传统民居聚落智能化管理与移动旅游自助服务系统研究

梁冰， 魏海洋， 白玉龙， 刘建华， 杜明义

(北京建筑大学测绘与城市空间信息学院现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044)

传统民居聚落智能化管理与移动旅游自助服务系统研究

梁冰， 魏海洋， 白玉龙， 刘建华， 杜明义

(北京建筑大学测绘与城市空间信息学院现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044)

随着旅游经济的快速发展，传统民居聚落环境正遭受着来自各方面的破坏和压力，这对传统历史文化的传承和弘扬影响深远。如何有效、科学地管理和保护特色鲜明的传统民居聚落这一载体已成为迫切需要解决的问题之一。针对传统民居聚落街巷机理特点，创新性地提出了集成GIS、360°全景影像、移动测图系统(mobile mapping system，MMS)、航空摄影测量、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)测量和移动物联网等多技术协同的传统民居聚落基础环境数据采集方法和工艺流程，以及基于Geodatabase和PostgreSQL的传统民居聚落特色的多源空间数据存储解决方案，并开发出一套功能完备的传统民居聚落智能化管理系统与移动旅游自助服务系统。实证表明，该系统显著提高了传统民居聚落管理智能化和旅游服务信息化水平。

传统民居聚落；基础设施与环境管理；多源空间数据采集与存储；移动GIS与物联网；智能移动旅游自助服务

0 引言

随着传统民居聚落保护性建设与旅游服务的快速发展，应急消防、地面园林绿化、地下综合管网等设施数量的不断增加，对基础设施及环境进行科学高效的管理和保护已显得尤为迫切。传统民居聚落基础设施管理涉及古建筑、园林绿化和各类地上及地下与民众生活息息相关的各种设施，种类繁多，数量庞大，是传统民居聚落管理保护的有机组成部分；如何快速获取准确、现势性的信息并进行系统化的管理，是传统聚落环境管理与保护面临的重大技术问题之一。目前传统依靠管理员“询、探、查”的管理方式已无法适应现实发展的需要；而运用移动物联网和GIS空间信息管理等技术对各种资源进行高效的管理将具有很大的发展潜力[1]。

本文主要研究利用移动物联网和地理信息技术如何高效的采集、存储、管理、分析和表达传统民居聚落基础设施空间数据和环境信息；创新性地提出了针对传统民居聚落环境和聚落机理特征的多源空间数据采集集成技术，并运用多维度智能化物联网与GIS服务相结合的形式全方位地展示并有效地对传统民居聚落进行管理，使得对传统民居聚落的管理更加形象化和精细化；重点解决了目前传统民居聚落管理困难、维护成本高以及传统民居聚落信息集成难、保护能力弱等问题，有效地促进了传统民居聚落管理的智能化服务水平。

1 多源空间数据采集集成技术

从目前国内外地理信息技术发展现状况来看，空间数据采集与更新技术主要包括高分辨率卫星遥感技术、航空摄影测量技术、地面街景测绘技术以及地面激光扫描近景摄影测量技术等[2-5]。针对传统民居聚落环境特点与智慧化管理需求，本研究主要采用街景影像移动测图技术、360°全景影像采集技术、航空摄影测量技术、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)动态实时差分测量技术，以及GIS Web Service技术来解决传统民居聚落精细化管理与旅游环境保护方面的突出问题。

