张可文，赵庆展*，周可法，于宝华

（1石河子大学信息科学与技术学院,新疆 石河子 832003；2兵团空间信息工程技术研究中心,新疆 石河子 832003；3兵团空间信息工程实验室,新疆 石河子 832003；4中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011）

基于移动GIS的景观缓冲区构建方法与系统实现

张可文1,2,3，赵庆展1,2,3*，周可法4，于宝华1,2,3

（1石河子大学信息科学与技术学院,新疆 石河子 832003；2兵团空间信息工程技术研究中心,新疆 石河子 832003；3兵团空间信息工程实验室,新疆 石河子 832003；4中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011）

为提高景区导游精准化、智能化水平，本研究首先使用矢量要素缓冲区生成方法生成初步景观缓冲区，进而利用Voronoi图方法解决缓冲区的叠加冲突问题，最后利用可视性分析方法去除无效缓冲区，通过一系列GIS方法构建景区精确导览缓冲区，为基于移动终端的LBS智能导览应用提供算法支持。在此基础上，以移动GIS为平台，综合利用ArcGIS Server、空间数据库技术搭建智能导览信息系统。针对景区智能导览信息系统的测试结果表明，导览过程中可以根据游客GPS定位信息实时提供自动导览服务，缓冲区半径大小为＜10 m、10-20 m、＞20 m以上时的服务平均误差分别为29.6%、18.3%和9.8%，导游过程中景音对应，缓冲区划分大小合理。该景区导览缓冲区构建方法可为同类系统开发与应用提供参考。

移动GIS；服务缓冲区；Voronoi图；视域分析

随着移动GIS（Geographic information system）技术的发展，基于百度地图和GoogleMap的移动GIS产品的研发在地图控制、定位、POI（Point of interest）搜索、路径规划等领域越来越成熟［1-3］。景区4.0“文科融合、业态整合、产品复合”为主要特征的旅游业被纳入“十三五”重点专项规划。利用移动GIS技术解决景区传统的人工导览服务和自助式讲解服务效率低、效果差等问题，提高景区的标准化服务水平成为新的研究方向［4-6］。

近年来，“互联网+”模式和旅游O2O的迅速发展，催生了多种景区智能化导游解决方案［7］。自助按键式播报设备、移动触控APP导览方式是较早采用的景区导览信息化方案［8-9］。游客可手动控制播报，虽提高了便捷性但要求用户对景区熟悉度较高，实际使用中大多存在“景”、“音”不对应等问题，精准性较低、用户体验不佳。目前，基于标签识别的方式使导览服务的精准程度得到了提升［10］，依据GPS定位的景观圆形缓冲区导览模式提高了智能化水平［11］。但前者需要游客手动识别标签，牺牲了导览的智能性；后者准确性较差，密集景观出现景观播报冲突现象，稀疏且高程落差大的景观会产生“听音不见景”的问题。因此，如何建立合理的景观缓冲区，提高智能导览精准性问题是景观导览研究的重点。龙毅等［12］研究了景观特征点提取规则和Voronoi图划分导览服务区方法，提高了模型的精确程度。该方法较好的解决了缓冲区的冲突，而特征点数量、景观分布规则程度对Voronoi图与景观形态保持影响较大。此外由于Voronoi图的特点决定平面上任意区域都在服务区内，依然存在“听音不见景”的现象。徐园［13］研究了顾及障碍的加权Voronoi图方法划分缓冲区，一定程度上缓解了上述问题，但仍存在缓冲区过大导致的精度问题。

为进一步提高景区智能导览的精准性，本文提出利用分级矢量缓冲区方法生成初步缓冲区，然后利用Voronoi图解决密集景观分布的缓冲区叠加冲突，采用视域分析剔除缓冲区内由于视线遮挡而不可见的景观缓冲区，形成精确的景观缓冲区。最后将划分完成的缓冲区与高分辨率影像叠加，在ArcGIS Server上发布成地图服务，并利用移动智能终端实现智能景区导览服务。

