【WebGIS期末作业】

项目背景

表1 湖南传统村落不同批次占全国总数分布表

随着现代化和城镇化进程的加快，根据2017年发布中国传统村落蓝皮书显示，4153个传统村落面临消失危险，大部分传统村落现主要面临以下4个问题:传统村落数量锐减、毁坏严重、非物质文化遗产面临断层以及建设性破坏与环境污染，因此亟需加强传统村落的保护和传承工作。近年来，随着数字化技术的发展，为古村古镇的文化遗产传承和传播提供了更多的选择和更好的表现形式。通过数字存储、信息检索、虚拟现实、可视化展示以及数字媒体等技术保存、再现、传播和开发民族文化遗产已成为一种世界潮流。

本项目在通过现代信息技术手段，对古村古镇进行多方位、多角度的数字化记录、展示与传播，实现文化遗产的数字化保护、活化利用与共享。项目内容主要包括：1）古村古镇数据库的建立：通过多种渠道收集古村古镇的各类信息，并进行整理、分类和标准化处理，然后根据数据特点设计数据库，最后将整理好的数据录入数据库。 2）数据分析与决策支持: 从全国尺度和省级尺度分析古村古镇数量特征，并利用GIS技术分析其空间分布特征，从而为古村古镇的管理部门提供决策支持。3）文化遗产数字化展示:运用激光扫描、摄影测量、三维建模与渲染等各种数字化技术手段对古村古镇文化遗产进行数字化与展示，从而实现文化遗产的高效保护和传承，同时有助于促进文化旅游的发展并增强公众的文化认知。

功能设计

“古村古镇数字化系统”旨在通过数字化手段，对古村古镇的文化遗产进行全面、系统的收集、整理、存储、展示和管理，以促进文化遗产的保护、传承与利用。根据项目需求，将“古村古镇数字化平台”划分为以下功能模块：数据采集与存储模块、地图展示与查询模块、数据分析模块、古村古镇数字化展示模块、用户和角色管理等模块，其功能模块图如图1古村古镇数字化平台功能模块图所示。

图1 古村古镇数字化平台功能模块图

数据采集与录入模块

功能描述：负责收集古村古镇的各类数据，包括地理位置信息、文化遗产信息、图片、视频、音频等多媒体资料，并提供数据输入接口，将采集到的数据录入系统。

实现方式：通过爬虫技术收集古村古镇各类信息，并进行整理、分类和标准化处理，然后通过系统提供的数据输入界面或API接口将数据传输至系统数据库。

地图展示与查询模块

功能描述：基于GIS技术，将古村古镇的地理位置信息和文化遗产信息在地图上进行展示，并提供多种查询方式与空间分析方法，如按名称查询与按地理位置查询。

实现方式：利用ArcGIS API for JavaScript或百度API、Cesium等GIS开发框架，结合地图服务（如WMS、WFS）和前端技术（如HTML5、CSS3、JavaScript）实现地图的展示和查询功能。

数据分析模块

功能描述：对系统中的数据进行统计分析，挖掘数据背后的价值，为文化遗产保护、旅游开发等提供决策支持。

实现方式：利用数据分析工具或编程语言（如Python、R等）对数据进行统计分析，并利用前端图表库(如ECharts.js、D3.js等)；结合GIS空间分析功能(如聚类分析、热点分析等)进行空间数据挖掘和可视化展示；根据分析结果提供决策建议或报告。

数字化展示模块

功能描述：通过三维建模、计算机图形学与虚拟现实（VR）等技术手段，对古村古镇及其文化遗产进行数字化展示，使用户能够身临其境地感受文化遗产的魅力。

实现方式：利用3D建模软件创建文化遗产的三维模型，结合WebGL或Unity3D等三维渲染引擎进行展示；同时，可以开发VR/AR应用，提供更加沉浸式的体验。

用户与角色管理模块

功能描述：提供全面的用户信息管理功能和灵活的权限控制机制。该模块通过集成用户注册、登录、信息维护、状态监控以及角色定义、权限分配等功能，确保平台能够安全、高效地服务于不同类型的用户，并满足其多样化的访问和操作需求。

