室内导航模型研究综述

1、室内导航模型研究综述摘要：随着室内导航应用需求的不断增加，室内导航 已成为目前很多技术领域研究的热点，具有广阔的应用前景， 而室内导航模型的研究是其中的核心内容。阐述了当今国内 外现有的几个典型室内导航模型的建模原理及方法，并从室 内模型的信息丰富度、构建复杂性以及模型易用性等角度对 其优缺点进行了分析比较。关键词：室内导航；室内定位；导航模型；三维路径DOIDOI：10.11907/rjdk.161371中图分类号： TP301文献标识码： A 文章编号： 1672-7800（2016）005-0001-03 0 引言 随着城市化进程的不断加快，大型建筑物内部构造变得 更加复杂，加重了人们的

2、空间认知负担，使室内寻路变得更 加困难。特别是在商场、机场、会展中心等大型公共场所， 室内“迷路”的情况尤为突出，室内导航因此得到越来越多 的关注 1 。近年来，对室内导航系统及关键技术的研究逐渐 兴起。 20 世纪 90 年代，美国 Arc Second 公司开发完成了首 套室内导航系统，称为室内 GPS；2009 年， Google 推出了一 项新的 Google 地图，可为建筑物提供室内地图； 2010 年，诺基亚研发了高精度室内导航技术，通过蓝牙和Wi-Fi 网络进行室内定位； 2012 年，诺基亚、三星、索尼移动以及其它 19 家公司联合成立了 “室内定位联盟”( In-Locati

3、on Alliance )2 。目前，室内导航技术更多地关注于室内定位技术的研究 和实验，而对于完整室内导航系统所必需的室内导航模型 (室内信息组织)的研究则相对薄弱。事实上，室内导航模 型在室内导航系统的各种功能实现中起着重要作用，如最优 路径规划离不开室内拓扑网络，路径三维表达离不开室内几 何甚至纹理信息，而路径查询过程中的交互过程离不开室内 语义信息。这些室内信息的有效组织和存储是保证系统导航 功能实现的基础。因此，本文将对现有的典型室内导航模型 及建立方法进行阐述，并重点对比分析其优缺点，从而为室 内导航模型进一步研究提供借鉴 3-4 。1 室内导航模型研究现状 室内导航模型是指为了实

4、现室内导航系统，需要对室内 各种空间要素和信息进行有效组织和存储，从而为室内定位、 信息查询、路径分析、实时导航等各种室内导航功能实现提 供数据和模型支持。随着人们在室内活动更加频繁和建筑物 的室内结构越来越复杂，学者们对室内导航模型的研究也更 加深入，室内导航模型由原来信息单一的简单模型逐渐发展 为包含丰富信息的复杂模型。本文将根据时间先后对室内导 航模型的发展过程和现状进行简单阐述。早期常见的是符号模型 5 。其原理是将室内空间对象用 带有特定 ID 标识的符号元素来表示， 用于表达室内空间元素 的相互关系。这类模型符合人的空间认知特性，但缺少对室 内的几何描述，且只能给出粗略的相互关系描

5、述。为了实现 对室内几何和拓扑的统一描述，Lee6-7等利用对偶图理论将 室内空间抽象表示为节点和边，并通过直中轴变换方式将二 维通道转换为一维的线，构建了三维室内拓扑数据模型。杜建庚 8-9使用基于图像细化算法、特征点提取算法等 建立单层楼的楼道路径，并将房间作为结点连接到楼道路径 上，单独考虑房间内部结构，建立单层楼层的路径图，然后 用楼梯结点和电梯结点把相邻的单层路径图连接起来，生成 三维路径模型。该路径模型是由弧和结点结构组成的带权图 结构，弧上可赋予不同的权值； Yuan10等提出“门-门”的 建模方式，将门抽象表示为节点，门之间的连接表示为边， 通过增加可视点的方式保证节点之间的通

