地理围栏技术在智慧校园导览应用研究
随着自助旅游的兴起及通信技术的发展，电子导游在校园导览的优势日益凸显。本文以福建师范大学旗山校区为例，结合现代电子导游的特点和校园导览的需求，运用地理围栏技术，通过 LBS 服务和空间位置触发实现自动播报POI 导览资料中的校园特色建筑信息和校园文化，为校园导览提供专业化与人性化的导览服务。该系统开发和应用为校园导览的推广提供一些应用层次上的探索和启发，也是对高校运用技术建设数字校园的一种延伸和促进。
一、引言
传统的导游服务主要分为人工导游和使用地图指南的自助旅游两种方式。人工导游的服务时间和服务质量不稳定，难以满足游客个性化的需求。而自助旅游的地图指南存在着地理信息不足、无法准确得知当前具体位置、相关信息无法及时更新等问题，高校也不例外。高校具有地域相对广阔、教学管理流动性强等鲜明特征。初次进入校园的人员需要通过观看纸质校园地图、指示牌、询问在校人员、师生带路等方式才能到达目的地。另外，外来人员了解高校的人文、历史、管理方式、各楼宇功能等信息也存在无人可问、答非所问的问题。国外在电子导游相关的理论研究及相关技术方面都远远领先于我国。2011年，Michael Kenteris等人发布了一个关于电子导游系统的调查报告，运用信息推送技术自动推送更新信息，使用户能获取最新的景区信息。H.H.Owaied等人在2011年提出了一个由用户界面、推理机、知识库、动态数据库以及GIS和XRM应用设备五个模块组成的智能导游系统模型。Jun Munemori等人研究开发了在电子导游系统实现实时分享位置信息、图片以及聊天的功能。Anegg H等人结合定位、导航和多媒体技术，研究了一种基于位置的维也纳市多媒体旅游信息服务。国内在电子导游领域的研究起步较晚，技术较为落后。2004年，王涛春等人研究了用户当前位置与地图的匹配、导游线路的规划及最短路径的计算问题，解决了导游地图精度问题。2007年，Google公司发布了可供任何人免费获得开源代码和开发SDK的Android操作系统。随着Android操作系统的广泛使用，以及移动GIS和GPS定位技术的成熟，以Android操作系统为依托的基于LBS（地理位置服务）的移动端电子导游得到了推广。2012年，何海洋利用现有的移动网络和校园无线网络定位技术，开发出适用于各种无线智能终端的校园导览系统。2017年，王强将增强现实技术运用于室内和户外导览中，提高了用户对景区的感知体验。这些研究极大弥补了传统导游服务的缺陷，满足了游客的个性化定制需求。初次进入校园的人员迫切需要能够尽快熟悉校园，实现导航浏览的校园导览系统。本文以福建师范大学为例，结合现代电子导游的特点和校园导览的需求，运用地理围栏技术，通过LBS服务和空间位置触发实现自动播报兴趣点POI导游资料和路径查询等功能，构建智慧校园导览系统。
二、关键技术与方法
2.1地理围栏算法
地理围栏（Geo-fencing）是LBS 的一种新应用，以一个服务点或服务区域为中心，用一个虚拟的栅栏围出一个圆形或多边形边界。当携带移动设备的用户通过虚拟的栅栏进入一个特定的服务区域时，移动设备会通过短信传输或网络传输的方式自动接收一些特定服务区的个性化服务信息。
2.2 POI空间拓扑匹配技术
在自动导览过程中，需要解决“如何根据当前的位置匹配到用户想获取的景点信息”这一核心问题。本文将矢量化的电子地图中每个面状地物质心点作为一个POI，即兴趣点。POI的类型可以为体育设施、公共服务设施、办公楼、宿舍楼、教学设施等。运用地理围栏技术，测量并分析校园内建筑的长度和宽度，最终设定搜索半径r，当用户进入POI的服务范围后，将所有满足条件的搜索结果存储在List容器中。这个过程中，可能List容器中的POI数不只一个，需要考虑到用户想要获取的是面对自身的POI信息。于是，通过计算移动终端与POI点的方位角，再与通过移动终端上方向传感器获取的朝向角度做差，得出差值Angle。根据人集中注意力时可视角度一般小于等于25°的实际情况，得Angle应小于等于25°。通过上述的条件筛选后，计算每个符合条件POI与用户当前位置的最小值，即匹配到最合适的景点，得出用户想要了解的景点。
2.3景点信息自动载入与播报输出技术
为了弥补目前大多电子导游系统手动点播的不足，本文研究的一大突破就是实现自动播报景点信息的功能。经过上述的最适合POI匹配后，通过矢量化后的校园建筑要素图层属性表中POI的经纬度得到相应的编号Num，并对SQLite数据库中的编号进行遍历，找到相对应的景点名Name、文字介绍Introduction、音频路径Path。运用Toast类，自定义景点信息显示的位置、布局、动画效果等，并以动态载入界面的形式显示用户所需的景点信息，在应用程序中显示为浮动，它永远不会获得焦点，故不影响用户的其他操作。而且Toast显示的时间有限，它会根据用户设置的显示时间后自动消失 。 显示景点信息时，移动终端后台会激活Media Player多媒体播放线程，实现景点信息语音播报。语音播报完成后会自动释放资源，提高系统的运行速率，从而完成通过空间位置触发自动播报匹配景点信息的功能，为用户提供及时、准确的校园导览服务。
三、系统设计与应用
