观形象化展示，部分结果如图6所示。

图6 统计分析结果展示效果图

3 结 语

针对当前高校学生信息管理方式难以满足基层一线教学工作需要的普遍问题，设计开发了基于GIS的学生信息管理与分析系统，实现了多源学生信息在基层教学组织中的有机集成与深层应用，提高了学生信息资源的利用效率与服务价值，增强了教师与学生的地理信息素养。下一步将采用网络GIS、移动GIS、云计算等技术对系统功能做进一步的扩充与升级，以便更及时准确地获取更新各类学生信息、更科学全面地挖掘发现各种知识规律，为最终实现高校学生培养与教学服务的个性化和精细化目标提供有力支持与切实保障。

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·名人名言·

提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅仅是一个教学上或实验上的技能而已。而提出新的问题新的可能性，从新的角度去看旧的问题，都需要有创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。

——爱因斯坦

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

国家自然科学基金委-河南人才培养联合基金项目(U1304401);河南省高等教育教学改革研究项目(2014SJGLX173);河南省本科工程教育人才培养模式改革试点专业项目(201213070703)

王育红(1976-)，男，河南柘城人，博士，教授，主要研究方向为空间数据库与GIS应用开发。

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

TP 392;G 202;G 645

A

1006-7167(2017)03-0105-06