面向位置服務的室內空間模型研究進展

林 雕，宋國民，賈奮勵

(信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450052)

1 引言

近年來，國際位置服務領域的研究熱點已從室外延伸到室內，我國“導航與位置服務科技發展十二五規劃”也明確提出了發展室內外協同實時高精度定位和全息導航地圖，以解決目前位置服務存在的“最后一千米”問題。室內位置服務需要解決的一個關鍵性問題就是室內空間建模，目前研究人員已提出了多種室內空間模型，但通常都只針對某一特定的應用，很難有一個適合于所有應用的通用室內空間模型。文獻[1]從普適計算的角度對室內空間模型作了綜述，文獻[2]則側重于情境感知的角度對幾何和符號兩類空間模型進行了比較分析，文獻[3-4]也對室內空間模型作了分類比較，但尚無專門從位置服務角度對室內空間模型的綜述，本文以室內位置服務應用為背景，依據模型的構造特點對典型室內空間模型進行分類剖析，詳細介紹各類模型的建模原理及優缺點，為開展面向室內位置服務的空間建模研究提供借鑒。首先，闡述了室內空間的特點和主要的室內位置服務模式；然后，根據模型的構造特點，將現有空間模型劃分為幾何、符號、語義3類，并對其中的典型成果進行了分析和評述；最后，討論了現有建模方法面臨的主要問題，并展望了室內空間建模研究的發展趨勢。

2 室內空間及其位置服務

2.1 室內空間特點

室內空間可以被非正式的定義為人們所活動的建筑環境(例如房間、會議室等)[5]。與室外空間相比，室內空間具有其獨特性。主要表現在：

(1)室內外空間尺度不同。室內空間整體與室外空間相比是微觀的空間，室內空間通常被認為是小尺度的感知空間[6]。不同空間尺度上，人類對于空間有著不同的理解能力和表達方式。因此，室內空間建模需充分考慮室內的認知特點。例如，室內情況下通常使用更加符合用戶認知習慣的符號化位置描述(如：302房間)。又如，室內空間的定向更加困難，“東南西北”的定向方式在室內已不再適用，復雜的室內空間構造容易使用戶轉向，特別是在跨樓層的移動情況下。

(2)室內外空間組成要素不同。室內空間沒有自然要素，都是人工設施[6]，各類構件繁多且功能各異。因此，室內外空間模型所需要表達內容有所不同。室內空間模型需重點描述門、窗、樓梯、通道等室內構件，具體的模型抽象方式和所針對的應用相關。

(3)室內外空間約束有所不同。室內空間中沒有類似于室外路網那樣明確的路徑信息，用戶在室內的移動具有更大的隨意性，但同時室內的移動又受到門、房間、走廊、樓梯等建筑物構件的限制[3]。因此，用戶的室內外移動習慣有所不同，在建模過程中應將其納入考慮。例如，在房間內部人們一般習慣從一個門徑直走到另一個可通視的門[7]。

2.2 典型室內位置服務模式

現有的室內空間模型主要應用于機器人導航、地理信息系統(geographic information system，GIS)、普適計算等領域[2]。不同應用領域對建模要求不同。本文重點關注面向位置服務的室內空間模型。目前，室內空間模型的位置服務模式主要有以下五種[1-2]：

位置查詢：提供移動或靜止的空間實體位置信息。它是實現其它相關位置服務的基礎，沒有位置信息的支持，其它的位置服務則無法實現。

導航：根據用戶提出的要求查找符合條件的興趣點并提供到達該點的相關路徑信息。常見的導航任務是提供一條到達指定地點的最短或最省時的路徑。

范圍查詢：用于查找一個用戶指定范圍或區域內空間實體的相關信息。常見的應用就是信息推送，如向指定范圍內的人群推送廣告信息。

最鄰近查詢：根據要求，查找n個距離指定位置最近的空間實體信息。例如，一個用戶可以搜索距他當前位置最近的餐館信息。

可視化：通常以地圖的形式實現，制圖是空間模型最顯著的應用之一，一般來說，前文所提的導航、范圍查詢等均需借助地圖來實現。地圖的繪制則需要在空間實體的幾何信息支持下完成。

