基于WebGIS的三維智慧校園系統(tǒng)架構研究

王鳳領　梁海英　何順　胡元闖　孫全亮　趙方珍

摘要：隨著信息技術，云計算，物聯(lián)網(wǎng)，GIS等技術的不斷完善，互聯(lián)網(wǎng)覆蓋和網(wǎng)絡速度的快速發(fā)展，使得智慧校園信息化建設成為必然趨勢和重要目標。本文首先介紹了智慧校園、WebGIS、三維可視化，物聯(lián)網(wǎng)，360全景等技術，提出建立融合多數(shù)據(jù)的智慧校園系統(tǒng)，通過ArcGIS Server數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，使用ArcGIS Server.Net Web ADF組件庫實現(xiàn)Web端的三維數(shù)據(jù)顯示，并設計了系統(tǒng)的整體結構，把GIS的空間優(yōu)勢和智能化校園結合實現(xiàn)三維智慧校園的開發(fā)提供整體思路，為實現(xiàn)功能提供參考。

關鍵詞：智慧校園；Web GIS；三維可視化；物聯(lián)網(wǎng)；360度全景

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：

0.引言

隨著云計算，物聯(lián)網(wǎng)和GIS的快速發(fā)展，越來越多的應用選擇設定這些技術為用戶服務。網(wǎng)絡應用是軟件即服務時代的前提。該領域的應用非常廣泛，特別是現(xiàn)在的街景服務，已然成為制造商發(fā)展的重點。真正的三維顯示具有數(shù)據(jù)量大，建模過程繁雜，更新數(shù)據(jù)也并不方便發(fā)達等缺點，如何改進完善這些缺點，是當前研究分析的關鍵。在核心的計算機技術未獲突破進步的前提下，而現(xiàn)在追求三維整合的街道和真實，更多的是兩者優(yōu)勢的銜接互補。使用模型顯示三維場景，使用全景數(shù)據(jù)顯示一些細節(jié)和內(nèi)部場景，以這種方式避免弱點，完美結合。

1相關技術定義

1.1智慧校園的概述

智慧校園是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，建立各種應用服務體系作為智能教學、學習、生活環(huán)境之一。智慧校園是一個開放、智能、協(xié)作、創(chuàng)新的綜合信息服務平臺。主要是指利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、虛擬化、社交網(wǎng)絡等現(xiàn)代信息技術改變師生學校和校園資源的整合發(fā)布方式，學校教學，管理，研究與校園資源之間的相互作用，應用系統(tǒng)高度集成，提高校園信息交互應用的靈活性、準確性和響應速度，使人們能夠快速準確地獲得所需的信息，從而實現(xiàn)校園學習、生活、工作、服務和管理智能數(shù)字新型校園模式。

通過對校園智慧建設的現(xiàn)實高新研究，為此重點總結提出建設智慧校園應該考慮到如下設計特點：

1）豐富的數(shù)據(jù)。智慧校園系統(tǒng)不僅可以存儲大量的教師信息、學生信息、校園資源信息，而且還可以存儲各種數(shù)據(jù)格式，包括文本數(shù)據(jù)、圖像、視頻和一些空間地理數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的完全融合展現(xiàn)了校園中的所有信息，給用戶提供了智能先進虛擬現(xiàn)實的感覺，增強用戶的互動感，因而制造了身臨其境的豐富用戶體驗。

2）物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知。智慧校園的建設，應該強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，通過對校園環(huán)境的感知，獲得學校資源和設備應用信息。信息可以做到實時存儲，以便稍后可以運用信息展開分析。如：手機狀態(tài)系統(tǒng)，通過手機網(wǎng)絡，實現(xiàn)用戶位置信息的共享；監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控設備聯(lián)網(wǎng)，視頻訪問教室是否占用信息。

3）網(wǎng)絡技術應用。

現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的應用，物聯(lián)網(wǎng)可以感知信息、教學資源、教學設備、信息共享通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)在線教學，學生可以觀看在線視頻學習課程感興趣的學習。了解課堂使用，制定科學的學習計劃[1]。

4）開放式環(huán)境。

智慧校園的建設使學生不僅可以在課堂上學習，還可以在課堂上即可進入從校園到開放環(huán)境中學習的情節(jié)設置，探討交流教學內(nèi)容，相互學習，為學生營造更為廣闊的學習空間。

1.2 WebGIS的概述

1.2.1 Web GIS 簡介

WebGIS（Internet地理信息系統(tǒng)）是Web和GIS的組合，換句話說是在互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)上運行。隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，現(xiàn)在越來越多的應用都開始支持網(wǎng)頁瀏覽，網(wǎng)絡操作。隨著地理信息系統(tǒng)的需求不斷增加，使用互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡上發(fā)布和查看空間數(shù)據(jù)，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析以及交互功能即已成為主流設計常態(tài)。GIS現(xiàn)已成為一個新式操作平臺，WebGIS是GIS軟件開發(fā)的必然趨勢[2]。

