近年来，旅游产业伴随着人民生活水平的快速提高和物质条件的极大丰富，面临消费升级的重大机遇。同时，人们对旅游信息的便捷性、及时性和可用性的需求也越来越高，传统的旅游景点的导览服务方式已不能满足游客的需求。如人工导览服务和自助式讲解服务效率较低、效果较差；自助按键式播报设备、基于标签识别的方式、移动触控APP导览方式要求用户对景区熟悉度较高、操作不便、体验不佳；基于GPS定位的景点圆形缓冲区导览精准性较低等等，还不能满足景点高精度智能导览的需要。本文主要研究GIS缓冲区生成方法，探讨景区游览路径规划方法，描述并构建基于位置的智能导览服务触发方法，研发基于 Android 平台的室外景点智能导览系统。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 旅游产业及信息技术支撑
随着人民物质生活的极大改善，必然促进旅游业的发展。高速发展的旅游业对国家及区域经济都产生了极大的带动作用，因此努力打造精品旅游品牌，实现地区跨越式发展成为当前的重要使命。2013-2015连续三年旅游产业对GDP（Gross Domestic Product， 国民生产总值）综合贡献都超过10%，2015 年我国国内旅游冲破40亿人次，旅游消费位列全球第一。旅游产业间接带动增加值超过 15000 亿元，在间接带动各产业中，对第三产业的带动作用最大，其次是第二产业、第一产业。新疆作为古丝绸之路的重要 通道和新丝绸之路经济带的核心区，拥有众多的旅游胜地。新疆生产建设兵团（下称“兵团”）作为新疆的重要组成部分，独特的区位、体制与文化，以及散布的行政辖区也使兵团旅游发展具有自身的特殊优势。2015 年，兵团接待国内游客1029.30 万人次，增长14.2%，接待入境游客15.70万人次，增长30.8%，总计接待国内外旅游人数1045.00 万人次，相比上年增长15.0％；入境旅游创收外汇9800万美元，同比增长39.7%，国内 旅游收入44.31亿元，增长15.1%。旅游业带动直接就业3万人，间接带动就业达12万人。
近年，兵团着力打造新疆生产建设兵团军垦博物馆、150团沙漠主题公园、五家渠郁金香节、边境特色旅游项目等一批有特色且全面展示军垦文化的精品旅游景区和节庆品牌，树立“中国屯垦旅游”文化品牌，助推“丝绸之路经济带”建设，打造“屯垦丝路•神奇兵团”旅游文化新名片，整体推进旅游示范区建设，努力打造“丝绸之路经济带”上具有兵团特色的，以“中国屯垦旅游”品牌为代表的线路型旅游目的地。 面对消费升级和旅游产业的利好政策带来的旅游产业的井喷式增长，传统的旅游模式已 经不能适应当前旅游发展的需要，将信息化技术融入旅游业，对旅游产业形成带动和支撑，成为旅游业新的发展引擎。 打通信息技术与旅游业的壁垒，形成信息技术对旅游业的支撑保障，建设现代化的世界旅游强国是信息技术融入旅游业的总目标。2015 年 5 月8日，国家旅游局发布《国家旅游局关于促进旅游业与信息化融合发展的若干意见》（征求意见稿，简称《意见》），意见提出，未来3 年，进行旅游信息化的规划论证、系统整合，基本形成互联互通、资源共享的格局，进一步增强信息化对旅游消费、企业经营、公共服务、组织管理、产业运营、事业发展的支撑保障作用。到2030 年，全面迈入互联网融入旅游业的时代、以信息技术支撑中国旅游全行业的目标，为建设满足全面小康和初步富裕生活需求的旅游 业提供有力的信息技术保障。到 2050 年，达成中国旅游业的信息化、现代化、国际化的目标，实现为国家经济战略性支柱产业与国民群体更加满意现代服务业的旅游业强有力的技术支持，为我国成为世界旅游强国提供坚强有力的技术保障。