实现方式：设计数据库以存储用户、角色及权限信息，开发后端API处理用户注册、登录、信息管理及权限分配等功能，并集成前端界面供用户和管理员操作。

基于上述功能设计，本文还为平台设计了系统框架图。它大致可划分未：表现层、应用层、服务层和数据层四层架构，具体内容见下图古村古镇数字化平台框架图

图2 古村古镇数字化平台框架图

界面设计

平台首页

（1）布局层面：该界面的布局设计显得非常清晰且有条理，充分利用了空间来展示不同的功能模块和数据。具体来说:(1)标题栏与导航：页面上方为标题栏与导航条，标题栏展示平台名称，导航条左键点击可进入相应模块。(2) 内容区域划分:分为上下两部分，且上下两部分从横轴方向又划分为左中右三部分。内容区域下方左右两侧为图表，中间为地图且地图界面可以扩大至全屏。（说明：此次界面设计未涉及平台版权信息，若涉及版权信息还可划分出底部）

（2）配色层面：主色调统一：深蓝色作为主色调贯穿于整个界面，不仅提升了界面的整体性和一致性，还有助于用户集中注意力于数据本身。色彩对比与突出：虽然以深蓝色为主，但界面中的图表、按钮和文字等元素采用了不同的色彩进行区分和突出，如中国地图上的颜色编码、图表中的不同颜色线条和区块、操作按钮的亮色边框等，提高了信息的可读性和辨识度。辅助色彩的运用：在保持主色调统一的基础上，适当运用了白色、灰色等辅助色彩来平衡界面色调，避免了过于沉闷或刺眼的感觉。

（3）内容层面：内容区域上方展示统计结果数据，下方利用图表直观展示古村古镇数量的统计特征，并以地图形式展示古村古镇的空间分布特征。图表主要是统计不同批次古村古镇数量所占比、全国古村古镇数量Top4省份的各个批次古村古镇获批数量、湖南省传统村落、历史文化名镇和历史文化名镇所占比以及各个地级市古村古镇数量占比和湖南省古村古镇数量Top4市州各类型古村古镇所占比以及其数量。中间的地图是用于从宏观尺度上了解全国各地古村古镇的分布特

图3 古村古镇数字化平台首页

古村观赏页面

古村观赏页面配色层面和平台首页类似，重点从布局和内容两个层面阐述其界面设计。

（1）布局层面：古村观赏页面内容块分为左右两部分，左侧又划分为“田”字格形状的四小部分，右侧一整块为虚拟场景展示部分。

（2）内容层面：古村观赏页面左侧嵌入四个典型古村古镇的音视频，视频窗口可放大缩小，可调节视频的声音与倍速等基本操作，特别的是点击红色的定位小图标，左侧将定位并展示对应古村古镇的数字化虚拟场景。例如：下方古村古镇观赏页面“湘西土家族苗族自治州”芙蓉古镇为例，通过倾斜摄影技术采集处理得到的点云数据构建的数字化虚拟场景。

图4 古村古镇观赏页面

地图界面

地图页面左侧为地图界面，支持地图的基本操作和场景的空间分析。右侧面板划分为统计分析、按古村古镇类别搜索以及古村古镇具体专题信息模块。

图5 地图界面

数据库设计

数据库设计是一个系统性的过程，旨在创建一个高效、可靠且符合数据完整性和安全性要求的数据库系统。它通过分析业务需求、定义数据对象及其关系、规划数据表结构、设置索引和约束，以及优化查询性能等步骤，来确保数据库能够支持应用程序的数据处理需求。它通常被划分为几个关键阶段，包括概念设计、逻辑设计和物理设计。

概念模型

概念设计是数据库设计的第一阶段，其主要任务是根据系统需求分析的结果，对现实世界中的数据进行抽象，建立概念模型。这个阶段的主要目标是明确数据库的目标、范围和功能，将现实世界中的实体、属性和关系抽象成概念模型。通常，这个过程会使用实体-关系（E-R）模型来表示，通过绘制E-R图来展示实体之间的关系。概念设计是数据库设计的基础，为后续的逻辑设计和物理设计提供了框架。以下将进行系统用户-角色管理和古村古镇数据管理两部分的概念设计。

系统用户-角色管理

用户角色管理是指在系统中对用户和角色进行定义、分配和管理的一系列操作。用户是系统的使用者，而角色则是用户权限的集合，用于控制用户可以访问哪些资源或执行哪些操作。用户角色管理它涉及用户账户、角色定义、角色分配、角色权限等多个方面。