1.1 街景影像移动测图技术

移动测图系统[6](mobile mapping system，MMS)目前主要用于城市立面街景影像及城市部件测绘信息的快速获取(图1，据武汉立得)。针对传统民居聚落街巷的机理特点，本文对其进行方法和工艺技术改进，并成功应用到传统民居聚落基础设施及环境管理之中，为管理系统提供包括聚落区的空间矢量数据、属性数据以及沿道路环境的视频数据服务，并建立与聚落区相对应的连续可量测实景影像(digital measurable image，DMI)。该影像库中的影像均带有绝对方位元素，本文在量测算法研发的基础上实现了对影像像对中任意地物的绝对测量和相对测量。同时针对影像数据量庞大、系统检索服务响应时间长等一系列问题，数据组织方式采用以每个整点小时为时间节点命名分层保存的影像数据，有效减轻了服务器内存压力，实现了系统的高可用性。此外，为了提高影像中地物目标的定位和量测精度，研究利用差分全球定位系统(difference global positioning system，DGPS)技术对数据进行实时差分，从而获得高精度的聚落区影像目标测量信息[7]。该技术为传统民居聚落基础设施与环境管理中街景影像地图浏览和影像实景量测等功能的实现提供了良好的数据基础，从而有效地解决了管理系统对基础设施部件与环境信息进行查询、量测与展示等问题，实现对聚落区基础设施的智能化信息采集与管理。

图1 MMS数据采集工艺技术流程Fig.1 MMS data acquisition technology

1.2 360°全景影像采集技术

360°全景影像技术又称虚拟现实技术(或实景虚拟)，是一种基于全景影像的真实场景虚拟现实技术，主要用于旅游建设规划、工程管理、房地产楼盘展示等行业[8-9]。针对传统民居聚落旅游区的展示特色，本文基于360°全景技术,研究开发了一套完整的传统民居聚落基础设施与环境360°全景数据采集与沉浸式管理模块。该技术可依据聚落区地形、地貌、地面构筑物以及街巷空间分布机理，采用点源式数据采集方法，并根据每个采集点的方位、光线和周围环境的协同，采用不同的曝光度和白平衡及采集后期处理方案，充分发挥360°全景影像的展示能力。针对全景影像数据在系统展示时过于庞大这一问题，研发了基于Net Framework的批量数据压缩程序，在不影响显示效果的前提下，对全景影像数据在入库前进行批量压缩，从而提升了系统实用性能。民居聚落区管理者可在移动物联网管理平台上浏览景区360°全景图及查询分析特定对象(图2)，并用鼠标自如地控制观察的视角和远近。系统创新性地构建了全新的管理模式和真实体验环境，使管理者能深刻感受到基于移动GIS的全景对象化带来的便利，有效地解决了管理者对基础设施及环境在进行远程浏览、查询和分析等问题。

图2 360°全景图Fig.2 360°panorama

1.3 航空摄影测量技术

航空摄影测量技术能够快速、准确地获取和更新地理信息数据[10]。采用航空摄影技术，不仅能从高空获取有关民居聚落基础环境的空间分布状态信息，而且对传统民居聚落街巷机理以及景观格局分布特征的观察分析也十分便利。本文航拍采用搭载Leica航拍相机(组)的固定翼无人机来完成，制订了影像采集空间分辨率0.2 m，且航向与旁向分别达到65%和35%高重叠度的航拍方案，以获取高品质的航拍影像数据资料。通过航片后期处理，获取了覆盖传统民居聚落区域2.5 km2的高空间分辨率数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)；以该图作为底图，在后期展示过程中采用切片技术，使遥感影像能够通过分级加载方式与矢量图层以及立面街景影像进行叠加展示，实现了多源空间数据的协同管理和工程化应用。

基于DOM数据，本文创新性地利用传统民居聚落立面街景影像结合平面航测影像多维度集成展示技术，研发了构造业务管理新模式，有利于对传统民居聚落区域整体进行更加直观性的分析和决策。

1.4 GNSS实时动态差分技术

GNSS实时动态差分技术能够在野外实时获取定位精度达到cm级的采样点，目前主要应用于工程放样、地形测图以及各种野外测量工程[10]。

针对传统聚落多源空间数据集成采集需求特点，本文利用GNSS RTK实时动态差分技术高效、快速、准确地获取了部分基础设施的空间位置数据，并录入到多源空间数据库中，结合航空影像、街景影像以及360°全景影像，更加精确和形象地展示了现有传统民居聚落基础部件的空间位置和现场环境的真实分布状况，并重点解决了MMS街景影像中对目标定位精确度不足等关键问题。

