面向实时定位的室内空间结构分析及制图方法_闫金金

共同推动室内定位的技术发展与应用普及 。 据估 计， 人们获取的信息中有８ ０％ 都 与 位 置 相 关 内空间
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仅用线条的颜色和粗细表示实体 ， 除注记外没 位， 有任何语义信息 ， 无 法 直 接 作 为 室 内 地 图。 ／ Ｉ Ｆ Ｃ Ｂ Ｉ Ｍ 在建筑 行 业 扮 演 的 更 多 是 对 三 维 模 型 的 精 细表达和分析信 息 的 角 色 ， 该技术能记录建筑物 的几何数据和属性信息 （ 比如构件的尺寸 、 材料种 墙体的颜 色 、 开 口 方 向 等） 。而在面向实时定 类、 位的室内空间制图中 ， ／ Ｉ Ｆ Ｃ Ｂ Ｉ Ｍ 仅可作为面向室 内 实 时 定 位 的 室 内 空 间 制 图 的 一 种 数 据 来 源。 Ｃ ｉ ｔ ＧＭＬ 将城市 地 形 和 三 维 物 体 分 为 ５ 个 层 次 ｙ ， 来 描 述， 侧重于建筑 细节 （ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｓｏ ｆｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ Ｌ Ｏ Ｄ） 物本身结构体系 的 分 析 与 三 维 表 达 ， 且模型的制
摘 要： 在室内空间提供高精度的实 时 定 位 服 务 非 常 重 要 。 室 内 数 字 地 图 是 室 内 实 时 定 位 的 基 础 和 信 息 载 包括室内 空 间 的 定 义 、 室内空间及室内实时定位的特点。分 析 了 体 。 研究了面向实时定位的室内空间理论 ， 明确了需要表达的室 地图可视化和基于地图约束的定位 精 度 改 进 等 室 内 实 时 定 位 应 用 对 室 内 地 图 的 要 求 ， 探索了基于该数据结构的室内２ 内空间结构为建筑体和室内家具 。 设计了一种轻量室内地图数据结构 ， Ｄ和 ２． ５ Ｄ 地图的制图方法 。 最后以工程实验楼室内空间为例开展了制图实践 。 关键词 ： 室内空间 ； 实时定位 ； ／ 室内制图 ２ Ｄ ２． ５ Ｄ 地图 ； 中图法分类号 ： Ｐ ２ ０ ９； Ｐ ２ ８ ２ 文献标志码 ： Ａ
］ ２ ５， ２ ６ 务［ 。 ７ Ｗ ａ ｎ ｔ于 １ ９ ８ ９年率先研发了 Ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅＢ ａ ｄ ｅ２ ｇ 用红外技 术 来 定 位 人 员 位 置 的 室 内 Ｒ 。而 后 Ｔ Ｌ Ｓ ［ ］
自然环境中开阔 的 空 间 而 提 出 的 概 念 ， 是位于地 表及以上的建筑内部和地表以下为人类活动提供 平台的封闭空间 。 该定义全面地囊括了室内空间 的内容 ， 如地表建筑物内部 、 地下洞室 、 隧道 、 地下 停车场等 ， 是室内空间的广义定义 。 １． ２ 室内空间的特点 （ ）空间约束 １ 室内空间与室外空间最大的不同在于室内空 间天生就有 来 自 建 筑 物 组 件 的 约 束
］ ２ ３， ２ ４ 用 是 实 时 定 位 系 统［ （ Ｒ ｅ ａ ｌＴ ｉ ｍ ｅＬ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
１ 室内空间概述
１． １ 室内空间的定义 室内空间最 直 观 的 定 义 是 被 墙 面 、 地板面和 屋顶面围合而成的有界空间 。 室内空间是由外围 实体组合而形成 的 内 部 空 间 ， 是一个用于容纳人 并为人提供便利的容器 ， 且核心是内部 及其行为 ， 的空旷部分 ， 而非围成内部空间的 “ 外壳 ” 。
［ ］ １ ９
将室内空间简略地
定义为人们通常活动的建筑环境 （ 如房子 、 商业购 物中心等 ） ， 该定义包含的室内空间内容有一定的
［ ］ ２ ０ 局限性 。Ｙ ａ ｎ ｇ 等 认为室内 空 间 是 一 个 相 对 于
） 。室 内 空 间 实 时 定 位 可 用 于 商 Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ， Ｒ Ｔ Ｌ Ｓ ｙ 场、 医 院、 大 型 仓 库 等， 实 现 资 产 管 理、 人 员 管 理、 车 位 管 理 、安 全 监 测 、巡 检 、广 告 推 送 等 服
