基于Flex和Arc GIS Server的室內(nèi)GIS實(shí)現(xiàn)方法

楊 乃，黃 婷，楊 潔，柳其志，鄧大偉，胡偉路

（中國地質(zhì)大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

美國教授Mike Goodchild指出：美國人平均13%的時(shí)間在戶外活動(dòng)［1］。隨著連鎖商店的興起、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、室內(nèi)定位技術(shù)的不斷提高、智能手機(jī)的普及以及相關(guān)軟件的發(fā)展，人們對(duì)于地理空間的探索已經(jīng)不再僅限于室外大尺度空間。現(xiàn)有的GIS基礎(chǔ)服務(wù)能幫助人們找到室外感興趣的地物，卻極少支持復(fù)雜的室內(nèi)空間，如大型機(jī)場、醫(yī)院、大型商場等的查詢搜索等，室外大尺度地理空間的探索已經(jīng)不能滿足人們的需求，室內(nèi)空間逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。在學(xué)術(shù)界，J．Candy等在建筑結(jié)構(gòu)CAD圖的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)交互方式獲取動(dòng)態(tài)地圖，為用戶提供動(dòng)態(tài)地圖獲取、辦公室查找、路徑查詢等服務(wù)［2］。Ki－Joune Li分析了室內(nèi)外數(shù)據(jù)模型和空間理論的異同點(diǎn)，并提出“單元空間”（cellular space）室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型，闡述室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)需求和室內(nèi)空間數(shù)據(jù)庫的功能要求等［3］。張琳娜等通過研究機(jī)場航站樓的旅客位置服務(wù)需求，采用虛擬現(xiàn)實(shí)與GIS相結(jié)合的方法，開發(fā)針對(duì)旅客進(jìn)出港業(yè)務(wù)流程的機(jī)場旅客導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路徑指引、交互式查詢等信息服務(wù)功能［4］。肖森等將室內(nèi)地理信息系統(tǒng)的理論方法與技術(shù)，概括為室內(nèi)空間建模、室內(nèi)空間數(shù)據(jù)庫管理等幾個(gè)方面［5－7］。在產(chǎn)業(yè)界，作為數(shù)字地球“大亨”的谷歌公司已推出自己的室內(nèi)地圖，用戶可以用其尋找最近的衛(wèi)生間，或在機(jī)場尋找登機(jī)口［8］。高德地圖在2012年也發(fā)布新版本，推出室內(nèi)地圖功能，包括國內(nèi)數(shù)百家大型商場內(nèi)部導(dǎo)游信息，通過室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)，用戶可以查看商鋪品牌、商品類型、樓層概覽、公共設(shè)施等詳細(xì)信息［9］。包括諾基亞、索尼和三星等在內(nèi)的22家企業(yè)共同成立了In－Location室內(nèi)定位聯(lián)盟［10］，室內(nèi) GIS將成為各家企業(yè)重要的研究內(nèi)容之一。

由于室內(nèi)空間與室外空間在很多方面存在較大差異［11］，室外GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法并不完全適用于室內(nèi)GIS，因此，有必要對(duì)室內(nèi)GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。現(xiàn)有研究成果并沒有對(duì)室內(nèi)GIS的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行系統(tǒng)的表述，相關(guān)產(chǎn)品提供的功能非常有限。本文將以光谷步行街綜合服務(wù)系統(tǒng)為例，研究基于Flex和Arc GIS Ser ver的室內(nèi)GIS實(shí)現(xiàn)方法。

1 室內(nèi)外GIS對(duì)比分析

室內(nèi)外GIS的差異主要體現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)及其組織管理、功能特征、可視化等方面［12］。

1．1 空間數(shù)據(jù)特征

空間數(shù)據(jù)特征差異性主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①數(shù)據(jù)源：室外GIS的數(shù)據(jù)來源主要有地圖數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、文字報(bào)告等；室內(nèi)GIS的數(shù)據(jù)來源主要有建筑平面圖、室內(nèi)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙、數(shù)字資料、文字報(bào)告等；②比例尺：室外GIS涵蓋了大、中、小各種比例尺地理數(shù)據(jù)；室內(nèi)GIS中都是大比例尺地理數(shù)據(jù)；③要素類別：室外GIS不僅包含自然地理要素，而且還包括人文地理要素；室內(nèi)GIS以人文地理要素為主，包括服裝店、餐飲店等。

