基于GIS的智慧校園時(shí)空信息云平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

孫心怡 張華

摘? ?要：時(shí)空信息云平臺(tái)在智慧校園的整體規(guī)劃和建設(shè)中發(fā)揮基礎(chǔ)支撐作用，文章描述了平臺(tái)基本的建設(shè)思路，包括時(shí)空數(shù)據(jù)收集、處理、存儲(chǔ)并形成標(biāo)準(zhǔn)化管理的方式，平臺(tái)包含的數(shù)據(jù)服務(wù)、二次開(kāi)發(fā)服務(wù)、認(rèn)證服務(wù)、運(yùn)維監(jiān)控四個(gè)功能模塊的構(gòu)建方式，最后通過(guò)三個(gè)校內(nèi)典型的應(yīng)用來(lái)說(shuō)明平臺(tái)在智慧校園的應(yīng)用建設(shè)中發(fā)揮的驅(qū)動(dòng)和支撐性作用。

關(guān)鍵詞：時(shí)空信息云平臺(tái);智慧校園;時(shí)空數(shù)據(jù);公共平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP393.07 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2020）01-0061-04

一、引言

自2008年“智慧地球”的理念被提出以后，國(guó)內(nèi)學(xué)者陸續(xù)提出了“智慧校園”的概念和建設(shè)思路，智慧校園的建設(shè)能夠充分發(fā)揮校內(nèi)各種信息的價(jià)值，為師生日常學(xué)習(xí)、工作和生活需要提供人本化、便捷性的信息化服務(wù)。[1]在智慧校園的建設(shè)中引入GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，構(gòu)建時(shí)空信息云平臺(tái)，可以使學(xué)校的各項(xiàng)工作更好地與校園時(shí)空信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的管理和精準(zhǔn)化的服務(wù)。

二、時(shí)空信息云平臺(tái)的內(nèi)涵

智慧校園時(shí)空信息云平臺(tái)是基于GIS技術(shù)對(duì)校內(nèi)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、部門專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、學(xué)校相關(guān)網(wǎng)頁(yè)抓取數(shù)據(jù)等進(jìn)行獲取、存儲(chǔ)、處理、集成、共享及挖掘分析，并提供泛在服務(wù)的校園公共平臺(tái)。[2]智慧校園的總體架構(gòu)如圖1所示，分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、公共平臺(tái)層、應(yīng)用服務(wù)層、終端用戶和信息安全體系等。

基礎(chǔ)設(shè)施層通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取校園內(nèi)攝像頭、傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、定位系統(tǒng)等硬件設(shè)備的感知數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在校內(nèi)構(gòu)建校園網(wǎng)絡(luò)，為感知數(shù)據(jù)提供全覆蓋的傳輸服務(wù)，為師生提供互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)，為應(yīng)用系統(tǒng)提供接入服務(wù)。[3]數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)了智慧校園建設(shè)中積累的海量數(shù)據(jù)，包括教師數(shù)據(jù)、學(xué)生數(shù)據(jù)、科研數(shù)據(jù)、教學(xué)數(shù)據(jù)、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)，為平臺(tái)及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，為數(shù)據(jù)分析與挖掘提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。公共平臺(tái)層將常用的功能提煉為公共服務(wù)接口供校內(nèi)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用，減少新系統(tǒng)在建設(shè)中的開(kāi)發(fā)量，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口管理及迭代升級(jí)。應(yīng)用服務(wù)層，業(yè)務(wù)部門圍繞高校人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、社會(huì)服務(wù)、文化傳承與創(chuàng)新的職能，基于公共平臺(tái)的接口組件建設(shè)各類應(yīng)用系統(tǒng)，為校內(nèi)師生的學(xué)習(xí)生活提供個(gè)性化的服務(wù)。最終，用戶通過(guò)電腦、手機(jī)、平板、自助打印機(jī)、自助圈存機(jī)等終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用服務(wù)的交互，提高工作學(xué)習(xí)的效率，享受校園生活的便利。整個(gè)智慧校園的建設(shè)都應(yīng)參照學(xué)校的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及保障體系，確保校園的物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、應(yīng)用安全及數(shù)據(jù)安全。[4]

在智慧校園的框架中，時(shí)空信息云平臺(tái)屬于公共平臺(tái)層，在智慧校園的整體規(guī)劃和建設(shè)中發(fā)揮基礎(chǔ)支撐作用，與身份認(rèn)證授權(quán)平臺(tái)、統(tǒng)一消息中心、支付聚合平臺(tái)等其他公共平臺(tái)一起，作為智慧校園中體現(xiàn)云計(jì)算與服務(wù)能力的核心層，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口的形式為校內(nèi)師生使用的各類應(yīng)用提供驅(qū)動(dòng)和支撐。而蘊(yùn)涵在數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)，本身可以反映校內(nèi)的地形地貌，同時(shí)也可作為師生、科研、教學(xué)、資產(chǎn)、感知等數(shù)據(jù)時(shí)空化的基礎(chǔ)，與其他數(shù)據(jù)共同為時(shí)空信息云平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。