6、视性；赵新云 11 提出了一种基于概念格的室内导航模型，该模型基于位置一 出口模式，引入锥形模型的方向关系和度量关系，建立用户 本体和空间本体，使用本体来表示模型，并在其基础上进行 推理，实现个性化的上下文导航服务。温永宁、张红平、闾国年 1 2等进行了楼宇三维寻径分 析研究，选用房产空间管理数据作为数据源，将楼道多边形 的边界当作离散的点，然后构建约束Delaunay三角网13， 以三角形边线的中点或三角形重心作为中轴线的结点，依次 连接这些结点，得到楼道多边形的中轴线，最后得到拓扑路 径网络；余文芳 14 在复杂室内环境下导航位置模型基本理 论和方法研究的基础上，构建了一种室内应急疏散导航

7、位置 模型。利用传感器数据采集、建模等方式获取室内环境实时 上下文数据，并利用室内空间数据模型、应急导航上下文数 据模型对数据进行处理、存储，形成数据库，进行查询、分 析处理，以提供导航、辅助决策等服务。林雕 15提出基于图论的建模方法， 模型综合考虑几何、 拓扑、语义三类信息的表达，利用图的建模方法建立室内导 航概念模型，在房间内部增加内点来保证可视性，模型中节 点和边与室内实体之间存在一一对应关系，可用于支持室内 的导航推理；针对干预过多和效率较低等问题，牛磊 16 提 出了一种自动化构建室内通行网络的方案，对 CityGMLLOD4 格式存储的建筑物通行数据存在的各类典型问题进行对应 性

8、的数据错误修正和补全，然后结合室内可通行空间的特点， 引入正交多边形分割算法和邻近关系分析算法，完成室内通 行网络的提取。2 现有室内导航模型比较 为了对比和评价现有的室内导航模型，可以根据模型提 供信息的丰富程度、模型构建的难易程度以及模型满足导航 应用的适用程度等几方面考虑，具体如下：（ 1）模型的适应性。适应性是指导航的行为应满足不 同种类的用户需要，例如：人员疏散、救援、应急管理等。 不同人员对室内导航有不同的认识方法、不同的时间要求， 以及不同的导航方式 17 。（ 2）模型信息的丰富度。模型中节点和边需包含相应 的属性信息，以便于路径的连通性、路径计算和可视化。语 义信息是实现室内

9、导航的关键所在，需将节点所表示的空间 类型、通道的方向性、门的开关时间、节点之间的权值等语 义信息通过节点和边的属性信息来表示。（ 3）模型构建的复杂度。数据的选择和三维路径的提取方法是构建模 型复杂度的影响因素，数据包含的属性信息、精度、拓扑完 备性和存储方式等不同，对模型构建具有不同要求，并产生 不同程度的复杂度。选择满足室内导航的数据和更好更快地 生成符合人们行走习惯的三维路径构建方法，是降低模型构 建复杂度的关键所在。基于上述指标，对现有的室内导航模型进行详细的对比 分析，如表 1 所示。3 室内导航模型分类根据模型包含信息的类型和丰富程度，结合文献 18 ， 对上述现有室内模型进行了

10、归类，大致分为 3 类：（ 1）语义模型。语义模型大都基于本体论，由空间本 体表示实体间的关系。室内实体在拥有一个名称的同时，还 具有其本身的属性信息以及与其它实体间的关系，通过空间 实体和各类关系的语义特征，进行目标定位。前期的符号模 型、赵新云提出的概念格模型和余文芳的上下文导航位置模 型都属于语义模型。（ 2）拓扑模型。拓扑模型是描述空间目标之间关系的 数据模型，其中多边形被分割为节点和弧段。拓扑关系构建 完毕后再加入结构化且丰富的数、质量信息。Lee 的对偶图模型、杜建庚基于图像细化提出的模型、Yuan的“门-门”原理、温永宁的 Delaunay 三角网建立的模型与牛磊的基于 City

