數字虛擬校園系統技術分析與研究

孫宇 任海鵬

摘要：數字校園已經從信息管理、知識管理發展到了全景式管理，從原來的圖像、文字展示發展到了3D模型交互模式，極大地豐富了數字校園的功能，同時提高了數字校園的生動性、趣味性、智能性。本文在對數字虛擬校園系統的應用發展現狀分析的基礎上，介紹了數字虛擬校園開發所涉及的技術，并且重點介紹了WebCIS在數字虛擬校園系統的應用，適應現代智能手機、平板電腦發展需要。

關鍵詞：WebGIS;數字虛擬校園;虛擬現實;三維建模

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0115-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

校園虛擬化一直是政府機構、軟件公司和校園管理人員研究的熱點，經過多年的發展，現在大多數學校都已經引入了先進的圖書館借閱管理系統、后勤保障系統、學管系統、教科研系統、教務系統等等應用系統，但是這些應用系統多屬于獨立部署模式，沒有形成一個融合的校園系統，僅僅能夠展示一些校園建筑圖片或文字，不能夠進行互動交流[1]。

經過多年的研究，人們提出了虛擬校園，其可以將地理信息系統、虛擬現實、互聯網等整合在一起，比如可以將校園建筑與地理位置結合在一起，利用三維建模技術展示一個建筑實景，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，當用戶進入虛擬校園系統之后，利用虛擬技術可以對校園中的實物進行細致的觀察，也可以進行相關訪問的操作[2]。

1 數字虛擬校園系統分析

數字虛擬校園經過了多年的發展和應用，其引入的技術非常多，比如云計算、虛擬現實、3D建模、CPS、移動通信技術，數字虛擬校園的功能也隨著技術的使用更加完善，許多數字虛擬校園建構在實際建筑上，能夠將學校歷史與文化、教學科研輔助機構、大樓大樹和大景整合在一起，為用戶提供一個接人和瀏覽通道，使用鼠標可以任意的拖動、放大、縮小校園內容，方便學校的招生宣傳、科研教學、行政管理[3]。

數字虛擬校園涉及的技術很多，下面將對其中的關鍵技術進行簡單闡述：

1.1云計算

云計算利用虛擬化技術，可以將系統所需的所有的硬件設備資源進行集成，為數字虛擬校園的運行提供了一個集成的、統一的、并發的、虛擬的平臺，對這個平臺進行劃分可以分為三個層次，這三個層次分別定義為基礎設施即服務層（IaaS）、平臺即服務層（ PaaS）和軟件即服務層（SaaS）。

基礎設施即服務的虛擬化程度最低，可以為數字虛擬校園直接分配需要的硬件資源，比如CPU、網絡帶寬、存儲區域等等資源，但為了能夠保障獨立占用硬件空間，而不與其他的系統之間進行共享和訪問等操作，因此云平臺的并發性就無法提高了，也無法節約資源和提高使用效率[4]。

平臺即服務（ PaaS）可以為數字虛擬校園系統提供一個運行管理機制，這個運行管理機制會將系統保存在一個區域，按照用戶的訪問進行系統調度，共享硬件資源，從而可以提高系統的并發性和資源的利用率。

軟件即服務（SaaS）可以在一個較小的存儲空間中進行數字虛擬校園系統的部署，根據軟件配置的不同模式選擇和系統用戶的訪問頻率次數，定期地調整更換硬件平臺的使用程序，從而為系統的用戶提供最高性能的并發服務，實現多個系統用戶之間對CPU資源、帶寬資源和云平臺資源的共享。

1.2虛擬現實

虛擬現實又稱為VR（Visual RealitV）是一種集成性的計算機技術，虛擬現實是一項綜合技術，它涵蓋了圖形圖像處理、互聯網、傳感器、多媒體、人機交互、仿真系統開發等等方面的技術，從而能夠為用戶提供一個模擬了真實環境的虛擬世界，并且在這個虛擬世界中，用戶會感受到較強的沉浸感。在數字虛擬校園系統的開發中，引入虛擬現實技術，利用虛擬現實為在校的教師、學生、學校管理人員以及校園訪問者提供一種新型的人機接口，可以使用戶沉浸在計算機生成的虛擬世界，同時還可以為虛擬校園系統用戶提供一種與虛擬世界通信的手段，當系統用戶進行操作虛擬世界的三維實體模型對象時，該模型對象能夠針對用戶的不同操作反饋出實時的結果[5]。

1.3 3D建模

在對數字虛擬校園系統開發的過程中，需要利用虛擬現實、圖像處理技術進行圖像的繪制操作，從而能夠實現將實體目標的模型進行快速化地渲染，并且能夠提供瀏覽。為了完成這個需求，需要在數字虛擬校園運行的過程中嵌入3D建模繪圖的功能，因為先進的繪圖管理功能可以提供對3D繪圖功能的支持，而且能夠有效地實現對于圖像的旋轉角度、拖動、縮放大小等等操作的支持，不僅能夠降低對于互聯網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

我們平時使用的百度地圖、高德地圖都是使用嵌入式電子地圖開發的應用軟件，是移動定位功能在各種不同類型的嵌入式軟件上的應用，這些應用開發得益于GPS、北斗導航等衛星定位技術的廣泛普及。

1.5移動通信

隨著移動通信的發展進入5G通信時代，第五代移動通信技術簡稱5G或5G技術是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼4G、3G和2G系統之后的延伸。5G將會具有高數據速率、延遲更少、能源更節省、成本更低、系統容量更高和設備連接規模更大的優勢。數字虛擬校園系統中對于高清晰視頻、在線學習等數據業務的傳輸需求依賴移動通信技術，SG能夠給予更好的技術支持。

