室內導航模型研究綜述

韓李濤 鄭瑩 類延輝 吳佳怡

摘要：隨著室內導航應用需求的不斷增加，室內導航已成為目前很多技術領域研究的熱點，具有廣闊的應用前景，而室內導航模型的研究是其中的核心內容。闡述了當今國內外現有的幾個典型室內導航模型的建模原理及方法，并從室內模型的信息豐富度、構建復雜性以及模型易用性等角度對其優缺點進行了分析比較。

關鍵詞：室內導航；室內定位；導航模型；三維路徑

DOIDOI：10.11907/rjdk.161371

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0001-03

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，大型建筑物內部構造變得更加復雜，加重了人們的空間認知負擔，使室內尋路變得更加困難。特別是在商場、機場、會展中心等大型公共場所，室內“迷路”的情況尤為突出，室內導航因此得到越來越多的關注[1]。近年來，對室內導航系統及關鍵技術的研究逐漸興起。20世紀90年代，美國Arc Second公司開發完成了首套室內導航系統，稱為室內GPS；2009年，Google推出了一項新的Google地圖，可為建筑物提供室內地圖；2010年，諾基亞研發了高精度室內導航技術，通過藍牙和Wi-Fi網絡進行室內定位；2012年，諾基亞、三星、索尼移動以及其它19家公司聯合成立了“室內定位聯盟”（In-Location Alliance）[2]。目前，室內導航技術更多地關注于室內定位技術的研究和實驗，而對于完整室內導航系統所必需的室內導航模型（室內信息組織）的研究則相對薄弱。事實上，室內導航模型在室內導航系統的各種功能實現中起著重要作用，如最優路徑規劃離不開室內拓撲網絡，路徑三維表達離不開室內幾何甚至紋理信息，而路徑查詢過程中的交互過程離不開室內語義信息。這些室內信息的有效組織和存儲是保證系統導航功能實現的基礎。因此，本文將對現有的典型室內導航模型及建立方法進行闡述，并重點對比分析其優缺點，從而為室內導航模型進一步研究提供借鑒[3-4]。

1 室內導航模型研究現狀

室內導航模型是指為了實現室內導航系統，需要對室內各種空間要素和信息進行有效組織和存儲，從而為室內定位、信息查詢、路徑分析、實時導航等各種室內導航功能實現提供數據和模型支持。隨著人們在室內活動更加頻繁和建筑物的室內結構越來越復雜，學者們對室內導航模型的研究也更加深入，室內導航模型由原來信息單一的簡單模型逐漸發展為包含豐富信息的復雜模型。本文將根據時間先后對室內導航模型的發展過程和現狀進行簡單闡述。

早期常見的是符號模型[5]。其原理是將室內空間對象用帶有特定ID標識的符號元素來表示，用于表達室內空間元素的相互關系。這類模型符合人的空間認知特性，但缺少對室內的幾何描述，且只能給出粗略的相互關系描述。為了實現對室內幾何和拓撲的統一描述，Lee[6-7]等利用對偶圖理論將室內空間抽象表示為節點和邊，并通過直中軸變換方式將二維通道轉換為一維的線，構建了三維室內拓撲數據模型。

杜建庚[8-9]使用基于圖像細化算法、特征點提取算法等建立單層樓的樓道路徑，并將房間作為結點連接到樓道路徑上，單獨考慮房間內部結構，建立單層樓層的路徑圖，然后用樓梯結點和電梯結點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點結構組成的帶權圖結構，弧上可賦予不同的權值；Yuan[10]等提出“門-門”的建模方式，將門抽象表示為節點，門之間的連接表示為邊，通過增加可視點的方式保證節點之間的通視性；趙新云[11]提出了一種基于概念格的室內導航模型，該模型基于位置—出口模式，引入錐形模型的方向關系和度量關系，建立用戶本體和空間本體，使用本體來表示模型，并在其基礎上進行推理，實現個性化的上下文導航服務。

