◆羅奇 徐紅麗

GIS技術(shù)下的高校虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆羅奇 徐紅麗

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字地球建設(shè)成為地理信息系統(tǒng)發(fā)展領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，虛擬校園建設(shè)成為各高校和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。簡(jiǎn)單介紹GIS技術(shù)，以某高校為例，介紹虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)與流程。

GIS；虛擬校園；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；數(shù)字校園

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.028

1　GIS技術(shù)概述

GIS技術(shù)是Geographic Information Systems的縮寫形式，翻譯為地理信息系統(tǒng)，主要是采用電腦模擬仿真出與現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境一致的三維空間，讓用戶在不同空間都能體驗(yàn)身臨其境的感受，達(dá)到時(shí)空交替的效果。它能夠使用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直觀地感受到時(shí)空的交替，產(chǎn)生人機(jī)相融的體驗(yàn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快捷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)也運(yùn)用到安防領(lǐng)域。如今，GIS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到公安、交通、金融、教育、醫(yī)療衛(wèi)生等多個(gè)領(lǐng)域，作用也越來(lái)越大。

虛擬校園系統(tǒng)是數(shù)字校園建設(shè)的基礎(chǔ)，它的研究和創(chuàng)建對(duì)以后數(shù)字校園的建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。它是一個(gè)三維可視化的、有聲有色的仿真校園景觀，既可以為學(xué)校樹(shù)立良好的形象，提高學(xué)校的知名度，宣傳校園文化，還可以作為校園規(guī)劃的輔助工具，在對(duì)校園內(nèi)部的建筑物、道路、輔助設(shè)施進(jìn)行修建規(guī)劃時(shí)，可以在這個(gè)虛擬三維環(huán)境中動(dòng)態(tài)交互地對(duì)未來(lái)校園環(huán)境進(jìn)行全面的審查，為校園規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供更明確的目標(biāo)。同時(shí)也提高了校園管理的效率和科學(xué)化水平，加快校園建設(shè)。

2　某高校虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高校地域分布較廣、地理環(huán)境復(fù)雜，對(duì)學(xué)校管理部門來(lái)說(shuō)，要全面掌握所轄區(qū)域的校園詳細(xì)情況比較困難。同時(shí)，由于缺乏校園基礎(chǔ)地理信息的支持，無(wú)法對(duì)師生提供各類地理信息服務(wù)。虛擬校園作為傳統(tǒng)校園的補(bǔ)充，應(yīng)用簡(jiǎn)單快捷，隨著高校構(gòu)建的萬(wàn)兆主干、有線接入、無(wú)線覆蓋的多功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及各類信息管理系統(tǒng)，都為高校構(gòu)建虛擬校園提供了很好的支撐。虛擬校園系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要根據(jù)用戶的需求，明確分析系統(tǒng)的功能，以開(kāi)發(fā)系統(tǒng)必備的軟硬件條件為技術(shù)支撐，確保系統(tǒng)中的各個(gè)模塊都能發(fā)揮應(yīng)有的功能。

本文以某高校作為研究對(duì)象，利用最新的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)設(shè)計(jì)了虛擬校園系統(tǒng)，以構(gòu)建逼真的校園環(huán)境。

虛擬校園系統(tǒng)的需求分析 要想構(gòu)建科學(xué)合理的虛擬校園系統(tǒng)，就需要分析虛擬校園系統(tǒng)想要實(shí)現(xiàn)的功能。

首先要建立基于GIS的可視化的三維校園地理信息管理系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫(kù)方面要完成能夠覆蓋教學(xué)、人事、科研、第二課堂、就業(yè)、健康等核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模型和數(shù)據(jù)集市模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并可與學(xué)校相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)集成，要對(duì)學(xué)校的對(duì)外形象宣傳、招生宣傳、信息化管理產(chǎn)生重要的作用。

