傳統民居聚落智能化管理與移動旅游自助服務系統研究

梁冰， 魏海洋， 白玉龍， 劉建華， 杜明義

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044)

傳統民居聚落智能化管理與移動旅游自助服務系統研究

梁冰， 魏海洋， 白玉龍， 劉建華， 杜明義

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044)

隨著旅游經濟的快速發展，傳統民居聚落環境正遭受著來自各方面的破壞和壓力，這對傳統歷史文化的傳承和弘揚影響深遠。如何有效、科學地管理和保護特色鮮明的傳統民居聚落這一載體已成為迫切需要解決的問題之一。針對傳統民居聚落街巷機理特點，創新性地提出了集成GIS、360°全景影像、移動測圖系統(mobile mapping system，MMS)、航空攝影測量、全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)測量和移動物聯網等多技術協同的傳統民居聚落基礎環境數據采集方法和工藝流程，以及基于Geodatabase和PostgreSQL的傳統民居聚落特色的多源空間數據存儲解決方案，并開發出一套功能完備的傳統民居聚落智能化管理系統與移動旅游自助服務系統。實證表明，該系統顯著提高了傳統民居聚落管理智能化和旅游服務信息化水平。

傳統民居聚落；基礎設施與環境管理；多源空間數據采集與存儲；移動GIS與物聯網；智能移動旅游自助服務

0 引言

隨著傳統民居聚落保護性建設與旅游服務的快速發展，應急消防、地面園林綠化、地下綜合管網等設施數量的不斷增加，對基礎設施及環境進行科學高效的管理和保護已顯得尤為迫切。傳統民居聚落基礎設施管理涉及古建筑、園林綠化和各類地上及地下與民眾生活息息相關的各種設施，種類繁多，數量龐大，是傳統民居聚落管理保護的有機組成部分；如何快速獲取準確、現勢性的信息并進行系統化的管理，是傳統聚落環境管理與保護面臨的重大技術問題之一。目前傳統依靠管理員“詢、探、查”的管理方式已無法適應現實發展的需要；而運用移動物聯網和GIS空間信息管理等技術對各種資源進行高效的管理將具有很大的發展潛力[1]。

本文主要研究利用移動物聯網和地理信息技術如何高效的采集、存儲、管理、分析和表達傳統民居聚落基礎設施空間數據和環境信息；創新性地提出了針對傳統民居聚落環境和聚落機理特征的多源空間數據采集集成技術，并運用多維度智能化物聯網與GIS服務相結合的形式全方位地展示并有效地對傳統民居聚落進行管理，使得對傳統民居聚落的管理更加形象化和精細化；重點解決了目前傳統民居聚落管理困難、維護成本高以及傳統民居聚落信息集成難、保護能力弱等問題，有效地促進了傳統民居聚落管理的智能化服務水平。

1 多源空間數據采集集成技術

從目前國內外地理信息技術發展現狀況來看，空間數據采集與更新技術主要包括高分辨率衛星遙感技術、航空攝影測量技術、地面街景測繪技術以及地面激光掃描近景攝影測量技術等[2-5]。針對傳統民居聚落環境特點與智慧化管理需求，本研究主要采用街景影像移動測圖技術、360°全景影像采集技術、航空攝影測量技術、全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)動態實時差分測量技術，以及GIS Web Service技術來解決傳統民居聚落精細化管理與旅游環境保護方面的突出問題。

