黃偉航，王星捷

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007)

0 引 言

在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)環(huán)境下，隨著智能化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)不斷發(fā)展，校園信息化的建設(shè)也逐漸日新月異趨向智能化、多樣化。智慧校園的發(fā)展建設(shè)需要能夠為校園提供一個更加快捷的信息交互平臺，使教學(xué)、管理、生活充分融合，促進(jìn)現(xiàn)代教育的發(fā)展。

智慧校園不僅只有數(shù)字校園建設(shè)基礎(chǔ)平臺，還應(yīng)該具有人性化的管理。目前在智慧校園系統(tǒng)上的研究已經(jīng)取得了諸多成果，如基于GIS通過三維建模應(yīng)用于校園虛擬環(huán)境進(jìn)行模擬[1]，使得構(gòu)建出的虛擬校園模型具有應(yīng)用性；利用GIS系統(tǒng)實現(xiàn)校園內(nèi)社團(tuán)管理[2]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在空間上的表達(dá)；利用WIFI無線通信技術(shù)對校內(nèi)個人空間實現(xiàn)智能化管理[3]，方便校內(nèi)人員日常的簡單需求；構(gòu)建校園WIFI定位平臺實現(xiàn)利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行多種平臺服務(wù)[4]。類似的成果在智慧校園基礎(chǔ)上延伸研究還有許多。

但是以上研究強(qiáng)調(diào)實現(xiàn)系統(tǒng)的某些功能，缺乏多維數(shù)據(jù)的融合，缺乏實際校園在虛擬上的映射[5-6]，在作為學(xué)校整體化的智慧校園系統(tǒng)仍有一定不足。因此，文中在數(shù)據(jù)上融合了二維空間數(shù)據(jù)、三維空間數(shù)據(jù)[7]、時空數(shù)據(jù)[8-10]和關(guān)系數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)上結(jié)合了GIS平臺，虛擬技術(shù)平臺[11-12]和C/S的模式實現(xiàn)了三維智慧校園[13-14]。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)基本構(gòu)架體系按數(shù)據(jù)過程流分為基礎(chǔ)環(huán)境層、數(shù)據(jù)資源層、核心邏輯層、應(yīng)用表現(xiàn)層。其中基礎(chǔ)環(huán)境層包括該系統(tǒng)所需的所有基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)資源層包括基本數(shù)據(jù)庫與地理數(shù)據(jù)庫；核心邏輯層通過系統(tǒng)劃分的模塊將數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實現(xiàn)模塊對應(yīng)的功能；應(yīng)用表現(xiàn)層則將核心邏輯層最后的結(jié)果展現(xiàn)在系統(tǒng)平臺上。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

基礎(chǔ)環(huán)境層為智慧校園實現(xiàn)的基礎(chǔ)，服務(wù)端基礎(chǔ)環(huán)境需依托校園網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，該層包含校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、校園智能終端、校園基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、設(shè)施維護(hù)系統(tǒng)4部分。對于現(xiàn)代化智能網(wǎng)絡(luò)的需求，智慧校園系統(tǒng)利用校園內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)高速傳輸?shù)膬?yōu)勢，將校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與校園終端連接，實現(xiàn)精確的點對點信息傳輸，構(gòu)建出透明的虛擬校園映射，為智慧校園系統(tǒng)作為智能化終端，為大數(shù)據(jù)處理、智能應(yīng)用服務(wù)提供技術(shù)支持基礎(chǔ)。使得后期在智能校園終端構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)展更加便捷、交互更加流暢。最后作為長期運(yùn)行的系統(tǒng)還需構(gòu)建出一個完善的運(yùn)行管理制度，對服務(wù)器設(shè)備、數(shù)據(jù)庫資源、系統(tǒng)傳輸信息、系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實時的監(jiān)控管理，使智慧校園為學(xué)校實行高效穩(wěn)定安全的服務(wù)管理。

數(shù)據(jù)資源層包括三種數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，分別為地理數(shù)據(jù)、校園基本數(shù)據(jù)、時空數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)庫中儲存用于顯示地圖與支持空間查詢的地理數(shù)據(jù)，分為二維校園數(shù)據(jù)與三維校園數(shù)據(jù)：其中二維數(shù)據(jù)源于對校園矢量化得到，三維數(shù)據(jù)在二維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對建筑進(jìn)行實際建模得到；地理屬性通過實際采集導(dǎo)入。校園基本數(shù)據(jù)用于實現(xiàn)校園數(shù)據(jù)管理，根據(jù)對象分為人員數(shù)據(jù)庫與建筑數(shù)據(jù)庫；該類數(shù)據(jù)都同樣源于實際數(shù)據(jù)導(dǎo)入。時空數(shù)據(jù)分為狀態(tài)數(shù)據(jù)、時間段數(shù)據(jù)，狀態(tài)數(shù)據(jù)與校園基本數(shù)據(jù)并列，儲存人員、建筑信息的實時數(shù)據(jù)，時間段數(shù)據(jù)作為時間段對照，數(shù)據(jù)通過對校園一天的時間分布情況得到，狀態(tài)數(shù)據(jù)由SQL語言進(jìn)行處理。

