地理信息服務于高校大學生-以福州大學城為例①

金 彪, 劉一粟, 顏麗玲, 熊金波, 李 璇, 劉庚余,3

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地理信息服務于高校大學生-以福州大學城為例①

金 彪1, 2, 劉一粟1, 顏麗玲1, 熊金波2, 李 璇2, 劉庚余1,3

1(福建師范大學地理科學學院, 福州 350108)2(福建師范大學軟件學院, 福州 350108)3(福州市勘測院, 福州 350108)

地理信息是一種特殊的信息, 具有區域性、多維性和動態性. 通過對地理信息的有效分析和利用, 有助于更加直觀、更加具體地理解某些現象, 為人類的生產生活提供便利并提供相關決策支持. 以福州大學城為研究區域, 以該區域內的師生為目標人群, 采集并利用區域內相關地理信息, 研究設計高校大學生服務平臺, 旨在提高大學生生活的質量, 拓展大學生社交方式(接觸型社交和非接觸型社交)的多樣性和融合性, 增強各高校之間以及學生之間的交流. 平臺開發之前以電子問卷形式對福州大學城內大學生的相關信息進行調研, 并對結果進行相應的分析, 最終確定平臺的功能主要包括室外導航、室內導航、線上社交、線下社交、軌跡記憶、路徑自動更新、路徑推薦以及“往事重現”等. 開發過程中對相關功能所涉及的技術進行了研究和實驗.

福州大學城; 地理信息; 導航; 社交; 路徑推薦

大數據時代, 擁有海量數據是一筆巨大的財富, 然若不能很好利用這些財富, 就無法做到財富增值和價值最大化. 隨著現代遙感技術的發展以及相關硬件設備種類和性能的提升, 感興趣的地理信息獲取變得更為便捷有效. 地理信息技術更是已經廣泛應用到國土、地質、氣象、水文、農業、軍事、環保等眾多領域. 但縱觀目前與地理信息利用相關的場合和應用, 專門針對大學生校園以及大學生開發的產品非常有限.

福州大學城位于福州市閩侯縣上街鎮, 距離福州市市中心的直線距離為10km, 西鄰京福高速公路, 依靠旗山, 東臨316國道、烏龍江南岸, 地理坐標為26°01’-26°07’N, 119°08’-119°12’E[1]. 大學城規劃面積18000畝, 目前入住學校13所, 在校學生人數已超過20萬. 大學城地域相對較廣, 分布著多所高校(福建師范大學、福州大學、江夏學院、福建工程學院、福建中醫藥大學等), 對福建省教育事業的發展起到至關重要的作用, 承擔著為各行各業輸送人才的任務. 圖1為福州大學城內各高校的分布情況.

圖1 福州大學城

近些年大學城各高校都在提倡資源共享(主要指的是教學和科研資源), 但各高校學生間的交流依然相對較少. 零星開展的聯誼活動、學術活動也僅僅是在少數班級、小范圍內開展. 只有加強高校與高校以及學生與學生之間的交流, 讓各高校文化相互影響、相互作用, 讓學生了解外校學生的發展情況, 有比較、有刺激才會讓高校以及學生有更好的發展. 為此必須提高高校以及學生間交流交往的頻率.

基于此, 本文在對福州大學城內各高校學生的課余生活安排、日常人際交往方式等進行調研分析的基礎上, 研究和設計基于地理信息的服務平臺(為了便于后續描述, 將該平臺簡稱為SPGI), 旨在提高大學生生

活的質量, 拓展大學生社交方式(接觸型社交和非接觸型社交)的多樣性和融合性, 增強學生間的交流.

1 大學生現狀分析

大學生是社會建設和發展的中流砥柱. 良好的人際關系有助于大學生的成長成才, 反之, 則有可能產生非常可怕的影響, 2004年的馬加爵案, 2013年的復旦投毒案等都是很好的教訓.

