室內(nèi)定位導(dǎo)航地圖一體化設(shè)計(jì)

李華蓉1，趙　一2

(1. 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶 400067)

LIHuarong，ZHAOYi

室內(nèi)定位導(dǎo)航地圖一體化設(shè)計(jì)

李華蓉1，趙一2

(1. 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶 400067)

AnIntegratedDesignofIndoorMapforLocationandNavigation

LIHuarong，ZHAOYi

摘要：室內(nèi)定位導(dǎo)航電子地圖是室內(nèi)位置服務(wù)的基礎(chǔ)，為地圖使用者提供定位和導(dǎo)航路徑信息。本文在分析室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了三維與二維地圖一體化表達(dá)與導(dǎo)航的策略，結(jié)合二維平面視圖、三維透視圖、三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集、路徑分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多層室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)的定位導(dǎo)航功能，是對(duì)室內(nèi)地圖表達(dá)的一次全新嘗試。

引文格式： 李華蓉，趙一. 室內(nèi)定位導(dǎo)航地圖一體化設(shè)計(jì)[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(9)：32-35.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0272

關(guān)鍵詞：室內(nèi)地圖；三維；一體化；三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集

中圖分類(lèi)號(hào)：P28

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)09-0032-04

收稿日期：2014-07-30

作者簡(jiǎn)介：李華蓉(1980—)，女，博士，講師，主要研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。E-mail:lihuarong.cat@yeah.net

一、引言

隨著定位技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)和可視化技術(shù)的發(fā)展，位置服務(wù)領(lǐng)域逐漸由宏觀(guān)向微觀(guān)演進(jìn)，定位導(dǎo)航技術(shù)開(kāi)始由室外轉(zhuǎn)向室內(nèi)。室內(nèi)地圖服務(wù)的基礎(chǔ)是能夠提供室內(nèi)空間位置信息的室內(nèi)地圖，與室外地圖相比，其在小區(qū)域內(nèi)反映相同平面坐標(biāo)系下不同高度上的人工構(gòu)筑物的內(nèi)部元素，比例尺大、精度要求高，特別是對(duì)高程信息的表達(dá)，是顯著區(qū)別于室外地圖的特點(diǎn)。針對(duì)室內(nèi)地圖的特點(diǎn)，研究室內(nèi)地圖通用或標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)方式，以支持大型場(chǎng)館建筑的室內(nèi)定位服務(wù)，顯得尤為重要。本文針對(duì)室內(nèi)樓層規(guī)劃圖原始數(shù)據(jù)(通常采用的是AutoCAD格式)，采用ArcGIS軟件為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，提出了室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)研究中涉及的相關(guān)問(wèn)題和主要制作流程，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)樓層規(guī)劃圖原始數(shù)據(jù)在移動(dòng)設(shè)備上的室內(nèi)定位導(dǎo)航地圖服務(wù)功能。

二、室內(nèi)地圖表達(dá)和定位導(dǎo)航策略

位置服務(wù)并不是新鮮事物，基于現(xiàn)有電子地圖，并結(jié)合GPS定位技術(shù)，為人們的日常出行提供了完善和便捷的定位導(dǎo)航服務(wù)。但是，現(xiàn)有電子地圖表示的都是室外區(qū)域，當(dāng)將其延伸到室內(nèi)領(lǐng)域時(shí)，碰到了兩個(gè)難題：①傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下無(wú)法正常工作[1]；②傳統(tǒng)的定位導(dǎo)航地圖均是平面地圖。但是對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)館，不僅具有平面坐標(biāo)系統(tǒng)，而且高程系統(tǒng)也同樣重要。同一樓層內(nèi)具有水平交通，樓層間也具有豎向交通，如何解決立體地圖的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)立體交通的導(dǎo)航是室內(nèi)位置服務(wù)急需解決的難點(diǎn)之一。本文對(duì)后者進(jìn)行研究，并提出解決方法。