溫永寧、張紅平、閭國年[12]等進行了樓宇三維尋徑分析研究，選用房產空間管理數據作為數據源，將樓道多邊形的邊界當作離散的點，然后構建約束Delaunay三角網[13]，以三角形邊線的中點或三角形重心作為中軸線的結點，依次連接這些結點，得到樓道多邊形的中軸線，最后得到拓撲路徑網絡；余文芳[14]在復雜室內環境下導航位置模型基本理論和方法研究的基礎上，構建了一種室內應急疏散導航位置模型。利用傳感器數據采集、建模等方式獲取室內環境實時上下文數據，并利用室內空間數據模型、應急導航上下文數據模型對數據進行處理、存儲，形成數據庫，進行查詢、分析處理，以提供導航、輔助決策等服務。

林雕[15]提出基于圖論的建模方法，模型綜合考慮幾何、拓撲、語義三類信息的表達，利用圖的建模方法建立室內導航概念模型，在房間內部增加內點來保證可視性，模型中節點和邊與室內實體之間存在一一對應關系，可用于支持室內的導航推理；針對干預過多和效率較低等問題，牛磊[16]提出了一種自動化構建室內通行網絡的方案，對CityGMLLOD4格式存儲的建筑物通行數據存在的各類典型問題進行對應性的數據錯誤修正和補全，然后結合室內可通行空間的特點，引入正交多邊形分割算法和鄰近關系分析算法，完成室內通行網絡的提取。

2 現有室內導航模型比較

為了對比和評價現有的室內導航模型，可以根據模型提供信息的豐富程度、模型構建的難易程度以及模型滿足導航應用的適用程度等幾方面考慮，具體如下：

（1）模型的適應性。適應性是指導航的行為應滿足不同種類的用戶需要，例如：人員疏散、救援、應急管理等。不同人員對室內導航有不同的認識方法、不同的時間要求，以及不同的導航方式[17]。

（2）模型信息的豐富度。模型中節點和邊需包含相應的屬性信息，以便于路徑的連通性、路徑計算和可視化。語義信息是實現室內導航的關鍵所在，需將節點所表示的空間類型、通道的方向性、門的開關時間、節點之間的權值等語義信息通過節點和邊的屬性信息來表示。

（3）模型構建的復雜度。數據的選擇和三維路徑的提取方法是構建模型復雜度的影響因素，數據包含的屬性信息、精度、拓撲完備性和存儲方式等不同，對模型構建具有不同要求，并產生不同程度的復雜度。選擇滿足室內導航的數據和更好更快地生成符合人們行走習慣的三維路徑構建方法，是降低模型構建復雜度的關鍵所在。

基于上述指標，對現有的室內導航模型進行詳細的對比分析，如表1所示。

3 室內導航模型分類

根據模型包含信息的類型和豐富程度，結合文獻[18]，對上述現有室內模型進行了歸類，大致分為3類：

（1）語義模型。語義模型大都基于本體論，由空間本體表示實體間的關系。室內實體在擁有一個名稱的同時，還具有其本身的屬性信息以及與其它實體間的關系，通過空間實體和各類關系的語義特征，進行目標定位。前期的符號模型、趙新云提出的概念格模型和余文芳的上下文導航位置模型都屬于語義模型。

（2）拓撲模型。拓撲模型是描述空間目標之間關系的數據模型，其中多邊形被分割為節點和弧段。拓撲關系構建完畢后再加入結構化且豐富的數、質量信息。Lee的對偶圖模型、杜建庚基于圖像細化提出的模型、Yuan的“門-門”原理、溫永寧的Delaunay三角網建立的模型與牛磊的基于CityGMLLOD4的室內通行網絡構建的模型把空間抽象為點和邊，對點和邊賦予屬性值來確立它們之間關系的拓撲模型。

（3）混合模型。混合模型融合幾何、語義、拓撲信息，使室內導航模型能滿足不同用戶不同的導航需求。林雕的基于圖論的建模即為結合了幾何、語義、拓撲信息的混合模型[15]。

