基于GIS的智慧校园时空信息云平台设计研究

孙心怡 张华

摘   要：时空信息云平台在智慧校园的整体规划和建设中发挥基础支撑作用，文章描述了平台基本的建设思路，包括时空数据收集、处理、存储并形成标准化管理的方式，平台包含的数据服务、二次开发服务、认证服务、运维监控四个功能模块的构建方式，最后通过三个校内典型的应用来说明平台在智慧校园的应用建设中发挥的驱动和支撑性作用。

关键词：时空信息云平台;智慧校园;时空数据;公共平台

中图分类号：TP393.07 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）01-0061-04

一、引言

自2008年“智慧地球”的理念被提出以后，国内学者陆续提出了“智慧校园”的概念和建设思路，智慧校园的建设能够充分发挥校内各种信息的价值，为师生日常学习、工作和生活需要提供人本化、便捷性的信息化服务。[1]在智慧校园的建设中引入GIS（地理信息系统）技术，构建时空信息云平台，可以使学校的各项工作更好地与校园时空信息相结合，实现更加精细化的管理和精准化的服务。

二、时空信息云平台的内涵

智慧校园时空信息云平台是基于GIS技术对校内基础时空数据、部門专题数据、物联网实时感知数据、学校相关网页抓取数据等进行获取、存储、处理、集成、共享及挖掘分析，并提供泛在服务的校园公共平台。[2]智慧校园的总体架构如图1所示，分为基础设施层、数据层、公共平台层、应用服务层、终端用户和信息安全体系等。

基础设施层通过物联网技术获取校园内摄像头、传感器、射频识别（RFID）、定位系统等硬件设备的感知数据，并通过计算机网络技术在校内构建校园网络，为感知数据提供全覆盖的传输服务，为师生提供互联网访问服务，为应用系统提供接入服务。[3]数据层存储了智慧校园建设中积累的海量数据，包括教师数据、学生数据、科研数据、教学数据、财务数据等各类数据，为平台及应用提供数据支撑，为数据分析与挖掘提供数据基础。公共平台层将常用的功能提炼为公共服务接口供校内各业务系统调用，减少新系统在建设中的开发量，实现统一的接口管理及迭代升级。应用服务层，业务部门围绕高校人才培养、科学研究、社会服务、文化传承与创新的职能，基于公共平台的接口组件建设各类应用系统，为校内师生的学习生活提供个性化的服务。最终，用户通过电脑、手机、平板、自助打印机、自助圈存机等终端设备实现与应用服务的交互，提高工作学习的效率，享受校园生活的便利。整个智慧校园的建设都应参照学校的技术标准规范及保障体系，确保校园的物理安全、网络安全、主机安全、应用安全及数据安全。[4]

在智慧校园的框架中，时空信息云平台属于公共平台层，在智慧校园的整体规划和建设中发挥基础支撑作用，与身份认证授权平台、统一消息中心、支付聚合平台等其他公共平台一起，作为智慧校园中体现云计算与服务能力的核心层，通过标准化接口的形式为校内师生使用的各类应用提供驱动和支撑。而蕴涵在数据层的基础时空数据，本身可以反映校内的地形地貌，同时也可作为师生、科研、教学、资产、感知等数据时空化的基础，与其他数据共同为时空信息云平台提供数据支撑。

三、时空数据处理

在校园范围内的时空数据包含了校内基础时空数据、部门专题数据、物联网感知数据、学校相关网页抓取数据等，这些数据需要通过一定的方式转化和处理，才能被云平台及其他应用所使用，处理的过程如图2所示，分为数据收集、空间处理、数据存储及数据管理四个步骤。

1.数据收集

在数据收集过程中，基础时空数据主要来源于专业的测绘工作，通过矢量数据、影像数据、三维模型数据等描绘了校内的地形、道路、桥梁、植被、建筑物等信息，可作为其他数据空间化时的地理底图。部门专题数据来源于各个业务部门在工作中用到的数据，如教学教务数据、住宿数据、餐饮数据、设备资产数据、管线数据等。物联网感知数据来源于校内的温湿度传感器、红外报警器、摄像头等设备实时产生的数据。学校相关网页的抓取数据主要利用网络爬虫技术在校内各学院部门的网站上获取数据，包括活动、会议、讲座的通知公告，通过语义解析时间、地点、活动内容等信息进行存储。