三、時(shí)空數(shù)據(jù)處理

在校園范圍內(nèi)的時(shí)空數(shù)據(jù)包含了校內(nèi)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、部門專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、學(xué)校相關(guān)網(wǎng)頁(yè)抓取數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)需要通過(guò)一定的方式轉(zhuǎn)化和處理，才能被云平臺(tái)及其他應(yīng)用所使用，處理的過(guò)程如圖2所示，分為數(shù)據(jù)收集、空間處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)管理四個(gè)步驟。

1.數(shù)據(jù)收集

在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)主要來(lái)源于專業(yè)的測(cè)繪工作，通過(guò)矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等描繪了校內(nèi)的地形、道路、橋梁、植被、建筑物等信息，可作為其他數(shù)據(jù)空間化時(shí)的地理底圖。部門專題數(shù)據(jù)來(lái)源于各個(gè)業(yè)務(wù)部門在工作中用到的數(shù)據(jù)，如教學(xué)教務(wù)數(shù)據(jù)、住宿數(shù)據(jù)、餐飲數(shù)據(jù)、設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)等。物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)來(lái)源于校內(nèi)的溫濕度傳感器、紅外報(bào)警器、攝像頭等設(shè)備實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。學(xué)校相關(guān)網(wǎng)頁(yè)的抓取數(shù)據(jù)主要利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)在校內(nèi)各學(xué)院部門的網(wǎng)站上獲取數(shù)據(jù)，包括活動(dòng)、會(huì)議、講座的通知公告，通過(guò)語(yǔ)義解析時(shí)間、地點(diǎn)、活動(dòng)內(nèi)容等信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.空間處理

由于收集的數(shù)據(jù)來(lái)源不同，且缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和格式要求，收集到的數(shù)據(jù)將包含shapefile、gdb、CAD等格式的矢量數(shù)據(jù)，IMG、GRID、JPG、TIFF等格式的柵格數(shù)據(jù)以及OSGB、OBJ、3DS格式的三維數(shù)據(jù)。為能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化存儲(chǔ)與管理，需對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)分別按照統(tǒng)一的格式要求轉(zhuǎn)化成符合OGC服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的圖層，并按照統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系（2000國(guó)家大地坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）進(jìn)行轉(zhuǎn)化及校準(zhǔn)。對(duì)沒(méi)有時(shí)空標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)需加上“時(shí)間、空間、屬性”標(biāo)識(shí)，其中時(shí)間標(biāo)識(shí)可保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性，空間標(biāo)識(shí)可反映地理實(shí)體在地圖中的絕對(duì)位置與相對(duì)位置，屬性標(biāo)識(shí)可反映地理實(shí)體的特性。加上時(shí)空標(biāo)識(shí)的屬性數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)可轉(zhuǎn)化為點(diǎn)、線、面要素，與地理底圖共同形成反映地物情況的專題圖。

3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

時(shí)空數(shù)據(jù)是包含時(shí)間、空間、專題屬性的數(shù)據(jù)類型，為了對(duì)其進(jìn)行有效的管理，需通過(guò)合適的時(shí)空數(shù)據(jù)模型描述其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算特征。通過(guò)構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)模型建立高效的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)統(tǒng)一化處理的時(shí)空數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空中、地表、地下、室內(nèi)、室外數(shù)據(jù)的一體化管理、綜合展示，提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢效率。[5]

典型的時(shí)空數(shù)據(jù)模型有序列快照模型、基態(tài)修正模型、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型等。序列快照模型將一系列不同時(shí)間的快照存儲(chǔ)起來(lái)，根據(jù)需要進(jìn)行播放反映一定時(shí)間內(nèi)的空間特征變化，這種方法可進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)空信息查詢，但容易造成數(shù)據(jù)冗余?；鶓B(tài)修正模型只存儲(chǔ)研究區(qū)域某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)狀態(tài)（即基態(tài)）及相對(duì)于基態(tài)的變化量，而不存儲(chǔ)全部的信息，因此存儲(chǔ)效率較高，但較難處理給定時(shí)刻時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系，在追溯歷史狀況的時(shí)候查詢效率較低。面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型在節(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形等幾何要素的表達(dá)上增加時(shí)間信息，記錄空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和時(shí)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是打破了關(guān)系模型范式的限制，但缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮地理現(xiàn)象的時(shí)空特性和內(nèi)在聯(lián)系，缺少對(duì)地理實(shí)體或現(xiàn)象的顯式定義和基礎(chǔ)關(guān)系描述。[6]前述的模型都有各自的優(yōu)勢(shì)與不足，近年來(lái)仍有許多研究者通過(guò)引入新技術(shù)或新思想來(lái)構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)模型，在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提高模型的存儲(chǔ)與查詢效率，并在土地管理、林業(yè)管理、交通管理等多個(gè)領(lǐng)域根據(jù)專題數(shù)據(jù)的變化特征形成了特有的數(shù)據(jù)模型。[7]因此在建設(shè)智慧校園時(shí)空信息云平臺(tái)的過(guò)程中，構(gòu)建適用于校園管理的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是極其重要的。