核心邏輯層實現(xiàn)多種系統(tǒng)模塊中的具體功能，所以該層具體的大小由系統(tǒng)模塊的功能控制；目前該層已經(jīng)實現(xiàn)所有功能，但由于智慧校園系統(tǒng)是一個不斷發(fā)展的人性化系統(tǒng)，該層也將在未來添加更多與時俱進(jìn)的實用功能。

應(yīng)用表現(xiàn)層實現(xiàn)核心層與用戶的交互，系統(tǒng)采用C/S的結(jié)構(gòu)模式，目前已經(jīng)實現(xiàn)在PC端上的使用。在PC端采用VS2013為開發(fā)工具，以C#為開發(fā)語言，在系統(tǒng)中基本數(shù)據(jù)庫采用SQL server的API接口連接SQL數(shù)據(jù)庫，地理信息系統(tǒng)采用MAPGIS數(shù)據(jù)庫作為地理數(shù)據(jù)庫并且使用API實現(xiàn)校園二三維地圖相關(guān)功能。今后系統(tǒng)將在其他如Android、IOS、Web等常用平臺開發(fā)上滿足使用者在不同場合的使用。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

(1)數(shù)據(jù)采集設(shè)計。

在系統(tǒng)中SQL數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)的連接，實現(xiàn)查詢建筑內(nèi)部信息，需要對學(xué)校內(nèi)部所有建筑系統(tǒng)數(shù)據(jù)的需求進(jìn)行實際考察，當(dāng)前系統(tǒng)包含教學(xué)樓系統(tǒng)、宿舍系統(tǒng)、圖書館系統(tǒng)，所以在考察過程中對每一間教室、寢室、辦公室，每一本圖書相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。為了后續(xù)數(shù)據(jù)的延伸和擴(kuò)展，采用動態(tài)批量添加數(shù)據(jù)的方式，將數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)為excel表并批量生成SQL語句在SQL server中運(yùn)行錄入，對于地理數(shù)據(jù)則直接通過MapGIS平臺錄入，最后將數(shù)據(jù)矢量化轉(zhuǎn)化為要素類存入地理數(shù)據(jù)庫中。

(2)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

地理數(shù)據(jù)庫中包括二維數(shù)據(jù)集、三維數(shù)據(jù)集、柵格數(shù)據(jù)。二維數(shù)據(jù)集包括背景矢量數(shù)據(jù)、建筑矢量數(shù)據(jù)、關(guān)鍵點、線數(shù)據(jù)：顯示背景矢量要素通過對校園綠化、湖泊、道路、街道進(jìn)行矢量得到；建筑數(shù)據(jù)由實際考察數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入得到；尋路的點要素通過對道路分岔口進(jìn)行標(biāo)注，尋路線要素通過MapGIS高級拆分工具將點要素對道路線要素進(jìn)行打斷得到。三維數(shù)據(jù)集包含背景的三維模型與建筑模型，兩種模型都通過實際參考進(jìn)行建模，提高模型的真實度。通過對學(xué)校的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行單元分割得到對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)用于二維地圖矢量數(shù)據(jù)的底圖。

(3)導(dǎo)航圖層地理數(shù)據(jù)設(shè)計。

導(dǎo)航路網(wǎng)實際由導(dǎo)航點要素集與導(dǎo)航線要素集構(gòu)成，點要素通過鏈表連接相連的點；線要素通過鏈表連接線要素兩端的點要素。點要素與線要素構(gòu)建了校園道路網(wǎng)絡(luò)，道路網(wǎng)絡(luò)作為校園導(dǎo)航基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(4)關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

該數(shù)據(jù)庫按照對象分為校內(nèi)人員數(shù)據(jù)、建筑信息數(shù)據(jù)；人員數(shù)據(jù)包括學(xué)生數(shù)據(jù)與教師數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)通過目前校園管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)表導(dǎo)入得到，建筑數(shù)據(jù)包括圖書館信息數(shù)據(jù)、教學(xué)樓信息數(shù)據(jù)、寢室樓信息數(shù)據(jù)、食堂信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其之間的聯(lián)系，根據(jù)各自信息數(shù)據(jù)的需求和特性進(jìn)行設(shè)計，并設(shè)計了預(yù)留的數(shù)據(jù)接口，方便后續(xù)的信息擴(kuò)展。

