基于WebGlS的水利特色全景智慧校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

羅 敏（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川成都，611230）

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基于WebGlS的水利特色全景智慧校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

羅 敏
（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川成都，611230）

摘要：本文闡述了基于Web GIS的水利特色三維智慧校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并進(jìn)一步提出構(gòu)建實(shí)用、可行的水利特色智慧校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。以校園的三維場(chǎng)景尤其是特色水景觀場(chǎng)景為基礎(chǔ)，融合3D數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、全景照片數(shù)據(jù)以及多媒體數(shù)據(jù)，通過(guò)Web GIS技術(shù)發(fā)布以上數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)融合在一起，為用戶提供瀏覽、查詢、分析等功能，讓用戶方便、快捷地了解校園信息。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)時(shí)的教室監(jiān)控信息，幫助學(xué)生選擇合適的自習(xí)室，實(shí)現(xiàn)校園資源的優(yōu)化使用。

關(guān)鍵詞：全景智慧校園；水利特色；Web GIS；三維可視化

0 引言

智慧校園，是指利用現(xiàn)代信息化技術(shù)手段來(lái)改變校園信息化應(yīng)用的交互方式，并提高校園信息化應(yīng)用交互的準(zhǔn)確性、靈活性和響應(yīng)速度，促進(jìn)人與校園信息系統(tǒng)的高度融合，從而實(shí)現(xiàn)校園學(xué)習(xí)、工作、生活、管理以及服務(wù)智能化、人性化、個(gè)性化，以此來(lái)提升學(xué)?？傮w運(yùn)行的效益。本文在已有數(shù)字化校園建設(shè)的基礎(chǔ)上，借助WebGIS技術(shù)、三維建模技術(shù)、全景漫游技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)與信息發(fā)布等技術(shù)的整合運(yùn)用和聯(lián)動(dòng)交互，構(gòu)建一個(gè)能更好地展示四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院的教育環(huán)境尤其是水利校園文化景觀，硬件條件、師資和管理水平的智慧校園平臺(tái)。對(duì)外展示學(xué)校建設(shè)成果，對(duì)內(nèi)為全校師生提供快速搜索校園信息，準(zhǔn)確定位校園地標(biāo)點(diǎn)位置，及時(shí)分享校園學(xué)習(xí)與生活信息的全新信息平臺(tái)。

1 全景智慧校園的研究現(xiàn)狀

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)外較早就對(duì)智慧校園部署建設(shè)進(jìn)行了探索研究，已經(jīng)擁有較多的先進(jìn)實(shí)踐案例。例如：賓夕法尼亞大學(xué)的校園一卡通經(jīng)RFID技術(shù)集成多種應(yīng)用后，可以支持Penny Card與手機(jī)SIM卡集成，并集成銀行卡功能，學(xué)生畢業(yè)之后仍可以作為打折卡使用。英國(guó)諾丁漢大學(xué)構(gòu)建統(tǒng)一的校園呼叫中心，為全校36000名學(xué)生和6500名教職工提供了24小時(shí)服務(wù)熱線，打造出完善的災(zāi)備系統(tǒng)和人性化服務(wù)平臺(tái)。

圖1 Web GIS的工作原理圖

反觀國(guó)內(nèi)的智慧校園研究起步相對(duì)較晚，但是具有廣闊的研究發(fā)展空間和潛力。2010年，浙江大學(xué)首次提出了以建設(shè)無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、融合創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)科研、透明高效的校務(wù)治理、豐富多彩的校園文化、方便周到的校園生活為核心思想的“智慧校園”概念。南京郵電大學(xué)與江蘇金智公司合作，推出了基于物聯(lián)網(wǎng)和成熟數(shù)字化校園基礎(chǔ)設(shè)施的“智慧校園”。在西南交通大學(xué)食堂和浙江理工大學(xué)的食堂里，“智盤自選餐廳快速結(jié)算系統(tǒng)”已經(jīng)開(kāi)始為智慧校園增添了更多智能色彩。此外，清華大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)、許昌學(xué)院、黃淮學(xué)院等也相繼建設(shè)了三維虛擬校園或全景智慧校園。

綜上可知，目前各高校校園網(wǎng)已日漸成熟，網(wǎng)民眾多，且隨著POSTGRESQL等GIS相關(guān)開(kāi)源工具和技術(shù)的日趨成熟和不斷發(fā)展，建設(shè)一個(gè)以地理信息系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，集成三維校園、實(shí)景校園、室內(nèi)校園，提供豐富的位置服務(wù)和客戶體驗(yàn)的WebGIS開(kāi)放式智慧校園全景漫游平臺(tái)是對(duì)高校智慧校園建設(shè)的一次有益嘗試和積極創(chuàng)新。

