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      一種顧及精細(xì)層級(jí)的室內(nèi)拓?fù)淠P?/h1>
      2019-10-28 08:30:58趙志鵬
      測(cè)繪通報(bào) 2019年10期
      關(guān)鍵詞:樓棟室內(nèi)空間對(duì)象

      黃 鴻,趙志鵬,張 磊

      (廣州都市圈網(wǎng)絡(luò)科技有限公司,廣東 廣州 510000)

      隨著智慧城市建設(shè)的不斷深入,建設(shè)的內(nèi)容也逐漸從城市細(xì)化到樓宇,由室外覆蓋到室內(nèi)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),人類在室內(nèi)空間活動(dòng)的平均時(shí)間達(dá)到87%,遠(yuǎn)超戶外活動(dòng)所占日常生活時(shí)間[1],如何打造1個(gè)更加智慧化的室內(nèi)空間是現(xiàn)階段智慧城市建設(shè)面臨的又一難題。

      近些年,針對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景的研究比較廣泛,成果也比較多。在數(shù)據(jù)模型方面,已經(jīng)產(chǎn)生了集幾何、語義信息于一體的三維建筑物數(shù)據(jù)模型,包括CityGML[2]、IFC[3]、IndoorGML[4]及基于這幾類標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展出來的模型等[5]。這些數(shù)據(jù)模型已作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)投入使用,但是這類標(biāo)準(zhǔn)模型比較臃腫,無法滿足目前Web數(shù)據(jù)瀏覽輕量化的要求。除了這類通用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,也有相當(dāng)多的研究是針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景,如側(cè)重于室內(nèi)導(dǎo)航的室內(nèi)數(shù)據(jù)模型研究[1,6-8],這類研究更關(guān)注室內(nèi)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的組織和重建;針對(duì)可視化調(diào)度的數(shù)據(jù)模型則關(guān)注室內(nèi)數(shù)據(jù)的分層分塊組織[9];室內(nèi)外一體化的模型則偏重于室內(nèi)場(chǎng)景和室外場(chǎng)景的連通和無縫切換[5,10]。

      隨著智能樓宇建設(shè)的發(fā)展,上述室內(nèi)模型的研究存在兩個(gè)問題:①現(xiàn)階段的城市樓宇中除了主體的空間單元,還承載了大量的智能化設(shè)施設(shè)備,但在傳統(tǒng)的室內(nèi)地理模型中主要是對(duì)空間的管理,對(duì)于物的管理則顯得比較薄弱,因而現(xiàn)階段需要在室內(nèi)模型層級(jí)上將模型的粒度也由建筑本身延伸到室內(nèi)的設(shè)備/設(shè)施,以滿足樓宇中設(shè)施/設(shè)備的管理需求;②現(xiàn)有模型比較關(guān)注室內(nèi)固有空間的管理,但是大量管理的業(yè)務(wù)場(chǎng)景是需要對(duì)固有空間進(jìn)行重新組織、劃分已形成能夠滿足特定場(chǎng)景的業(yè)務(wù)單元。針對(duì)上述兩個(gè)問題,本文提出一種顧及精細(xì)層級(jí)的室內(nèi)拓?fù)淠P汀?/p>

      1 室內(nèi)語義建模

      室內(nèi)語義建模是銜接應(yīng)用和模型數(shù)據(jù)組織的重要紐帶,其主要任務(wù)是分析室內(nèi)空間的實(shí)體集、各實(shí)體集的空間和屬性特征,因此需要在分析應(yīng)用需求和室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,明確室內(nèi)場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)層次、空間特征及組成要素的基本類型[8]?;诖?,本文將室內(nèi)空間單元?jiǎng)澐譃椤爸黧w對(duì)象-連通對(duì)象-虛擬對(duì)象”3種類型的空間對(duì)象,如圖1所示。

      1.1 主體對(duì)象

      主體對(duì)象指占據(jù)一定空間,具有明確的邊界形態(tài),具備一定的內(nèi)向性、收斂性和向心性的空間單元。將室內(nèi)空間按照“整體到局部”“先垂直后水平”的順序進(jìn)行空間剖分,可將主體對(duì)象劃分為“樓棟-樓層-房間-設(shè)施”4個(gè)級(jí)別的層次結(jié)構(gòu)。

