附件1
项目编号
河南城建学院大学生科技创新基金项目
申请书
项目名称：教学区移动三维导航GIS系统
申请者：莫帅帅
指导教师：牛磊
所在系部：测绘工程学院
申请日期： 2015年1月25日
河南城建学院大学生科技创新基金管理办公室
一、基本情况
1．项目情况
项目名称教学区移动三维导航GIS系统
项目性质□教师科研课题中的子项目；□小发明、小创作、小设计等；
□开放实验室或实习基地中教学计划之外的综合性、设计性、应用性、创新性实验项目；
□专业性研究及创新研究项目；□社会调研、文艺创作项目；
□可操作性强的自主创业项目；□其他有价值的研究与实践项目。
项目类别
□理工类
□人文社科经管类（含文学、经济、政治、社会、法律、教育等）项目来源□ 自主立题□ 教师指导选题
成果形式□自然科学类学术论文；
□ 科技制作、发明；
□人文社科经管学类学术论文、文学艺术作品、社会调研报告。□其他
起止时间自2015 年4 月至2016 年4 月
申请金额5千元
2．申请者情况
姓名莫帅帅性别男年龄20 民族汉系部测绘工程学院年级大二专业地理信息科学
兼职无电话132******** Email m132********@
https://www.doczj.com/doc/f714134953.html,
3．项目组成员情况
姓名性别年龄专业分工每周工
作时间
签字
莫帅帅男20 地理信息科学基于OpenGL ES与
Eclipse三维虚拟校
园设计与实现及虚
拟漫游
16小时
赵永刚男20 地理信息科学GIS开发应用16小时张观宝男21 地理信息科学基于android系统
WiFi定位技术
16小时
郭恒远男21 地理信息科学影像、地形、三维
模型等数据库的
建立
16小时
丁磊男20 地理信息科学GPS导航定位辅助
应用及服务器的搭
建
16小时
4．指导教师情况
姓名牛磊职称讲师专业地理信息科学
E-mail niuneilneo@https://www.doczj.com/doc/f714134953.html, 系部（盖章）
电话139******** 签字
二、立题依据
1．研究意义：
理论意义：
在现实世界中，大多数信息都是具有空间位置特性的地理信息。人们长期以来都有想知道他当时所处环境信息的愿望，随着移动通信的长足发展，目前，正在将人们的这一愿望逐步变成现实。然而，目前尚无法有效地应用于移动环境中，同时，传统的二维移动GIS对于基于位置的服务的用户来讲过于抽象，很难理解系统所提供的信息。今天的基于位置的服务的用户需要的是更有效、更直观的移动信息服务，因此，为用户提供既能运行于移动设备之上又能直观地表达信息的服务就成为顺应GIS发展趋势的明智之举。
实际意义：
教学园区移动三维地理信息系统将GIS技术与传统的管理信息系统相结合，采取三维成像、虚拟现实技术、Android系统移动平台技术构建起虚拟校园漫游系统，将校园风光和电子地图有机结合起来表现校园中的各种空间及属性要素，为校园发展预测、规划决策以及科学管理和学生上课教内外定位等提供了最直观的表现形式。这样既可以为校园树立良好的形象，提高校园的知名度，宣传校园文化，让使用者足不出户就可以浏览校园风光和相关介绍信息，体现身临其境的感觉；还可以为校园规划、管理的辅助工具，利用GIS提供的空间管理和空间分析功能去解决常规管理方法难以解决的许多问题，从而提升传统校园的效率，扩展
传统校园的功能，最终实现教育过程的全面信息化，达到提高教学质量、管理水平的目的。
2.国内外研究现状：
国内现有商业GIS移动业务主要以二维矢量数据为主,少有实景影像、三维模型信息,缺乏地形特征，室内特征,应用面较窄。此外市场上少见基于三维数据地理服务的相关移动产品,独立开发的平台更少,这是由于研发的投入与产品的开发力度都不够。在国外GOOGLE利用自身现有的海量影像数据,以及数据管理平台的优势,正大力推出相应的软件产品；Blue Point Studio公司开发了Pocket Earth软件。日本、韩国、以色列等国,在三维导航、导游服务方面,已经有相关的产品出现。但这些国外产品只可进行有限的应用拓展,不能满足国内用户应用的个性需求,效果也不够理想。