綜合考慮室內空間自身特性與室內位置服務的應用需求可知，傳統的室外空間模型已不能完全適用于室內位置服務，例如，室內的位置描述、路網構建和室外均有所不同，需結合室內空間特點探討適合室內位置服務的空間模型。

3 面向室內位置服務的空間模型

目前，國內外已提出了眾多的室內空間模型，研究者們從不同的角度提出了多種分類方式，其中，文獻V[1-2]將其分類為幾何模型和符號模型兩類，二者分別從普世計算和情境感知的角度對這兩類模型作了進一步的分析，文獻[3]則按照空間模型描述對象的不同，將其分為對象特征模型、幾何模型以及符號模型三類，文獻[4]中則提出可將當前空間模型粗略區分為語義模型、拓撲模型、幾何模型、混合模型四類。不同分類方式各有其優缺點，側重點也有所不同，本文在參照已有模型分類方法的基礎上，從面向位置服務的角度出發，根據模型的構造特點將其大致分為幾何空間模型、符號空間模型、語義空間模型三類。

3.1 幾何模型

幾何空間模型通常是對室內實體做一個幾何的描述，它以坐標的形式為模型提供精確的幾何信息。依據表示形式不同分為基于邊界的模型和基于格網的模型兩類。

3.1.1 基于邊界的模型

基于邊界的模型將室內實體通過歐式空間的點、線、面、體來描述，每個空間實體表示為一個坐標集。傳統的計算機輔助設計(computer aided design，CAD)室內平面圖是目前最為常見的一類室內幾何模型，一般用于建筑工程領域，包含有諸多室內構件的幾何信息。另外，由國際協同聯盟(international alliance for interoperability，IAI)提出的工業基礎類(industry foundation class，IFC)數據模型標準作為建筑信息模型的一個主要數據交換標準，采用了實體模型的表達機制來描述室內構建幾何信息，主要用于建筑工程管理。城市地理標記語言(city geography markup language，CityGML)的多細節層次4(levels of detail 4，LOD4)則是由開放地理信息聯盟提出的室內3維空間數據模型，相比較IFC模型而言更加接近于GIS的應用，采用了表面模型的3維幾何模型表達機制，主要用于對室內空間的可視化。

盡管邊界模型能夠提供豐富的室內幾何數據，但一般不能將其直接用于導航、范圍查詢等室內位置服務。目前，主要將其用作其他空間模型的數據源。例如，文獻[8]基于CAD室內模型構建了室內拓撲模型，并將其應用于導航；文獻[9]在IFC的基礎下，提取實體邊界信息并將其格網化到2維平面實現了室內的路徑規劃。

3.1.2 基于格網的模型

基于格網的空間模型通過對室內空間的格網分割實現。包括有規則格網分割和不規則格網分割。其中規則分割將空間用形狀和大小相同的幾何圖形進行分割，常見的有正方形和六角形分割。這種分割方式廣泛的應用于機器人導航領域它提供了一個具有連續幾何特性的空間模型，并支持不同類型的基于幾何的空間查詢和格網交互。另外，還可在格網分割的基礎下建立基于格網的圖模型，用于路徑導航和空間分析。文獻[10]提出的2維室內空間格網圖模型，不僅能夠表示空間幾何信息，也可表示空間的結構屬性和不同抽象層次的拓撲關系，還可以用于室內尋路和擴散分析。一般來說，格網分割越細模型的幾何精度越高，但存在的問題就是格網越多所占的內存越大，查詢和服務效率則會相對降低。不規則格網空間分割則是根據相應的原則將空間分割成不規則的多邊形，常見的有三角格分割、Voronoi多邊形分割等，常用于室內的壁障導航。文獻[11]提出了一種對室內空間的三角格網劃分，通過構建基于三角格網的圖模型實現了高效的壁障路徑查詢，但是該模型適用范圍有限不能夠直接支持范圍查詢、最鄰近查詢等位置服務。另一類基于Voronoi多邊形分割的空間模型被廣泛的用于諸多領域，文獻[12]提出了一個分級的基于Voronoi多邊形的路徑圖模型構建方法，并將其應用于室內導航和路徑描述，然而這種模型的構建和維護并不容易，目前也不能實現Voronoi多邊形的自動構建。

