基于WebGlS的水利特色全景智慧校园系统的设计与研究

罗 敏（四川水利职业技术学院信息工程系，四川成都，611230）



基于WebGlS的水利特色全景智慧校园系统的设计与研究

罗 敏
（四川水利职业技术学院信息工程系，四川成都，611230）

摘要：本文阐述了基于Web GIS的水利特色三维智慧校园系统的设计理念，并进一步提出构建实用、可行的水利特色智慧校园系统设计方案。以校园的三维场景尤其是特色水景观场景为基础，融合3D数据、地形数据、全景照片数据以及多媒体数据，通过Web GIS技术发布以上数据，并把数据融合在一起，为用户提供浏览、查询、分析等功能，让用户方便、快捷地了解校园信息。同时，物联网技术的应用，实时的教室监控信息，帮助学生选择合适的自习室，实现校园资源的优化使用。

关键词：全景智慧校园；水利特色；Web GIS；三维可视化

0 引言

智慧校园，是指利用现代信息化技术手段来改变校园信息化应用的交互方式，并提高校园信息化应用交互的准确性、灵活性和响应速度，促进人与校园信息系统的高度融合，从而实现校园学习、工作、生活、管理以及服务智能化、人性化、个性化，以此来提升学校总体运行的效益。本文在已有数字化校园建设的基础上，借助WebGIS技术、三维建模技术、全景漫游技术、定位导航技术与信息发布等技术的整合运用和联动交互，构建一个能更好地展示四川水利职业技术学院的教育环境尤其是水利校园文化景观，硬件条件、师资和管理水平的智慧校园平台。对外展示学校建设成果，对内为全校师生提供快速搜索校园信息，准确定位校园地标点位置，及时分享校园学习与生活信息的全新信息平台。

1 全景智慧校园的研究现状

通过文献调研发现，国外较早就对智慧校园部署建设进行了探索研究，已经拥有较多的先进实践案例。例如：宾夕法尼亚大学的校园一卡通经RFID技术集成多种应用后，可以支持Penny Card与手机SIM卡集成，并集成银行卡功能，学生毕业之后仍可以作为打折卡使用。英国诺丁汉大学构建统一的校园呼叫中心，为全校36000名学生和6500名教职工提供了24小时服务热线，打造出完善的灾备系统和人性化服务平台。

图1 Web GIS的工作原理图

反观国内的智慧校园研究起步相对较晚，但是具有广阔的研究发展空间和潜力。2010年，浙江大学首次提出了以建设无处不在的网络学习、融合创新网络科研、透明高效的校务治理、丰富多彩的校园文化、方便周到的校园生活为核心思想的“智慧校园”概念。南京邮电大学与江苏金智公司合作，推出了基于物联网和成熟数字化校园基础设施的“智慧校园”。在西南交通大学食堂和浙江理工大学的食堂里，“智盘自选餐厅快速结算系统”已经开始为智慧校园增添了更多智能色彩。此外，清华大学、中国石油大学、许昌学院、黄淮学院等也相继建设了三维虚拟校园或全景智慧校园。

综上可知，目前各高校校园网已日渐成熟，网民众多，且随着POSTGRESQL等GIS相关开源工具和技术的日趋成熟和不断发展，建设一个以地理信息系统平台为基础，集成三维校园、实景校园、室内校园，提供丰富的位置服务和客户体验的WebGIS开放式智慧校园全景漫游平台是对高校智慧校园建设的一次有益尝试和积极创新。

2 相关技术研究

2.1 Web GIS

Web GIS就是Web和GIS的结合，这样的结合促进了双方的发展，增强了GIS交互式的操作感。用户可以在客户端上浏览系统发布的地理数据，向服务器发送数据查询、空间分析、专题图制作等请求。服务器对响应这些请求后，并把结果传给客户端，用户就可以在客户端的浏览器上看到想要的结果。Web GIS的工作原理如图1所示。

目前，主流的 Web GIS 产品主要有：ESRI的Arc IMS和Arc GIS Server、超图公司的 Super Map i Server、Map Info 的Map Xtreme 等。本系统选择的Arc GIS Server具有以下优点：支持矢量、栅格以及三维模型数据；支持NET与Flxe的网络应用程序开发框架；支持多种数据库，如Postgre SQL等；支持Arc SDE空间数据引擎，可以对空间数据进行入库管理；有强大的转换坐标、地图打印、空间分析等功能。此外，Arc GIS Server开发的平台稳定性强、漏洞少、接口设计好等优点为本系统的实际开发和运行提供了基本保障。

