基于移動GIS的景觀緩沖區(qū)構(gòu)建方法與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

張可文，趙慶展*，周可法，于寶華

（1石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 石河子 832003；2兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心,新疆 石河子 832003；3兵團(tuán)空間信息工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003；4中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

基于移動GIS的景觀緩沖區(qū)構(gòu)建方法與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

張可文1,2,3，趙慶展1,2,3*，周可法4，于寶華1,2,3

（1石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 石河子 832003；2兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心,新疆 石河子 832003；3兵團(tuán)空間信息工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003；4中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

為提高景區(qū)導(dǎo)游精準(zhǔn)化、智能化水平，本研究首先使用矢量要素緩沖區(qū)生成方法生成初步景觀緩沖區(qū)，進(jìn)而利用Voronoi圖方法解決緩沖區(qū)的疊加沖突問題，最后利用可視性分析方法去除無效緩沖區(qū)，通過一系列GIS方法構(gòu)建景區(qū)精確導(dǎo)覽緩沖區(qū)，為基于移動終端的LBS智能導(dǎo)覽應(yīng)用提供算法支持。在此基礎(chǔ)上，以移動GIS為平臺，綜合利用ArcGIS Server、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)搭建智能導(dǎo)覽信息系統(tǒng)。針對景區(qū)智能導(dǎo)覽信息系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，導(dǎo)覽過程中可以根據(jù)游客GPS定位信息實(shí)時(shí)提供自動導(dǎo)覽服務(wù)，緩沖區(qū)半徑大小為＜10 m、10-20 m、＞20 m以上時(shí)的服務(wù)平均誤差分別為29.6%、18.3%和9.8%，導(dǎo)游過程中景音對應(yīng)，緩沖區(qū)劃分大小合理。該景區(qū)導(dǎo)覽緩沖區(qū)構(gòu)建方法可為同類系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

移動GIS；服務(wù)緩沖區(qū)；Voronoi圖；視域分析

隨著移動GIS（Geographic information system）技術(shù)的發(fā)展，基于百度地圖和GoogleMap的移動GIS產(chǎn)品的研發(fā)在地圖控制、定位、POI（Point of interest）搜索、路徑規(guī)劃等領(lǐng)域越來越成熟［1-3］。景區(qū)4.0“文科融合、業(yè)態(tài)整合、產(chǎn)品復(fù)合”為主要特征的旅游業(yè)被納入“十三五”重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃。利用移動GIS技術(shù)解決景區(qū)傳統(tǒng)的人工導(dǎo)覽服務(wù)和自助式講解服務(wù)效率低、效果差等問題，提高景區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)水平成為新的研究方向［4-6］。

近年來，“互聯(lián)網(wǎng)+”模式和旅游O2O的迅速發(fā)展，催生了多種景區(qū)智能化導(dǎo)游解決方案［7］。自助按鍵式播報(bào)設(shè)備、移動觸控APP導(dǎo)覽方式是較早采用的景區(qū)導(dǎo)覽信息化方案［8-9］。游客可手動控制播報(bào)，雖提高了便捷性但要求用戶對景區(qū)熟悉度較高，實(shí)際使用中大多存在“景”、“音”不對應(yīng)等問題，精準(zhǔn)性較低、用戶體驗(yàn)不佳。目前，基于標(biāo)簽識別的方式使導(dǎo)覽服務(wù)的精準(zhǔn)程度得到了提升［10］，依據(jù)GPS定位的景觀圓形緩沖區(qū)導(dǎo)覽模式提高了智能化水平［11］。但前者需要游客手動識別標(biāo)簽，犧牲了導(dǎo)覽的智能性；后者準(zhǔn)確性較差，密集景觀出現(xiàn)景觀播報(bào)沖突現(xiàn)象，稀疏且高程落差大的景觀會產(chǎn)生“聽音不見景”的問題。因此，如何建立合理的景觀緩沖區(qū)，提高智能導(dǎo)覽精準(zhǔn)性問題是景觀導(dǎo)覽研究的重點(diǎn)。龍毅等［12］研究了景觀特征點(diǎn)提取規(guī)則和Voronoi圖劃分導(dǎo)覽服務(wù)區(qū)方法，提高了模型的精確程度。該方法較好的解決了緩沖區(qū)的沖突，而特征點(diǎn)數(shù)量、景觀分布規(guī)則程度對Voronoi圖與景觀形態(tài)保持影響較大。此外由于Voronoi圖的特點(diǎn)決定平面上任意區(qū)域都在服務(wù)區(qū)內(nèi)，依然存在“聽音不見景”的現(xiàn)象。徐園［13］研究了顧及障礙的加權(quán)Voronoi圖方法劃分緩沖區(qū)，一定程度上緩解了上述問題，但仍存在緩沖區(qū)過大導(dǎo)致的精度問題。