2.空间处理

由于收集的数据来源不同，且缺少统一的数据标准和格式要求，收集到的数据将包含shapefile、gdb、CAD等格式的矢量数据，IMG、GRID、JPG、TIFF等格式的栅格数据以及OSGB、OBJ、3DS格式的三维数据。为能够对数据进行规范化存储与管理，需对这些数据进行标准化处理，将矢量数据、栅格数据和三维数据分别按照统一的格式要求转化成符合OGC服务标准的图层，并按照统一的地理坐标系（2000国家大地坐标系和1985国家高程基准）进行转化及校准。对没有时空标识的数据需加上“时间、空间、属性”标识，其中时间标识可保证数据的时效性，空间标识可反映地理实体在地图中的绝对位置与相对位置，属性标识可反映地理实体的特性。加上时空标识的属性数据根据经纬度坐标可转化为点、线、面要素，与地理底图共同形成反映地物情况的专题图。

3.数据存储

时空数据是包含时间、空间、专题属性的数据类型，为了对其进行有效的管理，需通过合适的时空数据模型描述其数据结构和计算特征。通过构建时空数据模型建立高效的数据库来存储经过统一化处理的时空数据，实现空中、地表、地下、室内、室外数据的一体化管理、综合展示，提高数据的存储和查询效率。[5]

典型的时空数据模型有序列快照模型、基态修正模型、面向对象的时空数据模型等。序列快照模型将一系列不同时间的快照存储起来，根据需要进行播放反映一定时间内的空间特征变化，这种方法可进行简单的时空信息查询，但容易造成数据冗余。基态修正模型只存储研究区域某一时刻的数据状态（即基态）及相对于基态的变化量，而不存储全部的信息，因此存储效率较高，但较难处理给定时刻时空对象间的空间关系，在追溯历史状况的时候查询效率较低。面向对象的时空数据模型在节点、弧段、多边形等几何要素的表达上增加时间信息，记录空间拓扑结构和时态拓扑结构，这种方法的优点是打破了关系模型范式的限制，但缺点是没有考虑地理现象的时空特性和内在联系，缺少对地理实体或现象的显式定义和基础关系描述。[6]前述的模型都有各自的优势与不足，近年来仍有许多研究者通过引入新技术或新思想来构建时空数据模型，在现有模型基础上进行优化，提高模型的存储与查询效率，并在土地管理、林业管理、交通管理等多个领域根据专题数据的变化特征形成了特有的数据模型。[7]因此在建设智慧校园时空信息云平台的过程中，构建适用于校园管理的时空数据模型是极其重要的。

4.数据管理

基于时空数据模型开发的时空信息云平台，不仅具有高效的新增、编辑、删除、可视化、导入导出等基础的数据管理能力，还具有强大的查询统计、空间测量等分析测量能力及空间分析、时空分析、多因子分析等数据挖掘能力，为智慧校园的应用扩展提供全面的数据服务功能。

四、时空信息云平台建设

作为智慧校园中的支撑平台，时空信息云平台的建设目标是为校内时空数据的共享及应用系统的开发提供支撑服务。为了实现这一目标，平台应包含数据服务、二次开发服务、认证服务及运维监控四个模块。（见图3）

1.数据服务模块

数据服务模块为用户提供在线浏览、数据管理、地图下载、数据交互等功能。用户通过平台可查询数据目录、元数据，并按照专题分类查看平台已有的矢量图、影像图、实景图、三维图等，對图层进行放大、缩小、距离测量、面积测量、查看所选地物的属性等基本操作。具有相应权限的用户可在线对空间数据进行增加、修改、删除等操作，平台提供丰富的地图绘制的工具，并具备拓扑检查、空间分析等功能。此外，平台通过支持http和https协议的地图接口、数据接口实现与校内各个业务系统的数据交互，在保证数据安全的前提下实现校内的数据共享，防止产生数据孤岛，其中地图接口符合OGC WMTS标准。

2.二次开发服务模块

二次开发服务模块为具备一定开发能力的用户提供标准化的网络应用程序接口（Web API），使部分不具备专业GIS知识的开发者能够通过http/https形式发起调用空间数据相关功能服务的请求，减少应用的开发工作量。功能类API能够对地图进行基本的操作与编辑，包括地图的放大、缩小、移动、获取中心点坐标、添加编辑点线面要素等功能;控件类API能够在地图上增加常用的控件按钮，包括拉框放大/缩小控件、测量控件、地物查询控件、地图打印控件、清空被选择要素控件等;数据分析API可以调用时空数据常用的分析算法，对数据进行对比分析与历史推演。[8]所有的接口服务按照统一的标准规范发布到平台上，用户可以在平台查看接口列表及开发指南，通过账号申请获取接口服务。随着校内应用的丰富、服务要求的提高，接口数量和功能也将不断扩展。