随着基于下一代互联网络IPV6网络平台与3G移动系统的推出,实时动态传输的三维搜索查询、漫游以及面向公众的移动三维地理空间信息服务将是一大趋势,同时与网络运营商联合,该系统可在互联网、3G手机等领域实现跨平台的应用并带动相关产业的形成。再加上此项技术在校园管理方面的应用至今较为罕见，不过目前已达到的水平就是对校园三维可视化，但对校园教室、教务部门等重要区域的查询、分析、编辑及在移动终端上还未高效实现。
3.研究目的：
根据实际需要及我们的目前条件，此项目研究的目的是：
1.构建校园可漫游虚拟三维模型。
2.提高校园内学生教室、教务部门及其他重要区域的定位精度和最优路径分析的准确率。
3.实现基于移动终端设备的校园三维场景引擎服务。
4.主要参考文献:
【1】陈飞翔,杨崇俊,等．基于LBS的移动GIS研究[J]．计算机工程与应用,2006(2):200～201．
【2】钟发牯，李柰，陈志辉．基于嵌入式语言的移动GlS开发设计[J]．测绘与空间地理信息，2010，33(2)：92-95．
【3】孟卫．基于移动GIS的城市绿化信息采集系统的设计与实现[J]．测绘标准化，2010，26(1)：26．28．
【4】李泽沛．基于野外数据采集的移动GlS研究[J]．昆明：昆明理工大学，2008．
【5】李青元，林宗坚．真三维GIS技术研究的现状与发展[J] ．测绘科
学，25，(2)：2000．
【6】夏炎．三维矢量结构地质模型及其微机可视化图形显示系统研究[D]．中国矿业大学北京研究生部博士学位论文，1997．
【7】徐青．地形三维可视化技术[M]．北京：测绘出版社，2000．【8】朱庆．三维动态交互式可视化模型. 地理信息系统中的三维表示与分析[J]．武汉测绘科技大学学报．1998，23(2)：l24- l27．
【9】高山．虚拟城市的三维建模[J]．测绘通报,2004(6):4647．
【10】手继周,李成名．嵌入式移动GlS研究[J]．测绘科学,2005:51．【11】刘海新,刘惠德,何虎军,等．移动GIS的发展及其应用[J].地理空间信息,2005( 4 ) : 4 2 .
【12】张伟.基于分布式存储的移动GIS技术与应用研究[D].解放军信息工程大学,2010.
【13】夏飞阳.基于Android手机平台的自助旅游系统的设计与实现[D].华南理工大学,2012.
三、研究方案
1．研究内容与方法：
研究内容：
1)平台分析
伴随3G通讯技术的发展和普及Android和智能操作系统的诞生，智能手机、平板电脑等便携设备越来越多地进入到人们的生活中。在这种背景下，移动服务得到了长足发展。再加上Android 操作系统平台美观实用的UI设计并且Android操作系统自带的蓝牙、多媒体等功能应用上明显优越于Windows平台是一种不可多得的GIS自主开发解决方案。并且，Android系统根据用户的习惯进行了移动GIS的设计，从软件界面上将其分为主要视图和可以供用户选择的一些模块按钮，以设置自定义的选项和模块的一些活动区，提高了用户体验。
2)基于OpenGL ES与Eclipse三维虚拟校园设计与实现
OpenGL是美国SGI公司推出的开放式三维图形软件接口工业标准,它通过集成强大的可视化函数和其他大量的渲染、纹理影像、特殊效果,使其能绘制三维物体,生成三维场景。要实现虚拟漫游。还需要结合可视化编程工具如Eclipse平台,利用OpenGL ES 建立虚拟三维校园场景,调用3dsMAX建模的建筑模型,实现虚拟漫游。
3)面向校园园区应用层的数据管理
以GIS数据、三维模型数据为一体的数据库为数据后台支持的三维空间信息管理系统。根据地理分区、逻辑分层的原则,利
