描述室內定位數據的專題地圖

張藍天，王光霞

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052)

現代信息科學技術、通信技術、傳感器技術等技術的飛速發展將全球迅速推入了大數據時代，人的地理位置、社會關系甚至行為動作都可以作為數據被記錄下來。地理位置信息——作為人類日常生活中最基本的、獲取途徑便捷的數據之一，對它的研究應用十分廣泛。室內定位數據描述物體的空間位置和屬性隨時間的變化，它多用于交通、氣象、生態和移動服務等領域。據統計，現在人們的生活有87%是在室內，而隨著人類生活的豐富，室內環境也變得更加復雜，室內環境與室外地圖的表現方法有很大不同。目前人類在日常生活中對于室內位置服務的需求是巨大的，這使得室內位置服務成為當今的熱點問題，而用戶的定位數據是位置服務中不可或缺的關鍵信息，將室內定位分布以專題地圖的方式進行繪制，可以幫助人們從海量的室內定位數據中發現隱藏的模式、趨勢、網絡和關系[1]，對室內定位數據背后隱藏的信息進行分析，不僅可以輔助室內場所的設計規劃者更好地結合人群普遍存在的習慣模式規劃出更加合理的室內場所的設計布置，也可以幫助大型室內場所的管理者、店鋪商家等更好地進行資源配置，以獲得更大的收益。

本文結合專題地圖設計的基本理論，梳理了大數據時代下室內定位數據的特點及應用，結合北京西單大悅城商場采集到的人的移動定位數據，進行定位分布專題地圖設計與分析，發現室內定位分布的潛在特征與規律，使該數據能夠為使用者提供更好的室內位置服務。

1 室內定位數據的采集與處理

1.1 大數據時代下室內定位數據的特點

大數據時代，數據以Zb量級不斷增長[3]，目前世界上90%以上的數據是最近3年才產生的[4]。數據具有規模大、流轉快、類型多、價值密度低的特點。而空間大數據逐漸成為戰略決策、市場分析、商業選址以及O2O、物流、外賣等即時服務的重要保障，如何對海量數據進行有效利用成為近年來的熱點問題。

大型商場、超市、機場、會展中心等室內場所的規模越來越大，結構設計也日趨復雜。而研究這些室內場所的服務對象——人在其中的定位數據可以幫助挖掘出人群普遍存在的習慣模式，通過對人群定位數據的挖掘探索與分析不僅可以輔助室內場所的設計規劃者更好地結合人群普遍存在的習慣模式規劃出更加合理的室內場所的設計布置，也可以幫助大型室內場所的管理者、店鋪商家等更好地進行資源配置，以獲得更大的收益。隨著人們在室內活動的增多，定位數據的數量也越來越龐大。一幅圖勝過千言萬語，人類從外界獲得的信息約有80%以上來自于視覺系統[6，8]。將人的室內定位分布繪制成專題地圖，可以將海量數據以視覺感受的形式清晰直觀地傳達給讀圖者，提升巨量價值密度低的數據的利用率。

1.2 室內定位數據的采集

獲取室內定位數據離不開室內定位技術，衛星定位系統在室外定位中的應用已經發展得非常完善，但其在室內的定位效果受制于其所使用的衛星電信號無法穿透墻壁、用戶進入室內無法接受到其信號，因此衛星定位系統在室內定位的效果較差。若要進行室內定位，則需要額外安裝大量設備。室內定位的方式有很多種，包括紅外信標、無線電信標、超聲波系統、基于視頻的系統、蜂窩網絡、無線局域網等，由于移動通信設備的廣泛普及，智能手機的人均擁有率高達86%，而wifi具有成本低、使用率高、方便快捷的特點，因此當前大多數的室內定位都采用wifi定位技術[9-12]。