随着“互联网+”模式的演进，基于信息技术对传统行业升级改造出现了新的模式，“互联网+”旅游也必将成为旅游产业向信息化、智能化、碎片化、个性化方向演化的 高效手段。“互联网+”是“大众创业、万众创新”背景下的互联网发展的新形式，是以 知识创新为助力的互联网形态演进及其派生的社会经济发展新形态。“互联网+”是互联网思维结合实体经济产业并推动经济形态不断地发生演变的实践成果，从而带动社会经 济实体的生命力，为实体经济改革、创新、发展开辟新的思路。2015 年 7 月4 日，《国 务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，（简称《指导意见》）由国务院印发出 台。《指导意见》在“互联网+”创业创新、协同制造、现代农业、智慧能源、普惠金融、 高效物流、电子商务、便捷交通、益民服务九个方面做出了行动指导，在益民服务中强调，在充分利用互联网的高效、便捷特点的基础上，进一步提升资源有效利用率，从而 降低服务消费成本。以互联网为载体，大力发展、线上线下互动的新兴消费，加快发展 基于互联网的旅游、健康、教育、医疗、养老、社会保障等公共新型服务，改进服务方式，优化管理水平和科学决策能力。基于互联网技术打造旅游服务云和运行监管协同平台，实现景区无人售票，通过移动智能设备扫一扫二维码，进行解决市民在景区门口排队的问题。购票后，针对购票信息，向游客智能推送景区游览路线。同时，通过电子自助扫描二维条码门票信息过闸机，避免了人工检票入园的麻烦。游览过程中，无需导游导览，通过 NFC（Near Field Communication，近距离无线通信技术）、RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）、二维条码、GPS（Global Positioning System，全球卫星定位系统）定位等技术手段实现自助导览或情景智能导览。“互联网+旅游”并不是 指仅仅将二者简单的组合在一起，而是以互联网平台和信息技术为依托，使互联网与旅 游产业进行深度整合，创造新的发展形态。“互联网+”旅游代表一种新的产业生态，即 充分利用互联网在旅游过程中资源配置的优化和集成优势，将互联网的创新成果深度融合于出游规划、订票、入园、导览、体验反馈等过程之中，提升旅游过程的自助服务能力，形成以互联网为基础方法来实现旅游发展新业态，提升“互联网+旅游”的普及性。旅游产业具有良好经济发展带动作用，对新疆和兵团区域发展起到了重要的支撑作用，其积极响应了与信息化融合的国家政策。因此针对在景点导览过程费时、费力、个性化服务不足的现状，在其过程中融入互联网手段和移动GIS (Geographic Information System，地理信息系统)技术新元素，将进一步激发旅游业生长的新活力。
1.1.2 移动 GIS 技术发展与应用现状
现在移动GIS产品已广泛应用于电力、国土、林业、农业、水利、环保、救灾、物流、交通等专业领域。其中典型的应用业务有：地图浏览、地图定位、数据采集、属性记录、数据上传至服务器、轨迹记录、路线导航等。如在电力中，移动GIS主要是在进行电力巡线，巡查的过程中，发现相关的电线或电力塔故障，记录下相关的位置、故障描述及照片，传送至后台服务器，管控中心即可根据故障安排相关的人员进行维修维护，维修人员可根据上报的数据导航至相关位置，并进行维修维护工作，维修的结果也可直接反馈至后台服务器。在大众领域，移动GIS被最广泛应用在手机电子地图。手机电子地图产品包含了地图浏览、地图定位、周边地址查询、公交换乘、行车导航、步行导航、餐饮、住宿、娱乐等与生活相关的功能。移动GIS 已深入百姓生活的方方面面，为人们的出行带来相 当大的便利。随着移动互联网的发展，大众生活类的APP（Application，应用程序）与移动GIS结合的越来越紧密，移动 GIS 在打车、购物、医疗、旅游等大众应用领域也会有越来越多，越来越深入的应用。近两年，移动设备的软硬件都得到了快速的发展， 如网络定位技术、GPS 定位技术、网络通信技术、惯性定位技术、摄像头等技术的发展使移动GIS在大众生活领域中应用越来越广泛。 智能设备和通信技术的进步促使移动互联网被应用到宽阔的领域，被渗入到更深入的生活情景。“互联网+旅游”成为旅游行业和各地政府发展旅游的新模式。基于移动智能设备的GIS 技术将使景区智能导游取得突破性进展。
1.1.3 智能导览对旅游发展的重要意义
