基于2.5维GIS的图书馆空间管理系统研究与应用*

张琳娜胡渊梁伟

基于2.5维GIS的图书馆空间管理系统研究与应用*

张琳娜胡渊梁伟

为了满足馆藏资源位置服务的实际需要，提高文献获取效率，在对现有GIS技术优缺点及其在图书馆中的应用进行分析的基础上，论文提出了一种基于2.5维GIS的图书馆空间管理系统解决方案，给出了系统架构设计、主要功能说明以及2.5维空间地图的制作方法，阐述了系统空间数据模型及空间和属性数据的集成方案，最后简要介绍了该系统在陕西师范大学图书馆的实施及使用效果。

地理信息系统2.5维GIS 图书馆X-Server

随着计算机技术与通信技术的飞速发展，图书馆信息化经历了从文本管理到信息管理的转变。在这个过程中检索效率得到提高，但由于空间服务的缺失，文献获取效率并未得到等速提升。地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种集空间信息和其他数据信息为一体的计算机系统，具有强大的空间实体定义和关系查询能力，能把现实生活中的各种信息与反映地理位置的空间信息结合在一起,并图文并茂地展示在用户面前[1]。图书馆作为信息资源收藏的实体也具有空间地理形态，馆内收藏的庞杂信息资源除拥有各自的属性信息外，还具有与图书馆地理坐标相关的空间信息，因而在图书馆内形成了纵横交错的信息资源布局[2]。

1 GIS技术在图书馆中的应用

早在上世纪90年代初, 国外图书馆界就已经开始尝试应用GIS[3]。当时的GIS还是依托平面地图对现实空间信息进行映射的二维GIS技术，其在数据采集、空间数据分析等方面虽有很强大的功能，但是二维电子地图本质上仍是一个基于抽象符号的系统，无法给人以自然界的直观感受。因此，图书馆的应用只局限于对地图、遥感影像等地理信息类数据的平面管理和专业性参考服务。

虚拟现实技术的盛行促进了GIS由二维向三维的可视化发展。三维GIS能以立体造型的方式向用户展现地理空间现象。其不仅能够表达空间对象的平面关系，还能表现它们之间的立体关系。因此，图书馆界也开始探索三维GIS对馆区空间管理和读者服务模式的变革与创新。然而，庞大的三维数据量、对计算处理能力的高要求以及平台的高价格门槛，使这种探索多处于理论阶段。国家图书馆的“3D虚拟现实馆”是仅有实现对馆区空间漫游的实践性研究。该系统通过馆内体验区或是网络传播的方式，为读者提供如同沉浸在真实场景中的馆区虚拟漫游及对馆藏数字资源的虚拟阅读等功能[4]。纯三维GIS使读者有较真实的沉浸感，但也容易让人产生迷失感，此外受计算机软硬件性能的限制，其在馆内空间分析、数据管理等方面仍显不足。

融合二维GIS与三维GIS技术的优势，采用二维为主、三维为辅的混合型GIS技术是当前背景下业界推崇的一种较为实际的解决方案[5]。论文提出并实现了一种基于2.5维GIS的图书馆空间管理系统解决方案。采用2.5维GIS对图书馆空间进行管理，既可以实现馆区空间的展示与漫游，又可以发挥其在空间数据管理、检索、分析等方面的特长，弥补图书馆空间服务实践性研究的空白，提高读者获取文献资源的效率。

2 系统设计与关键技术

2.1 系统架构设计

图书馆空间管理系统（Space Management System，简称SMS）集成多种技术，解决如何提高馆藏资源获取效率的应用问题。系统通过对馆区空间的建模与渲染，生成并组建2.5维GIS平台；通过对馆区设施及馆藏资源空间属性的分类与整理，定义并建立空间数据库；通过对已有管理系统相关属性信息的集成与共享，进而实现对馆藏资源的定位、导航及双向查询等功能。