4.數(shù)據(jù)管理

基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型開(kāi)發(fā)的時(shí)空信息云平臺(tái)，不僅具有高效的新增、編輯、刪除、可視化、導(dǎo)入導(dǎo)出等基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)管理能力，還具有強(qiáng)大的查詢統(tǒng)計(jì)、空間測(cè)量等分析測(cè)量能力及空間分析、時(shí)空分析、多因子分析等數(shù)據(jù)挖掘能力，為智慧校園的應(yīng)用擴(kuò)展提供全面的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

四、時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)

作為智慧校園中的支撐平臺(tái)，時(shí)空信息云平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是為校內(nèi)時(shí)空數(shù)據(jù)的共享及應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供支撐服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，平臺(tái)應(yīng)包含數(shù)據(jù)服務(wù)、二次開(kāi)發(fā)服務(wù)、認(rèn)證服務(wù)及運(yùn)維監(jiān)控四個(gè)模塊。（見(jiàn)圖3）

1.數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊為用戶提供在線瀏覽、數(shù)據(jù)管理、地圖下載、數(shù)據(jù)交互等功能。用戶通過(guò)平臺(tái)可查詢數(shù)據(jù)目錄、元數(shù)據(jù)，并按照專題分類查看平臺(tái)已有的矢量圖、影像圖、實(shí)景圖、三維圖等，對(duì)圖層進(jìn)行放大、縮小、距離測(cè)量、面積測(cè)量、查看所選地物的屬性等基本操作。具有相應(yīng)權(quán)限的用戶可在線對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、修改、刪除等操作，平臺(tái)提供豐富的地圖繪制的工具，并具備拓?fù)錂z查、空間分析等功能。此外，平臺(tái)通過(guò)支持http和https協(xié)議的地圖接口、數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與校內(nèi)各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，在保證數(shù)據(jù)安全的前提下實(shí)現(xiàn)校內(nèi)的數(shù)據(jù)共享，防止產(chǎn)生數(shù)據(jù)孤島，其中地圖接口符合OGC WMTS標(biāo)準(zhǔn)。

2.二次開(kāi)發(fā)服務(wù)模塊

二次開(kāi)發(fā)服務(wù)模塊為具備一定開(kāi)發(fā)能力的用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序接口（Web API），使部分不具備專業(yè)GIS知識(shí)的開(kāi)發(fā)者能夠通過(guò)http/https形式發(fā)起調(diào)用空間數(shù)據(jù)相關(guān)功能服務(wù)的請(qǐng)求，減少應(yīng)用的開(kāi)發(fā)工作量。功能類API能夠?qū)Φ貓D進(jìn)行基本的操作與編輯，包括地圖的放大、縮小、移動(dòng)、獲取中心點(diǎn)坐標(biāo)、添加編輯點(diǎn)線面要素等功能;控件類API能夠在地圖上增加常用的控件按鈕，包括拉框放大/縮小控件、測(cè)量控件、地物查詢控件、地圖打印控件、清空被選擇要素控件等;數(shù)據(jù)分析API可以調(diào)用時(shí)空數(shù)據(jù)常用的分析算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析與歷史推演。[8]所有的接口服務(wù)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)布到平臺(tái)上，用戶可以在平臺(tái)查看接口列表及開(kāi)發(fā)指南，通過(guò)賬號(hào)申請(qǐng)獲取接口服務(wù)。隨著校內(nèi)應(yīng)用的豐富、服務(wù)要求的提高，接口數(shù)量和功能也將不斷擴(kuò)展。

