摘    要: 随着位置服务应用的深入和人们活动需求的拓展, 对室内定位与导航服务的需求越来越迫切。本文通过对室内地图、导航数据和室内导航实现流程的研究, 提出了室内导航数据模型与制作流程, 并开展了室内导航APP的设计研发, 在移动端实现了基于室内地图的基本地图操作、地图展示、路径规划导航和查询定位等基本功能。

  关键词: 室内地图; 室内导航; 数据模型;
 


 

  Abstract: With the development of location services and the expansion of people's activities, the demand for indoor location and navigation services is becoming more and more urgent. Based on the research of indoor map, navigation data and indoor navigation process, this paper proposes the model and production processes of indoor navigation data, carry out the design and develop of Indoor Navigation APP, and achieves the basic functions of basic map operation, map display, path planning and navigation, query and positioning based on the base of indoor map and so on, in the mobile terminal.

  Keyword: indoor map; indoor navigation; data model;

  0、 引言

  随着位置服务应用的深入和人们活动需求的拓展, 室内定位与导航服务的需求越来越旺盛, 尤其在大型复杂的室内环境中, 如大型商场、机场等场所, 对室内的导航定位需求在急剧增加, 因此, 开展室内导航数据模型、数据生产流程及室内定位导航相关技术的研究并提供基于移动端的室内地图导览和导航定位服务显得尤为迫切。

  室内定位导航是为处于某一室内环境中的用户提供从当前位置、途径位置到目的位置做出路线规划的服务, 而室内地图是室内定位导航传递信息最简单有效的介质, 室内地图除了将室内平面图在移动设备上展示外, 更为重要的是可为用户提供诸如对店铺、卫生间、休息区、电梯、出入口等目的地的快速搜索、定位功能, 为用户日常出行提供便捷的信息查询工具。

  1、 室内导航应用现状

  近年来, 国内外许多高校、科研机构、科技公司等对室内定位导航技术的研究与应用投入较大力度, 攻克室内外定位关键技术并进行试验与应用, 且取得了较为显着的成效。如Google Map从6.0版本开始增加了部分室内地图, 提供如商场、机场等大型室内建筑的地图导航定位服务。虽然开始并没有为用户提供路径导航的功能, 但已经通过软件提供的功能找到室内附近的兴趣点位置, 并逐步完善其定位导航功能。除Google外, 国内如图聚、智慧图、高德地图、百度地图和蜂鸟地图等多家公司已开始提供室内地图生产、定位引擎和地图引擎一整套室内地图定位导航解决方案, 并提供配套开发较为完善的SDK, 实现了室内地图数据制作与接入、室内场景浏览、楼层切换、兴趣点标注、路径规划和实时导航等功能, 也在一些大型商场、机场开展了具体应用, 取得了一定进展。由于技术、成本等多方面的制约因素, 室内定位导航技术尚未得到广泛的推广与普遍应用, 但随着研究的深入、技术的积累和需求的增长, 室内定位导航必定将为大众用户提供更为便捷、舒心的服务。

  2、 室内地图数据设计

  室内电子地图是进行室内定位导航的基础, 通过对室内地图的规范化制作, 建立室内路径模型, 采用相关算法实现室内设施搜索、路径规划导航等功能。

  2.1、 室内地图数据类型

  目前, 室内地图数据主要有二维、2.5维、三维地图数据, 通过不同的展示效果实现室内定位的地图导览和路径规划导航等功能。不同类型的数据, 在数据结构、数据内容、数据模型、存储方式、渲染效果等方面不尽相同, 鉴于室内二维数据的制作相对简便、成本更低, 且运行效率、所占空间受移动设备终端制约较小的特点, 因此, 室内二维地图是目前的主流表现形式。本文主要针对室内二维地图和路径导航数据进行研究并试验。

  2.2、 室内数据模型

  鉴于室外地图和室内地图认知和表达的不同, 对于室内地图应该表示哪些要素, 如何表示、如何渲染、如何进行数据生产等问题缺乏统一标准, 本文采用室内地图的概念建模解决此类问题, 通过明确室内地图的结构层次、要素类型及几何特征等内容来确定表达形式, 将数据模型归纳为室内地图数据模型和室内路径模型, 通过数据模型结构, 实现对室内地图数据的完整表达。

  在开展室内地图数据生产时, 以建筑物为单位整体组织室内地图数据。根据结构特征, 建筑物在垂直方向划分多楼层, 楼层间通过楼梯和门廊等设施保持连通性。根据要素特征, 楼层内要素可以划分为功能区、室内路径、通行设施、服务设施、兴趣点、其他附属物共6种类型, 以图层的方式对不同类型的要素进行组织, 最终形成点、线、面三种形式的矢量要素。通过结构特征和要素特征的分析, 实现了室内环境中“建筑物”“楼层”“图层”“要素”从整体到局部的四级结构, 层次鲜明, 较为清晰地建立了室内数据模型, 如图1所示。

