IndoorGML室內(nèi)空間模型描述

袁德寶，閆 瑜，王炳靈

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

近年來(lái)，空間信息科學(xué)應(yīng)用的范圍從宏觀向微觀轉(zhuǎn)變，處理的空間尺度已經(jīng)從開(kāi)放的室外環(huán)境轉(zhuǎn)向復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境[1-2]。相關(guān)的研究工作顯示出室內(nèi)空間位置服務(wù)應(yīng)用在未來(lái)時(shí)代的發(fā)展?jié)摿薮螅缏窂揭?guī)劃、對(duì)象跟蹤、個(gè)性化推薦等[3-5]。

室內(nèi)空間與室外空間的一個(gè)重要區(qū)別是空間約束，移動(dòng)對(duì)象在室外空間不受任何約束，而在室內(nèi)空間存在各種室內(nèi)空間約束，如門、走廊、地板、墻壁和樓梯等[6-8]。由于室內(nèi)空間的特殊性，在討論室內(nèi)空間位置服務(wù)應(yīng)用之前，需要關(guān)注的問(wèn)題是如何建立一個(gè)能夠表示室內(nèi)空間復(fù)雜特征的模型，室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型的表達(dá)能力是影響室內(nèi)位置服務(wù)的關(guān)鍵性因素[9-13]。目前已有的室內(nèi)空間建模方法主要分為3類：對(duì)象特征模型、幾何空間模型、符號(hào)空間模型。但是現(xiàn)有的表示模型不足以對(duì)室內(nèi)空間特性作全面的表達(dá)，只能滿足特定查詢應(yīng)用條件，不能滿足多樣化的位置服務(wù)需求[14-16]。綜上，本文提出一種多元混合室內(nèi)空間模型以滿足這一需求。

大量的應(yīng)用程序都是基于路徑內(nèi)部建立的，這種類型的應(yīng)用程序需要相同的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行導(dǎo)航分析和信息交換,將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式是導(dǎo)航的需求[17]。目前的研究多是應(yīng)用GityGML來(lái)描述模型，但CityGML是基于XML格式的用于存儲(chǔ)及交換虛擬3D城市模型的開(kāi)放數(shù)據(jù)模型，更適用于室外空間的描述[18-20]。IndoorGML是用于室內(nèi)空間信息的開(kāi)放數(shù)據(jù)模型和XML模式的OGC標(biāo)準(zhǔn)，旨在提供一個(gè)共同的室內(nèi)空間信息交換的框架[21-23]。綜上，本文使用IndoorGML來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空間模型的描述以滿足模型共享的需求。

1 多元混合室內(nèi)空間模型

為了彌補(bǔ)已有室內(nèi)空間模型在室內(nèi)定位導(dǎo)航中的缺陷，建立的多元混合室內(nèi)空間模型包括以下特性：①幾何特性：用于描述室內(nèi)空間元素的形狀、大小、邊界，室內(nèi)位置間方向信息，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間幾何位置特性的表達(dá)，一般采用基于區(qū)域的柵格模型和基于邊界的矢量模型描述；②拓?fù)涮匦裕簩⑹覂?nèi)空間元素表示為特定ID值標(biāo)識(shí)的符號(hào)實(shí)體，利用符號(hào)實(shí)體間的抽象關(guān)聯(lián)(鄰接、連通、包含、重疊等)表達(dá)室內(nèi)空間元素間的拓?fù)潢P(guān)系；③對(duì)象擴(kuò)展特性：將室內(nèi)空間元素作為對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都賦予屬性信息，可以通過(guò)擴(kuò)展將對(duì)象加入到室內(nèi)空間模型中。