      (1)樓棟。在地理空間中每個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景通過建筑樓棟進(jìn)行要素區(qū)分,因此從語義上樓棟是每個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織的基本單位,用于區(qū)分、標(biāo)識(shí)每個(gè)獨(dú)立的室內(nèi)空間,在地理場(chǎng)景中具有明確的空間范圍邊界。

      (2)樓層。在垂直方向上,樓層是室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的重要組成部分,是建筑物中用來分隔空間的水平分隔構(gòu)件,它將室內(nèi)空間沿豎直方向分隔成若干樓層,在邏輯概念上,向上連接樓棟,向下承載房間。

      (3)房間。在水平方向上,也就是樓層空間上,通過房屋和走廊對(duì)空間進(jìn)行二次劃分,每個(gè)房間形成1個(gè)封閉的有界空間,房間是室內(nèi)空間中最基礎(chǔ)的有界空間單元,體現(xiàn)出一定的內(nèi)向性、收斂性和向心性的特征[9]。

      (4)設(shè)施。“樓棟-樓層-房間”三級(jí)劃分只能滿足室內(nèi)主體空間管理需求,但無法滿足目前越來越多的精細(xì)場(chǎng)景的管理需求,如化學(xué)藥品的定位管理、智能樓宇的樓控設(shè)備管理等,從而需要?jiǎng)澐殖鲈O(shè)施層級(jí)。設(shè)施對(duì)象是指附屬于走廊和房屋,不具備空間容納屬性,但具備功能屬性的一類室內(nèi)元素,包括家電、儀器、設(shè)備等。

      1.2 連通對(duì)象

      連通對(duì)象主要為了解決空間和設(shè)備的聯(lián)系和疏散問題,具備一定的空間界限,具有通透性、流動(dòng)性和發(fā)散性[9]。具備容納屬性的主體對(duì)象將室內(nèi)空間劃分為4個(gè)級(jí)別,每個(gè)級(jí)別內(nèi)的空間對(duì)象之間并不是獨(dú)立的,相互之間通過連通空間或設(shè)施進(jìn)行連通。樓棟之間的連通對(duì)象是室外走廊、橋梁等;樓層之間通過電梯、樓梯等連通空間進(jìn)行空間連接;房間之間通過室內(nèi)走廊進(jìn)行空間連通;設(shè)備設(shè)施之間通過管道或管線這類線狀連通對(duì)象進(jìn)行連通。除了同一層級(jí)對(duì)象的連通,跨級(jí)別的連通對(duì)象之間也可以進(jìn)行相互連通,如樓梯和室內(nèi)走廊。

      1.3 虛擬對(duì)象

      虛擬對(duì)象是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空間單元的精細(xì)管理而抽象出來的虛擬空間,借助虛擬對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間的二次組織。如可以將多個(gè)房間劃分為1個(gè)重點(diǎn)消防管理區(qū)域,該消防區(qū)域就可以劃分為1個(gè)虛擬對(duì)象,虛擬空間對(duì)象只存儲(chǔ)和管理對(duì)物理對(duì)象的引用,虛擬節(jié)點(diǎn)在概念上只屬于一級(jí)主體對(duì)象-樓棟。

      2 模型拓?fù)浣M織

      基于上述對(duì)室內(nèi)空間的語義劃分,本文將主體對(duì)象、連通對(duì)象、虛擬對(duì)象作為模型組織關(guān)注的重點(diǎn),并對(duì)每種類型里面包含的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行“實(shí)體-關(guān)系”建模,得到如圖2所示的室內(nèi)對(duì)象關(guān)系。為了能夠?qū)臻g對(duì)象進(jìn)行更好地管理,本文基于拓?fù)潢P(guān)系原理將主體對(duì)象和虛擬對(duì)象退化為節(jié)點(diǎn),將連通對(duì)象抽象為邊,將室內(nèi)對(duì)象按照拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行重新組織,得到如表1所示節(jié)點(diǎn)和表2所示“節(jié)點(diǎn)-邊”關(guān)系。

