基于WebGIS的三維智慧校園研究與設(shè)計

孫宇 任海鵬

摘要：當(dāng)今社會，移動網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、智能手機(jī)等信息手段飛速發(fā)展并廣泛運(yùn)用，老舊的信息化體系已然難以適應(yīng)教育學(xué)習(xí)、科學(xué)研究以及事務(wù)管理的要求，該文全方位剖析三維智慧校園系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用及成果，通過三維建模、WebGIS、GPS定位等開發(fā)手段創(chuàng)建一個多元化、數(shù)據(jù)化、智能化的虛擬校園，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)校園管理便利化、校園資源共享化。

關(guān)鍵詞：WebGIS；三維建模；GPS定位；智慧校園

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）28-0273-03

Research and Design of 3D Smart Campus Based on WebGIS

SUN Yu， REN Hai-peng

（Anhui Technical College of Mechanical and Electrical The Department of Information Engineering， Wuhu 241002，China）

Abstract：In today's society， information tools such as mobile networks， geographic information systems （GIS）， and smart phones have been rapidly developed and widely used. Old information systems have been difficult to adapt to the requirements of education， research， and business management. This paper comprehensive analyze the three-dimensional wisdom campus system and results of practical application，through a three-dimensional modeling， WebGIS， GPS positioning and other development tools to create a diversified， data-based， intelligent virtual campus， and then achieve the convenience of campus management， campus resource sharing.

Key words： WebGIS； 3D modeling； GPS localization； intelligent campus

隨著高等院校學(xué)生數(shù)量的不斷增長，許多高等學(xué)校也逐漸開始擴(kuò)增至兩個、三個甚至是四個校區(qū)。為了跟上招生宣傳、科學(xué)研究、教育學(xué)習(xí)的步伐，運(yùn)用最新的信息手段創(chuàng)建一個集校區(qū)導(dǎo)向、新生傳播、園區(qū)展覽、校園事務(wù)處置為一體的三維智慧校園，這一目標(biāo)已然被各大高等院校當(dāng)作奮斗目標(biāo)和科研新寵，將對高等院校的教書育人、科學(xué)研究、行政事務(wù)的發(fā)展給予極大的幫助。WebGIS是一種利用互聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)、多媒體信息技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)服務(wù)軟件，該軟件能夠?yàn)槿S智慧校園建設(shè)提供應(yīng)用服務(wù)平臺，針對教室、圖書館、食堂、宿舍、科研大樓、學(xué)習(xí)園地等校園方位空間資源進(jìn)行收集、存儲、查詢、建構(gòu)模型、剖析和對外傳輸，為三維智慧校園的其他應(yīng)用提供全面地域信息數(shù)據(jù)幫助，選擇清楚便利的方式展現(xiàn)地域信息數(shù)據(jù)優(yōu)勢，有利于校區(qū)的合理創(chuàng)建以及校區(qū)資源的合理配置，為教學(xué)、科研和管理提供便利[1]。

1 三維智慧校園系統(tǒng)功能分析

學(xué)校是一個涉及多個范疇的地區(qū)，人、財、物一直都在持續(xù)地更新，囊括了大量的數(shù)據(jù)資源 [2]。當(dāng)今時代，各大高校為了跟上時代更新的步伐，開始步入了變革的攻堅克難階段，大批量置辦辦公用品、授課儀器和科學(xué)研究的相關(guān)裝備，擴(kuò)建了校區(qū)的占地面積，這些都對校區(qū)管理產(chǎn)生極大的困難，目前校區(qū)管理存在的困難主要有下列幾點(diǎn)：

（1）校區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程進(jìn)展迅速，校區(qū)環(huán)境日新月異，校區(qū)覆蓋用地、建筑物裝飾的不斷擴(kuò)充也給學(xué)生及外來“游客”帶來了觀光困難等困擾。

（2）校園里的教學(xué)樓、圖書室、科研館、學(xué)生公寓等建筑物長期采用圖文結(jié)合的展覽形式，這種靜態(tài)地描述無法達(dá)到逼真、形象、直接地吸引參觀者的效果。

