网络虚拟校园GIS的科学构想与设计系统结构 --以许昌学院为例(1)

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

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^[2]。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” ^[3]。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”^[4]。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^[5]。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。

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^[6]。基于这样的特点，它已广泛应用于战场模拟^[7]、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^[8]。

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^[9]。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]。

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]。

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。

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。

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。

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。

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