网络虚拟校园GIS的科学构想与设计系统结构 --以
发布时间：2015-07-09 11:33
摘 要 该文首先介绍了虚拟大学的两种定义，提出了许昌学院网络虚拟校园GIS的科学构想，随后又对网络虚拟校园GIS的有关技术进行了解义。通过许昌学院网络虚拟校园GIS的初步设计，研究探讨了基于网络虚拟GIS技术的虚拟大学的系统设计问题。
关键词 许昌学院；虚拟大学；虚拟现实；WebGIS；网络虚拟GIS
1 网络虚拟校园GIS的科学构想
目前，虚拟大学有两种定义[1]。第一种定义是从因特网（万维网）、虚拟现实技术和3S（GIS、GPS、RS）技术的角度出发，认为虚拟大学是对现实大学的一个三维虚拟再现。第二种定义是从信息、网络和媒体技术的角度出发，认为虚拟大学是一个以计算机和网络为平台的、远程教育为目的信息主体。这两种定义分别带来了不同的研究和实践。
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。由于虚拟大学与地理空间信息和属性信息关系密切，而GIS又具有功能齐全的处理地理空间信息的能力和良好的模型结合与处理效果，所以虚拟校园与GIS的有机结合也成为必然趋势。
许昌学院坐落在历史悠久的文化名城----河南省许昌市。这里气候宜人，交通便利；校园绿树成荫，花草烂漫；建筑布局合理有序，风景小区精致典雅，堪称“园林化校园” 。新校区建设更是以园林化、现代化为标准，坚持高起点、高品位、高质量，规划合理，建筑新颖。美丽的校园，将会吸引更多的人到里边学习研究和休闲旅游。但由于时空所限，未必人人都能如愿。况且新校区正处于第一期工程阶段，许多项目正在实施或尚未实施，即使身临其境也无法一览全貌。在建设好的许昌学院网络虚拟校园GIS中，人们可以通过头盔、三维鼠标、操纵杆等设备以漫步、驾驶小汽车等方式“进入”校区，一览校区概貌，或赏其楼阁布局，并可对不满意的地方提供修改意见。通过这种视觉、触觉和感觉上的沉浸感，身临其境的观察、了解和体验网络虚拟校园GIS，实现对许昌学院校本部和新校区的虚拟旅游。
美国哥伦比亚大学学习技术研究所所长罗伯特·麦克林托克指出：“Internet—Web开辟了一个崭新的学习世界”。由于技术的进步，全世界的学院和大学都在发生变化。斯坦福大学、牛津大学、哈佛大学等名校纷纷加入在线教育行列。在线教育使想深造的学生不再受地理位置的限制，学院和大学不费一砖一瓦即可增加满足需要的课程。因此虚拟大学开始猛增。许昌学院不仅是中国教育科研计算机网许昌网络中心，而且是豫南网络中心节点，覆盖豫南七市，并被教育部定为IT&AT远程教育培训基地。在建设好的许昌学院网络虚拟校园GIS中，人们可以通过Internet—Web在网上虚拟选课、在教室虚拟听课等，几乎所有的人文科学和自然科学的课程都能进行，而且是交互的，师生之间即使远隔万里，也能进行讨论和质疑，也能进行网上辅导。
本文的网络虚拟校园GIS是在第一种定义、研究和实践的基础上进行综合设计的，并对这两种定义的结合进行了初步的探讨。许昌学院网络虚拟校园GIS是对现实大学三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，用于支持对现实大学的资源管理、环境规划和学校发展。
2对网络虚拟校园GIS有关技术的释义
2.1 虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是集计算机图形学、人工智能、传感器技术等为一体，在计算机中生成一种具有三维世界效果的模拟环境。同时还可以通过各种传感器设备，使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境进行直接交互操作，并产生与现实世界相同的反馈信息，使人们得到与现实世界同样的感受。基于这样的特点，它已广泛应用于战场模拟、虚拟农业、城市虚拟设计、虚拟旅游、古环境与古文化的再现等方面。现在，诸如科学可视化(Scientific Visualization)、合成环境(Synthetic Environment)、赛博空间(Cyberspace)、人工现实(Artificial Reality)、仿真器技术(Simulator Technology)等，逐渐发展成为未来虚拟现实的一部分或一个侧面。
2.2 GIS与WebGIS
地理信息系统（GIS）是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达的地理空间数据的计算机信息系统。随着信息技术的发展和人们对GIS需求的不断增加，基于Internet技术的GIS—WebGIS应用而生。WebGIS实际上是在Web上实现GIS的功能，也就是将GIS综合进Web以进行信息发布。从互联网络的任意一个用户上使用浏览器就可以浏览WebGIS站上的空间数据、制作专题地图，进行地理信息的空间分析和空间查询，从而给Web的信息发布加上了GIS这一直观工具，使人们通过Web浏览查询信息更方便，也使GIS通过Web得到了普及[10]。
