基于WiFi的室內位置服務GIS應用系統研究

聶小波，黃冠宇，陳 濤，邢光成

（1.湖北省基礎地理信息中心，湖北 武漢 430074；2.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢430074）

基于WiFi的室內位置服務GIS應用系統研究

聶小波1，黃冠宇1，陳 濤2，邢光成2

（1.湖北省基礎地理信息中心，湖北 武漢 430074；2.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢430074）

以室內電子地圖為基礎，采用基于WiFi的室內定位技術，設計了室內位置服務GIS應用系統框架，實現了POI搜索、路徑規劃、路徑導航等系統功能，對室內位置服務GIS的研究與應用具有一定借鑒意義。

室內定位；室內電子地圖；WiFi；路徑規劃

隨著GPS、輔助衛星定位系統（AGPS）、蜂窩網定位系統[1]的發展和成熟，室外環境下的定位系統已能滿足絕大多數的定位需要。但因為環境條件復雜，存在衛星定位信號無法到達室內的“最后一公里”難題，因此，如何利用現有的網絡基礎設施和設備，實現復雜室內環境下的高精度定位，滿足室內用戶的位置信息需求，成為室內定位技術[2]研究領域的前沿和熱點問題。

隨著城市的發展和進步，基于位置的服務[3]在各領域均展現出巨大的商機和生命力。大型商場、醫院、交通樞紐、展廳、圖書館、辦公樓等結構復雜的建筑物也需要室內位置服務來提供定位、實時導航、廣告推送、跟蹤分析、客流量統計等功能。

本文提出了一種基于WiFi的室內定位方法，以室內電子地圖為基礎，研究了室內位置服務涉及的部分關鍵技術，設計和實現了室內位置服務GIS應用系統。室內位置服務GIS應用系統的建設，一方面可讓用戶享受到室內定位帶來的便利和快捷，另一方面也可推動行業應用發展。

1 關鍵技術

1.1 室內定位技術的選擇

室內位置服務GIS應用系統建立在室內定位技術的基礎上。根據定位解算執行位置，將基于WiFi的室內定位技術分為服務器端網絡側定位和客戶端終端側定位。本文采用基于服務器端的系統架構進行定位，定位解算在服務器端進行。基于WiFi的室內定位算法主要包括：近鄰法（NN）、K近鄰法（KNN）、加權K近鄰算法（WKNN）、最大似然法（ML）、核函數法、人工神經網絡法和支持向量回歸法等[4]。本文采用基于WiFi的貝葉斯最大似然估計算法，在服務器端對采集的RSSI進行定位解算。

1.2 室內電子地圖數據的組織

室內電子地圖的表達重點以建筑物內部各單元構成室內地圖的主體，內部單元之間的空隙構成了行人通行的區域。此外，室內空間存在多樓層情況，需要為每個圖層添加樓層高度信息，且保存出入口和樓梯等為路徑規劃提供數據。室內電子地圖的數據組織結構如圖 1所示。

圖1 室內電子地圖數據組織結構

1）樓層信息，包含樓層名稱、層數以及屬性等信息，主要分為樓層輪廓、單元輪廓、POI信息和層內通道信息4個要素層。樓層輪廓，表示建筑物某一樓層的外圍輪廓。單元輪廓，表示某一樓層內部各單元功能區的外圍輪廓，包括商店、會議室、衛生間、電梯、自動扶梯、停車位等。POI信息，是從各單元輪廓區域中抽象出來的點，保存各單元功能的詳細屬性信息。層內通道信息，表示樓層內部的通行路網，由點圖層和線圖層組成道路圖層，實現邏輯關聯。

2）層間通道信息，即樓層間電梯、自動扶梯等的通行路徑，需要保存上下樓層連接點的屬性信息，與層內通道信息進行結合。

3）建筑物信息，即建筑物的外圍輪廓，包含名稱、位置及屬性等信息。

1.3 基于WiFi的室內位置服務路徑規劃

室內路徑規劃[5]問題可歸結為求解室內空間的最優路徑問題，即在一個存在各種障礙物的室內空間中，對于任意給定的起始點和目標點，尋找一條從起始點到目標點的最優路徑，如距離最短、費用最低、耗時最少等，且這條路徑必須繞過所有障礙物。

