室內(nèi)外一體化導(dǎo)航研究綜述

陳慧 徐傳旺 鄭加柱 沈怡靜

摘 要：隨著信息化時(shí)代的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星定位解決了室外定位導(dǎo)航的問(wèn)題，然而大型室內(nèi)場(chǎng)所越來(lái)越多，室內(nèi)的定位導(dǎo)航需求日趨強(qiáng)烈。本文首先介紹了室內(nèi)外一體化導(dǎo)航的技術(shù)路線，然后對(duì)當(dāng)前主要的一體化定位導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了闡述，最后總結(jié)了目前室內(nèi)外一體化導(dǎo)航技術(shù)存在的一些亟待解決的問(wèn)題，以此為進(jìn)一步研究?jī)?nèi)外一體化導(dǎo)航提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)外一體化; 導(dǎo)航; 定位; 模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271+.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）11-126-003

伴隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，信息與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)的迅速崛起，人們的移動(dòng)變得更復(fù)雜多變，對(duì)于空間信息技術(shù)的需求也在日益增加^[1]。但隨著城市人口的持續(xù)增長(zhǎng)，使建筑越來(lái)越密集，精細(xì)。目前，室外導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展日趨成熟，而由于建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，對(duì)室內(nèi)空間信息分析方面的研究進(jìn)展較為緩慢，但人們的室內(nèi)活動(dòng)卻日益增長(zhǎng)，單一的定位導(dǎo)航源往往達(dá)不到人們所需的精度要求，也不具備足夠好的可靠性和魯棒性。因此需要研究出集成多種定位技術(shù)，可在室內(nèi)定位、室外定位以及室內(nèi)外交界處等多場(chǎng)景使用的室內(nèi)外一體化導(dǎo)航。

本文首先介紹了室內(nèi)外一體化導(dǎo)航的技術(shù)路線，然后對(duì)室內(nèi)外導(dǎo)航采用的關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)介紹，最后對(duì)室內(nèi)外一體化導(dǎo)航的難點(diǎn)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)。

1.室內(nèi)外一體化導(dǎo)航的技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)一體化導(dǎo)航大致可以分兩個(gè)方向，一種是在室外采用GNSS技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航定位，室內(nèi)建筑建立三維模型^[2]，并通過(guò)采集有價(jià)值的屬性、語(yǔ)義、場(chǎng)景等信息，將三維模型可視化處理，室內(nèi)定位采用WIFI、藍(lán)牙或超寬帶等高精度的定位^[3]。在室內(nèi)外交界處，通過(guò)判斷室內(nèi)外場(chǎng)景，利用切換定位方法來(lái)滿足不同場(chǎng)景的定位精度需要;另一種是在室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)的支持下，將兩種室內(nèi)外模型的融合以及定位數(shù)據(jù)的融合，通過(guò)提取室內(nèi)外融合模型的路網(wǎng)進(jìn)行路徑規(guī)劃^[4]，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化的導(dǎo)航。實(shí)現(xiàn)一體化導(dǎo)航的技術(shù)路線圖見(jiàn)圖1。

2.室內(nèi)外一體化導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

2.1可視化建模

二維地圖的導(dǎo)航應(yīng)用已經(jīng)普及，對(duì)于室內(nèi)三維模型的建立，不僅要表達(dá)出更精細(xì)化的模型，還要不斷提高模型與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的匹配度。室內(nèi)三維地圖模型通常是采用BIM建模，雖然BIM模型本身具有直觀、清晰等許多特點(diǎn)，但為了提高模型的幾何精度，還需要對(duì)模型進(jìn)行可視化處理^[5]。

BIM模型注重對(duì)材質(zhì)、屬性、語(yǔ)義、紋理等全要素信息進(jìn)行呈現(xiàn)，而可視化是為了注重BIM模型的幾何表達(dá)，模型可視化處理后，更便于用戶對(duì)路徑的搜索和選擇。