其次是針對(duì)師生生活、學(xué)習(xí)需求，建設(shè)基礎(chǔ)信息服務(wù)平臺(tái)，建立三維校園基礎(chǔ)地理信息庫(kù)，提供現(xiàn)代化的地理信息服務(wù)，搭建微信公眾平臺(tái)，包括常用查詢、一站式服務(wù)大廳、主題服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)等，提供各類操作，覆蓋課表查詢、空閑教室查詢、成績(jī)查詢等教學(xué)服務(wù)，校園一卡通充值、掛失、補(bǔ)辦、收支查詢等服務(wù)，圖書借閱、圖書館客流查詢等圖書服務(wù)，以及電影預(yù)告、宣講會(huì)、專家門診等生活、就業(yè)、健康服務(wù)等查詢服務(wù)。

再次是真實(shí)呈現(xiàn)校園，創(chuàng)建出學(xué)校的教學(xué)樓、圖書館、食堂、宿舍樓、體育場(chǎng)、道路、廣場(chǎng)、花園、樹(shù)木等虛擬模型，使學(xué)生全面了解校園布局，實(shí)現(xiàn)校園3D虛擬瀏覽、地下管網(wǎng)展示、校園監(jiān)控、各類資產(chǎn)的地圖定位和校園導(dǎo)航等一系列功能，提供基于地理信息系統(tǒng)的全方位應(yīng)用與數(shù)據(jù)分析，推動(dòng)學(xué)校進(jìn)入校園資產(chǎn)、管線、車輛、監(jiān)控等可視圖形化管理階段，實(shí)現(xiàn)學(xué)校的全方位精細(xì)化管理，為學(xué)生盡快適應(yīng)學(xué)習(xí)、生活提供方便。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 在綜合分析系統(tǒng)應(yīng)用范圍、功能、性能需求等方面的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)分為查詢定位模塊、視圖管理模塊、地圖編輯模塊、三維瀏覽模塊、地理測(cè)量模塊以及地圖輸出模塊，如圖1所示。

1）查詢定位模塊。查詢定位模塊分為屬性查詢和空間查詢兩種模式，用戶只需要點(diǎn)擊界面上的模式按鈕，就可進(jìn)入相應(yīng)的查詢界面。如進(jìn)行位置查詢時(shí)，用戶只需要點(diǎn)擊感興趣的設(shè)施，界面上就會(huì)出現(xiàn)該設(shè)施的相關(guān)屬性信息；進(jìn)行屬性查詢時(shí)，用戶需要點(diǎn)擊搜索按鈕，進(jìn)入搜索頁(yè)面后在文本框中輸入所需要查詢的目標(biāo)名稱，點(diǎn)擊查找按鈕，就可在界面上呈現(xiàn)以該目標(biāo)為中心的地圖，并且該目標(biāo)用特殊的顏色顯示出來(lái)。

2）視圖管理模塊。該模塊主要的功能為瀏覽，由三維瀏覽、平面圖瀏覽以及影像圖瀏覽三個(gè)子模塊構(gòu)成，瀏覽中可以應(yīng)用放大、縮小和移動(dòng)的功能。用戶在瀏覽時(shí)，可能因?yàn)榈貓D顯示的大小跟位置因素，無(wú)法將所有的目標(biāo)全部顯示在當(dāng)前瀏覽的界面上，這時(shí)移動(dòng)功能就可發(fā)揮功效，用戶只需要操作鼠標(biāo)，就可在任意方向移動(dòng)地圖，實(shí)現(xiàn)自由瀏覽的功能。地圖可按照分級(jí)的方式進(jìn)行放大縮小，也可以通過(guò)鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)放大縮小。提供相應(yīng)的工具箱，如矩形框選定某一區(qū)域，該區(qū)域被放大，充滿地圖顯示窗。

