GIS輔助的室內定位技術的研究進展

何海棠

摘要：室內GIS涵蓋了大量的先驗信息，可在室內定位中起到一定的輔助作用，受到產業界、學術界以及政府部門的廣泛關注，逐漸成為位置服務領域研究中的熱點話題。據此，簡要概述GIS輔助的室內定位技術發展現狀，分析 GIS輔助室內定位技術發展面臨的挑戰，并從感知到認知、機器到人機交互兩個方面，探究GIS輔助室內定位技術的發展趨勢，以期全面推動GIS輔助的室內定位技術進一步發展。

關鍵詞：GIS;室內定位;位置服務;發展趨勢

引言：隨著智能終端與移動互聯網的快速發展，有效推動了與位置服務相關應用的普及。室內定位技術是位置服務的關鍵技術之一，受到了眾多企業以及政府部門的關注，現階段雖然智能手機已經逐漸成為室內定位的一種主流方式，能夠借助傳感器與移動互聯網等現代化信息技術實現定位，但是很容易受到外界環境的影響而出現定位偏差。由此，GIS輔助的室內定位技術應運而生，不僅涵蓋大量的先驗信息，而且能夠有效提高室內定位的穩定性與精準度，但是其在實際的發展過程中仍面臨一定的挑戰，基于此，應深入分析與探究GIS輔助的室內定位技術研究進展及未來發展趨勢，進而為其打破發展桎梏、提高定位精度提供有力保障。

1 GIS輔助的室內定位技術發展現狀

GIS主要包括地圖約束、拓撲地圖以及視覺感知等信息，均能夠起到輔助室內定位的效果，以此提升定位的精準度與可靠性。基于此，從以下三個方面對GIS輔助的室內定位技術發展現狀進行簡要概述。

1.1基于地圖約束的室內定位

室內地圖約束定位是指借助相應準則，刪除一切與人類運動規律不相符的定位結果，進而達到提高定位精度的效果。GIS輔助的室內定位中，粒子濾波是一種較為常見的室內輔助定位方法，是由多個不同粒子組合而成，在實際定位中粒子之間會呈現出不同的狀態，每種狀態均代表一組方向與位置信息，且不同粒子所具有的權值各不相同，可用于表示該粒子作為真實值的概率[1]。由此，研究者們基于粒子濾波的基本框架，提出了基于地圖約束的室內定位法，并將其廣泛應用于建筑室內定位領域。粒子濾波示意圖如圖1所示，將能夠穿過建筑物墻壁的死亡粒子的權值設為零，并通過計算預估存活粒子位置的方式來提升室內定位的準確性。

1.2基于拓撲地圖匹配的室內定位

拓撲地圖是指能夠構成室內地圖的一組“點-線”模型。其中，“點”是指地圖中的連接點與興趣點，如門、轉角等;“線”是指將兩個點相連接所構成的直線，室內拓撲地圖示意圖如圖2所示。

基于拓撲地圖匹配室內定位的基本思路，為將室內拓撲地圖與人在室內的運動軌跡相匹配，并借助二者之間的幾何相似原理定位用戶的具體位置。例如：依據人在室內行走的航向與距離，借助貝葉斯推理的原理實施室內定位;采用行為序列定位的方式，將人在室內的行走過程構建成行為序列的模型，并將拓撲地圖與之相匹配，進而達到室內精準定位的效果[2]。

1.3基于視覺感知的室內定位

圖像處理、深度學習、智能終端等技術快速發展的背景下，基于視覺感知的室內輔助定位技術已經逐漸成為學術界與工業界的熱點話題，與地圖約束、拓撲地圖匹配等定位技術相比，視覺定位并不需要提前部署相應的硬件設施，并且應用范圍相對較廣，可自動生成電云信息，能夠為后續的定位導航以及地圖構建提供諸多便利。

基于視覺感知的室內定位技術是借助圖像之間存在的匹配信息來獲取位置姿態，主要包括圖像庫匹配、相機交會定位、視覺慣性里程計、視覺里程計以及多視覺特征融合定位等類型[3]。現階段，我國視覺感知下的室內定位技術雖然已經取得了初步進展，但是仍然會受到室內環境的影響而出現定位偏差的現象，如室內出現諸多相同紋理的窗戶、墻壁等，就會導致感知定位出現偏差，進而影響到室內定位的精準度。

