GIS技術下的高校虛擬校園系統設計

◆羅奇 徐紅麗

GIS技術下的高校虛擬校園系統設計

◆羅奇 徐紅麗

隨著信息技術的快速發展，數字地球建設成為地理信息系統發展領域的熱點課題，虛擬校園建設成為各高校和研究機構關注的焦點。簡單介紹GIS技術，以某高校為例，介紹虛擬校園系統的構建技術與流程。

GIS；虛擬校園；系統設計；數字校園

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.028

1　GIS技術概述

GIS技術是Geographic Information Systems的縮寫形式，翻譯為地理信息系統，主要是采用電腦模擬仿真出與現實世界環境一致的三維空間，讓用戶在不同空間都能體驗身臨其境的感受，達到時空交替的效果。它能夠使用戶通過網絡直觀地感受到時空的交替，產生人機相融的體驗。隨著互聯網的快捷發展，物聯網、大數據、云計算等新技術也運用到安防領域。如今，GIS技術已被廣泛應用到公安、交通、金融、教育、醫療衛生等多個領域，作用也越來越大。

虛擬校園系統是數字校園建設的基礎，它的研究和創建對以后數字校園的建設有重要的現實意義。它是一個三維可視化的、有聲有色的仿真校園景觀，既可以為學校樹立良好的形象，提高學校的知名度，宣傳校園文化，還可以作為校園規劃的輔助工具，在對校園內部的建筑物、道路、輔助設施進行修建規劃時，可以在這個虛擬三維環境中動態交互地對未來校園環境進行全面的審查，為校園規劃和設計提供更明確的目標。同時也提高了校園管理的效率和科學化水平，加快校園建設。

2　某高校虛擬校園系統設計

高校地域分布較廣、地理環境復雜，對學校管理部門來說，要全面掌握所轄區域的校園詳細情況比較困難。同時，由于缺乏校園基礎地理信息的支持，無法對師生提供各類地理信息服務。虛擬校園作為傳統校園的補充，應用簡單快捷，隨著高校構建的萬兆主干、有線接入、無線覆蓋的多功能網絡系統以及各類信息管理系統，都為高校構建虛擬校園提供了很好的支撐。虛擬校園系統總體設計要根據用戶的需求，明確分析系統的功能，以開發系統必備的軟硬件條件為技術支撐，確保系統中的各個模塊都能發揮應有的功能。

本文以某高校作為研究對象，利用最新的計算機虛擬現實技術和GIS技術設計了虛擬校園系統，以構建逼真的校園環境。

虛擬校園系統的需求分析 要想構建科學合理的虛擬校園系統，就需要分析虛擬校園系統想要實現的功能。

首先要建立基于GIS的可視化的三維校園地理信息管理系統，在數據庫方面要完成能夠覆蓋教學、人事、科研、第二課堂、就業、健康等核心業務數據倉庫模型和數據集市模型的設計與實現，并可與學校相關應用系統集成，要對學校的對外形象宣傳、招生宣傳、信息化管理產生重要的作用。

其次是針對師生生活、學習需求，建設基礎信息服務平臺，建立三維校園基礎地理信息庫，提供現代化的地理信息服務，搭建微信公眾平臺，包括常用查詢、一站式服務大廳、主題服務和系統服務等，提供各類操作，覆蓋課表查詢、空閑教室查詢、成績查詢等教學服務，校園一卡通充值、掛失、補辦、收支查詢等服務，圖書借閱、圖書館客流查詢等圖書服務，以及電影預告、宣講會、專家門診等生活、就業、健康服務等查詢服務。

再次是真實呈現校園，創建出學校的教學樓、圖書館、食堂、宿舍樓、體育場、道路、廣場、花園、樹木等虛擬模型，使學生全面了解校園布局，實現校園3D虛擬瀏覽、地下管網展示、校園監控、各類資產的地圖定位和校園導航等一系列功能，提供基于地理信息系統的全方位應用與數據分析，推動學校進入校園資產、管線、車輛、監控等可視圖形化管理階段，實現學校的全方位精細化管理，為學生盡快適應學習、生活提供方便。

系統總體設計方案 在綜合分析系統應用范圍、功能、性能需求等方面的基礎上，將系統分為查詢定位模塊、視圖管理模塊、地圖編輯模塊、三維瀏覽模塊、地理測量模塊以及地圖輸出模塊，如圖1所示。

1）查詢定位模塊。查詢定位模塊分為屬性查詢和空間查詢兩種模式，用戶只需要點擊界面上的模式按鈕，就可進入相應的查詢界面。如進行位置查詢時，用戶只需要點擊感興趣的設施，界面上就會出現該設施的相關屬性信息；進行屬性查詢時，用戶需要點擊搜索按鈕，進入搜索頁面后在文本框中輸入所需要查詢的目標名稱，點擊查找按鈕，就可在界面上呈現以該目標為中心的地圖，并且該目標用特殊的顏色顯示出來。

2）視圖管理模塊。該模塊主要的功能為瀏覽，由三維瀏覽、平面圖瀏覽以及影像圖瀏覽三個子模塊構成，瀏覽中可以應用放大、縮小和移動的功能。用戶在瀏覽時，可能因為地圖顯示的大小跟位置因素，無法將所有的目標全部顯示在當前瀏覽的界面上，這時移動功能就可發揮功效，用戶只需要操作鼠標，就可在任意方向移動地圖，實現自由瀏覽的功能。地圖可按照分級的方式進行放大縮小，也可以通過鼠標滾輪實現放大縮小。提供相應的工具箱，如矩形框選定某一區域，該區域被放大，充滿地圖顯示窗。