室外三維模型的建立通常采用傾斜攝影建立三維模型^[6]，目前用來(lái)對(duì)大區(qū)域建模的工具很多，如大疆智圖、ContextCapture等。

三維模型建立完成后，在使用過(guò)程中，還要進(jìn)行不斷的數(shù)據(jù)更新和維護(hù)，才能確保室內(nèi)導(dǎo)航定位的高效性。

2.2模型融合

構(gòu)建室內(nèi)外一體化的三維實(shí)景模型。室外采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維模型，室內(nèi)以室外三維模型做底圖，在此基礎(chǔ)上疊加BIM模型^[7]。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影建立的模型根據(jù)影像的數(shù)目、大小，在進(jìn)行建模時(shí)會(huì)有一定的精度損失，造成空洞、扭曲等問(wèn)題，可以適當(dāng)?shù)娜诤系孛鏀z影或者三維激光掃描來(lái)彌補(bǔ)。對(duì)于室外的三維模型，建好后需要對(duì)模型進(jìn)行單體化分割^[8]，標(biāo)注語(yǔ)義、屬性等信息。BIM雖然有優(yōu)勢(shì)，但不能與外部環(huán)境聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行空間分析，而GIS的空間分析功能可以彌補(bǔ)這一缺失。運(yùn)用BIM和GIS技術(shù)^[9]，可以把建筑物、道路、設(shè)備等信息融合在一起，將這些信息數(shù)據(jù)集成存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，構(gòu)建一個(gè)智能管理系統(tǒng)，便于在室內(nèi)與外部環(huán)境之間更好的切換。

2.3室內(nèi)外定位

定位分為室外定位和室內(nèi)定位。室外定位可采用全天候、高精度的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS），GNSS以我國(guó)的北斗系統(tǒng)、美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和歐盟的Galileo系統(tǒng)為代表^[10]。目前主要采用北斗和GPS。

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)位置定位，主要采用無(wú)線信號(hào)通訊、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)時(shí)獲取人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置。

室內(nèi)定位技術(shù)^[11]的發(fā)展也十分迅速，常用的有WIFI室內(nèi)定位、藍(lán)牙室內(nèi)定位、UWB室內(nèi)定位和RFID室內(nèi)定位等。目前室內(nèi)定位方法可以分為基于測(cè)距定位方法和基于非測(cè)距定位方法?；跍y(cè)距定位方法分為到達(dá)時(shí)間法TOA、到達(dá)時(shí)間差法TDOA、到達(dá)角度差法AOA和基于RSSI測(cè)距定位法;基于非測(cè)距定位的方法是指紋定位法。近年來(lái)多種定位技術(shù)組合成為了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，如將PDR定位信息、慣性傳感器定位信息、基站定位信息和道路信息進(jìn)行融合，在保證定位精度的基礎(chǔ)上，減少了系統(tǒng)成本，提高了穩(wěn)定性。

2.4室內(nèi)外場(chǎng)景識(shí)別

當(dāng)前比較主流的室內(nèi)外場(chǎng)景識(shí)別技術(shù)主要有基于硬件設(shè)備部署的場(chǎng)景識(shí)別技術(shù)、基于環(huán)境感知的場(chǎng)景識(shí)別技術(shù)、基于圖像處理和模式識(shí)別的室內(nèi)外場(chǎng)景分類(lèi)^[12]，由于普適性問(wèn)題，目前大多數(shù)研究還是采用基于環(huán)境感知的室內(nèi)外場(chǎng)景識(shí)別，室內(nèi)外場(chǎng)景識(shí)別取決于室內(nèi)外各種特征的識(shí)別，室內(nèi)外特征選擇的優(yōu)劣直接會(huì)影響到場(chǎng)景識(shí)別的準(zhǔn)確性?；诃h(huán)境感知的場(chǎng)景識(shí)別就是利用移動(dòng)終端，對(duì)光照、氣壓、地磁、衛(wèi)星數(shù)目等進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)信息設(shè)定一個(gè)固定閾值，作為室內(nèi)外場(chǎng)景識(shí)別的判定依據(jù)，一旦超過(guò)這個(gè)閾值，就及時(shí)地切換定位技術(shù)^[13]。