1 景观导览缓冲区构建方法

1.1 景观要素缓冲区生成

为确定每个景观的导览服务范围，需要对景观要进行缓冲区划分。景观缓冲区利用地理要素（点、线或面）缓冲区生成方法构建，即对一组或一类地理要素按设定的距离条件对其扩展从而获得它们的邻域，对于1个给定的景观a，其缓冲区大小［14］可定义为：

其中，r为缓冲区半径，d为平面点x距景观a的欧式距离，P是由x构成的集合，即景观a的缓冲区。

根据地理要素的特征和其现实中的意义划分景区内不同景观所属的地理要素类别，是进行缓冲区构建的基础。在景区内可按照景观外形、占地面积、内部复杂度等将其分为点要素、线要素、面要素景观。

点要素景观：1个景观只有1个主题，无复杂内部结构，相对面积较小，可以将其视为点要素景观。对于点要素缓冲区的生成采用分级矢量缓冲区构建方法，即根据点要素的不同缓冲半径构建大小不同的缓冲区。对于点要素景观的游览通常以其为中心进行观看，因此确定点要素景观缓冲区半径的主要因素为语音播报长度和点要素景观质心距边缘的最大长度。点要素景物缓冲区的圆心取景物的质点。

其中d为质点到景物边界的最大长度，t为语音播报时长，v为游客游览过程中的行进速度。

线要素景观：景区中形状狭长，功能、主题单一的景观，如道路，河流等景观。线要素景观缓冲区的生成以线要素的中心线为轴线，线要素的缓冲半径r主要与线要素的实际宽度有关。则可由公式（3）计算线要素景观缓冲半径。

其中，d为线要素景物的宽度，为了保证缓冲区左右边线的等宽性，采用凸角圆弧法生成分级缓冲区。

面要素景观：景观占地面积较大，内部结构复杂，陈设多种观赏物品，拥有多种服务和娱乐设施的景观。面景观要素的游览一般从距面要素边界外一定距离开始，因此其缓冲半径由面要素景观边界宽度确定，即：

其中，d为面要素景观边界宽度。面要素景观缓冲区主要以面要素边界线为轴线，以γ为平移量向边界外侧作平行曲线，形成多边形缓冲区。缓冲区位于面外部并包括内部所有区域。

1.2 缓冲区叠加消除方法

由于景区中景观分布疏密不均，服务区大小不一，通常会出现由景观要素生成的缓冲区叠加、压盖等问题，导致对景观导览的播报服务混乱。Voronoi图方法将平面划分为不重叠的不同区域，每个区域有且只有1个控制点，常用于快速赋值。在景区中，每一个景观即为唯一的控制点，其控制的播报区域是唯一的。在景区中任意景观特征点a的Voronoi图的定义 为［15］：

其中，d为欧式距离，x为平面上任意点，P为景观所控制的区域。

在景区中，线、面要素均可视为无限离散点，且由一定数量的点即可描绘出一条曲线或面的边界，点的数量越多，其描绘的曲线与原曲线越一致。为了简化计算，采用曲线的特征点描绘曲线是常用的方式，对于线要素特征点定义为线要素的折点和两折点之间的中点，面要素特征点定义为面要素边界的折点和两折点之间的中点。利用特征点可以构建景观的Voronoi图，根据定理1对缓冲区进行处理，并利用定理2判定处理的景观缓冲区不存在叠加冲突。

定理1：在平面要素的特征点集中，依据平面要素生成的矢量缓冲区被特征点的Voronoi图分割的区域包含于该点的Voronoi内，则该矢量缓冲区位于特征点集构成的Voronoi内。

证明：设景观要素为 S，特征点集记为 S{x1，x2，…xi，…，xn}，其矢量缓冲区为：B.

则特征点集生成Voronoi图，每个点的控制区域记为P1，P2，…，Pi，…，Pn.