3.1系统总体架构设计
本系统采用C/S（Client/Server）架构进行总体架构设计，即客户机和服务器结构。其中，在数据访问层中，将通过桌面端Arc GIS制作要素、属性表数据和网络数据集等的数据发布Feature Server服务到Arc GIS for Server，并利用无线互联网通讯技术。用户可以直接从Arc GIS for Server上的要素服务中下载数据，并在移动端存储为.geodatabase文件，为实现完全离线的移动应用提供数据基础。同时，将导览资料数据存储于移动端嵌入式数据库引擎SQLite内。在应用逻辑层中，调用数据访问层中的数据，并根据用户个性化需求，解决诸如模糊查询、GPS信息获取、地理围栏技术、空间位置触发技术以及最短路径计算等核心问题；在用户表现层中，实现在移动端地图基本操作、信息查询、自动导览、路径分析等一系列以电子地图为基础的功能，与用户进行友好交互。
3.2数据组织与处理
3.2.1校园电子地图处理
通过Arc GIS对校园平面图进行配准等前期的预处理工作，并将其进行矢量化处理，创建一个面状图层作为智慧校园导览系统的底图及一个线状图层用于路径分析的网络数据集。面状图层主要包括校园的体育设施、公共服务设施、办公楼、宿舍楼、教学设施、水体、草地等；线状图层主要包括校园内的公路、主干道及小路等。
3.2.2属性字段设计
根据系统所要实现的信息查询和自动导览功能，对矢量化后的要素图层进行属性字段的设计。添加用于存储地物编号的Num字段、存储地物名称的Name字段、存储地物类型的Type字段以及各面状要素质心的经纬度（Longitude和Latitude）字段。本文只对校园中的体育设施、公共服务设施、办公楼、宿舍楼、教学设施等有具体名称的地物进行存储，对于草地、水体、未建设用地等只有地物类型没有具体名称的地物不进行名称的存储，所以Name字段可以为空。
3.3系统功能设计
本系统主要分为五个模块：地图基本操作模块、信息查询模块、定位信息处理模块、自动导览模块、路径分析模块。
3.3.1地图基本操作
地图基本操作模块是智慧校园电子导览系统中最基本也是必不可少的模块。它能直观地将整个校园的地图呈现在用户面前。用户可以通过程序界面对地图进行放大、缩小、平移、旋转、全幅显示等一系列基本操作，增加用户与电子地图的交互。更重要的是，它是其他诸如信息查询、路径分析等模块的操作接口。
3.3.2信息查询
信息查询模块是电子导览系统的基本模块。用户可以进行关键字模糊查询景点信息，查询结果会在电子地图上高亮显示，以满足用户的查询需求，提高用户对景点位置和景点信息的认知。
3.3.3实时定位功能
定位信息处理模块主要依赖于移动设备接收的卫星信号，用户能够在电子地图上直观地看到自己当前所处的位置。该模块设置了时间间隔和距离间隔，确保用户能够实时获取自己当前的位置变化情况，同时还能得到当前的经纬度、海拔、行进速度及方向信息。另外，此模块获取到的定位信息还能提供给系统的其他模块使用。
3.3.4自动导览功能
自动导览模块是智慧校园电子导览系统的核心模块。运用地理围栏技术和空间位置触发技术，当用户到达某个景点区域范围内，通过用户的当前位置信息与SQLite数据库中景点的定位数据匹配，找到距离和方向最匹配的点后，自动获取数据库中对应的景点文字信息和音频信息，屏幕的下方会出现一个显示景点信息等的动态载入界面，并激活多媒体播放线程，自动播报景点信息，增强用户对校园的认知。
3.3.5路径分析功能
路径分析也是校园导览系统中必不可少的一个模块。当用户想要从当前位置到达指定地点时，就需要系统为其计算两点之间的最短路径分析。即用户在电子地图上点出起点和终点，系统经过对已经建立好的网络数据集的分析后给出一条最短路径，在地图上以高亮的线段呈现。
3.4案例示范应用
3.4.1研究区概况
福建师范大学是一所具有深厚文化底蕴的百年老校。旗山校区占地2800亩，校园坐落在溪源江畔旗山脚下，地域相对广阔，校内有独特的自然风光、人文景观以及浓厚的文化氛围。校园中有体育设施、公共服务设施、办公楼、宿舍楼、教学设施等完备的基础设施以及富有深厚文化底蕴的建筑。校园是完全对外开放游览的，来到校园的通常包括大学的师生、欣赏人文景观的普通游客、学校附近居民以及以了解校园历史文化和教育情况为目的的领导等。
3.4.2系统效果展示
福建师范大学旗山校区电子导览系统示意图。整个主界面包含了指北针、全幅显示、清除注记、查询信息、地图缩放、定位缩放、以及路径分析的小图标。
四、结论
本文基于Arc GIS 10.2.2进行福建师范大学旗山校区平面图的矢量化，并在服务端使用Arc GISfor Server10.2.2发布要素服务，通过移动端直接从Arc GIS for Server下载数据，并存储为geodatabase，从而实现完全离线的地图基本操作、信息查询、实时获取定位信息、自动导览以及路径分析功能，在极大程度上满足了用户的个性化定制需求，提高了导览的质量。最重要的是，该系统运用地理围栏技术，通过LBS服务和空间位置触发实现自动播报兴趣点POI导游资料的功能，弥补目前大多电子导游系统手动点播的不足，为校园导览提供专业化、人性化的导览服务。