（3）對于師生、財產(chǎn)、設(shè)備物品等相關(guān)信息的處理仍停留在單一使用階段，選擇的管理處置手段通常是老舊的MIS信息管理方法，結(jié)果限制于人、事、物固有屬性信息層面而無法上升到其空間特性，表現(xiàn)內(nèi)容及形式非常單一。

因此，伴隨移動網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、智能移動終端等手段的廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，為了能夠合理改善以上難點(diǎn)，該文提出運(yùn)用新興的三維模型建構(gòu)、WebGIS、GPS定位等手段創(chuàng)立一個立體化、信息化、智能化的虛擬校區(qū)，使校園服務(wù)和資源共享更加靈活便利。校園主要功能如圖1所示。

三維智慧校園的最大優(yōu)勢在于涵蓋了位置導(dǎo)向功能、教室布局功能、學(xué)生公寓布局功能、閱覽室查詢功能、食堂分散布局功能、日常設(shè)備安裝功能，這些功能的研究確立運(yùn)用了GIS地圖資源、GPS信息和空間模型數(shù)據(jù)[3]。每一個功能的詳細(xì)描述如下：

（1）定位導(dǎo)航服務(wù)。老師、同學(xué)等校內(nèi)職工或校外來客可以通過進(jìn)入三維智慧校園網(wǎng)站，然后點(diǎn)擊定位導(dǎo)向功能，進(jìn)而了解自己目前所在的方位、需要前往的目標(biāo)方位，構(gòu)成一整套智能導(dǎo)向系統(tǒng)。位置導(dǎo)向可以搜索校園的每條路徑、泊車區(qū)、教師辦公大樓、ATM機(jī)器、游泳館等場所，為校園的服務(wù)提供了極大的便利。

（2）教室布局服務(wù)。教室結(jié)構(gòu)布局可以選擇三維立體模型的構(gòu)造方式，搜索每一個教室的方位、人員占用情況等信息，為老師實(shí)時了解上課教室方位、占用、情況等提供了極大的便利。

（3）宿舍分布服務(wù)。新生入校簽到結(jié)束后，后勤宿管人員為每位新生安排房間，宿舍分布功能可以有效協(xié)助內(nèi)勤查找觀看房間的入住情況，新生也可以根據(jù)所在學(xué)院專業(yè)等搜索上課教室的方位和使用情況。

（4）圖書館導(dǎo)航服務(wù)。圖書館是三維智慧校園的主要職能之一，里面收藏的書籍種類繁雜，一般分成理化類、工科類、文史類、外語類，同時設(shè)置了許多可供學(xué)生上自習(xí)的教室，包括樓上樓下等內(nèi)容，因此三維導(dǎo)航服務(wù)還可以幫助學(xué)生了解圖書館的開放關(guān)閉時間、管內(nèi)書種、是否借用等。

（5）食堂分布服務(wù)。食堂布局可以選擇三維構(gòu)造模式，搜索每一個食堂的方位、人員現(xiàn)狀等信息，為老師和學(xué)生快速了解食堂方位、放飯與否提供便利。食堂分布服務(wù)安裝了許多的攝像裝置，這些裝置可以進(jìn)行信息加工和處理，具有重要的作用和意義。

（6）日常設(shè)施分布服務(wù)。學(xué)校是一個微社會，關(guān)系到學(xué)生日常的許多層面，比如銀行業(yè)務(wù)、超市購物、浴室、體育館、話費(fèi)充值等情況，便于教師、學(xué)生生活。日常生活設(shè)備分布雖然不是學(xué)校的重點(diǎn)，但是這些場所分布較散亂，并且常常幾個設(shè)備聚集一棟大樓中，因此系統(tǒng)在研制過程中要求準(zhǔn)確的建模和數(shù)據(jù)計算，以便很好地展現(xiàn)在WebGIS中，利于老師、學(xué)生和其他使用者搜索和運(yùn)用。