為進(jìn)一步提高景區(qū)智能導(dǎo)覽的精準(zhǔn)性，本文提出利用分級矢量緩沖區(qū)方法生成初步緩沖區(qū)，然后利用Voronoi圖解決密集景觀分布的緩沖區(qū)疊加沖突，采用視域分析剔除緩沖區(qū)內(nèi)由于視線遮擋而不可見的景觀緩沖區(qū)，形成精確的景觀緩沖區(qū)。最后將劃分完成的緩沖區(qū)與高分辨率影像疊加，在ArcGIS Server上發(fā)布成地圖服務(wù)，并利用移動智能終端實(shí)現(xiàn)智能景區(qū)導(dǎo)覽服務(wù)。

1 景觀導(dǎo)覽緩沖區(qū)構(gòu)建方法

1.1 景觀要素緩沖區(qū)生成

為確定每個(gè)景觀的導(dǎo)覽服務(wù)范圍，需要對景觀要進(jìn)行緩沖區(qū)劃分。景觀緩沖區(qū)利用地理要素（點(diǎn)、線或面）緩沖區(qū)生成方法構(gòu)建，即對一組或一類地理要素按設(shè)定的距離條件對其擴(kuò)展從而獲得它們的鄰域，對于1個(gè)給定的景觀a，其緩沖區(qū)大?。?4］可定義為：

其中，r為緩沖區(qū)半徑，d為平面點(diǎn)x距景觀a的歐式距離，P是由x構(gòu)成的集合，即景觀a的緩沖區(qū)。

根據(jù)地理要素的特征和其現(xiàn)實(shí)中的意義劃分景區(qū)內(nèi)不同景觀所屬的地理要素類別，是進(jìn)行緩沖區(qū)構(gòu)建的基礎(chǔ)。在景區(qū)內(nèi)可按照景觀外形、占地面積、內(nèi)部復(fù)雜度等將其分為點(diǎn)要素、線要素、面要素景觀。

點(diǎn)要素景觀：1個(gè)景觀只有1個(gè)主題，無復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，相對面積較小，可以將其視為點(diǎn)要素景觀。對于點(diǎn)要素緩沖區(qū)的生成采用分級矢量緩沖區(qū)構(gòu)建方法，即根據(jù)點(diǎn)要素的不同緩沖半徑構(gòu)建大小不同的緩沖區(qū)。對于點(diǎn)要素景觀的游覽通常以其為中心進(jìn)行觀看，因此確定點(diǎn)要素景觀緩沖區(qū)半徑的主要因素為語音播報(bào)長度和點(diǎn)要素景觀質(zhì)心距邊緣的最大長度。點(diǎn)要素景物緩沖區(qū)的圓心取景物的質(zhì)點(diǎn)。

其中d為質(zhì)點(diǎn)到景物邊界的最大長度，t為語音播報(bào)時(shí)長，v為游客游覽過程中的行進(jìn)速度。

線要素景觀：景區(qū)中形狀狹長，功能、主題單一的景觀，如道路，河流等景觀。線要素景觀緩沖區(qū)的生成以線要素的中心線為軸線，線要素的緩沖半徑r主要與線要素的實(shí)際寬度有關(guān)。則可由公式（3）計(jì)算線要素景觀緩沖半徑。

其中，d為線要素景物的寬度，為了保證緩沖區(qū)左右邊線的等寬性，采用凸角圓弧法生成分級緩沖區(qū)。

面要素景觀：景觀占地面積較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陳設(shè)多種觀賞物品，擁有多種服務(wù)和娛樂設(shè)施的景觀。面景觀要素的游覽一般從距面要素邊界外一定距離開始，因此其緩沖半徑由面要素景觀邊界寬度確定，即：

