基于WebGIS的三维智慧校园系统架构研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于WebGIS的三维智慧校园系统架构研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：随着信息技术，云计算，物联网，GIS等技术的不断完善，互联网覆盖和网络速度的快速发展，使得智慧校园信息化建设成为必然趋势和重要目标。本文首先介绍了智慧校园、WebGIS、三维可视化，物联网，360全景等技术，提出建立融合多数据的智慧校园系统，通过ArcGIS Server数据平台，使用ArcGIS Web ADF组件库实现Web端的三维数据显示，并设计了系统的整体结构，把GIS的空间优势和智能化校园结合实现三维智慧校园的开发提供整体思路，为实现功能提供参考。

关键词：智慧校园；Web GIS；三维可视化；物联网；360度全景

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：

0.引言

随着云计算，物联网和GIS的快速发展，越来越多的应用选择设定这些技术为用户服务。网络应用是软件即服务时代的前提。该领域的应用非常广泛，特别是现在的街景服务，已然成为制造商发展的重点。真正的三维显示具有数据量大，建模过程繁杂，更新数据也并不方便发达等缺点，如何改进完善这些缺点，是当前研究分析的关键。在核心的计算机技术未获突破进步的前提下，而现在追求三维整合的街道和真实，更多的是两者优势的衔接互补。使用模型显示三维场景，使用全景数据显示一些细节和内部场景，以这种方式避免弱点，完美结合。

1相关技术定义

1.1智慧校园的概述

智慧校园是以物联网为基础，建立各种应用服务体系作为智能教学、学习、生活环境之一。智慧校园是一个开放、智能、协作、创新的综合信息服务平台。主要是指利用云计算、物联网、移动互联网、虚拟化、社交网络等现代信息技术改变师生学校和校园资源的整合方式，学校教学，管理，研究与校园资源之间的相互作用，应用系统高度集成，提高校园信息交互应用的灵活性、准确性和响应速度，使人们能够快速准确地获得所需的信息，从而实现校园学习、生活、工作、服务和管理智能数字新型校园模式。

通过对校园智慧建设的现实高新研究，为此重点总结提出建设智慧校园应该考虑到如下设计特点：

1）丰富的数据。智慧校园系统不仅可以存储大量的教师信息、学生信息、校园资源信息，而且还可以存储各种数据格式，包括文本数据、图像、视频和一些空间地理数据。这些数据的完全融合展现了校园中的所有信息，给用户提供了智能先进虚拟现实的感觉，增强用户的互动感，因而制造了身临其境的丰富用户体验。

2）物联网的环境感知。智慧校园的建设，应该强调物联网技术的应用，通过对校园环境的感知，获得学校资源和设备应用信息。信息可以做到时存储，以便稍后可以运用信息展开分析。如：手机状态系统，通过手机网络，实现用户位置信息的共享；监控系统，通过监控设备联网，视频访问教室是否占用信息。

3）网络技术应用。

现代网络技术的应用，物联网可以感知信息、教学资源、教学设备、信息共享通过互联网实现在线教学，学生可以观看在线视频学习课程感兴趣的学习。了解课堂使用，制定科学的学习计划[1]。

4）开放式环境。

智慧校园的建设使学生不仅可以在课堂上学习，还可以在课堂上即可进入从校园到开放环境中学习的情节设置，探讨交流教学内容，相互学习，为学生营造更为广阔的学习空间。

1.2 WebGIS的概述

1.2.1 Web GIS 简介

WebGIS（Internet地理信息系统）是Web和GIS的组合，换句话说是在互联网地理信息系统上运行。随着网络技术的飞速发展和广泛应用，现在越来越多的应用都开始支持网页浏览，网络操作。随着地理信息系统的需求不断增加，使用互联网在网络上和查看空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析以及交互功能即已成为主流设计常态。GIS现已成为一个新式操作平台，WebGIS是GIS软件开发的必然趋势[2]。