三維智慧校園服務(wù)系統(tǒng)中，其最根本的信息功能有地圖數(shù)據(jù)服務(wù)、空間模型數(shù)據(jù)服務(wù)和GIS應(yīng)用服務(wù)。地圖數(shù)據(jù)服務(wù)通過與經(jīng)緯度相結(jié)合，同時錄入校園的每一條路徑，進(jìn)而為使用者提供位置坐標(biāo)，該服務(wù)是遵循OGC開放規(guī)則研發(fā)而成的WMS和WFS-T服務(wù)器，并且可以將地圖信息作為maps/images最終發(fā)布WEB應(yīng)用服務(wù)?？臻g模型信息服務(wù)可以根據(jù)校園的路徑、建筑物造型等，運(yùn)用高清晰錄像機(jī)進(jìn)行攝影，然后經(jīng)過3DSMAX等手段進(jìn)行模型建構(gòu)，對空間模型信息進(jìn)行歸類，實(shí)現(xiàn)空間模型數(shù)據(jù)的柵格、網(wǎng)絡(luò)、影像、拓?fù)洹⑹噶?、網(wǎng)格化管理，也可以集中分析空間信息內(nèi)容。GIS應(yīng)用服務(wù)體系可以為使用者構(gòu)建整套的集成體系，完成地圖數(shù)據(jù)采集，涵蓋了地圖信息的擴(kuò)大、收縮、漫游、呈現(xiàn)、分析、策略功能，并且具備地圖信息的打印功能，為各自類別的運(yùn)用服務(wù)提供一整套API端口。

2 WebGIS在三維智慧校園系統(tǒng)中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)是多媒體技術(shù)在空間數(shù)據(jù)處理中的一種應(yīng)用模式，也是空間地理對多媒體信息應(yīng)用的新展示[4]。Web GIS的誕生與發(fā)展是GIS技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)發(fā)展到一定時期的產(chǎn)物，也是GIS與當(dāng)前Internet集成的結(jié)果。WebGIS作為一個功能強(qiáng)大的地圖服務(wù)平臺，其集成了傳統(tǒng)的地圖服務(wù)器、Servlet、JSP和ASP .NET等手段，在三維智慧校園系統(tǒng)中開發(fā)與實(shí)現(xiàn)過程中，WebGIS的重要手段包括空間地圖數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮、在線閱讀和散落式WebGIS信息庫管理[5]。

（1）GIS空間地圖數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮。三維智慧校園體系開發(fā)時，由于WebGIS需要存儲大量的數(shù)據(jù)內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)涉及大量的GIS空間地圖數(shù)據(jù)，因此如何實(shí)現(xiàn)一個高質(zhì)量的信息集成手段非常關(guān)鍵。三維智慧校園系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程中，本文采用小波理論，其可以在短時間內(nèi)提取地圖的相關(guān)特征，利用時序圖像之間的相關(guān)性，從時間上、空間上壓縮地圖信息，這樣就可以保證GIS空間地圖數(shù)據(jù)的完整性和清晰度，同時也可以更好地將這些地圖數(shù)據(jù)與學(xué)校的建筑模型進(jìn)行結(jié)合，擯棄實(shí)現(xiàn)影響數(shù)據(jù)庫無縫漫游、網(wǎng)上數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)通信傳播，便于人們在不浪費(fèi)流量的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮[6]。

（2）基于WAP的Web瀏覽技術(shù)。目前，三維智慧校園系統(tǒng)主要運(yùn)行于個人的iPad、智能手機(jī)等移動設(shè)備上，因?yàn)檫@些設(shè)備攜帶了GPS定位器，可以實(shí)時的定位到GIS中的某一個位置。因此，基于WAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)WebGIS瀏覽過程中需要解決無線網(wǎng)傳輸信息穩(wěn)定性低、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全性較低的問題，本文三維智慧校園系統(tǒng)研究過程中采用的模式是安裝一個APP，這個應(yīng)用程序可以預(yù)先幫助校園學(xué)生和教師用戶下載GIS地圖和學(xué)校建筑物模型，如果用戶登錄系統(tǒng)進(jìn)行定位圖書館、體育館或餐廳時，系統(tǒng)自動加載GIS地圖和模型，同時將用戶的位置信息發(fā)送給系統(tǒng)，實(shí)時的展現(xiàn)人的位置信息[7]。

