數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)技術(shù)分析與研究

孫宇 任海鵬

摘要：數(shù)字校園已經(jīng)從信息管理、知識(shí)管理發(fā)展到了全景式管理，從原來(lái)的圖像、文字展示發(fā)展到了3D模型交互模式，極大地豐富了數(shù)字校園的功能，同時(shí)提高了數(shù)字校園的生動(dòng)性、趣味性、智能性。本文在對(duì)數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，介紹了數(shù)字虛擬校園開發(fā)所涉及的技術(shù)，并且重點(diǎn)介紹了WebCIS在數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)的應(yīng)用，適應(yīng)現(xiàn)代智能手機(jī)、平板電腦發(fā)展需要。

關(guān)鍵詞：WebGIS;數(shù)字虛擬校園;虛擬現(xiàn)實(shí);三維建模

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）19-0115-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

校園虛擬化一直是政府機(jī)構(gòu)、軟件公司和校園管理人員研究的熱點(diǎn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)校都已經(jīng)引入了先進(jìn)的圖書館借閱管理系統(tǒng)、后勤保障系統(tǒng)、學(xué)管系統(tǒng)、教科研系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)等等應(yīng)用系統(tǒng)，但是這些應(yīng)用系統(tǒng)多屬于獨(dú)立部署模式，沒有形成一個(gè)融合的校園系統(tǒng)，僅僅能夠展示一些校園建筑圖片或文字，不能夠進(jìn)行互動(dòng)交流[1]。

經(jīng)過多年的研究，人們提出了虛擬校園，其可以將地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、互聯(lián)網(wǎng)等整合在一起，比如可以將校園建筑與地理位置結(jié)合在一起，利用三維建模技術(shù)展示一個(gè)建筑實(shí)景，這樣就可以為校園用戶提供信息查詢、瀏覽功能。虛擬校園可以具有很好的交互性，當(dāng)用戶進(jìn)入虛擬校園系統(tǒng)之后，利用虛擬技術(shù)可以對(duì)校園中的實(shí)物進(jìn)行細(xì)致的觀察，也可以進(jìn)行相關(guān)訪問的操作[2]。

1 數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)分析

數(shù)字虛擬校園經(jīng)過了多年的發(fā)展和應(yīng)用，其引入的技術(shù)非常多，比如云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、3D建模、CPS、移動(dòng)通信技術(shù)，數(shù)字虛擬校園的功能也隨著技術(shù)的使用更加完善，許多數(shù)字虛擬校園建構(gòu)在實(shí)際建筑上，能夠?qū)W(xué)校歷史與文化、教學(xué)科研輔助機(jī)構(gòu)、大樓大樹和大景整合在一起，為用戶提供一個(gè)接人和瀏覽通道，使用鼠標(biāo)可以任意的拖動(dòng)、放大、縮小校園內(nèi)容，方便學(xué)校的招生宣傳、科研教學(xué)、行政管理[3]。

數(shù)字虛擬校園涉及的技術(shù)很多，下面將對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述：

1.1云計(jì)算

云計(jì)算利用虛擬化技術(shù)，可以將系統(tǒng)所需的所有的硬件設(shè)備資源進(jìn)行集成，為數(shù)字虛擬校園的運(yùn)行提供了一個(gè)集成的、統(tǒng)一的、并發(fā)的、虛擬的平臺(tái)，對(duì)這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行劃分可以分為三個(gè)層次，這三個(gè)層次分別定義為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)層（ PaaS）和軟件即服務(wù)層（SaaS）。

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)的虛擬化程度最低，可以為數(shù)字虛擬校園直接分配需要的硬件資源，比如CPU、網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲(chǔ)區(qū)域等等資源，但為了能夠保障獨(dú)立占用硬件空間，而不與其他的系統(tǒng)之間進(jìn)行共享和訪問等操作，因此云平臺(tái)的并發(fā)性就無(wú)法提高了，也無(wú)法節(jié)約資源和提高使用效率[4]。

平臺(tái)即服務(wù)（ PaaS）可以為數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)提供一個(gè)運(yùn)行管理機(jī)制，這個(gè)運(yùn)行管理機(jī)制會(huì)將系統(tǒng)保存在一個(gè)區(qū)域，按照用戶的訪問進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度，共享硬件資源，從而可以提高系統(tǒng)的并發(fā)性和資源的利用率。