2 相關(guān)技術(shù)研究

2.1 Web GIS

Web GIS就是Web和GIS的結(jié)合，這樣的結(jié)合促進(jìn)了雙方的發(fā)展，增強(qiáng)了GIS交互式的操作感。用戶可以在客戶端上瀏覽系統(tǒng)發(fā)布的地理數(shù)據(jù)，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)查詢、空間分析、專題圖制作等請(qǐng)求。服務(wù)器對(duì)響應(yīng)這些請(qǐng)求后，并把結(jié)果傳給客戶端，用戶就可以在客戶端的瀏覽器上看到想要的結(jié)果。Web GIS的工作原理如圖1所示。

目前，主流的 Web GIS 產(chǎn)品主要有：ESRI的Arc IMS和Arc GIS Server、超圖公司的 Super Map i Server、Map Info 的Map Xtreme 等。本系統(tǒng)選擇的Arc GIS Server具有以下優(yōu)點(diǎn)：支持矢量、柵格以及三維模型數(shù)據(jù)；支持NET與Flxe的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架；支持多種數(shù)據(jù)庫(kù)，如Postgre SQL等；支持Arc SDE空間數(shù)據(jù)引擎，可以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)管理；有強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)、地圖打印、空間分析等功能。此外，Arc GIS Server開(kāi)發(fā)的平臺(tái)穩(wěn)定性強(qiáng)、漏洞少、接口設(shè)計(jì)好等優(yōu)點(diǎn)為本系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)和運(yùn)行提供了基本保障。

圖2 智慧校園數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)圖

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架圖

2.2 三維建模軟件

目前市場(chǎng)上較為主流的建模軟件有：3D Max、sketchup等。其中使用3ds Max建立的模型優(yōu)點(diǎn)在于精細(xì)、渲染效果好，但是也有其不足之處如：模型數(shù)據(jù)量大、成本相對(duì)較高，為系統(tǒng)的管理帶來(lái)很多問(wèn)題。而Sketchup的優(yōu)勢(shì)有：簡(jiǎn)潔大方的操作界面；用戶可短期內(nèi)掌握使用方法，；應(yīng)用范圍廣：可以應(yīng)用在游戲、建筑設(shè)計(jì)、地圖展示、園林景觀、室內(nèi)場(chǎng)景和工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；還可以用CAD對(duì)剖面圖進(jìn)行處理；支持多種數(shù)據(jù)格式，包括DWG、3DS等格式的數(shù)據(jù)，多數(shù)據(jù)的支持可以使sketchup制作的模型被更多的軟件使用。鑒于此，本系統(tǒng)擬采用sketchup軟件對(duì)校園進(jìn)行建模。

2.3 360度全景技術(shù)

全景，又被稱為3D實(shí)景，是一種新興的富媒體技術(shù)，其與視頻，聲音，圖片等傳統(tǒng)的流媒體最大的區(qū)別是“可操作，可交互”操作。在本系統(tǒng)中用三維模型展示整體的校園環(huán)境，對(duì)于校園的細(xì)節(jié)部分和建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)用全景數(shù)據(jù)展示。這樣用圖片展示代替模型展示細(xì)節(jié)的優(yōu)勢(shì)有：全景照片是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地拍攝，是現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的真實(shí)表達(dá)，這樣的展示比三維的模型更有現(xiàn)場(chǎng)感；場(chǎng)景360度全方位的展示，表達(dá)了更多的信息，并且用戶可以隨意的操作，良好的交互性；在全景數(shù)據(jù)上設(shè)置相應(yīng)的熱區(qū)，實(shí)現(xiàn)與多媒體數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，能夠多方式的表達(dá)校園信息；全景數(shù)據(jù)是用圖片拼接成的，所以數(shù)據(jù)非常小，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃俣瓤?，展示流暢?/p>

2.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)主要是把教室的視頻監(jiān)控信息融入智慧校園的平臺(tái)，把監(jiān)控信息和監(jiān)控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間位置相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)相互的查詢定位。

3 水利特色全景智慧校園系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)需求分析（可以考慮加入校園安保防護(hù)等）