1.2.2 WebGIS的原理

WebGIS通常由3部分組成，各部分的共那個配置實現(xiàn)可給出如下描述：

1）Web瀏覽器。用戶可以提交GIS服務請求，訪問分布在互聯(lián)網(wǎng)上的各種地理信息；

2）Web服務器。作為用戶和GIS服務器之間的連接設計，接收用戶提交的HTTP請求，并將請求中包含的信息提交給GIS應用服務器；

3）GIS服務器。提交處理的信息，根據(jù)用戶請求操作GIS數(shù)據(jù)庫，向用戶提供GIS服務，返回適當?shù)慕Y果并傳播到Web服務器，然后通過Web服務器到客戶端瀏覽器，用戶和GIS服務器動態(tài)交互。

這種雙方的結合，促進了GIS互動操作的發(fā)展和感覺上的強勢呈現(xiàn)。用戶可以在客戶端上瀏覽系統(tǒng)以將地理數(shù)據(jù)發(fā)布到服務器，同時還可以發(fā)送數(shù)據(jù)查詢、空間分析、專題圖生成和其他請求。服務器響應這些請求并將結果傳遞給客戶端后，用戶可以在客戶端的瀏覽器上查閱目標尋求 結果。如圖1所示，WebGIS的工作原理。

1.2.3 WebGIS 技術的優(yōu)勢

1）跨平臺特性。由于用戶的客戶端使用普通的Web瀏覽器作為客戶端軟件，使得所有用戶都可以通過Internet高效地訪問GIS數(shù)據(jù)，顯著提升了系統(tǒng)部署和操作的方便快捷。

2）網(wǎng)絡應用。GIS數(shù)據(jù)是聯(lián)網(wǎng)的，只要有網(wǎng)絡用戶可以隨時訪問GIS數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)地圖服務縮放、查詢檢索、映射等數(shù)據(jù)操作。

3）方便廉價的GIS?，F(xiàn)在，WebGIS通過使用客戶端上的公共瀏覽器來展示提供僅與映射相關的一系列操作，從而大大降低了構建和使用系統(tǒng)的成本，使GIS在使用上進入了普通大眾范圍。

4）強大的可擴展性。

隨著通信終端向多媒體和移動的發(fā)展，智能手機，平板電腦等智能手持設備將成為WebGIS客戶端，WebGIS是非常容易和無縫集成的其他信息服務在Web，WAP服務器和WebGIS服務器將是集成的[3]。

1.3 ArcGIS Server

ArcGIS（ESRI的產(chǎn)品）、Autodesk Map Guide（Autodesk的產(chǎn)品）、Supermap IS（Supermap的產(chǎn)品）、Map GIS 、Geo Server Map Info Prefessional（Map Info Corporation的產(chǎn)品）是目前市場上常見的GIS服務器。本文主要介紹ArcGIS Server。

ArcGIS Server支持矢量數(shù)據(jù)，刪除網(wǎng)格數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)；支持各種數(shù)據(jù)庫，如Oracle，Postgre SQL；支持基于組件的Web系統(tǒng)開發(fā)，減少開發(fā)難度；支持Arc SDE空間數(shù)據(jù)引擎，空間數(shù)據(jù)存儲管理；支持.NET和Flxe Web應用程序開發(fā)框架為當前市場的Web開發(fā)需求。

1.4 三維可視化

可視化（Visualization）是利用計算機圖形和圖像處理技術，將數(shù)據(jù)轉換為顯示在屏幕上的圖形或圖像，以及交互式處理的實用方法和技術所最終達到的終端界面效果。GIS可視化技術是由技術生成的可視化和地理信息數(shù)據(jù)的組合。使用計算機硬件和軟件技術，地理信息數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)交互、分析處理和圖形表示。DEM和DOM的組合可以實時顯示三維地形。對于這些數(shù)據(jù)的綜合應用，即可建立三維地形數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)無法達到真正的三維標準，但也為GIS可視化帶來了巨大進展。追求真正的三維可視化是GIS發(fā)展的趨勢，將給用戶生成一種全新的虛擬，身臨其境，生動交互感的仿真感覺[4]。