（1）智能导览将提升旅游业的消费升级，刺激旅游消费大幅增长。智能导览为旅游增加新的兴趣点，提升游客的游玩体验，促进旅游企业的服务水平，带动以旅游为中心的住宿、餐饮、交通业的整体发展。（2）实现旅游业的集约化发展、智能化管理。针对边防哨所、古文明、荒漠戈壁、奇特地貌、高山峻岭、少数民族聚居地的特种旅游和乡村旅游会产生极大的促进作用。智能导览将减少对景区内票务管理、人工导览的需求，降低景区经营成本。通过门票预约、游客导览实时分析控制游客进入景区人数，一定程度上解决节假日旅游的供需矛盾。（3）面向用户提供智能化、个性化的贴心服务。智能导览大大降低游客对旅行社 的依赖程度，可以根据自己的时间和地域自主定制更加个性化的出游方案，游客游览过程中不在依赖于导游的引领和讲解服务，可以通过基于LBS（Location Based Service， 基于位置服务）技术的智能导览随时提供服务，服务的针对性更强，智能化程度更高。（4）智能导览是对旅游业与互联网融合、“互联网+”等指导意见的验证。验证移动 GIS 和“互联网+”技术与旅游业的粘合性、互补性，智能导览的实施对经济、旅游产业的带动作用。智能导览在实施过程中，可以探究并发现《意见》的不完善细节， 智能导览的实施结果可以对下一步《意见》的出台提供参考。
1.2 国内外研究现状
近年来，随着移动智能设备的发展，针对移动GIS 应用的研究也越来越广泛和深入。移动 GIS 可以提供随时（Anytime），随地（Anywhere），为任何人（Anybody）和所有事（Anything）的服务（简称“4A 服务”），这是移动 GIS 在各个领域发展和运用的目标。随着移动 GIS 技术、空间信息存储技术、信息无线传输技术、移动智能设备的无线定位技术的不断发展, 使移动空间位置信息服务在旅游业领域深入发展迎来了新的机遇。国内外专家学者和行业企业围绕移动GIS和智能导览服务展开了大量的研究。
1.2.1 移动 GIS 关键技术
移动 GIS 是在 Desktop GIS 和 Web GIS 的基础上演化而来的，移动GIS克服了Desktop GIS 和 Web GIS 工作环境单一，移动性差的特点，因其便携性的优点，使其被应用于各个领域，尤其是在平台构建、导览导航及位置服务等领域的应用较为丰富，因此吸引国内外专家学者针对其开展了大量的研究。
1.2.2 智能导览服务系统
景区智能导览服务的研究是景区管理信息系统的研究内容之一，景区管理信息系统 研究起步早，内容丰富，但是该类系统主要是面向旅游管理部门或者旅行社等旅游机构，而面向游客服务的系统较少，而且这些系统均没有让游客体验到游览的智能性。随着移动互联网的发展，虽然出现了途牛网、去哪儿网和携程网等 O2O服务平台，但是 这类系统的功能仅仅是将游客从“家门口”引领到“景区门口”，少有系统解决旅游景 区游览的问题。因此面向景区游览服务，开发一套景区导览 APP系统，对提升景区游览服务水平具有重要意义。
第二章 关键技术及理论
2.1 客户端平台及相关技术
目前市面上常见的移动智能设备操作系统有：Android、IOS、Windows Phone 等。根据腾讯数码最新的报告显示，Android 在中国移动智能设备的操作系统中占领了 85% 的市场，并且 Android 操作系统在中国移动智能设备中的份额仍在上升。作为对比，IOS 设备市场份额反而从 2016 年 1 月的 25%下降到了 2016 年 6 月的 14.3%[45]。由此可见， 当前手机操作系统的主流是 Android。因此本文以 Android 系统为客户端平台，开展景 点导览相关技术的研究。
2.1.1 Android 平台及相关技术
（1）Android 系统整体架构。 Android 移动智能操作系统是由 Linux 操作系统演变而来。该操作系统采用软件叠 层（Software Stack）的方式进行构建，平台自底层至顶层分别为 Linux 内核（Linux Kernel）、Android 运行时（Android Runtime）、函数库（Libraries）、应用程序框架 （Application Framework）、应用程序层（Applications）共 5 层构成，这种软件叠层结构使得层与层之间相互分离，明确区分各层分工，保证了层与层之间的低耦合。