1．2 空間數(shù)據(jù)組織與管理

室內(nèi)外GIS在空間數(shù)據(jù)組織與管理上的差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①室外GIS的數(shù)據(jù)均處于同一個(gè)平面層上；室內(nèi)GIS由于樓層的原因，同一區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)著不同的樓層數(shù)據(jù)，在空間數(shù)據(jù)組織管理上需分樓層考慮。②室外GIS已經(jīng)形成一套完善的基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼國家標(biāo)準(zhǔn)；室內(nèi)GIS還沒有形成針對(duì)性的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)。

1．3 功能特征

由于受到空間上的約束，室內(nèi)GIS在功能特征方面與室外GIS也存在差異，包括：①路徑查詢：根據(jù)人們?cè)谑覂?nèi)外的出行方式等因素的不同，對(duì)路徑查詢會(huì)有不同影響；②統(tǒng)計(jì)功能：室外GIS常以某街區(qū)、某行政區(qū)域等為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，室內(nèi)GIS則主要以樓層、房間為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì) ；③空間分析：室外GIS提供的多是基于地理特征的空間分析功能；室內(nèi)GIS提供的多是基于建筑結(jié)構(gòu)特征的空間分析功能［11］。

1．4 可視化

在室外場景中多采用LOD及數(shù)據(jù)分頁的方法進(jìn)行繪制，三維地圖較少深入建筑內(nèi)部；室內(nèi)場景中多采用可見性的剔除方法繪制，并且建筑內(nèi)部表達(dá)詳細(xì)。

2 室內(nèi)GIS的實(shí)現(xiàn)

世界城光谷步行街位于湖北省武漢市武昌區(qū)魯巷廣場，全長1 350 m，是武漢最大的商業(yè)綜合體，形成集購物、餐飲娛樂、旅游觀光、休閑健身、商務(wù)辦公、酒店于一體的一站式服務(wù)體系，已成為武漢市乃至華中地區(qū)人氣最高的消費(fèi)娛樂中心和節(jié)慶中心，日均客流量達(dá)15萬人次，周末客流量30萬人次，節(jié)假日高峰客流達(dá)100萬人次［13］。筆者以光谷步行街綜合服務(wù)系統(tǒng)為例，從需求說明、實(shí)施方案、功能實(shí)現(xiàn)等方面系統(tǒng)地闡述基于Flex和Arc－GIS Ser ver的室內(nèi)GIS實(shí)現(xiàn)方法。

2．1 需求說明

2．1．1 用戶分析

系統(tǒng)的用戶類型包括管理員、店主用戶和普通用戶。其中，管理員是指系統(tǒng)的管理維護(hù)人員，店主用戶是指光谷步行街內(nèi)各個(gè)店鋪的負(fù)責(zé)人，而普通用戶是指任何進(jìn)入光谷步行街的消費(fèi)者。

2．1．2 功能需求分析

管理員用戶對(duì)系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控商場動(dòng)態(tài)、管理值班人員、用戶驗(yàn)證信息、商場運(yùn)轉(zhuǎn)情況統(tǒng)計(jì)分析等。

店主用戶對(duì)系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在對(duì)店鋪信息（如名稱、類別、位置、電話、網(wǎng)址、LOGO、照片、促銷打折等）的發(fā)布、修改、刪除等方面，此外，還包括與普通用戶的交互（如評(píng)價(jià)、意見反饋等）功能。

普通用戶對(duì)系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在光谷步行街的店鋪信息（名稱、類別、位置、電話、網(wǎng)址等）、路線信息（安全通道、同樓層與跨樓層最優(yōu)路徑）、基礎(chǔ)設(shè)施信息（消防栓、洗手間、咨詢服務(wù)點(diǎn)等）等方面的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、顯示等。

2．2 實(shí)施方案

2．2．1 實(shí)現(xiàn)模式

本系統(tǒng)基于B／S模式研發(fā)，用戶利用IE等瀏覽器，通過互聯(lián)網(wǎng)直接訪問系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索與應(yīng)用［14］；以 Arc GIS Ser ver 10．0平臺(tái)為支撐，采用Flex富客戶端開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)客戶端的展現(xiàn)功能，客戶端支持所有瀏覽器；客戶端與服務(wù)器之間的交互采用Web Ser vice技術(shù)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器采用C＃語言開發(fā)。系統(tǒng)研發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)架構(gòu)如表1所示。

