基于WiFi的室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)研究

聶小波，黃冠宇，陳 濤，邢光成

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

基于WiFi的室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)研究

聶小波1，黃冠宇1，陳 濤2，邢光成2

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

以室內(nèi)電子地圖為基礎(chǔ)，采用基于WiFi的室內(nèi)定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了POI搜索、路徑規(guī)劃、路徑導(dǎo)航等系統(tǒng)功能，對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)GIS的研究與應(yīng)用具有一定借鑒意義。

室內(nèi)定位；室內(nèi)電子地圖；WiFi；路徑規(guī)劃

隨著GPS、輔助衛(wèi)星定位系統(tǒng)（AGPS）、蜂窩網(wǎng)定位系統(tǒng)[1]的發(fā)展和成熟，室外環(huán)境下的定位系統(tǒng)已能滿(mǎn)足絕大多數(shù)的定位需要。但因?yàn)榄h(huán)境條件復(fù)雜，存在衛(wèi)星定位信號(hào)無(wú)法到達(dá)室內(nèi)的“最后一公里”難題，因此，如何利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的高精度定位，滿(mǎn)足室內(nèi)用戶(hù)的位置信息需求，成為室內(nèi)定位技術(shù)[2]研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題。

隨著城市的發(fā)展和進(jìn)步，基于位置的服務(wù)[3]在各領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的商機(jī)和生命力。大型商場(chǎng)、醫(yī)院、交通樞紐、展廳、圖書(shū)館、辦公樓等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物也需要室內(nèi)位置服務(wù)來(lái)提供定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、廣告推送、跟蹤分析、客流量統(tǒng)計(jì)等功能。

本文提出了一種基于WiFi的室內(nèi)定位方法，以室內(nèi)電子地圖為基礎(chǔ)，研究了室內(nèi)位置服務(wù)涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)。室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，一方面可讓用戶(hù)享受到室內(nèi)定位帶來(lái)的便利和快捷，另一方面也可推動(dòng)行業(yè)應(yīng)用發(fā)展。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 室內(nèi)定位技術(shù)的選擇

室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)建立在室內(nèi)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上。根據(jù)定位解算執(zhí)行位置，將基于WiFi的室內(nèi)定位技術(shù)分為服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位和客戶(hù)端終端側(cè)定位。本文采用基于服務(wù)器端的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行定位，定位解算在服務(wù)器端進(jìn)行。基于WiFi的室內(nèi)定位算法主要包括：近鄰法（NN）、K近鄰法（KNN）、加權(quán)K近鄰算法（WKNN）、最大似然法（ML）、核函數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算法，在服務(wù)器端對(duì)采集的RSSI進(jìn)行定位解算。

1.2 室內(nèi)電子地圖數(shù)據(jù)的組織

室內(nèi)電子地圖的表達(dá)重點(diǎn)以建筑物內(nèi)部各單元構(gòu)成室內(nèi)地圖的主體，內(nèi)部單元之間的空隙構(gòu)成了行人通行的區(qū)域。此外，室內(nèi)空間存在多樓層情況，需要為每個(gè)圖層添加樓層高度信息，且保存出入口和樓梯等為路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)。室內(nèi)電子地圖的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 室內(nèi)電子地圖數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

1）樓層信息，包含樓層名稱(chēng)、層數(shù)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(nèi)通道信息4個(gè)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(nèi)部各單元功能區(qū)的外圍輪廓，包括商店、會(huì)議室、衛(wèi)生間、電梯、自動(dòng)扶梯、停車(chē)位等。POI信息，是從各單元輪廓區(qū)域中抽象出來(lái)的點(diǎn)，保存各單元功能的詳細(xì)屬性信息。層內(nèi)通道信息，表示樓層內(nèi)部的通行路網(wǎng)，由點(diǎn)圖層和線圖層組成道路圖層，實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)聯(lián)。

2）層間通道信息，即樓層間電梯、自動(dòng)扶梯等的通行路徑，需要保存上下樓層連接點(diǎn)的屬性信息，與層內(nèi)通道信息進(jìn)行結(jié)合。

3）建筑物信息，即建筑物的外圍輪廓，包含名稱(chēng)、位置及屬性等信息。

1.3 基于WiFi的室內(nèi)位置服務(wù)路徑規(guī)劃

室內(nèi)路徑規(guī)劃[5]問(wèn)題可歸結(jié)為求解室內(nèi)空間的最優(yōu)路徑問(wèn)題，即在一個(gè)存在各種障礙物的室內(nèi)空間中，對(duì)于任意給定的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，尋找一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，如距離最短、費(fèi)用最低、耗時(shí)最少等，且這條路徑必須繞過(guò)所有障礙物。