其中，d為面要素景觀邊界寬度。面要素景觀緩沖區(qū)主要以面要素邊界線為軸線，以γ為平移量向邊界外側(cè)作平行曲線，形成多邊形緩沖區(qū)。緩沖區(qū)位于面外部并包括內(nèi)部所有區(qū)域。

1.2 緩沖區(qū)疊加消除方法

由于景區(qū)中景觀分布疏密不均，服務(wù)區(qū)大小不一，通常會出現(xiàn)由景觀要素生成的緩沖區(qū)疊加、壓蓋等問題，導(dǎo)致對景觀導(dǎo)覽的播報(bào)服務(wù)混亂。Voronoi圖方法將平面劃分為不重疊的不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有且只有1個(gè)控制點(diǎn)，常用于快速賦值。在景區(qū)中，每一個(gè)景觀即為唯一的控制點(diǎn)，其控制的播報(bào)區(qū)域是唯一的。在景區(qū)中任意景觀特征點(diǎn)a的Voronoi圖的定義 為［15］：

其中，d為歐式距離，x為平面上任意點(diǎn)，P為景觀所控制的區(qū)域。

在景區(qū)中，線、面要素均可視為無限離散點(diǎn)，且由一定數(shù)量的點(diǎn)即可描繪出一條曲線或面的邊界，點(diǎn)的數(shù)量越多，其描繪的曲線與原曲線越一致。為了簡化計(jì)算，采用曲線的特征點(diǎn)描繪曲線是常用的方式，對于線要素特征點(diǎn)定義為線要素的折點(diǎn)和兩折點(diǎn)之間的中點(diǎn)，面要素特征點(diǎn)定義為面要素邊界的折點(diǎn)和兩折點(diǎn)之間的中點(diǎn)。利用特征點(diǎn)可以構(gòu)建景觀的Voronoi圖，根據(jù)定理1對緩沖區(qū)進(jìn)行處理，并利用定理2判定處理的景觀緩沖區(qū)不存在疊加沖突。

定理1：在平面要素的特征點(diǎn)集中，依據(jù)平面要素生成的矢量緩沖區(qū)被特征點(diǎn)的Voronoi圖分割的區(qū)域包含于該點(diǎn)的Voronoi內(nèi)，則該矢量緩沖區(qū)位于特征點(diǎn)集構(gòu)成的Voronoi內(nèi)。

證明：設(shè)景觀要素為 S，特征點(diǎn)集記為 S{x1，x2，…xi，…，xn}，其矢量緩沖區(qū)為：B.

則特征點(diǎn)集生成Voronoi圖，每個(gè)點(diǎn)的控制區(qū)域記為P1，P2，…，Pi，…，Pn.

矢量緩沖區(qū)B被Voronoi圖分割后，表示為B1，B2，…，Bi，…，Bn

由定理1，首先利用平面所有要素特征點(diǎn)建立Voronoi圖，然后利用Voronoi圖中1個(gè)控制點(diǎn)的多邊形作為裁剪要素提取與其相重疊的矢量緩沖區(qū)要素，分割后的矢量緩沖區(qū)均位于其特征點(diǎn)的Voronoi圖內(nèi)，然后將裁剪后的矢量緩沖區(qū)進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，得到新的矢量緩沖區(qū)，該矢量緩沖區(qū)將被包含于其特征點(diǎn)集構(gòu)成的Voronoi圖內(nèi)部。

定理2：在平面要素中，如果其矢量緩沖區(qū)均包含于特征點(diǎn)集的Voronoi圖內(nèi)，則其矢量緩沖區(qū)必定互不相交。

證明：設(shè)任意2組特征點(diǎn)集的矢量緩沖區(qū)為B1、B2，其 Voronoi為P1、P2。

圖1 研究區(qū)域矢量數(shù)據(jù)Fig.1 Vector data in the study area

由Voronoi圖的性質(zhì)得P1∩P2=φ，

由定理2可知，根據(jù)定理1分割的矢量緩沖區(qū)不存在疊加沖突。

1.3 視域分析方法

由于景區(qū)存在地形起伏等因素，在景區(qū)游覽過程中，出現(xiàn)“聽音不見景”的現(xiàn)象，即播報(bào)的景觀被地勢較高區(qū)域遮擋。因此應(yīng)利用景觀的視域分析，剔除景觀緩沖區(qū)中被遮擋的部分。

