GIS輔助的室內(nèi)定位技術(shù)的研究進(jìn)展

何海棠

摘要：室內(nèi)GIS涵蓋了大量的先驗(yàn)信息，可在室內(nèi)定位中起到一定的輔助作用，受到產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界以及政府部門的廣泛關(guān)注，逐漸成為位置服務(wù)領(lǐng)域研究中的熱點(diǎn)話題。據(jù)此，簡要概述GIS輔助的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析 GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，并從感知到認(rèn)知、機(jī)器到人機(jī)交互兩個(gè)方面，探究GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期全面推動(dòng)GIS輔助的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：GIS;室內(nèi)定位;位置服務(wù);發(fā)展趨勢

引言：隨著智能終端與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，有效推動(dòng)了與位置服務(wù)相關(guān)應(yīng)用的普及。室內(nèi)定位技術(shù)是位置服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到了眾多企業(yè)以及政府部門的關(guān)注，現(xiàn)階段雖然智能手機(jī)已經(jīng)逐漸成為室內(nèi)定位的一種主流方式，能夠借助傳感器與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，但是很容易受到外界環(huán)境的影響而出現(xiàn)定位偏差。由此，GIS輔助的室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，不僅涵蓋大量的先驗(yàn)信息，而且能夠有效提高室內(nèi)定位的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度，但是其在實(shí)際的發(fā)展過程中仍面臨一定的挑戰(zhàn)，基于此，應(yīng)深入分析與探究GIS輔助的室內(nèi)定位技術(shù)研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢，進(jìn)而為其打破發(fā)展桎梏、提高定位精度提供有力保障。

1 GIS輔助的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

GIS主要包括地圖約束、拓?fù)涞貓D以及視覺感知等信息，均能夠起到輔助室內(nèi)定位的效果，以此提升定位的精準(zhǔn)度與可靠性?；诖?，從以下三個(gè)方面對GIS輔助的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要概述。

1.1基于地圖約束的室內(nèi)定位

室內(nèi)地圖約束定位是指借助相應(yīng)準(zhǔn)則，刪除一切與人類運(yùn)動(dòng)規(guī)律不相符的定位結(jié)果，進(jìn)而達(dá)到提高定位精度的效果。GIS輔助的室內(nèi)定位中，粒子濾波是一種較為常見的室內(nèi)輔助定位方法，是由多個(gè)不同粒子組合而成，在實(shí)際定位中粒子之間會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，每種狀態(tài)均代表一組方向與位置信息，且不同粒子所具有的權(quán)值各不相同，可用于表示該粒子作為真實(shí)值的概率[1]。由此，研究者們基于粒子濾波的基本框架，提出了基于地圖約束的室內(nèi)定位法，并將其廣泛應(yīng)用于建筑室內(nèi)定位領(lǐng)域。粒子濾波示意圖如圖1所示，將能夠穿過建筑物墻壁的死亡粒子的權(quán)值設(shè)為零，并通過計(jì)算預(yù)估存活粒子位置的方式來提升室內(nèi)定位的準(zhǔn)確性。

1.2基于拓?fù)涞貓D匹配的室內(nèi)定位

拓?fù)涞貓D是指能夠構(gòu)成室內(nèi)地圖的一組“點(diǎn)-線”模型。其中，“點(diǎn)”是指地圖中的連接點(diǎn)與興趣點(diǎn)，如門、轉(zhuǎn)角等;“線”是指將兩個(gè)點(diǎn)相連接所構(gòu)成的直線，室內(nèi)拓?fù)涞貓D示意圖如圖2所示。

基于拓?fù)涞貓D匹配室內(nèi)定位的基本思路，為將室內(nèi)拓?fù)涞貓D與人在室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡相匹配，并借助二者之間的幾何相似原理定位用戶的具體位置。例如：依據(jù)人在室內(nèi)行走的航向與距離，借助貝葉斯推理的原理實(shí)施室內(nèi)定位;采用行為序列定位的方式，將人在室內(nèi)的行走過程構(gòu)建成行為序列的模型，并將拓?fù)涞貓D與之相匹配，進(jìn)而達(dá)到室內(nèi)精準(zhǔn)定位的效果[2]。

1.3基于視覺感知的室內(nèi)定位

圖像處理、深度學(xué)習(xí)、智能終端等技術(shù)快速發(fā)展的背景下，基于視覺感知的室內(nèi)輔助定位技術(shù)已經(jīng)逐漸成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的熱點(diǎn)話題，與地圖約束、拓?fù)涞貓D匹配等定位技術(shù)相比，視覺定位并不需要提前部署相應(yīng)的硬件設(shè)施，并且應(yīng)用范圍相對較廣，可自動(dòng)生成電云信息，能夠?yàn)楹罄m(xù)的定位導(dǎo)航以及地圖構(gòu)建提供諸多便利。

基于視覺感知的室內(nèi)定位技術(shù)是借助圖像之間存在的匹配信息來獲取位置姿態(tài)，主要包括圖像庫匹配、相機(jī)交會(huì)定位、視覺慣性里程計(jì)、視覺里程計(jì)以及多視覺特征融合定位等類型[3]。現(xiàn)階段，我國視覺感知下的室內(nèi)定位技術(shù)雖然已經(jīng)取得了初步進(jìn)展，但是仍然會(huì)受到室內(nèi)環(huán)境的影響而出現(xiàn)定位偏差的現(xiàn)象，如室內(nèi)出現(xiàn)諸多相同紋理的窗戶、墻壁等，就會(huì)導(dǎo)致感知定位出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響到室內(nèi)定位的精準(zhǔn)度。