3.1.1 校園的需求分析

四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院是一所有著60年歷史的公辦高職院校，學(xué)院因水而起，因水而興，在四川水利水電行業(yè)享有“黃埔軍?！钡拿雷u(yù)，尤其是2014年省示范建設(shè)之“水利特色校園文化”建設(shè)項(xiàng)目營(yíng)造的親水、愛(ài)水、敬水三大景觀平臺(tái)是我校有別于眾多高職院校的特色景觀。學(xué)院占地面積854.3余畝，建筑面積261490平方米。學(xué)校在校生達(dá)8400余人，另有教職工500多人。學(xué)院現(xiàn)有各類實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所60多個(gè)。學(xué)院日常教學(xué)和管理工作較為繁重，且學(xué)校面積較大，樓宇建筑眾多。因此，建立現(xiàn)代化的智慧校園管理系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)為學(xué)院的不斷的發(fā)展添翼助飛。

3.1.2 系統(tǒng)功能的需求分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有智慧校園系統(tǒng)的調(diào)查研究和對(duì)用戶實(shí)際需求的分析，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要完成以下的功能：

①三維校園可視化漫游：系統(tǒng)集成三維場(chǎng)景的放大、縮小、漫游、平移等功能以及對(duì)室內(nèi)的 360 度全景數(shù)據(jù)的瀏覽，完成三維到全景的切換。還可在三維場(chǎng)景中設(shè)置飛行路線，對(duì)其進(jìn)行飛行瀏覽地理景觀。滿足用戶真實(shí)感的需求。

②二維、三維及360度全景的聯(lián)動(dòng)：三維地理位置和二維導(dǎo)航的聯(lián)動(dòng)，可以動(dòng)態(tài)展示和交互式觀察，消除用戶在三維校園漫游時(shí)產(chǎn)生的迷失感。與36度全景數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)，用戶在瀏覽全景數(shù)據(jù)時(shí)，在三維空間中可定位到全景數(shù)據(jù)的空間位置。

③空間查詢： 用戶選中三維空間中的建筑物，選擇查詢彈出該建筑物的屬性和多媒體信息，實(shí)現(xiàn)空間位置、文字、視頻的融合。全方位的展示滿足了各種用戶喜好的需求。

④學(xué)生信息管理： 考慮到校園管理者需要對(duì)學(xué)生的基本信息進(jìn)行登記和管理，同時(shí)，要向管理者提供查詢學(xué)生居住宿舍的地理位置信息的功能。設(shè)計(jì)中應(yīng)該滿足用戶這樣的需求。

⑤教室信息查詢： 用戶在三維建筑的內(nèi)部，可通過(guò)360度全景圖片的熱區(qū)，對(duì)內(nèi)部教室信息進(jìn)行查詢，彈出窗口顯示屬性信息，包括教室的具體位置、可容納人數(shù)、本教室的課表、該教室的視頻課件以及該教室的監(jiān)控信息。滿足學(xué)生需要了解教室實(shí)時(shí)信息的需求。

3.1.3 系統(tǒng)的可行性分析

（1）數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)

GIS的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采集和處理顯得格外的重要。首先是模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。學(xué)院羊馬新校區(qū)的電子地形圖和基礎(chǔ)的地理數(shù)據(jù)，用全站儀采集的地物的坐標(biāo)信息，導(dǎo)入CAD生產(chǎn)dwg格式的數(shù)字線化圖。校園樓宇景觀三維模型粗模（教學(xué)樓、行政樓、圖書(shū)館、餐廳、活動(dòng)中心）；過(guò)對(duì)前期數(shù)據(jù)的調(diào)研，從時(shí)間和硬件方面考慮，都可完成系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)，因此從數(shù)據(jù)方面來(lái)說(shuō)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是可行的。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中用到多種數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能。對(duì)用到的數(shù)據(jù)可整理后，把數(shù)據(jù)分為地理空間數(shù)據(jù)、屬性信息數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)如圖2所示：

（2）團(tuán)隊(duì)技術(shù)支撐

項(xiàng)目組成員擁有比較豐富的數(shù)字化校園建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，負(fù)責(zé)建設(shè)了學(xué)院數(shù)字化校園的基礎(chǔ)工程（一卡通、三大平臺(tái)），全程參與學(xué)院2015年“掌上智慧校園”建設(shè)項(xiàng)目；具有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程和系統(tǒng)架構(gòu)能力和測(cè)繪能力和GIS運(yùn)用能力。通過(guò)查閱相關(guān)資料，進(jìn)行集體多方討論，周密的設(shè)計(jì)計(jì)劃，團(tuán)隊(duì)的大力支持，相信可以完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

3.2 水利特色全景智慧校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）智慧校園系統(tǒng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為四大功能模塊：三維全景校園的展示模塊、多媒體展示、學(xué)生管理模塊、教室信息管理模塊，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

（2）系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)美觀整潔的系統(tǒng)界面，會(huì)直接影響用戶對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。因此，系統(tǒng)參考多個(gè)相關(guān)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)，在傳承一些基本因素的前提下，把各個(gè)功能合理的設(shè)計(jì)在其中。其設(shè)計(jì)如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)主界面

