室內(nèi)導(dǎo)航模型研究綜述

韓李濤 鄭瑩 類延輝 吳佳怡

摘要：隨著室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用需求的不斷增加，室內(nèi)導(dǎo)航已成為目前很多技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，而室內(nèi)導(dǎo)航模型的研究是其中的核心內(nèi)容。闡述了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的幾個(gè)典型室內(nèi)導(dǎo)航模型的建模原理及方法，并從室內(nèi)模型的信息豐富度、構(gòu)建復(fù)雜性以及模型易用性等角度對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)導(dǎo)航；室內(nèi)定位；導(dǎo)航模型；三維路徑

DOIDOI：10.11907/rjdk.161371

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）005-0001-03

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，大型建筑物內(nèi)部構(gòu)造變得更加復(fù)雜，加重了人們的空間認(rèn)知負(fù)擔(dān)，使室內(nèi)尋路變得更加困難。特別是在商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、會(huì)展中心等大型公共場(chǎng)所，室內(nèi)“迷路”的情況尤為突出，室內(nèi)導(dǎo)航因此得到越來越多的關(guān)注[1]。近年來，對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)的研究逐漸興起。20世紀(jì)90年代，美國(guó)Arc Second公司開發(fā)完成了首套室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為室內(nèi)GPS；2009年，Google推出了一項(xiàng)新的Google地圖，可為建筑物提供室內(nèi)地圖；2010年，諾基亞研發(fā)了高精度室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)，通過藍(lán)牙和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行室內(nèi)定位；2012年，諾基亞、三星、索尼移動(dòng)以及其它19家公司聯(lián)合成立了“室內(nèi)定位聯(lián)盟”（In-Location Alliance）[2]。目前，室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)更多地關(guān)注于室內(nèi)定位技術(shù)的研究和實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于完整室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)所必需的室內(nèi)導(dǎo)航模型（室內(nèi)信息組織）的研究則相對(duì)薄弱。事實(shí)上，室內(nèi)導(dǎo)航模型在室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的各種功能實(shí)現(xiàn)中起著重要作用，如最優(yōu)路徑規(guī)劃離不開室內(nèi)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，路徑三維表達(dá)離不開室內(nèi)幾何甚至紋理信息，而路徑查詢過程中的交互過程離不開室內(nèi)語義信息。這些室內(nèi)信息的有效組織和存儲(chǔ)是保證系統(tǒng)導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。因此，本文將對(duì)現(xiàn)有的典型室內(nèi)導(dǎo)航模型及建立方法進(jìn)行闡述，并重點(diǎn)對(duì)比分析其優(yōu)缺點(diǎn)，從而為室內(nèi)導(dǎo)航模型進(jìn)一步研究提供借鑒[3-4]。

1 室內(nèi)導(dǎo)航模型研究現(xiàn)狀

室內(nèi)導(dǎo)航模型是指為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，需要對(duì)室內(nèi)各種空間要素和信息進(jìn)行有效組織和存儲(chǔ)，從而為室內(nèi)定位、信息查詢、路徑分析、實(shí)時(shí)導(dǎo)航等各種室內(nèi)導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)和模型支持。隨著人們?cè)谑覂?nèi)活動(dòng)更加頻繁和建筑物的室內(nèi)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，學(xué)者們對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的研究也更加深入，室內(nèi)導(dǎo)航模型由原來信息單一的簡(jiǎn)單模型逐漸發(fā)展為包含豐富信息的復(fù)雜模型。本文將根據(jù)時(shí)間先后對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的發(fā)展過程和現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

早期常見的是符號(hào)模型[5]。其原理是將室內(nèi)空間對(duì)象用帶有特定ID標(biāo)識(shí)的符號(hào)元素來表示，用于表達(dá)室內(nèi)空間元素的相互關(guān)系。這類模型符合人的空間認(rèn)知特性，但缺少對(duì)室內(nèi)的幾何描述，且只能給出粗略的相互關(guān)系描述。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)幾何和拓?fù)涞慕y(tǒng)一描述，Lee[6-7]等利用對(duì)偶圖理論將室內(nèi)空間抽象表示為節(jié)點(diǎn)和邊，并通過直中軸變換方式將二維通道轉(zhuǎn)換為一維的線，構(gòu)建了三維室內(nèi)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型。

