室內(nèi)導(dǎo)航模型研究綜述

1、室內(nèi)導(dǎo)航模型研究綜述摘要：隨著室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用需求的不斷增加，室內(nèi)導(dǎo)航已成為目前很多技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)， 具有廣闊的應(yīng)用前景， 而室內(nèi)導(dǎo)航模型的研究是其中的核心內(nèi)容。 闡述了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的幾個(gè)典型室內(nèi)導(dǎo)航模型的建模原理及方法， 并從室內(nèi)模型的信息豐富度、 構(gòu)建復(fù)雜性以及模型易用性等角度對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。關(guān)鍵詞：室內(nèi)導(dǎo)航；室內(nèi)定位；導(dǎo)航模型；三維路徑DOIDOI:10.11907/rjdk.161371中圖分類號(hào)：TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800(2016)005-0001-030引言隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，大型建筑物內(nèi)部構(gòu)造變得更加復(fù)雜，加重了人們的空間認(rèn)知負(fù)擔(dān)，使

2、室內(nèi)尋路變得更加困難。特別是在商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、會(huì)展中心等大型公共場(chǎng)所，室內(nèi)“迷路”的情況尤為突生，室內(nèi)導(dǎo)航因此得到越來越多的關(guān)注1。近年來，對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)的研究逐漸興起。20世紀(jì)90年代，美國(guó)ArcSecond公司開發(fā)完成了首套室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為室內(nèi)GPS2009年，Google推由了一項(xiàng)新的Google地圖，可為建筑物提供室內(nèi)地圖；2010年，進(jìn)行室內(nèi)定位；2012年，諾基亞、三星、索尼移動(dòng)以及其它19家公司聯(lián)合成立了“室內(nèi)定位聯(lián)盟”(In-LocationAlliance)2o目前， 室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)更多地關(guān)注于室內(nèi)定位技術(shù)的研究和實(shí)驗(yàn)， 而對(duì)于完整室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)所必需的室內(nèi)導(dǎo)航模型(室內(nèi)

3、信息組織)的研究則相對(duì)薄弱。事實(shí)上，室內(nèi)導(dǎo)航模型在室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的各種功能實(shí)現(xiàn)中起著重要作用， 如最優(yōu)路徑規(guī)劃離不開室內(nèi)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)， 路徑三維表達(dá)離不開室內(nèi)幾何甚至紋理信息， 而路徑查詢過程中的交互過程離不開室內(nèi)語義信息。 這些室內(nèi)信息的有效組織和存儲(chǔ)是保證系統(tǒng)導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。 因此， 本文將對(duì)現(xiàn)有的典型室內(nèi)導(dǎo)航模型及建立方法進(jìn)行闡述， 并重點(diǎn)對(duì)比分析其優(yōu)缺點(diǎn)， 從而為室內(nèi)導(dǎo)航模型進(jìn)一步研究提供借鑒3-4o1室內(nèi)導(dǎo)航模型研究現(xiàn)狀室內(nèi)導(dǎo)航模型是指為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，需要對(duì)室內(nèi)各種空間要素和信息進(jìn)行有效組織和存儲(chǔ)，從而為室內(nèi)定位、信息查詢、路徑分析、 實(shí)時(shí)導(dǎo)航等各種室內(nèi)導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)和模型

4、支持。 隨著人們?cè)谑覂?nèi)活動(dòng)更加頻繁和建筑物的室內(nèi)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜， 學(xué)者們對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的研究也更加深入， 室內(nèi)導(dǎo)航模型由原來信息單一的簡(jiǎn)單模型逐漸發(fā)展為包含豐富信息的復(fù)雜模型。 本文將根據(jù)時(shí)間先后對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的發(fā)展過程和現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。諾基亞研發(fā)了高精度室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)，通過藍(lán)牙和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)早期常見的是符號(hào)模型5。其原理是將室內(nèi)空間對(duì)象用帶有特定ID標(biāo)識(shí)的符號(hào)元素來表示， 用于表達(dá)室內(nèi)空間元素的相互關(guān)系。這類模型符合人的空間認(rèn)知特性， 但缺少對(duì)室內(nèi)的幾何描述， 且只能給由粗略的相互關(guān)系描述。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)幾何和拓?fù)涞慕y(tǒng)一描述，Lee6-7等利用對(duì)偶圖理論將室內(nèi)空間抽象表示為節(jié)點(diǎn)和邊，并通過

