王建，王章琳，陸雨竹，楊亞婷，董帥，朱正平

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100）

0 引言

學(xué)校是促進(jìn)社會發(fā)展和個體發(fā)展的主要載體，在社會信息化的大背景下，建設(shè)“智慧型”校園，不斷推進(jìn)以學(xué)校為主體的教育信息化進(jìn)程，成為教育信息化的重要組成部分。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使BIM與3DGIS 技術(shù)逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注，并為智慧校園建設(shè)和管理提供了新的方法和手段。3DGIS 可基于地形和周邊宏觀的地物信息，為BIM 提供大場景規(guī)劃、室外視域分析等3DGIS 功能，提供決策支持；而BIM 模型可為3DGIS 提供精細(xì)的建筑構(gòu)建信息，使得3DGIS 從室外走向建筑內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化的管理[1]。將BIM+3DGIS 模型進(jìn)行有效融合，實(shí)現(xiàn)兩者之間的優(yōu)勢互補(bǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，必能促使校園管理從靜到動、從表到里、從粗到細(xì)的變革，增強(qiáng)智慧校園在規(guī)劃、建設(shè)、管理等問題上的智能程度[2]。該平臺的開發(fā)，不僅可以大大降低安全事故發(fā)生頻率，減少經(jīng)濟(jì)損失，還可以為學(xué)校樹立擁有安全良好的學(xué)習(xí)環(huán)境的形象，具有很好的社會意義。

本文以長江大學(xué)武漢校區(qū)為例，設(shè)計(jì)了一款可以在網(wǎng)頁端和移動端同時運(yùn)行的融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預(yù)警系統(tǒng)，用戶可以在三維智慧校園地圖中體驗(yàn)長江大學(xué)武漢校區(qū)地圖漫游，并結(jié)合燈光模擬算法、動態(tài)巡邏規(guī)劃、人臉識別等功能，進(jìn)一步提高了該系統(tǒng)對于校園日常生活中的安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預(yù)警系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1 所示，分別為請求處理層、業(yè)務(wù)邏輯層、通用處理層和數(shù)據(jù)持久層，由OpenLayers 與ArcGIS API for JavaScript 實(shí)現(xiàn)圖層服務(wù)、空間分析及二三位校園導(dǎo)航功能，由ArcGIS server 及three.js 實(shí)現(xiàn)BIM 模型的Web 加載，從而使校園呈現(xiàn)出具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間信息的三維場景。

圖1 融合BIM和3DGIS的校園安全智能預(yù)警系統(tǒng)體系總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及條件

根據(jù)程序運(yùn)行所需要的軟硬件資源及系統(tǒng)架構(gòu)，融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預(yù)警系統(tǒng)采用B∕S體系結(jié)構(gòu)。程序主體運(yùn)行在Ubuntu 系統(tǒng)下，利用MySQL、ArcGIS Desktop 對空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理。系統(tǒng)前端框架為過程的VUE 架構(gòu)，具有輕量化、組件化、高性能等特點(diǎn)[3]，后端使用開源的Java 語言的 Spring、Spring MVC、MyBatis 框架進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)前后端分離及讀寫分離等功能[4]。使用ArcGIS Desktop對空間矢量圖層進(jìn)行存儲、編輯、坐標(biāo)系和投影設(shè)置，并通過ArcGIS Server 對空間數(shù)據(jù)服務(wù)和屬性服務(wù)進(jìn)行發(fā)布。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)條件如表1 所示。

表1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用條件

2 功能設(shè)計(jì)與主要功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能模塊

融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預(yù)警系統(tǒng)功能模塊主要劃分為5 類，分別是校園漫游與導(dǎo)航模塊、校園資訊模塊、個人信息模塊、自我提升模塊及校園安全模塊，具體功能設(shè)計(jì)如圖2 所示。校園漫游與導(dǎo)航模塊中有二三位校園導(dǎo)航，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的室內(nèi)導(dǎo)航及校園三維場景漫游。校園資訊模塊中有校園新聞、學(xué)校校歷、社團(tuán)活動和支教活動模塊。個人信息模塊中有成績及考試信息查詢功能、等級考試查詢功能、宿舍相關(guān)費(fèi)用查詢功能、綜合測評相關(guān)信息查詢功能及課表查詢功能。自我提升模式中圖書信息查詢、教師信息查詢、科研信息查詢及競賽信息查詢功能。校園安全模型中，基于燈光模擬、人臉識別和路線動態(tài)規(guī)劃等算法，實(shí)現(xiàn)了夜間燈光模擬、巡邏路線動態(tài)規(guī)劃、火災(zāi)消防輔助、只能預(yù)警及校園人臉識別功能。