矢量缓冲区B被Voronoi图分割后，表示为B1，B2，…，Bi，…，Bn

由定理1，首先利用平面所有要素特征点建立Voronoi图，然后利用Voronoi图中1个控制点的多边形作为裁剪要素提取与其相重叠的矢量缓冲区要素，分割后的矢量缓冲区均位于其特征点的Voronoi图内，然后将裁剪后的矢量缓冲区进行联合计算，得到新的矢量缓冲区，该矢量缓冲区将被包含于其特征点集构成的Voronoi图内部。

定理2：在平面要素中，如果其矢量缓冲区均包含于特征点集的Voronoi图内，则其矢量缓冲区必定互不相交。

证明：设任意2组特征点集的矢量缓冲区为B1、B2，其 Voronoi为P1、P2。

图1 研究区域矢量数据Fig.1 Vector data in the study area

由Voronoi图的性质得P1∩P2=φ，

由定理2可知，根据定理1分割的矢量缓冲区不存在叠加冲突。

1.3 视域分析方法

由于景区存在地形起伏等因素，在景区游览过程中，出现“听音不见景”的现象，即播报的景观被地势较高区域遮挡。因此应利用景观的视域分析，剔除景观缓冲区中被遮挡的部分。

为了判断游客所在位置是否可以观察到所听到的目标景观。假定游客视点为v，从DEM的v点向周围发出一系列射线，并计算每条射线上从视点v到每个像素x的坡度角αij。若满足公式（6），该像素x可见。

即此坡度角大于该射线上的已有坡度角的最大值，x像素可见，否则不可见。利用点对点通视，点对线通视等视域分析方法，判断景区内点要素景观、线要素景观的可视域。

2 实验数据获取与处理

2.1 研究区概况与数据获取

驼铃梦坡沙漠生态旅游景区地处古尔班通古特沙漠西南缘与绿洲的交接带，新疆兵团第八师150团场绿洲呈楔形深入沙漠的最前端，是典型的干旱区沙漠主题景区。研究区经纬度范围为东经85.990667°-86.004350°，北纬 45.101667°-45.087117°，海拔315-345 m，面积 3.8 km2，沙丘形态以树枝沙垄和蜂窝状沙丘为主，高度10-20 m。景区总体走向为东北-西南，研究区域较为开阔，利于移动终端接收GPS信号。

实验数据包含矢量数据、正射影像数据和景观播报数据等。如图1所示的矢量数据包含景区内点状景观、路线、河流、面状景观和景区内5 m等高线数据。研究区域正射影像数据如图2所示。

图2 研究区域正射影像Fig.2 Orthoimage of the study area

2.2 数据处理

在研究区内点要素景观主要有：游客服务中心、洗手间、景区大门、宣誓基地、沙海明珠塔、烽火台、寻梦亭、军垦纪念碑等。

为计算点要素景观缓冲区半径，测算人在正常行进中的平均速度为1.1 m/s。通过调查发现，当人进入景区游览时，行进速度会明显减慢，一般小于0.5 m/s。根据公式（2）可以计算各点要素景观的导览缓冲半径。如景观“沙海明珠塔”景观播报时长为73 s，质心距边缘最大长度为3.3 m，计算得该景观的缓冲半径为8.69 m。

在驼铃梦坡沙漠公园中，主要有玛河古道、1条主干道和15条辅助道路。实测景区线要素玛河古道、主干道、辅助道路平均宽度分别为27.97、5.94、4.32 m，由公式（3）计算得缓冲半径分别为 13.99、2.97、2.16 m。

在驼铃梦坡沙漠公园中主要包含素质拓展营地、旱冰场、驼铃泉戏水园、CS镭战场、骆驼驿站、炮台、梦坡泉浴场、汽车越野体验区，胡杨林篝火晚会会场，其边界宽度分别为 1.17、1.25、1.27、1.09、1.15、1.14、1.20、1.16、1.18 m。

