虛擬網絡GIS設計結構論文

導語：虛擬網絡GIS設計結構論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要該文首先介紹了虛擬大學的兩種定義，提出了許昌學院網絡虛擬校園gis的科學構想，隨后又對網絡虛擬校園GIS的有關技術進行了解義。通過許昌學院網絡虛擬校園GIS的初步設計，研究探討了基于網絡虛擬GIS技術的虛擬大學的系統設計問題。

關鍵詞許昌學院；虛擬大學；虛擬現實；WebGIS；網絡虛擬GIS

1網絡虛擬校園GIS的科學構想

目前，虛擬大學有兩種定義[1]。第一種定義是從因特網（萬維網）、虛擬現實技術和3S（GIS、GPS、RS）技術的角度出發，認為虛擬大學是對現實大學的一個三維虛擬再現。第二種定義是從信息、網絡和媒體技術的角度出發，認為虛擬大學是一個以計算機和網絡為平臺的、遠程教育為目的信息主體。這兩種定義分別帶來了不同的研究和實踐。

地理信息系統（GeographicInformationSystem，簡稱GIS）是以采集、存儲、管理、描述、分析地球表面及空間和地理分布有關的數據的信息系統[2]。由于虛擬大學與地理空間信息和屬性信息關系密切，而GIS又具有功能齊全的處理地理空間信息的能力和良好的模型結合與處理效果，所以虛擬校園與GIS的有機結合也成為必然趨勢。

許昌學院坐落在歷史悠久的文化名城----河南省許昌市。這里氣候宜人，交通便利；校園綠樹成蔭，花草爛漫；建筑布局合理有序，風景小區精致典雅，堪稱“園林化校園”[3]。新校區建設更是以園林化、現代化為標準，堅持高起點、高品位、高質量，規劃合理，建筑新穎。美麗的校園，將會吸引更多的人到里邊學習研究和休閑旅游。但由于時空所限，未必人人都能如愿。況且新校區正處于第一期工程階段，許多項目正在實施或尚未實施，即使身臨其境也無法一覽全貌。在建設好的許昌學院網絡虛擬校園GIS中，人們可以通過頭盔、三維鼠標、操縱桿等設備以漫步、駕駛小汽車等方式“進入”校區，一覽校區概貌，或賞其樓閣布局，并可對不滿意的地方提供修改意見。通過這種視覺、觸覺和感覺上的沉浸感，身臨其境的觀察、了解和體驗網絡虛擬校園GIS，實現對許昌學院校本部和新校區的虛擬旅游。

美國哥倫比亞大學學習技術研究所所長羅伯特·麥克林托克指出：“Internet—Web開辟了一個嶄新的學習世界”[4]。由于技術的進步，全世界的學院和大學都在發生變化。斯坦福大學、牛津大學、哈佛大學等名校紛紛加入在線教育行列。在線教育使想深造的學生不再受地理位置的限制，學院和大學不費一磚一瓦即可增加滿足需要的課程。因此虛擬大學開始猛增。許昌學院不僅是中國教育科研計算機網許昌網絡中心，而且是豫南網絡中心節點，覆蓋豫南七市，并被教育部定為IT&AT遠程教育培訓基地[5]。在建設好的許昌學院網絡虛擬校園GIS中，人們可以通過Internet—Web在網上虛擬選課、在教室虛擬聽課等，幾乎所有的人文科學和自然科學的課程都能進行，而且是交互的，師生之間即使遠隔萬里，也能進行討論和質疑，也能進行網上輔導。

本文的網絡虛擬校園GIS是在第一種定義、研究和實踐的基礎上進行綜合設計的，并對這兩種定義的結合進行了初步的探討。許昌學院網絡虛擬校園GIS是對現實大學三維景觀和教學環境的數字化和虛擬化，用于支持對現實大學的資源管理、環境規劃和學校發展。

2對網絡虛擬校園GIS有關技術的釋義

2.1虛擬現實技術

虛擬現實(VirtualReality，簡稱VR)技術是集計算機圖形學、人工智能、傳感器技術等為一體，在計算機中生成一種具有三維世界效果的模擬環境。同時還可以通過各種傳感器設備，使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境進行直接交互操作，并產生與現實世界相同的反饋信息，使人們得到與現實世界同樣的感受[6]。基于這樣的特點，它已廣泛應用于戰場模擬[7]、虛擬農業、城市虛擬設計、虛擬旅游、古環境與古文化的再現等方面。現在，諸如科學可視化(ScientificVisualization)、合成環境(SyntheticEnvironment)、賽博空間(Cyberspace)、人工現實(ArtificialReality)、仿真器技術(SimulatorTechnology)等，逐漸發展成為未來虛擬現實的一部分或一個側面[8]。

