基于WebGlS的水利特色全景智慧校園系統的設計與研究

羅 敏（四川水利職業技術學院信息工程系，四川成都，611230）

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基于WebGlS的水利特色全景智慧校園系統的設計與研究

羅 敏
（四川水利職業技術學院信息工程系，四川成都，611230）

摘要：本文闡述了基于Web GIS的水利特色三維智慧校園系統的設計理念，并進一步提出構建實用、可行的水利特色智慧校園系統設計方案。以校園的三維場景尤其是特色水景觀場景為基礎，融合3D數據、地形數據、全景照片數據以及多媒體數據，通過Web GIS技術發布以上數據，并把數據融合在一起，為用戶提供瀏覽、查詢、分析等功能，讓用戶方便、快捷地了解校園信息。同時，物聯網技術的應用，實時的教室監控信息，幫助學生選擇合適的自習室，實現校園資源的優化使用。

關鍵詞：全景智慧校園；水利特色；Web GIS；三維可視化

0 引言

智慧校園，是指利用現代信息化技術手段來改變校園信息化應用的交互方式，并提高校園信息化應用交互的準確性、靈活性和響應速度，促進人與校園信息系統的高度融合，從而實現校園學習、工作、生活、管理以及服務智能化、人性化、個性化，以此來提升學校總體運行的效益。本文在已有數字化校園建設的基礎上，借助WebGIS技術、三維建模技術、全景漫游技術、定位導航技術與信息發布等技術的整合運用和聯動交互，構建一個能更好地展示四川水利職業技術學院的教育環境尤其是水利校園文化景觀，硬件條件、師資和管理水平的智慧校園平臺。對外展示學校建設成果，對內為全校師生提供快速搜索校園信息，準確定位校園地標點位置，及時分享校園學習與生活信息的全新信息平臺。

1 全景智慧校園的研究現狀

通過文獻調研發現，國外較早就對智慧校園部署建設進行了探索研究，已經擁有較多的先進實踐案例。例如：賓夕法尼亞大學的校園一卡通經RFID技術集成多種應用后，可以支持Penny Card與手機SIM卡集成，并集成銀行卡功能，學生畢業之后仍可以作為打折卡使用。英國諾丁漢大學構建統一的校園呼叫中心，為全校36000名學生和6500名教職工提供了24小時服務熱線，打造出完善的災備系統和人性化服務平臺。

圖1 Web GIS的工作原理圖

反觀國內的智慧校園研究起步相對較晚，但是具有廣闊的研究發展空間和潛力。2010年，浙江大學首次提出了以建設無處不在的網絡學習、融合創新網絡科研、透明高效的校務治理、豐富多彩的校園文化、方便周到的校園生活為核心思想的“智慧校園”概念。南京郵電大學與江蘇金智公司合作，推出了基于物聯網和成熟數字化校園基礎設施的“智慧校園”。在西南交通大學食堂和浙江理工大學的食堂里，“智盤自選餐廳快速結算系統”已經開始為智慧校園增添了更多智能色彩。此外，清華大學、中國石油大學、許昌學院、黃淮學院等也相繼建設了三維虛擬校園或全景智慧校園。

綜上可知，目前各高校校園網已日漸成熟，網民眾多，且隨著POSTGRESQL等GIS相關開源工具和技術的日趨成熟和不斷發展，建設一個以地理信息系統平臺為基礎，集成三維校園、實景校園、室內校園，提供豐富的位置服務和客戶體驗的WebGIS開放式智慧校園全景漫游平臺是對高校智慧校園建設的一次有益嘗試和積極創新。

2 相關技術研究

2.1 Web GIS

Web GIS就是Web和GIS的結合，這樣的結合促進了雙方的發展，增強了GIS交互式的操作感。用戶可以在客戶端上瀏覽系統發布的地理數據，向服務器發送數據查詢、空間分析、專題圖制作等請求。服務器對響應這些請求后，并把結果傳給客戶端，用戶就可以在客戶端的瀏覽器上看到想要的結果。Web GIS的工作原理如圖1所示。

目前，主流的 Web GIS 產品主要有：ESRI的Arc IMS和Arc GIS Server、超圖公司的 Super Map i Server、Map Info 的Map Xtreme 等。本系統選擇的Arc GIS Server具有以下優點：支持矢量、柵格以及三維模型數據；支持NET與Flxe的網絡應用程序開發框架；支持多種數據庫，如Postgre SQL等；支持Arc SDE空間數據引擎，可以對空間數據進行入庫管理；有強大的轉換坐標、地圖打印、空間分析等功能。此外，Arc GIS Server開發的平臺穩定性強、漏洞少、接口設計好等優點為本系統的實際開發和運行提供了基本保障。