SMS采用B/S架构模式（Browser/Server，即浏览器/服务器模式），将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，并通过Web浏览器向读者提供服务，简化了系统的开发、维护和使用。同时Web服务器实现与MIS（图书馆业务管理系统）的实时交互，保证相关数据的一致性和有效性（如图1所示）。

SMS采用管理和浏览分层的组织模式。

管理界面为管理者所使用，实现数据集成设置和空间数据管理等功能。SMS的运行需要已有MIS的数据支持，数据集成设置主要实现对MIS相关集成规则以及访问权限的定义和管理。空间数据是SMS的核心数据，按照空间实体的特性进行划分，并按照其之间的依存关系进行关联。空间数据管理一方面依据业务功能对空间对象的属性信息进行管理，另一方面与空间地图关联，赋予空间对象具体的空间坐标信息。

浏览界面为读者所使用，实现馆区实景展示漫游、馆藏资源定位导航、资源信息与空间信息双向查询等功能。读者通过互联网访问SMS的浏览界面，在如同真实环境一样的虚拟图书馆中漫步，了解图书馆内部建筑结构以及馆藏资源的空间布局。SMS集成了MIS的属性查询功能，并对查询结果提供空间位置的定位导航。同时，系统增加了空间检索功能，读者在获取馆藏资源具体空间位置的同时，还能了解到与之相关的同架层、架位、架排的其他资源信息，又或是在虚拟图书馆中对感兴趣的空间区域进行点击，获取对应空间位置的馆藏资源信息。

2.2 2.5维空间地图

2.5 维地图是将三维立体模型按照一定的投影规则映射到平面上以展示三维立体效果的二维图形[6]。SMS采用三维建模软件3D MAX对实验馆区进行实景建模，并在三维模型上按照一定的俯视角度渲染、生成该区域的2.5维空间地图（如图2所示）导入系统中。2.5维空间地图在保证地理信息的宏观性和整体性的同时，又能保留丰富的空间实体特征。基于2.5维空间地图的GIS，其一方面继承了二维GIS在数据采集与输入、输出，空间数据分析与处理等方面的强大功能，另一方面又保留了三维GIS丰富、自然、真实的地貌表现能力，提升用户对真实空间的直观感受。

2.3 空间数据模型与集成

空间数据是指空间实体的位置、拓扑关系和几何特征等[7]。空间要素按其自身特征可以分为体、面、线和点。如分馆（体状空间要素）、馆区（面状空间要素），架排（线状空间要素），馆藏资源的空间位置（点状空间要素）等。长期以来，MIS只注重于馆藏资源的属性数据和宏观类空间数据如分馆、馆区等信息的管理，而对于详细的空间数据如架排、架位、架层等，受资源整合等常规业务操作的影响，往往无力维护。因此，图书馆对资源获取过程、空间布局管理等仍然采用传统的人工处理方式。

SMS就馆藏资源的空间数据划分为分馆、馆区、架排、架位、架层五类（如图3所示），这五类数据是单向的包含关系，通过与上级对象的所属属性建立空间关联。此外，架排、架位、架层又有其内在的关联属性，如前架排、左架位、上架层等，通过这些属性建立各个对象内部的关联，从而形成完整的空间关联数据结构。

SMS与MIS（以Aleph系统为例）的空间数据集成包括馆区和架位两类信息（如图3所示）。Aleph系统的分馆和馆区是馆藏资源检索的重要位置信息，馆区信息考虑到中英文库等属性因素，通常会把一个实体空间馆区划分成多个虚拟且空间位置不连续的虚拟馆区。SMS通过对馆区信息设置匹配馆藏属性，将Aleph系统的馆区信息按空间划分进行整合映射，实现对馆区的集成关联。Aleph系统也包含架位信息，但是由于馆藏资源位置的多变性，以及相关维护功能的缺乏，该信息通常未被有效使用。SMS为架层定义了起止索书号属性，系统检索时通过馆藏资源索书号与架层索书号范围的匹配来确定架层、架位、架排等信息，进而实现空间位置的定位。