1.5 移动物联网和LBS服务技术

针对传统民居聚落区动态巡查管理和游客自助服务的双重需求，首次提出基于LBS(location based service)[11]和移动物联网技术集成的智能化GIS管理与服务新模式，研发出了与LBS协同的物联网二维码空间资源管理与旅游资源推送技术，服务于搭载Android和Mobile GIS技术的智能移动终端。

本文提出的集成MMS移动测量、360°全景影像、航空摄影测量、GNSS动态差分测量以及移动物联网和LBS服务等多技术协同的空间数据采集系统与技术服务，实现了对传统民居聚落基础环境的宏观性与微观性兼备的多维度一体化描述，为依托GIS Web Service及智能移动端APP的智能化服务奠定了坚实的数据和技术基础。

2 空间数据库

地理空间数据是指与空间位置和空间关系相联系的数据[12]。针对传统民居聚落管理数据涉及的类型及其特点，本文提出了一套完整的多源空间数据库构建方案，以便实现空间数据的高效存取，支撑系统各项功能和多元化应用服务的快速响应。有关传统民居聚落基础设施环境的空间数据类型主要有：街景影像数据、街景视频数据、GNSS导航链数据、360°全景影像数据、航空影像数据、基础设施空间位置测量数据、传统民居聚落地形图矢量数据、地下管线(廊)基础设施数据、二维码资源数据及旅游自助服务数据等多种类型。

在目前GIS行业空间数据库发展现状的基础上[13]，本文选取支持空间拓扑关系的Geodatabase[14]和PostgreSQL[15]对象关系数据库以及APDM管线管理数据模型[16]，用以解决多源海量空间数据的存储和管理[17-20]；构建了涉及要素类数据集[19](存储矢量数据)、对象类数据集(存储表格类数据)、栅格类数据集(存储影像类数据)、辅助数据集(存储物联网二维码资料数据)和业务运行数据集共5大类数据集(图3)，进行传统民居聚落空间数据的组织和管理。

图3 传统民居聚落空间数据库的组成Fig.3 Composed of spatial database of traditional residential settlement

3 系统实现

3.1 系统整体架构

系统整体架构主要包含360°全景影像管理模块、资源综合管理模块和智能移动旅游自助服务模块。前2个模块主要满足管理者对传统民居聚落区的日常维护及应急管理工作的需要，智能移动旅游自助服务模块主要满足游客对传统民居聚落景区资源的查询、浏览等导游功能的需要。

整个网络化管理系统采用基于B/S体系架构和FLEX等开发技术[21]的GIS Web Service 技术设计和实现。智能移动端基于ArcGIS for Android系列化组件[22]进行二次开发来实现景区资源在移动智能化终端的便捷化智能服务。

3.2 系统研发与实现

本文选取北京市古北水镇历史文化区为传统民居群落智能化管理与移动旅游自助服务系统的示范区。通过对古北水镇历史文化区地形、地貌、地面构筑物以及基础设施环境多角度和全方位的数据采集和软件功能模块研发，建立了具有全景数据、航空影像数据、MMS测量等数据、物联网数据的综合智能化管理系统。该系统使得管理者能够以网络办公的形式对传统民居群落区进行全面协调和可视化管理，通过全景影像和基础设施管理平台(图4，5)对基础设施部件等资源进行状态查询和分析，并且可以通过连续全景对沿街道路周边基础设施进行动态浏览和可视化集成监管。