（2）基于 Android 的方向感知 Android 系统提供了对传感器数据获取的支持，在设备提供硬件传感器的基础上， Android 系统可以获取外界的情景数据。如，磁场、温度、压力、手机方向等[47]。利用 Android 系统提供的驱动管理方向传感器，实时获取方向是用户导览智能化的关键技术 之一。移动智能设备中的传感器坐标系统与其屏幕坐标系统不同，如图 2-3 所示。z 轴 与手机屏幕垂直且方向向上，代表指向地心的方位角；x 轴与屏幕短边平行向右，代表 仰俯角（由静止状态开始前后反转）；y 轴平行于屏幕长边，同时与 x、z 轴垂直，代表 翻转角（由静止状态开始左右反转）。
（3）基于 Android 的位置服务。Android 系统提供了基于蜂窝网络、WiFi 热点、GPS（或北斗/GLONASS）和 AGPS(Assisted Global Positioning System，辅助全球卫星定位系统)定位的位置服务。 蜂窝定位最常用的基本原理是基于到达时间的圆周定位，该定位方法是通过测量信 号由目标发射机到达接收机的时间来实现定位，这种方法需要移动智能终端和基站之间 的时钟同步，否则会产生较大误差。在二维定位中，需要接受到三个及以上的基站信息 才能定位到移动终端的位置。相对于蜂窝定位，Android 系统中提供的 WiFi 定位相对简单，该定位方法首先针对一个固定的 WiFi 的 MAC 地址，收集到该 WiFi 热点的位置， 然后访问网络上的定位服务以获得经纬度坐标，最后以该热点的坐标设定为移动终端的 坐标。因为 WiFi 信号辐射范围有限，所以该定位方式精准度较高。
2.1.2 基于 Android 的 APP 开发技术框架
基于 Android 系统的移动互联网程序开发是近年软件开发领域的研究热点，在本文 中 Android 开发采用的模型 MVC(Model View Controller，视图-模型-控制器)框架与基于 HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传送协议）网络传输技术和基于 JDBC（Java Database Connectivity，Java 数据库连接）的数据访问技术。 由于 Android 平台上运行的 APP 属于单独的客户端，是一种 C/S 的开发模式，相对 于基于 Web 技术的 B/S 开发模式采用的架构形式有所差异。图 2-5 展示了基于 Android 的 APP 开发框架，主要分为 Android 客户端、应用服务器端和数据库三部分。
2.2 移动 GIS 技术
面向移动 GIS，不同互联网公司给出了不同的解决方案。其中较为主流的解决方案包括Esri公司提出的ArcGIS Runtime SDK for Android，Google公司提出的Google Map的解决方案以及国内厂商百度和高德等提供的SDK for Android。由于国内诸多限制Google Map不能被访问，百度、高德等提供的 SDK 适用范围广，但是针对性差，不能个性化深度定制，因此本研究采用Esri 的ArcGIS Runtime SDK for Android。
2.2.1 ArcGIS Runtime SDK for Android
开发者可以访问 Esri官网，在线浏览开发帮助文档页面、下载 ArcGIS Runtime SDK for Android 开发包、查看开发包对开发平台系统的要求以及安装开发包的步骤等。Esri发布了 GeoServices REST Specification 标准，这一标准规定了 ArcGIS REST Service 各种接口的访问参数及返回数据的结构。ArcGIS Runtime SDK for Android 正是基于这一标准封装的。其实，ArcGIS 基于 REST（Representational State Transfer，表述性状态传递）接口的 API，包括 ArcGIS Runtime SDK for Android/IOS/Windows Phone，ArcGIS API for Flex/ Silverlight/ JavaScript，以及 ArcGIS Runtime SDK for Java/.NET 都是基于这一标准进行封装的。无论以何种语言在任何平台上进行 GIS 应用的开发，但是服务端对前端应 用是透明的，屏蔽其不同特性，提供一致的编程模型。ArcGIS Runtime SDK for Android 通过 ArcGIS Server REST服务获取数据和服务资源。