多元混合室內(nèi)空間模型需具備以上特性，因此使用柵格圖和節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖的組合來(lái)對(duì)室內(nèi)空間建模。柵格圖的建立類似于幾何空間模型中柵格模型的建立，即針對(duì)對(duì)象做漁網(wǎng)圖，將其劃分為規(guī)則的正四邊形。但是要注意劃分的正四邊形邊長(zhǎng)越短，越密集，用于幾何查詢的精度就會(huì)越高，同時(shí)數(shù)據(jù)冗余就會(huì)增多，搜索的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性會(huì)稍微差一點(diǎn)；但是將正四邊形的邊長(zhǎng)增大后，幾何精度就會(huì)降低，進(jìn)而影響室內(nèi)定位的精度。因此需要折中處理，既要滿足精度要求，又要減少數(shù)據(jù)冗余。節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖的建立類似于符號(hào)空間模型的圖模型，在室內(nèi)空間模型中重點(diǎn)關(guān)注的是室內(nèi)空間的邏輯圖，即室內(nèi)空間各個(gè)區(qū)域通過(guò)走廊大廳等是否可達(dá)。在邏輯圖背景下才能進(jìn)一步討論導(dǎo)航圖。邏輯圖主要是確定區(qū)域、走廊、大廳之間的拓?fù)潢P(guān)系，這種關(guān)系的建立基于Poincare級(jí)數(shù)的二元性，如圖1映射關(guān)系圖所示，將N維原始空間中的k維對(duì)象映射到雙重空間中的(N-k)維。

在圖1中，室內(nèi)空間中的三維單元被變換為零維節(jié)點(diǎn)，由兩個(gè)單元共享的二維邊界被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)雙重空間中的一維邊。通過(guò)Poincare級(jí)數(shù)二元性從原始空間轉(zhuǎn)換的一組節(jié)點(diǎn)和邊形成連接室內(nèi)單元格的拓?fù)鋱D空間。此外還可以考慮邊緣的類型導(dǎo)出連接圖的鄰接圖，如果邊緣表示門的邊界，則該邊緣的兩個(gè)結(jié)束節(jié)點(diǎn)被連接，否則它們被斷開(kāi)，可以在邊緣定義更多的屬性來(lái)表示門的方向和類型等附加信息。

2 基于IndoorGML的模型描述

2.1 確定描述對(duì)象

使用IndoorGML語(yǔ)言描述室內(nèi)空間模型需要一個(gè)基本的模板，來(lái)為各個(gè)元素賦予屬性。IndoorGML基于XML語(yǔ)言，在XML中屬性標(biāo)簽沒(méi)有嚴(yán)格的規(guī)定，可以根據(jù)使用者需求自行建立，因此，在IndoorGML中結(jié)合OGC標(biāo)準(zhǔn)和用戶需求創(chuàng)建屬性標(biāo)簽。室內(nèi)空間定位與導(dǎo)航大多是在博物館、商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等大型公共場(chǎng)所，因此室內(nèi)空間描述對(duì)象也是基于這些場(chǎng)所的。由于這些場(chǎng)所之間存在較大差異，很難使用統(tǒng)一的屬性標(biāo)簽對(duì)其描述，故需要針對(duì)不同的場(chǎng)所創(chuàng)建不同的標(biāo)簽。

2.2 屬性標(biāo)簽

屬性標(biāo)簽具有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，由大到小進(jìn)行嵌套，并且每一組標(biāo)簽都由開(kāi)始標(biāo)簽和結(jié)束標(biāo)簽組成。針對(duì)某類型的場(chǎng)所建立屬性標(biāo)簽時(shí)，該場(chǎng)所整體應(yīng)該有一組標(biāo)簽確定其屬性，每個(gè)場(chǎng)所都有不同樓層，因此要為樓層賦予特定ID以表示不同樓層。在特定室內(nèi)場(chǎng)所每個(gè)樓層都有對(duì)應(yīng)的平面圖，平面圖中包括各子空間等，而且子空間是描述的重點(diǎn)，這時(shí)就要將子空間的幾何外形表示出來(lái)。子空間外形分為兩種：第一種為直線構(gòu)成的幾何形狀；第二種為包含曲線的幾何形狀。這時(shí)也要針對(duì)每種情況作說(shuō)明，通過(guò)這些描述，可還原原始室內(nèi)空間。在此基礎(chǔ)上要表示室內(nèi)空間的幾何和拓?fù)潢P(guān)系，即對(duì)室內(nèi)空間模型的描述，包括節(jié)點(diǎn)關(guān)系和柵格關(guān)系描述。柵格圖用來(lái)表示幾何屬性，是室內(nèi)定位的基礎(chǔ)，柵格圖位置要表達(dá)明確。本文以柵格圖左下角點(diǎn)和右上角點(diǎn)來(lái)確定柵格圖位置和整體大小，柵格單元的劃分要根據(jù)室內(nèi)空間實(shí)際大小確定，室內(nèi)空間較大時(shí)使用粗粒度劃分，較小時(shí)采用細(xì)粒度劃分。節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖用來(lái)表示各目標(biāo)間可達(dá)性，是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的基礎(chǔ)，在實(shí)際描述中，以室內(nèi)空間子單元幾何中心點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間是否可以連接，作為子單元的連通關(guān)系。重要的大型室內(nèi)空間屬性標(biāo)簽描述見(jiàn)表1。