2.4 属性数据集成

MIS在图书馆信息化进程中已经是一个成熟全面的管理系统。通过集成的方式实现对馆藏资源属性信息的共享，可以有效地保证信息的实时统一。Aleph系统提供一种安全、稳定、可靠的数据交互中间件X-Server接口，它是一个基于XML、Web Services形式的Open API，为第三方应用的开发提供有力支持[8]。X-Server通过HTTP 协议进行通讯，用户通过Web浏览器输入一定规则的URL表达式，X-Server接收处理后返回用户所需的XML文件。

SMS与Aleph系统的属性数据集成需求包括两类。一类是实现属性数据检索功能，即通过书名、作者、索书号等分类查询书目信息；另一类是实现空间书目检索功能，即通过一个索书号起止范围查询书目信息。虽然两类集成需求的出发点不同，但是都涉及三个相同的X-Server接口：find（检索）、present（显示书目记录）、item－data（显示单册信息）。

find服务可以通过多种检索条件和输入参数对书目数据进行检索，然后返回一个结果集的号码。检索参数如：关键字=wrd、题名=wti、ISBN=isb、作者=wau、出版者=wpu、索书号=cal。例如检索关键字为“oracle”的书目信息，其URL为http：//IP:PORT/X? op=find&code=wrd&request=oracle；又例如检索索书号在H319.1/1与H319.1/9之间的书目信息，其URL为http：//IP:PORT/X?op=find&code=cal&request=H319. 1/1-＞H319.1/9。

present服务是根据find服务结果集的号码，显示结果中n-m条书目记录。每条书目信息包括书名、ISBN、作者、出版社、价格等。例如显示结果集号码为000107的1-10条记录，其URL为http：//IP:PORT/X? op=present&set_number =000107&set_entry=1-10。

item-data服务是根据present服务的结果，显示某个书目号下面的所有单册信息。每条单册信息包含条码号、状态、馆藏、索书号等。例如显示书目记录号为000538506的单册信息，其URL为http://IP: PORT/X?op=item_data&doc_number=000538506。

3 应用成果

陕西师范大学图书馆作为教育部直属院校的教学科研文献信息保障中心，其内部环境舒适优美、软硬件设施齐备先进、藏书种类丰富全面。图书馆实现全方位计算机管理，检索系统功能强大，馆内除了两个多媒体电子阅览室之外，同时在多处设有检索机和信息点，读者可以通过校园网、手机等终端检索、浏览馆藏信息。信息化程度虽达到较高水平, 但由于空间服务的缺失，文献获取效率仍然是读者服务工作需要提升的重点。

以论文研究成果为基础设计开发的陕西师范大学图书馆空间管理系统（如图4所示），以长安分馆一层为试点，通过对馆区建筑结构和地物进行实地测量，运用3DMAX制作完成等比的馆区三维场景模型，并渲染生成2.5维实景平面图；通过采集相关馆藏设施的属性及空间信息，组建生成系统空间数据库；通过调用Aleph系统的X-Server，实现对馆藏资源信息的集成。

系统通过图书馆官网和馆区触摸屏的方式为读者提供服务。系统使读者足不出户即可对图书馆空间结构有全方位的了解。通过放大、缩小、平移等操作，读者可以对感兴趣的区域进行虚拟三维漫游或360度实景体验。在漫游的过程中，读者可以快速获取各馆区馆藏范围的概括介绍。在具体馆区内，读者可以选择按架排或按架位的方式浏览查阅。通过在2.5维实景平面图上的平移操作，被选中的架排或架位三维图形会高亮突显并伴有该区域所含资源分类号范围的相关介绍。读者对高亮图形进行点击，即可获得对应区域所含所有馆藏资源的书目概括信息，进一步操作还可以获得关联位置如前后架排、左右架位的馆藏资源信息。此外，系统集成了传统的检索功能，读者通过检索关键词在获得馆藏资源书目概括信息的同时，还能获得所关注资源的空间位置和最短路径指引，提高了资源获取效率。进一步操作还可获得相邻空间位置的其它馆藏资源信息，使读者有如真实环境中一般的空间查阅体验。

