基于WiFi的室内位置服务GIS应用系统研究

聂小波，黄冠宇，陈 涛，邢光成

（1.湖北省基础地理信息中心，湖北 武汉 430074；2.湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉430074）

基于WiFi的室内位置服务GIS应用系统研究

聂小波1，黄冠宇1，陈 涛2，邢光成2

（1.湖北省基础地理信息中心，湖北 武汉 430074；2.湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉430074）

以室内电子地图为基础，采用基于WiFi的室内定位技术，设计了室内位置服务GIS应用系统框架，实现了POI搜索、路径规划、路径导航等系统功能，对室内位置服务GIS的研究与应用具有一定借鉴意义。

室内定位；室内电子地图；WiFi；路径规划

随着GPS、辅助卫星定位系统（AGPS）、蜂窝网定位系统[1]的发展和成熟，室外环境下的定位系统已能满足绝大多数的定位需要。但因为环境条件复杂，存在卫星定位信号无法到达室内的“最后一公里”难题，因此，如何利用现有的网络基础设施和设备，实现复杂室内环境下的高精度定位，满足室内用户的位置信息需求，成为室内定位技术[2]研究领域的前沿和热点问题。

随着城市的发展和进步，基于位置的服务[3]在各领域均展现出巨大的商机和生命力。大型商场、医院、交通枢纽、展厅、图书馆、办公楼等结构复杂的建筑物也需要室内位置服务来提供定位、实时导航、广告推送、跟踪分析、客流量统计等功能。

本文提出了一种基于WiFi的室内定位方法，以室内电子地图为基础，研究了室内位置服务涉及的部分关键技术，设计和实现了室内位置服务GIS应用系统。室内位置服务GIS应用系统的建设，一方面可让用户享受到室内定位带来的便利和快捷，另一方面也可推动行业应用发展。

1 关键技术

1.1 室内定位技术的选择

室内位置服务GIS应用系统建立在室内定位技术的基础上。根据定位解算执行位置，将基于WiFi的室内定位技术分为服务器端网络侧定位和客户端终端侧定位。本文采用基于服务器端的系统架构进行定位，定位解算在服务器端进行。基于WiFi的室内定位算法主要包括：近邻法（NN）、K近邻法（KNN）、加权K近邻算法（WKNN）、最大似然法（ML）、核函数法、人工神经网络法和支持向量回归法等[4]。本文采用基于WiFi的贝叶斯最大似然估计算法，在服务器端对采集的RSSI进行定位解算。

1.2 室内电子地图数据的组织

室内电子地图的表达重点以建筑物内部各单元构成室内地图的主体，内部单元之间的空隙构成了行人通行的区域。此外，室内空间存在多楼层情况，需要为每个图层添加楼层高度信息，且保存出入口和楼梯等为路径规划提供数据。室内电子地图的数据组织结构如图 1所示。

图1 室内电子地图数据组织结构

1）楼层信息，包含楼层名称、层数以及属性等信息，主要分为楼层轮廓、单元轮廓、POI信息和层内通道信息4个要素层。楼层轮廓，表示建筑物某一楼层的外围轮廓。单元轮廓，表示某一楼层内部各单元功能区的外围轮廓，包括商店、会议室、卫生间、电梯、自动扶梯、停车位等。POI信息，是从各单元轮廓区域中抽象出来的点，保存各单元功能的详细属性信息。层内通道信息，表示楼层内部的通行路网，由点图层和线图层组成道路图层，实现逻辑关联。

2）层间通道信息，即楼层间电梯、自动扶梯等的通行路径，需要保存上下楼层连接点的属性信息，与层内通道信息进行结合。

3）建筑物信息，即建筑物的外围轮廓，包含名称、位置及属性等信息。

1.3 基于WiFi的室内位置服务路径规划

室内路径规划[5]问题可归结为求解室内空间的最优路径问题，即在一个存在各种障碍物的室内空间中，对于任意给定的起始点和目标点，寻找一条从起始点到目标点的最优路径，如距离最短、费用最低、耗时最少等，且这条路径必须绕过所有障碍物。

地图导航领域常用的路径规划算法是Dijkstra算法[6]和A*算法[7]。近年来，许多室内路径规划算法都是在这两种算法的基础上加以改进的[8]，如面向空间认知的路径规划算法、基于地图数据分层的路径规划算法等。

本文选取基于地图数据分层的A*算法作为室内位置服务的路径规划方法。根据人到达目标节点转角情况、距离和所用时间进行路径规划，简化地图中连接信息的数据结构，根据最短路径求出当前位置到达目标节点的最优路径。

2 系统设计

2.1 架构设计

室内位置服务GIS应用系统采用面向服务的架构（SOA）来设计平台总体架构，如图2所示。

图2 室内位置服务GIS应用系统架构

支撑层和数据层为服务层提供了支撑环境和数据基础，服务层通过各种中间件为应用层提供服务；应用层调用服务层提供的功能接口为客户端提供室内定位功能，服务层调用数据层提供的室内导航电子地图、指纹等数据，利用相关室内定位算法对用户位置信息进行解算，根据解算结果提供室内定位服务，表现层通过不同场合的室内定位服务应用在客户端展示室内位置服务的相关功能。