1.2.2 WebGIS的原理

WebGIS通常由3部分组成，各部分的共那个配置实现可给出如下描述：

1）Web浏览器。用户可以提交GIS服务请求，访问分布在互联网上的各种地理信息；

2）Web服务器。作为用户和GIS服务器之间的连接设计，接收用户提交的HTTP请求，并将请求中包含的信息提交给GIS应用服务器；

3）GIS服务器。提交处理的信息，根据用户请求操作GIS数据库，向用户提供GIS服务，返回适当的结果并传播到Web服务器，然后通过Web服务器到客户端浏览器，用户和GIS服务器动态交互。

这种双方的结合，促进了GIS互动操作的发展和感觉上的强势呈现。用户可以在客户端上浏览系统以将地理数据到服务器，同时还可以发送数据查询、空间分析、专题图生成和其他请求。服务器响应这些请求并将结果传递给客户端后，用户可以在客户端的浏览器上查阅目标寻求 结果。如图1所示，WebGIS的工作原理。

1.2.3 WebGIS 技术的优势

1）跨平台特性。由于用户的客户端使用普通的Web浏览器作为客户端软件，使得所有用户都可以通过Internet高效地访问GIS数据，显著提升了系统部署和操作的方便快捷。

2）网络应用。GIS数据是联网的，只要有网络用户可以随时访问GIS数据，就可以实现地图服务缩放、查询检索、映射等数据操作。

3）方便廉价的GIS。现在，WebGIS通过使用客户端上的公共浏览器来展示提供仅与映射相关的一系列操作，从而大大降低了构建和使用系统的成本，使GIS在使用上进入了普通大众范围。

4）强大的可扩展性。

随着通信终端向多媒体和移动的发展，智能手机，平板电脑等智能手持设备将成为WebGIS客户端，WebGIS是非常容易和无缝集成的其他信息服务在Web，WAP服务器和WebGIS服务器将是集成的[3]。

1.3 ArcGIS Server

ArcGIS（ESRI的产品）、Autodesk Map Guide（Autodesk的产品）、Supermap IS（Supermap的产品）、Map GIS 、Geo Server Map Info Prefessional（Map Info Corporation的产品）是目前市场上常见的GIS服务器。本文主要介绍ArcGIS Server。

ArcGIS Server支持矢量数据，删除网格数据和三维模型数据；支持各种数据库，如Oracle，Postgre SQL；支持基于组件的Web系统开发，减少开发难度；支持Arc SDE空间数据引擎，空间数据存储管理；支持.NET和Flxe Web应用程序开发框架为当前市场的Web开发需求。

1.4 三维可视化

可视化（Visualization）是利用计算机图形和图像处理技术，将数据转换为显示在屏幕上的图形或图像，以及交互式处理的实用方法和技术所最终达到的终端界面效果。GIS可视化技术是由技术生成的可视化和地理信息数据的组合。使用计算机硬件和软件技术，地理信息数据可以实现交互、分析处理和图形表示。DEM和DOM的组合可以实时显示三维地形。对于这些数据的综合应用，即可建立三维地形数据。虽然数据无法达到真正的三维标准，但也为GIS可视化带来了巨大进展。追求真正的三维可视化是GIS发展的趋势，将给用户生成一种全新的虚拟，身临其境，生动交互感的仿真感觉[4]。

1.5室内360度全景

全景（Panorama），也可称为三维真实场景，是一种新兴的多媒体技术，其与视频、声音、图片等传统流媒体，最大的区别就表现在“可操作和互动”[5]。现在通过街道视图的数据，用户可以访问旅游景点，也可以从预期需要的内容搜索图片，如一些酒店，娱乐。而街道漫游技术实现虚拟立体的效果，使用户或者真实沉浸感。广角摄像机镜头，但允许用户在各个方向浏览景观没有死角。现在应用街头拍摄车，数据采集方便，所以成本低，快速现场采集，街道数据更新和维护周期缩短，实时数据更强，未来地图的发展是地图服务的潮流主导方向。