軟件即服務(wù)（SaaS）可以在一個(gè)較小的存儲(chǔ)空間中進(jìn)行數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)的部署，根據(jù)軟件配置的不同模式選擇和系統(tǒng)用戶的訪問頻率次數(shù)，定期地調(diào)整更換硬件平臺(tái)的使用程序，從而為系統(tǒng)的用戶提供最高性能的并發(fā)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)用戶之間對(duì)CPU資源、帶寬資源和云平臺(tái)資源的共享。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)又稱為VR（Visual RealitV）是一種集成性的計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，它涵蓋了圖形圖像處理、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、多媒體、人機(jī)交互、仿真系統(tǒng)開發(fā)等等方面的技術(shù)，從而能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)模擬了真實(shí)環(huán)境的虛擬世界，并且在這個(gè)虛擬世界中，用戶會(huì)感受到較強(qiáng)的沉浸感。在數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)的開發(fā)中，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)為在校的教師、學(xué)生、學(xué)校管理人員以及校園訪問者提供一種新型的人機(jī)接口，可以使用戶沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界，同時(shí)還可以為虛擬校園系統(tǒng)用戶提供一種與虛擬世界通信的手段，當(dāng)系統(tǒng)用戶進(jìn)行操作虛擬世界的三維實(shí)體模型對(duì)象時(shí)，該模型對(duì)象能夠針對(duì)用戶的不同操作反饋出實(shí)時(shí)的結(jié)果[5]。

1.3 3D建模

在對(duì)數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)開發(fā)的過程中，需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)、圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像的繪制操作，從而能夠?qū)崿F(xiàn)將實(shí)體目標(biāo)的模型進(jìn)行快速化地渲染，并且能夠提供瀏覽。為了完成這個(gè)需求，需要在數(shù)字虛擬校園運(yùn)行的過程中嵌入3D建模繪圖的功能，因?yàn)橄冗M(jìn)的繪圖管理功能可以提供對(duì)3D繪圖功能的支持，而且能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)于圖像的旋轉(zhuǎn)角度、拖動(dòng)、縮放大小等等操作的支持，不僅能夠降低對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)的傳輸帶寬的占用率，還能夠提升圖片的顯示精確度。

1.4 GPS

我們平時(shí)使用的百度地圖、高德地圖都是使用嵌入式電子地圖開發(fā)的應(yīng)用軟件，是移動(dòng)定位功能在各種不同類型的嵌入式軟件上的應(yīng)用，這些應(yīng)用開發(fā)得益于GPS、北斗導(dǎo)航等衛(wèi)星定位技術(shù)的廣泛普及。

1.5移動(dòng)通信

隨著移動(dòng)通信的發(fā)展進(jìn)入5G通信時(shí)代，第五代移動(dòng)通信技術(shù)簡(jiǎn)稱5G或5G技術(shù)是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，也是繼4G、3G和2G系統(tǒng)之后的延伸。5G將會(huì)具有高數(shù)據(jù)速率、延遲更少、能源更節(jié)省、成本更低、系統(tǒng)容量更高和設(shè)備連接規(guī)模更大的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)中對(duì)于高清晰視頻、在線學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸需求依賴移動(dòng)通信技術(shù)，SG能夠給予更好的技術(shù)支持。

2 數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)的功能很豐富，通過對(duì)校園內(nèi)的圖書館、體育館、食堂、學(xué)生宿舍、生活設(shè)施、教室、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室以及行政辦公樓等建筑物的數(shù)字化，用戶可以更加直觀形象地對(duì)校園建筑實(shí)體進(jìn)行查看，并且共享信息[6]?；赪ebGIS的校園系統(tǒng)集成過程中，WebGIS最為重要的內(nèi)容就是構(gòu)建一個(gè)云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人們的操作和管理。并且能夠?qū)⑾到y(tǒng)服務(wù)器的存儲(chǔ)內(nèi)容虛擬化，這樣就可以保存更多的系統(tǒng)數(shù)據(jù)化內(nèi)容[7]。具體來(lái)看，基于WebGIS構(gòu)建自頂向下將系統(tǒng)進(jìn)行劃分，可以劃分成表示層、邏輯業(yè)務(wù)處理層和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理層三個(gè)層次，對(duì)每一個(gè)層次的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行描述如下：

2.1 用戶交互層（表示層）

用戶交互層可以為在校的教師、學(xué)生、學(xué)校管理人員以及校園訪問者等用戶提供一個(gè)良好的信息通信接口，并且將該接口集成在圖形化操作管理界面上，該界面向用戶提供了輸入邏輯業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息的操作，同樣也可以輸出邏輯業(yè)務(wù)結(jié)果輸出的內(nèi)容[8]。用戶交互層主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)的最前端，其可以與用戶進(jìn)行直接交互，實(shí)現(xiàn)用戶的信息處理需求和軟件功能模式，將一個(gè)虛擬化的信息存儲(chǔ)空間分配給用戶用于運(yùn)行系統(tǒng)，以期進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的邏輯業(yè)務(wù)并發(fā)處理和操作功能，面對(duì)系統(tǒng)數(shù)以千計(jì)的用戶數(shù)量，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)、硬件和數(shù)據(jù)資源的共享和資源利用率的提升，進(jìn)而改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的效能。

