矢量室内地图建模与制作方法

DOI：103969jissn10013824201204017矢量室内地图建模与制作方法刘兆宏，王科，丰江帆，夏英(重庆邮电大学空间信息系统研究中心，重庆400065)摘要：矢量室内地图是提供室内位置服务的基础，主要应用于室内定位导航、兴趣点查询等方面。根据对室内环境的空间结构分析，设计了室内地图的概念模型，并在此基础上结合地图数据访问需求，探索了地图数据组织和转换方法，实现了从矢量地图获取瓦块图制作的全过程。实验证明，这种矢量室内地图制作方法方便、可行和有效。关键词：矢量室内地图；移动位置服务；瓦块图中图分类号：TN9295文献标识码：A文章编号：10053824(2012)04-0077-040引言随着移动通信、智能终端、地理信息系统(geo-graphicinformationsystem，GIS)等技术的兴起与快速发展，人们对基于位置的移动信息服务需求与日俱增，如定位导航、移动导购、网络社区等。提供高质量的移动位置服务，一方面要求能够对移动终端进行准确定位，另一方面必须具有全面、准确的数字地图。现有大多数的移动位置服务是针对室外环境的，如智能手机用户通过GPS获取位置数据，并利用GoogleMap等数字地图搜索感兴趣的信息。在城市建设进程中，机场、写字楼、商厦、停车场等大型、复杂的室内环境逐渐成为人们生活、工作的重要场所。提供丰富多样的室内位置信息服务不仅可以改变人们的生活方式，更重要的是它能把对基于位置信息服务的研究推向一个新的高度，使之不仅面向室外环境，更能适应室内环境，这就要求有全面、准确的矢量室内地图作数据支撑圳。近年来，对矢量室内地图的研究逐渐兴起。2011年10月，百度发布了矢量室内地图，可以帮助用户清晰辨别室内地理位置并详细了解兴趣点信息。无独有偶，Google也在同年11月发布了大型商店和机场的矢量室内地图，给用户带来全新的地理位置服务体验，不过目前仅限于美国和日本的一些知名场所。国内对矢量室内地图的研究和应用主要集中收稿日期：2012-0120在北京、上海、广州、深圳等城市，并以商场环境为主。总的来说，国内针对矢量室内地图建模与制作的研究目前仍处于起步阶段，还没有形成一套完整、规范的建模与制作流程。基于以上分析，本文首先分析室内地理要素构成，并对室内地图进行概念建模；然后定义要素信息的数据组织方式和数据存储结构，并说明从矢量数据采集到瓦块图制作过程中的数据处理方法，从而提出矢量室内地图制作的解决方案。1概述11地理实体的空间特征及其空间关系在GIS中，地理实体的空间特征可以抽象成点、多线、多边形、体4种基本类型J。其中，点(point)是对点状地物或可以用点来表示的地物的描述；多线(polyline)是对线状地物或地物运动轨迹的全部或部分描述；多边形(polygon)是对面状地物的表示，它由1条或1条以上首尾相连的多线组成；体(polyhedron)是对空间三维实体或多面体的表示，由若干多边形或曲面(curve)组成。地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联或包含等空间相互关系特征，即拓扑关系。12矢量地图数据格式矢量数据指通过记录空间实体坐标的方式精确地表示点、线、面等实体的空间位置和形状帕J。用于一77万方数据存储矢量数据的格式有很多，常见的有以DXF，CDR和AI等为代表面向CAD领域的，以SHP，TAB和MIF等为代表面向GIS领域的。其中DXF格式是Autodesk公司制定存储完整AutoCAD图形的标准交换格式，其文件被组织成多个“段”(section)，由很多的“组码”和“值”所构成的“数据对”组成，其中组码主要用以指定其后的值的类型和用途(如组码“0”和字符串“section”表示一个段的开始)。每个组码和值必须为单独的一行。SHP格式是ESRI公司制定的矢量地图数据格式，能够统一描述空问对象的几何属性特征，它采用编码率高的二进制方式存储空间图形信息及其属性信息。一套完整的SHP数据，包含1个记录空间对象坐标信息的矢量地图文件(SHP)、1个存放非空间属性数据的文件(DBF)和1个连接空间数据和非空问数据的索引文件(SHX)。13瓦块图技术随着WebGIS在各行各业不同程度的推广，瓦块图技术成为了一种重要的电子地图数据访问技术。其原理是将需要显示的矢量地图预先按照一定放大等级进行栅格化并按规律切成若干个小文件瓦块图，并将切好的瓦块图存储在服务器上。当用户访问地图时，只需请求所要显示的瓦块图并下载到本机缓存即可o7|。这样可以避免每次请求时在服务器端或客户端(特别是移动终端)重绘矢量地图时造成CPU资源的大量消耗；同时可以对地图数据起到一定的保护作用，防止对地图数据进行随意的编辑；再者传输瓦块图要比传输矢量地图快得多，从而能提高访问地图的响应速度。瓦块图技术配合网页缓存技术有效提高了Web地图服务的响应速度，适用于WebGIS产品的数据发布，流行的百度地图、Google地图均以墨卡托投影为基准制作瓦片金字塔地图。