2 GIS輔助室內定位技術發展面臨的挑戰

2.1室內GIS數據更新

由于室內環境具有布局更新速度快、主題多元以及結構緊湊等特點，使其很容易出現諸多高動態變化的情況，如紋理圖像、物件擺放、房間布局等，均會在一定程度上影響GIS輔助定位的精準度。因此，室內GIS數據的動態感知與及時更新，已經成為提升GIS輔助定位精準度的關鍵因素。然而，目前室內GIS數據的更新方式主要分為室內地圖、紋理、位置指紋以及三維模型等，并且大多需要借助眾源數據得以實現，這種利用手機記錄地理位置及拍攝的方式雖然成本較低、現勢性強，但是卻是一種缺乏地理空間參考以及無序的數據集合，并且數據更新的有效性以及可靠性仍需進一步探究，從而使得GIS輔助室內定位技術的精準度提升受到阻礙[4]。

2.2智能手機有限的計算資源

通常情況下，GIS輔助室內定位技術的使用需要進行大量的計算，如地圖約束下室內定位技術常借助粒子濾波的方式實施定位，其內部組成粒子的更新需要進行大量的計算;基于視覺感知下的室內定位技術同樣需要大量的視覺數據作為支撐。但是，由于受到存儲空間、設備功耗以及體積等因素的影響，使得智能手機的計算資源相對有限，從而導致室內定位的精準度較差。因此，現階段如何在不影響用戶正常使用的前提下，將復雜多樣的定位算法融入智能手機之中，已經成為位置服務領域亟需解決的問題。

3 GIS輔助室內定位技術的發展趨勢

3.1從感知到認知

由于人類具備與生俱來的空間認知能力，能夠借助人機交互的方式將空間數據信息傳遞至定位設備，從而使得行人位置定位與機器人定位之間存在明顯的區別。就行人導航而言，相對空間位置的感知會比絕對空間位置更容易理解。具體而言，行人通過空間地標與自身之間的位置描述能夠實現定位，如目標人物前方10m處為鴻星爾克專賣店、左側15m處為蜜雪冰城，即可確定目標人物的大致位置，并且與絕對位置相比更易于理解。目前，位置服務領域的相關學者已經提出基于認知方向與距離的定位方法，并且能夠通過認知描述的方式實現定位，加上智能手機所具備的強大的計算能力與感知能力，切實為基于空間認知的室內定位技術的有效應用提供了廣闊前景。

3.2從機器到人機交互

現階段，室內GIS數據更新與獲取的主要方式為眾源數據采集，并且有大量的學者認為加強數據采集人員的工作規范性，能夠在一定程度上提升室內定位的精準度以及采集效率。以SnapTask為例，其就是以加強眾源數據采集規范性為指導，并在特定環境下借助人機交互的方式，打破了室內特定點不足的桎梏，實現了建筑物室內三維模型中點云的投影與分類，最終完成平面地圖的自動生成[5]。由此，將數據采集的規范性指導應用于非專業數據采集之中，進而全面提升室內定位精準度的思路，已經成為未來室內測圖的發展方向。

隨著AR技術的迅猛發展，“AR+AI”的定位模式逐漸興起，其中，AR是指視覺認知下的交互界面，能夠將空間直觀信息呈現至真實場景之中，既能夠提升用戶空間數據的理解速度，又能夠通過人工交互實現復雜環境中的數據精準采集與標注[6];AI是指智能大腦，能夠借助視覺場景自動獲取房間結構、點云以及圖像等信息。由此可見，這種將現實場景與虛擬信息相結合的人工交互體系，是GIS輔助室內定位技術發展的必然趨勢。

4 結束語

綜上，地圖約束、拓撲地圖匹配以及視覺感知等室內定位方法，是現階段較為常見的GIS輔助室內定位技術，雖然能夠在一定程度上實現室內定位，但是很容易受到復雜環境的影響而導致定位數據出現偏差，并且受室內GIS數據更新以及智能手機計算資源有限等因素的限制，使得室內定位精準度的提升受到阻礙。因此，為了全面打破GIS輔助室內定位技術的發展桎梏，則需要從視覺認知以及人機交互兩個方面，對GIS輔助的室內定位發展趨勢進行探索，從而全面提升室內定位的精準度以及可靠性。

參考文獻：

[1]王楠，宋貴峰，邱明.基于Wi-Fi室內定位技術遠程獲取房型圖的解決方案[J].電信快報，2021（07）：13-17.

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[3]陳銳志，郭光毅，葉鋒，錢隆，徐詩豪，李正.智能手機音頻信號與MEMS傳感器的緊耦合室內定位方法[J].測繪學報，2021，50（02）：143-152.

[4]王智敏，陶寶林，于鵬，甘昊鵬，楊海，羅濤.基于可穿戴式慣性測量單元的行人室內定位技術[J].傳感器與微系統，2021，40（01）：46-48+52.

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