  室内路径模型, 通过人工采集数据方式获得建筑物内的各房间门、楼梯、电梯、入口、出口等结点, 选取楼道、走廊等可以通行的中心线, 通过中心线连接这些路径点形成路径, 构建路网数据集的点线数据集, 并根据路径导航规则建模, 为室内导航提供导航数据源。考虑到室内路径和室外路径的连接问题, 以及室内多层空间中的路径规划问题, 在进行室内路径模型构建的同时, 借助室外相关区域与室内入口处的节点关联, 实现室内和室外的路网关联, 实现室内外一体化导航的有效衔接。

  图1 室内地图数据模型逻辑结构Fig.1 Indoor map data model logical structure

  2.3、 室内地图数据制作流程

  室内二维地图的制作初步可分为资料收集、概念建模、格式与坐标转换、路网构建、综合制图和数据部署6个阶段。通过获取原始CAD数据文件或规划设计图件数据, 并采集室内通行设施等辅助信息, 通过格式转换为制图的矢量数据文件, 并进行配准校正做到与室外地图坐标系统的统一, 形成点线面室内数据, 构建导航路网数据集, 完成室内地图制作, 实现室内地图要素的综合协调与表达;最终对室内制图要素进行符号设计、地图渲染和专题图制作, 根据使用需求实现离线地图或在线地图的部署和发布, 为不同地图平台提供导室内导航数据服务, 如图2所示。

  图2 室内地图数据制作基本流程Fig.2 Basic process of indoor map data production

  3、 室内导航实现流程研究

  室内导航与室外导航相比具有较大差别, 虽然室内导航没有烦琐的交通规则限制, 但其除了平面方向的单层规划导航, 还涉及跨楼层规划导航的问题, 其导航模型需要处理好跨楼层的衔接问题。单楼层地图中的路径规划采用路径起经终点, 通过路网数据模型, 根据最短路径算法查找并绘制规划的最短路径, 可较为容易地完成路径规划, 其主要是根据地图上点的连通性将相应的节点连接并构建导航路网模型即可。而跨楼层规划导航, 需将相邻楼层通过某种途径实现连通, 建立上下楼物理空间的关联;在实际的建筑中, 楼层间的物理连接点利用楼梯或电梯, 可起到上下连通作用。因此, 将楼梯和电梯设施作为节点加入导航数据集模型的构建, 即可解决跨楼层间的路径规划问题, 并采用单楼层二维路径规划方法来实现多层空间的路径规划和导航, 满足室内导航的需求, 如图3所示。

  图3 室内导航实现流程图Fig.3 Indoor navigation implementation flow chart

  4、 移动端室内导航定位APP设计

  通过对室内地图数据制作和室内导航实现流程的探索和研究, 选择某一园区建筑物作为实验场所, 参照室内地图模型完成室内地图和路径数据制作, 并生成离线数据部署于移动端设备, 采用Super Map IMoblie设计开发移动端室内导航定位APP, 依托室内部署的Wi-Fi、蓝牙等定位传感器网络环境, 通过移动手机终端APP, 实现室内的定位与导航功能, 如图4所示。

  图4 室内导航系统框架图Fig.4 Indoor navigation system framework

  4.1、 导航定位APP逻辑架构设计

  移动端室内导航定位APP基于Android系统开发, 采用Android Studio V2.1开发环境, 以Java为主要开发语言, 以原生SDK获取移动设备摄像头等硬件传感器装置相关信息, 采用Super Map IMobile作为GIS功能平台, 利用Super Map IMobile提供的室内导航、坐标转换等接口实现地图显示、缩放等基本功能及地图导览、规划导航和搜索定位等专项功能, 满足室内定位导航与搜索服务的应用需求, 如图5所示。

  图5 系统技术逻辑架构Fig.5 System technology logical architecture

  4.2、 导航定位APP功能设计

  室内导航定位APP系统功能主要分为基本地图操作、室内地图展示、路径规划导航和查询定位4个功能模块。地图操作主要实现室内地图缩放、地图旋转、图层控制 (楼层功能图层、设施图层等切换) 、信息查询等基本功能。地图展示功能主要是实现室外地图、室内地图的无缝集成展示与自动切换功能。室内导航功能主要是实现定内从起点A到目的地B的路径规划导航功能, 可从图上直接选择, 也可通过输入目标点进行路径规划导航。查询定位功能主要是提供室内设施的查询定位, 如商家位置查询、设施查询定位 (卫生间、休息区、电梯、出入口等) 。系统功能设计如图6所示。

  图6 Android端室内导航系统功能模块Fig.6 Android indoor navigation system function module

  5、 结束语

  本文通过对室内地图数据制作和室内导航实现流程的研究与探索, 提出了基于移动端的室内定位导航APP系统的实现思路, 探讨了移动客户端APP的框架设计与功能。随着室内定位技术的完善和移动终端的普及应用, 基于室内的位置服务应用将越来越广泛, 而室外与室内的一体化是关键, 室内外的动态识别与切换是难点。今后将结合需求对跨楼层室内定位导航技术的应用开展研究与探索, 实现面向多层空间的室内路径规划与导航, 并力求实现室内外定位导航一体化技术攻关与应用。

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