基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公共建筑室內(nèi)導(dǎo)向系統(tǒng)初探

肖慧，石振慶，王永輝，劉猛，董紅影

（滁州學院地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000）

1 概述

隨著現(xiàn)代城市功能的不斷升級，大型公共建筑數(shù)量日趨增多，結(jié)構(gòu)功能也愈加復(fù)雜，用戶群體無法快捷有效的到達預(yù)訂的目的地，迷路等問題突現(xiàn)[1]。公共建筑室內(nèi)導(dǎo)向需求迅速增長，使得室內(nèi)地圖以及導(dǎo)航定位研究成為室內(nèi)導(dǎo)航研究的重要發(fā)展方向[2]。隨著科技的發(fā)展三維建筑模型技術(shù)也日趨成熟，如何將三維建筑模型與室內(nèi)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)合也成了研究者們亟待解決的問題。

二維碼識別技術(shù)是自動識別技術(shù)最底層的信息存儲技術(shù),有著成本低、存儲數(shù)據(jù)多、識別性強的特點。隨著移動網(wǎng)絡(luò)的普及化,愈來愈多的企業(yè)和部門在建設(shè)中增加了移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用強度,但由于移動終端存在大量地址記憶，使用時需將相應(yīng)的移動網(wǎng)址輸入至智能手機或平板電腦等移動設(shè)備中,增加了用戶的接入成本,便捷度不高。而通過基于二維碼的識別解碼技術(shù)處理,以二維碼為互聯(lián)網(wǎng)入口、存儲移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)址，可大大提高現(xiàn)有的移動終端網(wǎng)絡(luò)訪問的便捷度。同時,隨著二維碼的廣泛應(yīng)用,具備二維碼讀取功能的移動智能設(shè)備也快速普及化。通過手機等便攜式移動終端掃描建筑物大堂、電梯口等處的二維碼,進入公共建筑導(dǎo)向入口，通過簡單搜索和識別便能獲得建筑物內(nèi)部空間信息和位置服務(wù)。

2 室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

據(jù)相關(guān)研究表明，人們在室內(nèi)空間所花費的時間平均占比高達89%，如工作、學習、社交娛樂[3]。近年來，大型公共建筑數(shù)量和結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，基于室外定位導(dǎo)航等位置服務(wù)技術(shù)日趨成熟使得人們對室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)的研究進一步探索和深入。美國Arc Second公司早在20世紀90年代便開發(fā)了第一套名為室內(nèi)GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)；2009年谷歌推出了為建筑物提供室內(nèi)地圖服務(wù)的Google地圖；2010年諾基亞研發(fā)了通過低耗能藍牙和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進行室內(nèi)定位的導(dǎo)航技術(shù)；諾基亞、索尼移動以及其它19家公司在2012年聯(lián)合成立了“室內(nèi)定位聯(lián)盟”（In-Location Alliance）[4]。但是目前的室內(nèi)定位系統(tǒng)還存在缺陷，GPS無法在室內(nèi)、地下室很好的運行，WiFi網(wǎng)絡(luò)和低耗能藍牙導(dǎo)航技術(shù)提供的位置信息精準度不高，以及一系列的室內(nèi)地圖都是以二維地圖的方式展現(xiàn)而在室內(nèi)無法準確指出用戶所在的位置。因此，一個結(jié)合空間基本信息和三維透視建筑模型的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)值得進一步研究。

3 面向室內(nèi)導(dǎo)向的三維建筑模型

3.1 室內(nèi)空間特點及三維建模

建筑室內(nèi)空間是人造空間，范圍廣泛。通常被簡要定義為人們活動時所處的建筑環(huán)境（如住宅、房屋等）[5]。建筑室內(nèi)空間本身也是人們對空間布局和位置的認知與理性思考的結(jié)果。與室外空間相比，室內(nèi)空間具有多變性、多層性以及封閉性的特點[6]。一棟建筑的室內(nèi)空間是由多個子空間組合而成，根據(jù)不同的訪問需求每個子空間的訪問權(quán)限也有所區(qū)別。

隨著科技經(jīng)濟發(fā)展以及市場需求的增長三維建模技術(shù)以其直觀、可視、便捷的特點廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、虛擬場景、3D游戲等方面。常用的三維建筑模型主要為城市三維景觀模型，三維景觀模型僅用于可視化目的，通常以幾何模型為主。與其相比室內(nèi)三維模型根據(jù)建筑的不同類型和不同結(jié)構(gòu)增加了更多的拓撲信息與空間數(shù)據(jù)[7]。

3.2 室內(nèi)三維模型的特征

室內(nèi)空間由其結(jié)構(gòu)（墻、柱、門窗等）及設(shè)施（家具、裝飾等）所構(gòu)成的特殊性決定了其應(yīng)采用泛化建模的方式以滿足不同的空間信息需求。隨著三維建模技術(shù)、計算機視覺、數(shù)據(jù)融合處理等技術(shù)的發(fā)展，為室內(nèi)三維建模提供了技術(shù)與理論基礎(chǔ)?？紤]到建筑室內(nèi)空間和人們行為的特殊性，室內(nèi)三維建模應(yīng)具備細節(jié)層次高、渲染精度適用，具有較高的信息共享和相互操作的特征，同時應(yīng)具備相應(yīng)的位置信息、拓撲關(guān)系及查詢功能。