5、直中軸變換方式將二維通道轉(zhuǎn)換為一維的線， 構(gòu)建了三維室內(nèi)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型。杜建庚8-9使用基于圖像細(xì)化算法、特征點(diǎn)提取算法等建立單層樓的樓道路徑， 并將房間作為結(jié)點(diǎn)連接到樓道路徑上， 單獨(dú)考慮房間內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 建立單層樓層的路徑圖， 然后用樓梯結(jié)點(diǎn)和電梯結(jié)點(diǎn)把相鄰的單層路徑圖連接起來， 生成三維路徑模型。 該路徑模型是由弧和結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成的帶權(quán)圖結(jié)構(gòu)，弧上可賦予不同的權(quán)值；Yuan10等提由“門-門”的建模方式，將門抽象表示為節(jié)點(diǎn)，門之間的連接表示為邊，通過增加可視點(diǎn)的方式保證節(jié)點(diǎn)之間的通視性；趙新云11提生了一種基于概念格的室內(nèi)導(dǎo)航模型，該模型基于位置一由口模式， 引入錐形模型的方向關(guān)系和度量關(guān)系，

6、 建立用戶本體和空間本體，使用本體來表示模型， 并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行推理， 實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的上下文導(dǎo)航服務(wù)。溫永寧、 張紅平、 閭國(guó)年12等進(jìn)行了樓宇三維尋徑分析研究，選用房產(chǎn)空間管理數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源， 將樓道多邊形的邊界當(dāng)作離散的點(diǎn)，然后構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)13,以三角形邊線的中點(diǎn)或三角形重心作為中軸線的結(jié)點(diǎn)， 依次連接這些結(jié)點(diǎn)， 得到樓道多邊形的中軸線，最后得到拓?fù)渎窂骄W(wǎng)絡(luò)；余文芳14在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下導(dǎo)航位置模型基本理論和方法研究的基礎(chǔ)上， 構(gòu)建了一種室內(nèi)應(yīng)急疏散導(dǎo)航位置模型。 利用傳感器數(shù)據(jù)采集、 建模等方式獲取室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)上下文數(shù)據(jù)， 并利用室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型、 應(yīng)急導(dǎo)航上下文數(shù)據(jù)模型對(duì)

7、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，形成數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行查詢、分析處理，以提供導(dǎo)航、輔助決策等服務(wù)。林雕15提由基于圖論的建模方法， 模型綜合考慮幾何、 拓?fù)洹⒄Z義三類信息的表達(dá)， 利用圖的建模方法建立室內(nèi)導(dǎo)航概念模型， 在房間內(nèi)部增加內(nèi)點(diǎn)來保證可視性， 模型中節(jié)點(diǎn)和邊與室內(nèi)實(shí)體之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系， 可用于支持室內(nèi)的導(dǎo)航推理； 針對(duì)干預(yù)過多和效率較低等問題，牛磊16提生了一種自動(dòng)化構(gòu)建室內(nèi)通行網(wǎng)絡(luò)的方案，對(duì)CityGMLLOD4格式存儲(chǔ)的建筑物通行數(shù)據(jù)存在的各類典型問題進(jìn)行對(duì)應(yīng)性的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤修正和補(bǔ)全， 然后結(jié)合室內(nèi)可通行空間的特點(diǎn)， 引入正交多邊形分割算法和鄰近關(guān)系分析算法，完成室內(nèi)通行網(wǎng)絡(luò)的提取。2現(xiàn)有室內(nèi)導(dǎo)

8、航模型比較為了對(duì)比和評(píng)價(jià)現(xiàn)有的室內(nèi)導(dǎo)航模型，可以根據(jù)模型提供信息的豐富程度、 模型構(gòu)建的難易程度以及模型滿足導(dǎo)航應(yīng)用的適用程度等幾方面考慮，具體如下：(1)模型的適應(yīng)性。適應(yīng)性是指導(dǎo)航的行為應(yīng)滿足不同種類的用戶需要，例如：人員疏散、救援、應(yīng)急管理等。不同人員對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航有不同的認(rèn)識(shí)方法、 不同的時(shí)間要求， 以及不同的導(dǎo)航方式17o(2)模型信息的豐富度。模型中節(jié)點(diǎn)和邊需包含相應(yīng)的屬性信息，以便于路徑的連通性、路徑計(jì)算和可視化。語義信息是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的關(guān)鍵所在，需將節(jié)點(diǎn)所表示的空間類型、通道的方向性、門的開關(guān)時(shí)間、 節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值等語義信息通過節(jié)點(diǎn)和邊的屬性信息來表示。(3)模型構(gòu)建的復(fù)雜度。 數(shù)