RBAC（Role-Based Access Control）即基于角色的访问控制模型，是一种广泛应用于计算机系统和网络安全领域的访问控制机制。它就是用户通过角色与权限进行关联。简单地说，一个用户拥有若干角色，每一个角色拥有若干权限。这样，就构造成“用户-角色-权限”的授权模型。在这种模型中，用户与角色之间，角色与权限之间，一般者是多对多的关系。据此，为用户-角色管理进行概念模型设计，绘制E-R图如下方图 为用户-角色-权限E-R图。

图6 用户-角色管理的E-R图

古村古镇数据管理

古村古镇概念模型设计的E-R图如图 所示，图中主要实体包括“省份”、“地级市”、“古村古镇”。城市与古村古镇之间通过“拥有”关系相连接，表明古村古镇属于特定的城市。对于古村古镇，还记录了其“获批类型”、“获批批次”以及“位置”信息，这些可能用于描述其古村古镇类型、保护级别及地理位置。同时，省份与地市之间为包括关系且为1对多关系，它们共有属性“行政代码”属性用于标识省份和城市。

古村古镇数据管理概念据此设计的目的是为了后续对古村古镇进行统计分析更加便捷，可从全国尺度统计不同省份各批次“传统村落”“历史文化名镇”和“历史文化名村”的数量特征，也可从省级尺度统计各省份的各个地级市各批次“传统村落”“历史文化名镇”和“历史文化名村”的数量特征。

图7 古村古镇数据管理的E-R图

逻辑模型

逻辑设计是数据库设计的第二阶段，其主要任务是将概念模型转换为逻辑模型，即关系模型。在这个阶段，需要进行数据规范化，以消除数据冗余，确保数据的完整性和一致性。逻辑设计包括定义数据库中的表结构、字段类型、主键、外键等，以及设置适当的索引和约束来优化查询性能。此外，还需要进行模式评价和优化，以确保逻辑模型满足业务需求，并具有良好的性能和可维护性。

概念模型的E-R图到逻辑模型的映射规则：（1）实体转换：将E-R图中的每个实体转换为一个关系表（或称为关系模式)、实体的属性成为关系表的列(字段)、实体的主键成为关系表的主键。（2）关系的转换：一对一关系通常不需要创建一个新的关系表来表示这种关系，而是可以在其中一个实体的关系表中添加另一个实体的主键作为外键、一对多关系:在"多"的一方的关系表中添加“一"的一方的主键作为外键、多对多关系:必须创建一个新的关系表来表示这种关系，该表至少包含两个外键，分别指向两个相关实体的主键，并可以包含描述关系的属性。（3）属性处理：派生属性可以通过其他属性计算得出，通常不在数据库中直接存储，因此在逻辑设计中可以忽略，复合属性由多个子属性组成，可以将其拆分为多个单独的列。

系统用户-角色管理

依据上述概念模型设计出的E-R图以及概念模型的E-R图到逻辑模型的映射规则，系统用户-角色管理所涉及到的实体用户-角色-权限，且它们之间的关系都为多对多（M:N）关系。实体的转换就是将用户-角色-权限三个实体转成三个表格“用户表”、“角色表”和“权限表”。多对多关系转换都是创建一个新的表，新的表主键为任意一方的主键，外键则为另一方的主键。例如：“用户表”和“角色表”之间创建一个新表“用户-角色表”， 该表的主键为“用户表”的主键，而该表外键为“角色表”的主键。属性的转换就是将E-R图中实体的属性转化为数据库表格中相应字段。

图8 用户-角色-权限表结构图

古村古镇数据管理

与上方系统用户-角色管理转化类似，古村古镇数据库管理进行转化是实体古村古镇-地级市-省份三个实体转化为对应表格。不同的是关系的转化，地级市和古村古镇、省份和地级市三个实体的对应关系都是一对多的关系（1:N）。针对一对多关系的转化是为多的一方创建一个外键，外键指向另一方的外键。例如，古村古镇表中的外键city_id指向地级市表主键city_id。属性的转换就是将E-R表中的属性转化为相对应数据库表中对应字段，值得注意的是古村古镇实体中位置属性是复合属性，在数据库表中是利用longitude（经度）和latitude（纬度）两个字段记录古村古镇的点位置信息。

图9 古村古镇-地级市-省份表结构图