室內(nèi)外一體化行人導(dǎo)航地圖制作與表達(dá)

趙建嬌

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

室內(nèi)外一體化行人導(dǎo)航地圖制作與表達(dá)

趙建嬌1

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

面向室內(nèi)外一體化行人導(dǎo)航應(yīng)用，針對(duì)室內(nèi)外導(dǎo)航數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)和相互關(guān)系，提出一種行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型。從數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)發(fā)布等幾個(gè)方面研究探討地圖制作與表達(dá)方法。

行人導(dǎo)航；室內(nèi)外一體化；導(dǎo)航地圖

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展和室內(nèi)定位技術(shù)的日趨成熟，人們對(duì)于導(dǎo)航應(yīng)用的需求已經(jīng)從原有的室外導(dǎo)航拓展為室內(nèi)外一體化的導(dǎo)航。目前導(dǎo)航數(shù)據(jù)主要是面向室外車(chē)行導(dǎo)航建立的[1]，室內(nèi)外一體化的行人導(dǎo)航研究還處在起步階段，包括地圖制作與表達(dá)在內(nèi)的各方面技術(shù)亟待完善。

從導(dǎo)航應(yīng)用的角度看，室內(nèi)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)與室外導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)存在一定差異。室外導(dǎo)航地圖內(nèi)容主要突出道路信息，而對(duì)于室內(nèi)空間信息來(lái)說(shuō)，室內(nèi)各層及層內(nèi)數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系比二維坐標(biāo)更為重要。室內(nèi)導(dǎo)航地圖內(nèi)容以POI（point of interesting）及空間關(guān)系為主，甚至不顯示道路信息[2]。針對(duì)室內(nèi)外地圖數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)，本文從行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)組織與管理和數(shù)據(jù)發(fā)布等幾個(gè)方面說(shuō)明室內(nèi)外一體化導(dǎo)航地圖的制作與表達(dá)方法。

1 行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型

本文從室內(nèi)外一體化導(dǎo)航應(yīng)用角度出發(fā)，提出行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型。模型的設(shè)計(jì)主要考慮地圖內(nèi)容、數(shù)據(jù)組織和要素關(guān)系，同時(shí)能夠支持路徑規(guī)劃、地圖顯示、路線(xiàn)引導(dǎo)及興趣點(diǎn)查詢(xún)。

從GIS視角描述室內(nèi)3D空間，較為成熟的數(shù)據(jù)模型為CityGML 中的LOD4-室內(nèi)模型，現(xiàn)已成為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但其主要目的更注重于數(shù)據(jù)展示和可視化，而不是室內(nèi)空間服務(wù)和分析[3]。室內(nèi)外一體化模型構(gòu)建，主要是在既有室內(nèi)外導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，充分考慮室內(nèi)、室外數(shù)據(jù)間的關(guān)系和數(shù)據(jù)使用特點(diǎn)，擴(kuò)展現(xiàn)有導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外數(shù)據(jù)無(wú)縫管理。在一體化數(shù)據(jù)模型構(gòu)建過(guò)程中，主要考慮室內(nèi)外POI數(shù)據(jù)、室內(nèi)外路網(wǎng)LINK的整合。其中，POI數(shù)據(jù)通過(guò)建立POI父子關(guān)系實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外POI數(shù)據(jù)模型的整合；路網(wǎng)LINK以建筑物室內(nèi)外間的主要出入口為節(jié)點(diǎn)，將室內(nèi)外路網(wǎng)無(wú)縫連接，如圖1所示。

2 行人導(dǎo)航地圖制作與表達(dá)

2.1 室內(nèi)外數(shù)據(jù)的采集與處理

相對(duì)于車(chē)行導(dǎo)航地圖來(lái)說(shuō)，行人導(dǎo)航地圖對(duì)于數(shù)據(jù)精度要求更高，要實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)航效果，地圖數(shù)據(jù)應(yīng)達(dá)到1 m以?xún)?nèi)的平面精度要求。由于客觀(guān)環(huán)境和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的不同，室內(nèi)外數(shù)據(jù)的采集與處理分別采用不同的方法，基本流程如圖2所示。