4 面向室內(nèi)導(dǎo)向的三維建模與實例分析

4.1 室內(nèi)導(dǎo)向三維模型構(gòu)建

目前可提供三維建模的軟件有有3DMax、Vega、Sketchup、AutoCAD、IMAGIS等，本文在已有的三維建模研究基礎(chǔ)上對室內(nèi)三維模型構(gòu)建方法進行簡要的分析，室內(nèi)空間三維模型構(gòu)建主要分為手工建模和自動化建模2種。

手工建模主要分為4步：①模型幾何數(shù)據(jù)的獲取，有建筑設(shè)計圖則可以通過計算機導(dǎo)出數(shù)據(jù)獲取，若無圖紙則需要采用激光掃描儀、鋼尺等工具進行人工測量；②紋理數(shù)據(jù)獲取，主要通過相機拍照采集，再利用Photoshop進行修正處理獲得；③構(gòu)建室內(nèi)三維模型，使用AutoCAD繪制室內(nèi)平面圖，再用Sketchup構(gòu)建草圖成品，最后用3dsMax軟件進行渲染和貼圖；④模型完善后將形成所適用的三維可視模型導(dǎo)出。

自動化建模則需要基于手持激光掃描儀或利用雙目相機的SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）系統(tǒng)[8]等多傳感器對室內(nèi)空間進行掃描以獲取高精度數(shù)據(jù)，進行室內(nèi)建筑三維模型初步構(gòu)建與細化。但相比于手工建模，自動化建模設(shè)計算法更加復(fù)雜且價格昂貴，本文主要以傳統(tǒng)的手工建模方式進行面向公共建筑室內(nèi)導(dǎo)向的三維建模探索。

4.2 實例分析

本文以某學院辦公樓（全樓共6層，各層布局相同）為例，首先經(jīng)人工測量收集建筑的長寬尺寸、進深尺寸等外觀數(shù)據(jù)。后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)使用AutoCAD軟件繪制某辦公樓的各層平面草圖，如圖1所示。

圖1 某辦公樓一層平面圖

將各層平面圖導(dǎo)入至SketchuP軟件中，在AutoCAD底圖上利用建筑前期的實測信息建立辦公樓內(nèi)外三維模型，如圖2所示。

圖2 某辦公樓三維模型

將模型導(dǎo)入3DMAX軟件中進行渲染、貼圖等修飾，增加三維模型的精細度，后利用FME轉(zhuǎn)換為gml文件格式，將選取的已知點落于建筑物的主要出入口處，進行本地坐標與實際坐標互相轉(zhuǎn)換，獲取室內(nèi)位置坐標信息。為實現(xiàn)三維建筑模型的精確性和可視化優(yōu)越性模型必須具有一定的可維護性以及較強的擴展性，CityGML4J擴展包可提供技術(shù)支持，并能夠?qū)θS模型進行解析，將相關(guān)的語義信息及標志信息同時添加。要形成完整的面向室內(nèi)定位的三維模型還需利用LandXplorer City GML Viewer對三維模型進行最后的修繕以及可視化編輯。

4.3 二維碼的制作與使用

公共建筑導(dǎo)向系統(tǒng)以二維碼作為導(dǎo)向系統(tǒng)入口，用戶通過掃描二維碼進入單體建筑導(dǎo)向系統(tǒng)。主要功能是提供信息檢索、模型加載、場景匹配和組織，通過用戶檢索要求提取相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送至個人移動終端。

二維碼利用組件dotNetBarcode.dll進行制作。在系統(tǒng)中導(dǎo)入該動態(tài)鏈接庫后，使用時即可生成該對象。該控件自帶Type屬性，可指定條碼的類型，屬性值包括 QRCode、Jan13、Jan8、Code39。本系統(tǒng)可選用QRCode作為二維碼的碼制類型，使用QRW rite Bar指定二維碼大小，Save File Type用于保存二維碼的文件類型，QR Save為保存生成的二維碼。

在公共建筑導(dǎo)向系統(tǒng)中實現(xiàn)制作二維碼的過程主要分為五個步驟：①定義二維碼對象；②定義生成二維碼對象的類型；③定義二維碼對象的具體內(nèi)容；④定義二維碼對象的生成屬性；⑤定義二維碼對象的保存屬性。二維碼掃描界面初步設(shè)計如圖3所示。

4.4 系統(tǒng)運用反饋

將制作出的二維碼打印出來，張貼于辦公樓入口處，通過對多位訪客進行使用情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)營造一目了然的建筑內(nèi)部空間分布信息，可避免使用者盲目尋找和進錯門的各種尷尬，并且可以用情景導(dǎo)向的方式令使用者以最便捷的路徑到達目的地，節(jié)約時間。另外通過系統(tǒng)可提供該建筑的全部信息，也為建筑文化愛好者提供了一個良好的信息平臺。通過訪客的使用情況滿意度調(diào)查分析，該系統(tǒng)的運用推廣具有廣泛前景。

圖3 二維碼掃描界面初步設(shè)計

5 總結(jié)

智能導(dǎo)向的運用可以快速提高公共建筑內(nèi)部信息化、數(shù)字化、動態(tài)化管理水平,并可與現(xiàn)代科學技術(shù)水平緊密結(jié)合?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展和智能化移動終端的普及決定了公共建筑室內(nèi)導(dǎo)向位置服務(wù)發(fā)展的必然性。室內(nèi)定位的傳統(tǒng)定位的方式還存在準確和精度方面的問題，由于三維模型渲染和實時更新數(shù)據(jù)信息量過于龐大，個人移動終端后臺加載模式有待進一步優(yōu)化。