（3）三維可視化的模塊設(shè)計(jì)

該模塊提供了三維場(chǎng)景瀏覽的基本功能，如縮放、漫游、旋轉(zhuǎn)、三維導(dǎo)航、環(huán)視等功能，二維導(dǎo)航圖、三維視圖以及360提全景圖實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，以多視角全方位的展示了校園的真實(shí)風(fēng)貌以及校園的詳細(xì)信息，360°全景照片展示校園建筑的內(nèi)部景觀，使用戶雖未踏步其中，卻有身臨其境的感覺(jué)，方便用戶瀏覽三維場(chǎng)景，三維場(chǎng)景如圖5、6、7所示。

圖5 蓮花湖水景觀三維展示

圖6 水文化長(zhǎng)廊 水文化展廳

圖7 校園全景展示

（4）校園多媒體信息的綜合展示 該模塊通過(guò)空間定位的方式把多媒體信息和校園的三維空間位置相關(guān)聯(lián)，更好的向用戶展示校園風(fēng)貌。

3.3 學(xué)生信息管理系統(tǒng)

該模塊主要是為校園管理者設(shè)計(jì)，主要有學(xué)生信息的錄入、查詢、修改的功能，學(xué)生用戶只能查看自己的信息。模塊主學(xué)生信息錄入。用戶可新建、修改、保存學(xué)生信息。戶可新學(xué)生信息查詢可對(duì)學(xué)生信息進(jìn)行查詢，并彈出對(duì)話框現(xiàn)實(shí)學(xué)生的基本信息。對(duì)學(xué)生學(xué)生課表管理 可選擇查看學(xué)生的課表的功能，系統(tǒng)自動(dòng)連接到學(xué)生的課表，管理者點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)每節(jié)課對(duì)應(yīng)的教室，系統(tǒng)的主界面將定位到對(duì)應(yīng)教室三維場(chǎng)景，在場(chǎng)景中選擇教室管理的要素識(shí)別，就可知道教室的相關(guān)信息，也可以查看實(shí)時(shí)的監(jiān)控視頻?？梢粤私庠搶W(xué)生是否在教室上課，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上對(duì)學(xué)生進(jìn)行考勤。其關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖8所示：

圖8 學(xué)生信息管理系統(tǒng)圖

3.4 教室管理系統(tǒng)

教室管理系統(tǒng)擬采用外部建筑三維模型的可視化，內(nèi)部的景觀展示采用 360 度全景數(shù)據(jù)的虛擬漫游現(xiàn)實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能主要有對(duì)系統(tǒng)的教室全景進(jìn)行瀏覽時(shí)，單擊相關(guān)要素識(shí)別，就可彈出小窗口顯示該教室的位置編號(hào)、課表、容量信息、開(kāi)放時(shí)間、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等信息，訪問(wèn)者可根據(jù)這些信息來(lái)安排自己去相關(guān)教室上課，可以選擇較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)課的教室來(lái)上自習(xí)。如圖9所示：

圖9 教室管理系統(tǒng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了展現(xiàn)水利特色的全景智慧校園系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了部分系統(tǒng)功能，但還有許多系統(tǒng)功能需要實(shí)現(xiàn)和完善。對(duì)于智慧校園的研究才剛剛開(kāi)始，智慧校園研究之路還很漫長(zhǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后可實(shí)現(xiàn)更多的校園智能化的感知環(huán)境，讓校園管理更加智能化。

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Design and research system of a 3D wisdom of the campus based on WebGIS

Min Luo
（Sichuan water conservancy vocational college， Chengdu，Sichuan，China）

Abstract：In this paper，we have expounded the design concepts of water conservancy characteristics Three-Dimensional（3D）wisdom campus system based on the Web GIS. And further present the establishment of practical，feasible design scheme to construct a water conservancy characteristic wisdom campus system. The multifunctional platform including browse，query，and analysis were formed based on the 3D campus scene，especially on the basis of water landscape scenes characteristics.This platform were fused the 3D data，terrain data，panoramic photo data and multimedia data， and through the Web GIS to release the above data together.Then the users can better understand the campus information easily and quickly.Meanwhile，the application of the internet of things technology， real-time monitoring information of the classroom can help students to choose the appropriate study area to achieve the optimal use of campus resources.

Keywords：Panoramic wisdom campus；water conservancy characteristics；WebGIS；3D visualization

基金項(xiàng)目：四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院資助項(xiàng)目（KY2015-15）

作者簡(jiǎn)介

羅敏（1981-），女，四川宜賓人，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究