网络出版时间：2016-07-25 13:52:21
Ｖ ｏ ｌ ． ４ １Ｎ ｏ ． ８ Ａ ｕ ． ２ ０ １ ６ ｇ
文章编号 ： （ ） １ ６ ７ １ ８ ８ ６ ０ ２ ０ １ ６ ０ ８ １ ０ ７ ９ ０ ８
面向实时定位的室内空间结构分析及制图方法
２ １， ２ １， ２ １， ２ １， ２ 闫金金１， 尚建嘎 余芳文 汤欣怡 周智勇 武汉 ） 信息工程学院 ， 湖北 武汉 ， １ 中国地质大学 （ ４ ３ ０ ０ ７ ４ 湖北 武汉 ， ２ 国家地理信息系统工程技术研究中心 ， ４ ３ ０ ０ ７ ４
［ １］
室内实时定Baidu Nhomakorabea 室内空间理论 、 模
［ ２］
、 室内空间建
［ ］ ４
和室内较少改变位 置 的 设 施 信 息 （ 多人位组合办 公桌 、 橱柜等 ） 的数字地图 。 目前 ， 面向实 时 定 位 的 室 内 地 图 的 研 究 更 多 集中于地图的使用 ， 如地图可视化 ， 基于地图约束
［ ２ １］
许多主要面向室内的 Ｒ 如Ｃ Ｔ Ｌ Ｓ 也逐渐问世 ， ｒ ｉ ｃ ｋ
［８ ］ ［９ ］ ［０ ］ 、 和Ｕ 等， 其采用的定位 ｅ ｔ２ Ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｂ ａ ｔ２ ｂ ｉ ｓ ｅ ｎ ｓ ｅ３ 技术各异 。 国内的室内 Ｒ 研 发 及应 用尚处起 Ｔ Ｌ Ｓ
步阶段 ， 许多企业正在从事相关产品的研发与应用 推广 ， 如青研讯科的 Ｌ 上海锐帆信 ｏ ｃ ａ ｌＳ ｅ ｎ ｓ ｅ系统 、 息科技有限公司的 Ｃ Ｏ Ｅ Ｙ Ｅ 电子复眼实时定位系 统等 。 ， 如 墙 壁、
收稿日期 ： ２ ０ １ ５ ０ ７ ２ ２
何借用了 Ｃ 其侧重点在于 ｉ ｔ ＧＭＬ 的 表 达 方 式 ， ｙ 描述室内空间建 筑 及 室 内 设 施 语 义 信 息 ， 但该模
项目资助 ： 国家自然科学基金 （ ） ； 中国地质大学 （ 武汉 ） 教学实验室开放基金 （ ） 。 ４ １ ２ ７ １ ４ ４ ０ Ｓ Ｋ Ｊ ２ ０ １ ３ ０ ４ ９ 第一作者 ： 闫金金 ， 硕士 ， 主要从事室内导航与位置服务和室内空间建模及管理研究 。 ｉ ｎ ｉ ｎ ｈ ａ ｎ ｕ＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ ｊ ｊ ｙ 通讯作者 ： 尚建嘎 ， 博士 ， 副教授 。 ｓ ｈ ａ ｎ ｕ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ＠ｃ ｊ ｇ ｇ ｇ
第４ 武 汉 大 学 学 报 · 信 息 科 学 版 １ 卷 第 ８ 期 http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1676.TN.20160725.1352.016.html 网络出版地址： ２ ０ １ ６年８月 Ｇ ｅ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓａ ｎ ｄＩ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅｏ ｆＷｕ ｈ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ： ／ 犇 犗 犐 １ ０． １ ３ ２ ０ ３ ． ｗ ｈ ｕ ｉ ｓ ２ ０ １ ４ ０ ８ ３ ６ ｊ ｇ
８ １ ２］ 的定位精度改进 ［ 等。 这 些 研 究 虽 然 都 提 出 自
、 全息位置地 图
［ ３］
的研究已经引起了国内外 在其对
学者和商业界的广泛 关 注 。Ｇ ｏ ｏ ｄ ｃ ｈ ｉ ｌ ｄ
未来 Ｇ Ｉ Ｓ 发展的 几 点 思 考 中 指 出 ， Ｇ Ｉ Ｓ将会从室 外走进室内 ， 室内移动 Ｇ 实时 Ｇ Ｉ Ｓ、 Ｉ Ｓ 等将成为未 来Ｇ Ｉ Ｓ发 展 的 新 方 向。 未 来 针 对 室 内 移 动 Ｇ Ｉ Ｓ 问题的解决方案 ， 整合室内和室外 Ｇ 应 用 将 拥 Ｉ Ｓ 有巨 大 的 潜 力 市 场 。２ 、 、 ０ １ ２ 年 ８ 月， Ｓ ｏ ｎ Ｎ ｏ ｋ ｉ ａ ｙ Ｓ ａ ｍ ｓ ｕ ｎ ０ 多家 厂 商 联 手 成 立 了 室 内 定 位 联 ｇ等 ２
