三維智慧校園系統的研究與實現

黃偉航，王星捷

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614007)

0 引 言

在當前的大數據環境下，隨著智能化的數據處理技術不斷發展，校園信息化的建設也逐漸日新月異趨向智能化、多樣化。智慧校園的發展建設需要能夠為校園提供一個更加快捷的信息交互平臺，使教學、管理、生活充分融合，促進現代教育的發展。

智慧校園不僅只有數字校園建設基礎平臺，還應該具有人性化的管理。目前在智慧校園系統上的研究已經取得了諸多成果，如基于GIS通過三維建模應用于校園虛擬環境進行模擬[1]，使得構建出的虛擬校園模型具有應用性；利用GIS系統實現校園內社團管理[2]，實現數據在空間上的表達；利用WIFI無線通信技術對校內個人空間實現智能化管理[3]，方便校內人員日常的簡單需求；構建校園WIFI定位平臺實現利用大數據進行多種平臺服務[4]。類似的成果在智慧校園基礎上延伸研究還有許多。

但是以上研究強調實現系統的某些功能，缺乏多維數據的融合，缺乏實際校園在虛擬上的映射[5-6]，在作為學校整體化的智慧校園系統仍有一定不足。因此，文中在數據上融合了二維空間數據、三維空間數據[7]、時空數據[8-10]和關系數據，在系統上結合了GIS平臺，虛擬技術平臺[11-12]和C/S的模式實現了三維智慧校園[13-14]。

1 系統框架設計

系統基本構架體系按數據過程流分為基礎環境層、數據資源層、核心邏輯層、應用表現層。其中基礎環境層包括該系統所需的所有基礎；數據資源層包括基本數據庫與地理數據庫；核心邏輯層通過系統劃分的模塊將數據層數據進行融合，實現模塊對應的功能；應用表現層則將核心邏輯層最后的結果展現在系統平臺上。系統框架結構如圖1所示。

圖1 系統架構

基礎環境層為智慧校園實現的基礎，服務端基礎環境需依托校園網絡服務器，該層包含校園網絡設施、校園智能終端、校園基礎物聯網系統、設施維護系統4部分。對于現代化智能網絡的需求，智慧校園系統利用校園內部網絡高速傳輸的優勢，將校園物聯網系統與校園終端連接，實現精確的點對點信息傳輸，構建出透明的虛擬校園映射，為智慧校園系統作為智能化終端，為大數據處理、智能應用服務提供技術支持基礎。使得后期在智能校園終端構建系統發展更加便捷、交互更加流暢。最后作為長期運行的系統還需構建出一個完善的運行管理制度，對服務器設備、數據庫資源、系統傳輸信息、系統運行進行實時的監控管理，使智慧校園為學校實行高效穩定安全的服務管理。

數據資源層包括三種數據庫的數據，分別為地理數據、校園基本數據、時空數據。地理數據庫中儲存用于顯示地圖與支持空間查詢的地理數據，分為二維校園數據與三維校園數據：其中二維數據源于對校園矢量化得到，三維數據在二維數據的基礎上，通過對建筑進行實際建模得到；地理屬性通過實際采集導入。校園基本數據用于實現校園數據管理，根據對象分為人員數據庫與建筑數據庫；該類數據都同樣源于實際數據導入。時空數據分為狀態數據、時間段數據，狀態數據與校園基本數據并列，儲存人員、建筑信息的實時數據，時間段數據作為時間段對照，數據通過對校園一天的時間分布情況得到，狀態數據由SQL語言進行處理。

核心邏輯層實現多種系統模塊中的具體功能，所以該層具體的大小由系統模塊的功能控制；目前該層已經實現所有功能，但由于智慧校園系統是一個不斷發展的人性化系統，該層也將在未來添加更多與時俱進的實用功能。

應用表現層實現核心層與用戶的交互，系統采用C/S的結構模式，目前已經實現在PC端上的使用。在PC端采用VS2013為開發工具，以C#為開發語言，在系統中基本數據庫采用SQL server的API接口連接SQL數據庫，地理信息系統采用MAPGIS數據庫作為地理數據庫并且使用API實現校園二三維地圖相關功能。今后系統將在其他如Android、IOS、Web等常用平臺開發上滿足使用者在不同場合的使用。