本文在問卷星(http://www.sojump.com)網站發布關于題為“福州大學城高校大學生課余時間安排”的調查問卷, ID為5964751. 調查持續7天, 共收回有效問卷533份, 其中大一、大二和大三的學生人數分別為213、263和57, 男女生人數分別為255和278, 總比例接近1:1, 如圖2所示.

圖2 參與本次調查的各高校男女學生人數

通過調查問卷, 以及結果分析得出大學生具有以下特殊性.

1) 活動范圍相對有限, 生活方式較為簡單: 校園是大學生生活、學習以及交際的主要場所, 大多數學生大多時間都簡單地重復著宿舍---食堂---教室這三點一線式的生活.

2) 交際范圍較小, 交際方式多樣性不足: 除了課堂以及參加班級、年級、學院和學校舉辦的公共活動外, 很多同學在其他時間都很少交往, 導致不少學生大學畢業時還認不清本年級甚至本班級的同學. 此外, 由于網絡技術的發展以及網絡社交平臺的大量推廣使用, 越來越多的學生的主要交往方式由接觸型變成了非接觸型, 使得原本就較為有限的接觸型社交機會變得越來越少. QQ、微信、人人網等日益成為他們交往的主要途徑.

表1 每天與他人交流主要方式統計表

表2 每天與他人通過微信、QQ等工具進行交流時間統計表

3) 課余時間利用不夠合理: 相比于其他階段的學生, 可供大學生自己支配的課余時間更多, 只有合理有效地利用這些時間才能更好地成長成才. 調研結果表明, 當代大學生在課余時間從事的活動主要包括學習、運動、逛街、睡覺、玩游戲以及勤工助學等. 其中, 尤其值得注意的是那些把大多數時間都用在睡覺以及玩游戲的同學. 遺憾的是, 這樣的學生所占比例并不低.

表3 課余時間主要活動類型統計表

4) 大學生安全尤為重要: 鑒于不斷出現的校園暴力以及相關針對大學生犯罪事件, 全社會都開始重視大學生的安全, 包括心理健康和人身財產安全. 這幾年僅騰訊大閩網報道的發生在福州大學城校園內的學生受傷害事件就有多起. 這些事件有不少是發生在學生下晚自習回宿舍或者其他獨行的時候, 地點多在校園內那些照明條件不好, 很少有人經過的地方.

鑒于上述分析, 思考如何豐富大學生生活方式, 拓展大學生交際方式和交際圈, 更好地保障大學生的安全, 改善大學生的生活質量顯得尤為必要.

2 平臺功能設計

本文充分利用現有以及自行采集(實地拍攝以及無人機航拍)得到的地理信息, 結合GPS、傳感器等技術, 開發一款集導航、社交以及其他相關功能于一體的地理服務平臺.

2.1 主要功能描述

SPGI平臺主要由三大模塊構成, 即導航模塊、社交模塊以及其他服務模塊, 具體功能劃分如圖3所示. 各功能的功能概述及設計目的如表4和表5所示.

圖3 平臺功能模塊劃分

表4 平臺功能共描述及設計目的(1)

表5 平臺功能共描述及設計目的(2)

2.2 核心技術研究與方案設計

2.2.1用戶身份認證

平臺針對在校大學生設計, 必須確保平臺用戶身份的合法性和準確性(尤其是某些特定功能, 如“與我通行”), 為此本文設計如圖4和圖5所示的用戶注冊/登錄方案和流程.

圖4 用戶注冊方案設計

圖5 用戶登錄驗證流程圖

用戶注冊時填寫的姓名、學號、單位、手機號碼等個人信息提交到SPGI平臺應用服務器后, 相關信息將分別被發送至相應單位的教務管理系統以及相應的手機服務提供商專用服務器進行真實性校驗, 只有通過校驗才能完成注冊.

用戶登錄時, 應用服務器會向該用戶注冊時填寫的手機發送驗證碼. 用戶只有輸入正確的驗證碼才能完成登錄.

2.2.2數據安全(加密技術)

1) 信息存儲安全

用戶個人信息經加密算法處理后存儲于應用平臺服務器或指定其他特定的服務器.