2.3 虚拟GIS与虚拟现实GIS
GIS技术同虚拟现实技术和科学计算可视化的结合，拓展了多维GIS、特别是三维GIS研究的内涵，提供了全新的空间数据分析模式和新的GIS应用模式。当前国际上把这种结合虚拟现实技术和科学计算可视化而设计的多维GIS称为虚拟GIS（Virtual GIS，简称VGIS）。人们可以充分利用虚拟GIS提供的“逼真”图形显示和高级的交互分析手段，充分发挥人在图形空间思维能力上的优势，探索数据分析，解决地学问题。同时，虚拟GIS拓展了在时间维上的表达能力，结合地学分析模型，虚拟GIS为过去和未来的某一地理场景提供了更为便利的手段，从而为发展高级的空间决策支持环境提供了可能。
虚拟现实GIS（Virtual Reality GIS）是与虚拟GIS紧密相关的一个概念。虚拟GIS强调虚拟现实、科学计算可视化与GIS三者的结合，既强调高级人机接口在地学分析中的作用，又强调可视化思维和可视化分析在地学分析中的作用；而虚拟现实GIS主要强调虚拟现实与GIS的结合，强调高级人机接口在地学分析中的作用，所以虚拟现实GIS可以被理解为虚拟GIS的高级形式，是一种虚拟GIS[11]。
2.4 网络虚拟GIS
与网络相结合是当前虚拟GIS发展的方向。目前网络虚拟GIS主要采用两种架构方式：一种是以网络GIS为基础，将虚拟现实系统同GIS的Client端连接起来，在虚拟现实系统中提供简单的空间分析功能或是将GIS的分析结果转化为虚拟现实系统支持的数据格式，供虚拟现实系统观察；另一种是基于分布式虚拟现实系统，在虚拟现实系统中扩展空间数据类型的支持能力，提供简单的空间分析功能。
虚拟GIS在结构上一般都采用GIS+VR的方式。通过VR来创建虚拟信息空间和管理用户与虚拟信息空间的交互，而GIS则是用来管理空间数据。网络虚拟GIS基本上延用了这种结构，在GIS信息表达上是以三维GIS为基础进行扩展，特别是以面三维为主体的三维地理实体表达方面；在VR信息表达上大多是以虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，简称VRML)为基础。
3网络虚拟校园GIS的系统设计
许昌学院网络虚拟校园GIS的构建涉及用户、应用程序和数据三个方面。根据上述三者之间的相互关系，可设计系统结构；考虑用户需求，在客户端，可设计用户界面和系统功能；根据系统功能和特征，在服务器端，可设计数据库服务器和应用程序服务器；根据许昌学院网络虚拟校园GIS的数据维数、类型、大小和特点，可设计基于VRML的三维地理对象模型和数据流[12]，同时还应考虑到系统的维护和网络的安全性问题。
3.1 系统结构
许昌学院网络虚拟校园GIS应采用Client/Server结构。在服务器端，包括数据库服务器和应用程序服务器；在客户端，包括HTML浏览器、VRML浏览器和应用程序，其中应用程序包括用户对话交流管理模块、数据量测模块、二维图形显示管理模块等。
图1 网络虚拟校园GIS的系统结构
用户的任务处理，有的在服务器端执行，有的在客户机端执行。如果在服务器端，服务器接受请求后，运行服务器端应用程序，待处理完成后，就把结果传回到客户端。在客户机端由应用程序执行。用户对话交流管理模块用于管理用户的对话输入、谈话对象实时选择、三维化身表情动作选择等。数据量测模块可让用户基于三维图形界面查询任一点的地理坐标。二维图形显示管理模块可让用户显示二维的地学数据。客户端的HTML浏览器，可以采用Internet Explorer；VRML浏览器可以采用Cosmo Player。它们均可从因特网上免费下载，从而可以把工作重点放在负责地学数据的准备、建模，以及数据查询、分析的应用程序设计上。客户端的VRML浏览器与客户端的应用程序的相互通信与交互，可采用VRML EAI(External Authoring Interface) 方式实现。
3.2 用户界面和系统功能
许昌学院网络虚拟校园GIS的最终用户主要是学生和老师，所以用户界面必须简洁直观、方便和易用。文本交谈区、三维图区、二维图区、数据处理与分析区应位于这一界面内，界面的功能可以定制以满足不同层次用户的需要。“文本交谈区”是让用户与其他在线的用户进行文本交谈通讯，交换关于许昌学院网络虚拟校园GIS中各种信息，或进行合作研究等。“三维图区”用于
显示三维VRML世界，用户可以在VRML浏览器中选择不同的空间探索方式（如漫游）、行动速度、观察方式（如当事人或第三者）、指定路线等；“二维图区”用于显示与三维VRML世界紧密相连的二维图，同时还可用于导航，即显示用户在三维地理世界中漫游时的空间位置与路线轨迹。“数据处理与分析区”是让用户根据因特网的传输速率以及用户计算机的处理能力，选择合适的空间分辨率和属性分辨率参数，选择叠加的属性种类，如水系、道路、居民点、植被等，可让用户编辑/增加/删除地物对象，进行点地物地理坐标或地物对象属性的查询等。
