數位化校園的建設，已成為資訊時代的必然趨勢。近年來，一方面，由於諸多高校的擴招和合併，學校規模越來越大，從位置上分為相距較遠的多個校區，校園設施和環境也在不斷地完善，眾多的機構分散在校園的不同地方，這使得高校信息量有龐雜、分散、更新速度快和信息不對稱的特點；另一方面，隨著移動網際網路的發展，用戶對隨時隨地獲取服務信息的需求越來越迫切，傳統的基於桌面終端瀏覽器的校園信息服務系統由於其空間數據和屬性數據缺乏實時的動態聯繫和統一管理，已不能很好地滿足服務對象及管理者的需求，而以基於位置的服務為技術基礎的校園信息服務系統能很好地滿足這一需求。LBS（Location Based Service）即通過移動通信運營商的無線通信網絡（如GSM、CDMA）或外部定位方式（如GPS）獲取移動終端用戶的物理位置信息，並根據用戶的位置提供與之相匹配的服務。基於LBS的數字校園信息服務可以結合校園的各類實體資源，通過移動終端和PC端以地圖這種可視化的形式，將各種相關的信息和服務組織起來，為服務對象提供精準的信息推送，實現智能化的信息服務。
需求分析
校園信息服務的服務對象是校園師生、管理決策和後勤服務部門以及來訪人員等，其主要目的是通過定位、導航和查詢、索引等技術，為用戶提供智能化的信息服務。從用戶的角度出發可將其服務需求分為四大類：基於位置的基礎信息查詢服務、基於位置的可視化地圖導航服務、基於位置的個性化信息推薦服務和基於位置數據分析和挖掘的動態調度和規劃。
總體設計
系統分層結構設計
數字校園是數字地球、數字城市的微觀的、具體的表現，但顯然又具有其教育行業和個性化特點。基於LBS的數字校園信息服務系統是在對這種特點進行具體分析的基礎上加以拓展實現的。
2011年，Kivera公司提出了一個在LBS平臺集成服務的平臺架構，該平臺將靜態地理數據和動態數據結合為用戶提供實時動態的信息服務。基於這種思想，結合校園信息服務的實際需求，系統分層結構設計如圖1所示。
其中數據是信息服務的基礎，可將數據分成兩大部分，一部分是提供基礎信息數據，包括校園地理空間信息數據，如校園教學區、辦公區等校園建築的地理位置坐標數據、教學信息、辦公信息、新聞通知、會議講座以及學生活動等相關的校園POI（Point of Interest）信息數據，還包括校園周邊公共運輸信息等其他基礎數據；另一部分為動態獲取的用戶實時信息，包括批量性的大眾基礎位置信息和用戶基本信息。信息服務包括用戶定位，路徑規劃，周邊搜索，地理編碼，地圖繪製，反地理編碼等基於位置的核心服務和校園人流量分布分析，個人個性化位置服務定製等基於用戶軌跡挖掘的數據可視化服務和信息服務。最後在這些基礎上開發基於桌面端和移動端的應用工程，使得用戶通過網際網路獲取相關信息服務。
系統運行流程設計
基於LBS的信息服務的主要工作是根據用戶的需求完成定位系統、伺服器和移動終端之間的信息交互，系統運行流程如圖2所示，系統運行的流程主要分為三個主要交互過程，首先，用戶通過行動裝置的定位模塊接收由衛星導航系統或移動通信基站、Wi-Fi熱點發送的數據信息，並利用該信息計算出用戶的經緯度等信息；其次，將位置信息和查詢請求發送到綁定的伺服器，伺服器接收並根據GPRS或CDMA等行動網路傳輸回來的數據進行處理和計算後，將相應結果通過行動網路發送給移動終端；最後，用戶再根據請求結果在應用程式中進行可視化並在用戶端呈現相關內容。
系統功能模塊設計
數字校園信息服務系統為廣大師生、校園管理人員、家長及其社會提供了一個方便、快捷、高效的校園信息化服務平臺，也為校園的規劃、設計和管理、決策提供準確而詳細的數據。不僅囊括了校園常用的相關信息，諸如學校常用網站連結、校車通勤服務信息、招聘會議信息、生活服務信息等，還針對移動用戶增加了學校內部及周邊生活設施如銀行、商場、醫院等信息服務。結合實際需求分析與當前的技術發展，將整個基於LBS的數位化校園服務系統分為系統設置、定位導航、地圖顯示、信息諮詢、動態調度和推薦服務等六大模塊。系統功能模塊如圖3所示。
信息服務系統的核心技術