2 數字虛擬校園系統設計

數字虛擬校園系統的功能很豐富，通過對校園內的圖書館、體育館、食堂、學生宿舍、生活設施、教室、實驗實訓室以及行政辦公樓等建筑物的數字化，用戶可以更加直觀形象地對校園建筑實體進行查看，并且共享信息[6]。基于WebGIS的校園系統集成過程中，WebGIS最為重要的內容就是構建一個云計算平臺，實現人們的操作和管理。并且能夠將系統服務器的存儲內容虛擬化，這樣就可以保存更多的系統數據化內容[7]。具體來看，基于WebGIS構建自頂向下將系統進行劃分，可以劃分成表示層、邏輯業務處理層和數據業務處理層三個層次，對每一個層次的關鍵內容進行描述如下：

2.1 用戶交互層（表示層）

用戶交互層可以為在校的教師、學生、學校管理人員以及校園訪問者等用戶提供一個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務請求信息的操作，同樣也可以輸出邏輯業務結果輸出的內容[8]。用戶交互層主要應用于設計信息管理系統的最前端，其可以與用戶進行直接交互，實現用戶的信息處理需求和軟件功能模式，將一個虛擬化的信息存儲空間分配給用戶用于運行系統，以期進一步實現對用戶的邏輯業務并發處理和操作功能，面對系統數以千計的用戶數量，能夠實現用戶對于網絡、硬件和數據資源的共享和資源利用率的提升，進而改進系統運行的效能。

2.2邏輯業務服務層

邏輯業務服務層主要是能夠將數字化校園系統的各種業務進行集成和處理。尤其是在WebGIS處理過程中，其可以將這些信息解析出來發送給數據處理層。同時，為了提高Web-GIS處理效率，邏輯業務服務層引入了虛擬化技術，該技術可以使用更加完善的并發處理操作，對諸如Web邏輯服務配置、光纖通信部署、存儲單元服務等方面進行管理，還可以對相關的邏輯業務進行按需分配管理，對系統中的全部邏輯業務資源可以實現共享，大大完善了系統邏輯業務處理的功能，建立了一個非常強大的輪詢調度管理的機制，使得軟硬件資源的并發訪問處理能力得以實現，系統硬件資源的使用效率等問題也得到了有效提升。

2.3 數據業務處理層

數據業務處理層又被稱為物理設施層，也就是通常說的硬件資源層。通過這些物理設施可以為系統用戶提供很多的子功能邏輯業務處理系統，用于對通信的處理、信息的加工、數據的存儲服務這些基礎的應用功能提供支持，同時對于基本業務操作管理可以通過創建一個ESB總線來實現，以此為系統的邏輯業務處理服務提供更好的支持，這樣的系統具有更好的可擴展性和可維護性，系統資源利用率也會更高，避免造成相關的資源浪費。

在WebGIS業務處理過程與設計過程中，WebGIS主要包括空間地圖信息和3D建筑模型的集成，這些信息設計過程中需要采用一個非常關鍵的中間件，這個中間件可以用于協調應用程序與互聯網之間的通信內容，還能夠對GIS操作模塊合成，對來自不同的計算平臺之間的交互操作內容進行管理，數字化虛擬校園系統采用了ArcIMS中間件。

ArcIMS中間件可以在客戶端、服務器端實現通訊處理操作，通過將Web瀏覽器、Servlets服務引擎、ArcIMS應用服務連接器、應用服務器和ArcIMS監控器進行集成，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，它們可以對應用程序的服務進行處理操作，還能保障地理信息系統與應用用戶之間的負載均衡狀態。同時，使用Java語言編程的ArcIMS中間件還可以作為一個后臺程序進行運行，滿足了用戶對地圖組件目錄的查詢、定位和鏈接的操作，實現了追蹤地圖服務的提供，在此基礎上，ArcIMS應用服務器對空間服務器進行合理的分配，多個應用服務器之間可以實現同時進行通信。

3 結束語

數字虛擬校園系統集成虛擬現實、GIS、GPS、3D建模等多種應用技術，實現一個可視化的、實時化的、動態服務的信息處理模式，能夠幫助校園用戶查看各個建筑物的位置，實景查看學校的各類型建筑布局等信息，具有重要的作用和意義。

參考文獻：

[1]蹇旭，羅南超，孫丹.云計算在高校數字校園建設中的應用研究與分析[J].信息通信，2014，27（8）：105-106.

[2]胡峻銘，鄧成俊.數字化校園中信息資源整合和共享平臺建設分析[J].數字技術與應用，2015（12）：236.

[3]江濤.基于WEBGIS的數字虛擬校園系統設計與實現[J].信息與電腦（理論版），2011（3）：44.

[4]陳啟祥，鄭慶花，蘇艷，基于X3D的分布式虛擬校園系統的設計開發[J].計算機時代，2007（1）：11-13.

[5]楊波，謝瑞蓮.基于WebGIS的數字咸陽師范學院建設構想[J].測繪與空間地理信息，2011，34（4）：26-28，33.

[6]周瑩.WebGIS在校園數字化進程中的應用研究[J].濰坊學院學報，2006，6（6）：63-65.

[7]周立剛，姬龍濤，基于Web GIS的虛擬校園綜合體系研究[J].電腦開發與應用，2012，25（8）：26-29.

[8] Lyu Zhihan，Zhong Chen，Feng Liangbing，et aI.A high-speed in-dex for the multi-scale overlay landscape map on ubiquitousWebGIS[J].Journal of Shenzhen University Science and Engi-neering，2013，30（5）：480-485.

[通聯編輯：光文玲]

基金項目：安徽省高校自然科學重點研究項目資助（KJ2017A758）

作者簡介：孫宇（1983-），女，安徽蕪湖人，學士，講師，主要研究方向為云計算。