導(dǎo)語：虛擬網(wǎng)絡(luò)GIS設(shè)計結(jié)構(gòu)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)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(xué)的兩種定義，提出了許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園gis的科學(xué)構(gòu)想，隨后又對網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的有關(guān)技術(shù)進行了解義。通過許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的初步設(shè)計，研究探討了基于網(wǎng)絡(luò)虛擬GIS技術(shù)的虛擬大學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計問題。

關(guān)鍵詞許昌學(xué)院；虛擬大學(xué)；虛擬現(xiàn)實；WebGIS；網(wǎng)絡(luò)虛擬GIS

1網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的科學(xué)構(gòu)想

目前，虛擬大學(xué)有兩種定義[1]。第一種定義是從因特網(wǎng)（萬維網(wǎng)）、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)的角度出發(fā)，認(rèn)為虛擬大學(xué)是對現(xiàn)實大學(xué)的一個三維虛擬再現(xiàn)。第二種定義是從信息、網(wǎng)絡(luò)和媒體技術(shù)的角度出發(fā)，認(rèn)為虛擬大學(xué)是一個以計算機和網(wǎng)絡(luò)為平臺的、遠(yuǎn)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(tǒng)（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(guān)的數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)[2]。由于虛擬大學(xué)與地理空間信息和屬性信息關(guān)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(jié)合與處理效果，所以虛擬校園與GIS的有機結(jié)合也成為必然趨勢。

許昌學(xué)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(fēng)景小區(qū)精致典雅，堪稱“園林化校園”[3]。新校區(qū)建設(shè)更是以園林化、現(xiàn)代化為標(biāo)準(zhǔn)，堅持高起點、高品位、高質(zhì)量，規(guī)劃合理，建筑新穎。美麗的校園，將會吸引更多的人到里邊學(xué)習(xí)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(qū)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(shè)好的許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS中，人們可以通過頭盔、三維鼠標(biāo)、操縱桿等設(shè)備以漫步、駕駛小汽車等方式“進入”校區(qū)，一覽校區(qū)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(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS，實現(xiàn)對許昌學(xué)院校本部和新校區(qū)的虛擬旅游。

美國哥倫比亞大學(xué)學(xué)習(xí)技術(shù)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(xué)習(xí)世界”[4]。由于技術(shù)的進步，全世界的學(xué)院和大學(xué)都在發(fā)生變化。斯坦福大學(xué)、牛津大學(xué)、哈佛大學(xué)等名校紛紛加入在線教育行列。在線教育使想深造的學(xué)生不再受地理位置的限制，學(xué)院和大學(xué)不費一磚一瓦即可增加滿足需要的課程。因此虛擬大學(xué)開始猛增。許昌學(xué)院不僅是中國教育科研計算機網(wǎng)許昌網(wǎng)絡(luò)中心，而且是豫南網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，覆蓋豫南七市，并被教育部定為IT&AT遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)基地[5]。在建設(shè)好的許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS中，人們可以通過Internet—Web在網(wǎng)上虛擬選課、在教室虛擬聽課等，幾乎所有的人文科學(xué)和自然科學(xué)的課程都能進行，而且是交互的，師生之間即使遠(yuǎn)隔萬里，也能進行討論和質(zhì)疑，也能進行網(wǎng)上輔導(dǎo)。

本文的網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS是在第一種定義、研究和實踐的基礎(chǔ)上進行綜合設(shè)計的，并對這兩種定義的結(jié)合進行了初步的探討。許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS是對現(xiàn)實大學(xué)三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化，用于支持對現(xiàn)實大學(xué)的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和學(xué)校發(fā)展。

2對網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS有關(guān)技術(shù)的釋義

2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，簡稱VR)技術(shù)是集計算機圖形學(xué)、人工智能、傳感器技術(shù)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(huán)境。同時還可以通過各種傳感器設(shè)備，使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境進行直接交互操作，并產(chǎn)生與現(xiàn)實世界相同的反饋信息，使人們得到與現(xiàn)實世界同樣的感受[6]?；谶@樣的特點，它已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場模擬[7]、虛擬農(nóng)業(yè)、城市虛擬設(shè)計、虛擬旅游、古環(huán)境與古文化的再現(xiàn)等方面?，F(xiàn)在，諸如科學(xué)可視化(ScientificVisualization)、合成環(huán)境(SyntheticEnvironment)、賽博空間(Cyberspace)、人工現(xiàn)實(ArtificialReality)、仿真器技術(shù)(SimulatorTechnology)等，逐漸發(fā)展成為未來虛擬現(xiàn)實的一部分或一個側(cè)面[8]。

2.2GIS與WebGIS

地理信息系統(tǒng)（GIS）是用于采集、模擬、處理、檢索、分析和表達(dá)的地理空間數(shù)據(jù)的計算機信息系統(tǒng)[9]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和人們對GIS需求的不斷增加，基于Internet技術(shù)的GIS—WebGIS應(yīng)用而生。WebGIS實際上是在Web上實現(xiàn)GIS的功能，也就是將GIS綜合進Web以進行信息。從互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)、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(xiàn)實GIS