地圖導(dǎo)航領(lǐng)域常用的路徑規(guī)劃算法是Dijkstra算法[6]和A*算法[7]。近年來(lái)，許多室內(nèi)路徑規(guī)劃算法都是在這兩種算法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的[8]，如面向空間認(rèn)知的路徑規(guī)劃算法、基于地圖數(shù)據(jù)分層的路徑規(guī)劃算法等。

本文選取基于地圖數(shù)據(jù)分層的A*算法作為室內(nèi)位置服務(wù)的路徑規(guī)劃方法。根據(jù)人到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角情況、距離和所用時(shí)間進(jìn)行路徑規(guī)劃，簡(jiǎn)化地圖中連接信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)最短路徑求出當(dāng)前位置到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）來(lái)設(shè)計(jì)平臺(tái)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

支撐層和數(shù)據(jù)層為服務(wù)層提供了支撐環(huán)境和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，服務(wù)層通過(guò)各種中間件為應(yīng)用層提供服務(wù)；應(yīng)用層調(diào)用服務(wù)層提供的功能接口為客戶(hù)端提供室內(nèi)定位功能，服務(wù)層調(diào)用數(shù)據(jù)層提供的室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖、指紋等數(shù)據(jù)，利用相關(guān)室內(nèi)定位算法對(duì)用戶(hù)位置信息進(jìn)行解算，根據(jù)解算結(jié)果提供室內(nèi)定位服務(wù)，表現(xiàn)層通過(guò)不同場(chǎng)合的室內(nèi)定位服務(wù)應(yīng)用在客戶(hù)端展示室內(nèi)位置服務(wù)的相關(guān)功能。

2.2 功能設(shè)計(jì)

室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)的主要功能包括：地圖瀏覽、樓層切換、距離量算、位置查詢(xún)、停車(chē)收費(fèi)、POI搜索、路徑規(guī)劃、路徑導(dǎo)航等。

①地圖瀏覽，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)電子地圖的放大、縮小、漫游、拖拽、歸位、角度旋轉(zhuǎn)等功能，用戶(hù)可根據(jù)需要改變查看地圖中的位置和角度。②樓層切換，實(shí)現(xiàn)不同樓層間室內(nèi)電子地圖的自由切換，找到用戶(hù)想要到達(dá)或查看的樓層地圖。③距離量算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子地圖上兩點(diǎn)間距離的量算，可計(jì)算兩點(diǎn)間的直線距離，也可計(jì)算兩點(diǎn)間的道路距離。④位置查詢(xún)，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前興趣點(diǎn)詳細(xì)信息的查詢(xún)和顯示。⑤停車(chē)收費(fèi)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)空余車(chē)位和收費(fèi)情況的查詢(xún)，以及根據(jù)車(chē)牌號(hào)進(jìn)行停車(chē)?yán)U費(fèi)查詢(xún)和反向?qū)ぼ?chē)查詢(xún)。⑥POI搜索，包括關(guān)鍵字搜索和周邊搜索。⑦路徑規(guī)劃，通過(guò)輸入起始點(diǎn)與終點(diǎn)獲取室內(nèi)路徑規(guī)劃。規(guī)劃路徑時(shí)，可根據(jù)直梯、扶梯、步行梯等不同路徑以及最短路徑、最多活動(dòng)等個(gè)性化需求，提供不同的路徑規(guī)劃方案。⑧路徑導(dǎo)航，用戶(hù)可實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前位置、行進(jìn)路線軌跡，以及從當(dāng)前點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑引導(dǎo)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

室內(nèi)位置服務(wù)是以室內(nèi)電子地圖為基礎(chǔ)的，室內(nèi)電子地圖可看作是在電子地圖數(shù)據(jù)獲取和制作的基礎(chǔ)上，更注重建筑物內(nèi)部精細(xì)化單元信息的表達(dá)。根據(jù)室內(nèi)地圖的特點(diǎn)，采用二維平面表示單個(gè)樓層，并附加樓層高度信息，通過(guò)樓層疊加實(shí)現(xiàn)樓層切換和路徑導(dǎo)航。室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖制作流程如圖3所示。

圖3 室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖制作流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 AP的部署