與室外空間相比，室內(nèi)空間具有自身特點(diǎn)：①室內(nèi)空間是一個(gè)三維空間，各樓層具有不同的高程信息；②室內(nèi)空間中交通更加復(fù)雜，垂直方向上，多層建筑樓梯、電梯形成了樓層間復(fù)雜的道路連通關(guān)系。

針對(duì)室內(nèi)空間的特點(diǎn)，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。A.S.Nossum設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)管道地圖，利用拓?fù)潢P(guān)系來(lái)表達(dá)室內(nèi)空間，提出了室內(nèi)兩種視圖：平面的二維視圖和透視圖，不同樓層分開(kāi)定位，等同于在三維現(xiàn)實(shí)中的樓層定位[2]。陶嘉明基于ArcGIS設(shè)計(jì)了室內(nèi)地圖服務(wù)系統(tǒng)，室內(nèi)地圖采用分樓層、分區(qū)域的傳統(tǒng)二維平面圖表示方法，重點(diǎn)通過(guò)地圖資源的動(dòng)態(tài)載入和位置信息表解決多層地圖結(jié)構(gòu)問(wèn)題[3]?？紤]到室外地圖與室內(nèi)地圖服務(wù)的無(wú)縫對(duì)接，以及路徑導(dǎo)航全局概要與局部細(xì)節(jié)的兼顧，本文采用如下策略：

1) 地圖表達(dá)采用二維平面圖與三維透視圖相結(jié)合的方法。平面圖中用屬性的形式包含高程信息，平面圖和透視圖具有相同的地理空間坐標(biāo)系統(tǒng)。

2) 定位導(dǎo)航功能包含兩部分：平面圖上的水平路徑導(dǎo)航，圖層間相對(duì)獨(dú)立；透視圖上的三維立體路徑導(dǎo)航，具有總覽性。

3) 地圖的顯示采用比例尺控制，實(shí)現(xiàn)三維到二維的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。在小比例尺情況下，顯示室內(nèi)三維地圖具有全局性；當(dāng)放大比例尺到閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換為二維平面圖，通過(guò)當(dāng)前鼠標(biāo)所在位置來(lái)確定樓層并調(diào)入相應(yīng)的平面圖，具有局部細(xì)節(jié)性。

三、室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)研究

根據(jù)上述的室內(nèi)地圖表達(dá)和定位策略，需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)有：各樓層的二維平面地圖、二維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集；建筑物的三維透視地圖、三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。本文以招商大廈地下車(chē)庫(kù)為例，結(jié)合ArcGIS軟件，對(duì)室內(nèi)地圖表達(dá)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，其流程如圖1所示。

圖1　室內(nèi)地圖表達(dá)設(shè)計(jì)流程

1. 二維平面地圖設(shè)計(jì)

(1) 地圖表達(dá)符號(hào)的設(shè)計(jì)

室內(nèi)地圖信息密度高，需要更加精確完備的符號(hào)系統(tǒng)才能有效地表達(dá)室內(nèi)空間信息。Weisman定義了4個(gè)影響尋路的變量：視覺(jué)通視性、建筑的可區(qū)分性、樓層平面的復(fù)雜性、標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和房間號(hào)[4]。本文通過(guò)顏色、填充的符號(hào)、文字注記等方式組合來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間信息的有效表達(dá)。

分析室內(nèi)建筑的類(lèi)別，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，為每一類(lèi)建筑分配一種顏色，從而實(shí)現(xiàn)建筑的可區(qū)分性。例如，本文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是招商大廈地下車(chē)庫(kù)，通過(guò)分析可對(duì)其中的待區(qū)分建筑按功能分為以下幾類(lèi)：停車(chē)位、出入口(樓梯、電梯和車(chē)行出入口)、辦公室、設(shè)備井、公共活動(dòng)室(餐廳、廁所、淋浴間、休息室)、通道，分配的顏色分別為黃綠、淺藍(lán)、石綠、桔粉、玫紅和肉粉，如圖2所示。通過(guò)顏色的配置可以實(shí)現(xiàn)建筑物的區(qū)分，用戶(hù)能夠一目了然地發(fā)現(xiàn)各個(gè)不同功能的建筑區(qū)域。

