室內外多維時空數據融合及其在PGIS中的應用

張春敏，郭云嫣，劉全海

(1. 常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2. 常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

室內外多維時空數據融合及其在PGIS中的應用

張春敏1,2，郭云嫣1,2，劉全海1,2

(1. 常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2. 常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

全息位置地圖由于其多時態、多主題、多層次、多粒度的信息特征，近年來結合公安警用地理信息系統(PGIS)領域開展了研究和應用。本文針對室內外一體化多維應用場景的特點，重點研究了室內外一體化多維時空建模的數據采集、數據融合和建模方法，提出了全息位置地圖多維動態場景的構建技術；以公安部“新一代警用GIS關鍵技術及其應用”項目為背景，對常州城際火車站及周邊進行了室內外多維時空數據融合建模，為新一代PGIS的位置地圖建設提供重要示范。

全息位置地圖；多維動態場景；數據建模；室內外集成

全息位置地圖是以位置為基礎，全面反映位置本身及其與位置相關的各種特征、事件或事物的數字地圖[1-3]，是近年學術界為了適應當下智能的位置服務需求而提出的一種新型地圖產品，代表了未來數字地圖的發展方向。其中，多維動態場景建模是構建全息位置地圖的基礎，且考慮到人類約80%～90%的時間處于室內[2]，室內環境的多維動態場景建模更加迫切和重要。

室內外一體化多維時空建模是全息位置地圖重要的研究內容，融合了二維與三維、室內與室外、靜態與動態的多源信息，可有效支撐實景模擬，快速在線展示整個現實場景，進行室內外人員疏散和救援分析。

因此，室內外多維時空建模，在公安警用地理信息系統(PGIS)中得到越來越多的應用[3]。尤其是具有幾何準確性和照片真實感的室內三維場景模型，在公共安全區域監控、突發事件應急響應等應用領域有著迫切的需求。

本文針對室內外時空對象數據與時空關系的特點，提出室內外多維時空建模的技術方法，創新性地提出用于描述室內外一體化的全方位、多層次、多粒度的全息位置地圖的數據表示模型，在多源三維數據的匯集、室內環境高效建模等方面取得突破，有效解決了目前室內室外三維模型、泛在信息、全景地圖、影像地圖一體化整合的難題，為敏捷、精準的位置感知奠定基礎。

一、室內外多維時空數據采集與建模

針對位置傳感器種類多、分布廣、信息來源多樣等特點，研究位置傳感網的定位信息及泛在信息的獲取和動態接入技術；面向室內外一體的三維幾何、語義、屬性與時空關系，研究真三維全息位置地圖的數據采集、整合與建模方法；以特定目標的三維空間位置為中心，研究多維時空數據的融合和動態更新技術。

室內外多維時空數據融合研究內容包括：靜態場景數據(三維、全景、矢量、影像、拓撲等)，并通過位置網獲取大量動態感知信息(煙霧感應、動作感應、視頻感知等)，結合其他途徑(如公安內部網絡)接入的泛在信息，得到全方面、多層次和多粒度的目標信息。

室內外多維時空數據融合需要對室內外、地上下進行一體化建模。室外建模的研究已經非常廣泛，應用非常深入。近些年來主要研究室內空間建模[4]和一體化集成。常用的室內空間建模方法依據技術原理可分為3種[5]：手工建模方法、基于圖像的建模方法和基于激光掃描的建模方法。

1. 多維時空數據采集

主要研究地圖場景相關信息的獲取，并對其進行數據采集與處理，獲取得到場景全方位、多層次和多粒度信息。在分析現有三維地理信息系統與全景地圖數據采集和處理方法的基礎上，結合LiDAR快速獲取技術，聯合多種采集設備(如LiDAR、Kinect、全景相機等)，對復雜場景進行全方位的三維快速重建。

LiDAR能獲取高精度、高密度的三維坐標點云數據和空間對象的深度信息，構建具有準確幾何信息的三維立體模型[6]，適用于室內較大范圍的場景快速建模。但由于存在室內場景不規則對象之間相互遮蓋、未知物體表面反射特性、室內邊角對象無法實時獲取、室內場景點層次多樣、場景對象自身結構復雜等問題，直接利用LiDAR數據會在場景缺失的情況下出現模型孔洞和邊緣失真等數據漏采和數據不完整的現象。

