IndoorGML室內空間模型描述

袁德寶，閆 瑜，王炳靈

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

近年來，空間信息科學應用的范圍從宏觀向微觀轉變，處理的空間尺度已經從開放的室外環境轉向復雜的室內環境[1-2]。相關的研究工作顯示出室內空間位置服務應用在未來時代的發展潛力巨大，如路徑規劃、對象跟蹤、個性化推薦等[3-5]。

室內空間與室外空間的一個重要區別是空間約束，移動對象在室外空間不受任何約束，而在室內空間存在各種室內空間約束，如門、走廊、地板、墻壁和樓梯等[6-8]。由于室內空間的特殊性，在討論室內空間位置服務應用之前，需要關注的問題是如何建立一個能夠表示室內空間復雜特征的模型，室內空間數據模型的表達能力是影響室內位置服務的關鍵性因素[9-13]。目前已有的室內空間建模方法主要分為3類：對象特征模型、幾何空間模型、符號空間模型。但是現有的表示模型不足以對室內空間特性作全面的表達，只能滿足特定查詢應用條件，不能滿足多樣化的位置服務需求[14-16]。綜上，本文提出一種多元混合室內空間模型以滿足這一需求。

大量的應用程序都是基于路徑內部建立的，這種類型的應用程序需要相同的數據模型進行導航分析和信息交換,將空間數據轉換為統一格式是導航的需求[17]。目前的研究多是應用GityGML來描述模型，但CityGML是基于XML格式的用于存儲及交換虛擬3D城市模型的開放數據模型，更適用于室外空間的描述[18-20]。IndoorGML是用于室內空間信息的開放數據模型和XML模式的OGC標準，旨在提供一個共同的室內空間信息交換的框架[21-23]。綜上，本文使用IndoorGML來實現對室內空間模型的描述以滿足模型共享的需求。

1 多元混合室內空間模型

為了彌補已有室內空間模型在室內定位導航中的缺陷，建立的多元混合室內空間模型包括以下特性：①幾何特性：用于描述室內空間元素的形狀、大小、邊界，室內位置間方向信息，可以實現室內空間幾何位置特性的表達，一般采用基于區域的柵格模型和基于邊界的矢量模型描述；②拓撲特性：將室內空間元素表示為特定ID值標識的符號實體，利用符號實體間的抽象關聯(鄰接、連通、包含、重疊等)表達室內空間元素間的拓撲關系；③對象擴展特性：將室內空間元素作為對象，每個對象都賦予屬性信息，可以通過擴展將對象加入到室內空間模型中。

多元混合室內空間模型需具備以上特性，因此使用柵格圖和節點關系圖的組合來對室內空間建模。柵格圖的建立類似于幾何空間模型中柵格模型的建立，即針對對象做漁網圖，將其劃分為規則的正四邊形。但是要注意劃分的正四邊形邊長越短，越密集，用于幾何查詢的精度就會越高，同時數據冗余就會增多，搜索的時間就會越長，實時性會稍微差一點；但是將正四邊形的邊長增大后，幾何精度就會降低，進而影響室內定位的精度。因此需要折中處理，既要滿足精度要求，又要減少數據冗余。節點關系圖的建立類似于符號空間模型的圖模型，在室內空間模型中重點關注的是室內空間的邏輯圖，即室內空間各個區域通過走廊大廳等是否可達。在邏輯圖背景下才能進一步討論導航圖。邏輯圖主要是確定區域、走廊、大廳之間的拓撲關系，這種關系的建立基于Poincare級數的二元性，如圖1映射關系圖所示，將N維原始空間中的k維對象映射到雙重空間中的(N-k)維。

在圖1中，室內空間中的三維單元被變換為零維節點，由兩個單元共享的二維邊界被轉換為相應雙重空間中的一維邊。通過Poincare級數二元性從原始空間轉換的一組節點和邊形成連接室內單元格的拓撲圖空間。此外還可以考慮邊緣的類型導出連接圖的鄰接圖，如果邊緣表示門的邊界，則該邊緣的兩個結束節點被連接，否則它們被斷開，可以在邊緣定義更多的屬性來表示門的方向和類型等附加信息。