用网格技术,根据数据之间的关联进行组合及分层管理,实现各种信息的一体化管理,并实现各类空间数据的三维数据管理。
采用金字塔结构组织数字地形和影像数据实现海量数据在移动设备上有限资源的动态调入。按照金字塔结构，数据形成一个多分辨率的层次结构,并采四叉树来索引这个结构中的不同层次中的块,从塔顶至塔底分辨率由低到高变化,相应的分块数则由少到多,主要包括数据分块、合并等一系列处理过程。
4）基于WiFi高精度惯性导航定位
在过去的几年里，Wi-Fi已经逐渐成为公司和家庭内无线局域网的首要标准。基于IEEE802.11标准的Wi-Fi解决了安全，高性能的移动数据网络的需求。随着无线局域网的广泛使用，Wi-Fi成为GPS定位技术的理想的技术平台。由于GPS（全称Global Positioning System全球定位系统）定位系统是一种天基射频多边导航系统，它能为全球用户提供精确的位置、速度和时间修正,位置精度可达到10m,速度精度约为0.1m/s。但独立的GPS常常不能实现快速连续高精度地导航。另一方面,独立的INS（全称Inertial Navigation System惯性导航系统）由于其无限制的位置误差,使得它不能在动态环境中长时间地完成高精度连续导航任务。因此,在导航期间,必须用外部修正信号对INS进行修正。对于手持带有GPS移动设备的快速行走的使用者定位,将GPS的长期高精度与INS的短期高精度结合起来,利用多传感器数据融合技术,可获得高精度的位置修正值。这种综合系统可以克服惯性导航系统无限制的位置误差的局限和独立GPS的1Hz慢速位置修正频率的局限性,其系统位置定位性能优于独立WiFi定位系统。大大地提高了定位精度。
内容实现主要方法：
1）系统框架设计
系统总体采用目前通用的三层结构进行设计,如图1所示。整个移动三维地理空间信息服务系统由手持设备,数据服务器,地理信息基础数据库,三维模型数据库组成,其中移动终端设备自带或者接有GPS接收机,移动终端设备通过GPS获得当前位置的位置信息,并将位置信息发送到数据服务器。数据服务器根据收到的信息,查询相应的三维地理信息数据（虚拟三维校园数据模型）及路径分析并实时返回给用户（Android移动设备）。整个平台采用三
层软件机构模型,如图2所示。业务层为移动终端设备,提供用户交互接口,数据层为由影像数据库,地形数据库,三维模型数据库组成的三维GIS 数据库,中间层为数据服务器,负责业务层和移动终端之间的通讯,同时进行安全验证等操作。
地形数据库
三维模型数据库
影像数据库
无线网络连接
图1：系统结构
图2 :软件架构
2）软件建模
软件模型采用网络通讯,用户数据请求被发送到中间件上,中间件使用对象传输协议,将请求传输给数据服务器,数据服务器执行相应查询,并将查询结果数据集进行编码,在通过中间件返回给移动三维地理空间信息浏览器,浏览器解码该三维GIS数据,通过三维引擎进行数据的调度和快速渲染和浏览,将三维图像呈现给移动终端用户。
该系统的软件结构模型包括4个主要部分:场景数据库、对象建模、场景引擎、交互模型。
（1）场景数据库:场景数据库管理三维场景中的所有实体数据和关系数据。系统涉及大量模型数据、影像数据、地形数据,场景数据库必须负责数据的简化、压缩和结构存储,同时负责数据查询、提取和信息恢复等任务。
（2）对象建模:虚拟可视化系统中各种不同实体和关系非常复杂,对象建模将有效地简化系统的设计。
(3)场景引擎:场景引擎负责虚拟系统的绘制和事件以及消息机制的实现。也是可视化系统的关键,解决场景的复杂度和移动设备图形和性能不足之间的矛盾。
(4)交互模型:交互模型是虚拟可视化系统与用户的界面,它负责接收和理解用户的交互命令,并将这些命令转化为系统的内部行为与消息。