Kinect對小范圍的場景能夠進行持續掃描，實現由粗到細，提高三維重建精度，實現三維場景的快速更新，能夠滿足場景內部突發應急重點區域、人群密集區域、公共安全重點區域等的時效性要求。但由于噪聲大、精度差等缺陷使得其在使用時存在重影難以消除等問題。

針對以上問題，考慮將LiDAR與Kinect設備相結合的方案，將兩者獲取的數據進行有效融合，從而為建立完整、真實的三維模型提供數據基礎。

全景相機可在確定的場景點處獲取滿足精度要求的圖像信息，構建圖像金字塔模型并加以存儲。結合全景相機可獲取場景對象紋理信息這一特點，對前面獲取的三維模型賦予相應的紋理信息，從而得到具有真實感的多層次、全方位、多粒度的三維全景地圖。

2. 對多維場景蘊含的拓撲關系、方位關系、語義屬性進行建模

在對地圖場景進行數據采集時，緊急安全出口、重要目標對象和遮擋對象等數據的便捷采集，對場景對象的語義構建[7]、場景對象的碰撞檢測、室內路線的規劃有著非常重要的作用。

每一張場景圖片都可能與潛在的矢量、點云、視頻、圖像等信息相關聯?？焖俳⒍嘣葱畔⑴c場景圖片的對應關系，可以使多個用戶在協同辦公時實時觀察到最新的信息。針對來自現場采集的點云、視頻、圖像信息，需要根據空間點位信息篩選需要搜索的場景點，然后對選定場景點所包含的場景圖片進行匹配。圖1為信息層次關系圖。

圖1 信息層次關系

為了適應室內場景信息的快速搜索和匹配，需要建立層次性的存儲模型。首先將室內場景按照房間和樓層進行分割，建立起室內各個區域間的拓撲關系，存儲到空間數據庫中。建立單獨的數據表，存儲具體區域中各個場景點的鄰接關系和方位關系。對于區域出入口處，建立邊界場景點之間的關系，存儲到另外一張數據表中。在對場景進行搜索時，在區域內部直接搜索場景點的鄰接關系，跨區域邊界則聯合多表進行查詢。為了進行高效的搜索，在建表過程中需建立合適的空間索引以加速搜索效率。圖2為室內外多維時空對象E-R模型。

場景對象的語義信息在內涵豐富、復雜的時空概念下還不能明確表達出其完整含義，需要綜合利用本體[8]屬性和原型或典型實例相結合的方法來表達，如對門窗等緊急疏散出口獲取完整的語義信息可加快人員疏散速度，減少人員傷亡。

此外，矢量標注可方便檢索到鄰近的場景點信息，經過三維幾何解算，利用矢量信息與全景圖片所表達的空間場景的相交關系，變換處理得到與場景圖片相融合的準確信息。開發整合拓撲關系、方位關系和語義屬性的建模工具，研究保持三維對象幾何一致性、拓撲一致性及語義一致性的校驗方法，基于生成的三維全景地圖，實現對三維全景數據的編輯與修改。

3. 對場景內動態目標的行為軌跡、形態變化、屬性信息等進行建模

動態目標的行為軌跡受時空的影響，位置變化較大，如犯罪分子的可疑行為、作案現場物體的位置變化等，體現在三維全景地圖中多表現為幾何變形和對象隨時間序列的變化。不同的時間，目標對象的屬性信息也會發生一定的改變，這些信息可以通過傳感網和Kinect進行實時獲取，并對已有數據庫進行動態更新，獲取利于時空分析的動態模型。

圖2 室內外多維時空對象E-R模型

4. 室內外多維時空數據的更新

對于矢量數據和三維模型數據，參考現有國內外增量更新的相關研究成果，利用版本機制，并結合數據查詢和更新的特點，設計合適的數據更新策略，使用Oracle數據庫建立起高效的數據更新架構。針對全景數據和實時數據流，根據NoSQL數據庫的特點，設計相應的更新策略。針對實時數據流，結合視頻、點云數據特點，通過數據檢查機制和評價指標，將符合要求的數據動態更新入庫。針對存儲關聯信息的圖數據庫Neo4j，建立數據增量更新策略，對實時數據流與其他各類數據的關系進行快速更新，并保持數據一致性。