８ 将人 体 看 作是一个由 皮肤包围 ， 并 Ｗ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ１ 皮肤因此有了内部和外 且与外界相隔离 的 容 器 ， ［ ］ ［ ］ １ ７
部的概念 。 类似地 ， 室内空间可看作由墙壁 、 围栏 使之封闭并与外界隔离 ， 但规模大于人体 等包围 ， 的容器 。 容器的内部便是室内 ， 外部是室外空间 ， 门提供出入口 。Ａ ｆ ｏ ｕ ｎ ｉ等 ｙ
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武汉大学学报·信息科学版
２ ０ １ ６年８月
型兼顾了空 间 结 构 几 何 和 语 义 ， 较 为 复 杂。对 于 室 内 实 时 定 位 的 地 图 表 达， Ｃ ｉ ｔ ＧＭＬ 和 Ｉ ｎ ｙ 在 实 际 中 难 以 使 用。 ｄ ｏ ｏ ｒ ＧＭＬ 的 内 容 过 分 全 面 ， 室内实时定位中 的 移 动 设 备 屏 幕 大 小 都 有 限 ， 会 导致 频 繁 的 交 互 操 作 如 定 位 、 缩 放、 旋 转 等， 还需 对 数 据 的 处 理 效 率 要 求 很 高。 保 持 比 例 尺 不 变， 这也是上述多种空间结构描述方式均无法很好地 适用于室内实时定位制图的主要原因 。 基于此 ， 本文 研 究 了 面 向 实 时 定 位 的 室 内 空 间理论 ， 包括室内空间的定义 ， 室内空间及室内实 时定位特点 。
动、 墙体的拆除与新增等 ； 或者某楼栋某时间段 ， 因
］ ２ ２ 停电或电梯故障而禁止通行等突发事件［ 。
（ ）私密性 ３ 室外空间绝大部分是共享和公开的 。 而室内 空间通常是一个 私 密 的 空 间 ， 即某些空间是有一 时间和功能的私密性限制 （ 即便是公共 定的社会 、 。 如仓 库 、 银 行 的 现 金 储 存 柜 等， 都是某些 场所 ） 时段选择性地对某些人员开放 。 （ ）符号坐标 ４ 人类根据思维 习 惯 ， 对已由墙体完成自然分 割的室内空间进 行 相 应 的 语 义 化 编 号 ， 同时冠以 为室 内 实 时 定 位 提 供 了 一 种 特 殊 的 特有的名称 ， 符号坐标 ， 如工程实验楼学术报告厅 。 ）垂直重叠性 （ ５ 室外空间大部 分 都 是 平 面 上 的 扩 展 ， 而以建 筑物为代表的室 内 空 间 通 常 是 多 楼 层 结 构 ， 在垂 直方向上要用楼 梯 或 电 梯 等 来 连 通 ， 所以至少需 要 ２． ５ Ｄ 的地图才能完整地描述该类结构 。 ）实体特殊 （ ６ 室内空间 的 实 体 中 自 然 要 素 少 ， 都是人工设 施， 细小而繁多 ， 如家具 、 落地式设备等 。 人是室内 空间不同时间有不同的活动和需求的特殊实体 。 １． ３ 室内空间实时定位 室内实 时 定 位 是 基 于 信 号 的 无 线 电 定 位 方 式， 实时定位和追踪资产或人员位置信息 ， 典型应
５］ ， 欲发展高精确度室内定位技术和相关服 务 ， 盟［
身算法对于地图 的 需 求 ， 却鲜少涉及面向实时定 位的室内空间结构本身及制图 。 可用于描述室内 ／ 空间 结 构 且 能 实 现 制 图 的 方 式 有 Ｃ Ａ Ｄ、 Ｉ Ｆ Ｃ
［３］ ［４ ］ ［５ ］ 、 和Ｉ 等 。Ｃ Ｂ Ｉ Ｍ１ Ｃ ｉ ｔ ＧＭＬ１ ｎ ｄ ｏ ｏ ｒ ＧＭＬ１ Ａ Ｄ ｙ 主要是建筑施工过程中用于表达建筑的尺寸和方
１ ６］ 作技术 不 完 备 ［ 。Ｉ 几 ｎ ｄ ｏ ｏ ｒ ＧＭＬ 为 自 成 体 系 ，
，
而每人每天 平 均 有 多 达 ９ ０％ 的 时 间 都 生 活 在 室 ， 因 此， 解决 Ｇ Ｐ Ｓ等广域定位向室内延 伸的 “ 最后一公里 ” 问 题， 实现室内实时位置服务 显得尤为重要 。 ＧＮ Ｓ Ｓ 导航及应用能获取高精 准度的 经纬 度 数据 ， 但 依 然 需 要 室 外 的 数 字 地 图， 也 无 法 使 用。 室内实时定位亦 是 如 此 ， 室内地图是室内实时位 置服务的基础和 信 息 载 体 ， 无论采用何种室内定 位技术 ， 都必须 有 详 实 的 室 内 数 字 地 图 用 于 确 认 和展示定位结果 。 室内地图不仅仅是日常在商场 的消防疏散及安 全 通 道 连 通 示 意 ， 而是至少包含 室内的建筑结构信息 （ 如房间 、 门、 墙、 走廊 、 楼梯 ）