為了判斷游客所在位置是否可以觀察到所聽到的目標(biāo)景觀。假定游客視點(diǎn)為v，從DEM的v點(diǎn)向周圍發(fā)出一系列射線，并計(jì)算每條射線上從視點(diǎn)v到每個(gè)像素x的坡度角αij。若滿足公式（6），該像素x可見。

即此坡度角大于該射線上的已有坡度角的最大值，x像素可見，否則不可見。利用點(diǎn)對點(diǎn)通視，點(diǎn)對線通視等視域分析方法，判斷景區(qū)內(nèi)點(diǎn)要素景觀、線要素景觀的可視域。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

駝鈴夢坡沙漠生態(tài)旅游景區(qū)地處古爾班通古特沙漠西南緣與綠洲的交接帶，新疆兵團(tuán)第八師150團(tuán)場綠洲呈楔形深入沙漠的最前端，是典型的干旱區(qū)沙漠主題景區(qū)。研究區(qū)經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)85.990667°-86.004350°，北緯 45.101667°-45.087117°，海拔315-345 m，面積 3.8 km2，沙丘形態(tài)以樹枝沙壟和蜂窩狀沙丘為主，高度10-20 m。景區(qū)總體走向?yàn)闁|北-西南，研究區(qū)域較為開闊，利于移動終端接收GPS信號。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包含矢量數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)和景觀播報(bào)數(shù)據(jù)等。如圖1所示的矢量數(shù)據(jù)包含景區(qū)內(nèi)點(diǎn)狀景觀、路線、河流、面狀景觀和景區(qū)內(nèi)5 m等高線數(shù)據(jù)。研究區(qū)域正射影像數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域正射影像Fig.2 Orthoimage of the study area

2.2 數(shù)據(jù)處理

在研究區(qū)內(nèi)點(diǎn)要素景觀主要有：游客服務(wù)中心、洗手間、景區(qū)大門、宣誓基地、沙海明珠塔、烽火臺、尋夢亭、軍墾紀(jì)念碑等。

為計(jì)算點(diǎn)要素景觀緩沖區(qū)半徑，測算人在正常行進(jìn)中的平均速度為1.1 m/s。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人進(jìn)入景區(qū)游覽時(shí)，行進(jìn)速度會明顯減慢，一般小于0.5 m/s。根據(jù)公式（2）可以計(jì)算各點(diǎn)要素景觀的導(dǎo)覽緩沖半徑。如景觀“沙海明珠塔”景觀播報(bào)時(shí)長為73 s，質(zhì)心距邊緣最大長度為3.3 m，計(jì)算得該景觀的緩沖半徑為8.69 m。

在駝鈴夢坡沙漠公園中，主要有瑪河古道、1條主干道和15條輔助道路。實(shí)測景區(qū)線要素瑪河古道、主干道、輔助道路平均寬度分別為27.97、5.94、4.32 m，由公式（3）計(jì)算得緩沖半徑分別為 13.99、2.97、2.16 m。

在駝鈴夢坡沙漠公園中主要包含素質(zhì)拓展?fàn)I地、旱冰場、駝鈴泉戲水園、CS鐳戰(zhàn)場、駱駝驛站、炮臺、夢坡泉浴場、汽車越野體驗(yàn)區(qū)，胡楊林篝火晚會會場，其邊界寬度分別為 1.17、1.25、1.27、1.09、1.15、1.14、1.20、1.16、1.18 m。

將景觀緩沖半徑r作為屬性值插入每個(gè)景觀對應(yīng)的表，作為緩沖距離生成每個(gè)景觀的緩沖區(qū)，景區(qū)內(nèi)景觀要素生成緩沖區(qū)如圖3所示。