1.1 街景影像移動測圖技術

移動測圖系統[6](mobile mapping system，MMS)目前主要用于城市立面街景影像及城市部件測繪信息的快速獲取(圖1，據武漢立得)。針對傳統民居聚落街巷的機理特點，本文對其進行方法和工藝技術改進，并成功應用到傳統民居聚落基礎設施及環境管理之中，為管理系統提供包括聚落區的空間矢量數據、屬性數據以及沿道路環境的視頻數據服務，并建立與聚落區相對應的連續可量測實景影像(digital measurable image，DMI)。該影像庫中的影像均帶有絕對方位元素，本文在量測算法研發的基礎上實現了對影像像對中任意地物的絕對測量和相對測量。同時針對影像數據量龐大、系統檢索服務響應時間長等一系列問題，數據組織方式采用以每個整點小時為時間節點命名分層保存的影像數據，有效減輕了服務器內存壓力，實現了系統的高可用性。此外，為了提高影像中地物目標的定位和量測精度，研究利用差分全球定位系統(difference global positioning system，DGPS)技術對數據進行實時差分，從而獲得高精度的聚落區影像目標測量信息[7]。該技術為傳統民居聚落基礎設施與環境管理中街景影像地圖瀏覽和影像實景量測等功能的實現提供了良好的數據基礎，從而有效地解決了管理系統對基礎設施部件與環境信息進行查詢、量測與展示等問題，實現對聚落區基礎設施的智能化信息采集與管理。

圖1 MMS數據采集工藝技術流程Fig.1 MMS data acquisition technology

1.2 360°全景影像采集技術

360°全景影像技術又稱虛擬現實技術(或實景虛擬)，是一種基于全景影像的真實場景虛擬現實技術，主要用于旅游建設規劃、工程管理、房地產樓盤展示等行業[8-9]。針對傳統民居聚落旅游區的展示特色，本文基于360°全景技術,研究開發了一套完整的傳統民居聚落基礎設施與環境360°全景數據采集與沉浸式管理模塊。該技術可依據聚落區地形、地貌、地面構筑物以及街巷空間分布機理，采用點源式數據采集方法，并根據每個采集點的方位、光線和周圍環境的協同，采用不同的曝光度和白平衡及采集后期處理方案，充分發揮360°全景影像的展示能力。針對全景影像數據在系統展示時過于龐大這一問題，研發了基于Net Framework的批量數據壓縮程序，在不影響顯示效果的前提下，對全景影像數據在入庫前進行批量壓縮，從而提升了系統實用性能。民居聚落區管理者可在移動物聯網管理平臺上瀏覽景區360°全景圖及查詢分析特定對象(圖2)，并用鼠標自如地控制觀察的視角和遠近。系統創新性地構建了全新的管理模式和真實體驗環境，使管理者能深刻感受到基于移動GIS的全景對象化帶來的便利，有效地解決了管理者對基礎設施及環境在進行遠程瀏覽、查詢和分析等問題。

圖2 360°全景圖Fig.2 360°panorama

1.3 航空攝影測量技術

航空攝影測量技術能夠快速、準確地獲取和更新地理信息數據[10]。采用航空攝影技術，不僅能從高空獲取有關民居聚落基礎環境的空間分布狀態信息，而且對傳統民居聚落街巷機理以及景觀格局分布特征的觀察分析也十分便利。本文航拍采用搭載Leica航拍相機(組)的固定翼無人機來完成，制訂了影像采集空間分辨率0.2 m，且航向與旁向分別達到65%和35%高重疊度的航拍方案，以獲取高品質的航拍影像數據資料。通過航片后期處理，獲取了覆蓋傳統民居聚落區域2.5 km2的高空間分辨率數字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)；以該圖作為底圖，在后期展示過程中采用切片技術，使遙感影像能夠通過分級加載方式與矢量圖層以及立面街景影像進行疊加展示，實現了多源空間數據的協同管理和工程化應用。

基于DOM數據，本文創新性地利用傳統民居聚落立面街景影像結合平面航測影像多維度集成展示技術，研發了構造業務管理新模式，有利于對傳統民居聚落區域整體進行更加直觀性的分析和決策。

1.4 GNSS實時動態差分技術

GNSS實時動態差分技術能夠在野外實時獲取定位精度達到cm級的采樣點，目前主要應用于工程放樣、地形測圖以及各種野外測量工程[10]。

針對傳統聚落多源空間數據集成采集需求特點，本文利用GNSS RTK實時動態差分技術高效、快速、準確地獲取了部分基礎設施的空間位置數據，并錄入到多源空間數據庫中，結合航空影像、街景影像以及360°全景影像，更加精確和形象地展示了現有傳統民居聚落基礎部件的空間位置和現場環境的真實分布狀況，并重點解決了MMS街景影像中對目標定位精確度不足等關鍵問題。