11、GMLL0D4的室内通行网络构建的模型把空间抽象为点和 边，对点和边赋予属性值来确立它们之间关系的拓扑模型。（3）混合模型。混合模型融合几何、语义、拓扑信息， 使室内导航模型能满足不同用户不同的导航需求。林雕的基 于图论的建模即为结合了几何、语义、拓扑信息的混合模型 15。4 结语 许多应用领域如室内寻路、紧急救援和疏散、楼宇安全 等需要室内导航模型的支持，对室内导航模型的研究已成为 当今的热点。本文从室内导航模型的构建方法和原理出发， 介绍了现有的几种典型室内导航模型，根据模型包含信息的 类型和丰富程度对其进行了分类，并探讨了各种室内导航模 型的优缺点。随着科技的发展，室内导航模型将在更多领

12、域 得到应用，人们对室内导航模型的要求也将更高。现有的室 内导航模型尚存在一定问题，如模型包含的信息不足、提取 路网的方法冗杂和提取的路径不符合人们行走习惯等。因此， 发展集成几何、语义与拓扑信息的三维室内导航信息模型和 更快速、有效提取路网的方法是下一步研究的课题。参考文献：1 卢伟，魏峰远，张硕，等 .室内路网模型的构建方法 研究与实现J.导航定位学报，2014 (4): 63-67.2 张腾.室内三维路径规划及多模式导航研究D.济南：山东科技大学， 2013.3 徐静.室内移动导航系统的路径规划方法研究D.长春：长春理工大学， 2009.4 中国移动 -室内导航业务分析 EB/OL.ht

13、tp：//link ？ url=jsjqvrsl45nDy_ul5urz1nErqaavRo6DsjeEv2x6oGZ 6xploaa_LxCs5oG-ET2YKL4FYdpxdUiDHsw3jR8YXiaJINdSE3O 0An_OIX6LvtzS.5 BRUMITTB STEVENSHAFER.Topological world modeling using semantic spacesC.Proceeding softhework shopon Location Modling for Ubiquitous Computing ， Ubicomp ， 20

14、01 ： 55-61.6 LEEJIYEONG.A spatial access-oriented implementation of a 3-D GIS topological data model for urban entitiesJ.Geoinformatica ，2004，8(3)： 237-264.7 THILLJC， DAOTHD， ZHOUY.Traveling in the three-dimensional city ： applications in route planning ， accessibility assessment， location analysis

15、and beyondJ.Journal of Transport Geography ， 2011， 19( 3)： 405-421.8 杜建庚 .楼宇三维路径的生成、规划及表达D. 北京：北京交通大学， 2008.9 黄雅平，杜建庚，陈恩义 .楼宇三维路径模型的自动 生成算法J.北京交通大学学报，2010 (2): 79-83.10 YUANWENJIE， MARKUSS.Inav： an indoor navigation model supporting length-dependent optimal routingJ.Geospatial Thinking ， 2010.11 赵新云

16、，刘厚泉.基于概念格的语义室内导航J.微计算机信息， 2010(24)： 170-171.12 温永宁， 张红平， 闾国年， 等.基于房产空间数据的 楼宇空间疏散路径建模研究J.地球信息科学学报，2011( 6)： 788-796.13 罗广祥， 李安芹， 赵所毅， 等.基于约束性 Delaunay三角网确定多边形中轴线的研究J.测绘技术装备，2004(2)： 30-33.14 余芳文，周智勇， 等.融合多种上下文的室内应急疏散导航位置模型J.计算机应用研究，2014 (4): 981-984.15 林雕，宋国民， 邓晨.基于图的语义室内导航模型构建研究 J .测绘工程， 2015(1)： 4

17、8-52.16 牛磊，李静婷， 宋宜全 .一种自动提取室内通行网络 的方法 J .测绘科学， 2015( 8)： 121-124.17 3D 室内导航 EB/OL.http ： //view/06c4287ba26925c52cc5bf87.html.18 钱小敏，陈斌.室内GIS的研究现状与前景J.地理空 间信息， 2012(4)： 73-75.Abstract ： With the increasing indoor navigation application requirements ， at present ， indoor navigation is a lot of technology research hot spot ， has a broad prospect of application and research value.Its core is the study of the indoor navigation model.The article describes the current domestic