2系统实现的关键技术

该系统设计用于显示具有三维模型、二维矢量数据、光栅数据等的三维场景，并且显示具有360度全景数据的虚拟三维场景，但是还展示丰富的多媒体数据，如何实现多样化的数据整合，并进一步创建有机组合的显示，既是系统设计的难点，也是一个亮点。此时，就需要用到XML技术。

2.1 XML技术的联动机制实现

XML是可扩展标记语言，主要用于研发支持各种数据交互系统的设计，因为其可以用来标记空间的地理位置，不仅语言结构 严密合理，而且用代码检索也可堪称容易，由此系统即x用其来处理解决多个数据的集成，空间地理位置和空间位置与空间位置和相关的属性信息也可以关联，实现属性地图的位置到查询，实现地图和地图的交互[6]。如图2所示就给出了多数据融合的框架展示。由图2可知，该技术的重点优化设计可作如下的论述阐析。

2.1.1 2个三维联动

通过DRG和DLG空间匹配产生的二维导航地图可以使用户知道三维场景中视点的位置，提高系统的交互性，增强用户的沉浸感。利ArcGIS Server提供的Overview Map控件，能够监测主窗体的地图位置改变，创意定制了Hawkeye的功能。但需要使用数据在生产统一的坐标系统，并确保数据彼此匹配[7]。

2.3.2 地理数据和全景数据的联系

全景数据和地理数据相结合，不仅可给全景照片标记推送位置，还可使用户体验其真正的效果。这种链接的基本思想是将鹰眼的功能与全景数据相结合，在鹰眼图上标注全景数据站点，然后将其注释为XML文件。系统监控事件机制实现相互联系[8]，具体运作原理如图3所示。事件的监控可分为两种类型。一种是操作的事件监听，当用户点击与鼠标或键盘操作的事件，系统会监听事件，不做出响应，此时系统主要用于下一站与全景数据或热点相关的其他相关操作上；另一种是实时监控，只要监控对象的视角变化即会进行监控和响应，该系统主要用于设计导航地图。

2.2.3 多媒体数据的关联

通过使用XML的地理标记的优点，将坐标与相应的图片、文本、视频等相关联，并且在全景数据中设计热点，此时将会通过超链接引导至到多媒体数据上。

2.2 三维展示的优化处理

本次研究系统的实现关键是显示三维场景，虽然具有全景数据而不是大量三维模型的内部结构减少了数据量。但是如果要实现系统在页面显示的过程中，必须要重点分析数据处理。从数据生产、数据传输、数据显示等方面开展了优化，具体如下。

2.2.1 三维模型的优化

若要切实呈现过程从生产模式开始的设计效果，尽量注意缩小量。数据的尺寸模型太大会影响系统的整体性能，三维数据的显示尤其需要密集内存，而且由于网络传输速度也将限制模型的平滑显示，因此三维模型优化就是要尽量减少模型的大小。可以使用模型拆分，在系统的显示中，隐藏在数据的视野中，减少数据加载系统的数据量[9]。

2.2.2 客户端缓存机制

缓存用于避免频繁访问数据库或磁盘文件数据，从而建立快速临时内存。根据不同的存储介质，缓存可以分为3类：内存缓存、文件缓存和内存文件缓存。其中，内存缓存是常见、且为人熟知的缓存，计算机读取的数据必须先将数据读入内存，然后进行数据分析，处理和计算。而文件缓存则是应用于B/S系统，当用户浏览数据时刻将其临时存储在客户端的硬盘上，此后若再次用户重新浏览时，系统即将从本地读取数据，从而减少数据传输过程[10]。缓存的流程结构如图4所示，此处以图片的访问为例。

数据的系统研发中设计对建筑物的每个模型都设置了一个文件，分别采取一定的处理，使得系统可以逐步阻止加载模型的过程，以减少计算机的存储器压力。同时在系统通过网络传输数据时，系统还可以浏览模型下载到本地，下次只要从本地加载浏览即可。ArcGIS Server支持三维数据的缓存。它可以通过Arc Catalog和Arc Tool Box缓存地图，也可以使用脚本命令行在网络客户端上实现缓存。还可以使用Arc Engine API提供获得此类映射高速缓存服务[11]。