2.2 功能设计

室内位置服务GIS应用系统的主要功能包括：地图浏览、楼层切换、距离量算、位置查询、停车收费、POI搜索、路径规划、路径导航等。

①地图浏览，主要实现对室内电子地图的放大、缩小、漫游、拖拽、归位、角度旋转等功能，用户可根据需要改变查看地图中的位置和角度。②楼层切换，实现不同楼层间室内电子地图的自由切换，找到用户想要到达或查看的楼层地图。③距离量算，实现对电子地图上两点间距离的量算，可计算两点间的直线距离，也可计算两点间的道路距离。④位置查询，实现对当前兴趣点详细信息的查询和显示。⑤停车收费，能实现对地下停车场空余车位和收费情况的查询，以及根据车牌号进行停车缴费查询和反向寻车查询。⑥POI搜索，包括关键字搜索和周边搜索。⑦路径规划，通过输入起始点与终点获取室内路径规划。规划路径时，可根据直梯、扶梯、步行梯等不同路径以及最短路径、最多活动等个性化需求，提供不同的路径规划方案。⑧路径导航，用户可实时获取当前位置、行进路线轨迹，以及从当前点到达目标点的路径引导。

2.3 数据处理

室内位置服务是以室内电子地图为基础的，室内电子地图可看作是在电子地图数据获取和制作的基础上，更注重建筑物内部精细化单元信息的表达。根据室内地图的特点，采用二维平面表示单个楼层，并附加楼层高度信息，通过楼层叠加实现楼层切换和路径导航。室内导航电子地图制作流程如图3所示。

图3 室内导航电子地图制作流程图

3 系统实现

3.1 AP的部署

室内AP的部署是进行室内定位的基础，为室内位置服务提供支撑环境。基于WiFi的指纹法定位需要采集RSSI，而采集RSSI需事先部署AP，并尽量做到无线信号的全覆盖，因此AP的部署是进行室内位置服务的一个十分重要的环节。AP应根据室内环境的布局进行相应的部署，并考虑间隔距离、定位范围、拓扑结构、非视距等因素对定位精度的影响。以某商场某层AP的部署为例，商场内部一般包括墙体、柱子、通道、店铺、柜台、天井、楼梯口等，在进行AP部署时，对于较开放的场景（如过道、走廊），定位范围一般以20～30 m间隔进行部署，较长的过道、走廊部署成阵列结构；对于有墙体隔离的品牌店，每个室内应至少部署一个AP，且部署在室内正中央，较大的室内区域可增加部署AP的个数；AP之间的拓扑结构为阵列或三角形结构，以提高信号覆盖范围和增强信号的稳定性；考虑到人流走动等对信号的影响，AP的部署应远离通透区域。

3.2 室内位置服务GIS应用系统建设

室内位置服务GIS应用系统分为服务器端和客户端，服务器端向客户端提供室内位置服务的相应功能。

系统主要功能包括：地图浏览、楼层切换、距离量算、位置查询、停车收费、POI搜索、路径规划、路径导航等，如图4所示。

图4 系统客户端示意图

地图浏览能实现室内电子地图的缩放、漫游、归位、拖拽、旋转角度等操作，同时在服务器端发布室内瓦片电子地图。楼层切换能实现不同楼层间室内电子地图的自由切换。距离量算能实现对室内电子地图两点间距离的量算，可计算两点间的直线距离和道路距离。位置查询能实现用户对当前兴趣点详细信息的查询和显示。停车收费能实现对地下停车场空余车位和收费情况的查询，以及根据车牌号进行停车缴费的查询和反向寻车的查询。POI搜索能实现POI关键字搜索和周边搜索。路径规划能使用户获得起始点和终点之间的最佳路径。路径导航能使用户获得当前实时位置和行进路线轨迹，并提供从当前点到达目标点的路径引导。

系统建设完成后，对其功能进行了测试。结果表明，该系统完成了室内定位GIS要求的基础功能开发，实现了对地图数据的管理，可进行室内地图数据的调度与发布；后台支撑各类功能服务，为高精度室内地图应用提供了服务支持。同时，也对室内定位的性能进行测试，在实验环境中，该系统定位精度满足室内定位与路径导航的基本需要，并支持多终端接入。

4 结 语

由于受到复杂室内环境的影响，室内位置服务的研究和发展还处于探索阶段。室内位置服务蕴藏着巨大的发展空间和商机，已成为研究的前沿和热点。本文对室内位置服务做了相应研究，以基于WiFi的贝叶斯最大似然估计算法作为室内定位技术，分析了室内位置服务GIS应用系统所采用的关键技术。以室内电子地图为数据基础、室内定位技术为支撑，设计和实现了室内位置服务GIS应用系统架构和功能，对开展位置服务的研究和应用起到了一定的参考和借鉴作用。

[1] 范志平,邓平,刘林.蜂窝网无线定位[M].北京：电子工业出版社,2002：6-8

[2] 张宴龙.室内定位关键技术研究[D].合肥：中国科学技术大学,2013：3-4

[3] 周傲英,杨彬,金澈清,等.基于位置的服务：架构与进展[J].计算机学报,2011,34(7)：1 155-1 171

[4] 邓志安.基于学习算法的WLAN室内定位技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010：25-30

[5] 刘敬坤.室内移动机器人的动态路径规划[D].郑州：郑州大学,2014：1-4

[6] 李骏豪.针对复杂环境的室内路径规划算法的设计与实现[D].成都：电子科技大学,2014：25-27

[7] 史辉,曹闻等. 算法的改进及其在路径规划中的应用[J].测绘与空间地理信息,2009,32(6)：208-211

[8] 赵卫峰.基于空间认知的智能导航方法研究[D].武汉：武汉大学,2011：21-25

P208

B

1672-4623（2017）05-0013-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0050.4

聂小波，高级工程师，主要从事智慧城市、三维地理信息系统、LBS相关的技术和应用研究。

2016-11-01。

项目来源：国家科技支撑资助项目（2015BAJ05B01）；数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室开放研究基金资助项目（GCWD201406）；国家测绘地理信息局青年学术和技术带头人计划专项资助项目（201418）。