3）地圖編輯模塊。地圖編輯模塊由要素添加和屬性添加兩種模式構(gòu)成，通過(guò)點(diǎn)擊頁(yè)面上的兩個(gè)模式按鈕，進(jìn)入相應(yīng)的模式，用戶可以隨時(shí)添加、刪除與修改各類3D數(shù)據(jù)對(duì)象，方便用戶對(duì)3D數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。使用本模塊時(shí)，用戶要點(diǎn)擊地圖編輯，進(jìn)入地圖編輯頁(yè)面，選擇下邊的顏色，在地圖上需標(biāo)注的地方建立多邊形，在彈出的屬性窗口內(nèi)進(jìn)行標(biāo)注；點(diǎn)擊取消按鈕，刪除標(biāo)注。

4）三維瀏覽模塊。三維瀏覽模塊使用Unity跟Google Earth兩種軟件，校內(nèi)外用戶均可以通過(guò)Internet對(duì)高校相關(guān)校區(qū)進(jìn)行3D虛擬瀏覽，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)所有3D虛擬對(duì)象的選擇性展示與選擇性疊加，以滿足本系統(tǒng)特定用戶群體對(duì)校園內(nèi)各類虛擬對(duì)象的特定感知要求。

5）地理測(cè)量模塊。該模塊具有坐標(biāo)查詢、曲線距離量算、折線距離量算和面積測(cè)量四個(gè)功能。用戶可以依據(jù)各自的權(quán)限，調(diào)用校園內(nèi)相關(guān)位置的實(shí)物攝像頭，進(jìn)行對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)、實(shí)景查看；通過(guò)三維及二維地圖，對(duì)建筑物、道路、橋梁等重要設(shè)施進(jìn)行分類信息檢索，并可查詢定位；支持?jǐn)?shù)據(jù)顯示以及分析的二三維一體化，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路徑測(cè)距，道路及綠化、水面等面積測(cè)算；完成二維各圖層的獨(dú)立與合并顯示，可通過(guò)透明度變化達(dá)到二三維圖層結(jié)合顯示，可以360°查看任意范圍、任意深度的地下管網(wǎng)系統(tǒng)，并可進(jìn)行量化與打印，方便項(xiàng)目施工與項(xiàng)目維修。用戶只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)入相應(yīng)的頁(yè)面，就可得到相應(yīng)的結(jié)果。

6）地圖輸出模塊。該模塊支持導(dǎo)入、導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)CAD格式的圖紙，支持導(dǎo)入3DS模型數(shù)據(jù)。用戶只需要點(diǎn)擊打印地圖選項(xiàng)，進(jìn)入地圖輸出頁(yè)面，點(diǎn)擊按實(shí)際大小輸出按鈕或者按紙張大小輸出按鈕，進(jìn)行打印選項(xiàng)設(shè)置，就可打印。

3　虛擬校園系統(tǒng)的核心技術(shù)要求

虛擬校園系統(tǒng)的用戶分為兩類：一類是高校大學(xué)學(xué)生、教師、管理人員、各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、廣大中學(xué)教師、中學(xué)學(xué)生、學(xué)生家長(zhǎng)及其他的海內(nèi)外友好人士；另一類是該高校虛擬校園的系統(tǒng)管理員、后勤服務(wù)與管理人員。根據(jù)不同的用戶名分配不同的系統(tǒng)管理權(quán)限。

本系統(tǒng)利用3DS Max建立學(xué)校建筑物的三維模型，所有對(duì)象的數(shù)據(jù)模型采用單體建模的方式來(lái)建立，方便3D系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)集成，便于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)維護(hù)。對(duì)象模型采用obj格式保存，兼容3DMAX等主流3D建模軟件系統(tǒng)，支持基于iOS、Android的手機(jī)和平板電腦，提供統(tǒng)一的校園其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，用戶可自主在各圖層上標(biāo)注帶有經(jīng)緯度信息的相關(guān)設(shè)備，提供具有企業(yè)級(jí)軟件系統(tǒng)架構(gòu)特性的數(shù)據(jù)字典、對(duì)象字典、服務(wù)字典、中間件字典等相關(guān)管理工具。