杜建庚[8-9]使用基于圖像細(xì)化算法、特征點(diǎn)提取算法等建立單層樓的樓道路徑，并將房間作為結(jié)點(diǎn)連接到樓道路徑上，單獨(dú)考慮房間內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立單層樓層的路徑圖，然后用樓梯結(jié)點(diǎn)和電梯結(jié)點(diǎn)把相鄰的單層路徑圖連接起來，生成三維路徑模型。該路徑模型是由弧和結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成的帶權(quán)圖結(jié)構(gòu)，弧上可賦予不同的權(quán)值；Yuan[10]等提出“門-門”的建模方式，將門抽象表示為節(jié)點(diǎn)，門之間的連接表示為邊，通過增加可視點(diǎn)的方式保證節(jié)點(diǎn)之間的通視性；趙新云[11]提出了一種基于概念格的室內(nèi)導(dǎo)航模型，該模型基于位置—出口模式，引入錐形模型的方向關(guān)系和度量關(guān)系，建立用戶本體和空間本體，使用本體來表示模型，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行推理，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的上下文導(dǎo)航服務(wù)。

溫永寧、張紅平、閭國(guó)年[12]等進(jìn)行了樓宇三維尋徑分析研究，選用房產(chǎn)空間管理數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，將樓道多邊形的邊界當(dāng)作離散的點(diǎn)，然后構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)[13]，以三角形邊線的中點(diǎn)或三角形重心作為中軸線的結(jié)點(diǎn)，依次連接這些結(jié)點(diǎn)，得到樓道多邊形的中軸線，最后得到拓?fù)渎窂骄W(wǎng)絡(luò)；余文芳[14]在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下導(dǎo)航位置模型基本理論和方法研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種室內(nèi)應(yīng)急疏散導(dǎo)航位置模型。利用傳感器數(shù)據(jù)采集、建模等方式獲取室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)上下文數(shù)據(jù)，并利用室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型、應(yīng)急導(dǎo)航上下文數(shù)據(jù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行查詢、分析處理，以提供導(dǎo)航、輔助決策等服務(wù)。

林雕[15]提出基于圖論的建模方法，模型綜合考慮幾何、拓?fù)?、語義三類信息的表達(dá)，利用圖的建模方法建立室內(nèi)導(dǎo)航概念模型，在房間內(nèi)部增加內(nèi)點(diǎn)來保證可視性，模型中節(jié)點(diǎn)和邊與室內(nèi)實(shí)體之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可用于支持室內(nèi)的導(dǎo)航推理；針對(duì)干預(yù)過多和效率較低等問題，牛磊[16]提出了一種自動(dòng)化構(gòu)建室內(nèi)通行網(wǎng)絡(luò)的方案，對(duì)CityGMLLOD4格式存儲(chǔ)的建筑物通行數(shù)據(jù)存在的各類典型問題進(jìn)行對(duì)應(yīng)性的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤修正和補(bǔ)全，然后結(jié)合室內(nèi)可通行空間的特點(diǎn)，引入正交多邊形分割算法和鄰近關(guān)系分析算法，完成室內(nèi)通行網(wǎng)絡(luò)的提取。

2 現(xiàn)有室內(nèi)導(dǎo)航模型比較

為了對(duì)比和評(píng)價(jià)現(xiàn)有的室內(nèi)導(dǎo)航模型，可以根據(jù)模型提供信息的豐富程度、模型構(gòu)建的難易程度以及模型滿足導(dǎo)航應(yīng)用的適用程度等幾方面考慮，具體如下：

（1）模型的適應(yīng)性。適應(yīng)性是指導(dǎo)航的行為應(yīng)滿足不同種類的用戶需要，例如：人員疏散、救援、應(yīng)急管理等。不同人員對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航有不同的認(rèn)識(shí)方法、不同的時(shí)間要求，以及不同的導(dǎo)航方式[17]。

（2）模型信息的豐富度。模型中節(jié)點(diǎn)和邊需包含相應(yīng)的屬性信息，以便于路徑的連通性、路徑計(jì)算和可視化。語義信息是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的關(guān)鍵所在，需將節(jié)點(diǎn)所表示的空間類型、通道的方向性、門的開關(guān)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值等語義信息通過節(jié)點(diǎn)和邊的屬性信息來表示。