2.2GIS與WebGIS

地理信息系統（GIS）是用于采集、模擬、處理、檢索、分析和表達的地理空間數據的計算機信息系統[9]。隨著信息技術的發展和人們對GIS需求的不斷增加，基于Internet技術的GIS—WebGIS應用而生。WebGIS實際上是在Web上實現GIS的功能，也就是將GIS綜合進Web以進行信息。從互聯網絡的任意一個用戶上使用瀏覽器就可以瀏覽WebGIS站上的空間數據、制作專題地圖，進行地理信息的空間分析和空間查詢，從而給Web的信息加上了GIS這一直觀工具，使人們通過Web瀏覽查詢信息更方便，也使GIS通過Web得到了普及[10]。

2.3虛擬GIS與虛擬現實GIS

GIS技術同虛擬現實技術和科學計算可視化的結合，拓展了多維GIS、特別是三維GIS研究的內涵，提供了全新的空間數據分析模式和新的GIS應用模式。當前國際上把這種結合虛擬現實技術和科學計算可視化而設計的多維GIS稱為虛擬GIS（VirtualGIS，簡稱VGIS）。人們可以充分利用虛擬GIS提供的“逼真”圖形顯示和高級的交互分析手段，充分發揮人在圖形空間思維能力上的優勢，探索數據分析，解決地學問題。同時，虛擬GIS拓展了在時間維上的表達能力，結合地學分析模型，虛擬GIS為過去和未來的某一地理場景提供了更為便利的手段，從而為發展高級的空間決策支持環境提供了可能。

虛擬現實GIS（VirtualRealityGIS）是與虛擬GIS緊密相關的一個概念。虛擬GIS強調虛擬現實、科學計算可視化與GIS三者的結合，既強調高級人機接口在地學分析中的作用，又強調可視化思維和可視化分析在地學分析中的作用；而虛擬現實GIS主要強調虛擬現實與GIS的結合，強調高級人機接口在地學分析中的作用，所以虛擬現實GIS可以被理解為虛擬GIS的高級形式，是一種虛擬GIS[11]。

2.4網絡虛擬GIS

與網絡相結合是當前虛擬GIS發展的方向。目前網絡虛擬GIS主要采用兩種架構方式：一種是以網絡GIS為基礎，將虛擬現實系統同GIS的Client端連接起來，在虛擬現實系統中提供簡單的空間分析功能或是將GIS的分析結果轉化為虛擬現實系統支持的數據格式，供虛擬現實系統觀察；另一種是基于分布式虛擬現實系統，在虛擬現實系統中擴展空間數據類型的支持能力，提供簡單的空間分析功能。

虛擬GIS在結構上一般都采用GIS+VR的方式。通過VR來創建虛擬信息空間和管理用戶與虛擬信息空間的交互，而GIS則是用來管理空間數據。網絡虛擬GIS基本上延用了這種結構，在GIS信息表達上是以三維GIS為基礎進行擴展，特別是以面三維為主體的三維地理實體表達方面；在VR信息表達上大多是以虛擬現實建模語言(VirtualRealityModelingLanguage，簡稱VRML)為基礎。

3網絡虛擬校園GIS的系統設計

許昌學院網絡虛擬校園GIS的構建涉及用戶、應用程序和數據三個方面。根據上述三者之間的相互關系，可設計系統結構；考慮用戶需求，在客戶端，可設計用戶界面和系統功能；根據系統功能和特征，在服務器端，可設計數據庫服務器和應用程序服務器；根據許昌學院網絡虛擬校園GIS的數據維數、類型、大小和特點，可設計基于VRML的三維地理對象模型和數據流[12]，同時還應考慮到系統的維護和網絡的安全性問題。

