基于大數(shù)據(jù)的智慧校園系統(tǒng)開發(fā)

摘" 要：針對智慧校園中的信息孤島問題與智慧決策、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、無法與擬真環(huán)境聯(lián)動等問題，該文利用數(shù)字孿生技術(shù)及OpenCV與CNC算法技術(shù)，以傾斜攝影實景三維建模技術(shù)為基礎(chǔ)，通過虛幻引擎5軟件構(gòu)建藍圖，以南寧某大學為研究原型進行三維還原，完成數(shù)據(jù)可視化與虛擬現(xiàn)實交互功能的構(gòu)建。基于大數(shù)據(jù)對研究區(qū)進行虛擬環(huán)境信息創(chuàng)建，從而實現(xiàn)校園的信息化管理構(gòu)建，動態(tài)實時展示校園數(shù)據(jù)，在數(shù)字化戰(zhàn)略導(dǎo)向下為智慧校園平臺搭建提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；三維可視化技術(shù)；智慧校園；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號：TP311.52" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0062-06

Abstract： Aiming at the problems of information islands in smart campuses， smart decision-making， inconsistent data， and inability to interact with virtual environments， this paper uses digital twin technology， as well as OpenCV and CNC algorithm technologies， based on tilt photography real-life three-dimensional modeling technology， and uses Unreal Engine 5 software to build a blueprint， using a university in Nanning as a research prototype for three-dimensional restoration， completing the construction of data visualization and virtual reality interactive functions. Based on big data， virtual environment information is created in the research area， thereby realizing the informatization management and construction of the campus， dynamically displaying campus data in real time， and providing technical reference for the construction of smart campus platforms under the guidance of digitalization strategy.

Keywords： big data; 3D visualization technology; smart campus; virtual reality technology; system development

習近平總書記在主持中央政治局第五次集體學習時指出：“教育數(shù)字化是我國開辟教育發(fā)展新賽道和塑造教育發(fā)展新優(yōu)勢的重要突破口。”習近平總書記的重要論述，深刻揭示了教育數(shù)字化的關(guān)鍵作用，為本研究建設(shè)教育強國指明了方向和路徑。目前，在廣西地區(qū)，以及其他一些經(jīng)濟相對落后、數(shù)字化落實相對匱乏的地區(qū)，可能尚未有明確的政策與實施方案來推廣和應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)[1]。本文以南寧理工學院為例，使用OpenCV計算人員分布算法，克服了重復(fù)統(tǒng)計和誤報問題、實時性檢測和準確性問題等困難，完成了OpenCV計算人員分布算法，搭建出了南寧理工學院數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)過程。

1" 數(shù)字孿生走進校園

校園發(fā)展模式正在從傳統(tǒng)校園演變成智慧校園[2]，數(shù)字孿生是一個集成了人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)的綜合性系統(tǒng)，它已經(jīng)在交通、軍事等專業(yè)領(lǐng)域中展現(xiàn)了顯著的應(yīng)用成效，尤其在智能安防和智能交通管理方面，其應(yīng)用設(shè)計已經(jīng)相當成熟，并擁有較為完善的框架體系。然而，在校園可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)方面，數(shù)字孿生的應(yīng)用尚不廣泛，這限制了其將真實環(huán)境聯(lián)動的沉浸性優(yōu)勢應(yīng)用于校園數(shù)據(jù)可視化的潛力。盡管如此，這一領(lǐng)域的研究前景依然十分廣闊。在數(shù)據(jù)處理效率方面，數(shù)字孿生技術(shù)通過OpenCV等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的快速處理和分析。