2.5無(wú)縫定位方案

2.5.1定位切換

無(wú)縫定位切換的關(guān)鍵是如何正確區(qū)分定位對(duì)象所處的區(qū)域是室內(nèi)還是室外，尤其是在室內(nèi)外交界區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低延時(shí)、高準(zhǔn)確度的切換^[14]。在定位過(guò)程中，隨著定位對(duì)象的移動(dòng)，定位模式不斷發(fā)生改變，定位精度和定位結(jié)果受到很大影響，因此要對(duì)定位模式進(jìn)行切換。切換是根據(jù)設(shè)定的切換條件切換室內(nèi)或室外定位，只輸出室外或室內(nèi)一個(gè)定位結(jié)果。

確定好所處場(chǎng)景后，可以進(jìn)行定位的切換，定位技術(shù)的切換過(guò)程包括以下三個(gè)步驟：

（1）切換觸發(fā)：室內(nèi)外定位重疊區(qū)域，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、信噪比等參數(shù)信息，與切換門(mén)限比較，確定當(dāng)前所用定位技術(shù)是否可用，是否需要切換。

（2）切換決策：這是最重要的環(huán)節(jié)，基于設(shè)定的切換算法，評(píng)估當(dāng)前定位技術(shù)的性能，決定是否切換。

（3）切換執(zhí)行：即執(zhí)行由室內(nèi)定位切換至室外定位或室外定位切換至室內(nèi)定位的過(guò)程。

現(xiàn)有的切換算法主要有基于RSS的垂直切換算法、基于代價(jià)函數(shù)的切換算法、基于模糊邏輯的切換算法等。

由于需要對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行切換，會(huì)導(dǎo)致乒乓效應(yīng)（反復(fù)切換），造成運(yùn)算量的浪費(fèi)，尤其是在需要地圖的場(chǎng)景下，嚴(yán)重影響用戶使用，可以在算法上進(jìn)行改進(jìn)，更準(zhǔn)確的進(jìn)行切換決策。

2.5.2多源數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合也稱(chēng)之為信息融合，是指為了能夠?qū)δ繕?biāo)身份或者狀態(tài)進(jìn)行全面精確的分析，因而從多個(gè)數(shù)據(jù)源處提取出某個(gè)目標(biāo)事物的特征，并將獲取到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和組合的過(guò)程。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)傳感器接收到的數(shù)據(jù)往往是不完整的，所以要對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，相互彌補(bǔ)缺失的信息，完整地表達(dá)目標(biāo)^[15]。

當(dāng)衛(wèi)星定位與無(wú)線定位同時(shí)在工作時(shí)，不判斷在室內(nèi)或室外，通過(guò)融合算法將兩者的定位結(jié)果融合，作為一個(gè)整體系統(tǒng)輸出即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位。室內(nèi)外交界區(qū)域，同時(shí)存在的兩種定位數(shù)據(jù)精度受到外界環(huán)境影響，定位精度會(huì)有所降低。目前大多數(shù)學(xué)者聚焦在提高融合定位的精度研究上，通過(guò)對(duì)多源信息融合以及融合算法的研究^[16]，有效提高了室內(nèi)外無(wú)縫定位結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

多源數(shù)據(jù)融合^[17]常用的算法有加權(quán)融合算法、基于貝葉斯估計(jì)的濾波融合算法、卡爾曼濾波法和交互式多模型融合算法等。根據(jù)兩種定位采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，兩種定位數(shù)據(jù)的融合提高了室內(nèi)外交界區(qū)域的定位精度。同時(shí)，在室內(nèi)外定位數(shù)據(jù)融合時(shí)，由于兩種定位技術(shù)坐標(biāo)系的不同，還要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