1.5室內(nèi)360度全景

全景（Panorama），也可稱為三維真實場景，是一種新興的多媒體技術，其與視頻、聲音、圖片等傳統(tǒng)流媒體，最大的區(qū)別就表現(xiàn)在“可操作和互動”[5]。現(xiàn)在通過街道視圖的數(shù)據(jù)，用戶可以訪問旅游景點，也可以從預期需要的內(nèi)容搜索圖片，如一些酒店，娛樂。而街道漫游技術實現(xiàn)虛擬立體的效果，使用戶或者真實沉浸感。廣角攝像機鏡頭，但允許用戶在各個方向瀏覽景觀沒有死角?，F(xiàn)在應用街頭拍攝車，數(shù)據(jù)采集方便，所以成本低，快速現(xiàn)場采集，街道數(shù)據(jù)更新和維護周期縮短，實時數(shù)據(jù)更強，未來地圖的發(fā)展是地圖服務的潮流主導方向。

2系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

該系統(tǒng)設計用于顯示具有三維模型、二維矢量數(shù)據(jù)、光柵數(shù)據(jù)等的三維場景，并且顯示具有360度全景數(shù)據(jù)的虛擬三維場景，但是還展示豐富的多媒體數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)多樣化的數(shù)據(jù)整合，并進一步創(chuàng)建有機組合的顯示，既是系統(tǒng)設計的難點，也是一個亮點。此時，就需要用到XML技術。

2.1 XML技術的聯(lián)動機制實現(xiàn)

XML是可擴展標記語言，主要用于研發(fā)支持各種數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)的設計，因為其可以用來標記空間的地理位置，不僅語言結構 嚴密合理，而且用代碼檢索也可堪稱容易，由此系統(tǒng)即選用其來處理解決多個數(shù)據(jù)的集成，空間地理位置和空間位置與空間位置和相關的屬性信息也可以關聯(lián)，實現(xiàn)屬性地圖的位置到查詢，實現(xiàn)地圖和地圖的交互[6]。如圖2所示就給出了多數(shù)據(jù)融合的框架展示。由圖2可知，該技術的重點優(yōu)化設計可作如下的論述闡析。

2.1.1 2個三維聯(lián)動

通過DRG和DLG空間匹配產(chǎn)生的二維導航地圖可以使用戶知道三維場景中視點的位置，提高系統(tǒng)的交互性，增強用戶的沉浸感。利ArcGIS Server提供的Overview Map控件，能夠監(jiān)測主窗體的地圖位置改變，創(chuàng)意定制了Hawkeye的功能。但需要使用數(shù)據(jù)在生產(chǎn)統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)，并確保數(shù)據(jù)彼此匹配[7]。

2.3.2 地理數(shù)據(jù)和全景數(shù)據(jù)的聯(lián)系

全景數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)相結合，不僅可給全景照片標記推送位置，還可使用戶體驗其真正的效果。這種鏈接的基本思想是將鷹眼的功能與全景數(shù)據(jù)相結合，在鷹眼圖上標注全景數(shù)據(jù)站點，然后將其注釋為XML文件。系統(tǒng)監(jiān)控事件機制實現(xiàn)相互聯(lián)系[8]，具體運作原理如圖3所示。事件的監(jiān)控可分為兩種類型。一種是操作的事件監(jiān)聽，當用戶點擊與鼠標或鍵盤操作的事件，系統(tǒng)會監(jiān)聽事件，不做出響應，此時系統(tǒng)主要用于下一站與全景數(shù)據(jù)或熱點相關的其他相關操作上；另一種是實時監(jiān)控，只要監(jiān)控對象的視角變化即會進行監(jiān)控和響應，該系統(tǒng)主要用于設計導航地圖。

2.2.3 多媒體數(shù)據(jù)的關聯(lián)

通過使用XML的地理標記的優(yōu)點，將坐標與相應的圖片、文本、視頻等相關聯(lián)，并且在全景數(shù)據(jù)中設計熱點，此時將會通過超鏈接引導至到多媒體數(shù)據(jù)上。

2.2 三維展示的優(yōu)化處理

本次研究系統(tǒng)的實現(xiàn)關鍵是顯示三維場景，雖然具有全景數(shù)據(jù)而不是大量三維模型的內(nèi)部結構減少了數(shù)據(jù)量。但是如果要實現(xiàn)系統(tǒng)在頁面顯示的過程中，必須要重點分析數(shù)據(jù)處理。從數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示等方面開展了優(yōu)化，具體如下。

2.2.1 三維模型的優(yōu)化

若要切實呈現(xiàn)過程從生產(chǎn)模式開始的設計效果，盡量注意縮小量。數(shù)據(jù)的尺寸模型太大會影響系統(tǒng)的整體性能，三維數(shù)據(jù)的顯示尤其需要密集內(nèi)存，而且由于網(wǎng)絡傳輸速度也將限制模型的平滑顯示，因此三維模型優(yōu)化就是要盡量減少模型的大小?？梢允褂媚Ｐ筒鸱郑谙到y(tǒng)的顯示中，隱藏在數(shù)據(jù)的視野中，減少數(shù)據(jù)加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量[9]。