基於LBS數字校園信息服務的最終目標是使用戶通過移動終端獲取自己的位置，然後根據其位置來獲取所需的服務。具體的說，系統的設計需要從移動客戶端和伺服器端兩部分來進行分析。移動客戶端軟體的主要功能包括兩個部分，第一是利用其移動終端具備的功能模塊--GPS全球衛星定位模塊或移動通信基站定位、Wi-Fi定位獲取用戶當前所在位置的地理坐標，並使用Socket網絡編程實現移動終端與伺服器端進行通信，利用移動數據網絡向伺服器發送地理經緯度坐標及服務請求；第二是根據用戶的位置和伺服器發送過來的響應數據，在APP中進行展示和操作。伺服器端的主要功能分為兩個部分，第一個部分是開發一個伺服器端監聽軟體，對相應網絡埠進行監聽，接收來自各個移動終端所發送過來的數據，並將數據解析後存入資料庫。第二個部分的功能是將數據進行挖掘和分析，並通過網頁以可視化的形式展示給相關人員。下面就系統的定位功能、地圖顯示和用戶軌跡挖掘模塊的設計進行詳細介紹。
定位功能設計
獲取用戶位置是LBS系統提供服務的前提，常用的定位方式有基於GPS（全球定位系統）的定位方式、基於移動通信基站的定位方式和基於Wi-Fi的定位方式三種。基於GPS的定位方式是利用移動終端上的GPS定位模塊接收導航衛星發送的廣播信號，計算出用戶所在方位，該方式是目前最為精確、應用最為廣泛的定位導航技術，但它是採用終端計算，計算速度慢且終端能耗較高，此外，該方式在室內使用時由於存在信號接收的盲區，定位成功率低。基於移動通信基站的定位是根據行動裝置偵測到的不同移動通信基站（Cell Tower）下行導頻的TOA（Time of Arrival，到達時刻）信息，結合資料庫中的基站坐標，計算其具體位置，這種方式具有覆蓋廣，適用於室、內外多種定位場景，定位速度快，能耗低的優點，但定位精確定位較低，一般為100m-300m，且用戶需要為定位過程中使用的流量付費。基於Wi-Fi的定位方式通過獲取附近周圍所有的無線網絡熱點（Wi-Fi Access Point）的MAC地址，比對資料庫中該MAC地址對應的坐標，計算出用戶所在位置，它具有定位速度快，精度較高且能耗低的優勢，一般為30m-150m，但需要區域大量部署Wi-Fi熱點。
由於高校校園建築的布局相對集中，教學樓、辦公樓等分布較為密集，對定位的精度和成功率等要求較高，單一的某種定位方式無法滿足需求，需要採用綜合定位的方式。綜合定位即根據設備當前的實際情況，如是否開啟GPS，是否連接GPRS網絡，是否掃描到Wi-Fi信息等生成定位依據，同時，根據用戶當前所處環境自動判斷並選擇一種最優的定位方式。當用戶處在室外時，採用GPS定位方式為主，其他定位方式為輔的定位策略，當用戶在室內時則使用Wi-Fi或者移動通信基站定位方式。
地圖顯示功能的實現
地圖服務可以直接選用谷歌、百度和高德等數字地圖服務提供商提供的公共地圖接口，研發人員遵循地圖接口的開發規範進行開發和使用即可獲得相應的地圖服務。但是，這些公共的地圖服務中的校園基礎數據不夠詳細，更新速度較慢，無法直接滿足服務需求。因此，需要將校園內的基礎信息，如教學樓棟信息，常用設施、設備信息和校園資訊等，進行統一收集、整合和分類管理，建立基礎信息資料庫並分類存儲，然後對外提供統一的接口，開發時調用該數據接口，獲得數據，最後再結合地圖公共接口進行二次開發，在地圖上實現位置標註，線路規劃，周邊查詢等功能。這樣既能滿足數位化校園服務的個性化需求又能最大程度地降低研發成本。
用戶軌跡挖掘的實現
當今校園的發展使校園管理層面臨三大挑戰：第一，目前校園的基礎設施和相關服務都處在不斷變化和擴展的階段，校園管理者如何全面、及時地把握物理空間和人員的動態，簡單直接地獲取校園信息，為校園教學、科研和管理活動提供精確、可靠的資料；第二，校園人口活躍度不斷變化，管理人員如何全面、及時地了解校園不同區域的人口活動及其規模，通過數位化的直觀呈現和科學預測，從而優化校園管理和應對突發事件；第三，在以往的校園信息化歷程中，在各個部門，領域都積累了一些原始數據，校園管理者如何將這些數據進行收集、整合和挖掘，進一步為用戶提供更智能的服務。基於位置的信息服務系統可以獲取所有用戶的屬性及位置信息，因此，可以通過建立用戶位置信息庫，針對用戶的軌跡進行挖掘，分析校園各個時間段的人流量密度分布情況，並在地圖中繪製歷史和當前人流量密度分布地圖，管理人員便可直觀清晰地查看校園動態信息，並據此制定調度和管理策略。