3.认证服务模块

认证服务模块对组织机构、用户角色及相应的权限进行配置，不同的用户角色将拥有不同的菜单访问权限、功能使用权限及数据查询管理权限。调用者登录后在接口申请模块查看可申请的接口列表，并根据需要提交使用申请，由管理员审核通过后使用秘钥获取接口服务，并在平台中测试接口返回参数情况。平台对应用的调用情况进行监控，保证使用的安全性。

4.运维监控模块

通过运维监控模块对平台上的服务数量、调用次数、响应时间等情况进行实时监控，并以图表形式直观展示服务的请求频次、请求宽带、处理速率、服务健康状况等即时情况。当应用服务调用接口情况异常，根据熔断策略可自动切断接口服务，减少对应用的影响。同时，平台应对服务器等硬件设备的使用情况进行监控，在发现异常情况时进行报警提醒。日志模块记录详细的平台访问及使用情况，包括使用的服务名称、服务类型、调用IP、调用时间、服务访问成功情况等。

五、基于平台的校内典型应用

依托智慧校园时空信息云平台，可以扩展出丰富的应用，为后勤、设备、教务、学工等业务部门提供更便捷、更智慧、更灵活的可视化直观管理，为校内师生提供空间位置的信息化服务。典型的应用包括校内地图、地下管线管理系统及实验室安全管理系统。

1.校园地图

校园地图通过调用数据接口、功能类接口及控件类接口，为在校的师生及校外的游客提供校内的地图导航服务，用户可在校园地图上查找校内楼宇建筑、生活设施、绿化景观、讲座活动的相关信息，或根据自己所在位置实时获取附近的各类地物信息，做到对校内事物的实时感知。区别于现有的商业导航软件，校内定制的校园地图时效性和精确性更高，能够为师生用户提供更加精准化的服务。

2.地下管线管理系统

地下管线管理系统首先制定和完善管线数据标准，按照完善后的数据标准构建数据库，通过平台提供的功能类接口及数据分析接口实现高效的数据加载、查询统计、管线分析、数据更新和数据导出等功能，为业务部门的管线管理、管线设计、业务报审、应急决策等工作提供便利。

3.实验室安全管理系统

实验室安全管理系统基于平台开发设备巡检、隐患整改、综合监控、实验室管理等相关功能模块。通过物联网技术接入实验室环境监控传感器和环境监控系统的数据，实时感知实验室的温度、湿度、火焰、烟雾、二氧化碳、二氧化硫等相关化学浓度，并与位置信息相关联对应，实现基于位置关联的可视化专题图。基于平台的数据分析功能，可形成实验室安全整改方案及传感器报警的应急预案，为实验室的安全管理工作提供便利。

六、结束语

本文主要描述了时空信息云平台在智慧校园架构中的重要意义及建设思路。时空信息云平台作为智慧校园建设中的支撑性平台，对校内基础时空数据、部门专题数据、物联网感知数据、学校相关网页抓取数据等进行一体化管理，为校内各个应用系统提供全面的数据服务及接口服务，促进校内的数据共享及应用快速开发，实现对校内师生的个性化服务及精细化管理。未来时空信息云平台的服务模式将会有更多的创新形式，其相关的应用也会更加多元化。

参考文献：

[1]黄荣怀，张进宝，胡永斌，杨俊锋.智慧校园：数字校园发展的必然趋势[J].开放教育研究，2012（4）：12-17.

[2]李卓聪.自然资源部印发新版智慧城市时空大数据平台建设技术大纲[N].中国自然资源报，2019-02-20（001）.

[3]刘思超，张华.基于公共平台的高校智慧校园架构设计[J].中国科技投资，2018（34）：11-12.

[4]杨瑛霞，王静.智慧校园网络安全体系构建研究[J].网络安全技术与应用，2019（3）：59-60.

[5]龚健雅，李小龙，吴华意.实时GIS时空数据模型[J].测绘学报，2014（3）：226-232，275.

[6]邬群勇，孙梅，崔磊.时空数据模型研究综述[J].地球科学进展，2016（10）：1001-1011.

[7]李旭晖，刘洋.时空数据建模方法研究综述[J].数据分析与知识发现，2019（3）：1-13.

[8]张鹏程，杨梅，何华贵，徐志杰.智慧广州时空云平台接口即服务的设计与实现[J].测绘与空间地理信息，2019（5）：1-3.

（编辑：王天鹏）