数字虚拟校园系统技术分析与研究
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作者:孙宇 任海鹏
摘要：数字校园已经从信息管理、知识管理发展到了全景式管理，从原来的图像、文字展示发展到了3D模型交互模式，极大地丰富了数字校园的功能，同时提高了数字校园的生动性、趣味性、智能性。本文在对数字虚拟校园系统的应用发展现状分析的基础上，介绍了数字虚拟校园开发所涉及的技术，并且重点介绍了WebCIS在数字虚拟校园系统的应用，适应现代智能手机、平板电脑发展需要。
关键词：WebGIS;数字虚拟校园;虚拟现实;三维建模
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）19-0115-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
校园虚拟化一直是政府机构、软件公司和校园管理人员研究的热点，经过多年的发展，现在大多数学校都已经引入了先进的图书馆借阅管理系统、后勤保障系统、学管系统、教科研系统、教务系统等等应用系统，但是这些应用系统多属于独立部署模式，没有形成一个融合的校园系统，仅仅能够展示一些校园建筑图片或文字，不能够进行互动交流[1]。
经过多年的研究，人们提出了虚拟校园，其可以将地理信息系统、虚拟现实、互联网等整合在一起，比如可以将校园建筑与地理位置结合在一起，利用三维建模技术展示一个建筑实景，这样就可以为校园用户提供信息查询、浏览功能。虚拟校园可以具有很好的交互性，当用户进入虚拟校园系统之后，利用虚拟技术可以对校园中的实物进行细致的观察，也可以进行相关访问的操作[2]。
1 数字虚拟校园系统分析
数字虚拟校园经过了多年的发展和应用，其引入的技术非常多，比如云计算、虚拟现实、3D建模、CPS、移动通信技术，数字虚拟校园的功能也随着技术的使用更加完善，许多数字虚拟校园建构在实际建筑上，能够将学校历史与文化、教学科研辅助机构、大楼大树和大景整合在一起，为用户提供一个接人和浏览通道，使用鼠标可以任意的拖动、放大、缩小校园内容，方便学校的招生宣传、科研教学、行政管理[3]。
数字虚拟校园涉及的技术很多，下面将对其中的关键技术进行简单阐述：
1.1云计算
云计算利用虚拟化技术，可以将系统所需的所有的硬件设备资源进行集成，为数字虚拟校园的运行提供了一个集成的、统一的、并发的、虚拟的平台，对这个平台进行划分可以分为三个层次，这三个层次分别定义为基础设施即服务层（IaaS）、平台即服务层（ PaaS）和软件即服务层（SaaS）。
基础设施即服务的虚拟化程度最低，可以为数字虚拟校园直接分配需要的硬件资源，比如CPU、网络带宽、存储区域等等资源，但为了能够保障独立占用硬件空间，而不与其他的系统之间进行共享和访问等操作，因此云平台的并发性就无法提高了，也无法节约资源和提高使用效率[4]。
平台即服务（ PaaS）可以为数字虚拟校园系统提供一个运行管理机制，这个运行管理机制会将系统保存在一个区域，按照用户的访问进行系统调度，共享硬件资源，从而可以提高系统的并发性和资源的利用率。
软件即服务（SaaS）可以在一个较小的存储空间中进行数字虚拟校园系统的部署，根据软件配置的不同模式选择和系统用户的访问频率次数，定期地调整更换硬件平台的使用程序，从而为系统的用户提供最高性能的并发服务，实现多个系统用户之间对CPU资源、带宽资源和云平台资源的共享。
1.2虚拟现实
虚拟现实又称为VR（Visual RealitV）是一种集成性的计算机技术，虚拟现实是一项综合技术，它涵盖了图形图像处理、互联网、传感器、多媒体、人机交互、仿真系统开发等等方面的技术，从而能够为用户提供一个模拟了真实环境的虚拟世界，并且在这个虚拟世界中，用户会感受到较强的沉浸感。在数字虚拟校园系统的开发中，引入虚拟现实技术，利用虚拟现实为在校的教师、学生、学校管理人员以及校园访问者提供一种新型的人机接口，可以使用户沉浸在计算机生成的虚拟世界，同时还可以为虚拟校园系统用户提供一种与虚拟世界通信的手段，当系统用户进行操作虚拟世界的三维实体模型对象时，该模型对象能够针对用户的不同操作反馈出实时的结果[5]。
1.3 3D建模
在对数字虚拟校园系统开发的过程中，需要利用虚拟现实、图像处理技术进行图像的绘制操作，从而能够实现将实体目标的模型进行快速化地渲染，并且能够提供浏览。为了完成这个需求，需要在数字虚拟校园运行的过程中嵌入3D建模绘图的功能，因为先进的绘图管理功能可以提供对3D绘图功能的支持，而且能够有效地实现对于图像的旋转角度、拖动、缩放大小等等操作的支持，不仅能够降低对于互联网的传输带宽的占用率，还能够提升图片的显示精确度。
1.4 GPS
我们平时使用的百度地图、高德地图都是使用嵌入式电子地图开发的应用软件，是移动定位功能在各种不同类型的嵌入式软件上的应用，这些应用开发得益于GPS、北斗导航等卫星定位技术的广泛普及。
1.5移动通信
随着移动通信的发展进入5G通信时代，第五代移动通信技术简称5G或5G技术是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G、3G和2G系统之后的延伸。5G将会具有高数据速率、延迟更少、能源更节省、成本更低、系统容量更高和设备连接规模更大的优势。数字虚拟校园系统中对于高清晰视频、在线学习等数据业务的传输需求依赖移动通信技术，SG能够给予更好的技术支持。
2 数字虚拟校园系统设计