将景观缓冲半径r作为属性值插入每个景观对应的表，作为缓冲距离生成每个景观的缓冲区，景区内景观要素生成缓冲区如图3所示。

图3 景观要素及缓冲区地图Fig.3 Landscape elements and buffer map

针对生成的缓冲区存在的叠加冲突进行处理，根据定理1，利用ArcGIS建立景观缓冲区的模型（图 4）。

利用缓冲区冲突处理模型处理后，明显消除景观缓冲区之间的叠加冲突。景观缓冲区叠加区域处理前后对比如图5所示。

图4 景观缓冲区冲突处理模型图Fig.4 Model of processing to landscape buffer collision

图5 缓冲区冲突处理前后对比图Fig.5 Processing the buffer collision before and after

景观视域分析主要针对景区内的点景观和游览路线的视域进行分析，可提高游览路线和点状景物的播报精度。首先加载景区内等高线矢量数据，将等高线矢量数据转换为栅格数据，如图6所示。

图6 研究区数字高程模型图Fig.6 Digital elevation model of study area

（1）景观点视域分析。景观点视域分析用于确定各个观景点分别可以在哪些地表面处被看到，从而确定可以观测到该景观的地表面应为景观点的播报缓冲区。景观点视域分析工具：3D Analyst-栅格表面-视点分析。针对景区中的8个景观点分析的结果存放在结果图层属性表中，对应属性名称为OBS1-OBS8中，属性值为1表示该区域可见，属性值为0表示不可见。如“烽火台”景观视域分析结果如图7所示。

图7 点景观视域分析结果图Fig.7 Landscape point viewshed analyzing

（2）观景线路视域分析。用于确定人在某条行动线路上可以看到的视域边界范围，以及视域范围内各个区域被看到的频率，从而确定线路缓冲区。进行观景线路视域分析时，利用“增密”工具，为线路每隔一定距离增加1个折点，然后利用“视域”工具，分析线路的综合视域范围。对景区游览线路的视域分析结果如图8所示。

图8 线景观视域分析结果图Fig.8 Landscape line viewshed analyzing

在结果栅格图层中可以观察到景观线路的视域范围，其中粉红色为不可见区域，黄色为可见区域。

通过景观的视域分析，可以确定景观的可视域范围，将景观的可视域范围转化为矢量数据并与利用要素矢量缓冲区模型生成的缓冲区进行相交运算，最终确定景区服务的精确缓冲区。

3 系统设计与实现

3.1 系统分析与设计

游客游览过程中，将游客视为点，利用手机内嵌的GPS、AGPS实时定位游客位置。景区中景观的缓冲区均为面，点要素与面要素有相离（点在面外）、相邻（点在面的边界）、包含（点在面内）3种拓扑关系。根据游客位置与服务缓冲区的拓扑关系，判别游客所位于的景观缓冲区，为游客提供相应景观的导览服务。

当游客位置点与播报服务区为相邻关系时，则触发播报或停止播报，当游客位置点与缓冲区为包含关系时，对该缓冲区内景物提供导览。

针对游客需要实时、精确、智能获取所观看景观的服务导览需求，在前述工作基础上，利用移动GIS技术构建导游服务系统。Esri为Android/IOS平台提供了专门的ArcGIS Runtime SDK for Android/IOS开发包，应用可部署在Android/IOS智能手机、平板电脑和其他智能终端上。

系统结构采用C/S设计模式，系统架构（图9）分为地理数据库、Server端、移动客户端三部分。

图9 景区导览系统结构图Fig.9 The structure of the scenic navigation system

将景观导览服务区的矢量数据文件导入数据库，并在数据库建立景区语音导览资源数据表存储景观的导览语音，在数据库中建立函数判断游客位置与景观服务缓冲区的拓扑关系。利用ArcGIS Server发布、管理景观导览服务区地图，使用TomcatServer接收移动客户端的游客位置数据，并查询数据库，进行结果反馈。移动客户端主要为游客用户展示地图、提供地图交互操作、导览服务多媒体控制、GPS定位监听、根据服务器反馈结果选择导览服务等功能。服务器与客户端通过JSON和HTTP协议对数据进行封装和通信。