地圖導航領域常用的路徑規劃算法是Dijkstra算法[6]和A*算法[7]。近年來，許多室內路徑規劃算法都是在這兩種算法的基礎上加以改進的[8]，如面向空間認知的路徑規劃算法、基于地圖數據分層的路徑規劃算法等。

本文選取基于地圖數據分層的A*算法作為室內位置服務的路徑規劃方法。根據人到達目標節點轉角情況、距離和所用時間進行路徑規劃，簡化地圖中連接信息的數據結構，根據最短路徑求出當前位置到達目標節點的最優路徑。

2 系統設計

2.1 架構設計

室內位置服務GIS應用系統采用面向服務的架構（SOA）來設計平臺總體架構，如圖2所示。

圖2 室內位置服務GIS應用系統架構

支撐層和數據層為服務層提供了支撐環境和數據基礎，服務層通過各種中間件為應用層提供服務；應用層調用服務層提供的功能接口為客戶端提供室內定位功能，服務層調用數據層提供的室內導航電子地圖、指紋等數據，利用相關室內定位算法對用戶位置信息進行解算，根據解算結果提供室內定位服務，表現層通過不同場合的室內定位服務應用在客戶端展示室內位置服務的相關功能。

2.2 功能設計

室內位置服務GIS應用系統的主要功能包括：地圖瀏覽、樓層切換、距離量算、位置查詢、停車收費、POI搜索、路徑規劃、路徑導航等。

①地圖瀏覽，主要實現對室內電子地圖的放大、縮小、漫游、拖拽、歸位、角度旋轉等功能，用戶可根據需要改變查看地圖中的位置和角度。②樓層切換，實現不同樓層間室內電子地圖的自由切換，找到用戶想要到達或查看的樓層地圖。③距離量算，實現對電子地圖上兩點間距離的量算，可計算兩點間的直線距離，也可計算兩點間的道路距離。④位置查詢，實現對當前興趣點詳細信息的查詢和顯示。⑤停車收費，能實現對地下停車場空余車位和收費情況的查詢，以及根據車牌號進行停車繳費查詢和反向尋車查詢。⑥POI搜索，包括關鍵字搜索和周邊搜索。⑦路徑規劃，通過輸入起始點與終點獲取室內路徑規劃。規劃路徑時，可根據直梯、扶梯、步行梯等不同路徑以及最短路徑、最多活動等個性化需求，提供不同的路徑規劃方案。⑧路徑導航，用戶可實時獲取當前位置、行進路線軌跡，以及從當前點到達目標點的路徑引導。

2.3 數據處理

室內位置服務是以室內電子地圖為基礎的，室內電子地圖可看作是在電子地圖數據獲取和制作的基礎上，更注重建筑物內部精細化單元信息的表達。根據室內地圖的特點，采用二維平面表示單個樓層，并附加樓層高度信息，通過樓層疊加實現樓層切換和路徑導航。室內導航電子地圖制作流程如圖3所示。

圖3 室內導航電子地圖制作流程圖

3 系統實現

3.1 AP的部署

室內AP的部署是進行室內定位的基礎，為室內位置服務提供支撐環境。基于WiFi的指紋法定位需要采集RSSI，而采集RSSI需事先部署AP，并盡量做到無線信號的全覆蓋，因此AP的部署是進行室內位置服務的一個十分重要的環節。AP應根據室內環境的布局進行相應的部署，并考慮間隔距離、定位范圍、拓撲結構、非視距等因素對定位精度的影響。以某商場某層AP的部署為例，商場內部一般包括墻體、柱子、通道、店鋪、柜臺、天井、樓梯口等，在進行AP部署時，對于較開放的場景（如過道、走廊），定位范圍一般以20～30 m間隔進行部署，較長的過道、走廊部署成陣列結構；對于有墻體隔離的品牌店，每個室內應至少部署一個AP，且部署在室內正中央，較大的室內區域可增加部署AP的個數；AP之間的拓撲結構為陣列或三角形結構，以提高信號覆蓋范圍和增強信號的穩定性；考慮到人流走動等對信號的影響，AP的部署應遠離通透區域。