2矢量室内地图制作总体流程制作矢量室内地图，首先应该通过概念建模明确哪些实体应该表现在地图上，并通过哪种几何类型(点、多线、多边形等)来表现；然后将室内环境的原始结构数据格式转换为矢量地图格式以方便以后对导航数据的提取和处理；最后，利用瓦块图技术对矢量地图进行切片处理以支持WebGIS中对所需地图的有效访问。因此，矢量室内地图的制作可分为概念建模、格式转换和地图切片3个阶段。21概念建模概念建模阶段主要分析室内环境中的实体集、78DIGITALCOMMUNlCATION201208各实体集的空间和属性特征，及其空间数据与非空间数据的逻辑组织方式。通过对现有大型、复杂室内场馆的结构分析，可以将室内环境中的实体集抽象成大楼、楼层及通道要素。建筑物(building)：表示某个室内环境，以一个唯一的ID号来标识。由于室内环境较室外环境小得多，且室内环境还需要考虑不同楼层在垂直方向上的重叠情况，所以室外地图中常用的地理坐标系不适用于室内，因此需要建立本地自定义坐标系。为了能将室内地图映射到室外地图中，在建立坐标系时，需要保存坐标系原点位置在世界坐标系下的经纬度坐标，以及本地坐标系与世界坐标系夹角等属性，同时保存建筑物的名称、详细描述等属性数据。楼层(floor)：表示大楼中的某一层，以一个唯一的ID号来标识。楼层作为绘制矢量地图的基本单位，需要保存的信息有楼层名称、物理层数、详细描述等属性信息。一个楼层包含如下几个要素层，在地图上分别对应于一个图层(1ayer)：1)wall层表示某个楼层的墙壁，采用多线来表现；2)region层表示某个楼层中的功能区，如房间、会议室、商店等，采用多边形来表现；3)exit层表示某个楼层的安全出口，采用多边形来表现；4)lift层表示某个楼层的电梯区域，采用多边形来表现；5)stair层表示某个楼层的楼梯区域，采用多边形来表现；6)escalator层表示某个楼层的手扶梯区域，采用多边形来表现；7)POI(pointofinterest)层表示用户感兴趣的位置，采用点来表现，包括从region，exit和lift等要素层抽象出来的点。POI需要保存名称、类型(如餐馆和卫生间等)以及详细描述等属性数据；8)层内导航拓扑数据，采用点和多线来共同表现，分别对应图层floornode和floorlink。其中，点来自于region，exit和lift等要素的抽象(如图1中，3，4，5)和楼道路径中的交叉点(如图1中2)，需要保存与之相连的4个方向(东、南、西、北)的多线(来自于floor_link)等属性数据。特别地，对于lift，stair，escalator等要素抽象的点，还需要保存其可达楼层等属性数据，以关联逻辑上相邻接的不同楼层；多线来自于连接由region，exit等要素抽象成的点的多线(如图1中，：，L，)，需要保存其连万方数据接的2个点(来自于floor_node)等属性数据。上述图层都需要表现在地图上，因此除了定义表现这些要素的几何类型(点、多线、多边形)以外，还需要考虑其在地图上的配色方式。例如，POI图层需要考虑对象的表现类型(实心点、空心点、图片等)；wall图层需要考虑线的宽度和颜色；region，exit等图层需要考虑填充色等，而floornode和floorlink2个图层只保存与导航相关的数据，因此不需要考虑其配色方式。通常，一套完整的地图配色方案是针对某栋建筑的，其包含了该建筑中每个楼层中每个图层的配色方式。通道要素(interfloorlink)：表示层间导航拓扑数据，来自于连接由跨楼层要素(如电梯、手扶梯等)抽象成的点的多线(如图l中的厶)，采用单独的表保存。以一个唯一的ID号来识别，需要保存其与上下层连接处的点(来自于floor_node)的属性数据。上述层内与层问的导航拓扑数据共同构成一个三维的连通图，用以表达建筑内任意两点之问是否可达，从而支持导航应用。图1室内楼层拓扑路径图基于要素分析，室内地图的概念建模如图2所示。22格式转换现代建筑设计多采用CAD制图，图中包含了上述概念模型中所设计的wall，lift，stair，region，escalator和exit等要素，可将CAD文件作为重要数据来源，通过格式转换和手工处理相结合的方式形成矢量室内地图1。同一建筑采用统一的右手坐标系和比例尺(如1：100)，以大楼内或附近选定的经纬度点为自定义坐标原点。在导人不同楼层的地图数据时，需要进行平移、放大、缩小等处理，使垂直贯穿多个楼层的墙体、电梯等的坐标一致。以Shapefile格式为例，转换时，以每一楼层为单位，一个楼层的CAD图对应一组Shapefile文件，主要包括对象的几何类型转换(点、多线、多边形)和属性数据转换旧J。几何类型可以直接转换成Shapefile文件对应的类型，同时将每一个几何对象在Shapefile文件中的位置写入Shapefile的索引文件中，以提高查找效率；属性信息则保存在Shapefile文件的属性表中。图2室内地图的概念模型23地图切片综合考虑流行的室外地图瓦片图大小、网络传输代价和地图模块开发难度，瓦块图大小设为256256像素、层数为34级。