基于地磁場的商場導航服務系統(tǒng)

唐玉輝　黃偉哲　蘇敬澎　僧德文

摘要：隨著城市化的發(fā)展，商場樓層也越來越多，店鋪越來越繁多，而GPS在室內的定位是不可行的。隨著室內定位技術的發(fā)展，地磁場室內定位技術越來越成熟，本文提出了基于地磁場的商場定位服務系統(tǒng)，在提供定位導航的基礎上，提供商場及店鋪的推薦，提高人們的商場購物體驗。

關鍵詞：定位；導航；地磁場

1.引言

現在的大型商場是越來越多了，店面繁多。而移動網絡的發(fā)展，用戶可以從網絡平臺上事先去選擇自己想去的店面，而復雜龐大且陌生的商場，盡管有路標和地圖，但是往往都不能清晰且明確的指引用戶找到目的地。這個時候需要一個商場導航軟件來解決這個問題。在室內環(huán)境無法使用衛(wèi)星定位時，使用室內定位技術作為衛(wèi)星定位的輔助定位，解決衛(wèi)星信號到達地面時較弱、不能穿透建筑物的問題。最終定位物體當前所處的位置。因此需要室內定位技術解決室內定位問題。隨著室內定位技術的發(fā)展，地磁場室內定位技術越來越成熟，基于地磁場定位的商場導航能有效解決該問題，在此基礎上，為了給用戶更好的服務，本研究推出了商場推薦服務，幫助用戶選擇合適的店鋪和商場。

2.基于地磁場的室內定位

地球本身是一個巨大的磁體，它在地理南北兩極間形成一個基本的磁場。但這種地球磁場會受到金屬物的干擾，特別是穿過鋼筋混凝土結構的建筑物時，原有磁場被建筑材料（金屬結構）擾動扭曲，使得每個建筑物內都形成了獨特的“磁性紋路”，也就是說在室內形成了一種有規(guī)律的“室內磁場”。而且，如果建筑物本身不發(fā)生鋼筋體的結構性改變，室內磁場的特性也就固定不變。而室內地磁定位正式捕捉這種“室內地磁場”的規(guī)律特征來實現的，通過手機端普遍集成的地磁傳感器去收集室內的磁場數據，辨認室內環(huán)境里不同位置的磁場信號強度差異，從而匹配自己在空間中的相對位置。

定位過程首先是，采集室內的磁場分布，建立磁場分布圖。在行進過程中，通過手機采集的磁場數據去實時匹配磁場分布圖，最終確定所在位置。本研究采用粒子濾波聯(lián)合算法，基于路徑匹配的室內地磁定位技術，通過增加匹配特征數量來解決此問題。使用基于動態(tài)時間規(guī)整(dynamic time warp， DTW)算法與粒子濾波(particle filter， PF)算法的新型聯(lián)合算法，并以路徑匹配的模式對目標進行追蹤。在匹配過程中又通過計算斯皮爾曼等級(Spearman)相關系數確定路徑之間的相似度，使之作為輔助定位。

3.商場導航服務系統(tǒng)層次結構

3.1 總體設計

系統(tǒng)將由兩部分程序組成，使用Java的用戶界面和MySQL數據庫，全平臺通用。數據庫設計了幾張信息表，室外地圖信息表，商場室內地磁信息表，商場室內模型圖表，3D實景圖模型表，用戶信息表，用戶使用記錄表，商場信息表。

3.2 模塊設計

（1）地磁信息分析模塊：實現室內定位的模塊，依據手機磁傳感器傳入數據和商場的地磁信息圖，實時定位，導航。手機磁傳感器的數據導入此模塊，并訪問數據庫獲得從商場的地磁信息圖，通過粒子濾波聯(lián)合算法完成地磁匹配，來獲得定位位置。當需要導航時，調用路徑規(guī)劃模塊，獲得導航路徑，依據路徑和定位，來實現精確的導航。

（2）路徑規(guī)劃模塊：根據起始地，和目的地，完成路徑規(guī)劃，推薦合適的路徑。起始地，和目的地由上層模塊傳入，從數據庫獲得對應的環(huán)境模型。根據用戶的不同需求，如希望途經奶茶店等等，賦予模型每條邊上的不同權值，之后采用迪杰斯特拉算法求取最優(yōu)路徑。并將路徑返回調用模塊。

（3）室外信息模塊：此模塊完成在室外的定位及導航。讀入GPS信號，并訪問數據庫獲得地圖，或者用戶端已下載地圖，讀取地圖后，將GPS數據與地圖匹配，完成室外定位。若需要導航，則調用路徑規(guī)劃模塊，獲得路徑并開始導航。

（4）3D實景圖模塊：此模塊主要實現構造3D實景模型，并且支持用戶端的相關操作。在服務器端將采集來的大量圖片構造成商場的3D實景模型，并存入數據，等待用戶的訪問。用戶需要查看3D實景圖時，通過訪問數據庫，實時加載3D實景圖。然后，可以體驗身在商場的感覺，以第一視角瀏覽整個商場，能夠進行移動，縮放，旋轉操作。在還未前去商場時，便可通過此模型，完成對商場的大致瀏覽。此外，采用AR拍照，再將之與3D模型進行匹配，來校準地磁定位。

（5）用戶信息分析模塊：根據用戶的使用記錄及用戶的需求，推薦用戶合適的商鋪，或者商場。將用戶需求傳入服務器，服務器端采用神經網絡模型，結合用戶以往使用記錄，將輸出一系列推薦的店鋪，或者商場，并訪問服務器將商場或者店鋪的詳細信息返回客戶端。

4.結語

基于地磁定位的商場服務系統(tǒng)，能給用戶帶來精確的商場定位導航，與此同時，還能推薦合適的商家，店鋪。在去商場之前，可以通過3D實景圖瀏覽商場。并且可以通過AR拍照來，實時校準地磁定位的誤差。使用此系統(tǒng)能夠讓人們更加有效率的逛商場，現在的生活節(jié)奏越來越快，人們可能很難有大把的時間來逛商場，此系統(tǒng)的精確推薦，以及定位導航服務，能讓用戶在逛商場的時候節(jié)省花在找路上的時間。

參考文獻：

[1]倪振心,殷鋒,袁平.基于地磁與改良粒子濾波算法的室內定位方法[J].現代計算機,2020(03):3-7.

[2]李維. 基于粒子濾波的地磁室內定位算法研究[D].北京建筑大學,2019.

[3]黃鶴,仇凱悅,李維,羅德安.基于粒子濾波聯(lián)合算法的地磁室內定位[J].西南交通大學學報,2019,54(03):604-610.

[4]姜浩. 融合地磁與RSSI的室內定位粒子濾波改進算法研究[D].北京建筑大學,2017.

[5]常坤. 基于粒子濾波算法的地磁室內定位實現[D].北京建筑大學,2016.