融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預警系統設計與實現

王建，王章琳，陸雨竹，楊亞婷，董帥，朱正平

（長江大學地球科學學院，武漢430100）

0 引言

學校是促進社會發展和個體發展的主要載體，在社會信息化的大背景下，建設“智慧型”校園，不斷推進以學校為主體的教育信息化進程，成為教育信息化的重要組成部分。隨著計算機技術的快速發展，使BIM與3DGIS 技術逐漸引起了人們的廣泛關注，并為智慧校園建設和管理提供了新的方法和手段。3DGIS 可基于地形和周邊宏觀的地物信息，為BIM 提供大場景規劃、室外視域分析等3DGIS 功能，提供決策支持；而BIM 模型可為3DGIS 提供精細的建筑構建信息，使得3DGIS 從室外走向建筑內部，實現室內外一體化的管理[1]。將BIM+3DGIS 模型進行有效融合，實現兩者之間的優勢互補，結合物聯網技術，必能促使校園管理從靜到動、從表到里、從粗到細的變革，增強智慧校園在規劃、建設、管理等問題上的智能程度[2]。該平臺的開發，不僅可以大大降低安全事故發生頻率，減少經濟損失，還可以為學校樹立擁有安全良好的學習環境的形象，具有很好的社會意義。

本文以長江大學武漢校區為例，設計了一款可以在網頁端和移動端同時運行的融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預警系統，用戶可以在三維智慧校園地圖中體驗長江大學武漢校區地圖漫游，并結合燈光模擬算法、動態巡邏規劃、人臉識別等功能，進一步提高了該系統對于校園日常生活中的安全性。

1 系統總體設計

1.1 系統設計

融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預警系統體系架構如圖1 所示，分別為請求處理層、業務邏輯層、通用處理層和數據持久層，由OpenLayers 與ArcGIS API for JavaScript 實現圖層服務、空間分析及二三位校園導航功能，由ArcGIS server 及three.js 實現BIM 模型的Web 加載，從而使校園呈現出具有內部結構和空間信息的三維場景。

圖1 融合BIM和3DGIS的校園安全智能預警系統體系總體架構

1.2 系統開發環境及條件

根據程序運行所需要的軟硬件資源及系統架構，融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預警系統采用B∕S體系結構。程序主體運行在Ubuntu 系統下，利用MySQL、ArcGIS Desktop 對空間數據及屬性數據進行組織和管理。系統前端框架為過程的VUE 架構，具有輕量化、組件化、高性能等特點[3]，后端使用開源的Java 語言的 Spring、Spring MVC、MyBatis 框架進行編寫，實現前后端分離及讀寫分離等功能[4]。使用ArcGIS Desktop對空間矢量圖層進行存儲、編輯、坐標系和投影設置，并通過ArcGIS Server 對空間數據服務和屬性服務進行發布。系統具體實現條件如表1 所示。

表1 系統實現采用條件

2 功能設計與主要功能實現

2.1 系統功能模塊

融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預警系統功能模塊主要劃分為5 類，分別是校園漫游與導航模塊、校園資訊模塊、個人信息模塊、自我提升模塊及校園安全模塊，具體功能設計如圖2 所示。校園漫游與導航模塊中有二三位校園導航，基于增強現實的室內導航及校園三維場景漫游。校園資訊模塊中有校園新聞、學校校歷、社團活動和支教活動模塊。個人信息模塊中有成績及考試信息查詢功能、等級考試查詢功能、宿舍相關費用查詢功能、綜合測評相關信息查詢功能及課表查詢功能。自我提升模式中圖書信息查詢、教師信息查詢、科研信息查詢及競賽信息查詢功能。校園安全模型中，基于燈光模擬、人臉識別和路線動態規劃等算法，實現了夜間燈光模擬、巡邏路線動態規劃、火災消防輔助、只能預警及校園人臉識別功能。

圖2 融合BIM和3DGIS的校園安全智能預警系統總體功能模塊設計圖

2.2 校園漫游與導航模塊

通過 BIM 模型、ArcGIS API、three.js 等技術，對長江大學武漢校區所有校園建筑、道路和設施等空間數據信息進行三維建模及展示，真實的還原學校的整體環境。用戶可通過放縮BIM 校園模型，可以清楚地看到校園的空間分布信息和建筑內部結構等。并結合Dijkstra 算法及基于增強現實的導航算法等實現智慧校園的室內導航、校園導航功能，結合three.js 實現校園漫游。

圖3 校園漫游圖

2.3 校園資訊模塊

該模塊包含校園新聞、學校校歷、社團活動和支教活動等多項功能，并具有單獨為此開發的微信小程序，該功能以基于Scrapy 框架為基礎Python 網絡爬蟲[5]為基礎，從學校官網，學院官網爬取相關信息并進行展示，并基于微信小程序端實現支教活動、社團活動等活動的發布與管理。

圖4 微信小程序端

2.5 夜間燈光模擬算法

針對于LED 路燈的燈光模擬，利用LED 具有朗伯體的特性，進行實驗研究，并設計后臺處理算法。目前市場上基本的路燈都是具有類朗伯體特性的LED 燈，若擴展光源的發光強度為dI∝cosθ，即其亮度B 與方向有關。這類發射體稱為余弦發光體，或朗伯發光體。根據其發光特性，可以求解出燈光的散射角度，并建立模型，結合光線輻射強度與距離相關關系，計算出空間任意一點的輻射強度以及光線的散射路線。根據上述總結以下公式：

由于LED 的光強分布不是一個理想的余弦分布，該分布可以表示為：

同時當LED 照射到與其光軸方向垂直的平面時，其平面上的光照度分布為：

將其拓展到空間坐標系時：

其中對于道路上的亮度均勻度不得低于0.4，其中u0為亮度均勻度：

忽略顏色變化影響，通過人眼轉化可得：

L=km∫Ev( )

λ dλ

圖5 夜間燈光模擬

3 結語

本文介紹了融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預警系統，該系統主要通過建立BIM 模型實現校園三維可視化；借助ArcGIS 平臺管理海量空間數據，進行數據批處理及空間分析操作；結合MATLAB 進行燈光預警算法模擬，并利用改進的A*與RRT 算法實現BIM模型室內導航與校園巡邏路線的規劃，為用戶提供了導航、安全預警、緊急事故救援路徑規劃等功能。本系統的開發在極大提高了學校管理水平的同時，大大降低了校園安全事故發生的頻率，減少了經濟損失，還可以為師生提供方便周到的學習生活環境，為學校樹立了安全智能的良好形象。