切图时候，按照不同等级的分辨率(参照室外瓦片金字塔地图的18，19，20级，每像素06，03，015，0075m)将矢量图栅格化，然后进行切割。瓦片按“(1evel)(tileY)(tileX)png”形式命名，其中，level表示瓦放大级别(从0开始)，tileY表示行号数，tileX表示列号数，行、列号均从0开始。3矢量室内地图设计实例以某建筑的B1层为例，其长大约为300In，宽大约为60m。首先对该建筑进行概念建模，定义了大楼、楼层、电梯、楼梯、手扶梯、POI等实体。在地图绘制时，定义了该楼层中需要在地图上表现的图层，分别是POI，wall，exit，hole，lift，region，stair和escalator。接着采用ArcGIS93将该层对应的CAD数据转换为矢量地图，如图3所示。图3转换后的矢量地图对矢量地图进行栅格化、切片处理。本例中，0层栅格图片尺寸为1010220像素。所得到的379万方数据0层l层盘：层甓萋躐z层人们对室内移动位置服务需求的增加，室内地图制作将成为一项基础且关键的任务。本文提出的矢量室内地图制作方法可为室内地图制作和位置服务应用开发提供借鉴。参考文献：图4地图切片生成的瓦块金字塔以Android智能手机为测试平台，加载制作好的矢量室内地图，如图5所示，对地图进行放大1级2操作，其效果图如图6所示。另外，还可以对地图进行拖拽等操作。坠旦自址荨re龋-两户名，地址篝p，e礴坠L垒图5矢量室内地图(原图)图6矢量室内地图(放大1级)4结语本文根据对室内环境的空间结构分析，设计了室内地图的概念模型，并在此基础上结合地图数据访问需求，探索了地图数据组织和转换方法，实现了从矢量地图获取到瓦块图制作的全过程处理。实验表明，这种室内地图制作方法可行、有效。随着HANChangyong，JAEGEOLY，GYEYOUNGLImplementationofWebServicesforILBSJCommunicationsinComputerandInformationScience，201l(261)：415-422HUANGHaosheng，GARTNERGASurveyofmobileindoornavigationsystemsJLectureNotesinGeoinfo卜mationandCartography，2010(3)：305-319吕源，李军室内环境下定位技术的研究J电子测试，2008(4)：19-22张园移动位置服务应用发展研究J信息通信技术，201l(2)：42-46张超地理信息系统实习教程M北京：高等教育出版社：2000：54-55左伟，周慧珍，谢文君地图生产中的矢量数据格式及其转换J测绘通报，2001(2)：22-26刘冰，谢轲基于GIS的瓦片式地图切图算法的设计与实现J科技信息，2011(7)：60-61孙晓莉，赵俊三DXF文件到Shape文件无损转换方法的研究J科学技术与工程，2011，11(14)：3336-3341作者简介：刘兆宏(1975一)，男，重庆人，硕士，讲师，主要研究方向为空间数据库；王科(1987一)，男，四川人，硕士研究生，主要研究方向为数据库与数据挖掘；丰江帆(1980)，男，河南人，博士，主要研究方向为视频GIS；夏英(1972)，女，重庆人，教授，主要研究方向为时空数据挖掘。基金项目：重庆市自然科学基金(cs7rC20lOBB2416)；韩国中小企业厅国际产学研合作项目(000427880110)。IndoormapmodelingandmakingmethodsLIUZhaohong，WANGKe，FENGJiangfang，XIAYing(SpaceInformationsystemResearchCenterChongqingUiniversityofPosesandTelecommunication，Chongqin9400065，PRChina)Abstract：Vectorindoormapisthebasisforprovidingindoorlocationservices，whichismainlyusedinindoorposition，in-doornavigationandPOIsearchingThispaperhasdesignedtheconceptualmodeloftheindoormapbasedonthespatialstructureanalysisofindoorenvironment，andonthisbasisithasexploredthemapdataorganizationandconversionmethodsbycombiningwithmapdataaccessrequirementsItalsoimplementsthewholeprocessfromvectormapacquisitiontotilesproductionExperimentshowsthemethodisconvenient，feasibleandeffectiveKeywords：indoorMap；LBS；tiles(责任编辑：郭毅)一80一DIGITALCOMMUNICATION