GIS技術(shù)同虛擬現(xiàn)實技術(shù)和科學(xué)計算可視化的結(jié)合，拓展了多維GIS、特別是三維GIS研究的內(nèi)涵，提供了全新的空間數(shù)據(jù)分析模式和新的GIS應(yīng)用模式。當(dāng)前國際上把這種結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和科學(xué)計算可視化而設(shè)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(fā)揮人在圖形空間思維能力上的優(yōu)勢，探索數(shù)據(jù)分析，解決地學(xué)問題。同時，虛擬GIS拓展了在時間維上的表達(dá)能力，結(jié)合地學(xué)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(fā)展高級的空間決策支持環(huán)境提供了可能。

虛擬現(xiàn)實GIS（VirtualRealityGIS）是與虛擬GIS緊密相關(guān)的一個概念。虛擬GIS強調(diào)虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算可視化與GIS三者的結(jié)合，既強調(diào)高級人機接口在地學(xué)分析中的作用，又強調(diào)可視化思維和可視化分析在地學(xué)分析中的作用；而虛擬現(xiàn)實GIS主要強調(diào)虛擬現(xiàn)實與GIS的結(jié)合，強調(diào)高級人機接口在地學(xué)分析中的作用，所以虛擬現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)虛擬GIS

與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合是當(dāng)前虛擬GIS發(fā)展的方向。目前網(wǎng)絡(luò)虛擬GIS主要采用兩種架構(gòu)方式：一種是以網(wǎng)絡(luò)GIS為基礎(chǔ)，將虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)同GIS的Client端連接起來，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中提供簡單的空間分析功能或是將GIS的分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)格式，供虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)觀察；另一種是基于分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中擴展空間數(shù)據(jù)類型的支持能力，提供簡單的空間分析功能。

虛擬GIS在結(jié)構(gòu)上一般都采用GIS+VR的方式。通過VR來創(chuàng)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(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)虛擬GIS基本上延用了這種結(jié)構(gòu)，在GIS信息表達(dá)上是以三維GIS為基礎(chǔ)進行擴展，特別是以面三維為主體的三維地理實體表達(dá)方面；在VR信息表達(dá)上大多是以虛擬現(xiàn)實建模語言(VirtualRealityModelingLanguage，簡稱VRML)為基礎(chǔ)。

3網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的系統(tǒng)設(shè)計

許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的構(gòu)建涉及用戶、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)三個方面。根據(jù)上述三者之間的相互關(guān)系，可設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；考慮用戶需求，在客戶端，可設(shè)計用戶界面和系統(tǒng)功能；根據(jù)系統(tǒng)功能和特征，在服務(wù)器端，可設(shè)計數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器；根據(jù)許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的數(shù)據(jù)維數(shù)、類型、大小和特點，可設(shè)計基于VRML的三維地理對象模型和數(shù)據(jù)流[12]，同時還應(yīng)考慮到系統(tǒng)的維護和網(wǎng)絡(luò)的安全性問題。

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS應(yīng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)。在服務(wù)器端，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器；在客戶端，包括HTML瀏覽器、VRML瀏覽器和應(yīng)用程序，其中應(yīng)用程序包括用戶對話交流管理模塊、數(shù)據(jù)量測模塊、二維圖形顯示管理模塊等。用戶的任務(wù)處理，有的在服務(wù)器端執(zhí)行，有的在客戶機端執(zhí)行。如果在服務(wù)器端，服務(wù)器接受請求后，運行服務(wù)器端應(yīng)用程序，待處理完成后，就把結(jié)果傳回到客戶端。在客戶機端由應(yīng)用程序執(zhí)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(shù)據(jù)量測模塊可讓用戶基于三維圖形界面查詢?nèi)我稽c的地理坐標(biāo)。二維圖形顯示管理模塊可讓用戶顯示二維的地學(xué)數(shù)據(jù)?？蛻舳说腍TML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(wǎng)上免費下載，從而可以把工作重點放在負(fù)責(zé)地學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、建模，以及數(shù)據(jù)查詢、分析的應(yīng)用程序設(shè)計上?？蛻舳说腣RML瀏覽器與客戶端的應(yīng)用程序的相互通信與交互，可采用VRMLEAI(ExternalAuthoringInterface)方式實現(xiàn)。

3.2用戶界面和系統(tǒng)功能

許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的最終用戶主要是學(xué)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(qū)、三維圖區(qū)、二維圖區(qū)、數(shù)據(jù)處理與分析區(qū)應(yīng)位于這一界面內(nèi)，界面的功能可以定制以滿足不同層次用戶的需要?！拔谋窘徽剠^(qū)”是讓用戶與其他在線的用戶進行文本交談通訊，交換關(guān)于許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS中各種信息，或進行合作研究等?！叭S圖區(qū)”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(dāng)事人或第三者）、指定路線等；“二維圖區(qū)”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(dǎo)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?！皵?shù)據(jù)處理與分析區(qū)”是讓用戶根據(jù)因特網(wǎng)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(shù)，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(biāo)或地物對象屬性的查詢等。