在校園可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r、準確地收集和整理來自各個校園系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如教學、管理、后勤等，為決策者提供全面、及時的信息支持。此外，通過OpenCV技術(shù)，智慧校園還能夠自動識別和預(yù)測數(shù)據(jù)中的模式和趨勢，進一步提高數(shù)據(jù)處理的效率和準確性。在數(shù)據(jù)可視化方面，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)?fù)雜的數(shù)據(jù)信息以直觀、易于理解的形式展現(xiàn)出來，可以呈現(xiàn)為三維校園場景、實時數(shù)據(jù)圖表、動態(tài)交互地圖等。這些可視化工具不僅能夠讓校園管理者更直觀地了解校園的運行狀況，還能夠為師生提供更加便捷的信息服務(wù)，如課程安排、資源預(yù)約等。數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與真實環(huán)境的聯(lián)動，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將校園內(nèi)的各種設(shè)備和傳感器連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，為校園管理提供更加精準的數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)在校園可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。通過提高數(shù)據(jù)處理效率和實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，數(shù)字孿生能夠為校園管理提供更加全面、及時、準確的信息支持，同時還能夠為師生提供更加便捷的信息服務(wù)。因此，加強數(shù)字孿生在校園可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)方面的研究和應(yīng)用，對于提升校園管理的智能化水平具有重要意義，如圖1所示。

智慧校園中的大數(shù)據(jù)集合，涵蓋了教務(wù)、設(shè)備、安全和飲食等多個領(lǐng)域，為教學活動、學生管理以及智慧服務(wù)提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也可利用OpenCV算法創(chuàng)建有價值的目標，當面對數(shù)據(jù)的規(guī)模大、來源廣泛、類型復(fù)雜、處理效率高以及時效性強等特點時，為更加高效合理地利用這些數(shù)據(jù)，應(yīng)對數(shù)據(jù)進行標準化處理、科學分析和深度挖掘[2]。為此，本研究構(gòu)建了一個信息標準模型體系，該體系以全新的視角來闡述大數(shù)據(jù)的利用流程。首先，強調(diào)數(shù)據(jù)的標準化處理。這一步驟旨在統(tǒng)一數(shù)據(jù)的格式、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量標準，確保數(shù)據(jù)的準確性和可比性。通過標準化處理，可降低數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性和錯誤率，為后續(xù)的科學分析和深度挖掘奠定堅實的基礎(chǔ)。其次，應(yīng)注重數(shù)據(jù)的整合。來自不同部門和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被匯集成一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集，打破了信息孤島，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和互通。這種整合使得用戶能夠更全面地了解數(shù)據(jù)的全貌，為后續(xù)的分析提供更為豐富的數(shù)據(jù)源，如圖2所示。

2" 基于OpenCV及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法形成的智慧大腦

在信息化與大數(shù)據(jù)時代的交匯點上，本研究利用機器學習技術(shù)構(gòu)建了一個智慧大腦，以推動校園管理向多維、實時、動態(tài)、可視化的新模式轉(zhuǎn)變。這一智能決策系統(tǒng)機制不僅具備自動識別和預(yù)測功能，能夠?qū)崟r洞察校園內(nèi)的事件，并預(yù)測其發(fā)展趨勢，還能基于當前數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果，為管理者提供精準的決策支持。在大數(shù)據(jù)分析的流程中，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)集的篩選、清理以及特性提取是不可或缺的環(huán)節(jié)。然而，面對海量的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的人工處理方式顯得效率低下且分類與選擇的精度難以保證。為了克服這些挑戰(zhàn)，本研究提出了一種結(jié)合OpenCV技術(shù)的解決方案。

OpenCV技術(shù)是一個廣泛應(yīng)用于計算機視覺和圖像處理領(lǐng)域的開源庫，可以幫助本研究高效地處理圖像和視頻數(shù)據(jù)[3]。在智慧校園管理的場景下，本研究可以利用OpenCV技術(shù)進行圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如去噪、增強、目標檢測等，以減輕后續(xù)深度學習模型的處理負擔。對于更高級別的特征提取和模式識別任務(wù)，本研究采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）作為核心算法。CNN算法能夠自動從圖像中提取出關(guān)鍵的特征信息，并學習到不同特征之間的復(fù)雜關(guān)系。為了捕捉時間序列數(shù)據(jù)中的依賴關(guān)系，本研究還引入了門控循環(huán)單元（GRU）模型。GRU作為循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的一種變體，能夠有效處理變長序列數(shù)據(jù)，并提升模型的檢測速度和精度。如圖3所示。