2.6路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃^[18]是根據(jù)所給定的地圖模型和目標(biāo)位置，確定地圖位置和局部障礙物分布情況，提取出多條可行路徑，規(guī)劃出最優(yōu)路徑。路徑規(guī)劃是建立在地圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，在建好的室內(nèi)模型中提取路網(wǎng)，利用算法規(guī)劃出最優(yōu)路徑。

路徑規(guī)劃的核心就是算法的設(shè)計(jì)^[19]。最常用的路徑規(guī)劃方法有A*算法，Dijkstra算法，D*和Floyd算法，常用路徑規(guī)劃算法對(duì)比見(jiàn)表1;在室內(nèi)外融合模型中還可以利用Unity3D內(nèi)置尋路算法在導(dǎo)航網(wǎng)格^[20]中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)物體的自動(dòng)尋路，該算法簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大。

啟發(fā)式搜索是利用啟發(fā)函數(shù)來(lái)對(duì)搜索進(jìn)行指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)高效的搜索，啟發(fā)式搜索方向的正反多與是否能處理動(dòng)態(tài)規(guī)劃有關(guān)，啟發(fā)式搜索可以提高搜索的效率，避免全局盲目搜尋。以上算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相互并不矛盾沖突，對(duì)于最優(yōu)最短路徑的使用判別，常常需要算法的改進(jìn)或者多種算法的融合才能更高效解決實(shí)際問(wèn)題。

3.室內(nèi)外一體化導(dǎo)航存在的問(wèn)題

雖然現(xiàn)在對(duì)一體化導(dǎo)航的研究眾多，但仍有一些問(wèn)題需要完善。

（1）全自動(dòng)化。在室內(nèi)外場(chǎng)景交界的地方，識(shí)別到的信息不夠清晰，定位技術(shù)自動(dòng)切換的功能還有待提高。

（2）使用范圍局限。在融合模型中導(dǎo)航目前的使用范圍比較局限，因?yàn)樵谀Ｐ偷慕r(shí)需要耗費(fèi)大量精力，成本也相對(duì)較高，應(yīng)用目前還得不到普及，大多數(shù)研究做的一般是一個(gè)整體區(qū)域模型的導(dǎo)航，例如校園、商場(chǎng)、醫(yī)院等。

（3）實(shí)時(shí)化問(wèn)題。針對(duì)模型的建立，建好的模型不可避免的會(huì)在某些地方發(fā)生改變，可能是位置或者名稱(chēng)等等，這就要求模型能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)化更新。

（4）定位精度低。單一的定位技術(shù)在室內(nèi)定位時(shí)，可能會(huì)因?yàn)樾腥?、物體等遮擋或者電磁干擾造成低精度的定位，可以通過(guò)多種定位融合來(lái)提高定位的精度。

不管是定位技術(shù)、算法，還是其他等等，單一的技術(shù)很難達(dá)到應(yīng)用期望值，而通過(guò)多種技術(shù)的融合可以解決精度、成本等問(wèn)題。

4.結(jié)語(yǔ)

室內(nèi)外一體化導(dǎo)航還沒(méi)有在現(xiàn)實(shí)生活中普及，但研究還在不斷推進(jìn)。本文總結(jié)目前室內(nèi)外一體化導(dǎo)航研究最多的兩種方案，介紹了兩種方案的技術(shù)路線，并對(duì)兩種方案中的一些關(guān)鍵技術(shù)作了介紹，最后分析了室內(nèi)外一體化存在的一些難點(diǎn)。未來(lái)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、高精度、低成本的室內(nèi)外一體化也是一大難關(guān)^[21]。多源數(shù)據(jù)的融合、技術(shù)的融合以及算法的融合等有望加快這一發(fā)展，促進(jìn)形成一套完善的室內(nèi)外一體化導(dǎo)航體系。

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