相對于規則格網而言，不規則格網空間分割更加的靈活，室內尋路的效率要高于規則格網，存在的問題就是模型構造依賴于具體的空間分割算法，建模過程比較繁瑣，且不能提供高精度的位置信息。

3.2 符號模型

符號模型將室內空間的所有對象表示為帶有特定ID標記的符號元素，一般用于描述對象之間的拓撲關系，主要包括基于集合的模型和基于圖的模型。

3.2.1 基于集合的模型

基于集合的模型首先給空間或實體一個符號標識，然后依據空間之間的包含關系將不同空間標識組成集合和子集，建立一個分級的空間模型。例如，一個超市被定義為一個樓層編號的集合，每一個樓層都有一個與之關聯的子集，每個子集中包括該樓層內所有的房間編號。其中具有代表性的就是文獻[13]所提的基于集合的語義拓撲模型，該模型描述了空間之間的包含與連通關系，并可用于室內位置查詢，主要缺點在于缺少對空間幾何信息的描述。另外，這種樹狀結構模型不允許一個元素同時繼承于多個父類，例如，一個房間可包含于某個樓層中，也可以包含于建筑物的一個側翼，基于概念格的模型則很好的解決了子類空間的多元繼承問題。圖1表示了一個示例的基于概念格的空間模型，圖1(a)表示該建筑物B的組成部分包括有樓層F1和F2以及兩個側翼W1和W2，該區域內共有R1到R5五個房間。圖1(b)則是圖1(a)所對應的基于概念格的集合模型，該模型中的空間區域可以通過多個空間標識的集合加以表示，重疊的空間區域則被定義為兩個集合之間的交集，其中編號為FiWj的空間表示樓層Fi與側翼Wj的交叉空間。文獻[14]提出了基于“位置·出口”的概念格空間模型，將室內抽象成位置和出口兩類對象，并基于概念格理論建立了空間的連接關系，該模型可以用于室內的最鄰近查詢和語義室內導航。

基于集合的模型可用于支持室內范圍查詢、最鄰近查詢、導航等位置服務，但通常情況下該模型只是對空間的定性描述，缺少坐標、距離等定量信息，難以滿足高精度的位置查詢、路徑導航等位置服務需求。

3.2.2 基于圖的模型

基于圖的模型將室內空間表示為一個圖G=(V，E)，其中V(vertices)表示預先定義好的位置(如：某個場所或是某個興趣點)，E(edge)表示兩個位置之間可通行的直接連接關系。圖2所描述的是一類最簡單的室內圖模型，它將房間和通道等空間抽象為節點，將連接房間與通道的門抽象為邊，該模型明確表示了空間的連通關系，可直接用于室內最鄰近查詢，給節點和邊賦權值后還可用于室內的導航和范圍查詢。單純的圖模型只能表示空間的拓撲關系，缺少距離等幾何信息。針對該問題，文獻[15]提出了室內3維網絡模型實現了幾何信息和拓撲信息的統一表達，模型主要構建原理是通過對偶圖的方法將3維空間實體(如房間)轉換成0維的點，將2維的面轉換成1維的線從而構建一個可表示空間拓撲關系的2維圖模型，并通過中軸變換的方法提取多邊形的線性特征來獲取2維圖的幾何信息(如圖3所示)。幾何圖的建模方法廣泛的應用于室內導航[16-19]。根據空間抽象方式的不同，可進一步將其分為“房間·房間”圖模型[8，20]和“門·門”圖模型[21-23]兩類，其中房間圖模型將房間抽象表示為節點，房間之間的門表示為邊，門圖模型則將門表示為節點，門之間的連接表示為邊。相對于房間圖模型而言后者可支持非繞行的室內尋路，還可通過增加可視點的方式[21]確保節點之間的通視。

圖3 建筑物和其對應的3維空間模型示意圖[15]