在深度學習的圖像處理領(lǐng)域，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）作為一種多層前饋調(diào)節(jié)機制的算法模型，其應(yīng)用架構(gòu)主要由多個計算模塊組成，這些模塊包括卷積層和池化層。一個完整的CNN網(wǎng)絡(luò)通常包含輸入層、卷積層、池化層、連接層（如全連接層）和輸出層。在將圖像數(shù)據(jù)輸入到CNN之前，可通過OpenCV計算機視覺庫進行預(yù)處理。OpenCV提供了豐富的函數(shù)和工具，可以對圖像進行去噪、增強、特征檢測等低級視覺任務(wù)的處理，如圖4所示。

這些預(yù)處理步驟對于提升CNN的性能至關(guān)重要，因為它們能夠減少輸入數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，突出關(guān)鍵特征，并消除不必要的噪聲。一旦圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過OpenCV的預(yù)處理，就可以將其輸入到CNN中進行進一步的特征提取和分類。在CNN中，卷積層通過應(yīng)用多個卷積核來提取圖像中的局部特征，而池化層則通過下采樣操作來減少數(shù)據(jù)的維度和計算量。連接層（如全連接層）則將提取的特征進行組合和轉(zhuǎn)換，以生成最終的分類或回歸結(jié)果。通過結(jié)合OpenCV的圖像預(yù)處理能力和CNN的特征提取與分類能力，本研究可以構(gòu)建一個高效且準確的圖像處理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅能夠處理大規(guī)模的圖像數(shù)據(jù)，還能夠自動學習并識別圖像中的關(guān)鍵特征，為各種計算機視覺任務(wù)提供強大的支持。

3" 智慧校園系統(tǒng)功能設(shè)計

為提高校園管理效率，使用戶全面掌握校園數(shù)據(jù)并與擬真環(huán)境產(chǎn)生交互。本系統(tǒng)構(gòu)造了一個仿真智慧校園場景，包含校園數(shù)據(jù)展示、智能決策、線下圖書館交互與資產(chǎn)數(shù)據(jù)智能管理功能，實現(xiàn)多方位沉浸式的校園管理有助于增強用戶對校園方位的把控與校園情況的決策。

3.1" 數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

啟動系統(tǒng)后，首先將進入數(shù)據(jù)監(jiān)測界面。用戶可以在該界面中了解到校園三維場景、簡介和人員分布情況，可實時查看數(shù)據(jù)信息、教室使用情況、學生人員分布。點擊字標題標題則有，圖書館座位利用率、座位使用時長、空閑座位。以及結(jié)合學校的數(shù)據(jù)分析天氣。

其中場景內(nèi)部的多個數(shù)據(jù)檢測面板可以對校園多角度、實時化的即時呈現(xiàn)。通過不同類型的板塊對數(shù)據(jù)進行劃分與管理。其中內(nèi)部管控人員可隨時查看數(shù)據(jù)信息、教室的數(shù)據(jù)全方位、教室使用情況、學生人員分布、圖書館座位利用率、座位使用時長、空閑座位、停車場車位使用情況以及教學樓的數(shù)據(jù)分析、突發(fā)事件檢測預(yù)警等，實現(xiàn)智慧校園的智能決策。

3.2" 運營管理功能

同時結(jié)合OpenCV和GRU-CNN訓練的智慧校園智慧大腦能夠?qū)崟r完整借閱教室，觀察并控制每間教室燈的開關(guān)，以應(yīng)對各類突發(fā)事件。這一功能的引入，可大幅增加教室維護、安保、應(yīng)急以及設(shè)備調(diào)度效率，使相關(guān)人員在處理問題時能夠迅速作出決策。通過觀察圖書館內(nèi)部教室的運行概況，極大地減少了以往需要長時間積累事件與數(shù)據(jù)，并依賴人工實地勘查記錄校驗的繁瑣過程，從而顯著提升了各管理部門的工作效率和設(shè)備的可靠性。

4" 智慧校園系統(tǒng)開發(fā)

本研究基于虛幻引擎5與傾斜攝影技術(shù)對校內(nèi)外場景進行數(shù)字還原，結(jié)合OpenCV和GRU-CNN構(gòu)建大數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生的可視化校園系統(tǒng)，其開發(fā)流程如圖5所示，首先收集相關(guān)資料，根據(jù)學校需求概況設(shè)計技術(shù)方案之后采集高清傾斜影像數(shù)據(jù)，通過影像數(shù)據(jù)進行三維建模，最后搭建所需的數(shù)據(jù)算法，以及虛幻的接口編寫和打包并發(fā)布系統(tǒng)。