3.認(rèn)證服務(wù)模塊

認(rèn)證服務(wù)模塊對(duì)組織機(jī)構(gòu)、用戶角色及相應(yīng)的權(quán)限進(jìn)行配置，不同的用戶角色將擁有不同的菜單訪問(wèn)權(quán)限、功能使用權(quán)限及數(shù)據(jù)查詢管理權(quán)限。調(diào)用者登錄后在接口申請(qǐng)模塊查看可申請(qǐng)的接口列表，并根據(jù)需要提交使用申請(qǐng)，由管理員審核通過(guò)后使用秘鑰獲取接口服務(wù)，并在平臺(tái)中測(cè)試接口返回參數(shù)情況。平臺(tái)對(duì)應(yīng)用的調(diào)用情況進(jìn)行監(jiān)控，保證使用的安全性。

4.運(yùn)維監(jiān)控模塊

通過(guò)運(yùn)維監(jiān)控模塊對(duì)平臺(tái)上的服務(wù)數(shù)量、調(diào)用次數(shù)、響應(yīng)時(shí)間等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并以圖表形式直觀展示服務(wù)的請(qǐng)求頻次、請(qǐng)求寬帶、處理速率、服務(wù)健康狀況等即時(shí)情況。當(dāng)應(yīng)用服務(wù)調(diào)用接口情況異常，根據(jù)熔斷策略可自動(dòng)切斷接口服務(wù)，減少對(duì)應(yīng)用的影響。同時(shí)，平臺(tái)應(yīng)對(duì)服務(wù)器等硬件設(shè)備的使用情況進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒。日志模塊記錄詳細(xì)的平臺(tái)訪問(wèn)及使用情況，包括使用的服務(wù)名稱、服務(wù)類型、調(diào)用IP、調(diào)用時(shí)間、服務(wù)訪問(wèn)成功情況等。

五、基于平臺(tái)的校內(nèi)典型應(yīng)用

依托智慧校園時(shí)空信息云平臺(tái)，可以擴(kuò)展出豐富的應(yīng)用，為后勤、設(shè)備、教務(wù)、學(xué)工等業(yè)務(wù)部門提供更便捷、更智慧、更靈活的可視化直觀管理，為校內(nèi)師生提供空間位置的信息化服務(wù)。典型的應(yīng)用包括校內(nèi)地圖、地下管線管理系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)。

1.校園地圖

校園地圖通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)接口、功能類接口及控件類接口，為在校的師生及校外的游客提供校內(nèi)的地圖導(dǎo)航服務(wù)，用戶可在校園地圖上查找校內(nèi)樓宇建筑、生活設(shè)施、綠化景觀、講座活動(dòng)的相關(guān)信息，或根據(jù)自己所在位置實(shí)時(shí)獲取附近的各類地物信息，做到對(duì)校內(nèi)事物的實(shí)時(shí)感知。區(qū)別于現(xiàn)有的商業(yè)導(dǎo)航軟件，校內(nèi)定制的校園地圖時(shí)效性和精確性更高，能夠?yàn)閹熒脩籼峁└泳珳?zhǔn)化的服務(wù)。

2.地下管線管理系統(tǒng)

地下管線管理系統(tǒng)首先制定和完善管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，按照完善后的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)平臺(tái)提供的功能類接口及數(shù)據(jù)分析接口實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)加載、查詢統(tǒng)計(jì)、管線分析、數(shù)據(jù)更新和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，為業(yè)務(wù)部門的管線管理、管線設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)報(bào)審、應(yīng)急決策等工作提供便利。

3.實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)基于平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)備巡檢、隱患整改、綜合監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)室管理等相關(guān)功能模塊。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控傳感器和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)感知實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、火焰、煙霧、二氧化碳、二氧化硫等相關(guān)化學(xué)濃度，并與位置信息相關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)基于位置關(guān)聯(lián)的可視化專題圖。基于平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析功能，可形成實(shí)驗(yàn)室安全整改方案及傳感器報(bào)警的應(yīng)急預(yù)案，為實(shí)驗(yàn)室的安全管理工作提供便利。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文主要描述了時(shí)空信息云平臺(tái)在智慧校園架構(gòu)中的重要意義及建設(shè)思路。時(shí)空信息云平臺(tái)作為智慧校園建設(shè)中的支撐性平臺(tái)，對(duì)校內(nèi)基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、部門專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、學(xué)校相關(guān)網(wǎng)頁(yè)抓取數(shù)據(jù)等進(jìn)行一體化管理，為校內(nèi)各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)服務(wù)及接口服務(wù)，促進(jìn)校內(nèi)的數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)校內(nèi)師生的個(gè)性化服務(wù)及精細(xì)化管理。未來(lái)時(shí)空信息云平臺(tái)的服務(wù)模式將會(huì)有更多的創(chuàng)新形式，其相關(guān)的應(yīng)用也會(huì)更加多元化。

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（編輯：王天鵬）