1.5 移動物聯網和LBS服務技術

針對傳統民居聚落區動態巡查管理和游客自助服務的雙重需求，首次提出基于LBS(location based service)[11]和移動物聯網技術集成的智能化GIS管理與服務新模式，研發出了與LBS協同的物聯網二維碼空間資源管理與旅游資源推送技術，服務于搭載Android和Mobile GIS技術的智能移動終端。

本文提出的集成MMS移動測量、360°全景影像、航空攝影測量、GNSS動態差分測量以及移動物聯網和LBS服務等多技術協同的空間數據采集系統與技術服務，實現了對傳統民居聚落基礎環境的宏觀性與微觀性兼備的多維度一體化描述，為依托GIS Web Service及智能移動端APP的智能化服務奠定了堅實的數據和技術基礎。

2 空間數據庫

地理空間數據是指與空間位置和空間關系相聯系的數據[12]。針對傳統民居聚落管理數據涉及的類型及其特點，本文提出了一套完整的多源空間數據庫構建方案，以便實現空間數據的高效存取，支撐系統各項功能和多元化應用服務的快速響應。有關傳統民居聚落基礎設施環境的空間數據類型主要有：街景影像數據、街景視頻數據、GNSS導航鏈數據、360°全景影像數據、航空影像數據、基礎設施空間位置測量數據、傳統民居聚落地形圖矢量數據、地下管線(廊)基礎設施數據、二維碼資源數據及旅游自助服務數據等多種類型。

在目前GIS行業空間數據庫發展現狀的基礎上[13]，本文選取支持空間拓撲關系的Geodatabase[14]和PostgreSQL[15]對象關系數據庫以及APDM管線管理數據模型[16]，用以解決多源海量空間數據的存儲和管理[17-20]；構建了涉及要素類數據集[19](存儲矢量數據)、對象類數據集(存儲表格類數據)、柵格類數據集(存儲影像類數據)、輔助數據集(存儲物聯網二維碼資料數據)和業務運行數據集共5大類數據集(圖3)，進行傳統民居聚落空間數據的組織和管理。

圖3 傳統民居聚落空間數據庫的組成Fig.3 Composed of spatial database of traditional residential settlement

3 系統實現

3.1 系統整體架構

系統整體架構主要包含360°全景影像管理模塊、資源綜合管理模塊和智能移動旅游自助服務模塊。前2個模塊主要滿足管理者對傳統民居聚落區的日常維護及應急管理工作的需要，智能移動旅游自助服務模塊主要滿足游客對傳統民居聚落景區資源的查詢、瀏覽等導游功能的需要。

整個網絡化管理系統采用基于B/S體系架構和FLEX等開發技術[21]的GIS Web Service 技術設計和實現。智能移動端基于ArcGIS for Android系列化組件[22]進行二次開發來實現景區資源在移動智能化終端的便捷化智能服務。

3.2 系統研發與實現

本文選取北京市古北水鎮歷史文化區為傳統民居群落智能化管理與移動旅游自助服務系統的示范區。通過對古北水鎮歷史文化區地形、地貌、地面構筑物以及基礎設施環境多角度和全方位的數據采集和軟件功能模塊研發，建立了具有全景數據、航空影像數據、MMS測量等數據、物聯網數據的綜合智能化管理系統。該系統使得管理者能夠以網絡辦公的形式對傳統民居群落區進行全面協調和可視化管理，通過全景影像和基礎設施管理平臺(圖4，5)對基礎設施部件等資源進行狀態查詢和分析，并且可以通過連續全景對沿街道路周邊基礎設施進行動態瀏覽和可視化集成監管。

