室內外一體化導航研究綜述

陳慧 徐傳旺 鄭加柱 沈怡靜

摘 要：隨著信息化時代的迅猛發展，衛星定位解決了室外定位導航的問題，然而大型室內場所越來越多，室內的定位導航需求日趨強烈。本文首先介紹了室內外一體化導航的技術路線，然后對當前主要的一體化定位導航技術進行了闡述，最后總結了目前室內外一體化導航技術存在的一些亟待解決的問題，以此為進一步研究內外一體化導航提供技術指導。

關鍵詞：室內外一體化; 導航; 定位; 模型

中圖分類號：TP271+.5? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）11-126-003

伴隨著城市化進程的不斷推進，信息與自動化技術的發展以及互聯網的迅速崛起，人們的移動變得更復雜多變，對于空間信息技術的需求也在日益增加^[1]。但隨著城市人口的持續增長，使建筑越來越密集，精細。目前，室外導航技術發展日趨成熟，而由于建筑內部空間結構復雜、精度要求高，對室內空間信息分析方面的研究進展較為緩慢，但人們的室內活動卻日益增長，單一的定位導航源往往達不到人們所需的精度要求，也不具備足夠好的可靠性和魯棒性。因此需要研究出集成多種定位技術，可在室內定位、室外定位以及室內外交界處等多場景使用的室內外一體化導航。

本文首先介紹了室內外一體化導航的技術路線，然后對室內外導航采用的關鍵技術作了詳細介紹，最后對室內外一體化導航的難點和未來的發展趨勢進行總結。

1.室內外一體化導航的技術路線

實現一體化導航大致可以分兩個方向，一種是在室外采用GNSS技術進行導航定位，室內建筑建立三維模型^[2]，并通過采集有價值的屬性、語義、場景等信息，將三維模型可視化處理，室內定位采用WIFI、藍牙或超寬帶等高精度的定位^[3]。在室內外交界處，通過判斷室內外場景，利用切換定位方法來滿足不同場景的定位精度需要;另一種是在室內無線定位技術的支持下，將兩種室內外模型的融合以及定位數據的融合，通過提取室內外融合模型的路網進行路徑規劃^[4]，實現室內外一體化的導航。實現一體化導航的技術路線圖見圖1。

2.室內外一體化導航關鍵技術

2.1可視化建模

二維地圖的導航應用已經普及，對于室內三維模型的建立，不僅要表達出更精細化的模型，還要不斷提高模型與現實場景的匹配度。室內三維地圖模型通常是采用BIM建模，雖然BIM模型本身具有直觀、清晰等許多特點，但為了提高模型的幾何精度，還需要對模型進行可視化處理^[5]。

BIM模型注重對材質、屬性、語義、紋理等全要素信息進行呈現，而可視化是為了注重BIM模型的幾何表達，模型可視化處理后，更便于用戶對路徑的搜索和選擇。

室外三維模型的建立通常采用傾斜攝影建立三維模型^[6]，目前用來對大區域建模的工具很多，如大疆智圖、ContextCapture等。

三維模型建立完成后，在使用過程中，還要進行不斷的數據更新和維護，才能確保室內導航定位的高效性。

2.2模型融合

構建室內外一體化的三維實景模型。室外采用無人機傾斜攝影三維模型，室內以室外三維模型做底圖，在此基礎上疊加BIM模型^[7]。

無人機傾斜攝影建立的模型根據影像的數目、大小，在進行建模時會有一定的精度損失，造成空洞、扭曲等問題，可以適當的融合地面攝影或者三維激光掃描來彌補。對于室外的三維模型，建好后需要對模型進行單體化分割^[8]，標注語義、屬性等信息。BIM雖然有優勢，但不能與外部環境聯系起來進行空間分析，而GIS的空間分析功能可以彌補這一缺失。運用BIM和GIS技術^[9]，可以把建筑物、道路、設備等信息融合在一起，將這些信息數據集成存儲到數據庫中，構建一個智能管理系統，便于在室內與外部環境之間更好的切換。

2.3室內外定位

定位分為室外定位和室內定位。室外定位可采用全天候、高精度的全球衛星導航定位系統（GNSS），GNSS以我國的北斗系統、美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統和歐盟的Galileo系統為代表^[10]。目前主要采用北斗和GPS。

室內定位是指在室內環境中實現位置定位，主要采用無線信號通訊、基站定位、慣導定位等多種技術集成形成一套室內位置定位體系，從而實時獲取人員、物體等在室內空間中的位置。

室內定位技術^[11]的發展也十分迅速，常用的有WIFI室內定位、藍牙室內定位、UWB室內定位和RFID室內定位等。目前室內定位方法可以分為基于測距定位方法和基于非測距定位方法。基于測距定位方法分為到達時間法TOA、到達時間差法TDOA、到達角度差法AOA和基于RSSI測距定位法;基于非測距定位的方法是指紋定位法。近年來多種定位技術組合成為了室內定位技術的發展趨勢，如將PDR定位信息、慣性傳感器定位信息、基站定位信息和道路信息進行融合，在保證定位精度的基礎上，減少了系統成本，提高了穩定性。

2.4室內外場景識別

當前比較主流的室內外場景識別技術主要有基于硬件設備部署的場景識別技術、基于環境感知的場景識別技術、基于圖像處理和模式識別的室內外場景分類^[12]，由于普適性問題，目前大多數研究還是采用基于環境感知的室內外場景識別，室內外場景識別取決于室內外各種特征的識別，室內外特征選擇的優劣直接會影響到場景識別的準確性。基于環境感知的場景識別就是利用移動終端，對光照、氣壓、地磁、衛星數目等進行檢測，對檢測信息設定一個固定閾值，作為室內外場景識別的判定依據，一旦超過這個閾值，就及時地切換定位技術^[13]。