2 基于IndoorGML的模型描述

2.1 確定描述對象

使用IndoorGML語言描述室內空間模型需要一個基本的模板，來為各個元素賦予屬性。IndoorGML基于XML語言，在XML中屬性標簽沒有嚴格的規定，可以根據使用者需求自行建立，因此，在IndoorGML中結合OGC標準和用戶需求創建屬性標簽。室內空間定位與導航大多是在博物館、商場、機場等大型公共場所，因此室內空間描述對象也是基于這些場所的。由于這些場所之間存在較大差異，很難使用統一的屬性標簽對其描述，故需要針對不同的場所創建不同的標簽。

2.2 屬性標簽

屬性標簽具有嚴格的邏輯關系，由大到小進行嵌套，并且每一組標簽都由開始標簽和結束標簽組成。針對某類型的場所建立屬性標簽時，該場所整體應該有一組標簽確定其屬性，每個場所都有不同樓層，因此要為樓層賦予特定ID以表示不同樓層。在特定室內場所每個樓層都有對應的平面圖，平面圖中包括各子空間等，而且子空間是描述的重點，這時就要將子空間的幾何外形表示出來。子空間外形分為兩種：第一種為直線構成的幾何形狀；第二種為包含曲線的幾何形狀。這時也要針對每種情況作說明，通過這些描述，可還原原始室內空間。在此基礎上要表示室內空間的幾何和拓撲關系，即對室內空間模型的描述，包括節點關系和柵格關系描述。柵格圖用來表示幾何屬性，是室內定位的基礎，柵格圖位置要表達明確。本文以柵格圖左下角點和右上角點來確定柵格圖位置和整體大小，柵格單元的劃分要根據室內空間實際大小確定，室內空間較大時使用粗粒度劃分，較小時采用細粒度劃分。節點關系圖用來表示各目標間可達性，是實現室內導航的基礎，在實際描述中，以室內空間子單元幾何中心點作為節點，點與點之間是否可以連接，作為子單元的連通關系。重要的大型室內空間屬性標簽描述見表1。

表1 室內空間屬性標簽

3 應用試驗

3.1 多元混合室內空間模型建立

本文以某商場f1樓層為例，如圖2所示。經過多次試驗，確定最優格網建立規格為在可通行的較窄走廊部分至少有兩個格網，每個柵格單元為一個小的單元，每個小單元都帶有幾何信息，這些小的單元都是連續的，具有連續的幾何特性。基于Poincare級數的二元性，將室內空間對象映射為節點，對象間連通關系映射為邊，在節點關系圖中節點即可作為行人所處的狀態，邊可作為行人從一個節點到達另一個節點狀態的轉換。針對f2樓層建立的多元混合室內空間模型如圖3所示。

3.2 路徑分析

本文以f1樓層中從某點到達ZARA為例作具體分析，具體流程如圖4所示。首先確定尋路起點在柵格圖中的具體位置。起點位置是通過室內定位確定的，通過傳感器確定起點的幾何坐標，并在柵格圖中確定該坐標對應的具體柵格位置。通過以上工作，把出發點與目的地都轉換成相應節點關系圖中的點，這時就可以通過節點關系圖的邏輯推理性得到起點與ZARA是否可達，具體可達路徑通過IndoorGML描述推理而得。通過以上過程，利用Tiny XML-2開源庫，遵循IndoorGML核心結構模塊，即可以編程導出室內導航網絡的表達文件，路徑圖如圖5所示。

4 結 語

本文建立了多元混合室內空間模型，由柵格圖和節點關系圖綜合而成，既表達了室內空間的幾何特性，又表達了空間單元間的拓撲關系，還實現了面向對象的可擴展功能。多元混合室內空間模型的建立為室內導航提供了基礎。

為了實現室內空間模型信息共享，本文提出使用IndoorGML描述多元混合室內空間模型。IndoorGML是專門針對室內空間而建立的OGC標準，對室內空間模型的描述會更加全面具體，相對于CityGML更具有針對性和專用性；而且IndoorGML是基于XML語言建立的，在不同的設備端都具有兼容性，對室內空間模型只需要描述一次就可以分享給不同設備，使信息可以實現最大化共享，在增加或減少對象時更容易修改。

室內空間構造復雜，而且不同建筑會有不同的空間構造，針對每個室內空間都需要為其建立專門的模型，增大了工作量，如何建立一個統一的框架，再針對不同空間進行微調是一個急需解決的問題。IndoorGML是OGC正在制定的標準，缺少統一標準，這樣就會產生屬性標簽差異，增加解析難度。針對以上存在的問題，如何建立更加合理完善的室內空間模型，在OGC標準完善后，應該如何解析描述的室內空間模型，都是本文下一步研究工作。