3.2 室內位置服務GIS應用系統建設

室內位置服務GIS應用系統分為服務器端和客戶端，服務器端向客戶端提供室內位置服務的相應功能。

系統主要功能包括：地圖瀏覽、樓層切換、距離量算、位置查詢、停車收費、POI搜索、路徑規劃、路徑導航等，如圖4所示。

圖4 系統客戶端示意圖

地圖瀏覽能實現室內電子地圖的縮放、漫游、歸位、拖拽、旋轉角度等操作，同時在服務器端發布室內瓦片電子地圖。樓層切換能實現不同樓層間室內電子地圖的自由切換。距離量算能實現對室內電子地圖兩點間距離的量算，可計算兩點間的直線距離和道路距離。位置查詢能實現用戶對當前興趣點詳細信息的查詢和顯示。停車收費能實現對地下停車場空余車位和收費情況的查詢，以及根據車牌號進行停車繳費的查詢和反向尋車的查詢。POI搜索能實現POI關鍵字搜索和周邊搜索。路徑規劃能使用戶獲得起始點和終點之間的最佳路徑。路徑導航能使用戶獲得當前實時位置和行進路線軌跡，并提供從當前點到達目標點的路徑引導。

系統建設完成后，對其功能進行了測試。結果表明，該系統完成了室內定位GIS要求的基礎功能開發，實現了對地圖數據的管理，可進行室內地圖數據的調度與發布；后臺支撐各類功能服務，為高精度室內地圖應用提供了服務支持。同時，也對室內定位的性能進行測試，在實驗環境中，該系統定位精度滿足室內定位與路徑導航的基本需要，并支持多終端接入。

4 結 語

由于受到復雜室內環境的影響，室內位置服務的研究和發展還處于探索階段。室內位置服務蘊藏著巨大的發展空間和商機，已成為研究的前沿和熱點。本文對室內位置服務做了相應研究，以基于WiFi的貝葉斯最大似然估計算法作為室內定位技術，分析了室內位置服務GIS應用系統所采用的關鍵技術。以室內電子地圖為數據基礎、室內定位技術為支撐，設計和實現了室內位置服務GIS應用系統架構和功能，對開展位置服務的研究和應用起到了一定的參考和借鑒作用。

[1] 范志平,鄧平,劉林.蜂窩網無線定位[M].北京：電子工業出版社,2002：6-8

[2] 張宴龍.室內定位關鍵技術研究[D].合肥：中國科學技術大學,2013：3-4

[3] 周傲英,楊彬,金澈清,等.基于位置的服務：架構與進展[J].計算機學報,2011,34(7)：1 155-1 171

[4] 鄧志安.基于學習算法的WLAN室內定位技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2010：25-30

[5] 劉敬坤.室內移動機器人的動態路徑規劃[D].鄭州：鄭州大學,2014：1-4

[6] 李駿豪.針對復雜環境的室內路徑規劃算法的設計與實現[D].成都：電子科技大學,2014：25-27

[7] 史輝,曹聞等. 算法的改進及其在路徑規劃中的應用[J].測繪與空間地理信息,2009,32(6)：208-211

[8] 趙衛峰.基于空間認知的智能導航方法研究[D].武漢：武漢大學,2011：21-25

P208

B

1672-4623（2017）05-0013-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0050.4

聶小波，高級工程師，主要從事智慧城市、三維地理信息系統、LBS相關的技術和應用研究。

2016-11-01。

項目來源：國家科技支撐資助項目（2015BAJ05B01）；數字制圖與國土信息應用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放研究基金資助項目（GCWD201406）；國家測繪地理信息局青年學術和技術帶頭人計劃專項資助項目（201418）。