基于互聯(lián)網(wǎng)技術的公共建筑室內(nèi)導向系統(tǒng)初探

肖慧，石振慶，王永輝，劉猛，董紅影

（滁州學院地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000）

1 概述

隨著現(xiàn)代城市功能的不斷升級，大型公共建筑數(shù)量日趨增多，結(jié)構(gòu)功能也愈加復雜，用戶群體無法快捷有效的到達預訂的目的地，迷路等問題突現(xiàn)[1]。公共建筑室內(nèi)導向需求迅速增長，使得室內(nèi)地圖以及導航定位研究成為室內(nèi)導航研究的重要發(fā)展方向[2]。隨著科技的發(fā)展三維建筑模型技術也日趨成熟，如何將三維建筑模型與室內(nèi)導向系統(tǒng)結(jié)合也成了研究者們亟待解決的問題。

二維碼識別技術是自動識別技術最底層的信息存儲技術,有著成本低、存儲數(shù)據(jù)多、識別性強的特點。隨著移動網(wǎng)絡的普及化,愈來愈多的企業(yè)和部門在建設中增加了移動互聯(lián)網(wǎng)的應用強度,但由于移動終端存在大量地址記憶，使用時需將相應的移動網(wǎng)址輸入至智能手機或平板電腦等移動設備中,增加了用戶的接入成本,便捷度不高。而通過基于二維碼的識別解碼技術處理,以二維碼為互聯(lián)網(wǎng)入口、存儲移動互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)址，可大大提高現(xiàn)有的移動終端網(wǎng)絡訪問的便捷度。同時,隨著二維碼的廣泛應用,具備二維碼讀取功能的移動智能設備也快速普及化。通過手機等便攜式移動終端掃描建筑物大堂、電梯口等處的二維碼,進入公共建筑導向入口，通過簡單搜索和識別便能獲得建筑物內(nèi)部空間信息和位置服務。

2 室內(nèi)導航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

據(jù)相關研究表明，人們在室內(nèi)空間所花費的時間平均占比高達89%，如工作、學習、社交娛樂[3]。近年來，大型公共建筑數(shù)量和結(jié)構(gòu)日趨復雜，基于室外定位導航等位置服務技術日趨成熟使得人們對室內(nèi)導航系統(tǒng)及關鍵技術的研究進一步探索和深入。美國Arc Second公司早在20世紀90年代便開發(fā)了第一套名為室內(nèi)GPS的導航系統(tǒng)；2009年谷歌推出了為建筑物提供室內(nèi)地圖服務的Google地圖；2010年諾基亞研發(fā)了通過低耗能藍牙和Wi-Fi網(wǎng)絡進行室內(nèi)定位的導航技術；諾基亞、索尼移動以及其它19家公司在2012年聯(lián)合成立了“室內(nèi)定位聯(lián)盟”（In-Location Alliance）[4]。但是目前的室內(nèi)定位系統(tǒng)還存在缺陷，GPS無法在室內(nèi)、地下室很好的運行，WiFi網(wǎng)絡和低耗能藍牙導航技術提供的位置信息精準度不高，以及一系列的室內(nèi)地圖都是以二維地圖的方式展現(xiàn)而在室內(nèi)無法準確指出用戶所在的位置。因此，一個結(jié)合空間基本信息和三維透視建筑模型的室內(nèi)導航系統(tǒng)值得進一步研究。

3 面向室內(nèi)導向的三維建筑模型

3.1 室內(nèi)空間特點及三維建模

建筑室內(nèi)空間是人造空間，范圍廣泛。通常被簡要定義為人們活動時所處的建筑環(huán)境（如住宅、房屋等）[5]。建筑室內(nèi)空間本身也是人們對空間布局和位置的認知與理性思考的結(jié)果。與室外空間相比，室內(nèi)空間具有多變性、多層性以及封閉性的特點[6]。一棟建筑的室內(nèi)空間是由多個子空間組合而成，根據(jù)不同的訪問需求每個子空間的訪問權限也有所區(qū)別。

隨著科技經(jīng)濟發(fā)展以及市場需求的增長三維建模技術以其直觀、可視、便捷的特點廣泛應用于數(shù)字城市、虛擬場景、3D游戲等方面。常用的三維建筑模型主要為城市三維景觀模型，三維景觀模型僅用于可視化目的，通常以幾何模型為主。與其相比室內(nèi)三維模型根據(jù)建筑的不同類型和不同結(jié)構(gòu)增加了更多的拓撲信息與空間數(shù)據(jù)[7]。

3.2 室內(nèi)三維模型的特征

室內(nèi)空間由其結(jié)構(gòu)（墻、柱、門窗等）及設施（家具、裝飾等）所構(gòu)成的特殊性決定了其應采用泛化建模的方式以滿足不同的空間信息需求。隨著三維建模技術、計算機視覺、數(shù)據(jù)融合處理等技術的發(fā)展，為室內(nèi)三維建模提供了技術與理論基礎。考慮到建筑室內(nèi)空間和人們行為的特殊性，室內(nèi)三維建模應具備細節(jié)層次高、渲染精度適用，具有較高的信息共享和相互操作的特征，同時應具備相應的位置信息、拓撲關系及查詢功能。