圖2 智慧校園數據關聯圖

圖3 系統構架圖

2.2 三維建模軟件

目前市場上較為主流的建模軟件有：3D Max、sketchup等。其中使用3ds Max建立的模型優點在于精細、渲染效果好，但是也有其不足之處如：模型數據量大、成本相對較高，為系統的管理帶來很多問題。而Sketchup的優勢有：簡潔大方的操作界面；用戶可短期內掌握使用方法，；應用范圍廣：可以應用在游戲、建筑設計、地圖展示、園林景觀、室內場景和工業設計等領域；還可以用CAD對剖面圖進行處理；支持多種數據格式，包括DWG、3DS等格式的數據，多數據的支持可以使sketchup制作的模型被更多的軟件使用。鑒于此，本系統擬采用sketchup軟件對校園進行建模。

2.3 360度全景技術

全景，又被稱為3D實景，是一種新興的富媒體技術，其與視頻，聲音，圖片等傳統的流媒體最大的區別是“可操作，可交互”操作。在本系統中用三維模型展示整體的校園環境，對于校園的細節部分和建筑內部結構用全景數據展示。這樣用圖片展示代替模型展示細節的優勢有：全景照片是在現場實地拍攝，是現場場景的真實表達，這樣的展示比三維的模型更有現場感；場景360度全方位的展示，表達了更多的信息，并且用戶可以隨意的操作，良好的交互性；在全景數據上設置相應的熱區，實現與多媒體數據的關聯，能夠多方式的表達校園信息；全景數據是用圖片拼接成的，所以數據非常小，網絡上傳輸的速度快，展示流暢。

2.4 物聯網技術

物聯網是通過射頻識別（（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。本系統設計的物聯網主要是把教室的視頻監控信息融入智慧校園的平臺，把監控信息和監控點對應的空間位置相關聯，實現相互的查詢定位。

3 水利特色全景智慧校園系統的分析與設計

3.1 系統需求分析（可以考慮加入校園安保防護等）

3.1.1 校園的需求分析

四川水利職業技術學院是一所有著60年歷史的公辦高職院校，學院因水而起，因水而興，在四川水利水電行業享有“黃埔軍校”的美譽，尤其是2014年省示范建設之“水利特色校園文化”建設項目營造的親水、愛水、敬水三大景觀平臺是我校有別于眾多高職院校的特色景觀。學院占地面積854.3余畝，建筑面積261490平方米。學校在校生達8400余人，另有教職工500多人。學院現有各類實驗、實訓場所60多個。學院日常教學和管理工作較為繁重，且學校面積較大，樓宇建筑眾多。因此，建立現代化的智慧校園管理系統毫無疑問為學院的不斷的發展添翼助飛。

3.1.2 系統功能的需求分析

通過對現有智慧校園系統的調查研究和對用戶實際需求的分析，系統的設計需要完成以下的功能：

①三維校園可視化漫游：系統集成三維場景的放大、縮小、漫游、平移等功能以及對室內的 360 度全景數據的瀏覽，完成三維到全景的切換。還可在三維場景中設置飛行路線，對其進行飛行瀏覽地理景觀。滿足用戶真實感的需求。

②二維、三維及360度全景的聯動：三維地理位置和二維導航的聯動，可以動態展示和交互式觀察，消除用戶在三維校園漫游時產生的迷失感。與36度全景數據的聯動，用戶在瀏覽全景數據時，在三維空間中可定位到全景數據的空間位置。

③空間查詢： 用戶選中三維空間中的建筑物，選擇查詢彈出該建筑物的屬性和多媒體信息，實現空間位置、文字、視頻的融合。全方位的展示滿足了各種用戶喜好的需求。

④學生信息管理： 考慮到校園管理者需要對學生的基本信息進行登記和管理，同時，要向管理者提供查詢學生居住宿舍的地理位置信息的功能。設計中應該滿足用戶這樣的需求。

⑤教室信息查詢： 用戶在三維建筑的內部，可通過360度全景圖片的熱區，對內部教室信息進行查詢，彈出窗口顯示屬性信息，包括教室的具體位置、可容納人數、本教室的課表、該教室的視頻課件以及該教室的監控信息。滿足學生需要了解教室實時信息的需求。

3.1.3 系統的可行性分析

（1）數據是基礎

GIS的系統的開發的基礎是數據，數據的采集和處理顯得格外的重要。首先是模型數據的準備。學院羊馬新校區的電子地形圖和基礎的地理數據，用全站儀采集的地物的坐標信息，導入CAD生產dwg格式的數字線化圖。校園樓宇景觀三維模型粗模（教學樓、行政樓、圖書館、餐廳、活動中心）；過對前期數據的調研，從時間和硬件方面考慮，都可完成系統需要的數據，因此從數據方面來說系統的實現是可行的。