（3）分布式Web GIS數(shù)據(jù)庫管理。目前，WebGIS信息庫管理方法很多，比如對象信息庫、空間資源庫等，這些資源庫可以實(shí)現(xiàn)三維地圖信息、建筑模型信息；數(shù)據(jù)庫訪問手段也很多，包括CGI方式、Web服務(wù)器方式等，同時使用API方式、JDBC方式、Object Web方式等四種方法實(shí)現(xiàn)信息處理和功能。Object Web是一項(xiàng)分散式的訪問手段，其同意用戶利用客戶機(jī)直接調(diào)用服務(wù)器，產(chǎn)生的費(fèi)用非常小，減少了CGI技術(shù)，可以形成一個強(qiáng)大的訪問瓶頸，這兩種方式都獨(dú)立于語言，也都是組件式的操作模式。另外，分散式管理體系在實(shí)現(xiàn)存儲功能時，為了能夠更好地完成整體的操作和處理，還可以采用ESB方式和SOA方式，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個面向服務(wù)的異構(gòu)系統(tǒng)通信架構(gòu)，保證三維智慧校園系統(tǒng)在Android系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)或Mac系統(tǒng)上運(yùn)行[8]。

（4）Java程序語言。三維智慧校園系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要將這些GIS、GPS等編程實(shí)現(xiàn)出來，可以將其發(fā)布于Web服務(wù)器，供用戶通過三維智慧校園系統(tǒng)進(jìn)行使用。Java程序采用了面向?qū)ο箝_發(fā)思想，能夠?qū)⒖臻g地理對象和三維建筑模型對象集成到數(shù)據(jù)庫中，并且與當(dāng)前流行的Eclipse集成開發(fā)平臺一起設(shè)計，改進(jìn)了信息庫的訪問和操作。

3 結(jié)束語

隨著校園信息化的快速發(fā)展和進(jìn)步，傳統(tǒng)信息化模式也在不斷的革新，本文提出了一種基于WebGIS的三維智慧校園系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)eb服務(wù)技術(shù)、GIS技術(shù)、智能手機(jī)、GPS技術(shù)等集成在一起，引入地理空間信息數(shù)據(jù)，利用構(gòu)建三維的建筑物模型，為學(xué)校應(yīng)用提供了一套完善的虛擬化校園體系，該體系能夠?qū)崟r的顯示教室、圖書館、餐廳、體育館等常用建筑的地理位置及使用狀況。三維智慧校園系統(tǒng)擴(kuò)展了地理信息系統(tǒng)的使用范疇，將空間地圖數(shù)據(jù)與三維建筑模型集成在一起，具有重要的作用和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于海霞， 梁妍， 李鈺. Webgis技術(shù)在高校三維智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用研究[J]. 黑龍江科學(xué)， 2016， 7（19）：46-47.

[2] 羅敏. 基于WebGIS的水利特色全景智慧校園系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 電子測試， 2016（12）：19-22.

[3] 吳風(fēng)華， 張亞寧. 應(yīng)用WebGIS設(shè)計與實(shí)現(xiàn)二三維一體化系統(tǒng)[J]. 測繪通報， 2014（7）：125-127.

[4] 盧凌雯， 梁棟棟. 基于WebGIS三維數(shù)字校園設(shè)計與實(shí)現(xiàn)——以安徽師范大學(xué)為例[J]. 電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流， 2016， 12（5）：238-239.

[5] 張超. 移動互聯(lián)網(wǎng)在智慧校園服務(wù)平臺中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報， 2015（29）：233-234.

[6] 盧洪剛， 李紅清， 劉善偉. 基于GIS的校園地下管線管理系統(tǒng)研究[J]. 測繪與空間地理信息， 2015（5）：145-147.

[7] 關(guān)穎， 朱翊， 李汝雯，等. 基于GIS的區(qū)域經(jīng)濟(jì)空間差異分析系統(tǒng)[J]. 地理信息世界， 2014（3）：54-58.

[8] 張曉楠， 任志國， 曹一冰. 空間分析模型與GIS無縫集成研究[J]. 地理空間信息， 2014， 12（2）：156-158.

【通聯(lián)編輯：光文玲】