4.1" 三維校園場景構(gòu)建

本次研究采用了大疆智圖這一先進的PC端應(yīng)用軟件，作為構(gòu)建高精度實景三維模型的核心工具。大疆智圖不僅集成了航線規(guī)劃、自動化飛行航拍、以及從二維正射影像到三維模型的全流程重建功能，還為行業(yè)用戶提供了一個高效整合的解決方案，極大地提升了航測作業(yè)中內(nèi)外業(yè)處理的速度與質(zhì)量，成功地將現(xiàn)實世界中的復(fù)雜場景轉(zhuǎn)化為可量化、可分析的數(shù)字資產(chǎn)。

具體操作流程中，本研究首先通過大疆制圖軟件創(chuàng)建了一個全新的工程項目，隨后將無人機執(zhí)行傾斜攝影任務(wù)所采集的豐富數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中。這些數(shù)據(jù)包含了豐富的視角和詳盡的地面信息，是構(gòu)建三維模型不可或缺的基礎(chǔ)。接下來，利用軟件內(nèi)置的空中三角測量計算功能，對帶有GPS坐標信息的圖像進行精密的空間三角運算，這一過程確保了模型構(gòu)建的準確性和可靠性。經(jīng)過空間三角運算處理后，大疆智圖能夠輸出多種行業(yè)標準的三維模型格式，如OBJ、FBX和OSGB等，這些格式不僅便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析，還具有良好的兼容性和擴展性，滿足了不同應(yīng)用場景下的需求。總而言之，大疆智圖以其一站式的高效解決方案，為本研究構(gòu)建了真實、精細且易于應(yīng)用的實景三維模型，為項目的深入研究和廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，三維模型生成流程示意如圖6所示。

4.2" 智慧校園編輯程序開發(fā)

本研究根據(jù)智慧校園系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化功能與交互功能分別設(shè)計了相關(guān)開發(fā)流程，其具體開發(fā)步驟如圖7所示。

1）構(gòu)建智慧大腦底層邏輯。用OpenCV和GRU-CNN算法，在Pycheam等開發(fā)軟件中建設(shè)人員分布情況、教室使用情況、學生人員分布、圖書館座位利用率、座位使用時長、空閑座位和借閱教室等功能的底層代碼。

2）完成交互功能的建設(shè)。在虛幻引擎5中用藍圖與插件寫好對外通信的接口，用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)連接現(xiàn)實教室與數(shù)字平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸；數(shù)據(jù)交換與同步機制確保UI操作與教室狀態(tài)變更的即時對應(yīng)，并通過實時反饋系統(tǒng)則通過UI更新，向用戶展示教室借閱的確認或拒絕信息。

3）導(dǎo)入模型組成系統(tǒng)基礎(chǔ)。將大疆制圖制作的三維模型導(dǎo)入到虛幻引擎5中，創(chuàng)建項目以構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。該模型具備一定的精細度，由32個切塊的瓦片部分拼接組成，用戶可以在系統(tǒng)中自由地預(yù)覽校園的風景。

4）編寫交互程序。將平地模型導(dǎo)入虛幻引擎5項目中，編寫相應(yīng)的水平移動與前后縮放的藍圖、數(shù)據(jù)接口、交互邏輯、場景切換動畫和界面UI，使得用戶可以通過右側(cè)的展示面板看到校園的數(shù)據(jù)，點擊進入圖書館可以借閱教室。

5）構(gòu)建相關(guān)區(qū)域模型。首先，對圖書館內(nèi)部進行掃描建模，隨后用掃描建模出的模型作為參考在Houdini中進行手動建模，最后導(dǎo)入到虛幻引擎5項目中，并編寫相應(yīng)的場景切換動畫與界面UI，使用戶更直觀地預(yù)覽圖書館內(nèi)部的模型與數(shù)據(jù)。

6）編輯程序主標題與次標題。將校園大場景設(shè)置為“總覽”，其中有人員分布、車位情況、辦公室使用情況與教師預(yù)約的情況，在“空間管理”中則有辦公室分布使用情況與空閑排名等功能，在“圖書館預(yù)覽”中有座位分布情況、座位利用率、座位分析與借閱教室等功能。