3.1系統結構

許昌學院網絡虛擬校園GIS應采用Client/Server結構。在服務器端，包括數據庫服務器和應用程序服務器；在客戶端，包括HTML瀏覽器、VRML瀏覽器和應用程序，其中應用程序包括用戶對話交流管理模塊、數據量測模塊、二維圖形顯示管理模塊等。用戶的任務處理，有的在服務器端執行，有的在客戶機端執行。如果在服務器端，服務器接受請求后，運行服務器端應用程序，待處理完成后，就把結果傳回到客戶端。在客戶機端由應用程序執行。用戶對話交流管理模塊用于管理用戶的對話輸入、談話對象實時選擇、三維化身表情動作選擇等。數據量測模塊可讓用戶基于三維圖形界面查詢任一點的地理坐標。二維圖形顯示管理模塊可讓用戶顯示二維的地學數據。客戶端的HTML瀏覽器，可以采用InternetExplorer；VRML瀏覽器可以采用CosmoPlayer。它們均可從因特網上免費下載，從而可以把工作重點放在負責地學數據的準備、建模，以及數據查詢、分析的應用程序設計上?？蛻舳说腣RML瀏覽器與客戶端的應用程序的相互通信與交互，可采用VRMLEAI(ExternalAuthoringInterface)方式實現。

3.2用戶界面和系統功能

許昌學院網絡虛擬校園GIS的最終用戶主要是學生和老師，所以用戶界面必須簡潔直觀、方便和易用。文本交談區、三維圖區、二維圖區、數據處理與分析區應位于這一界面內，界面的功能可以定制以滿足不同層次用戶的需要。“文本交談區”是讓用戶與其他在線的用戶進行文本交談通訊，交換關于許昌學院網絡虛擬校園GIS中各種信息，或進行合作研究等?！叭S圖區”用于

顯示三維VRML世界，用戶可以在VRML瀏覽器中選擇不同的空間探索方式（如漫游）、行動速度、觀察方式（如當事人或第三者）、指定路線等；“二維圖區”用于顯示與三維VRML世界緊密相連的二維圖，同時還可用于導航，即顯示用戶在三維地理世界中漫游時的空間位置與路線軌跡。“數據處理與分析區”是讓用戶根據因特網的傳輸速率以及用戶計算機的處理能力，選擇合適的空間分辨率和屬性分辨率參數，選擇疊加的屬性種類，如水系、道路、居民點、植被等，可讓用戶編輯/增加/刪除地物對象，進行點地物地理坐標或地物對象屬性的查詢等。

文本交談區數據處理與分析區

二維圖區三維圖區

圖2用戶界面

3.3數據庫服務器和應用程序服務器

許昌學院網絡虛擬校園GIS的服務器端包括數據庫服務器和應用程序服務器。而應用程序服務器是網絡虛擬校園GIS的核心部分，包括VRML世界生成服務器、數據處理和分析服務器與多用戶管理服務器等。

數據庫服務器是用于管理許昌學院網絡虛擬校園GIS的三維地理對象和與多用戶有關的數據，一般可用Oracle等數據庫作服務器。VRML世界生成服務器在接到用戶的請求后，根據顯示范圍大小，要求的空間分辨率、屬性分辨率，顯示范圍內地理目標的選擇等參數，動態地與數據庫服務器連接，把相應的地理對象數據取出并轉換成VRML世界模型，供用戶瀏覽與交互。數據處理和分析服務器是執行地理對象的查詢、增加/刪除/編輯后的地理對象管理和地理空間計算與分析（如最佳路徑分析）等。多用戶管理服務器用于管理在線用戶的相關信息，如用戶名、三維化身類型與地址、三維化身在網絡虛擬校園GIS的位置和朝向及其用戶間的通信數據發送等。

3.4三維地理對象模型

在地理系統中，地理對象根據在空間維上的分布特性，可分為兩大類：一類是以場為基礎的對象。這類對象在空間上連續分布，稱為地形景觀對象，如地形、土壤種類分布等。另一類是以離散實體為特性的對象。這類對象以獨立的個體而存在，稱為地物對象，如建筑物、樹、電話亭、路燈等。

地形景觀對象的三維空間數據是三維地理世界建模的基礎數據，由于數據量大，是三維地形景觀實時圖形處理的瓶頸。地形景觀對象的建模是許昌學院網絡虛擬校園GIS的關鍵部分?？梢圆捎貌煌直媛实目臻g和屬性數據表達地形景觀對象，即用不同三角形個數的三角網表達地形景觀對象的不同層次空間分辨率，用不同大小的紋理圖像表達屬性分辨率。對于地物對象，一般可用CAD模型、分形模型和人工生命技術等三維處理與表達，然后根據地物在實際校園中的地理位置坐標、地物實際大小、地物朝向和紋理結構等，建立網絡虛擬校園GIS的三維地物對象庫。許昌學院網絡虛擬校園GIS的地物對象從存在角度看，有兩類：一類是目前存在的地物對象；另一類是網絡虛擬校園GIS運行時加入的，但現實中未存在的地物。這兩類地物，在數據庫對象管理時應區別對待。在網絡虛擬校園GIS中，地物對象數目繁多，所以也必須應用多層次表達法建立每一個對象的多層次空間和屬性模型，才能實現快速的圖形計算和顯示。