2 系統數據庫設計

(1)數據采集設計。

在系統中SQL數據庫與空間數據的連接，實現查詢建筑內部信息，需要對學校內部所有建筑系統數據的需求進行實際考察，當前系統包含教學樓系統、宿舍系統、圖書館系統，所以在考察過程中對每一間教室、寢室、辦公室，每一本圖書相關數據進行獲取。為了后續數據的延伸和擴展，采用動態批量添加數據的方式，將數據表轉為excel表并批量生成SQL語句在SQL server中運行錄入，對于地理數據則直接通過MapGIS平臺錄入，最后將數據矢量化轉化為要素類存入地理數據庫中。

(2)空間數據庫設計。

地理數據庫中包括二維數據集、三維數據集、柵格數據。二維數據集包括背景矢量數據、建筑矢量數據、關鍵點、線數據：顯示背景矢量要素通過對校園綠化、湖泊、道路、街道進行矢量得到；建筑數據由實際考察數據進行導入得到；尋路的點要素通過對道路分岔口進行標注，尋路線要素通過MapGIS高級拆分工具將點要素對道路線要素進行打斷得到。三維數據集包含背景的三維模型與建筑模型，兩種模型都通過實際參考進行建模，提高模型的真實度。通過對學校的遙感影像數據進行單元分割得到對應的柵格數據，該數據用于二維地圖矢量數據的底圖。

(3)導航圖層地理數據設計。

導航路網實際由導航點要素集與導航線要素集構成，點要素通過鏈表連接相連的點；線要素通過鏈表連接線要素兩端的點要素。點要素與線要素構建了校園道路網絡，道路網絡作為校園導航基礎數據。

(4)關系數據庫設計。

該數據庫按照對象分為校內人員數據、建筑信息數據；人員數據包括學生數據與教師數據，所有數據通過目前校園管理系統數據表導入得到，建筑數據包括圖書館信息數據、教學樓信息數據、寢室樓信息數據、食堂信息數據，數據的結構及其之間的聯系，根據各自信息數據的需求和特性進行設計，并設計了預留的數據接口，方便后續的信息擴展。

(5)時空數據庫設計。

該數據庫分為狀態數據、時間段數據，狀態數據為在SQL數據庫上進行補充連接，狀態存儲即時狀態代號，狀態備注將根據狀態不同存儲對應的信息，表現該元數據的即時狀態。時間段數據包括校園作息時間表和學生課表信息，作息時間表通過校園的作息時間信息獲取，并轉化為數據表的形式，作為系統時間狀態對照基礎；學生課表信息同樣通過校園排課系統得到的電子版轉換為數據表得到。具體設計如圖2所示。

圖2 時空數據設計

(6)系統數據庫關系。

系統分為SQL數據與地理數據：SQL數據包含每一個建筑的數據，地理數據庫包含對應建筑的代號，兩種數據在這里連接，實現雙向查詢。以下將分別列舉部分地理數據、SQL數據的幾個重要連接字段，以及描述連接時字段的作用，便于空間查詢和屬性查詢，如圖3所示。

圖3 系統數據庫關系

空間查詢結構：教學樓建筑數據包含每一間教室的數據，其中教學樓地理數據存放在地理數據庫中，教室信息數據存放在SQL數據庫中，在實現地圖至SQL方向的空間查詢中，將根據空間查詢的結果獲取教學樓的數據，再利用數據從SQL數據庫中的教學樓屬性表獲取該教學樓的所有教室信息。

屬性查詢結構：學生的時空性查詢利用學生屬性表中的狀態字段。在SQL數據庫通過屬性查詢得到目標學生的信息，根據狀態字段數據在地理數據庫中進行空間查詢得到實際的學生時空信息。

3 系統技術實現與實驗分析

系統中的地理模塊通過引入MapGIS 10.0 API接口服務實現，并作為地理數據庫存儲基礎。該API作為國內主流地信系統API，系統框架的搭建比較全面，功能應用上也較為完善，在實現空間查詢功能的過程中可對大數據批量操作并且具有時效快等優點，適用于當前PC端口的開發。

在智慧校園系統中利用此API作為地圖服務基礎，方便與其他數據結構的連接與空間查詢位置的獲取。以成都理工大學工程技術學院為例，該系統依據校園內教學樓、宿舍樓、圖書館、食堂分別制作出對應子系統，并在各個子系統實現與時空數據的連接，開發出獲取實時建筑狀態功能。