表1 實(shí)現(xiàn)模式

系統(tǒng)分為客戶端和服務(wù)器端，其中客戶端主要為表現(xiàn)層，服務(wù)器端分為應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。表現(xiàn)層的載體為客戶端瀏覽器，使用Flash Player作為與用戶的交互窗口，用戶可以在表現(xiàn)層進(jìn)行地圖顯示與控制、空間數(shù)據(jù)查詢、屬性數(shù)據(jù)查詢、路徑查詢等操作。應(yīng)用層主要由Arc GIS Ser ver和．NET服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)層主要包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2．2．2 數(shù)據(jù)組織

1）地理數(shù)據(jù)庫。地理數(shù)據(jù)庫主要存放地圖數(shù)據(jù)，按樓層進(jìn)行組織管理，將光谷步行街六層樓的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到地理數(shù)據(jù)庫中，每一樓層對(duì)應(yīng)于一個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集。而每個(gè)要素集又包括店鋪、電梯、道路網(wǎng)、圖例等點(diǎn)、線、面、注記要素類（見圖2）。最終將6層樓的要素?cái)?shù)據(jù)集發(fā)布為6個(gè)地圖服務(wù)，每層樓之間通過樓層通道（如電梯）的ID號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同一個(gè)樓層通道在不同樓層的出入口ID設(shè)置為相同。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 地理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

2）屬性數(shù)據(jù)庫。屬性數(shù)據(jù)主要以數(shù)據(jù)表的形式存放在SQL Ser ver數(shù)庫中，如圖3所示，包括所有店鋪信息的屬性表Attribute（名稱、樓層、類別、電話、網(wǎng)址和收藏?cái)?shù)量），管理員屬性表 Manager（名字、性別、密碼、電話號(hào)碼、Email）、店鋪用戶屬性表Store（名字、性別、密碼、電話號(hào)碼、Email、商店名稱、商店類別）、普通用戶屬性表Customer（名字、性別、密碼、電話號(hào)碼、Email）的注冊(cè)信息表，值班人員信息表Wor kers（姓名、值班時(shí)間、照片、電話號(hào)碼）和各個(gè)店鋪打折信息表Sale等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 屬性數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

2．2．3 功能模塊

根據(jù)用戶需求分析，系統(tǒng)分為3大模塊：基礎(chǔ)模塊、特色模塊和輔助模塊，各個(gè)模塊進(jìn)一步細(xì)化又可以分為查詢、統(tǒng)計(jì)、路徑、登陸注冊(cè)等7個(gè)子系統(tǒng)，架構(gòu)如圖4所示。

2．3 功能實(shí)現(xiàn)

2．3．1 店鋪查詢功能

對(duì)于店鋪的查詢功能主要是通過Arc GIS API f or Flex提供的Find Task類來完成，將店鋪圖層的NA ME屬性字段作為Find Para meters對(duì)象指定查找的參數(shù)，F(xiàn)ind Task對(duì)象直接調(diào)用execute方法，F(xiàn)ind的最終結(jié)果在execute Co mplete Handler函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，查詢結(jié)果以graphic顯示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)主要提供兩種店鋪查詢方式：①直接輸入店鋪的名稱進(jìn)行查詢；②列表查詢，即列出所有店鋪供用戶選擇查詢。根據(jù)用戶的需求，列表查詢又可以分為按店鋪樓層和店鋪類別查詢，店鋪樓層分為負(fù)一層、第一層、第二層、第三層、第四層和第五層，店鋪類別分為商店、餐飲、生活、娛樂、公共設(shè)施和服務(wù)管理6大類，查詢結(jié)果在地圖上居中放大顯示（見圖5）。

圖5 店鋪查詢示例

2．3．2 路徑查詢功能

在大型商場內(nèi)，連接不同樓層之間的通道一般有垂直電梯、自動(dòng)扶梯和樓梯3類，因此，室內(nèi)路徑查詢除了考慮同樓層的路徑查詢之外，還要考慮跨樓層路徑查詢過程中人們對(duì)不同類型的通道選取習(xí)慣。首先通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷和實(shí)地考察相結(jié)合的辦法對(duì)室內(nèi)人群的行為認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行研究，再根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合Arc GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，調(diào)用最近設(shè)施、最短路徑GP Server來實(shí)現(xiàn)跨樓層的最優(yōu)路徑提取。