但是，僅僅通過(guò)顏色只能區(qū)分不同的建筑區(qū)域，還不能給用戶(hù)確切的定位提示，因此還應(yīng)利用地圖符號(hào)和注記，使地圖具有可閱讀性，根據(jù)地圖表示的空間信息實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航功能。

圖2　賦值了顏色的室內(nèi)區(qū)域

在停車(chē)場(chǎng)中，停車(chē)位是一個(gè)非常重要的標(biāo)識(shí)，而且數(shù)量眾多，為了在地圖上明確表示，采用點(diǎn)符號(hào)和注記共同表示，點(diǎn)符號(hào)表達(dá)的信息為該建筑區(qū)域?yàn)橥＼?chē)位，注記補(bǔ)充說(shuō)明停車(chē)位編號(hào)信息。出入口也采用點(diǎn)符號(hào)和注記的形式進(jìn)一步區(qū)分出樓梯、電梯和車(chē)行出入口區(qū)域，如圖3所示。

室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)中要充分利用一些約定成俗的標(biāo)識(shí)，設(shè)計(jì)的符號(hào)與建筑物中的標(biāo)識(shí)保持一致，并注意路線(xiàn)重要決策點(diǎn)處的地標(biāo)性物體在地圖上著重表達(dá)，將更加有利于用戶(hù)方向、方位的認(rèn)知。

圖3　地圖表達(dá)符號(hào)設(shè)計(jì)

(2) 導(dǎo)航路徑規(guī)劃

相對(duì)于室外電子地圖來(lái)說(shuō)，室內(nèi)電子地圖包含的地理信息比較少，可以直接在GIS軟件上規(guī)劃路徑信息，創(chuàng)建導(dǎo)航電子地圖。首先，在現(xiàn)有圖層的基礎(chǔ)上建立一個(gè)線(xiàn)要素圖層，在該圖層上添加所有路徑信息，實(shí)現(xiàn)每個(gè)房間、車(chē)位等所要到達(dá)地點(diǎn)均有路可尋。為了后續(xù)的三維轉(zhuǎn)換，每條線(xiàn)要素都存儲(chǔ)了高程屬性。

道路圖層建立完畢后，利用ArcGIS軟件中的ArcCatalog創(chuàng)建并生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集在創(chuàng)建時(shí)不考慮高程信息。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中包含一個(gè)點(diǎn)圖層和一個(gè)線(xiàn)圖層，通過(guò)兩個(gè)圖層，將每個(gè)邏輯上不相關(guān)的路徑信息結(jié)合到一起，形成路徑連通網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。通過(guò)GIS軟件制作加入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集之后的招商大廈負(fù)一層電子導(dǎo)航地圖，如圖4所示。

圖4　招商大廈負(fù)一層導(dǎo)航電子地圖

2. 三維透視圖設(shè)計(jì)

(1) 平面要素轉(zhuǎn)三維要素

通過(guò)三維視圖可以深入了解通過(guò)相同數(shù)據(jù)的平面地圖不易覺(jué)察的內(nèi)容，特別是在室內(nèi)情況下，可以為用戶(hù)提供更為全面和直觀(guān)的多樓層間的空間信息關(guān)系。利用ArcGIS提供的三維分析工具，可以將帶有高程信息的平面要素轉(zhuǎn)換為三維要素，然后將不同樓層的同類(lèi)要素合并到一個(gè)圖層中，并按樓層進(jìn)行子類(lèi)劃分。在三維模型中，所有的要素都具有X、Y和Z坐標(biāo)值，因此在平面視圖中具有相同平面坐標(biāo)的要素在三維視圖實(shí)現(xiàn)了區(qū)分識(shí)別。利用ArcScene建立車(chē)庫(kù)三維模型，如圖5所示。