室內(nèi)AP的部署是進(jìn)行室內(nèi)定位的基礎(chǔ)，為室內(nèi)位置服務(wù)提供支撐環(huán)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(wú)線信號(hào)的全覆蓋，因此AP的部署是進(jìn)行室內(nèi)位置服務(wù)的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。AP應(yīng)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的布局進(jìn)行相應(yīng)的部署，并考慮間隔距離、定位范圍、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、非視距等因素對(duì)定位精度的影響。以某商場(chǎng)某層AP的部署為例，商場(chǎng)內(nèi)部一般包括墻體、柱子、通道、店鋪、柜臺(tái)、天井、樓梯口等，在進(jìn)行AP部署時(shí)，對(duì)于較開(kāi)放的場(chǎng)景（如過(guò)道、走廊），定位范圍一般以20～30 m間隔進(jìn)行部署，較長(zhǎng)的過(guò)道、走廊部署成陣列結(jié)構(gòu)；對(duì)于有墻體隔離的品牌店，每個(gè)室內(nèi)應(yīng)至少部署一個(gè)AP，且部署在室內(nèi)正中央，較大的室內(nèi)區(qū)域可增加部署AP的個(gè)數(shù)；AP之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為陣列或三角形結(jié)構(gòu)，以提高信號(hào)覆蓋范圍和增強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性；考慮到人流走動(dòng)等對(duì)信號(hào)的影響，AP的部署應(yīng)遠(yuǎn)離通透區(qū)域。

3.2 室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)分為服務(wù)器端和客戶(hù)端，服務(wù)器端向客戶(hù)端提供室內(nèi)位置服務(wù)的相應(yīng)功能。

系統(tǒng)主要功能包括：地圖瀏覽、樓層切換、距離量算、位置查詢(xún)、停車(chē)收費(fèi)、POI搜索、路徑規(guī)劃、路徑導(dǎo)航等，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)客戶(hù)端示意圖

地圖瀏覽能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)電子地圖的縮放、漫游、歸位、拖拽、旋轉(zhuǎn)角度等操作，同時(shí)在服務(wù)器端發(fā)布室內(nèi)瓦片電子地圖。樓層切換能實(shí)現(xiàn)不同樓層間室內(nèi)電子地圖的自由切換。距離量算能實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)電子地圖兩點(diǎn)間距離的量算，可計(jì)算兩點(diǎn)間的直線距離和道路距離。位置查詢(xún)能實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)當(dāng)前興趣點(diǎn)詳細(xì)信息的查詢(xún)和顯示。停車(chē)收費(fèi)能實(shí)現(xiàn)對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)空余車(chē)位和收費(fèi)情況的查詢(xún)，以及根據(jù)車(chē)牌號(hào)進(jìn)行停車(chē)?yán)U費(fèi)的查詢(xún)和反向?qū)ぼ?chē)的查詢(xún)。POI搜索能實(shí)現(xiàn)POI關(guān)鍵字搜索和周邊搜索。路徑規(guī)劃能使用戶(hù)獲得起始點(diǎn)和終點(diǎn)之間的最佳路徑。路徑導(dǎo)航能使用戶(hù)獲得當(dāng)前實(shí)時(shí)位置和行進(jìn)路線軌跡，并提供從當(dāng)前點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的路徑引導(dǎo)。

系統(tǒng)建設(shè)完成后，對(duì)其功能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)完成了室內(nèi)定位GIS要求的基礎(chǔ)功能開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地圖數(shù)據(jù)的管理，可進(jìn)行室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)的調(diào)度與發(fā)布；后臺(tái)支撐各類(lèi)功能服務(wù)，為高精度室內(nèi)地圖應(yīng)用提供了服務(wù)支持。同時(shí)，也對(duì)室內(nèi)定位的性能進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，該系統(tǒng)定位精度滿(mǎn)足室內(nèi)定位與路徑導(dǎo)航的基本需要，并支持多終端接入。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于受到復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的影響，室內(nèi)位置服務(wù)的研究和發(fā)展還處于探索階段。室內(nèi)位置服務(wù)蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展空間和商機(jī)，已成為研究的前沿和熱點(diǎn)。本文對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)做了相應(yīng)研究，以基于WiFi的貝葉斯最大似然估計(jì)算法作為室內(nèi)定位技術(shù)，分析了室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)。以室內(nèi)電子地圖為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、室內(nèi)定位技術(shù)為支撐，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)位置服務(wù)GIS應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)和功能，對(duì)開(kāi)展位置服務(wù)的研究和應(yīng)用起到了一定的參考和借鑒作用。

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P208

B

1672-4623（2017）05-0013-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0050.4

聶小波，高級(jí)工程師，主要從事智慧城市、三維地理信息系統(tǒng)、LBS相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用研究。

2016-11-01。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家科技支撐資助項(xiàng)目（2015BAJ05B01）；數(shù)字制圖與國(guó)土信息應(yīng)用工程國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)目（GCWD201406）；國(guó)家測(cè)繪地理信息局青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（201418）。