室内导航模型研究综述

韩李涛 郑莹 类延辉 吴佳怡

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-Location 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述。为了实现对室内几何和拓扑的统一描述，Lee[6-7]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；Yuan[10]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—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[12]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CityGMLLOD4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：

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[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 and international indoor navigation models principles and methods，from information richness and complexity of building and model applicability analyses their advantages and disadvantages.

Key Words：Indoor Navigation；Indoor Positioning；Navigation Model；3-dimensional Path