图2 智慧校园数据关联图

图3 系统构架图

2.2 三维建模软件

目前市场上较为主流的建模软件有：3D Max、sketchup等。其中使用3ds Max建立的模型优点在于精细、渲染效果好，但是也有其不足之处如：模型数据量大、成本相对较高，为系统的管理带来很多问题。而Sketchup的优势有：简洁大方的操作界面；用户可短期内掌握使用方法，；应用范围广：可以应用在游戏、建筑设计、地图展示、园林景观、室内场景和工业设计等领域；还可以用CAD对剖面图进行处理；支持多种数据格式，包括DWG、3DS等格式的数据，多数据的支持可以使sketchup制作的模型被更多的软件使用。鉴于此，本系统拟采用sketchup软件对校园进行建模。

2.3 360度全景技术

全景，又被称为3D实景，是一种新兴的富媒体技术，其与视频，声音，图片等传统的流媒体最大的区别是“可操作，可交互”操作。在本系统中用三维模型展示整体的校园环境，对于校园的细节部分和建筑内部结构用全景数据展示。这样用图片展示代替模型展示细节的优势有：全景照片是在现场实地拍摄，是现场场景的真实表达，这样的展示比三维的模型更有现场感；场景360度全方位的展示，表达了更多的信息，并且用户可以随意的操作，良好的交互性；在全景数据上设置相应的热区，实现与多媒体数据的关联，能够多方式的表达校园信息；全景数据是用图片拼接成的，所以数据非常小，网络上传输的速度快，展示流畅。

2.4 物联网技术

物联网是通过射频识别（（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。本系统设计的物联网主要是把教室的视频监控信息融入智慧校园的平台，把监控信息和监控点对应的空间位置相关联，实现相互的查询定位。

3 水利特色全景智慧校园系统的分析与设计

3.1 系统需求分析（可以考虑加入校园安保防护等）

3.1.1 校园的需求分析

四川水利职业技术学院是一所有着60年历史的公办高职院校，学院因水而起，因水而兴，在四川水利水电行业享有“黄埔军校”的美誉，尤其是2014年省示范建设之“水利特色校园文化”建设项目营造的亲水、爱水、敬水三大景观平台是我校有别于众多高职院校的特色景观。学院占地面积854.3余亩，建筑面积261490平方米。学校在校生达8400余人，另有教职工500多人。学院现有各类实验、实训场所60多个。学院日常教学和管理工作较为繁重，且学校面积较大，楼宇建筑众多。因此，建立现代化的智慧校园管理系统毫无疑问为学院的不断的发展添翼助飞。

3.1.2 系统功能的需求分析

通过对现有智慧校园系统的调查研究和对用户实际需求的分析，系统的设计需要完成以下的功能：

①三维校园可视化漫游：系统集成三维场景的放大、缩小、漫游、平移等功能以及对室内的 360 度全景数据的浏览，完成三维到全景的切换。还可在三维场景中设置飞行路线，对其进行飞行浏览地理景观。满足用户真实感的需求。

②二维、三维及360度全景的联动：三维地理位置和二维导航的联动，可以动态展示和交互式观察，消除用户在三维校园漫游时产生的迷失感。与36度全景数据的联动，用户在浏览全景数据时，在三维空间中可定位到全景数据的空间位置。

③空间查询： 用户选中三维空间中的建筑物，选择查询弹出该建筑物的属性和多媒体信息，实现空间位置、文字、视频的融合。全方位的展示满足了各种用户喜好的需求。

④学生信息管理： 考虑到校园管理者需要对学生的基本信息进行登记和管理，同时，要向管理者提供查询学生居住宿舍的地理位置信息的功能。设计中应该满足用户这样的需求。

⑤教室信息查询： 用户在三维建筑的内部，可通过360度全景图片的热区，对内部教室信息进行查询，弹出窗口显示属性信息，包括教室的具体位置、可容纳人数、本教室的课表、该教室的视频课件以及该教室的监控信息。满足学生需要了解教室实时信息的需求。

3.1.3 系统的可行性分析

（1）数据是基础

GIS的系统的开发的基础是数据，数据的采集和处理显得格外的重要。首先是模型数据的准备。学院羊马新校区的电子地形图和基础的地理数据，用全站仪采集的地物的坐标信息，导入CAD生产dwg格式的数字线化图。校园楼宇景观三维模型粗模（教学楼、行政楼、图书馆、餐厅、活动中心）；过对前期数据的调研，从时间和硬件方面考虑，都可完成系统需要的数据，因此从数据方面来说系统的实现是可行的。