本文對北京大型商場西單大悅城一層在2014-09-30下午15:00:00—15:30:00的人流定位數據進行室內定位分布專題圖的繪制。西單大悅城座落于一棟獨體建筑內，該數據是由路由器來進行室內定位數據的采集獲取，只要西單大悅城內的顧客把智能手機上的wifi打開，該顧客的位置信息即可被路由器采集到，并不需要顧客將其智能手機連接到大悅城免費wifi上，這樣可以更全面地采集到西單大悅城內顧客的位置信息，避免出現大量顧客未使用西單大悅城的wifi使其定位數據被遺漏的情況出現。

1.3 室內定位數據的預處理

采集到的原始定位數據往往具有噪聲多、數據量過大的特點，且在定位數據的采集過程中因路由器信號不穩定等問題不可避免地會重復采集或是遺漏掉一些數據，因此需要對數據進行預處理，以利用數據制作室內定位分布的專題地圖，幫助人們通過對大數據的分析挖掘到更加精準的數據背后隱藏的信息。

由于定位數據的采集設備可能接收到并非在商場內部而是在商場附近范圍內活動的信號，即偏離了定位點的空間維度上的噪聲數據[13]；采集到的移動目標也包括該商場的工作人員；手機店鋪里的手機產品也有可能接入該商場的wifi、作為一個定位點而被獲取。因此在研究該商場內顧客室內定位的問題時需事先將這些可能存在的影響最終可視分析結果的數據進行篩選過濾，剔除噪聲用戶。除了對非消費者數據的剔除，還要考慮到時間維度上的噪聲數據，即時空缺失點[14]，時空缺失點的產生往往是由于路由器的信號不穩定而引起的。

2 對室內定位分布專題地圖的需求、制作與可視化分析

2.1 對室內專題地圖的應用需求

專題地圖既可以表示普通地圖上有的，也可以表示普通地圖上沒有的地理要素；既可以表示實際可見的地物，也可以表示實地看不到的現象[15]。其可表達的內容范圍大于普通地圖，因此應用十分廣泛。室內專題地圖的研究對象主要針對任何大到足以讓人迷路的建筑的內部空間[16-17]。隨著互聯網的廣泛應用和位置服務的迅速發展，基于位置的服務是當下的熱點問題[18]，這迫切需要在室內專題地圖基礎上的實時人機交互活動。而對實時采集到的人的移動定位大數據的分析與利用，是當前地理位置服務的前提，基于此才可以完成一系列的諸如多媒體廣告價值評估、位置定位的精準營銷服務、商業地塊價值評估預選址等應用。

目前室內專題地圖的應用主要在機場、大型商超、會展中心、醫院等建筑規模較大的場所，基于位置的服務在向“個性化”與“人工智能”的方向發展。以大型商場超市客戶的室內定位分布專題地圖為例，通過對其進行分析，可以改善傳統實體零售行業用戶轉化靠“緣分”、管理商戶靠“經驗”、收集數據靠“目測”的局面。對用戶的定位大數據進行深度挖掘，可以通過不同的可視化形式顯示出客流時間高峰、室內場所的冷熱區域分布、客戶駐留時長的分布、到訪頻次的分布等關鍵信息，輔助基于位置服務的應用環節中進一步的分析與決策。

2.2 室內定位分布專題地圖的制作

在商場內采集的室內定位數據具有數據量巨大、受到建筑空間構造以及室內定位技術制約的特點。如圖1所示，使用wifi定位采集到的定位數據是一個個離散化的坐標點，每一個坐標點代表了后端的定位引擎獲取的移動電子設備在某一時刻的停留點。將從西單大悅城商場所獲取到的商場樓層店鋪平面圖的CAD圖進行矢量化，并用ArcMap軟件繪制出來，得到圖2所示平面圖。在QGIS軟件中通過對室內定位數據與商場樓層店鋪平面圖進行疊加，可以清晰顯示出人群在商場內停留點的分布情況，如圖3所示。