圖3 景觀要素及緩沖區(qū)地圖Fig.3 Landscape elements and buffer map

針對生成的緩沖區(qū)存在的疊加沖突進(jìn)行處理，根據(jù)定理1，利用ArcGIS建立景觀緩沖區(qū)的模型（圖 4）。

利用緩沖區(qū)沖突處理模型處理后，明顯消除景觀緩沖區(qū)之間的疊加沖突。景觀緩沖區(qū)疊加區(qū)域處理前后對比如圖5所示。

圖4 景觀緩沖區(qū)沖突處理模型圖Fig.4 Model of processing to landscape buffer collision

圖5 緩沖區(qū)沖突處理前后對比圖Fig.5 Processing the buffer collision before and after

景觀視域分析主要針對景區(qū)內(nèi)的點(diǎn)景觀和游覽路線的視域進(jìn)行分析，可提高游覽路線和點(diǎn)狀景物的播報(bào)精度。首先加載景區(qū)內(nèi)等高線矢量數(shù)據(jù)，將等高線矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 研究區(qū)數(shù)字高程模型圖Fig.6 Digital elevation model of study area

（1）景觀點(diǎn)視域分析。景觀點(diǎn)視域分析用于確定各個(gè)觀景點(diǎn)分別可以在哪些地表面處被看到，從而確定可以觀測到該景觀的地表面應(yīng)為景觀點(diǎn)的播報(bào)緩沖區(qū)。景觀點(diǎn)視域分析工具：3D Analyst-柵格表面-視點(diǎn)分析。針對景區(qū)中的8個(gè)景觀點(diǎn)分析的結(jié)果存放在結(jié)果圖層屬性表中，對應(yīng)屬性名稱為OBS1-OBS8中，屬性值為1表示該區(qū)域可見，屬性值為0表示不可見。如“烽火臺”景觀視域分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 點(diǎn)景觀視域分析結(jié)果圖Fig.7 Landscape point viewshed analyzing

（2）觀景線路視域分析。用于確定人在某條行動線路上可以看到的視域邊界范圍，以及視域范圍內(nèi)各個(gè)區(qū)域被看到的頻率，從而確定線路緩沖區(qū)。進(jìn)行觀景線路視域分析時(shí)，利用“增密”工具，為線路每隔一定距離增加1個(gè)折點(diǎn)，然后利用“視域”工具，分析線路的綜合視域范圍。對景區(qū)游覽線路的視域分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 線景觀視域分析結(jié)果圖Fig.8 Landscape line viewshed analyzing

在結(jié)果柵格圖層中可以觀察到景觀線路的視域范圍，其中粉紅色為不可見區(qū)域，黃色為可見區(qū)域。

通過景觀的視域分析，可以確定景觀的可視域范圍，將景觀的可視域范圍轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)并與利用要素矢量緩沖區(qū)模型生成的緩沖區(qū)進(jìn)行相交運(yùn)算，最終確定景區(qū)服務(wù)的精確緩沖區(qū)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

游客游覽過程中，將游客視為點(diǎn)，利用手機(jī)內(nèi)嵌的GPS、AGPS實(shí)時(shí)定位游客位置。景區(qū)中景觀的緩沖區(qū)均為面，點(diǎn)要素與面要素有相離（點(diǎn)在面外）、相鄰（點(diǎn)在面的邊界）、包含（點(diǎn)在面內(nèi)）3種拓?fù)潢P(guān)系。根據(jù)游客位置與服務(wù)緩沖區(qū)的拓?fù)潢P(guān)系，判別游客所位于的景觀緩沖區(qū)，為游客提供相應(yīng)景觀的導(dǎo)覽服務(wù)。

當(dāng)游客位置點(diǎn)與播報(bào)服務(wù)區(qū)為相鄰關(guān)系時(shí)，則觸發(fā)播報(bào)或停止播報(bào)，當(dāng)游客位置點(diǎn)與緩沖區(qū)為包含關(guān)系時(shí)，對該緩沖區(qū)內(nèi)景物提供導(dǎo)覽。

針對游客需要實(shí)時(shí)、精確、智能獲取所觀看景觀的服務(wù)導(dǎo)覽需求，在前述工作基礎(chǔ)上，利用移動GIS技術(shù)構(gòu)建導(dǎo)游服務(wù)系統(tǒng)。Esri為Android/IOS平臺提供了專門的ArcGIS Runtime SDK for Android/IOS開發(fā)包，應(yīng)用可部署在Android/IOS智能手機(jī)、平板電腦和其他智能終端上。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用C/S設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)架構(gòu)（圖9）分為地理數(shù)據(jù)庫、Server端、移動客戶端三部分。