ArcGIS Runtime SDK for Android 不仅可以访问 ArcGIS Online 上的资源，还可以访问开发者自定义发布的 ArcGIS Server。开发者可以通过 ArcGIS Server 发布专题图等服务，然后通过 Android 智能终端访问，为程序开发者提供了更大的发挥空间。ArcGIS Runtime SDK for Android 面向 Android 智能终端为开发者提供了地图图层展示，点击、缩放手势事件响应，空间要素可视化，检索查询，几何计算，定位和在线编辑等功能接口。
2.2.2 ArcGIS 和空间数据库
（1）空间数据处理与发布
ArcGIS for Desktop 是 ArcGIS 产品家族中的桌面端软件产品，为 GIS 专业人士提供的用于空间信息加工和处理的工具，利用 ArcGIS for Desktop，几乎可以实现任何复杂的GIS 任务。ArcGIS for Desktop 可以对地理要素进行创建、编辑以及分析，提供了一系列的数据采集和管理、可视化、空间建模和分析以及高级制图的模型工具。不仅面向单用户和多用户的编辑提供支持，还可以通过构建模型实现自动化工作流程。ArcGIS for Server同样是 ArcGIS 产品中重要的一款，主要用于展示业务数据中的地理特性，提供了更强的业务数据展示能力，将业务数据与地图融合展示，使用户对业务数据的理解更直观。通过WEB服务的发布，可使企业内部乃至整个网络上的不同用户能够轻松实现空间信息的访问，达到信息传播的目的。可使用的客户端包括：基于浏览器的轻量级应用网站以及应用场景广泛的移动智能设备，如 PDA、平板电脑和智能手机。
（2）空间数据库
Microsoft SQL Server 2008 数据库管理系统提供了对空间数据的全面支持，利用该 DBMS 可以完成以下功能：①空间数据存储。Microsoft SQL Server 2008数据库管理系统提供了geography数据类型和geometry 数据类型，分别用于描述大地测量空间数据和平面空间数据。这两个都是 Microsoft .NET Framework 通用语言运行时(Common Language Runtime，CLR)类型， 并且可以用来存储点、线和多边形等不同种类的地理元素。②执行空间操作。针对空间数据类型，利用 Microsoft SQL Server 2008 数据库提供的方法，面向空间数据操作编写 Transact-SQL程序代码，例如判断地理空间对象的拓扑关系及其之间的交集或位置之间的距离。③使用 SQL Server 2008 达成高性能的空间功能。Microsoft SQL Server 2008 数据库中的空间类型可以用来存放大型且复杂的地理空间对象，创建空间数据索引，提高数据的检索性能。针对与SQL Server数据库引擎整合的空间数据使用索引，优化查询性能，充分利用空间查询的正确查询优化工具进行时间成本评估，以识别最佳的查询计划及选择适宜的索引。
2.3 智能导览关键技术
2.3.1.服务缓冲区构建技术
（1）矢量缓冲区的生成算法 基于矢量数据，利用GIS的缓冲区构建方法，生成景区服务缓冲区，包括景观点要素缓冲区、景观线要素缓冲、景观面要素缓冲区。点要素缓冲区是以点要素为中心构建的圆，其基本要素包含点要素位置和缓冲半径 R 的大小；线要素缓冲区是以线要素为轴线以缓冲距离R为平移半径，向外扩展，在线的端点处，以端点为圆心，以 R为半径的圆弧进行弥合，构造缓冲区；面要素缓冲区是以从面要素的边界线作为起始线向外扩展缓冲距离R 形成的多边形并且包含面要素而构建的缓冲区。
（2）Voronoi 图构建方法 由于缓冲区分析过程中会造成不同景观缓冲区的叠加与覆盖现象，导致导览服务冲突。解决缓冲区叠加和覆盖的问题可以提高导览服务的及时性与准确性。利用凸包插值法构建Delaunay三角网形成 Voronoi图，有效划分不同景观的服务范围，并使得每个景区区域中的所有点属于且仅属于一个区域。