4 結語

許多應用領域如室內尋路、緊急救援和疏散、樓宇安全等需要室內導航模型的支持，對室內導航模型的研究已成為當今的熱點。本文從室內導航模型的構建方法和原理出發，介紹了現有的幾種典型室內導航模型，根據模型包含信息的類型和豐富程度對其進行了分類，并探討了各種室內導航模型的優缺點。隨著科技的發展，室內導航模型將在更多領域得到應用，人們對室內導航模型的要求也將更高。現有的室內導航模型尚存在一定問題，如模型包含的信息不足、提取路網的方法冗雜和提取的路徑不符合人們行走習慣等。因此，發展集成幾何、語義與拓撲信息的三維室內導航信息模型和更快速、有效提取路網的方法是下一步研究的課題。

參考文獻：

[1] 盧偉，魏峰遠，張碩，等.室內路網模型的構建方法研究與實現[J].導航定位學報，2014（4）：63-67.

[2] 張騰.室內三維路徑規劃及多模式導航研究[D].濟南：山東科技大學，2013.

[3] 徐靜.室內移動導航系統的路徑規劃方法研究[D].長春：長春理工大學，2009.

[4] 中國移動-室內導航業務分析[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/link？url=jsjqvrsl45nDy_ul5urz1nErqaavRo6DsjeEv2x6oGZ 6xploaa_LxCs5oG-ET2YKL4FYdpxdUiDHsw3jR8YXiaJINdSE3O 0An_OIX6LvtzS.

[5] BRUMITTB STEVENSHAFER.Topological world modeling using semantic spaces[C].Proceeding softhework shopon Location Modling for Ubiquitous Computing，Ubicomp，2001：55-61.

[6] LEEJIYEONG.A spatial access-oriented implementation of a 3-D GIS topological data model for urban entities[J].Geoinformatica，2004，8（3）：237-264.

[7] THILLJC，DAOTHD，ZHOUY.Traveling in the three-dimensional city：applications in route planning，accessibility assessment，location analysis and beyond[J].Journal of Transport Geography，2011，19（3）：405-421.

[8] 杜建庚.樓宇三維路徑的生成、規劃及表達[D].北京：北京交通大學，2008.

[9] 黃雅平，杜建庚，陳恩義.樓宇三維路徑模型的自動生成算法[J].北京交通大學學報，2010（2）：79-83.

[10] YUANWENJIE，MARKUSS.Inav：an indoor navigation model supporting length-dependent optimal routing[J].Geospatial Thinking，2010.

[11] 趙新云，劉厚泉.基于概念格的語義室內導航[J].微計算機信息，2010（24）：170-171.

[12] 溫永寧，張紅平，閭國年，等.基于房產空間數據的樓宇空間疏散路徑建模研究[J].地球信息科學學報，2011（6）：788-796.

[13] 羅廣祥，李安芹，趙所毅，等.基于約束性Delaunay三角網確定多邊形中軸線的研究[J].測繪技術裝備，2004 （2）：30-33.

[14] 余芳文，周智勇，等.融合多種上下文的室內應急疏散導航位置模型[J].計算機應用研究，2014（4）：981-984.

[15] 林雕，宋國民，鄧晨.基于圖的語義室內導航模型構建研究[J].測繪工程，2015（1）：48-52.

[16] 牛磊，李靜婷，宋宜全.一種自動提取室內通行網絡的方法[J].測繪科學，2015（8）：121-124.

[17] 3D室內導航[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/06c4287ba26925c52cc5bf87.html.

[18] 錢小敏，陳斌.室內GIS的研究現狀與前景[J].地理空間信息，2012（4）：73-75.

Abstract：With the increasing indoor navigation application requirements，at present，indoor navigation is a lot of technology research hot spot，has a broad prospect of application and research value.Its core is the study of the indoor navigation model.The article describes the current domestic and international indoor navigation models principles and methods，from information richness and complexity of building and model applicability analyses their advantages and disadvantages.

Key Words：Indoor Navigation；Indoor Positioning；Navigation Model；3-dimensional Path