图4 全景浏览分析模块Fig.4 Panoramic view

图5 资源综合管理模块Fig.5 Infrastructure management

通过资源综合智能化管理模块可详细查询聚落区部件和事件的位置和相关属性信息以及周边环境信息，以便进行有针对性的可视化预案管理和业务远程调度。

通过智能移动旅游自助服务模块(管理版)，传统民居聚落管理者在现场巡查时，也可通过移动版的物联网智能管理系统终端对基础设施部件及关联性案件进行定位、信息查询及现场资源快速调度，从而达到移动办公的目的。同时该模块(游客版)可为传统民居聚落区的游客提供涵盖有关旅游区景点资源介绍、酒店预定、语音介绍等自助服务功能的APP软件客户端，为游客提供便利的一站式导游服务(图6)。

图6 智能移动端旅游自助服务APPFig.6 Mobile tourism self-service APP

4 结论

1)针对传统民居聚落特色管理与旅游服务需求，研发了多技术协同的空间数据采集管理协同技术、基于移动物联网及GIS等技术的传统民居聚落智能化管理与旅游自助服务系统，解决了传统管理模式更新慢、实时性差、管理者缺乏现实感等问题，实现了民居聚落的高效性、综合性和协调性管理。

2)实现了对传统民居聚落区的实时动态管理和一站式旅游自助服务，为依托传统民居聚落的传统历史文化传承与保护提出了业务管理新模式，充分体现了数字化和信息化的优势。

3)针对传统民居聚落区的保护机制和运维模式研究还有待进一步完善，多源空间地理信息数据的组织形式和检索方式等研究还有待提升，以满足传统民居聚落可持续发展的需要。

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(责任编辑：李瑜)

Traditional residential settlement intelligent management and tourism self-service system

LIANG Bing, WEI Haiyang, BAI Yulong, LIU Jianhua, DU Mingyi

(KeyLaboratoryforUrbanGeomaticsofNationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation，SchoolofGeomaticsandUrbanSpatialInformation,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044,China)

With rapid economic development in tourism market, traditional residential settlement environment is suffering damages and pressures from various aspects, which are likely to exert considerably adverse effects in terms of inheriting and promoting the traditional culture and history. Therefore, how to manage and protect traditional residential settlement infrastructure and the environment scientifically has become one of the most urgent issues. In the light of the characteristics of the traditional residential settlement, this paper innovatively presents the multi-technology-based collaborative environment of traditional residential settlement data collection methods that integrate the technologies of GIS, 360° panoramic image, mobile mapping system(MMS), aerial photogrammetry, global navigation satellite system(GNSS), location based service(LBS) and internet of things as well as the multi-source spatial data storage solution based geodatabase. Finally, a fully functional software system is developed to achieve the purpose of traditional residential settlement intelligent management and tourist self-service. Practice shows that the system significantly improves the intelligent level of traditional residential settlement infrastructure management and tourism services.

traditional residential settlements; infrastructure and environmental management; multi-source spatial data acquisition and storage technology; mobile geographic information system and internet of things; mobile tourism self-service

2014-04-06；

2014-09-13

“十二五”科技支撑计划项目“传统民居聚落基础设施完善与使用功能拓展关键技术研究与示范项目”(编号：2012BAJ14B03)、北京市教委青年英才计划项目“高空间分辨率遥感影像尺度计算方法研究”(编号：YETP1647)及北京市自然科学基金项目“MMS街景影像中城市部件对象化与快速更新技术研究”(编号：4142013)共同资助。

10.6046/gtzyyg.2015.03.30

梁冰，魏海洋，白玉龙,等.传统民居聚落智能化管理与移动旅游自助服务系统研究[J].国土资源遥感,2015,27(3):188-193.(Liang B,Wei H Y,Bai Y L,et al.Traditional residential settlement intelligent management and tourism self-service system[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(3):188-193.)

TP 79

A

1001-070X(2015)03-0188-06

梁冰(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为MMS测图与移动GIS技术。Email: liangbing1987@qq.com。

刘建华(1981-)，男，硕士生导师，主要研究方向为智慧城市与移动GIS等。Email: liujianhua@bucea.edu.cn。