文本交談區(qū)數(shù)據(jù)處理與分析區(qū)

二維圖區(qū)三維圖區(qū)

圖2用戶界面

3.3數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器

許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器。而應(yīng)用程序服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的核心部分，包括VRML世界生成服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理和分析服務(wù)器與多用戶管理服務(wù)器等。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是用于管理許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的三維地理對象和與多用戶有關(guān)的數(shù)據(jù)，一般可用Oracle等數(shù)據(jù)庫作服務(wù)器。VRML世界生成服務(wù)器在接到用戶的請求后，根據(jù)顯示范圍大小，要求的空間分辨率、屬性分辨率，顯示范圍內(nèi)地理目標(biāo)的選擇等參數(shù)，動態(tài)地與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接，把相應(yīng)的地理對象數(shù)據(jù)取出并轉(zhuǎn)換成VRML世界模型，供用戶瀏覽與交互。數(shù)據(jù)處理和分析服務(wù)器是執(zhí)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(wù)器用于管理在線用戶的相關(guān)信息，如用戶名、三維化身類型與地址、三維化身在網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的位置和朝向及其用戶間的通信數(shù)據(jù)發(fā)送等。

3.4三維地理對象模型

在地理系統(tǒng)中，地理對象根據(jù)在空間維上的分布特性，可分為兩大類：一類是以場為基礎(chǔ)的對象。這類對象在空間上連續(xù)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(shù)據(jù)是三維地理世界建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)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(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的關(guān)鍵部分?？梢圆捎貌煌直媛实目臻g和屬性數(shù)據(jù)表達(dá)地形景觀對象，即用不同三角形個數(shù)的三角網(wǎng)表達(dá)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(dá)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(shù)等三維處理與表達(dá)，然后根據(jù)地物在實際校園中的地理位置坐標(biāo)、地物實際大小、地物朝向和紋理結(jié)構(gòu)等，建立網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的三維地物對象庫。許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS運行時加入的，但現(xiàn)實中未存在的地物。這兩類地物，在數(shù)據(jù)庫對象管理時應(yīng)區(qū)別對待。在網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS中，地物對象數(shù)目繁多，所以也必須應(yīng)用多層次表達(dá)法建立每一個對象的多層次空間和屬性模型，才能實現(xiàn)快速的圖形計算和顯示。

3.5數(shù)據(jù)流

許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的建立，從數(shù)據(jù)流角度，包括三維源數(shù)據(jù)、三維地理對象和VRML世界三個方面。三維地理數(shù)據(jù)的采集，可以通過野外測量、地形圖數(shù)字化和數(shù)字?jǐn)z影測量等方法獲取。一般應(yīng)用CAD和GIS等技術(shù)獲取，但用這些系統(tǒng)表達(dá)三維源數(shù)據(jù)時，由于主要考慮表達(dá)地理景觀的完備性，而對數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換應(yīng)用于VRML世界的構(gòu)建。對于三維地理對象，我們應(yīng)用面向?qū)ο竽Ｐ偷姆椒?，根?jù)三維源數(shù)據(jù)，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(yīng)用多層次法表達(dá)。VRML世界是根據(jù)用戶的參數(shù)設(shè)置，由三維地理對象模型轉(zhuǎn)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(yīng)用效果，所以用戶可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和用戶計算機處理能力，設(shè)置特定的參數(shù)。

3.6系統(tǒng)維護和安全性問題

由于許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS運行在Internet-Web上，可能會出現(xiàn)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(tǒng)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(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS系統(tǒng)管理中心統(tǒng)一嚴(yán)格管理，屬強制性控制。同時可以建立服務(wù)器端的用戶日志記錄，跟蹤用戶對系統(tǒng)的訪問情況；還可以運用信息加密/解密、身份驗證等現(xiàn)代密碼技術(shù)，來保障網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的安全。

4總結(jié)與展望

虛擬GIS是在傳統(tǒng)多維GIS系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型的GIS系統(tǒng)，虛擬GIS在擴展GIS應(yīng)用領(lǐng)域的同時，也給GIS設(shè)計帶來了新的問題，特別是網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的設(shè)計更需要研究[11]。許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS是分布式虛擬環(huán)境在教育和學(xué)習(xí)方面的應(yīng)用。本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、用戶界面和系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器、三維地理對象模型、數(shù)據(jù)流、系統(tǒng)維護和安全方面，討論了分布式網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的系統(tǒng)設(shè)計問題。在建成的許昌學(xué)院網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS中，用戶可以進行三維空間漫游探索、點坐標(biāo)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(xiàn)與其它在線用戶的交流和互動。但是網(wǎng)絡(luò)虛擬GIS設(shè)計是一個非常復(fù)雜的問題，本文旨在建立一個網(wǎng)絡(luò)虛擬校園GIS的設(shè)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。

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