室外行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)的采集可以充分利用現(xiàn)有資源，包括車(chē)行電子導(dǎo)航地圖、高分辨率遙感影像和大比例尺地形圖，輔之補(bǔ)充采集行人導(dǎo)航更為關(guān)注的信息，包括人行道路（天橋、地下通道、步行街等）、公交站點(diǎn)、門(mén)牌信息、POI等。數(shù)據(jù)處理上，利用大比例尺地形圖對(duì)高分辨率遙感影像進(jìn)行幾何糾正，制作正射影像作為數(shù)據(jù)底圖，保證數(shù)據(jù)精度。再利用正射影像對(duì)現(xiàn)有電子導(dǎo)航地圖進(jìn)行精糾正，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充采集，形成室外導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)。

圖 1 室內(nèi)外一體化數(shù)據(jù)模型

圖 2 室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集與處理流程

由于現(xiàn)有資料來(lái)源復(fù)雜、數(shù)據(jù)格式多種多樣、數(shù)據(jù)精度無(wú)法保證，室內(nèi)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)采集需要根據(jù)所收集的資料內(nèi)容、精度差異，選取不同的室內(nèi)地圖制作方法。

對(duì)于已有CAD 設(shè)計(jì)施工圖且內(nèi)容詳盡、精度符合要求的區(qū)域，可根據(jù)提供的CAD圖直接進(jìn)行室內(nèi)地圖制作和驗(yàn)證。以CAD圖作為工作底圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪，將POI、空間單元、出入口和道路等地圖內(nèi)容標(biāo)示在工作底圖上，生成調(diào)繪地圖。利用制圖工具軟件，將調(diào)繪地圖內(nèi)容數(shù)字化并進(jìn)行拓?fù)洹傩孕薷牡葦?shù)據(jù)處理，編輯成符合數(shù)據(jù)模型要求的室內(nèi)電子地圖數(shù)據(jù)。

對(duì)于沒(méi)有CAD圖或者數(shù)據(jù)不完整的區(qū)域，則采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的方法進(jìn)行室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)采集與制作。利用全站儀測(cè)量，測(cè)量結(jié)果存入數(shù)據(jù)終端，然后將數(shù)據(jù)終端接到計(jì)算機(jī)，讀入數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，制作室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖。地圖內(nèi)容包括POI、路網(wǎng)等要素，其幾何類(lèi)型包括點(diǎn)、線(xiàn)、面，一個(gè)要素在導(dǎo)航地圖展現(xiàn)時(shí)可能包含多種幾何類(lèi)型。

整體構(gòu)建完畢以后可以直接到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。線(xiàn)、面狀要素的數(shù)字化采集密度以面狀要素幾何形狀不失真為原則，采點(diǎn)密度隨著曲率的增大而增加，曲線(xiàn)不得有明顯的變形和折線(xiàn)。線(xiàn)狀要素（如停車(chē)場(chǎng)的人行道，車(chē)道）要記錄方向，為內(nèi)業(yè)進(jìn)行路徑分析作準(zhǔn)備。點(diǎn)狀要素采集該要素符號(hào)化后的定位點(diǎn)，如標(biāo)識(shí)牌等。屬性信息為導(dǎo)航需求或公眾位置服務(wù)需求的信息，記錄屬性信息盡可能全面。應(yīng)特別注意處理好各要素間的關(guān)系，各層疊加后關(guān)系應(yīng)協(xié)調(diào)一致。

2.2 行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的組織

在實(shí)際應(yīng)用中，行人導(dǎo)航所用到的全部基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在中心服務(wù)器上，移動(dòng)終端僅顯示與行人導(dǎo)航必需的底層數(shù)據(jù)，當(dāng)行人進(jìn)入立體交通環(huán)境后，會(huì)從服務(wù)器傳送所需的三維立體場(chǎng)景數(shù)據(jù)，將定制化的數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)端進(jìn)行統(tǒng)一管理，終端僅發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用請(qǐng)求。