数字虚拟校园系统的功能很丰富，通过对校园内的图书馆、体育馆、食堂、学生宿舍、生活设施、教室、实验实训室以及行政办公楼等建筑物的数字化，用户可以更加直观形象地对校园建筑实体进行查看，并且共享信息[6]。基于WebGIS的校园系统集成过程中，WebGIS最為重要的内容就是构建一个云计算平台，实现人们的操作和管理。并且能够将系统服务器的存储内容虚拟化，这样就可以保存更多的系统数据化内容[7]。具体来看，基于WebGIS构建自顶向下将系统进行划分，可以划分成表示层、逻辑业务处理层和数据业务处理层三个层次，对每一个层次的关键内容进行描述如下： 2.1 用户交互层（表示层）
用户交互层可以为在校的教师、学生、学校管理人员以及校园访问者等用户提供一个良好的信息通信接口，并且将该接口集成在图形化操作管理界面上，该界面向用户提供了输入逻辑业务请求信息的操作，同样也可以输出逻辑业务结果输出的内容[8]。用户交互层主要应用于设计信息管理系统的最前端，其可以与用户进行直接交互，实现用户的信息处理需求和软件功能模式，将一个虚拟化的信息存储空间分配给用户用于运行系统，以期进一步实现对用户的逻辑业务并发处理和操作功能，面对系统数以千计的用户数量，能够实现用户对于网络、硬件和数据资源的共享和资源利用率的提升，进而改进系统运行的效能。
2.2逻辑业务服务层
逻辑业务服务层主要是能够将数字化校园系统的各种业务进行集成和处理。尤其是在WebGIS处理过程中，其可以将这些信息解析出来发送给数据处理层。同时，为了提高Web-GIS处理效率，逻辑业务服务层引入了虚拟化技術，该技术可以使用更加完善的并发处理操作，对诸如Web逻辑服务配置、光纤通信部署、存储单元服务等方面进行管理，还可以对相关的逻辑业务进行按需分配管理，对系统中的全部逻辑业务资源可以实现共享，大大完善了系统逻辑业务处理的功能，建立了一个非常强大的轮询调度管理的机制，使得软硬件资源的并发访问处理能力得以实现，系统硬件资源的使用效率等问题也得到了有效提升。
2.3 数据业务处理层
数据业务处理层又被称为物理设施层，也就是通常说的硬件资源层。通过这些物理设施可以为系统用户提供很多的子功能逻辑业务处理系统，用于对通信的处理、信息的加工、数据的存储服务这些基础的应用功能提供支持，同时对于基本业务操作管理可以通过创建一个ESB总线来实现，以此为系统的逻辑业务处理服务提供更好的支持，这样的系统具有更好的可扩展性和可维护性，系统资源利用率也会更高，避免造成相关的资源浪费。
在WebGIS业务处理过程与设计过程中，WebGIS主要包括空间地图信息和3D建筑模型的集成，这些信息设计过程中需要采用一个非常关键的中间件，这个中间件可以用于协调应用程序与互联网之间的通信内容，还能够对GIS操作模块合成，对来自不同的计算平台之间的交互操作内容进行管理，数字化虚拟校园系统采用了ArcIMS中间件。
ArcIMS中间件可以在客户端、服务器端实现通讯处理操作，通过将Web浏览器、Servlets服务引擎、ArcIMS应用服务连接器、应用服务器和ArcIMS监控器进行集成，其中使用到的连接器就包括了Java程序连接器、ActiveX连接器和JSP连接器这些种类，它们可以对应用程序的服务进行处理操作，还能保障地理信息系统与应用用户之间的负载均衡状态。同时，使用Java语言编程的ArcIMS中间件还可以作为一个后台程序进行运行，满足了用户对地图组件目录的查询、定位和链接的操作，实现了追踪地图服务的提供，在此基础上，ArcIMS应用服务器对空间服务器进行合理的分配，多个应用服务器之间可以实现同时进行通信。
3 结束语
数字虚拟校园系统集成虚拟现实、GIS、GPS、3D建模等多种应用技术，实现一个可视化的、实时化的、动态服务的信息处理模式，能够帮助校园用户查看各个建筑物的位置，实景查看学校的各类型建筑布局等信息，具有重要的作用和意义。
参考文献：
[1]蹇旭，罗南超，孙丹.云计算在高校数字校园建设中的应用研究与分析[J].信息通信，2014，27（8）：105-106.
[2]胡峻铭，邓成俊.数字化校园中信息资源整合和共享平台建设分析[J].数字技术与应用，2015（12）：236.
[3]江涛.基于WEBGIS的数字虚拟校园系统设计与实现[J].信息与电脑（理论版），2011（3）：44.
[4]陈启祥，郑庆花，苏艳，基于X3D的分布式虚拟校园系统的设计开发[J].计算机时代，2007（1）：11-13.
[5]杨波，谢瑞莲.基于WebGIS的数字咸阳师范学院建设构想[J].测绘与空间地理信息，2011，34（4）：26-28，33.
[6]周莹.WebGIS在校园数字化进程中的应用研究[J].潍坊学院学报，2006，6（6）：63-65.
[7]周立刚，姬龙涛，基于Web GIS的虚拟校园综合体系研究[J].电脑开发与应用，2012，25（8）：26-29.
[8] Lyu Zhihan，Zhong Chen，Feng Liangbing，et aI.A high-speed in-dex for the multi-scale overlay landscape map on ubiquitousWebGIS[J].Journal of Shenzhen University Science and Engi-neering，2013，30（5）：480-485.
[通联编辑：光文玲]
基金项目：安徽省高校自然科学重点研究项目资助（KJ2017A758）
作者简介：孙宇（1983-），女，安徽芜湖人，学士，讲师，主要研究方向为云计算。
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