本系统的设计和实现中用到多种数据，来实现系统的各个功能。对用到的数据可整理后，把数据分为地理空间数据、属性信息数据和多媒体数据。各数据之间的关联如图2所示：

（2）团队技术支撑

项目组成员拥有比较丰富的数字化校园建设经验，负责建设了学院数字化校园的基础工程（一卡通、三大平台），全程参与学院2015年“掌上智慧校园”建设项目；具有很强的计算机语言编程和系统架构能力和测绘能力和GIS运用能力。通过查阅相关资料，进行集体多方讨论，周密的设计计划，团队的大力支持，相信可以完成系统的设计开发。

3.2 水利特色全景智慧校园系统的设计

（1）智慧校园系统平台总体设计

系统主要分为四大功能模块：三维全景校园的展示模块、多媒体展示、学生管理模块、教室信息管理模块，设计的结构如图3所示：

（2）系统的主界面设计美观整洁的系统界面，会直接影响用户对系统的评价。因此，系统参考多个相关系统的界面设计，在传承一些基本因素的前提下，把各个功能合理的设计在其中。其设计如图4所示：

图4 系统主界面

（3）三维可视化的模块设计

该模块提供了三维场景浏览的基本功能，如缩放、漫游、旋转、三维导航、环视等功能，二维导航图、三维视图以及360提全景图实时联动，以多视角全方位的展示了校园的真实风貌以及校园的详细信息，360°全景照片展示校园建筑的内部景观，使用户虽未踏步其中，却有身临其境的感觉，方便用户浏览三维场景，三维场景如图5、6、7所示。

图5 莲花湖水景观三维展示

图6 水文化长廊 水文化展厅

图7 校园全景展示

（4）校园多媒体信息的综合展示 该模块通过空间定位的方式把多媒体信息和校园的三维空间位置相关联，更好的向用户展示校园风貌。

3.3 学生信息管理系统

该模块主要是为校园管理者设计，主要有学生信息的录入、查询、修改的功能，学生用户只能查看自己的信息。模块主学生信息录入。用户可新建、修改、保存学生信息。户可新学生信息查询可对学生信息进行查询，并弹出对话框现实学生的基本信息。对学生学生课表管理 可选择查看学生的课表的功能，系统自动连接到学生的课表，管理者点击对应每节课对应的教室，系统的主界面将定位到对应教室三维场景，在场景中选择教室管理的要素识别，就可知道教室的相关信息，也可以查看实时的监控视频。可以了解该学生是否在教室上课，实现网上对学生进行考勤。其关联关系如图8所示：

图8 学生信息管理系统图

3.4 教室管理系统

教室管理系统拟采用外部建筑三维模型的可视化，内部的景观展示采用 360 度全景数据的虚拟漫游现实来实现。该系统可实现的功能主要有对系统的教室全景进行浏览时，单击相关要素识别，就可弹出小窗口显示该教室的位置编号、课表、容量信息、开放时间、实时视频监控等信息，访问者可根据这些信息来安排自己去相关教室上课，可以选择较长时间无课的教室来上自习。如图9所示：

图9 教室管理系统图

4 结语

本文提出了展现水利特色的全景智慧校园系统的研究和设计，实现了部分系统功能，但还有许多系统功能需要实现和完善。对于智慧校园的研究才刚刚开始，智慧校园研究之路还很漫长。随着物联网技术的不断发展，今后可实现更多的校园智能化的感知环境，让校园管理更加智能化。

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Design and research system of a 3D wisdom of the campus based on WebGIS

Min Luo
（Sichuan water conservancy vocational college， Chengdu，Sichuan，China）

Abstract：In this paper，we have expounded the design concepts of water conservancy characteristics Three-Dimensional（3D）wisdom campus system based on the Web GIS. And further present the establishment of practical，feasible design scheme to construct a water conservancy characteristic wisdom campus system. The multifunctional platform including browse，query，and analysis were formed based on the 3D campus scene，especially on the basis of water landscape scenes characteristics.This platform were fused the 3D data，terrain data，panoramic photo data and multimedia data， and through the Web GIS to release the above data together.Then the users can better understand the campus information easily and quickly.Meanwhile，the application of the internet of things technology， real-time monitoring information of the classroom can help students to choose the appropriate study area to achieve the optimal use of campus resources.

Keywords：Panoramic wisdom campus；water conservancy characteristics；WebGIS；3D visualization

基金项目：四川水利职业技术学院资助项目（KY2015-15）

作者简介

罗敏（1981-），女，四川宜宾人，硕士，讲师，主要从事计算机应用研究