本文通過(guò)建立面向數(shù)據(jù)分區(qū)的多層數(shù)據(jù)組織方式，從而達(dá)到多種類(lèi)、高效率的新型行人導(dǎo)航服務(wù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)有利于建立快速索引、數(shù)據(jù)傳輸和移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)顯示。對(duì)于行人導(dǎo)航應(yīng)用而言，終端屏幕的最大顯示范圍一般以用戶(hù)當(dāng)前位置為起始點(diǎn)，目的地為終點(diǎn)。從數(shù)據(jù)傳輸量和更好的用戶(hù)界面角度綜合考慮，傳輸數(shù)據(jù)大小可設(shè)置為屏幕大小的9倍，滿(mǎn)足放大/縮小/平移操作的需求，如圖3所示。同時(shí)，要構(gòu)建多層數(shù)據(jù)集。

圖 3 基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的組織

構(gòu)建多層數(shù)據(jù)集主要依據(jù)以下規(guī)則： 具有相同或類(lèi)似特點(diǎn)屬性信息的數(shù)據(jù)可放在同一層；對(duì)于同類(lèi)數(shù)據(jù)，只要一個(gè)屬性項(xiàng)不同，則應(yīng)考慮存儲(chǔ)在不同層上；具有不同安全級(jí)別的數(shù)據(jù)應(yīng)存儲(chǔ)在不同層上； 不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)應(yīng)存放在不同層上； 進(jìn)行數(shù)據(jù)分層時(shí)，要考慮到數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)更新和維護(hù)的簡(jiǎn)便性、比例尺連續(xù)性等之間的關(guān)系，同時(shí)為了滿(mǎn)足應(yīng)用需求，各層數(shù)據(jù)量應(yīng)基本保持平衡； 盡量減少數(shù)據(jù)冗余。

2.3 行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的管理

目前有多種面向?qū)Ш降牟煌瑪?shù)據(jù)模型，主要有ISO-GDF4.0、日本KIWI-W協(xié)會(huì)的KIWI和NavTech公司的SDAL（shared data access library）。這3種模型均沒(méi)有考慮人行道、自行車(chē)道、移動(dòng)要素和實(shí)時(shí)信息[4-7]。本文在傳統(tǒng)規(guī)則網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，提出基于不規(guī)則多邊形的網(wǎng)格劃分模型，從而達(dá)到加快數(shù)據(jù)調(diào)度速度，提高數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)效率的目標(biāo)。

為使形狀數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)表示的時(shí)間空間數(shù)據(jù)適用于行人導(dǎo)航系統(tǒng)，本文建立自有的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)模型，將基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)按不同層次分別進(jìn)行管理，在相鄰數(shù)據(jù)層次間，上層數(shù)據(jù)由下層的全部數(shù)據(jù)或部分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)成。最底層的詳細(xì)行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)中存放全部數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型采用格網(wǎng)管理。本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型把整個(gè)地圖區(qū)域以格網(wǎng)為單位進(jìn)行分區(qū)管理。格網(wǎng)的管理采用層、塊、格網(wǎng)的三級(jí)線(xiàn)性樹(shù)狀邏輯結(jié)構(gòu)。這種樹(shù)結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性分層分區(qū)管理方式，能夠大大加快數(shù)據(jù)信息的檢索速度。

為提高行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的調(diào)用速度，本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。與一般網(wǎng)格劃分不同，不采用規(guī)則網(wǎng)格劃分，而是在數(shù)據(jù)規(guī)劃過(guò)程中，以調(diào)用固定數(shù)據(jù)量為單位，盡可能使用大范圍數(shù)據(jù)，按任意多邊形定義存放區(qū)域，存放區(qū)域根據(jù)其外接長(zhǎng)方形進(jìn)行管理。在大范圍內(nèi)對(duì)這些長(zhǎng)方形再進(jìn)行分層管理，如圖4所示。