表1 室內(nèi)空間屬性標(biāo)簽

3 應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 多元混合室內(nèi)空間模型建立

本文以某商場(chǎng)f1樓層為例，如圖2所示。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定最優(yōu)格網(wǎng)建立規(guī)格為在可通行的較窄走廊部分至少有兩個(gè)格網(wǎng)，每個(gè)柵格單元為一個(gè)小的單元，每個(gè)小單元都帶有幾何信息，這些小的單元都是連續(xù)的，具有連續(xù)的幾何特性?；赑oincare級(jí)數(shù)的二元性，將室內(nèi)空間對(duì)象映射為節(jié)點(diǎn)，對(duì)象間連通關(guān)系映射為邊，在節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖中節(jié)點(diǎn)即可作為行人所處的狀態(tài)，邊可作為行人從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。針對(duì)f2樓層建立的多元混合室內(nèi)空間模型如圖3所示。

3.2 路徑分析

本文以f1樓層中從某點(diǎn)到達(dá)ZARA為例作具體分析，具體流程如圖4所示。首先確定尋路起點(diǎn)在柵格圖中的具體位置。起點(diǎn)位置是通過(guò)室內(nèi)定位確定的，通過(guò)傳感器確定起點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，并在柵格圖中確定該坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的具體柵格位置。通過(guò)以上工作，把出發(fā)點(diǎn)與目的地都轉(zhuǎn)換成相應(yīng)節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖中的點(diǎn)，這時(shí)就可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖的邏輯推理性得到起點(diǎn)與ZARA是否可達(dá)，具體可達(dá)路徑通過(guò)IndoorGML描述推理而得。通過(guò)以上過(guò)程，利用Tiny XML-2開(kāi)源庫(kù)，遵循IndoorGML核心結(jié)構(gòu)模塊，即可以編程導(dǎo)出室內(nèi)導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)文件，路徑圖如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了多元混合室內(nèi)空間模型，由柵格圖和節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖綜合而成，既表達(dá)了室內(nèi)空間的幾何特性，又表達(dá)了空間單元間的拓?fù)潢P(guān)系，還實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮目蓴U(kuò)展功能。多元混合室內(nèi)空間模型的建立為室內(nèi)導(dǎo)航提供了基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間模型信息共享，本文提出使用IndoorGML描述多元混合室內(nèi)空間模型。IndoorGML是專門針對(duì)室內(nèi)空間而建立的OGC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)室內(nèi)空間模型的描述會(huì)更加全面具體，相對(duì)于CityGML更具有針對(duì)性和專用性；而且IndoorGML是基于XML語(yǔ)言建立的，在不同的設(shè)備端都具有兼容性，對(duì)室內(nèi)空間模型只需要描述一次就可以分享給不同設(shè)備，使信息可以實(shí)現(xiàn)最大化共享，在增加或減少對(duì)象時(shí)更容易修改。

室內(nèi)空間構(gòu)造復(fù)雜，而且不同建筑會(huì)有不同的空間構(gòu)造，針對(duì)每個(gè)室內(nèi)空間都需要為其建立專門的模型，增大了工作量，如何建立一個(gè)統(tǒng)一的框架，再針對(duì)不同空間進(jìn)行微調(diào)是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。IndoorGML是OGC正在制定的標(biāo)準(zhǔn)，缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣就會(huì)產(chǎn)生屬性標(biāo)簽差異，增加解析難度。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，如何建立更加合理完善的室內(nèi)空間模型，在OGC標(biāo)準(zhǔn)完善后，應(yīng)該如何解析描述的室內(nèi)空間模型，都是本文下一步研究工作。