(5)時空數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

該數(shù)據(jù)庫分為狀態(tài)數(shù)據(jù)、時間段數(shù)據(jù)，狀態(tài)數(shù)據(jù)為在SQL數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行補(bǔ)充連接，狀態(tài)存儲即時狀態(tài)代號，狀態(tài)備注將根據(jù)狀態(tài)不同存儲對應(yīng)的信息，表現(xiàn)該元數(shù)據(jù)的即時狀態(tài)。時間段數(shù)據(jù)包括校園作息時間表和學(xué)生課表信息，作息時間表通過校園的作息時間信息獲取，并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)表的形式，作為系統(tǒng)時間狀態(tài)對照基礎(chǔ)；學(xué)生課表信息同樣通過校園排課系統(tǒng)得到的電子版轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表得到。具體設(shè)計如圖2所示。

圖2 時空數(shù)據(jù)設(shè)計

(6)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫關(guān)系。

系統(tǒng)分為SQL數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)：SQL數(shù)據(jù)包含每一個建筑的數(shù)據(jù)，地理數(shù)據(jù)庫包含對應(yīng)建筑的代號，兩種數(shù)據(jù)在這里連接，實現(xiàn)雙向查詢。以下將分別列舉部分地理數(shù)據(jù)、SQL數(shù)據(jù)的幾個重要連接字段，以及描述連接時字段的作用，便于空間查詢和屬性查詢，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫關(guān)系

空間查詢結(jié)構(gòu)：教學(xué)樓建筑數(shù)據(jù)包含每一間教室的數(shù)據(jù)，其中教學(xué)樓地理數(shù)據(jù)存放在地理數(shù)據(jù)庫中，教室信息數(shù)據(jù)存放在SQL數(shù)據(jù)庫中，在實現(xiàn)地圖至SQL方向的空間查詢中，將根據(jù)空間查詢的結(jié)果獲取教學(xué)樓的數(shù)據(jù)，再利用數(shù)據(jù)從SQL數(shù)據(jù)庫中的教學(xué)樓屬性表獲取該教學(xué)樓的所有教室信息。

屬性查詢結(jié)構(gòu)：學(xué)生的時空性查詢利用學(xué)生屬性表中的狀態(tài)字段。在SQL數(shù)據(jù)庫通過屬性查詢得到目標(biāo)學(xué)生的信息，根據(jù)狀態(tài)字段數(shù)據(jù)在地理數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行空間查詢得到實際的學(xué)生時空信息。

3 系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)與實驗分析

系統(tǒng)中的地理模塊通過引入MapGIS 10.0 API接口服務(wù)實現(xiàn)，并作為地理數(shù)據(jù)庫存儲基礎(chǔ)。該API作為國內(nèi)主流地信系統(tǒng)API，系統(tǒng)框架的搭建比較全面，功能應(yīng)用上也較為完善，在實現(xiàn)空間查詢功能的過程中可對大數(shù)據(jù)批量操作并且具有時效快等優(yōu)點，適用于當(dāng)前PC端口的開發(fā)。

在智慧校園系統(tǒng)中利用此API作為地圖服務(wù)基礎(chǔ)，方便與其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的連接與空間查詢位置的獲取。以成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院為例，該系統(tǒng)依據(jù)校園內(nèi)教學(xué)樓、宿舍樓、圖書館、食堂分別制作出對應(yīng)子系統(tǒng)，并在各個子系統(tǒng)實現(xiàn)與時空數(shù)據(jù)的連接，開發(fā)出獲取實時建筑狀態(tài)功能。

三維系統(tǒng)利用MapGIS 10.0 API開發(fā)，三維地圖是在SketchUp 8三維建模軟件中，在二維地圖基礎(chǔ)上導(dǎo)入現(xiàn)實建筑照片，對校園內(nèi)所有建筑進(jìn)行建模。人工建模先比直接拉伸得到三維地圖觀賞性更強(qiáng)，便于用戶交互。

建模完畢后分別導(dǎo)出建筑模型文件與背景模型文件，在MapGIS中導(dǎo)入模型，利用工具轉(zhuǎn)化為3D多面體圖層，建立背景圖層和建筑圖層，之后對建筑圖層錄入數(shù)據(jù)，完成三維地圖的制作。