圖2 融合BIM和3DGIS的校園安全智能預(yù)警系統(tǒng)總體功能模塊設(shè)計(jì)圖

2.2 校園漫游與導(dǎo)航模塊

通過 BIM 模型、ArcGIS API、three.js 等技術(shù)，對長江大學(xué)武漢校區(qū)所有校園建筑、道路和設(shè)施等空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行三維建模及展示，真實(shí)的還原學(xué)校的整體環(huán)境。用戶可通過放縮BIM 校園模型，可以清楚地看到校園的空間分布信息和建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。并結(jié)合Dijkstra 算法及基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)航算法等實(shí)現(xiàn)智慧校園的室內(nèi)導(dǎo)航、校園導(dǎo)航功能，結(jié)合three.js 實(shí)現(xiàn)校園漫游。

圖3 校園漫游圖

2.3 校園資訊模塊

該模塊包含校園新聞、學(xué)校校歷、社團(tuán)活動和支教活動等多項(xiàng)功能，并具有單獨(dú)為此開發(fā)的微信小程序，該功能以基于Scrapy 框架為基礎(chǔ)Python 網(wǎng)絡(luò)爬蟲[5]為基礎(chǔ)，從學(xué)校官網(wǎng)，學(xué)院官網(wǎng)爬取相關(guān)信息并進(jìn)行展示，并基于微信小程序端實(shí)現(xiàn)支教活動、社團(tuán)活動等活動的發(fā)布與管理。

圖4 微信小程序端

2.5 夜間燈光模擬算法

針對于LED 路燈的燈光模擬，利用LED 具有朗伯體的特性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并設(shè)計(jì)后臺處理算法。目前市場上基本的路燈都是具有類朗伯體特性的LED 燈，若擴(kuò)展光源的發(fā)光強(qiáng)度為dI∝cosθ，即其亮度B 與方向有關(guān)。這類發(fā)射體稱為余弦發(fā)光體，或朗伯發(fā)光體。根據(jù)其發(fā)光特性，可以求解出燈光的散射角度，并建立模型，結(jié)合光線輻射強(qiáng)度與距離相關(guān)關(guān)系，計(jì)算出空間任意一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度以及光線的散射路線。根據(jù)上述總結(jié)以下公式：

由于LED 的光強(qiáng)分布不是一個理想的余弦分布，該分布可以表示為：

同時當(dāng)LED 照射到與其光軸方向垂直的平面時，其平面上的光照度分布為：

將其拓展到空間坐標(biāo)系時：

其中對于道路上的亮度均勻度不得低于0.4，其中u0為亮度均勻度：

忽略顏色變化影響，通過人眼轉(zhuǎn)化可得：

L=km∫Ev( )

λ dλ

圖5 夜間燈光模擬

3 結(jié)語

本文介紹了融合BIM 和3DGIS 的校園安全智能預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過建立BIM 模型實(shí)現(xiàn)校園三維可視化；借助ArcGIS 平臺管理海量空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)批處理及空間分析操作；結(jié)合MATLAB 進(jìn)行燈光預(yù)警算法模擬，并利用改進(jìn)的A*與RRT 算法實(shí)現(xiàn)BIM模型室內(nèi)導(dǎo)航與校園巡邏路線的規(guī)劃，為用戶提供了導(dǎo)航、安全預(yù)警、緊急事故救援路徑規(guī)劃等功能。本系統(tǒng)的開發(fā)在極大提高了學(xué)校管理水平的同時，大大降低了校園安全事故發(fā)生的頻率，減少了經(jīng)濟(jì)損失，還可以為師生提供方便周到的學(xué)習(xí)生活環(huán)境，為學(xué)校樹立了安全智能的良好形象。