（3）模型構(gòu)建的復(fù)雜度。數(shù)據(jù)的選擇和三維路徑的提取方法是構(gòu)建模型復(fù)雜度的影響因素，數(shù)據(jù)包含的屬性信息、精度、拓?fù)渫陚湫院痛鎯?chǔ)方式等不同，對(duì)模型構(gòu)建具有不同要求，并產(chǎn)生不同程度的復(fù)雜度。選擇滿足室內(nèi)導(dǎo)航的數(shù)據(jù)和更好更快地生成符合人們行走習(xí)慣的三維路徑構(gòu)建方法，是降低模型構(gòu)建復(fù)雜度的關(guān)鍵所在。

基于上述指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有的室內(nèi)導(dǎo)航模型進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，如表1所示。

3 室內(nèi)導(dǎo)航模型分類

根據(jù)模型包含信息的類型和豐富程度，結(jié)合文獻(xiàn)[18]，對(duì)上述現(xiàn)有室內(nèi)模型進(jìn)行了歸類，大致分為3類：

（1）語義模型。語義模型大都基于本體論，由空間本體表示實(shí)體間的關(guān)系。室內(nèi)實(shí)體在擁有一個(gè)名稱的同時(shí)，還具有其本身的屬性信息以及與其它實(shí)體間的關(guān)系，通過空間實(shí)體和各類關(guān)系的語義特征，進(jìn)行目標(biāo)定位。前期的符號(hào)模型、趙新云提出的概念格模型和余文芳的上下文導(dǎo)航位置模型都屬于語義模型。

（2）拓?fù)淠Ｐ?。拓?fù)淠Ｐ褪敲枋隹臻g目標(biāo)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，其中多邊形被分割為節(jié)點(diǎn)和弧段。拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建完畢后再加入結(jié)構(gòu)化且豐富的數(shù)、質(zhì)量信息。Lee的對(duì)偶圖模型、杜建庚基于圖像細(xì)化提出的模型、Yuan的“門-門”原理、溫永寧的Delaunay三角網(wǎng)建立的模型與牛磊的基于CityGMLLOD4的室內(nèi)通行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的模型把空間抽象為點(diǎn)和邊，對(duì)點(diǎn)和邊賦予屬性值來確立它們之間關(guān)系的拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

（3）混合模型?；旌夏Ｐ腿诤蠋缀?、語義、拓?fù)湫畔?，使室?nèi)導(dǎo)航模型能滿足不同用戶不同的導(dǎo)航需求。林雕的基于圖論的建模即為結(jié)合了幾何、語義、拓?fù)湫畔⒌幕旌夏Ｐ蚚15]。

4 結(jié)語

許多應(yīng)用領(lǐng)域如室內(nèi)尋路、緊急救援和疏散、樓宇安全等需要室內(nèi)導(dǎo)航模型的支持，對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的研究已成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。本文從室內(nèi)導(dǎo)航模型的構(gòu)建方法和原理出發(fā)，介紹了現(xiàn)有的幾種典型室內(nèi)導(dǎo)航模型，根據(jù)模型包含信息的類型和豐富程度對(duì)其進(jìn)行了分類，并探討了各種室內(nèi)導(dǎo)航模型的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，室內(nèi)導(dǎo)航模型將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，人們對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的要求也將更高?，F(xiàn)有的室內(nèi)導(dǎo)航模型尚存在一定問題，如模型包含的信息不足、提取路網(wǎng)的方法冗雜和提取的路徑不符合人們行走習(xí)慣等。因此，發(fā)展集成幾何、語義與拓?fù)湫畔⒌娜S室內(nèi)導(dǎo)航信息模型和更快速、有效提取路網(wǎng)的方法是下一步研究的課題。

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Abstract：With the increasing indoor navigation application requirements，at present，indoor navigation is a lot of technology research hot spot，has a broad prospect of application and research value.Its core is the study of the indoor navigation model.The article describes the current domestic and international indoor navigation models principles and methods，from information richness and complexity of building and model applicability analyses their advantages and disadvantages.

Key Words：Indoor Navigation；Indoor Positioning；Navigation Model；3-dimensional Path