4 面向室內(nèi)導向的三維建模與實例分析

4.1 室內(nèi)導向三維模型構(gòu)建

目前可提供三維建模的軟件有有3DMax、Vega、Sketchup、AutoCAD、IMAGIS等，本文在已有的三維建模研究基礎上對室內(nèi)三維模型構(gòu)建方法進行簡要的分析，室內(nèi)空間三維模型構(gòu)建主要分為手工建模和自動化建模2種。

手工建模主要分為4步：①模型幾何數(shù)據(jù)的獲取，有建筑設計圖則可以通過計算機導出數(shù)據(jù)獲取，若無圖紙則需要采用激光掃描儀、鋼尺等工具進行人工測量；②紋理數(shù)據(jù)獲取，主要通過相機拍照采集，再利用Photoshop進行修正處理獲得；③構(gòu)建室內(nèi)三維模型，使用AutoCAD繪制室內(nèi)平面圖，再用Sketchup構(gòu)建草圖成品，最后用3dsMax軟件進行渲染和貼圖；④模型完善后將形成所適用的三維可視模型導出。

自動化建模則需要基于手持激光掃描儀或利用雙目相機的SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）系統(tǒng)[8]等多傳感器對室內(nèi)空間進行掃描以獲取高精度數(shù)據(jù)，進行室內(nèi)建筑三維模型初步構(gòu)建與細化。但相比于手工建模，自動化建模設計算法更加復雜且價格昂貴，本文主要以傳統(tǒng)的手工建模方式進行面向公共建筑室內(nèi)導向的三維建模探索。

4.2 實例分析

本文以某學院辦公樓（全樓共6層，各層布局相同）為例，首先經(jīng)人工測量收集建筑的長寬尺寸、進深尺寸等外觀數(shù)據(jù)。后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)使用AutoCAD軟件繪制某辦公樓的各層平面草圖，如圖1所示。

圖1 某辦公樓一層平面圖

將各層平面圖導入至SketchuP軟件中，在AutoCAD底圖上利用建筑前期的實測信息建立辦公樓內(nèi)外三維模型，如圖2所示。

圖2 某辦公樓三維模型

將模型導入3DMAX軟件中進行渲染、貼圖等修飾，增加三維模型的精細度，后利用FME轉(zhuǎn)換為gml文件格式，將選取的已知點落于建筑物的主要出入口處，進行本地坐標與實際坐標互相轉(zhuǎn)換，獲取室內(nèi)位置坐標信息。為實現(xiàn)三維建筑模型的精確性和可視化優(yōu)越性模型必須具有一定的可維護性以及較強的擴展性，CityGML4J擴展包可提供技術支持，并能夠?qū)θS模型進行解析，將相關的語義信息及標志信息同時添加。要形成完整的面向室內(nèi)定位的三維模型還需利用LandXplorer City GML Viewer對三維模型進行最后的修繕以及可視化編輯。

4.3 二維碼的制作與使用

公共建筑導向系統(tǒng)以二維碼作為導向系統(tǒng)入口，用戶通過掃描二維碼進入單體建筑導向系統(tǒng)。主要功能是提供信息檢索、模型加載、場景匹配和組織，通過用戶檢索要求提取相關數(shù)據(jù)信息發(fā)送至個人移動終端。

二維碼利用組件dotNetBarcode.dll進行制作。在系統(tǒng)中導入該動態(tài)鏈接庫后，使用時即可生成該對象。該控件自帶Type屬性，可指定條碼的類型，屬性值包括 QRCode、Jan13、Jan8、Code39。本系統(tǒng)可選用QRCode作為二維碼的碼制類型，使用QRW rite Bar指定二維碼大小，Save File Type用于保存二維碼的文件類型，QR Save為保存生成的二維碼。

在公共建筑導向系統(tǒng)中實現(xiàn)制作二維碼的過程主要分為五個步驟：①定義二維碼對象；②定義生成二維碼對象的類型；③定義二維碼對象的具體內(nèi)容；④定義二維碼對象的生成屬性；⑤定義二維碼對象的保存屬性。二維碼掃描界面初步設計如圖3所示。

4.4 系統(tǒng)運用反饋

將制作出的二維碼打印出來，張貼于辦公樓入口處，通過對多位訪客進行使用情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)營造一目了然的建筑內(nèi)部空間分布信息，可避免使用者盲目尋找和進錯門的各種尷尬，并且可以用情景導向的方式令使用者以最便捷的路徑到達目的地，節(jié)約時間。另外通過系統(tǒng)可提供該建筑的全部信息，也為建筑文化愛好者提供了一個良好的信息平臺。通過訪客的使用情況滿意度調(diào)查分析，該系統(tǒng)的運用推廣具有廣泛前景。

圖3 二維碼掃描界面初步設計

5 總結(jié)

智能導向的運用可以快速提高公共建筑內(nèi)部信息化、數(shù)字化、動態(tài)化管理水平,并可與現(xiàn)代科學技術水平緊密結(jié)合。互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和智能化移動終端的普及決定了公共建筑室內(nèi)導向位置服務發(fā)展的必然性。室內(nèi)定位的傳統(tǒng)定位的方式還存在準確和精度方面的問題，由于三維模型渲染和實時更新數(shù)據(jù)信息量過于龐大，個人移動終端后臺加載模式有待進一步優(yōu)化。