2.2.2 客戶端緩存機制

緩存用于避免頻繁訪問數(shù)據(jù)庫或磁盤文件數(shù)據(jù)，從而建立快速臨時內(nèi)存。根據(jù)不同的存儲介質(zhì)，緩存可以分為3類：內(nèi)存緩存、文件緩存和內(nèi)存文件緩存。其中，內(nèi)存緩存是常見、且為人熟知的緩存，計算機讀取的數(shù)據(jù)必須先將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，然后進行數(shù)據(jù)分析，處理和計算。而文件緩存則是應用于B/S系統(tǒng)，當用戶瀏覽數(shù)據(jù)時刻將其臨時存儲在客戶端的硬盤上，此后若再次用戶重新瀏覽時，系統(tǒng)即將從本地讀取數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)傳輸過程[10]。緩存的流程結構如圖4所示，此處以圖片的訪問為例。

數(shù)據(jù)的系統(tǒng)研發(fā)中設計對建筑物的每個模型都設置了一個文件，分別采取一定的處理，使得系統(tǒng)可以逐步阻止加載模型的過程，以減少計算機的存儲器壓力。同時在系統(tǒng)通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)還可以瀏覽模型下載到本地，下次只要從本地加載瀏覽即可。ArcGIS Server支持三維數(shù)據(jù)的緩存。它可以通過Arc Catalog和Arc Tool Box緩存地圖，也可以使用腳本命令行在網(wǎng)絡客戶端上實現(xiàn)緩存。還可以使用Arc Engine API提供獲得此類映射高速緩存服務[11]。

3系統(tǒng)的整體架構

本系統(tǒng)使用B/S架構。系統(tǒng)使用空間數(shù)據(jù)庫Postgre SQL來存儲地理數(shù)據(jù)和屬性表結構。同時，其中使用ArcGIS Server發(fā)布地圖數(shù)據(jù)并實現(xiàn)客戶端和服務器之間的連接。系統(tǒng)的整體框架分為應用層，服務層，數(shù)據(jù)層，如圖5所示。在此，針對各分層的應用開發(fā)過程可詳述如下。

3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的基礎，是系統(tǒng)設計的核心。系統(tǒng)設計有2種方式：數(shù)據(jù)庫和文件存儲。地理空間數(shù)據(jù)存儲在Postgre SQL中，而且利用了Arc SDE的小型關系數(shù)據(jù)庫?；诖耍瑒t可在關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中存儲、管理、查詢和檢索空間數(shù)據(jù)。而對于全景照片，多媒體數(shù)據(jù)，文本數(shù)據(jù)等屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用文件管理存儲方式，數(shù)據(jù)庫只存儲相應的路徑信息。這種設計可以減少數(shù)據(jù)庫占用的計算機資源，還便于數(shù)據(jù)調(diào)用和管理。

3.2 服務層

服務層主要包括地圖服務，查詢服務，空間位置等。系統(tǒng)通過Arc GIS和IIS發(fā)布地理空間數(shù)據(jù)。用戶操作系統(tǒng)平臺利用網(wǎng)絡客戶端的SDE配設的應用編程接口向SDE服務器發(fā)出空間數(shù)據(jù)的查詢。SDE服務器向Postgre SQL數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求并完成數(shù)據(jù)搜索。搜索結果將通過網(wǎng)絡客戶端應用程序返回給用戶。支持多用戶訪問，并建立了客戶端和服務器數(shù)據(jù)交換模式。通過應用Arc GIS Server提供的界面，可以實現(xiàn)應用層的功能[12]。

3.3 應用層

應用層包括地圖瀏覽、屬性查詢、校園漫游、課堂管理、空間查詢、圖書館管理等功能，用戶通過這些功能的應用實現(xiàn)人機交互。

結束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的進一步發(fā)展，必將推動環(huán)境智能感知環(huán)境，校園設施網(wǎng)絡化的答復進步。未來的智慧校園則將是最新高科技集成環(huán)繞的效果狀態(tài)，比如：可以自動識別學生的心理狀態(tài)感知設備，通過指紋識別考勤系統(tǒng)，可以為學生提供情境課程規(guī)劃等。從時下的三維顯示到全息攝影的發(fā)展，再到真正的三維攝像為學生教學提供全面、優(yōu)質(zhì)服務，總之，這些還需要后續(xù)加大力度的研究拓展才能獲得成功實現(xiàn)。

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作者簡介：

姓名：王鳳領 WANG Feng-ling 出生年月：1976年11月 性別：男 籍貫：山東省金鄉(xiāng)縣人

工作單位：賀州學院

研究方向：WebGIS應用，數(shù)據(jù)挖掘 職稱：教授 學位：碩士

地址：廣西賀州市西環(huán)路18號賀州學院計算機科學與信息工程學院

郵編：542899

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