2 GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

2.1室內(nèi)GIS數(shù)據(jù)更新

由于室內(nèi)環(huán)境具有布局更新速度快、主題多元以及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，使其很容易出現(xiàn)諸多高動(dòng)態(tài)變化的情況，如紋理圖像、物件擺放、房間布局等，均會(huì)在一定程度上影響GIS輔助定位的精準(zhǔn)度。因此，室內(nèi)GIS數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)感知與及時(shí)更新，已經(jīng)成為提升GIS輔助定位精準(zhǔn)度的關(guān)鍵因素。然而，目前室內(nèi)GIS數(shù)據(jù)的更新方式主要分為室內(nèi)地圖、紋理、位置指紋以及三維模型等，并且大多需要借助眾源數(shù)據(jù)得以實(shí)現(xiàn)，這種利用手機(jī)記錄地理位置及拍攝的方式雖然成本較低、現(xiàn)勢性強(qiáng)，但是卻是一種缺乏地理空間參考以及無序的數(shù)據(jù)集合，并且數(shù)據(jù)更新的有效性以及可靠性仍需進(jìn)一步探究，從而使得GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)的精準(zhǔn)度提升受到阻礙[4]。

2.2智能手機(jī)有限的計(jì)算資源

通常情況下，GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)的使用需要進(jìn)行大量的計(jì)算，如地圖約束下室內(nèi)定位技術(shù)常借助粒子濾波的方式實(shí)施定位，其內(nèi)部組成粒子的更新需要進(jìn)行大量的計(jì)算;基于視覺感知下的室內(nèi)定位技術(shù)同樣需要大量的視覺數(shù)據(jù)作為支撐。但是，由于受到存儲(chǔ)空間、設(shè)備功耗以及體積等因素的影響，使得智能手機(jī)的計(jì)算資源相對有限，從而導(dǎo)致室內(nèi)定位的精準(zhǔn)度較差。因此，現(xiàn)階段如何在不影響用戶正常使用的前提下，將復(fù)雜多樣的定位算法融入智能手機(jī)之中，已經(jīng)成為位置服務(wù)領(lǐng)域亟需解決的問題。

3 GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1從感知到認(rèn)知

由于人類具備與生俱來的空間認(rèn)知能力，能夠借助人機(jī)交互的方式將空間數(shù)據(jù)信息傳遞至定位設(shè)備，從而使得行人位置定位與機(jī)器人定位之間存在明顯的區(qū)別。就行人導(dǎo)航而言，相對空間位置的感知會(huì)比絕對空間位置更容易理解。具體而言，行人通過空間地標(biāo)與自身之間的位置描述能夠?qū)崿F(xiàn)定位，如目標(biāo)人物前方10m處為鴻星爾克專賣店、左側(cè)15m處為蜜雪冰城，即可確定目標(biāo)人物的大致位置，并且與絕對位置相比更易于理解。目前，位置服務(wù)領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者已經(jīng)提出基于認(rèn)知方向與距離的定位方法，并且能夠通過認(rèn)知描述的方式實(shí)現(xiàn)定位，加上智能手機(jī)所具備的強(qiáng)大的計(jì)算能力與感知能力，切實(shí)為基于空間認(rèn)知的室內(nèi)定位技術(shù)的有效應(yīng)用提供了廣闊前景。

3.2從機(jī)器到人機(jī)交互

現(xiàn)階段，室內(nèi)GIS數(shù)據(jù)更新與獲取的主要方式為眾源數(shù)據(jù)采集，并且有大量的學(xué)者認(rèn)為加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集人員的工作規(guī)范性，能夠在一定程度上提升室內(nèi)定位的精準(zhǔn)度以及采集效率。以SnapTask為例，其就是以加強(qiáng)眾源數(shù)據(jù)采集規(guī)范性為指導(dǎo)，并在特定環(huán)境下借助人機(jī)交互的方式，打破了室內(nèi)特定點(diǎn)不足的桎梏，實(shí)現(xiàn)了建筑物室內(nèi)三維模型中點(diǎn)云的投影與分類，最終完成平面地圖的自動(dòng)生成[5]。由此，將數(shù)據(jù)采集的規(guī)范性指導(dǎo)應(yīng)用于非專業(yè)數(shù)據(jù)采集之中，進(jìn)而全面提升室內(nèi)定位精準(zhǔn)度的思路，已經(jīng)成為未來室內(nèi)測圖的發(fā)展方向。

隨著AR技術(shù)的迅猛發(fā)展，“AR+AI”的定位模式逐漸興起，其中，AR是指視覺認(rèn)知下的交互界面，能夠?qū)⒖臻g直觀信息呈現(xiàn)至真實(shí)場景之中，既能夠提升用戶空間數(shù)據(jù)的理解速度，又能夠通過人工交互實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集與標(biāo)注[6];AI是指智能大腦，能夠借助視覺場景自動(dòng)獲取房間結(jié)構(gòu)、點(diǎn)云以及圖像等信息。由此可見，這種將現(xiàn)實(shí)場景與虛擬信息相結(jié)合的人工交互體系，是GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

4 結(jié)束語

綜上，地圖約束、拓?fù)涞貓D匹配以及視覺感知等室內(nèi)定位方法，是現(xiàn)階段較為常見的GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)，雖然能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，但是很容易受到復(fù)雜環(huán)境的影響而導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，并且受室內(nèi)GIS數(shù)據(jù)更新以及智能手機(jī)計(jì)算資源有限等因素的限制，使得室內(nèi)定位精準(zhǔn)度的提升受到阻礙。因此，為了全面打破GIS輔助室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展桎梏，則需要從視覺認(rèn)知以及人機(jī)交互兩個(gè)方面，對GIS輔助的室內(nèi)定位發(fā)展趨勢進(jìn)行探索，從而全面提升室內(nèi)定位的精準(zhǔn)度以及可靠性。

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