      節(jié)點(diǎn)由抽象節(jié)點(diǎn)類型中的公共屬性組成,包含標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)類型、父節(jié)點(diǎn)、名稱及所屬虛擬節(jié)點(diǎn),用于維護(hù)主體對(duì)象和虛擬對(duì)象之間的層級(jí)關(guān)系。父節(jié)點(diǎn)類型指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)上一級(jí)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí),如果沒有上級(jí)節(jié)點(diǎn)則標(biāo)識(shí)-1;虛擬節(jié)點(diǎn)指示當(dāng)節(jié)點(diǎn)所屬虛擬對(duì)象的標(biāo)識(shí),如果不存在虛擬節(jié)點(diǎn),則此處默認(rèn)為-1。

      表1 節(jié)點(diǎn)

      節(jié)點(diǎn)-邊關(guān)系由抽象邊類型中的公共屬性組成,包含標(biāo)識(shí)、對(duì)象類型、A類型、端點(diǎn)A、端點(diǎn)B、B類型、名稱、虛擬節(jié)點(diǎn),用于維護(hù)連通對(duì)象和主體對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。A和B分別標(biāo)識(shí)一條邊的兩端,邊表存儲(chǔ)了一條邊兩端的對(duì)象類型和對(duì)象標(biāo)識(shí),每個(gè)端點(diǎn)上既可以是節(jié)點(diǎn)也可以是邊類型,這樣就可以避免需要針對(duì)Portal類型單獨(dú)從主體對(duì)象中劃分出一個(gè)類型出來,此處端點(diǎn)類型:0表示端點(diǎn)類型為點(diǎn)類型,1表示端點(diǎn)類型為邊類型。

      表2 節(jié)點(diǎn)-邊關(guān)系

      3 試驗(yàn)與應(yīng)用

      3.1 試驗(yàn)環(huán)境

      本文試驗(yàn)的硬件環(huán)境為Intel(R)Core(TM)i5-5200U CPU @ 2.20 GHz 2.19 GHz,內(nèi)存為4 GB,操作系統(tǒng)環(huán)為64位Windows 10,壓縮算法實(shí)現(xiàn)開發(fā)語言為JavaScript,前端加載測(cè)試瀏覽器為Chrome 65,前端WebGL渲染引擎為Cesium.js。

      3.2 結(jié)果及分析

      為驗(yàn)證本文提出的室內(nèi)模型數(shù)據(jù)的組織方法的有效性,以圖3(a)所示的建筑物為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)分為以下步驟:①根據(jù)室內(nèi)語義模型的對(duì)象劃分方法對(duì)室內(nèi)三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)組織,形成以主體對(duì)象為主的室內(nèi)四級(jí)結(jié)構(gòu),如圖3(b)、(c)、(d)、(e)所示,分別表示“樓棟-樓層-房屋-設(shè)備”;②使用虛擬對(duì)象將二層劃分為5個(gè)消防分區(qū),以驗(yàn)證虛擬對(duì)象二次管理空間對(duì)象的有效性,如圖3(f)所示;③基于模型的拓?fù)潢P(guān)系組織方法,在模型對(duì)象之間建立拓?fù)涔芾恚⒁远拥淖呃葹槔?,查找和?dāng)前走廊關(guān)聯(lián)的房間對(duì)象,如圖3(g)所示,以驗(yàn)證本文方法的有效性。

      4 結(jié) 語

      室內(nèi)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)模型是各種室內(nèi)環(huán)境分析和管理應(yīng)用的基礎(chǔ),為了滿足設(shè)備管理和室內(nèi)空間的二次劃分需求,本文提出了一種顧及精細(xì)層級(jí)的室內(nèi)拓?fù)淠P偷慕<巴負(fù)浣M織方法,將室內(nèi)模型構(gòu)件根據(jù)“主體對(duì)象-連通對(duì)象-虛擬對(duì)象”的形式進(jìn)行對(duì)象分類和拓?fù)浣ⅲ瑯?gòu)建了可以滿足精細(xì)管理的四層級(jí)室內(nèi)場(chǎng)景,有效地提高了室內(nèi)三維模型數(shù)據(jù)的管理效率和管理靈活度。

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