盡管幾何圖模型存在多方面的優點，但是對于復雜結構的建筑物而言不能實現模型的自動構建。另外，當模型應用于范圍查詢時只能返回預先定義的節點空間信息而不能得到其他抽象層次的查詢結果，解決的方法可以將圖模型通過分級的方式組織，構建不同抽象層次的圖模型[20]。

3.3 語義模型

語義模型通過對不同類型室內空間對象的區分，重點描述各類空間對象的屬性、操作以及相互之間的關系，不僅包括描述性的功能還包括空間推理功能，通常和本體論相聯系。文獻[13]較早的提出了室內本體構建的問題，但沒有給出具體的本體模型構建方式。文獻[24]基于本體理論提出了室內導航本體模型，該模型主要用于個性化的室內導航，依據各路徑組成片段不同的語義描述，將室內空間區分為水平過道、移動過道、空間出口、電梯出口等，并建立用戶本體及兩者之間的規則，實現了個性化的路徑選擇。該模型有別于IFC中對室內空間實體的區分方式，建模過程中重點表示了與路徑相關的實體語義信息。文獻[25]則基于IBM模型，利用其豐富的語義信息，并結合智能導航應用需求構建了室內導航本體模型。不同于其他模型，該模型將窗戶表示為一個特殊的路徑點以便支持緊急情況下的室內逃生。文獻[26]基于本體理論，針對美國殘疾法案(American disability act，ADA)標準下的不同類型用戶需求，提出了用于室內空間尋路的本體模型并給出了對應的尋路算法。文獻[27]則分別從概念空間、定性空間、定量空間來描述室內領域本體層三個不同方面的特性，例如對于一個門而言，概念空間描述了門的材料和顏色，定性空間描述了門和墻的相鄰關系以及指定門所屬的房間號等，定量空間則描述了門的長、寬、高以及具體的位置。文獻[28]則提出在頂層、領域、任務、應用四個級別的室內外一體本體建模框架，并重點介紹了其中的室內結構本體模型和導航任務本體模型，為實現室內外一體的位置服務研究提供了一個較好的思路。

基于本體的室內語義模型可以用于支持室內的空間推理，常用于個性化的室內導航服務，也可以在一定程度的上支持位置查詢、范圍查詢、最鄰近查詢等位置服務，通常將其與圖模型相結合以實現更加精細化的室內位置服務。其他一些文獻[1-2]中也有將基于本體的室內空空間模型歸類為符號模型，文獻[3]則將其稱之為對象特征模型，本文將其看作是一類單獨的室內空間模型主要是為了突出這類模型的本體推理功能。因為相對于室外而言，室內需更加強調個性化的位置服務[26]，將更多的上下文信息納入室內位置服務的考慮當中，而本體建模則是其有效的實現手段之一。

4 結束語

隨著室內數據采集、室內定位、室內地圖制作等相關技術的成熟以及對室內空間認知等理論的深入研究，將進一步的促進室內位置服務的發展，作為實現室內位置服務的基礎與核心，室內空間建模已經成為位置服務領域的研究熱點之一，并取得了一定的研究進展。盡管如此，面向位置服務的室內空間建模方面仍面臨許多困難與挑戰，有待進一步研究和解決，主要體現在以下3個方面：

(1)當前室內模型通常針對某一特定的應用領域，只表達了部分的室內空間信息，應用范圍有限，如何綜合考慮幾何、拓撲、語義三類信息，構建一個可擴展、適用于多應用的室內空間模型還有待進一步研究。

(2)現有的室內空間模型不能滿足室內外一體的位置服務應用需求，例如室內外一體的導航要求構建室內外一體的路網模型。因此，構建室內外一體的空間模型是未來需要重點關注的問題之一。

(3)效率是建模的一個重要影響因素，現有幾何模型(如IFC模型、GityGML等)可以作為室內建模的重要數據源，但是如何有效利用現有幾何模型，實現面向位置服務的室內空間模型的自動構建問題還沒有得到很好的解決。例如，目前的室內網絡模型構建的自動化程度仍然不高，下一步需集中研究如何有效減少建模的工作量，提高建模的效率。

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