2) 信息發布安全

用戶待發布信息經加密處理后進行廣播或發給特定用戶, 只有合法注冊用戶或目標用戶才能解密查看. 為了最大程度上保證用戶發布信息的安全, 系統提供多種加(解)密算法, 并依據一定的機制選擇加(解)密算法對用戶發布的信息進行加解密. 加解密過程中使用透明加解密技術[2-9], 應用本身自動隱蔽執行加解密操作, 不影響用戶體驗. 圖6為本文設計的透明加解密方案kED.

圖6 透明加解密方案

2.2.3室內定位

室內定位[10-34]是室內導航的前提和基礎. 傳統定位技術, 如GPS, 需要在相對空礦、高層建筑稀疏的地方才能精確定位, 而室內GPS信號易受建筑物遮蔽, 其信號強度大大減弱, 導致定位的精度和準確度不高.

WiFi定位技術是一種根據室內WiFi的接收信號強度指示 (Received Signal Strength Indication, RSSI), 并使用某些特定的算法來估量目標位置的技術[14,20,22]. 該技術完全基于現有WiFi網絡具有成本低、擴展性強、覆蓋面廣等優點, 能有效彌補GPS在室內定位的局限性, 很好地適用于商場、地下停車場以及辦公樓等場合. 雖然室內WiFi信號也存在反射、散射等因素, 但總的來說, 室內每個位置的接收信號強度大都在某個特定值上下變動, 通常可以綜合大規模衰減以及小規模衰減效應來進行建模[8].

大多數基于 WiFi的定位方法都是依賴于對無線接入點的信息檢測, 但彼此所關注的信息的屬性有所不同. 一些基于無線信號的物理特征, 例如接收信號強度與傳播距離、角度、障礙物等之間的關系, 而另一些關注參考位置與無線信號特征(信號平均強度、標準差等)的關聯關系[10]. 因此相對應的產生了兩種不同的定位方法:無需測距的定位方法和需要測距的定位方法[23]. 基于測距的定位方法主要分為信號到達時間方法[11,12]、基于GPS的定位[26]、信號到達角方法[28]. 無需測距的定位方法主要分為近似法[30]、基于位置指紋的方法[22,27,29,31,32,34]. 考慮到接收信號強度與距離成反比, 使用測距算法可能會導致較高的測距誤差, 因此本文重點選取無需測距的位置指紋算法進行實驗分析.

一般來說, 基于位置指紋的定位分為兩個階段: 離線階段和在線定位階段. 離線階段,在確定若干個預選點后, 收集預選點上的不同WiFi信號的信號強度, 然后將相關的WiFi信息保存至指紋庫中; 在線階段, 當目標用戶移動到某一位置時, 將實時檢測到的接收信號強度與指紋庫中的指紋對比, 然后根據特定的定位算法估計目標用戶的位置[31].

圖7 位置指紋定位流程

指紋庫的建立指的是利用已有的WiFi信號, 選取合適的定位區域, 并選取多個預選點,在每個預選點檢測可以檢測到的WiFi信號, 并將接收到的信號強度保存至指紋庫中. 位置指紋庫就是由一系列的接收信號強度序列組成, 每一個指紋對應唯一的位置信息. 本文在單位教學樓內進行實驗, 建立了初始狀態如表6所示的指紋庫, 指紋庫中的接入點WiFi信號分別是WiFi-501、TP-Link_ly2#、401和ChinaNet.

表6 指紋庫

為了降低指紋庫的匹配次數, 減少搜索空間, 使用K-means聚類算法[28,33]對建立的指紋進行聚類分析, 去除一些相似度較低的指紋, 利用剩余的指紋估量目標位置. 在在線定位階段, 考慮到選擇最近鄰指紋作為目標位置的定位方法雖然簡單, 但由于可參考的預選點位置是固定不變的, 可能會產生較大的誤差, 為此, 本文采用加權及KNN定位算法, 即在進行聚類之后, 確定此時指紋庫中指紋的權重.