為了能夠保證系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)行，提高本系統(tǒng)未來(lái)的開(kāi)放性與可拓展性，整個(gè)系統(tǒng)使用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3D引擎技術(shù)，支持OGC的空間數(shù)據(jù)引擎，底圖使用Google地圖的航拍圖，校園三維及二維地圖符合標(biāo)準(zhǔn)GIS信息格式；包含準(zhǔn)確的地理信息，如經(jīng)緯度信息；三維地圖符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，與二維電子地圖、基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)做好無(wú)縫疊加。

系統(tǒng)采用當(dāng)前主流的技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的構(gòu)件模塊平臺(tái)和靈活的B/S架構(gòu)，能夠提供數(shù)據(jù)備份的機(jī)制，一旦運(yùn)行中的數(shù)據(jù)遭到破壞，可以從備份中快速得到恢復(fù)，可以與統(tǒng)一身份認(rèn)證、共享數(shù)據(jù)中心、信息門戶等學(xué)校數(shù)字化校園基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接；目錄服務(wù)系統(tǒng)在并發(fā)訪問(wèn)量達(dá)到高峰時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于2秒；在網(wǎng)絡(luò)流量正常的情況下，數(shù)據(jù)緩沖時(shí)間小于3秒；精確度高，3D系統(tǒng)中的建筑物、道路、特定景點(diǎn)在系統(tǒng)中的經(jīng)緯度與實(shí)際經(jīng)緯度的誤差小于1米；客戶端打開(kāi)以后，客戶端機(jī)器內(nèi)存消耗增加不超過(guò)500 M字節(jié)，CPU資源消耗增加不超過(guò)30%。

系統(tǒng)7×24小時(shí)可用，能夠在1小時(shí)內(nèi)從停機(jī)中恢復(fù)，具有很好的系統(tǒng)開(kāi)放性，除了使用自定義表單進(jìn)行新業(yè)務(wù)模塊的擴(kuò)展外，還提供二次開(kāi)發(fā)接口和各種應(yīng)用集成方案，方便和其他外部系統(tǒng)進(jìn)行整合。提供接口進(jìn)行地圖顯示的二次開(kāi)發(fā)和功能調(diào)用，支持在系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適合校方業(yè)務(wù)需求的地理信息系統(tǒng)。采用多種數(shù)據(jù)備份策略，如全備份、增量備份、差分備份、按需備份等。具體有數(shù)據(jù)庫(kù)及其表、定義在注冊(cè)表中的對(duì)象目錄、應(yīng)用程序系統(tǒng)、數(shù)據(jù)目錄、臨時(shí)目錄、系統(tǒng)注冊(cè)信息表、系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序日志數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志數(shù)據(jù)、安全日志數(shù)據(jù)等日志數(shù)據(jù)、服務(wù)器文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語(yǔ)

信息化正在為人類開(kāi)辟新的發(fā)展空間——虛擬空間?，F(xiàn)實(shí)空間與虛擬空間的互聯(lián)互通，極大地拓展了人類的生存視野。而學(xué)校的虛擬校園，正是在信息化教育方面出現(xiàn)的一個(gè)全球范圍的革命性產(chǎn)品。虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將校容校貌展示、招生宣傳、校園信息化管理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，成為校園門戶網(wǎng)站不可缺少的欄目，是數(shù)字化校園建設(shè)的大勢(shì)所趨?！?/p>

［1］李芙蓉.基于GIS的三維虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

［2］於永東，路明月，許笛，等.基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（1）：81-86.

［3］李芙蓉，李佳寧，王秀梅.基于GIS的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用［J］.北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（3）：17-20.

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1671-489X（2016）14-0028-03

作者：羅奇，湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；徐紅麗，湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院（410200）。