本系統的設計和實現中用到多種數據，來實現系統的各個功能。對用到的數據可整理后，把數據分為地理空間數據、屬性信息數據和多媒體數據。各數據之間的關聯如圖2所示：

（2）團隊技術支撐

項目組成員擁有比較豐富的數字化校園建設經驗，負責建設了學院數字化校園的基礎工程（一卡通、三大平臺），全程參與學院2015年“掌上智慧校園”建設項目；具有很強的計算機語言編程和系統架構能力和測繪能力和GIS運用能力。通過查閱相關資料，進行集體多方討論，周密的設計計劃，團隊的大力支持，相信可以完成系統的設計開發。

3.2 水利特色全景智慧校園系統的設計

（1）智慧校園系統平臺總體設計

系統主要分為四大功能模塊：三維全景校園的展示模塊、多媒體展示、學生管理模塊、教室信息管理模塊，設計的結構如圖3所示：

（2）系統的主界面設計美觀整潔的系統界面，會直接影響用戶對系統的評價。因此，系統參考多個相關系統的界面設計，在傳承一些基本因素的前提下，把各個功能合理的設計在其中。其設計如圖4所示：

圖4 系統主界面

（3）三維可視化的模塊設計

該模塊提供了三維場景瀏覽的基本功能，如縮放、漫游、旋轉、三維導航、環視等功能，二維導航圖、三維視圖以及360提全景圖實時聯動，以多視角全方位的展示了校園的真實風貌以及校園的詳細信息，360°全景照片展示校園建筑的內部景觀，使用戶雖未踏步其中，卻有身臨其境的感覺，方便用戶瀏覽三維場景，三維場景如圖5、6、7所示。

圖5 蓮花湖水景觀三維展示

圖6 水文化長廊 水文化展廳

圖7 校園全景展示

（4）校園多媒體信息的綜合展示 該模塊通過空間定位的方式把多媒體信息和校園的三維空間位置相關聯，更好的向用戶展示校園風貌。

3.3 學生信息管理系統

該模塊主要是為校園管理者設計，主要有學生信息的錄入、查詢、修改的功能，學生用戶只能查看自己的信息。模塊主學生信息錄入。用戶可新建、修改、保存學生信息。戶可新學生信息查詢可對學生信息進行查詢，并彈出對話框現實學生的基本信息。對學生學生課表管理 可選擇查看學生的課表的功能，系統自動連接到學生的課表，管理者點擊對應每節課對應的教室，系統的主界面將定位到對應教室三維場景，在場景中選擇教室管理的要素識別，就可知道教室的相關信息，也可以查看實時的監控視頻。可以了解該學生是否在教室上課，實現網上對學生進行考勤。其關聯關系如圖8所示：

圖8 學生信息管理系統圖

3.4 教室管理系統

教室管理系統擬采用外部建筑三維模型的可視化，內部的景觀展示采用 360 度全景數據的虛擬漫游現實來實現。該系統可實現的功能主要有對系統的教室全景進行瀏覽時，單擊相關要素識別，就可彈出小窗口顯示該教室的位置編號、課表、容量信息、開放時間、實時視頻監控等信息，訪問者可根據這些信息來安排自己去相關教室上課，可以選擇較長時間無課的教室來上自習。如圖9所示：

圖9 教室管理系統圖

4 結語

本文提出了展現水利特色的全景智慧校園系統的研究和設計，實現了部分系統功能，但還有許多系統功能需要實現和完善。對于智慧校園的研究才剛剛開始，智慧校園研究之路還很漫長。隨著物聯網技術的不斷發展，今后可實現更多的校園智能化的感知環境，讓校園管理更加智能化。

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Design and research system of a 3D wisdom of the campus based on WebGIS

Min Luo
（Sichuan water conservancy vocational college， Chengdu，Sichuan，China）

Abstract：In this paper，we have expounded the design concepts of water conservancy characteristics Three-Dimensional（3D）wisdom campus system based on the Web GIS. And further present the establishment of practical，feasible design scheme to construct a water conservancy characteristic wisdom campus system. The multifunctional platform including browse，query，and analysis were formed based on the 3D campus scene，especially on the basis of water landscape scenes characteristics.This platform were fused the 3D data，terrain data，panoramic photo data and multimedia data， and through the Web GIS to release the above data together.Then the users can better understand the campus information easily and quickly.Meanwhile，the application of the internet of things technology， real-time monitoring information of the classroom can help students to choose the appropriate study area to achieve the optimal use of campus resources.

Keywords：Panoramic wisdom campus；water conservancy characteristics；WebGIS；3D visualization

基金項目：四川水利職業技術學院資助項目（KY2015-15）

作者簡介

羅敏（1981-），女，四川宜賓人，碩士，講師，主要從事計算機應用研究