指紋庫在K-means聚類之后, 形成了若干個小指紋庫. 根據收集到的接收信號強度, 找出強度距離最近的小指紋庫, 在確定小指紋庫后, 選取小指紋庫中強度距離較小的K個指紋, 然后分別計算K個指紋的權重, 最終確定目標位置. 文章對K不同取值情況下進行坐標測算, 并對誤差進行了分析. 表7和表8給出不同K取值情況下的測算結果, 表9則給出了不同K取值下測算結果的均方根誤差.

表7 不同的K取值下的坐標測算(1)

表8 不同的K取值下的坐標測算(2)

表9 不同K取值下測算結果的均方根誤差

由表7至表9可知, 無論K取何值, 都有8對左右的坐標的誤差在4米內. 對橫坐標來說, 當K<10時, 誤差在5米內; 當K>=10時, 誤差在4米內. 對縱坐標來說, 當K<10,誤差在5-8米內; 當10<=K<=15, 誤差在5米內; 當16<=K<=21, 誤差在4米內. 總的來說, 橫坐標的誤差平均在5米以內, 縱坐標的誤差平均在6米內. 因此, 使用該算法定位時, K的范圍應在16-20之間.

2.2.4室內導航

關于室內導航研究的理論成果有很多[35-43], 投入使用的產品也有不少.

室內導航有關產品最早出現在2011年11月Google發布的新版移動地圖服務中, 它包括了大型商店和機場的室內地圖功能. 2015年1月18日, 在極客公園主辦的GIF 2015創新大會上, 國內數字地圖內容、導航和位置服務提供商高德正式發布高德地圖室內地圖版, 為用戶提供建筑物內地圖(除能展現室內建筑全貌外, 還能顯現商鋪、洗手間、ATM等室內細節)、室內定位、室內路線規劃等服務.

在完成室內定位之后, 為了實現導航, 還必須制作室內電子地圖. 文獻[39]的工作為本文提供很有價值的借鑒意義. 室內定位導航地圖制作的基本流程如圖8所示.

圖8 室內導航地圖制作基本流程

導航時通常采用最短路徑算法, 最著名的最短路徑算法是Dijkstra算法和A*算法[44-46].

2.2.5分享帶位置的照片和視頻

用戶在拍下照片或視頻上傳在服務器, 下一個來到此地的用戶便會被提醒分享, 使用戶每到一處便可以看到不同的風景. 在互相分享的同時, 可以找到彼此興趣相投的朋友. 用于存在圖片和視頻信息的數據表設計如表10所示.

表10 圖片/視頻數據表

圖9為該功能的原型效果圖. 為了節省服務器的存儲空間并降低網絡帶寬, 還需要對用戶上傳的照片和視頻進行壓縮等預處理.

圖9 帶位置的圖片與視頻分享功能的原型效果圖

2.2.6人與人之間的點對點導航

用戶在相互聊天的時候不僅可以看到對方的頭像, 還可以看到彼此當前的位置, 從而能夠讓雙方以最精準的方式快速找到彼此. 為提高決GPS定位的速度的準確度, 采用GPS+WIFI相互配合定位的方法. 此外, 考慮到雙方位置的傳輸需要通過GPS設備, 為了節省設備用電量, 本文將手機傳感器與手機GPS設備配合使用, 僅當用戶開始移動時才使用GPS設備進行定位并開始數據傳輸.

圖10 點對點導航功能的原型效果圖

2.2.7實地真人參與游戲

旨在引導用戶走出室外. 通過游戲中的簽到、收集、對抗等功能, 并結合GPS定位獲取玩家當前的地理位置信息, 與其他用戶進行互動交流. 任務執行地可以設置在合作電商內或者其他特定位置. 開發過程中需要通過對大量的地理位置信息的進行分析, 設計出合理的游戲平衡系統. 在游戲策劃中需要考慮到各因素權重的合理分配.

2.2.8記錄行走過的每一段路

利用GPS設備幫助用戶記錄下走過的每個地方, 有助于用戶查詢自己的足跡, 回憶從前的點點滴滴. 此功能需要做到數據的同步, 即同一用戶在不同移動終端上均可正常查看之前的記錄.