(5)位置信息获取:采用RSSI（接收信号强度指示），无线信号RSSI强度随传输距离增加逐渐衰落,接收机与AP站离得较近,测量到的RSSI值较大;反之,测量到的RSSI值较小。依据接收到的信号强度和建立的无线信号传播模型,可以测量出收、发信机的间距,根据测量的多个距离值,最后估算出用户的位置（如图4）。定位方法简易,无需添加额外的网络单元和硬件设施,对基于RSSI测距的无线定位算法来说,一次定位主要可以分为两个阶段:测距阶段和定位阶段。如图3
测距阶段:是对传播环境建模从而估计出距离,即釆用基
于RSSI的测距模型计算出用户与各AP点的T-R距离d。首先,需要用户终端对周围AP点进行探测,得到各AP信号强度并以(RSSI)数据格式保存;其次,建立无线信号室内传播模型,完成
T-R测距。无线信号的室内传播模型依据建立方式可以分为两种类型,经验模型和确定性模型。经验模型,主要依据实测数据来进行模型建立和参数回归。确定性模型,是依据无线信号在室内的传播方式以及环境对信号的影响来做出理论推导,从而
建立的数学模型。
定位阶段：就是利用距离信息计算出用户节点位置。通过距离方程组求出用户具体位置,平面定位算法有三角质心法（如图5）、最小二乘法等。
图3：WiFi定位整体结构图
图4：RSSI定位示意图
图5：三角质心算法图
3）基于OpenGL ES与Eclipse三维虚拟校园设计与实现及虚拟漫游具体方法
OpenGL ES自身可以绘制比较简单或大场景的三维物体。可以通过OpenGL ES提供的基本二维图形的方法及三维图形的函数库等方法来建模型,如采用三角形网格表达地形景观对象,然后采用纹理映射技术来增强视觉效果。同时对复杂地物可以采用专用的3dsMAX建模工具。之后在建好的OpenGL ES场景中调用这些复杂模型进行可视化表达。此外，还可以通过转换工具将模型转换成OpenGL ES格式的文件。
研究目标和创新点：
本项目研究的目标：
1.提供交互逻辑清晰的界面。
2.实现三维虚拟校园及虚拟漫游。
3.达到室内外高定位精度。
本项目创新点：
1.改变以往的二维移动GIS平面表达方式，实现虚拟三维逼真效果。
2.改进了现有移动GIS定位采用单一定位技术的精度缺陷,实现了多定位技术融合。
3．预期结果和形式：
理论成果：在国内学术会议或专业期刊上发表高水平学术论文1-2篇，其中国内重要刊物1-2篇。
软件成果：一个基于web由服务器和客户端组成针对移动终端实现的一套移动三维导航GIS软件。
4．研究进度及安排：
本项目研究期限为一年（2015.4.1-2016.4.1）
1）理论基础研究阶段（2015.4.1-2015.8.31）.
全面开展相关理论与关键技术研究，包括基于OpenGL与VC2010三维虚拟校园设计与实现及虚拟漫游，移动终端空间定位，交互模式及界面优化，数据管理。
2)理论深入与系统开发阶段（2015.9.1-2016.1.31）.
整理和深化课题组已有的和本项目研究相关的理论成果，与此同时把把三维场景基本框架、移动设备（手机）、服务器等全面融合，完成演示系统开发，形成相关产品原型。
3)应用验收与成果总结阶段（2016.2.1-2016.3.31）.
在前面研究开发与应用的基础上，进一步提炼完善方法技术体系，形成系列成果；验收本项目提出的理论方法和策略及技术成果。最后，对课题进行全面总结，准备结题验收。
5．所需仪器设备：
高性能地理信息系统专业服务器、集成多传感器智能手机、Wi-Fi无线上网卡和4G手机SIM卡。
6．经费使用计划：
预算金费（元）主要用途
5000 测试、仪器、设备、材料费
2000 版面费
1000 资料费
四、审批情况
1．指导教师推荐意见：
指导教师签字：年月日2．系（部）推荐意见：
系部公章：系（部）主管领导签名：年月日3．跨系（部）主管领导会签意见：
系部公章：系（部）主管领导签名：年月日4．专家组评审意见：
负责人签名：年月日5．基金管理办公室审核意见：
负责人签名：年月日6．学校审批意见：
主管校长签名：年月日注：附本人考试成绩表（加盖系部、教务公章）。