圖9 景區(qū)導(dǎo)覽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The structure of the scenic navigation system

將景觀導(dǎo)覽服務(wù)區(qū)的矢量數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫建立景區(qū)語音導(dǎo)覽資源數(shù)據(jù)表存儲景觀的導(dǎo)覽語音，在數(shù)據(jù)庫中建立函數(shù)判斷游客位置與景觀服務(wù)緩沖區(qū)的拓?fù)潢P(guān)系。利用ArcGIS Server發(fā)布、管理景觀導(dǎo)覽服務(wù)區(qū)地圖，使用TomcatServer接收移動客戶端的游客位置數(shù)據(jù)，并查詢數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行結(jié)果反饋。移動客戶端主要為游客用戶展示地圖、提供地圖交互操作、導(dǎo)覽服務(wù)多媒體控制、GPS定位監(jiān)聽、根據(jù)服務(wù)器反饋結(jié)果選擇導(dǎo)覽服務(wù)等功能。服務(wù)器與客戶端通過JSON和HTTP協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和通信。

3.2 景區(qū)自動導(dǎo)覽實(shí)現(xiàn)

為完成上述業(yè)務(wù)需求，客戶端采用MVC（Model、View、Controller）結(jié)合單例的設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)客戶端的軟件系統(tǒng)。MVC設(shè)計(jì)模式支持模塊間的弱耦合和組件重用。視圖層（View）用于用戶界面交互；控制層（Controller）：開發(fā)控制器對象，控制GPS定位、頁面的跳轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)結(jié)果處理等；模型層（Model）：對數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)絡(luò)等操作都應(yīng)在模型層中處理，返回系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)。

客戶端界面以簡潔為目標(biāo)，在導(dǎo)覽界面中展現(xiàn)游客所在景區(qū)的地圖，地圖形式為劃分完成的緩沖區(qū)和影像為底圖的疊加，如圖10a所示，當(dāng)游客在景區(qū)打開GPS定位服務(wù)之后，地圖上將展現(xiàn)游客所在位置的圖標(biāo)。游客還可以選擇圖文模式，如圖10b所示，游客可以查看所在緩沖區(qū)景觀的圖片與文字介紹。界面中提供了多媒體控制的按鈕，游客可以暫停和開始所在位置的景觀導(dǎo)覽服務(wù)的播報(bào)。

圖10 景區(qū)導(dǎo)覽界面Fig.10 The interface of the scenic navigation system

服務(wù)器端采用Java三層經(jīng)典架構(gòu)，降低模塊之間的耦合，實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚，低耦合”的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)。表現(xiàn)層負(fù)責(zé)接收客戶端提交的游客位置，然后將數(shù)據(jù)封裝，業(yè)務(wù)處理層對表現(xiàn)層提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和預(yù)處理，最終由數(shù)據(jù)訪問層調(diào)用數(shù)據(jù)庫用戶自定義方法和存儲過程判斷用戶與緩沖區(qū)相對位置關(guān)系。

利用ArcCatalog將劃分完畢的導(dǎo)覽服務(wù)緩沖區(qū)矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入SQL server 2008數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫中建立景區(qū)導(dǎo)覽資源文件表。對數(shù)據(jù)庫面向GIS所提供的函數(shù)進(jìn)一步封裝為用戶自定義函數(shù)。自定義函數(shù)查詢數(shù)據(jù)庫中所有景觀的服務(wù)緩沖區(qū)，并封裝到游標(biāo)中，遍歷游標(biāo)，利用系統(tǒng)iscontain函數(shù)，判斷游客與服務(wù)緩沖區(qū)位置關(guān)系，返回用戶所在景觀服務(wù)緩沖區(qū)的編號，如果游客不在任一景觀服務(wù)緩沖區(qū)內(nèi)，則返回0。

3.3 精度驗(yàn)證與分析

測試結(jié)果顯示，由于GPS定位精確度影響，在景區(qū)內(nèi)導(dǎo)覽服務(wù)精度誤差5-10 m。利用播報(bào)地點(diǎn)距緩沖區(qū)邊界的距離和緩沖區(qū)半徑的比值衡量不同半徑范圍的景觀緩沖區(qū)誤差如表1所示。