圖4 三維空間查詢

具有屬性的建筑模型圖層可以在地圖中實現(xiàn)三維空間查詢，背景模型圖層作為顯示校園的背景，通過在校園內(nèi)著名景點部署漫游路線實現(xiàn)對景點的自動漫游功能，如圖4所示。

校園導(dǎo)航根據(jù)A*最短路徑算法[15-16]的思想，同時加入計算路程損失度和路徑人流量權(quán)重，根據(jù)人流情況，智能化地計算路徑。

導(dǎo)航需要用到地理數(shù)據(jù)庫中的導(dǎo)航點要素集與導(dǎo)航線要素集，計算路徑需獲取使用者輸入的起始點與終點，兩種點通過反向距離法在導(dǎo)航點要素集中找到最短的計算路線點。

尋路大體過程與A*思想相同，開始設(shè)置初始點作為當(dāng)前點，對當(dāng)前點在導(dǎo)航點要素集進(jìn)行查詢獲取與其連接的點，接著對所有連接點計算至終點的損失，損失具體函數(shù)如下：

其中，Ep為終點，n為當(dāng)前點，p為路段擁擠度。

比較所有連接點的損失值，找到最小損失點作為當(dāng)前點繼續(xù)循環(huán)，直到下一個連接點為終點。

導(dǎo)航在A*思想之上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮到了在進(jìn)入錯誤的岔路時算法將崩潰的情況。改進(jìn)方法為在崩潰時反向遍歷路徑，找到最后一個有第二損失的路徑點，以此點作為當(dāng)前點繼續(xù)計算路徑。解決了導(dǎo)航進(jìn)入錯誤路徑而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的情況。具體實現(xiàn)效果如圖5所示。

圖5 校園導(dǎo)航

時空查詢在地理數(shù)據(jù)庫與SQL數(shù)據(jù)庫雙向鏈接的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，分為從地理至SQL方向的空間查詢與從SQL至地理方向的屬性查詢，得到的查詢結(jié)果同時具有時間性與空間性。

在二維地圖上右擊獲取背景坐標(biāo)，通過地理轉(zhuǎn)換得到在地圖中的坐標(biāo)，并在地理空間數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行拓?fù)淇臻g查詢得到該建筑物并且在三維地圖上定位到該建筑圖元的三維信息。方便獲取建筑圖元屬性表中的具體屬性信息，根據(jù)屬性自動關(guān)聯(lián)的SQL屬性表，根據(jù)屬性表將數(shù)據(jù)具體實時信息顯示在查詢結(jié)果中。如：右擊教學(xué)樓將顯示該教學(xué)樓中所有教室的實時信息，右擊寢室將查看該樓棟所有寢室實時情況，右擊圖書館將查看實時圖書館人數(shù)情況，右擊食堂將查看實時食堂中菜肴的信息。

屬性查詢實現(xiàn)對學(xué)生、教師、教室、寢室、圖書的查詢，查詢結(jié)果包括基本數(shù)據(jù)、實時狀態(tài)、當(dāng)前位置。根據(jù)具體的時間進(jìn)行屬性查詢，如查詢某時段教室信息、寢室信息、學(xué)生信息、老師信息以及圖書館的流量信息，可以準(zhǔn)確地反映出該時段具體的屬性信息，同時對于所查詢的信息能夠進(jìn)行空間定位，如教室、寢室這類房間信息還會獲取該房間所在樓層的平面圖，智能化地查找出所需要查找的學(xué)生、教師及行政人員等各種信息。對于某時段查詢的學(xué)生、教師人員信息能顯示該人員的課表信息，上課的教室位置信息，以及該人員的空余時間等智能化信息數(shù)據(jù)。具體效果如圖6所示。

圖6 時空信息查詢

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前智慧校園系統(tǒng)在三維表達(dá)、時空性以及綜合性方面的不足，研究和實現(xiàn)了三維智慧校園系統(tǒng)，結(jié)合三維空間數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、時空數(shù)據(jù)庫三種數(shù)據(jù)，采用了MapGIS10.0和SQL server平臺對智慧校園系統(tǒng)的框架進(jìn)行構(gòu)建，實現(xiàn)了三維時空多維度展現(xiàn)的智慧校園系統(tǒng)，展現(xiàn)出如智慧查詢、實時導(dǎo)航、時空查詢服務(wù)等多種功能。從實驗中可以看出，利用該系統(tǒng)取得了良好的效果，為將來三維智慧校園系統(tǒng)以及時空數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展提供了一定的技術(shù)參考。