圖1 使用wifi定位采集到的定位數據

圖2 西單大悅城一層商家平面圖

圖3 室內定位數據與商場樓層店鋪平面圖進行疊加

通過圖3可以清晰看出北京西單大悅城商場一層在2014-09-30T15:00:00—15:30:00內的人流定位數據量已經非常龐大，定位點密密麻麻地分布在商場的各個角落，定位點之間存在著嚴重的疊加問題。因此，人們很難通過直接的目視判讀出在這0.5 h內西單大悅城商場一層哪些區域是熱門區域，哪些地區的客流量較少。而獲取商場的冷熱門商家店鋪信息對于基于位置的服務具有非凡的意義。由此，使用熱力圖來進行室內定位分布專題圖的表示。通過對室內定位數據進行熱力圖分析，可以清晰地發現商場的熱門區域與冷門區域，對熱門區域和冷門區域的地理分布進行分析，可以輔助商場的管理者就如何安排商家店鋪的空間位置分布以促進該商場的整體營業額進行決策，如在一個熱門店鋪周圍安插一些知名度不夠高的小眾品牌，通過提高經過這些小眾品牌店鋪的整體人數來提升該品牌的知名度，增加可能成為該商家的消費人群的顧客數量。同時，也可以根據不同時間點生成的熱力圖查看任意時間點的人流移動趨勢，實現對時空大數據的深度挖掘。

利用ArcMap軟件與QGIS軟件進行熱力圖的繪制具有相同的原理，在本文中均用到了核密度分析的方法繪制熱力圖，核密度分析的繪制結果與其他方法相比較具有分布較平滑的優點，該方法涉及到了核函數選擇的問題，常見的核函數有高斯核函數、三角核函數、二次核函數等，在本實驗中，采用不同的核函數進行分析，得到的二維平面圖區別十分細微，幾乎可以忽略不計。而核密度分析的另一個關鍵參數——帶寬的選擇不同，該實驗的結果將有明顯的差異。

圖4所示為設置帶寬為10 m所生成的原始熱力圖，其中更明亮的區域代表了更密集的定位點聚集。修改熱力圖色調得到了如圖5所示熱力圖。

圖4 原始熱力圖

圖5 修改色調后的熱力圖

為了更加清晰地顯示出熱力圖與商場內分布的定位點以及商場平面圖的相應分布，將熱力圖的透明度調整為50%，得到圖6。

利用相同的方法，分別在QGIS軟件中繪制不同帶寬的熱力圖。選取具有代表性的幾幅熱力圖進行分析對比，可以得出帶寬參數的選擇對生成熱力圖效果的影響，在繪制定位分布專題地圖時，需要選取合適的帶寬參數，以根據定位分布專題地圖的不同用途繪制出滿足用戶需求的熱力圖。如圖7—圖9所示，分別為帶寬為1 m、帶寬為5 m、帶寬為20 m的熱力圖，結合圖6帶寬為10 m的熱力圖，經過對比可以發現，熱力圖的帶寬越大，所能表現出來的結論越粗略和抽象，但能夠反映出整體性的趨勢；而當選取的帶寬較小時，熱力圖的細節程度較高，顯示出的是局部性的趨勢。帶寬的選取過程需要進行嘗試和比對，在選擇上具有一定的主觀性?；谕诰驘衢T區域和冷門區域的地理分布的目的，選取帶寬為10 m的熱力圖作為該實驗生成的定位分布專題地圖，既能反映出商場內部在這一時間段內宏觀上的熱門區域與冷門區域，也能不失細節地輔助分析冷、熱門區域的形成原因等問題。

圖6 透明度調整為50%的熱力圖

圖8 帶寬為5 m的熱力圖

圖9 帶寬為20 m的熱力圖

如圖2所示，原始的商場樓層店鋪平面圖色彩單一，讀圖者需要通過注記來獲取不同位置的商家店鋪名稱，不同的店鋪對應的消費類型的信息并不能夠直觀地傳遞給讀圖者，需要讀圖者在頭腦中對該商家所屬的購物類型作出判斷，有許多陌生的品牌可能讀圖者也并不明晰。