文本交谈区
数据处理与分析区
二维图区
三维图区
图2 用户界面
3.3 数据库服务器和应用程序服务器
许昌学院网络虚拟校园GIS的服务器端包括数据库服务器和应用程序服务器。而应用程序服务器是网络虚拟校园GIS的核心部分，包括VRML世界生成服务器、数据处理和分析服务器与多用户管理服务器等。
数据库服务器是用于管理许昌学院网络虚拟校园GIS的三维地理对象和与多用户有关的数据，一般可用Oracle等数据库作服务器。VRML世界生成服务器在接到用户的请求后，根据显示范围大小，要求的空间分辨率、属性分辨率，显示范围内地理目标的选择等参数，动态地与数据库服务器连接，把相应的地理对象数据取出并转换成VRML世界模型，供用户浏览与交互。数据处理和分析服务器是执行地理对象的查询、增加/删除/编辑后的地理对象管理和地理空间计算与分析（如最佳路径分析）等。多用户管理服务器用于管理在线用户的相关信息，如用户名、三维化身类型与地址、三维化身在网络虚拟校园GIS的位置和朝向及其用户间的通信数据发送等。
3.4 三维地理对象模型
在地理系统中，地理对象根据在空间维上的分布特性，可分为两大类：一类是以场为基础的对象。这类对象在空间上连续分布，称为地形景观对象，如地形、土壤种类分布等。另一类是以离散实体为特性的对象。这类对象以独立的个体而存在，称为地物对象，如建筑物、树、电话亭、路灯等。
地形景观对象的三维空间数据是三维地理世界建模的基础数据，由于数据量大，是三维地形景观实时图形处理的瓶颈。地形景观对象的建模是许昌学院网络虚拟校园GIS的关键部分。可以采用不同分辨率的空间和属性数据表达地形景观对象，即用不同三角形个数的三角网表达地形景观对象的不同层次空间分辨率，用不同大小的纹理图像表达属性分辨率。对于地物对象，一般可用CAD模型、分形模型和人工生命技术等三维处理与表达，然后根据地物在实际校园中的地理位置坐标、地物实际大小、地物朝向和纹理结构等，建立网络虚拟校园GIS的三维地物对象库。许昌学院网络虚拟校园GIS的地物对象从存在角度看，有两类：一类是目前存在的地物对象；另一类是网络虚拟校园GIS运行时加入的，但现实中未存在的地物。这两类地物，在数据库对象管理时应区别对待。在网络虚拟校园GIS中，地物对象数目繁多，所以也必须应用多层次表达法建立每一个对象的多层次空间和属性模型，才能实现快速的图形计算和显示。
3.5 数据流
许昌学院网络虚拟校园GIS的建立，从数据流角度，包括三维源数据、三维地理对象和VRML世界三个方面。三维地理数据的采集，可以通过野外测量、地形图数字化和数字摄影测量等方法获取。一般应用CAD和GIS等技术获取，但用这些系统表达三维源数据时，由于主要考虑表达地理景观的完备性，而对数据三维显示与处理的效果与效率考虑较少，所以较难通过直接转换应用于VRML世界的构建。对于三维地理对象，我们应用面向对象模型的方法，根据三维源数据，建立三维地理对象模型。三维地理对象的建立，必须考虑VRML世界的实时可视与分析，即需考虑观察者的存在与实时感觉，一般要应用多层次法表达。VRML世界是根据用户的参数设置，由三维地理对象模型转化形成的。由于三维地理对象模型的建立，考虑了用户的不同需求以及实际应用效果，所以用户可根据网络传输速率和用户计算机处理能力，设置特定的参数。
3.6 系统维护和安全性问题
由于许昌学院网络虚拟校园GIS运行在Internet-Web上，可能会出现安全问题，所以必须采取一定的安全措施。防火墙作为对系统的访问的控制是十分重要的有效方法，访问控制是由许昌学院网络虚拟校园GIS系统管理中心统一严格管理，属强制性控制。同时可以建立服务器端的用户日志记录，跟踪用户对系统的访问情况；还可以运用信息加密/解密、身份验证等现代密码技术，来保障网络和系统的安全。
4总结与展望
虚拟GIS是在传统多维GIS系统基础上发展起来的新型的GIS系统，虚拟GIS在扩展GIS应用领域的同时，也给GIS设计带来了新的问题，特别是网络虚拟校园GIS的设计更需要研究[11]。许昌学院网络虚拟校园GIS是分布式虚拟环境在教育和学习方面的应用。本文从系统结构、用户界面和系统功能、数据库服务器和应用程序服务器、三维地理对象模型、数据流、系统维护和安全方面，讨论了分布式网络虚拟校园GIS的系统设计问题。在建成的许昌学院网络虚拟校园GIS中，用户可以进行三维空间漫游探索、点坐标量测、地物属性的查询和地物的增加/删除等操作，并可以基于三维化身和文本对话实现与其它在线用户的交流和互动。但是网络虚拟GIS设计是一个非常复杂的问题，本文旨在建立一个网络虚拟校园GIS的设计方案，所做的工作还是比较初步的，还有许多尚待解决的问题。
参 考 文 献
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