3.5數據流

許昌學院網絡虛擬校園GIS的建立，從數據流角度，包括三維源數據、三維地理對象和VRML世界三個方面。三維地理數據的采集，可以通過野外測量、地形圖數字化和數字攝影測量等方法獲取。一般應用CAD和GIS等技術獲取，但用這些系統表達三維源數據時，由于主要考慮表達地理景觀的完備性，而對數據三維顯示與處理的效果與效率考慮較少，所以較難通過直接轉換應用于VRML世界的構建。對于三維地理對象，我們應用面向對象模型的方法，根據三維源數據，建立三維地理對象模型。三維地理對象的建立，必須考慮VRML世界的實時可視與分析，即需考慮觀察者的存在與實時感覺，一般要應用多層次法表達。VRML世界是根據用戶的參數設置，由三維地理對象模型轉化形成的。由于三維地理對象模型的建立，考慮了用戶的不同需求以及實際應用效果，所以用戶可根據網絡傳輸速率和用戶計算機處理能力，設置特定的參數。

3.6系統維護和安全性問題

由于許昌學院網絡虛擬校園GIS運行在Internet-Web上，可能會出現安全問題，所以必須采取一定的安全措施。防火墻作為對系統的訪問的控制是十分重要的有效方法，訪問控制是由許昌學院網絡虛擬校園GIS系統管理中心統一嚴格管理，屬強制性控制。同時可以建立服務器端的用戶日志記錄，跟蹤用戶對系統的訪問情況；還可以運用信息加密/解密、身份驗證等現代密碼技術，來保障網絡和系統的安全。

4總結與展望

虛擬GIS是在傳統多維GIS系統基礎上發展起來的新型的GIS系統，虛擬GIS在擴展GIS應用領域的同時，也給GIS設計帶來了新的問題，特別是網絡虛擬校園GIS的設計更需要研究[11]。許昌學院網絡虛擬校園GIS是分布式虛擬環境在教育和學習方面的應用。本文從系統結構、用戶界面和系統功能、數據庫服務器和應用程序服務器、三維地理對象模型、數據流、系統維護和安全方面，討論了分布式網絡虛擬校園GIS的系統設計問題。在建成的許昌學院網絡虛擬校園GIS中，用戶可以進行三維空間漫游探索、點坐標量測、地物屬性的查詢和地物的增加/刪除等操作，并可以基于三維化身和文本對話實現與其它在線用戶的交流和互動。但是網絡虛擬GIS設計是一個非常復雜的問題，本文旨在建立一個網絡虛擬校園GIS的設計方案，所做的工作還是比較初步的，還有許多尚待解決的問題。

參考文獻

[1]SCHANKRC.TheVirtualUniversity[J].Cyberpsychology&Behavior,2000,3(1):9-16

[2]張劍平等.地理信息系統與MapInfo應用[M].北京:科學出版社;1999,1-8.

[3]許昌學院.百年老校新氣象[N].許昌日報,2002-5-18(2).

[4]承繼成等.數字地球導論[M].北京:科學出版社;2000,224-229.

[5]許昌學院.熱烈慶祝許昌學院成立[N].人民日報,2002-5-18(8).

[6]劉勇奎等.虛擬現實技術和科學計算可視化[J].中國圖像圖形學報,2000,5(9):794-798.

[7]游雄.基于虛擬現實技術的戰場環境仿真[J].測繪學報,2002,31(1):7-11.

[8]崔偉宏.數字地球[C].北京:中國環境科學出版社;1999,137-145.

[9]李長坡.數字城市關鍵技術探討[J].許昌師專學報,2001,21(2):34-37.

[10]湯國安,趙牡丹.地理信息系統[M].北京:科學出版社;2000,164-170.

[11]謝傳節等.基于XML和CORBA的網絡虛擬校園GIS設計[J].測繪學報,2002,31(1):66-70.

[12]龔建華,林琿.虛擬地理環境—在線虛擬現實的地理學透視[M].北京:高等教育出版社;2001,85-92.