圖4 全景瀏覽分析模塊Fig.4 Panoramic view

圖5 資源綜合管理模塊Fig.5 Infrastructure management

通過資源綜合智能化管理模塊可詳細查詢聚落區部件和事件的位置和相關屬性信息以及周邊環境信息，以便進行有針對性的可視化預案管理和業務遠程調度。

通過智能移動旅游自助服務模塊(管理版)，傳統民居聚落管理者在現場巡查時，也可通過移動版的物聯網智能管理系統終端對基礎設施部件及關聯性案件進行定位、信息查詢及現場資源快速調度，從而達到移動辦公的目的。同時該模塊(游客版)可為傳統民居聚落區的游客提供涵蓋有關旅游區景點資源介紹、酒店預定、語音介紹等自助服務功能的APP軟件客戶端，為游客提供便利的一站式導游服務(圖6)。

圖6 智能移動端旅游自助服務APPFig.6 Mobile tourism self-service APP

4 結論

1)針對傳統民居聚落特色管理與旅游服務需求，研發了多技術協同的空間數據采集管理協同技術、基于移動物聯網及GIS等技術的傳統民居聚落智能化管理與旅游自助服務系統，解決了傳統管理模式更新慢、實時性差、管理者缺乏現實感等問題，實現了民居聚落的高效性、綜合性和協調性管理。

2)實現了對傳統民居聚落區的實時動態管理和一站式旅游自助服務，為依托傳統民居聚落的傳統歷史文化傳承與保護提出了業務管理新模式，充分體現了數字化和信息化的優勢。

3)針對傳統民居聚落區的保護機制和運維模式研究還有待進一步完善，多源空間地理信息數據的組織形式和檢索方式等研究還有待提升，以滿足傳統民居聚落可持續發展的需要。

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(責任編輯：李瑜)

Traditional residential settlement intelligent management and tourism self-service system

LIANG Bing, WEI Haiyang, BAI Yulong, LIU Jianhua, DU Mingyi

(KeyLaboratoryforUrbanGeomaticsofNationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation，SchoolofGeomaticsandUrbanSpatialInformation,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044,China)

With rapid economic development in tourism market, traditional residential settlement environment is suffering damages and pressures from various aspects, which are likely to exert considerably adverse effects in terms of inheriting and promoting the traditional culture and history. Therefore, how to manage and protect traditional residential settlement infrastructure and the environment scientifically has become one of the most urgent issues. In the light of the characteristics of the traditional residential settlement, this paper innovatively presents the multi-technology-based collaborative environment of traditional residential settlement data collection methods that integrate the technologies of GIS, 360° panoramic image, mobile mapping system(MMS), aerial photogrammetry, global navigation satellite system(GNSS), location based service(LBS) and internet of things as well as the multi-source spatial data storage solution based geodatabase. Finally, a fully functional software system is developed to achieve the purpose of traditional residential settlement intelligent management and tourist self-service. Practice shows that the system significantly improves the intelligent level of traditional residential settlement infrastructure management and tourism services.

traditional residential settlements; infrastructure and environmental management; multi-source spatial data acquisition and storage technology; mobile geographic information system and internet of things; mobile tourism self-service

2014-04-06；

2014-09-13

“十二五”科技支撐計劃項目“傳統民居聚落基礎設施完善與使用功能拓展關鍵技術研究與示范項目”(編號：2012BAJ14B03)、北京市教委青年英才計劃項目“高空間分辨率遙感影像尺度計算方法研究”(編號：YETP1647)及北京市自然科學基金項目“MMS街景影像中城市部件對象化與快速更新技術研究”(編號：4142013)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.03.30

梁冰，魏海洋，白玉龍,等.傳統民居聚落智能化管理與移動旅游自助服務系統研究[J].國土資源遙感,2015,27(3):188-193.(Liang B,Wei H Y,Bai Y L,et al.Traditional residential settlement intelligent management and tourism self-service system[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(3):188-193.)

TP 79

A

1001-070X(2015)03-0188-06

梁冰(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向為MMS測圖與移動GIS技術。Email: liangbing1987@qq.com。

劉建華(1981-)，男，碩士生導師，主要研究方向為智慧城市與移動GIS等。Email: liujianhua@bucea.edu.cn。