圖5　招商大廈車(chē)庫(kù)三維模型

(2) 三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集規(guī)劃

基于三維要素進(jìn)行定位導(dǎo)航，需要以三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)。三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的建立包含兩部分，分別為樓層內(nèi)的水平路徑規(guī)劃和樓層間垂直路徑規(guī)劃。樓層內(nèi)水平路徑規(guī)劃可以在二維平面道路層的基礎(chǔ)上制作，基于高程屬性值將各樓層的道路圖層轉(zhuǎn)化為三維要素，并將所有樓層的數(shù)據(jù)合并到一個(gè)圖層中，即可得到三維的樓層內(nèi)水平道路圖層，如圖6所示。

樓層間的垂直路徑在三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中十分重要，保證了樓層間的相互連通性，需要單獨(dú)建立。樓層間的路徑是通過(guò)樓層間的通道實(shí)現(xiàn)的，如樓梯、電梯、車(chē)輛入口等，可以通過(guò)建立出入口點(diǎn)圖層，然后根據(jù)點(diǎn)圖層的定位信息，新建三維折線(xiàn)圖層，根據(jù)實(shí)際情況用折線(xiàn)連接樓層間的出入口，建立垂直路徑。這樣建立的垂直路徑能夠保證與水平路徑的精確連接，減少錯(cuò)誤。圖7顯示了基于樓層出入口建立的垂直路徑。

圖6　樓層內(nèi)的水平路徑

樓層內(nèi)的水平路徑和樓層間的垂直路徑圖層建立完畢后，利用ArcCatalog生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，注意創(chuàng)建時(shí)高程模型應(yīng)考慮“使用幾何Z坐標(biāo)值”選項(xiàng)，這樣才可建立三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。

圖7　樓層間的垂直路徑

四、 地圖信息的融合機(jī)制

室內(nèi)導(dǎo)航的終端設(shè)備一般是移動(dòng)智能手機(jī)，受本身硬件條件的限制，存儲(chǔ)空間有限，因此對(duì)于占用內(nèi)存較大的三維數(shù)據(jù)可以放到本地服務(wù)器上，用戶(hù)發(fā)送導(dǎo)航請(qǐng)求獲取起終點(diǎn)之間的最短路徑，發(fā)送給用戶(hù)。當(dāng)用戶(hù)獲得路徑導(dǎo)航的概要圖，進(jìn)行放大觀(guān)察時(shí)，可以根據(jù)比例尺閾值及其當(dāng)前點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到二維平面視圖中，二維平面數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在手機(jī)終端上，從而加快數(shù)據(jù)顯示和加載的速度。圖8展示了根據(jù)用戶(hù)輸入的起終點(diǎn)位置在三維透視圖中實(shí)現(xiàn)的最短路徑導(dǎo)航功能，并能夠?qū)θS導(dǎo)航地圖進(jìn)行放大、縮小、變換視角漫游。當(dāng)放大比例尺達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為二維平面視圖，如圖9所示，展示了圖8中的路徑在負(fù)二層中的部分，同時(shí)也支持放大、縮小、漫游等功能，為用戶(hù)提供更為翔實(shí)的定位提示服務(wù)。

圖8　三維室內(nèi)導(dǎo)航地圖

圖9　二維平面樓層導(dǎo)航地圖

五、 結(jié)束語(yǔ)

隨著室內(nèi)位置服務(wù)的興起，室內(nèi)地圖的研究必然引起人們的重視。充分認(rèn)識(shí)室內(nèi)環(huán)境的空間特點(diǎn)，并借鑒室外地圖豐富的研究成果，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)與室外一體化的導(dǎo)航地圖。本文討論了室內(nèi)三維與二維導(dǎo)航地圖一體化的相關(guān)技術(shù)，筆者認(rèn)為隨著三維一體化思想和可視技術(shù)的日趨成熟，地圖服務(wù)在室外與室內(nèi)將混然為一體，室內(nèi)的位置服務(wù)將實(shí)現(xiàn)“三維建筑整體→二維樓層平面→三維室內(nèi)場(chǎng)景”的目標(biāo)。

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