2.2邏輯業(yè)務(wù)服務(wù)層

邏輯業(yè)務(wù)服務(wù)層主要是能夠?qū)?shù)字化校園系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)進(jìn)行集成和處理。尤其是在WebGIS處理過程中，其可以將這些信息解析出來(lái)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理層。同時(shí)，為了提高Web-GIS處理效率，邏輯業(yè)務(wù)服務(wù)層引入了虛擬化技術(shù)，該技術(shù)可以使用更加完善的并發(fā)處理操作，對(duì)諸如Web邏輯服務(wù)配置、光纖通信部署、存儲(chǔ)單元服務(wù)等方面進(jìn)行管理，還可以對(duì)相關(guān)的邏輯業(yè)務(wù)進(jìn)行按需分配管理，對(duì)系統(tǒng)中的全部邏輯業(yè)務(wù)資源可以實(shí)現(xiàn)共享，大大完善了系統(tǒng)邏輯業(yè)務(wù)處理的功能，建立了一個(gè)非常強(qiáng)大的輪詢調(diào)度管理的機(jī)制，使得軟硬件資源的并發(fā)訪問處理能力得以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件資源的使用效率等問題也得到了有效提升。

2.3 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理層

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理層又被稱為物理設(shè)施層，也就是通常說的硬件資源層。通過這些物理設(shè)施可以為系統(tǒng)用戶提供很多的子功能邏輯業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，用于對(duì)通信的處理、信息的加工、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)這些基礎(chǔ)的應(yīng)用功能提供支持，同時(shí)對(duì)于基本業(yè)務(wù)操作管理可以通過創(chuàng)建一個(gè)ESB總線來(lái)實(shí)現(xiàn)，以此為系統(tǒng)的邏輯業(yè)務(wù)處理服務(wù)提供更好的支持，這樣的系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，系統(tǒng)資源利用率也會(huì)更高，避免造成相關(guān)的資源浪費(fèi)。

在WebGIS業(yè)務(wù)處理過程與設(shè)計(jì)過程中，WebGIS主要包括空間地圖信息和3D建筑模型的集成，這些信息設(shè)計(jì)過程中需要采用一個(gè)非常關(guān)鍵的中間件，這個(gè)中間件可以用于協(xié)調(diào)應(yīng)用程序與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信內(nèi)容，還能夠?qū)IS操作模塊合成，對(duì)來(lái)自不同的計(jì)算平臺(tái)之間的交互操作內(nèi)容進(jìn)行管理，數(shù)字化虛擬校園系統(tǒng)采用了ArcIMS中間件。

ArcIMS中間件可以在客戶端、服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)通訊處理操作，通過將Web瀏覽器、Servlets服務(wù)引擎、ArcIMS應(yīng)用服務(wù)連接器、應(yīng)用服務(wù)器和ArcIMS監(jiān)控器進(jìn)行集成，其中使用到的連接器就包括了Java程序連接器、ActiveX連接器和JSP連接器這些種類，它們可以對(duì)應(yīng)用程序的服務(wù)進(jìn)行處理操作，還能保障地理信息系統(tǒng)與應(yīng)用用戶之間的負(fù)載均衡狀態(tài)。同時(shí)，使用Java語(yǔ)言編程的ArcIMS中間件還可以作為一個(gè)后臺(tái)程序進(jìn)行運(yùn)行，滿足了用戶對(duì)地圖組件目錄的查詢、定位和鏈接的操作，實(shí)現(xiàn)了追蹤地圖服務(wù)的提供，在此基礎(chǔ)上，ArcIMS應(yīng)用服務(wù)器對(duì)空間服務(wù)器進(jìn)行合理的分配，多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器之間可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行通信。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字虛擬校園系統(tǒng)集成虛擬現(xiàn)實(shí)、GIS、GPS、3D建模等多種應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可視化的、實(shí)時(shí)化的、動(dòng)態(tài)服務(wù)的信息處理模式，能夠幫助校園用戶查看各個(gè)建筑物的位置，實(shí)景查看學(xué)校的各類型建筑布局等信息，具有重要的作用和意義。

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[通聯(lián)編輯：光文玲]

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目資助（KJ2017A758）

作者簡(jiǎn)介：孫宇（1983-），女，安徽蕪湖人，學(xué)士，講師，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算。