其中，網(wǎng)絡(luò)問卷主要調(diào)查當(dāng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的樓層差不同時(shí)，人們?cè)谏舷聵堑倪^程中對(duì)樓梯（垂直電梯、自動(dòng)扶梯和樓梯）、路線（選擇離起點(diǎn)較近但離終點(diǎn)較遠(yuǎn)的樓梯通道，還是離起點(diǎn)較遠(yuǎn)而離終點(diǎn)較近的樓梯通道）等的選擇上體現(xiàn)出來的行為認(rèn)知規(guī)律。實(shí)驗(yàn)總共收到68份有效的網(wǎng)絡(luò)調(diào)查反饋問卷，其中有40位男性，28位女性，年齡層次集中在18～40歲。此外，為了驗(yàn)證問卷調(diào)查的正確性，通過到光谷步行街實(shí)地考察，對(duì)光谷步行街的不同樓梯口進(jìn)行相同時(shí)間段的人流量統(tǒng)計(jì)。綜合得出以下結(jié)論：

1）樓梯選擇方式。上樓時(shí)，大部分人傾向于優(yōu)先選擇自動(dòng)扶梯；下樓時(shí)，大部分人傾向于優(yōu)先選擇垂直電梯。

2）路線選擇。上樓時(shí)，大部分選擇離自己較近的樓梯口上行，然后到達(dá)目的地的路線；下樓時(shí)，路線選擇沒有限制。

3）基于不同樓層差的選擇。無論是上樓還是下樓，當(dāng)樓層差在兩層以下時(shí)，大部分人選擇自動(dòng)扶梯；當(dāng)樓層差大于等于三層時(shí)，大部分人選擇垂直電梯。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查和實(shí)地考察的結(jié)果分析，提取的路徑查詢算法如下：

輸入起點(diǎn)，終點(diǎn)，然后判斷二者之間的樓層差。

若樓層差大于2，選擇上樓或是下樓的方式為扶梯，在起點(diǎn)樓層找到離起點(diǎn)最近的垂直電梯，調(diào)用最近設(shè)施GP服務(wù)；在終點(diǎn)樓層調(diào)用對(duì)應(yīng)垂直電梯口到終點(diǎn)的最短路徑GP服務(wù)。

若樓層差在0～2之間，選擇上樓或是下樓的方式為垂直電梯，在起點(diǎn)樓層找到離起點(diǎn)最近的自動(dòng)扶梯；在終點(diǎn)樓層調(diào)用對(duì)應(yīng)自動(dòng)扶梯口到終點(diǎn)的最短路徑GP服務(wù)。

若樓層差為0，同樓層查詢，直接執(zhí)行最短路徑算法。算法流程見圖6。

圖6 算法流程

在跨樓層最優(yōu)路徑分析中調(diào)用的GP模型主要有最短路徑GP模型和最近設(shè)施GP模型。如圖7、圖8所示，其中矩形表示地理處理工具，橢圓表示輸入的網(wǎng)絡(luò)分析圖層、經(jīng)過工具處理后輸出圖層、設(shè)置工具的分析屬性（例如設(shè)置要查找的設(shè)施點(diǎn)數(shù)）以及問題求解狀態(tài)（成功或失敗）。

最短路徑GP模型的建立過程：首先利用Make Route Layer工具創(chuàng)建最短路徑網(wǎng)絡(luò)分析圖層并設(shè)置其分析屬性，然后用Add Locations工具向網(wǎng)絡(luò)分析圖層添加網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)象（包括停靠點(diǎn)Stops與路障Barriers），再用Sol ve工具解決網(wǎng)絡(luò)分析圖層的最短路徑問題，最后用Select Data工具在父數(shù)據(jù)元素（如文件夾、地理數(shù)據(jù)庫、要素?cái)?shù)據(jù)集或coverage）中選擇需要輸出的最短路徑圖層（見圖7）。