从系统的试用情况来看，与传统查询系统相比该系统较好地满足了读者对馆藏资源位置服务的需要，进一步提升了读者对馆区空间的感知能力，增加了读者对图书馆资源分布了解的兴趣。系统在读者获取资源的效率以及基于空间的资源推荐等方面有较好的服务能力，受到读者的好评，取得了良好的应用效果。

4 结语

本文以提高馆藏资源获取效率为考量，在分析 GIS技术在图书馆应用的基础上，提出了一种基于2.5维GIS的图书馆空间管理系统解决方案，给出了系统的架构设计和关键技术说明，通过在陕西师范大学图书馆的实际应用，证明了该系统能较好地满足读者对文献资源获取的引导工作，提高图书馆的读者服务能力。同时，研究也发现目前基于空间的馆藏资源查询方式仍存在误差，需要进一步改进。此外，系统在图书馆其它设备资源（如座位、电子阅览设备等）管理、馆藏空间分析、业务决策支持等方面的功能仍有待进一步探索。

空间化、可视化是未来图书馆读者服务与管理的一个重要的发展方向，基于2.5维GIS的图书馆空间服务研究就是在这方面的初步探索，它能改变图书馆传统的信息服务方式，使信息服务由关系数据库进入到空间数据库领域。其既保留已有信息系统的优点，又可以将服务模拟到可视化的环境中，提高图书馆的信息服务与管理的功能和效率。因此，在GIS技术下研究图书馆空间服务有极好的科学价值和应用前景。

[1]史亚光.基于地理信息系统（GIS）的图书馆管理与应用[J].图书情报论坛，2009（2）：35-37.

[2]杜慧敏，刘昌莹.基于GIS的图书馆空间信息管理系统研究[J].图书情报工作，2004，48（9）：77-79.

[3]沈健.大学图书馆开展地理信息系统（GIS）服务初探[J].图书馆论坛，2006，26（2）：194-196.

[4]李雪.虚拟现实技术在国家图书馆中的应用[J].科技情报开发与经济，2009，30：27-28.

[5]万幼，边馥苓.二三维联动的GIS系统体系结构构建技术[J].地理信息世界，2008（4）：48-52，69.

[6]宋珉，刘鹏超，赵维，等.2.5维地图制作算法研究与实现[J].城市勘测，2010（5）：104-106.

[7]余传明.基于GIS的数字图书馆：原理与应用[J].情报理论与实践，2004（6）：651-653.

[8]张红，王美英，只莹莹.ALEPH500系统X_server接口的研究与实践[J].现代图书情报技术，2011（10）：68-73.

张琳娜陕西师范大学图书馆馆员。陕西西安，710119。

胡渊陕西师范大学图书馆副研究馆员。陕西西安，710119。

梁伟陕西师范大学旅游与环境学院讲师。陕西西安，710119。

Research and Application of the Library Space Management System Based on 2.5 dimensional GIS

Zhang Linna，Hu Yuan，Liang Wei

In order to satisfy the actual needs of the library resource location services,improve the efficiency of the document acquisition,based on the analysis of the strengths and weaknesses of the existing GIS technology and its application in the library,this paper presents a solution for library space management system basing on 2.5 dimensional GIS,gives the system architecture design,the main function description and the making method of 2.5 dimensional space map,elaborates the spatial data model and the integration scheme of the spatial and attribute data.Finally,it briefly introduces the implementation and application effect of this system in Shaanxi Normal University Library.

Geographic Information System.2.5 Dimension GIS.Library.X-Server.

G250.7

2014-02-04编校：刘明）

*本文系陕西省图书馆学会研究课题“基于2.5维GIS的图书馆空间服务研究”（项目编号：121016）研究成果之一。