而色彩作為地圖語言的一種，可以表達和傳遞地理空間信息，同時，它也是地圖上顯現科學內容的重要整飾。色彩能夠提高地圖的視覺感受和傳輸效果，增大地圖的信息負載量，能夠使讀圖者獲得更多的知識與信息[16，19-20]。在改進商場樓層店鋪平面圖的過程中，充分利用色彩這一視覺變量，以設計成更加清晰、便于進行可視分析的商場樓層店鋪平面圖。平面圖整體色彩的選擇應注意避免色彩的飽和度過高，使得整體色彩效果給人以清新、平和的感受。對于不同類型的商家店鋪，應使用不同的色彩加以區分，便于一目了然地對店鋪類型有一個直觀清晰的認識，讀圖者對于許多陌生的品牌也可以迅速判斷出其銷售商品的類型，獲得更好的讀圖感受，在進行后續分析的過程中也輔助人們結合商鋪類型等信息挖掘出大數據背后隱含的規律。

根據圖2西單大悅城一層的商家平面圖可以獲取商場一層所含商鋪信息并對其進行分類，如表1所示。

表1 商場一層所含商鋪及其分類

如表1所示，可以將西單大悅城一層所入駐的商家店鋪根據其銷售商品的類型結合其所面向的顧客人群范圍進行分類，主要分為以下8類：“品牌鞋專賣”、“配飾專賣”、“綜合時裝”、“電子設備專賣”、“潮流女裝”、“男裝專賣”、“包飾專賣”、“美妝護膚”。

接下來，根據商鋪的類型將其進行歸類，如表2所示。

表2 按類劃分的商鋪

利用色彩這一視覺變量按照前文所述思路對使用ArcMap軟件繪制出來的商家平面圖進行改進，生成圖10所示商場店鋪平面圖，這樣一來，不同的店鋪對應的消費類型等信息可以直觀地傳遞給讀圖者，在進行后續分析的過程中也得以更加清晰直觀地結合商鋪類型等信息挖掘出數據背后所隱藏的規律。

圖10 改進后的商場店鋪平面圖

2.3 室內定位分布專題地圖的可視化分析

結合圖6和圖10，人們可以清晰地判斷出商場內在這0.5 h里人的定位點集中分布的地理位置。即西單大悅城的南門出入口、綜合時裝賣場ZARA的西南角落處、綜合時裝賣場GAP的東側、西單大悅城南側出入口都為定位點密集分布的熱門區域。結合熱力專題圖，人們可以根據人群密集分布的地區挖掘人的行為模式，也可以根據一個商場內熱點區域的分布合理配置資源。以綜合時裝賣場ZARA的西南角落處為人流密集分布區域，可以結合ZARA的銷售模式推測此熱點區域為ZARA時裝賣場的試衣間或者是收銀臺，經過實地調研，發現ZARA時裝賣場的收銀臺和試衣間果然位于該熱點區域內，完全符合根據熱力專題圖的推測。與此同時，也可以在此處安置一些廣告推送設備，在不同時間段推送有價值的廣告信息，例如在就餐時間向排隊等候結賬或是試衣服的顧客推送該商場內餐飲店鋪的廣告信息，此時顧客正處于等候狀態，推送廣告信息顧客的吸收率較大。

3 結束語

本文對北京大型商場西單大悅城一層在2014-09-30T15:00:00—15:30:00的人流定位數據進行了室內定位分布專題圖的繪制，根據生成的熱力專題圖對熱點區域人流密集的原因進行了推測，并對熱點區域的利用提出了一定建議。但是，根據室內人流定位數據繪制生成的專題地圖仍存在不少需要提升改進之處。首先，熱力圖的生成受到半徑等參數的影響，設置不同的參數，將得到不同的表達效果，參數的設定值也受到該室內場所的面積以及熱力圖的用途等問題的影響，因此參數的設置將是需要進一步深入研究的問題。室內場所不同于開闊的室外環境，尤其是建筑結構復雜的大型商場，其內部含有一個個小的商鋪由隔斷隔開，有時所生成的熱點區域無法自行繞過這些墻壁或者隔斷，因此我們無法判斷該熱點區域精確集中于哪里。而對熱力圖進行更有價值的利用也是今后需要思考、研究的問題。