（3）通视分析 通视分析是一种地形优化的方法，其定义是以某点作为视点，研究视点周围区域的通视情况。研究中利用通视性分析进行优化景区服务缓冲区域，可以剔除缓冲区域中不可以通视景观的部分，增加服务的合理性。通视分析的算法原理是利用DEM 数据，基于某个像素向周围像素点发出一系列射线，并计算周围每个像素与视点的坡度角，比较 此坡度角与该像素的所在射线上的最大角，如果此坡度角较小，则像素点是可见的，否则不可见。
2.3.2.实时触发播报技术
（1）空间距离与拓扑关系 空间距离关系主要分为点与点、点与线、点与面之间距离以及其他距离关系。在游客游览过程中，游客可以视为点，因此主要研究点与点的欧式距离、点与基于有限个特征点组成的折线的距离、点与面之间距离三种关系。点到面的距离分为中心距离、最短距离、最大距离。
（2）空间方向关系 在两个地理空间要素目标之间存在空间方向关系，即可理解为在某一方向参考系统中从指定空间要素到另一个空间要素的朝向。游客在游览过程中，针对游客与景观目标判别景观相对于游客的相对方向，如果游客朝向目标景观，则进行该目标景观的语音播报。
第三章 系统需求分析与设计
3.1 系统需求
面向景区智能导览系统，以游客为服务用户进行业务流程分析分析，景区信息查看、游客路径推荐、景物智能播报服务 和游客信息管理四类功能需求。
3.1.1 景区信息展示
景区信息展示是游客了解景区以及进入景区导览的入口。针对导览系统，游客需要按照某一主题进行景区查看，对自己感兴趣的景区或正在游览的景区进一步了解景区的基本信息，如景区名称、电话、天气、位置、介绍、交通等。在游客了解完景区信息的基础上可以在线预定或收藏该景区。游客可以对感兴趣的景区进行虚拟漫游，增进对景区的了解。当游客打开导览系统时，选取正在游览的景区，点击景区的导览服务入口， 即可进入景区导览服务。
3.1.2 景区路径规划
当游客首次进入景区或对景区熟识度不高时，游客难以自己规划一条适宜的游览路线。游客需要根据景区各个景物的语音播报时长和自己预计的游览行程内容选择要游览的景物，利用系统生成合理的游览路线是游客游览过程中必须的内容。另外，游客初次游览，目的性不强，没有特定的景物浏览愿望，所以此时需要系统为游客推荐游览路线。
3.1.3 景观智能播报
由于游客在游览过程中，对景物的来源，历史，规模等了解不深入，难以体会到景物的真实情况，所以游客需要景物的解说。游客在游览中，需要导览系统自动定位游客 的位置，结合景区专题地图查看自己的位置，并对游客身边的景点进行播报，另外游客需要对于没有听清晰的播报需要通过图片文字的配合进一步了解景物的播报内容。
3.1.4 账号信息服务
游客的基本信息的服务是系统必不可少的一项内容。需要为游客提供登录、注册的功能，面向已注册的用户才能提供专属的在线预定和收藏服务，游客可以查看订单。
3.2 系统设计
3.2.1 系统结构设计
系统整体架构采用 C/S 设计模式，系统架构分为数据库、服务器端 和 Android 客户端三部分。在系统的功能框架下，利用 JDBC 技术进行数据的访问，采 用 HTTP 协议和 JSON 数据格式进行服务器端与客户端的数据交互。
3.2.2 数据存储同步结构设计和概念模型
（1）数据存储体系结构 移动应用数据库同步体系结构分为数据修改维护终端、WEB 服务器，SQL Server 数据库服务器、移动应用服务器、智能终端及其 SQLite 数据库，如图 3-5 所示。在该体 系中处于核心地位的是 SQL Server 数据库，SQL Server 数据库服务器为分布式结构，所 存储的数据是移动应用运行时所需的最新、最完整的数据。移动智能终端的 SQLite 数 据库是 SQL Server 服务器数据库的副本。当数据修改维护终端对服务器数据进行修改 时，将产生移动客户端数据与服务器数据不一致问题，采用有效的数据版本检查方法和 基于优先级的数据增量更新算法解决数据不一致问题，对整个系统的运行至关重要。
（2）数据同步流程设计 为了完成数据同步，需要数据表额外的两张表来记录数据的变化。针对每一张数据表构建两个触发器，自动触发对数据变化的记录。
（3）数据库概念模型 在景点导览系统中，数据库是系统运行的基础，数据库概念模型中包含景区、景物、 游客、地区、级别、类型等实体，其中景区和景物实体是数据库的核心。 系统整体ER图描述系统各个实体之间的关系，其中游客与景区存在预定。