3.2 景区自动导览实现

为完成上述业务需求，客户端采用MVC（Model、View、Controller）结合单例的设计模式实现客户端的软件系统。MVC设计模式支持模块间的弱耦合和组件重用。视图层（View）用于用户界面交互；控制层（Controller）：开发控制器对象，控制GPS定位、页面的跳转、数据结果处理等；模型层（Model）：对数据模型、网络等操作都应在模型层中处理，返回系统需要的数据。

客户端界面以简洁为目标，在导览界面中展现游客所在景区的地图，地图形式为划分完成的缓冲区和影像为底图的叠加，如图10a所示，当游客在景区打开GPS定位服务之后，地图上将展现游客所在位置的图标。游客还可以选择图文模式，如图10b所示，游客可以查看所在缓冲区景观的图片与文字介绍。界面中提供了多媒体控制的按钮，游客可以暂停和开始所在位置的景观导览服务的播报。

图10 景区导览界面Fig.10 The interface of the scenic navigation system

服务器端采用Java三层经典架构，降低模块之间的耦合，实现“高内聚，低耦合”的软件设计开发目标。表现层负责接收客户端提交的游客位置，然后将数据封装，业务处理层对表现层提供的数据进行检查和预处理，最终由数据访问层调用数据库用户自定义方法和存储过程判断用户与缓冲区相对位置关系。

利用ArcCatalog将划分完毕的导览服务缓冲区矢量数据导入SQL server 2008数据库，并在数据库中建立景区导览资源文件表。对数据库面向GIS所提供的函数进一步封装为用户自定义函数。自定义函数查询数据库中所有景观的服务缓冲区，并封装到游标中，遍历游标，利用系统iscontain函数，判断游客与服务缓冲区位置关系，返回用户所在景观服务缓冲区的编号，如果游客不在任一景观服务缓冲区内，则返回0。

3.3 精度验证与分析

测试结果显示，由于GPS定位精确度影响，在景区内导览服务精度误差5-10 m。利用播报地点距缓冲区边界的距离和缓冲区半径的比值衡量不同半径范围的景观缓冲区误差如表1所示。

表1 景观导览精度表Tab.1 Landscape navigation precision table

由于定位精度误差相对稳定，随着服务缓冲区半径增大平均误差率逐渐降低。初次定位服务平均耗时5.8 s，设置后续每3 s获取1次位置信息。从游客位置上传、位置关系判断到结果返回过程累计时间小于2 s。实验结果表明，游客完整游览景观过程中，导览内容播报完整。累计在冲突区域测试500次出现播报错误概率为1.5%，在视线遮挡区域测试未出现“听音不见景”的情况。

4 结论与讨论

针对景区现有导览系统智能性、精准性低的缺陷，主要进行了以下研究：（1）综合运用矢量要素生成分级缓冲区，Voronoi图处理缓冲区冲突和叠置，视域分析剔除无效缓冲区来构建面向景区智能导览的精确缓冲区；（2）以驼铃梦坡沙漠公园为研究区域对景区导览缓冲区生成方法进行了验证，证明其可行性和有效性；（3）基于移动 GIS平台结合ArcGIS Server、空间数据库技术搭建了景区智能导览系统并部署于移动终端开展应用。

如何进一步提高缓冲区精度和有效性是提升用户体验的关键问题，可在以下三方面工作：（1）使用模糊方法综合处理移动智能终端的电子陀螺仪、加速度仪、方向传感器等传感器数据提高导览服务的定位准确性；（2）通过手机姿态和行进方向判断游客方向和状态，提供更为智能到导览服务；（3）基于虚拟现实技术，利用高分辨率景区影像和景区全景图片进一步提高景区导览体验。

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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

新疆兵团科技援疆专项（2014AB031）

张可文(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为空间信息集成与服务应用技术；e-mail：823719466@qq.com。

*通信作者：赵庆展（1972-），男，副教授，从事农业信息化、空间信息系统集成研究；e-mail：zqz_inf@shzu.edu.cn。