二、案例與試驗分析

1. 項目基本情況

隨著“十二五”國家科技支撐計劃“新一代警用GIS關鍵技術及其應用”的開展，相關單位共同開展“位置傳感網與全息位置地圖關鍵技術及其應用”課題研究。新一代PGIS的研究目標是突破大規模位置傳感網多維、多源動態數據獲取與整合，泛在空間信息融合集成與管理，全息位置地圖建模與多維可視化，位置深度感知與時空關聯等關鍵技術，研發全息位置地圖與泛在空間信息智能服務平臺，建立面向公共安全的典型區域示范應用系統。

在公安部門現有的三維警用地理信息系統[9]中，以公共大型場所(常州市城際火車站)為例，構建立體直觀、室內外一體、地上地下一體的多維時空數據，并結合物聯網，提供信息查詢、統計分析、軌跡模擬、車輛跟蹤、實時監控、工作預案、探頭標注等各類服務。

2. 室內外多維時空場景建模

(1) 三維數據

按照城際火車站的基本對象組成進行創建[10]，對于火車站內部，以每一樓層的功能區間(如一樓大廳、一樓衛生間、一樓值班室等)進行創建和分類；同時，對于外墻(特別是外墻的玻璃幕墻)需按照樓層為參照進行處理，即外墻需按照樓層進行切分處理，分為若干個(以樓層數為準)對象。

以一個簡單的房屋模型為例，對構成房間(包含內外)的部件進行解釋，如圖3所示，典型的房間由屋頂、天花板、內墻、窗戶、地板、底面、外墻、門和窗戶構成。針對常州市城際火車站，包含的部件除上述部分外，還有障礙物、卡口、攝像頭等。

圖3 房間部件構成示例

室外建模：南廣場和北廣場范圍內建筑、道路、地面建模，面積為153 246 m2。

室內建模：對候車室、售票廳、室內兩層座椅、商鋪及辦公室等進行三維建模，面積為70 294 m2。

地下空間建模[11]：對地下空間的停車場、廣告牌、變電室、商鋪及附屬部件等進行三維建模，面積為306 492 m2。

具體模型實例如圖4—圖6所示，精度指標見表1—表3。

圖4 火車站北廣場室外模型

圖5 火車站出口地下模型

圖6 火車站室內大廳及攝像頭模型

表1 平面精度指標 m

(2) 點云數據

利用激光掃描儀快速采集室內點云信息，其具有三維空間坐標，可以快速構建立體模型。如圖7所示。

表2 高程精度指標 m

表3 建筑高度精度指標 m

圖7 研究區域點云數據

(3) 全景數據

室內全景信息要求對室內信息進行全方位感知。目前，已有的室內數據采集平臺多針對室內的三維場景建模，而并不關心影像的深度信息、屬性信息等。因此，為全面獲取室內泛在信息，試制了專門的室內三維全景影像數據采集平臺，需要高清全景相機1臺、室內輕便型激光掃描儀2臺(360°全景信息獲取)，主要用于室內三維影像數據的采集，包括室內場景的深度信息、屬性信息，并具備實時可視化監測與姿態調整等功能。

(4) 視頻數據

對視頻攝像頭位置信息進行提取，包括攝像頭ID、名稱及在室內的相對空間坐標位置，見表4。

(5) 軌跡數據

針對在公共安全突發事件中獲取的實時數據流，根據矢量標繪數據，快速搜索三維地圖數據庫和全景圖片數據庫中相關的模型與場景數據，建立關聯關系。如圖8所示。

表4 視頻攝像頭位置信息

圖8 日常巡控

3. 在PGIS中的應用

室內外多維時空數據作為全息位置地圖示范系統的基礎支撐，在警務信息的三維可視化展示、指揮調度、日常巡控等警務實戰場景中推廣應用，有效地輔助公安部門的日常安全管理及事件應急響應工作，提升了公安機關核心戰斗力。

(1) 地圖瀏覽

對火車站室內室外、地上地下進行多維真實場景的瀏覽再現。

(2) 信息查詢

提供各類信息分類查詢，如行政區劃、社區、道路、單位、門牌號、案件、人員、治安卡點等。在大型公共場所突發緊急情況下，可利用人員信息查詢功能提供人口流動軌跡信息，從而跟蹤人口流動的情況。

(3) 統計分析

主要用于自定義區域范圍內的信息統計，如應急區域周邊的人口信息統計、突發案件輻射區域的相關信息統計、重點人員聚集區域的信息統計等，從而針對性地制定治安防控方案。

(4) 軌跡模擬

可以實現案件、車輛、重點人員等的軌跡疊加分析，指揮部門可動態模擬某犯罪嫌疑人或劫持車輛的逃離路線和速度，也可模擬一組人員的流動軌跡，形象直觀地輔助公安人員科學決策。