除此以外，還可以針對單個的用戶屬性信息，如究竟是學生還是老師，是新生還是畢業生等，針對個性化用戶軌跡進行挖掘，進而根據用戶的需求主動提供服務。由於用戶軌跡記錄了用戶所關注的活動場所，而這些活動場所能夠在一定程度上反映出了個人的意圖、興趣和行為模式。如某個用戶的軌跡經常出現在校園大型會議廳講堂區域，表明該用戶可能對大型會議、學術講座有一定的興趣等；而那些經常出現在運動場所的路線也表徵用戶對體育運動的偏好。通過挖掘用戶軌跡中的信息，實現根據用戶的需求主動提供服務的目的需要三個主要步驟：第一，要根據每項具體的服務建立經驗模型，如希望針對應屆畢業生提供智能服務，就應該根據已有的信息建立模型，如常用招聘場所的位置坐標等；第二，從每個用戶軌跡中提取停留點，利用基於密度的聚類算法，針對這個停留點的集合進行層次化聚類，在不同的地理尺度上，將相近的停留點劃分到同一個聚類；第三，選擇合適的粒度，將用戶停留點的數據與經驗模型進行匹配，如果兩者能達到一定程度的相似性，則可以將用戶劃分為具有同一屬性。這樣，便可向該用戶推送與校園招聘相關的信息，如當用戶進入招聘區域附近時，便主動為其推送該區域的最新招聘信息，如招聘公司介紹，招聘會召開時間、所需職位等用戶關心的信息。
系統的實現
通過對基於LBS校園信息服務的整體需求、系統總體架構（系統分層結構，系統運行流程和系統功能模塊）以及系統涉及的核心技術的全面研究，初步建立了中南大學LBS信息服務系統，實現了系統中的部分核心功能。中南大學校區分布相對分散，全校由分布在長沙市區的六個校區和三個附屬醫院組成，對位置服務的需求較大。學校已建成繞城的萬兆光纖網，通過「數字中南」的建設，校園網絡以光纖、無線等方式基本覆蓋學校全部園區，為信息服務的建設提供了很好的條件。系統的客戶端是基於Android平臺實現的，它以Linux內核結合系統框架層、應用層，並通過Activity、Service、Content Provide、Receiver等四大組件提供對外的基礎應用API，並支持JAVA、C／C++等多種程式語言，極大地降低了移動應用的開發門檻。下面將選擇系統的幾個重要功能模塊進行簡單的介紹。
校園基礎設施信息查詢
校園基礎設施信息查詢功能主要是根據校園設施的地理位置來查詢其屬性信息。具體某個校園設施大致上應該包括的信息有：該設施的名字、設施所在地理位置、設施的簡單介紹、公開的聯繫方式或網站連結、所在建築物的圖片展示等。該模塊可以實現對校園內各建築物名稱或者道路名稱的搜索定位並提供相應的屬性信息，用戶根據不同的分類選擇所需的查詢對象，系統將會在地圖上標註該建築物所在位置，點擊標註用戶便可快捷地查找到該建築的名稱、主要功能、所在地址、相關圖片等信息。根據服務對象的需求不同，系統將校園設施分為教學辦公、生活服務、運動健身、校園圖書館四大類。圖4展示了校園餐飲設施的查詢實例。
用戶路徑規劃
用戶路徑規劃功能主要實現為用戶提供駕車、步行，公交出行方式的線路導航，如圖5所示。用戶可以自主選擇起點和終點以及出行方式，系統將根據用戶的選擇，進行規劃和導航，用戶可通過地圖直觀地查看詳細導航信息，在關鍵節點（如十字路口）還可以向用戶提供有效的文字提示，用戶路徑規劃可以節約用戶規划行程的時間，為用戶的出行帶來便利。
基於用戶軌跡挖掘的人流量密度分析
該項功能主要是通過收集、整合和挖掘已獲取的用戶位置數據，為管理層提供可視化、科學和精準的監控預測服務，輔助校園管理人員高效決策。同時，用戶也可以根據人流量密度規劃作息，避開高峰，節省時間提高效率。由於目前開發的系統還未大範圍使用，採用模擬1000個用戶在中午12點時的出行軌跡信息的方式來獲得數據，然後將用戶的位置坐標進行分類、篩選和聚合，然後使用熱力圖在地圖上直觀地展示各個校區中主要學生活動區的人員分布狀況。如圖6所示，在該時間段，校園食堂所在區域的人流量密度最大。
基於LBS的數字校園信息服務系統從學校的實際需求出發，整合與位置相關的教學、科研、生活等各類信息，結合移動網際網路的特點為用戶提供基於位置的信息服務，不僅能夠直觀、充分地反映校園範圍內的教學、辦公場所的地理分布情況，為學生、老師、家長以及社會提供實時、便利、動態的信息服務，系統還能將學校部分部門的管理功能結合在一起，優化辦公流程，提高工作效率，方便學校的管理。基於LBS的數字校園信息服務系統的建立，可以為學校提供一個更加智能化、科學化的管理、服務體系，有利於提高校園管理和服務的效率。（作者單位為中南大學信息與網絡中心）