表1 景觀導(dǎo)覽精度表Tab.1 Landscape navigation precision table

由于定位精度誤差相對穩(wěn)定，隨著服務(wù)緩沖區(qū)半徑增大平均誤差率逐漸降低。初次定位服務(wù)平均耗時(shí)5.8 s，設(shè)置后續(xù)每3 s獲取1次位置信息。從游客位置上傳、位置關(guān)系判斷到結(jié)果返回過程累計(jì)時(shí)間小于2 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，游客完整游覽景觀過程中，導(dǎo)覽內(nèi)容播報(bào)完整。累計(jì)在沖突區(qū)域測試500次出現(xiàn)播報(bào)錯誤概率為1.5%，在視線遮擋區(qū)域測試未出現(xiàn)“聽音不見景”的情況。

4 結(jié)論與討論

針對景區(qū)現(xiàn)有導(dǎo)覽系統(tǒng)智能性、精準(zhǔn)性低的缺陷，主要進(jìn)行了以下研究：（1）綜合運(yùn)用矢量要素生成分級緩沖區(qū)，Voronoi圖處理緩沖區(qū)沖突和疊置，視域分析剔除無效緩沖區(qū)來構(gòu)建面向景區(qū)智能導(dǎo)覽的精確緩沖區(qū)；（2）以駝鈴夢坡沙漠公園為研究區(qū)域?qū)皡^(qū)導(dǎo)覽緩沖區(qū)生成方法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其可行性和有效性；（3）基于移動 GIS平臺結(jié)合ArcGIS Server、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)搭建了景區(qū)智能導(dǎo)覽系統(tǒng)并部署于移動終端開展應(yīng)用。

如何進(jìn)一步提高緩沖區(qū)精度和有效性是提升用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵問題，可在以下三方面工作：（1）使用模糊方法綜合處理移動智能終端的電子陀螺儀、加速度儀、方向傳感器等傳感器數(shù)據(jù)提高導(dǎo)覽服務(wù)的定位準(zhǔn)確性；（2）通過手機(jī)姿態(tài)和行進(jìn)方向判斷游客方向和狀態(tài)，提供更為智能到導(dǎo)覽服務(wù)；（3）基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用高分辨率景區(qū)影像和景區(qū)全景圖片進(jìn)一步提高景區(qū)導(dǎo)覽體驗(yàn)。

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Landscape buffer construction method and system implementation based on mobile GIS

Zhang Kewen1,2,3,Zhao Qingzhan1,2,3*,Zhou Kefa4,Yu Baohua1,2,3
(1 College of Information Science and Technology,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China;2 Geospatial Information Engineering Research Center,Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi,Xinjiang 832003,China;3 Geospatial Information Engineering Laboratory,Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi,Xinjiang 832000,China;4 Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi,Xinjiang 830011,China)

In order to improve precise and intelligent level of the scenic tour,the scenic guide service area was constructed precisely.The method for establishing vector elements buffer was used to generate the initial buffer.Voronoi diagram was used to solve the conflict of superposition of buffer.Invalid buffer was removed by viewshed analyzing.the intelligent scenic tour application was supported by algorithms for the LBS on the mobile terminal.Intelligent navigation information system was built up by mobile GIS platform,ArcGIS Server and Spatial Information Database Technology.Aiming at the scenic intelligent navigation information system test showed that real-time automatic navigation service was provided according to tourists GPS positioning during the course of tour.When the buffer size is less than the radius of 10 meters,10-20 meters,more than 20 meters,service average error is 29.6%,18.3%and 9.8%,respectively.The view correspondences with broadcast,the size of buffer is reasonable.The construction method of the scenic navigation service area for scenic intelligent navigation is of great significance.

mobile GIS;service buffer;voronoi diagram;viewshed analysis

TP399；P942

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.03.020

1007-7383(2017)03-0384-07

2016-06-06

新疆兵團(tuán)科技援疆專項(xiàng)（2014AB031）

張可文(1988-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭臻g信息集成與服務(wù)應(yīng)用技術(shù)；e-mail：823719466@qq.com。

*通信作者：趙慶展（1972-），男，副教授，從事農(nóng)業(yè)信息化、空間信息系統(tǒng)集成研究；e-mail：zqz_inf@shzu.edu.cn。