3）地圖編輯模塊。地圖編輯模塊由要素添加和屬性添加兩種模式構成，通過點擊頁面上的兩個模式按鈕，進入相應的模式，用戶可以隨時添加、刪除與修改各類3D數據對象，方便用戶對3D數據進行統一管理。使用本模塊時，用戶要點擊地圖編輯，進入地圖編輯頁面，選擇下邊的顏色，在地圖上需標注的地方建立多邊形，在彈出的屬性窗口內進行標注；點擊取消按鈕，刪除標注。

4）三維瀏覽模塊。三維瀏覽模塊使用Unity跟Google Earth兩種軟件，校內外用戶均可以通過Internet對高校相關校區進行3D虛擬瀏覽，實現校園內所有3D虛擬對象的選擇性展示與選擇性疊加，以滿足本系統特定用戶群體對校園內各類虛擬對象的特定感知要求。

5）地理測量模塊。該模塊具有坐標查詢、曲線距離量算、折線距離量算和面積測量四個功能。用戶可以依據各自的權限，調用校園內相關位置的實物攝像頭，進行對應場景的實時、實景查看；通過三維及二維地圖，對建筑物、道路、橋梁等重要設施進行分類信息檢索，并可查詢定位；支持數據顯示以及分析的二三維一體化，通過系統實現路徑測距，道路及綠化、水面等面積測算；完成二維各圖層的獨立與合并顯示，可通過透明度變化達到二三維圖層結合顯示，可以360°查看任意范圍、任意深度的地下管網系統，并可進行量化與打印，方便項目施工與項目維修。用戶只需要點擊鼠標進入相應的頁面，就可得到相應的結果。

6）地圖輸出模塊。該模塊支持導入、導出標準CAD格式的圖紙，支持導入3DS模型數據。用戶只需要點擊打印地圖選項，進入地圖輸出頁面，點擊按實際大小輸出按鈕或者按紙張大小輸出按鈕，進行打印選項設置，就可打印。

3　虛擬校園系統的核心技術要求

虛擬校園系統的用戶分為兩類：一類是高校大學學生、教師、管理人員、各級領導、廣大中學教師、中學學生、學生家長及其他的海內外友好人士；另一類是該高校虛擬校園的系統管理員、后勤服務與管理人員。根據不同的用戶名分配不同的系統管理權限。

本系統利用3DS Max建立學校建筑物的三維模型，所有對象的數據模型采用單體建模的方式來建立，方便3D系統的動態集成，便于數據管理和數據維護。對象模型采用obj格式保存，兼容3DMAX等主流3D建模軟件系統，支持基于iOS、Android的手機和平板電腦，提供統一的校園其他子系統的數據接口，用戶可自主在各圖層上標注帶有經緯度信息的相關設備，提供具有企業級軟件系統架構特性的數據字典、對象字典、服務字典、中間件字典等相關管理工具。

為了能夠保證系統的高效、安全運行，提高本系統未來的開放性與可拓展性，整個系統使用自主知識產權的3D引擎技術，支持OGC的空間數據引擎，底圖使用Google地圖的航拍圖，校園三維及二維地圖符合標準GIS信息格式；包含準確的地理信息，如經緯度信息；三維地圖符合國家標準坐標系，與二維電子地圖、基礎地形數據做好無縫疊加。

系統采用當前主流的技術架構進行軟件系統的設計，開發先進的構件模塊平臺和靈活的B/S架構，能夠提供數據備份的機制，一旦運行中的數據遭到破壞，可以從備份中快速得到恢復，可以與統一身份認證、共享數據中心、信息門戶等學校數字化校園基礎平臺進行對接；目錄服務系統在并發訪問量達到高峰時，系統響應時間小于2秒；在網絡流量正常的情況下，數據緩沖時間小于3秒；精確度高，3D系統中的建筑物、道路、特定景點在系統中的經緯度與實際經緯度的誤差小于1米；客戶端打開以后，客戶端機器內存消耗增加不超過500 M字節，CPU資源消耗增加不超過30%。

系統7×24小時可用，能夠在1小時內從停機中恢復，具有很好的系統開放性，除了使用自定義表單進行新業務模塊的擴展外，還提供二次開發接口和各種應用集成方案，方便和其他外部系統進行整合。提供接口進行地圖顯示的二次開發和功能調用，支持在系統平臺基礎上開發適合校方業務需求的地理信息系統。采用多種數據備份策略，如全備份、增量備份、差分備份、按需備份等。具體有數據庫及其表、定義在注冊表中的對象目錄、應用程序系統、數據目錄、臨時目錄、系統注冊信息表、系統文件數據、應用程序日志數據、系統日志數據、安全日志數據等日志數據、服務器文件系統數據。

4　結語

信息化正在為人類開辟新的發展空間——虛擬空間。現實空間與虛擬空間的互聯互通，極大地拓展了人類的生存視野。而學校的虛擬校園，正是在信息化教育方面出現的一個全球范圍的革命性產品。虛擬校園系統的設計與實現將校容校貌展示、招生宣傳、校園信息化管理有機結合起來，成為校園門戶網站不可缺少的欄目，是數字化校園建設的大勢所趨。■

［1］李芙蓉.基于GIS的三維虛擬校園的設計與實現［D］.西安：長安大學，2014.

［2］於永東，路明月，許笛，等.基于GIS的三維虛擬校園設計與實現［J］.南京信息工程大學學報：自然科學版，2012（1）：81-86.

［3］李芙蓉，李佳寧，王秀梅.基于GIS的虛擬現實技術的應用［J］.北京聯合大學學報，2013（3）：17-20.

TP315

B

1671-489X（2016）14-0028-03

作者：羅奇，湖南信息職業技術學院講師，研究方向為計算機應用技術；徐紅麗，湖南信息職業技術學院（410200）。