三維系統利用MapGIS 10.0 API開發，三維地圖是在SketchUp 8三維建模軟件中，在二維地圖基礎上導入現實建筑照片，對校園內所有建筑進行建模。人工建模先比直接拉伸得到三維地圖觀賞性更強，便于用戶交互。

建模完畢后分別導出建筑模型文件與背景模型文件，在MapGIS中導入模型，利用工具轉化為3D多面體圖層，建立背景圖層和建筑圖層，之后對建筑圖層錄入數據，完成三維地圖的制作。

圖4 三維空間查詢

具有屬性的建筑模型圖層可以在地圖中實現三維空間查詢，背景模型圖層作為顯示校園的背景，通過在校園內著名景點部署漫游路線實現對景點的自動漫游功能，如圖4所示。

校園導航根據A*最短路徑算法[15-16]的思想，同時加入計算路程損失度和路徑人流量權重，根據人流情況，智能化地計算路徑。

導航需要用到地理數據庫中的導航點要素集與導航線要素集，計算路徑需獲取使用者輸入的起始點與終點，兩種點通過反向距離法在導航點要素集中找到最短的計算路線點。

尋路大體過程與A*思想相同，開始設置初始點作為當前點，對當前點在導航點要素集進行查詢獲取與其連接的點，接著對所有連接點計算至終點的損失，損失具體函數如下：

其中，Ep為終點，n為當前點，p為路段擁擠度。

比較所有連接點的損失值，找到最小損失點作為當前點繼續循環，直到下一個連接點為終點。

導航在A*思想之上進行了改進，考慮到了在進入錯誤的岔路時算法將崩潰的情況。改進方法為在崩潰時反向遍歷路徑，找到最后一個有第二損失的路徑點，以此點作為當前點繼續計算路徑。解決了導航進入錯誤路徑而導致系統崩潰的情況。具體實現效果如圖5所示。

圖5 校園導航

時空查詢在地理數據庫與SQL數據庫雙向鏈接的基礎上實現，分為從地理至SQL方向的空間查詢與從SQL至地理方向的屬性查詢，得到的查詢結果同時具有時間性與空間性。

在二維地圖上右擊獲取背景坐標，通過地理轉換得到在地圖中的坐標，并在地理空間數據庫中進行拓撲空間查詢得到該建筑物并且在三維地圖上定位到該建筑圖元的三維信息。方便獲取建筑圖元屬性表中的具體屬性信息，根據屬性自動關聯的SQL屬性表，根據屬性表將數據具體實時信息顯示在查詢結果中。如：右擊教學樓將顯示該教學樓中所有教室的實時信息，右擊寢室將查看該樓棟所有寢室實時情況，右擊圖書館將查看實時圖書館人數情況，右擊食堂將查看實時食堂中菜肴的信息。

屬性查詢實現對學生、教師、教室、寢室、圖書的查詢，查詢結果包括基本數據、實時狀態、當前位置。根據具體的時間進行屬性查詢，如查詢某時段教室信息、寢室信息、學生信息、老師信息以及圖書館的流量信息，可以準確地反映出該時段具體的屬性信息，同時對于所查詢的信息能夠進行空間定位，如教室、寢室這類房間信息還會獲取該房間所在樓層的平面圖，智能化地查找出所需要查找的學生、教師及行政人員等各種信息。對于某時段查詢的學生、教師人員信息能顯示該人員的課表信息，上課的教室位置信息，以及該人員的空余時間等智能化信息數據。具體效果如圖6所示。

圖6 時空信息查詢

4 結束語

針對當前智慧校園系統在三維表達、時空性以及綜合性方面的不足，研究和實現了三維智慧校園系統，結合三維空間數據庫、關系數據庫、時空數據庫三種數據，采用了MapGIS10.0和SQL server平臺對智慧校園系統的框架進行構建，實現了三維時空多維度展現的智慧校園系統，展現出如智慧查詢、實時導航、時空查詢服務等多種功能。從實驗中可以看出，利用該系統取得了良好的效果，為將來三維智慧校園系統以及時空數據應用的發展提供了一定的技術參考。