2.5無縫定位方案

2.5.1定位切換

無縫定位切換的關鍵是如何正確區分定位對象所處的區域是室內還是室外，尤其是在室內外交界區域實現低延時、高準確度的切換^[14]。在定位過程中，隨著定位對象的移動，定位模式不斷發生改變，定位精度和定位結果受到很大影響，因此要對定位模式進行切換。切換是根據設定的切換條件切換室內或室外定位，只輸出室外或室內一個定位結果。

確定好所處場景后，可以進行定位的切換，定位技術的切換過程包括以下三個步驟：

（1）切換觸發：室內外定位重疊區域，根據信號強度、信噪比等參數信息，與切換門限比較，確定當前所用定位技術是否可用，是否需要切換。

（2）切換決策：這是最重要的環節，基于設定的切換算法，評估當前定位技術的性能，決定是否切換。

（3）切換執行：即執行由室內定位切換至室外定位或室外定位切換至室內定位的過程。

現有的切換算法主要有基于RSS的垂直切換算法、基于代價函數的切換算法、基于模糊邏輯的切換算法等。

由于需要對定位技術進行切換，會導致乒乓效應（反復切換），造成運算量的浪費，尤其是在需要地圖的場景下，嚴重影響用戶使用，可以在算法上進行改進，更準確的進行切換決策。

2.5.2多源數據融合

數據融合也稱之為信息融合，是指為了能夠對目標身份或者狀態進行全面精確的分析，因而從多個數據源處提取出某個目標事物的特征，并將獲取到的數據信息進行處理和組合的過程。因為在實際應用過程中，通過傳感器接收到的數據往往是不完整的，所以要對多源數據進行整合，相互彌補缺失的信息，完整地表達目標^[15]。

當衛星定位與無線定位同時在工作時，不判斷在室內或室外，通過融合算法將兩者的定位結果融合，作為一個整體系統輸出即可實現室內外無縫定位。室內外交界區域，同時存在的兩種定位數據精度受到外界環境影響，定位精度會有所降低。目前大多數學者聚焦在提高融合定位的精度研究上，通過對多源信息融合以及融合算法的研究^[16]，有效提高了室內外無縫定位結果的可靠性和準確性。

多源數據融合^[17]常用的算法有加權融合算法、基于貝葉斯估計的濾波融合算法、卡爾曼濾波法和交互式多模型融合算法等。根據兩種定位采集到的信號數據進行融合，兩種定位數據的融合提高了室內外交界區域的定位精度。同時，在室內外定位數據融合時，由于兩種定位技術坐標系的不同，還要進行坐標系的轉換。

2.6路徑規劃

路徑規劃^[18]是根據所給定的地圖模型和目標位置，確定地圖位置和局部障礙物分布情況，提取出多條可行路徑，規劃出最優路徑。路徑規劃是建立在地圖數據的基礎上的，在建好的室內模型中提取路網，利用算法規劃出最優路徑。

路徑規劃的核心就是算法的設計^[19]。最常用的路徑規劃方法有A*算法，Dijkstra算法，D*和Floyd算法，常用路徑規劃算法對比見表1;在室內外融合模型中還可以利用Unity3D內置尋路算法在導航網格^[20]中實現動態物體的自動尋路，該算法簡單且功能強大。

啟發式搜索是利用啟發函數來對搜索進行指導，從而實現高效的搜索，啟發式搜索方向的正反多與是否能處理動態規劃有關，啟發式搜索可以提高搜索的效率，避免全局盲目搜尋。以上算法各有優缺點，相互并不矛盾沖突，對于最優最短路徑的使用判別，常常需要算法的改進或者多種算法的融合才能更高效解決實際問題。

3.室內外一體化導航存在的問題

雖然現在對一體化導航的研究眾多，但仍有一些問題需要完善。

（1）全自動化。在室內外場景交界的地方，識別到的信息不夠清晰，定位技術自動切換的功能還有待提高。

（2）使用范圍局限。在融合模型中導航目前的使用范圍比較局限，因為在模型的建立時需要耗費大量精力，成本也相對較高，應用目前還得不到普及，大多數研究做的一般是一個整體區域模型的導航，例如校園、商場、醫院等。

（3）實時化問題。針對模型的建立，建好的模型不可避免的會在某些地方發生改變，可能是位置或者名稱等等，這就要求模型能夠根據現實場景實時化更新。

（4）定位精度低。單一的定位技術在室內定位時，可能會因為行人、物體等遮擋或者電磁干擾造成低精度的定位，可以通過多種定位融合來提高定位的精度。

不管是定位技術、算法，還是其他等等，單一的技術很難達到應用期望值，而通過多種技術的融合可以解決精度、成本等問題。

4.結語

室內外一體化導航還沒有在現實生活中普及，但研究還在不斷推進。本文總結目前室內外一體化導航研究最多的兩種方案，介紹了兩種方案的技術路線，并對兩種方案中的一些關鍵技術作了介紹，最后分析了室內外一體化存在的一些難點。未來，實現全自動化、高精度、低成本的室內外一體化也是一大難關^[21]。多源數據的融合、技術的融合以及算法的融合等有望加快這一發展，促進形成一套完善的室內外一體化導航體系。

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