最近設(shè)施GP模型的建立過程：首先利用Make Cl osest Facility Layer工具創(chuàng)建最近設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析圖層并設(shè)置其分析屬性，然后用Add Locations工具向網(wǎng)絡(luò)分析圖層添加網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)象（包括設(shè)施點(diǎn)Facilities和事件點(diǎn)Incidents），再用Sol ve工具解決網(wǎng)絡(luò)分析圖層問題，最后用Select Data工具在父數(shù)據(jù)元素（如文件夾、地理數(shù)據(jù)庫、要素?cái)?shù)據(jù)集或coverage）中選擇需要輸出的最近設(shè)施圖層（見圖8）。

圖7 最短路徑GP模型

系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，輸入起點(diǎn)和終點(diǎn)，考慮到不同樓層會(huì)有相同的店鋪，列出所有起點(diǎn)終點(diǎn)的情況，用戶根據(jù)自己的需求，選擇合適的起點(diǎn)終點(diǎn)，點(diǎn)擊查詢后得到相應(yīng)的最優(yōu)路徑。同樓層查詢時(shí)路徑顯示在這一層上；跨樓層查詢時(shí)，主視窗顯示起點(diǎn)樓層的最優(yōu)路徑，右下方的輔視窗中顯示終點(diǎn)樓層的最優(yōu)路徑（見圖9）。

圖8 最近設(shè)施GP模型

圖9 跨樓層最優(yōu)路徑顯示（三樓發(fā)源地——五樓秀玉紅茶坊）示例

2．3．3 統(tǒng)計(jì)功能

統(tǒng)計(jì)功能主要是前臺(tái)Flex通過．NET的Web－Ser vice技術(shù)與后臺(tái)SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，獲取數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)信息。

統(tǒng)計(jì)功能分為樓層統(tǒng)計(jì)、店鋪統(tǒng)計(jì)、收藏統(tǒng)計(jì)和總體統(tǒng)計(jì)4大類，各類統(tǒng)計(jì)提供餅狀圖、柱狀圖和折線圖3種不同的統(tǒng)計(jì)圖切換展示，如圖10所示。

樓層統(tǒng)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)樓層間不同類別設(shè)施的信息統(tǒng)計(jì)，包括各個(gè)樓層商店、餐飲、娛樂、生活、公共設(shè)施和服務(wù)管理6大類的統(tǒng)計(jì)信息顯示。店鋪統(tǒng)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)一種店鋪類型（商店、餐飲、娛樂、生活、公共設(shè)施、服務(wù)管理）在六個(gè)樓層的數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況。收藏統(tǒng)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)每個(gè)店面被用戶收藏次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，并且顯示收藏次數(shù)最多的十家商店。總體統(tǒng)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)總體上對(duì)每層樓的店鋪數(shù)量進(jìn)行統(tǒng) 計(jì)，可以得到不同樓層的店鋪數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表。

圖10 統(tǒng)計(jì)功能示例

2．3．4 輔助功能

除此之外，系統(tǒng)還提供視頻監(jiān)控、3 D展示店鋪信息、新聞滾動(dòng)、值班信息等輔助功能。使用Flsah Media Ser vice3．5，管理員可以調(diào)用商場攝像頭，對(duì)商場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)危險(xiǎn)情況（如火災(zāi)、打架斗毆等）做出及時(shí)的響應(yīng)。店主用戶利用網(wǎng)頁3d畫布技術(shù)，在Flex中內(nèi)嵌ht ml頁面，將店鋪信息進(jìn)行3d展廳展示，包含店家的實(shí)景狀況以及店家的最新的打折以及活動(dòng)等信息。店主用戶登錄之后可以添加店鋪的一些打折信息，吸引顧客。管理員登陸之后列出每天的商場值班人員信息，給顧客提供咨詢幫助。

3 結(jié)束語

本文以光谷步行街綜合服務(wù)系統(tǒng)為例，從需求說明、實(shí)施方案、功能實(shí)現(xiàn)等方面研究基于Flex和Arc GIS Ser ver的室內(nèi)GIS實(shí)現(xiàn)方法，并解決室內(nèi)空間數(shù)據(jù)分類組織與管理、跨樓層最優(yōu)路徑提取等問題。該系統(tǒng)的成功研制對(duì)其它場合的室內(nèi)GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有一定的借鑒意義。隨著室內(nèi)導(dǎo)航與定位技術(shù)不斷取得突破，相信未來在移動(dòng)終端的室內(nèi)GIS將大有所為。

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