(5) 三維預案

針對基于紙質地圖制作的傳統工作預案不直觀、布控信息量少的特點，基于室內外多維時空數據融合的全息位置地圖，工作預案的模擬使制定者和執行者能直觀地了解多維場景中警員、車輛的模擬配置情況，找出布控盲點，在盲點處布設相應的警力設備。

(6) 實時監控

將火車站等大型公共場所的視頻監控、值班室視頻、重點區域的視頻與全息位置地圖融合，便于指揮人員查看實時監控信息，在遠程實時監控的基礎上，準確判斷實地真實情況并決策調度。如圖9所示。

圖9 實時指揮調度

三、結束語

在泛在網環境下，以位置為紐帶動態關聯事物或事件的多時態、多主題、多層次、多粒度的信息，提供個性化的位置及與位置相關的智能服務平臺，是地圖發展的必然趨勢。室內外多維時空數據融合建模既克服了傳統地圖多是服務于室外空間，難以滿足室內活動需求的缺陷，又實現了室內外一體化表達的應用要求。同時，基于此構建的全息位置地圖提供了一個綜合利用各種信息的平臺，自適應地滿足用戶需求，實現了泛在空間信息的智能服務。

本文以信息共享和綜合利用為目標，研究基于公安信息的室內外多維時空數據融合，實現可視化查詢和分析，提高指揮決策、快速反應、反恐等方面的綜合能力，為治安管理、警力部署、巡邏布控、安全警衛等公安業務提供行之有效的管理手段。

[1] 周成虎.全息地圖時代已經來臨——地圖功能的歷史演變[J].測繪科學,2014,39(7)：3-8.

[2] GOODCHILD M F.Looking Forward Five Thoughts on the Future of GIS[EB/OL].[2016-05-17].http:∥www.esri.com/news/arcwatch/0211/future of gis.html.

[3] 朱欣焰,樊亞新,胡濤，等.全息位置地圖:以位置為核心實現空間信息的動態關聯與智能化服務[J].海峽科技與產業, 2014(10):87-91.

[4] 林雕,宋國民,賈奮勵.面向位置服務的室內空間模型研究進展[J].導航定位學報,2014,2(4)：17-26.

[5] 唐相楨. 面向城市設計的參數化三維建模方法初探[J]. 城市勘測, 2014(3)：72-74.

[6] 高志國，李長輝. 基于地面LiDAR的三維竣工測量方法研究[J]. 城市勘測, 2014(3)：31-33.

[7] 黃亮.面向多源位置信息的語義位置建模與計算研究[D].武漢:武漢大學,2014.

[8] 朱欣焰,楊龍龍,咼維，等.面向全息位置地圖的室內空間本體建模[J].地理信息世界,2015,22(2):1-7.

[9] 鄧淑丹. 三維警用地理信息系統應用[J].測繪科學,2014,39(1):74-77.

[10] 張寅寶,張威巍,張欣.建筑物室內空間建模研究綜述[J].地理信息世界,2014,21(5):7-12.

[11] 冉慧敏,劉全海.基于規劃核實的地下建構筑物三維建模方法[J].城市勘測,2014(6)：17-26.

[12] 周成虎,朱欣焰,王蒙，等.全息位置地圖研究[J].地理科學進展,2011,30(11):1331-1335.

[13] 朱欣焰,周成虎,咼維，等.全息位置地圖概念內涵及其關鍵技術初探[J].武漢大學學報(信息科學版),2015,40(3)：285-295.

Spatial-temporal Data Integration of Indoor-outdoor Multi-demensional Dynamic Scenes and Its Application in PGIS

ZHANG Chunmin，GUO Yunyan，LIU Quanhai

2016-06-17

國家十二五科技支撐項目(2012BAH35B00；2012BAH35B03)；住建部科學技術項目計劃(2013-S5-4)

張春敏(1981—)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為城市三維建模、虛擬現實等。E-mail：7402619@qq.com

張春敏，郭云嫣，劉全海.室內外多維時空數據融合及其在PGIS中的應用[J].測繪通報，2016(12)：100-104.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0411.

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0494-0911(2016)12-0100-05