為此, 本文將GPS接收到的數據, 轉成GPX[47-50](the GPS Exchange Format)數據保存在云端, 用戶需要時系統自動從云端下載并在當前移動設備的地圖上顯示出來.

2.2.9地圖補充和路徑更新

傳統地圖經過測繪之后, 當部分地區地形改變時, 無法做出相應的、快速的改變. 本功能通過定期對地理位置信息進行采集(利用無人機, 按照指定高度、角度和航線進行航拍)和分析, 找到不存于地圖上的新的路徑, 并自動在地圖上以不同顏色予以顯示, 從而對傳統地圖做出補充與規劃.

此外, 平臺采用泛GIS思想, 提供用戶操作接口, 允許注冊用戶發布最新道路信息(如最新開辟的道路, 道路封閉等). 當某個或某些用戶發布新的道路信息后, 其他用戶可以對該信息的真實性進行反饋. 平臺自動對用戶反饋結果進行分析, 最終確定是否進行道路更新. 若無反饋結果, 或根據反饋結果仍無法判斷信息的真實性, 將利用無人機對特定區域進行核實. 該功能總體流程如圖11所示.

圖11 路徑更新流程

3 總結與展望

地理信息獲取方式日益多樣化, 也越來越便捷. 只有充分利用這些信息, 讓它們服務人們的生產和生活, 才能發揮它們的價值. 本文充分利用已有以及自行采集的地理信息, 研究設計了集導航與社交于一體的服務高校大學生的SPGI平臺. 平臺主要用戶為在校大學生, 其主要目的是在為大學生的生活提供便利服務的同時, 加強高校與高校之間以及學生與學生之前的交流互動.

平臺在研發設計過程中, 主要涉及到對加密技術、室內定位以及室內導航等技術的研究. 在此期間, 福建師范大學地理科學學院地理信息系統專業以及軟件學院軟件工程以及數字媒體技術專業相關老師和學生通力合作. 目前, 平臺主要功能均已基本實現, 但部分功能還處于測試階段, 后續會針對測試過程中發現的問題和不足進行修改和完善. 此后, 在保證現有功能穩定運行的前提下, 根據用戶新的實際需求增加相應功能.

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Geographic Information Service for College Students: A Case Study of Fuzhou University City

JIN Biao1,2, LIU Yi-Su1, YAN Li-Ling1, XIONG Jin-Bo2, LI Xuan2, LIU Geng-Yu1,3

1(College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350108, China)2(Faculty of Software, Fujian Normal University, Fuzhou 350108, China)3(Fuzhou Investigation and Surveying Institute, Fuzhou 350108, China)

Geographical information is a kind of special information, with the characteristics of regional, multidimensional and dynamic. Understanding of certain phenomena could be more intuitive and specific with the effective analysis and using of geographic information. It also can bring convenience to human’s production and life, and provide decision supporting. Fuzhou University City is chosen as the study area while college students in it are selected as target population in this paper. Geographic information of the region is obtained and adopted for the service platform’s designing with the aim to improve the quality of college students’ life, extending diversity and integration of the social ways (contact social type and non-contact social type), enhancing the communication between universities and college students. Before the development of the platform, the related information of the university students in Fuzhou University City was investigated through the electronic questionnaire, and the results were analyzed. Finally, the functions were determined, outdoor navigation, indoor navigation, online social, offline social, memory trace, paths’ automatically update, paths’ recommendation, “the past events reappear” and some other functions can be provided. During the development process, some involving technologies are studied and experiments are carried out.

Fuzhou University City; geographic information; navigation; social; paths recommendation

國家自然科學基金青年科學基金項目(61402109);福建省基金青年創新項目(2015J05120);福建省基金面上項目(2014J01220);福建省教育廳A類項目(JA15116);福建師范大學創新訓練項目(cxxl-2016177, cxxl-2016178)

2016-06-22;

2016-07-27

[10.15888/j.cnki.csa.005639]