9、據(jù)的選擇和三維路徑的提取方法是構(gòu)建模型復(fù)雜度的影響因素，數(shù)據(jù)包含的屬性信息、精度、拓?fù)渫陚湫院痛鎯?chǔ)方式等不同，對(duì)模型構(gòu)建具有不同要求，并產(chǎn)生不同程度的復(fù)雜度。選擇滿足室內(nèi)導(dǎo)航的數(shù)據(jù)和更好更快地生成符合人們行走習(xí)慣的三維路徑構(gòu)建方法，是降低模型構(gòu)建復(fù)雜度的關(guān)鍵所在。基于上述指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有的室內(nèi)導(dǎo)航模型進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，如表1所示。3室內(nèi)導(dǎo)航模型分類根據(jù)模型包含信息的類型和豐富程度，結(jié)合文獻(xiàn)18,對(duì)上述現(xiàn)有室內(nèi)模型進(jìn)行了歸類，大致分為3類：(1)語義模型。語義模型大都基于本體論，由空間本體表示實(shí)體間的關(guān)系。室內(nèi)實(shí)體在擁有一個(gè)名稱的同時(shí)，還具有其本身的屬性信息以及與其它實(shí)體間的關(guān)系， 通過空間實(shí)體和

10、各類關(guān)系的語義特征，進(jìn)行目標(biāo)定位。前期的符號(hào)模型、趙新云提生的概念格模型和余文芳的上下文導(dǎo)航位置模型都屬于語義模型。(2)拓?fù)淠Ｐ汀Ｍ負(fù)淠Ｐ褪敲枋隹臻g目標(biāo)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，其中多邊形被分割為節(jié)點(diǎn)和弧段。 拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建完畢后再加入結(jié)構(gòu)化且豐富的數(shù)、質(zhì)量信息。Lee的對(duì)偶圖模型、杜建庚基于圖像細(xì)化提由的模型、Yuan的“門-門”原理、溫永寧的Delaunay三角網(wǎng)建立的模型與牛磊的基于tyGMLLOD4的室內(nèi)通行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的模型把空間抽象為點(diǎn)和邊， 對(duì)點(diǎn)和邊賦予屬性值來確立它們之間關(guān)系的拓?fù)淠Ｐ汀?3)混合模型?；旌夏Ｐ腿诤蠋缀?、語義、拓?fù)湫畔?，使室?nèi)導(dǎo)航模型能滿足不同用戶不同的導(dǎo)航需求。 林雕的

11、基于圖論的建模即為結(jié)合了幾何、語義、拓?fù)湫畔⒌幕旌夏Ｐ?5o4結(jié)語許多應(yīng)用領(lǐng)域如室內(nèi)尋路、緊急救援和疏散、樓宇安全等需要室內(nèi)導(dǎo)航模型的支持， 對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的研究已成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。 本文從室內(nèi)導(dǎo)航模型的構(gòu)建方法和原理由發(fā)， 介紹了現(xiàn)有的幾種典型室內(nèi)導(dǎo)航模型，根據(jù)模型包含信息的類型和豐富程度對(duì)其進(jìn)行了分類，并探討了各種室內(nèi)導(dǎo)航模型的優(yōu)缺點(diǎn)。 隨著科技的發(fā)展， 室內(nèi)導(dǎo)航模型將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用， 人們對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航模型的要求也將更高。 現(xiàn)有的室內(nèi)導(dǎo)航模型尚存在一定問題， 如模型包含的信息不足、 提取路網(wǎng)的方法冗雜和提取的路徑不符合人們行走習(xí)慣等。因此，發(fā)展集成幾何、語義與拓?fù)湫畔⒌娜S室內(nèi)導(dǎo)航信息模型

12、和更快速、 有效提取路網(wǎng)的方法是下一步研究的課題。參考文獻(xiàn)：1盧偉，魏峰遠(yuǎn)，張碩，等.室內(nèi)路網(wǎng)模型的構(gòu)建方法研究與實(shí)現(xiàn)J.導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2014(4):63-67.2張騰.室內(nèi)三維路徑規(guī)劃及多模式導(dǎo)航研究D.濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2013.3徐靜.室內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法研究D.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.4中國(guó)移動(dòng)-室內(nèi)導(dǎo)航業(yè)務(wù)分析EB/OL.http:/ 杜建庚， 陳恩義.樓宇三維路徑模型的自動(dòng)生成算法J.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(2):79-83.10 YUANWENJIEMARKUSS.Inavanindoornavigationmodelsupportinglength-dependentoptimalroutingJ.GeospatialThinking,2010.11趙新云，劉厚泉.基于概念格的語義室內(nèi)導(dǎo)航J.微計(jì)算機(jī)信息，2010(24):170-171.12溫永寧，張紅平，閭國(guó)年，等.基于房產(chǎn)空間數(shù)據(jù)的樓宇空間疏散路徑建模研究J.地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2011(6):788-796.13羅廣祥，李安芹，趙所毅，等.基于約束性Delaunay三角網(wǎng)確定多邊形中軸線的研究J