7）優(yōu)化細節(jié)、完成系統(tǒng)構(gòu)建。根據(jù)人員分布添加行人模型等元素以增強流動性，同時優(yōu)化程序UI和場景細節(jié)層次，以保證系統(tǒng)的流暢性；完成系統(tǒng)調(diào)試后打包輸出為可執(zhí)行程序即可進行發(fā)布。

5" 應(yīng)用效果

本文以南寧某高校為研究原型進行智慧校園系統(tǒng)設(shè)計，以下為實際效果展示。

圖8是系統(tǒng)主界面，用戶可以通過鼠標滾輪將系統(tǒng)畫面從鳥瞰俯視視角拉進至局部視角，在此視角下用戶可以更加清晰地了解目標規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的建筑特征和信息，同時操作界面的UI內(nèi)容也會隨著鼠標選擇的變換而更改。

如圖9所示，若選擇空間管理功能，用戶將以第三人稱俯視角查看相關(guān)空間的內(nèi)部場景，使用鼠標左鍵拖動、右鍵旋轉(zhuǎn)視角可查看場景內(nèi)部具體模型，點擊教室內(nèi)的小圓球可預(yù)約教室，其對應(yīng)的UI內(nèi)容也會變化為教室的相關(guān)信息圖表；右側(cè)可以看到4個標題分別是位置情況、位置分部、座位利用率和座位列表，位置情況里的數(shù)據(jù)分為總座位、空閑座位和連續(xù)使用時間，位置分布則有長期與短期的數(shù)據(jù)，便于用戶進行瀏覽和預(yù)約操作。

在整個展示期間，設(shè)備運行穩(wěn)定，能實現(xiàn)所有的系統(tǒng)功能，以優(yōu)秀的畫面表現(xiàn)力、高沉浸度的表現(xiàn)形式直觀完整地展現(xiàn)出校園的數(shù)據(jù)效果，提高了管理效率。

6" 結(jié)束語

綜上所述，OpenCV與CNN的結(jié)合在智慧校園中展現(xiàn)了巨大的價值。OpenCV作為一個強大的計算機視覺庫，為本研究提供了高效的圖像和視頻數(shù)據(jù)處理能力。在智慧校園場景下，OpenCV能夠執(zhí)行圖像預(yù)處理任務(wù)，如去噪、增強和目標檢測，顯著減輕了后續(xù)深度學習模型的處理負擔。隨后，CNN作為核心算法，自動從預(yù)處理后的圖像中提取關(guān)鍵特征，并學習特征間的復(fù)雜關(guān)系，進一步提升了系統(tǒng)的識別精度。此外，為捕捉時間序列數(shù)據(jù)中的依賴關(guān)系，研究還引入了GRU模型，增強了模型對變長序列數(shù)據(jù)的處理能力，同時提升了檢測速度和精度。這一結(jié)合不僅構(gòu)建了一個高效且準確的圖像處理系統(tǒng)，能夠處理大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)，還通過自動學習識別圖像中的關(guān)鍵特征，為智慧校園管理中的多種計算機視覺任務(wù)提供了強有力的技術(shù)支持。

不足的是，OpenCV算法目前存在一些小問題，例如對于高速運動的目標，跟蹤算法可能無法實時準確地跟蹤其位置，存在一定的延遲。最后，某些跟蹤算法對初始化條件較為敏感，如果初始化不準確，后續(xù)跟蹤效果可能會受到影響。因此，在使用OpenCV跟蹤算法時，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景和需求，選擇合適的算法并進行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整。不過可以預(yù)料的是，隨著人工智能技術(shù)迭代更新，更加成熟的理論應(yīng)用和研究成果將不斷迸發(fā)。在全面實施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，數(shù)字化校園作為促進學校數(shù)字化數(shù)智化的工具之一，將發(fā)揮更大的作用。也將為我國數(shù)字化建設(shè)提供技術(shù)參考與應(yīng)用思路，為加快構(gòu)建智慧鄉(xiāng)村平臺提供技術(shù)可行性依據(jù)。

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