圖 4 基于不規(guī)則多邊形的網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理示意圖

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)布

服務(wù)端API主要包括信息搜索、路徑規(guī)劃、定位等地圖服務(wù)。這些服務(wù)提供給客戶(hù)端使用，所有訪(fǎng)問(wèn)均通過(guò)API services 交互實(shí)現(xiàn)。其中，信息搜索服務(wù)提供POI、空間單元、功能分區(qū)等屬性或空間信息搜索。支持關(guān)鍵字查詢(xún)和關(guān)鍵字查詢(xún)結(jié)果的分類(lèi)篩選。信息搜索服務(wù)包括兩種:①在指定建筑物內(nèi)按條件檢索；② 按指定條件在室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)全庫(kù)檢索。搜索條件可以設(shè)定為空間或者屬性限制。路徑規(guī)劃服務(wù)提供多種路徑計(jì)算原則的點(diǎn)到點(diǎn)的路徑查找與引導(dǎo)。路徑搜索可按照人行、車(chē)行劃分，人行也可按照行進(jìn)方式（步梯、直梯、扶梯等方式）建立搜索規(guī)則。導(dǎo)航路徑規(guī)劃結(jié)果將以坐標(biāo)串形式返回。定位服務(wù)提供預(yù)留接口，提供WIFI、多傳感器融合與MapMatching綜合定位服務(wù)。

客戶(hù)端開(kāi)發(fā)主要是調(diào)用服務(wù)端的API，進(jìn)行地圖的基本操作。操作包括：地圖的放大/縮小，切換樓層，拖動(dòng)，設(shè)置地圖中心，畫(huà)點(diǎn)/線(xiàn)/面，顯示比例尺，Routing，POI查詢(xún)等操作。

3 實(shí) 例

本文以北京市東直門(mén)交通樞紐為例進(jìn)行數(shù)據(jù)制作試驗(yàn)。在北京市東直門(mén)交通樞紐1 km范圍內(nèi)，進(jìn)行室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集與處理。室外部分遙感信息源選用0.5 m分辨率的衛(wèi)星影像，該影像可以滿(mǎn)足東直門(mén)地區(qū)1 km2行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)的制作需要。利用1∶2 000地形圖數(shù)據(jù)對(duì)0.5 m分辨率影像進(jìn)行有效糾正，遙感影像理論糾正精度可達(dá)0.5 m測(cè)圖精度要求。該糾正精度滿(mǎn)足1 m以?xún)?nèi)的平面精度要求。

為檢測(cè)其糾正精度，保證行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)精度要求，對(duì)該糾正范圍內(nèi)1 km2影像選取檢查點(diǎn)12處，利用北京市CORS系統(tǒng)對(duì)檢查點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)。測(cè)得該影像的平面平均中誤差X為0.121 8 m，Y為0.174 6 m。得到正射影像后，利用正射影像將現(xiàn)有電子導(dǎo)航地圖進(jìn)行精糾正，最終完成正射影像與導(dǎo)航數(shù)據(jù)的疊加，形成室外導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)，如圖5所示。

室內(nèi)部分首先在東直門(mén)交通樞紐搜集了CAD圖紙和平面示意圖，根據(jù)提供的CAD圖直接進(jìn)行室內(nèi)地圖制作和驗(yàn)證。以CAD圖為基礎(chǔ)進(jìn)行外業(yè)調(diào)查，補(bǔ)充修訂POI、空間單元、出入口和道路等內(nèi)容。通過(guò)GPS及室內(nèi)測(cè)量進(jìn)行室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)精度檢查，測(cè)得室外檢查點(diǎn)的平面最大誤差X為0.273 2 m，Y為0.633 9 m，平均誤差X為0.144 18 m，Y為0.340 5 m，室內(nèi)層間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平面平均誤差，X為0.050 2 m，Y為0.023 1 m。數(shù)據(jù)發(fā)布效果如圖6所示。

圖 5 室外導(dǎo)航地圖

圖 6 數(shù)據(jù)發(fā)布效果圖

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圖6 地貌暈渲

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了新編《湖北省地圖集》的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，力圖通過(guò)豐富的地圖語(yǔ)言全面、真實(shí)地反映湖北省自然地理、資源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、發(fā)展戰(zhàn)略等狀況，給相關(guān)部門(mén)開(kāi)展經(jīng)濟(jì)、社會(huì)科學(xué)研究、進(jìn)行省情綜合分析、科學(xué)預(yù)測(cè)提供重要參考資料。

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作者簡(jiǎn)介：汪冰，高級(jí)工程師，主要從事各類(lèi)地圖的編制、建庫(kù)工作。

P208

B

1672-4623（2015）03-0179-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.063

趙建嬌，講師，研究方向?yàn)檐浖こ?、地理信息系統(tǒng)。

2014-04-23。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（20 12AA12A207)。