室內定位導航地圖一體化設計

李華蓉1，趙　一2

(1. 重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074； 2. 重慶交通科研設計院，重慶 400067)

LIHuarong，ZHAOYi

室內定位導航地圖一體化設計

李華蓉1，趙一2

(1. 重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074； 2. 重慶交通科研設計院，重慶 400067)

AnIntegratedDesignofIndoorMapforLocationandNavigation

LIHuarong，ZHAOYi

摘要：室內定位導航電子地圖是室內位置服務的基礎，為地圖使用者提供定位和導航路徑信息。本文在分析室內地圖數據特點的基礎上，提出了三維與二維地圖一體化表達與導航的策略，結合二維平面視圖、三維透視圖、三維網絡數據集、路徑分析等技術，實現了多層室內停車場的定位導航功能，是對室內地圖表達的一次全新嘗試。

引文格式： 李華蓉，趙一. 室內定位導航地圖一體化設計[J].測繪通報，2015(9)：32-35.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0272

關鍵詞：室內地圖；三維；一體化；三維網絡數據集

中圖分類號：P28

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0032-04

收稿日期：2014-07-30

作者簡介：李華蓉(1980—)，女，博士，講師，主要研究方向為地圖學與地理信息系統。E-mail:lihuarong.cat@yeah.net

一、引言

隨著定位技術、導航技術和可視化技術的發展，位置服務領域逐漸由宏觀向微觀演進，定位導航技術開始由室外轉向室內。室內地圖服務的基礎是能夠提供室內空間位置信息的室內地圖，與室外地圖相比，其在小區域內反映相同平面坐標系下不同高度上的人工構筑物的內部元素，比例尺大、精度要求高，特別是對高程信息的表達，是顯著區別于室外地圖的特點。針對室內地圖的特點，研究室內地圖通用或標準的表達方式，以支持大型場館建筑的室內定位服務，顯得尤為重要。本文針對室內樓層規劃圖原始數據(通常采用的是AutoCAD格式)，采用ArcGIS軟件為數據處理平臺，提出了室內地圖設計研究中涉及的相關問題和主要制作流程，以實現室內樓層規劃圖原始數據在移動設備上的室內定位導航地圖服務功能。

二、室內地圖表達和定位導航策略

位置服務并不是新鮮事物，基于現有電子地圖，并結合GPS定位技術，為人們的日常出行提供了完善和便捷的定位導航服務。但是，現有電子地圖表示的都是室外區域，當將其延伸到室內領域時，碰到了兩個難題：①傳統的GPS定位技術在室內環境下無法正常工作[1]；②傳統的定位導航地圖均是平面地圖。但是對于室內場館，不僅具有平面坐標系統，而且高程系統也同樣重要。同一樓層內具有水平交通，樓層間也具有豎向交通，如何解決立體地圖的設計并實現立體交通的導航是室內位置服務急需解決的難點之一。本文對后者進行研究，并提出解決方法。

與室外空間相比，室內空間具有自身特點：①室內空間是一個三維空間，各樓層具有不同的高程信息；②室內空間中交通更加復雜，垂直方向上，多層建筑樓梯、電梯形成了樓層間復雜的道路連通關系。

針對室內空間的特點，許多學者進行了研究。A.S.Nossum設計了一種室內管道地圖，利用拓撲關系來表達室內空間，提出了室內兩種視圖：平面的二維視圖和透視圖，不同樓層分開定位，等同于在三維現實中的樓層定位[2]。陶嘉明基于ArcGIS設計了室內地圖服務系統，室內地圖采用分樓層、分區域的傳統二維平面圖表示方法，重點通過地圖資源的動態載入和位置信息表解決多層地圖結構問題[3]。考慮到室外地圖與室內地圖服務的無縫對接，以及路徑導航全局概要與局部細節的兼顧，本文采用如下策略：

1) 地圖表達采用二維平面圖與三維透視圖相結合的方法。平面圖中用屬性的形式包含高程信息，平面圖和透視圖具有相同的地理空間坐標系統。

2) 定位導航功能包含兩部分：平面圖上的水平路徑導航，圖層間相對獨立；透視圖上的三維立體路徑導航，具有總覽性。

3) 地圖的顯示采用比例尺控制，實現三維到二維的無縫轉換。在小比例尺情況下，顯示室內三維地圖具有全局性；當放大比例尺到閾值時，轉換為二維平面圖，通過當前鼠標所在位置來確定樓層并調入相應的平面圖，具有局部細節性。

三、室內地圖設計研究

根據上述的室內地圖表達和定位策略，需要準備的數據有：各樓層的二維平面地圖、二維網絡數據集；建筑物的三維透視地圖、三維網絡數據集。本文以招商大廈地下車庫為例，結合ArcGIS軟件，對室內地圖表達設計進行了研究，其流程如圖1所示。

圖1　室內地圖表達設計流程

1. 二維平面地圖設計

(1) 地圖表達符號的設計

室內地圖信息密度高，需要更加精確完備的符號系統才能有效地表達室內空間信息。Weisman定義了4個影響尋路的變量：視覺通視性、建筑的可區分性、樓層平面的復雜性、標識系統和房間號[4]。本文通過顏色、填充的符號、文字注記等方式組合來實現室內空間信息的有效表達。

分析室內建筑的類別，并對其進行分類，為每一類建筑分配一種顏色，從而實現建筑的可區分性。例如，本文中的試驗數據是招商大廈地下車庫，通過分析可對其中的待區分建筑按功能分為以下幾類：停車位、出入口(樓梯、電梯和車行出入口)、辦公室、設備井、公共活動室(餐廳、廁所、淋浴間、休息室)、通道，分配的顏色分別為黃綠、淺藍、石綠、桔粉、玫紅和肉粉，如圖2所示。通過顏色的配置可以實現建筑物的區分，用戶能夠一目了然地發現各個不同功能的建筑區域。

但是，僅僅通過顏色只能區分不同的建筑區域，還不能給用戶確切的定位提示，因此還應利用地圖符號和注記，使地圖具有可閱讀性，根據地圖表示的空間信息實現定位、導航功能。

圖2　賦值了顏色的室內區域

在停車場中，停車位是一個非常重要的標識，而且數量眾多，為了在地圖上明確表示，采用點符號和注記共同表示，點符號表達的信息為該建筑區域為停車位，注記補充說明停車位編號信息。出入口也采用點符號和注記的形式進一步區分出樓梯、電梯和車行出入口區域，如圖3所示。

室內地圖設計中要充分利用一些約定成俗的標識，設計的符號與建筑物中的標識保持一致，并注意路線重要決策點處的地標性物體在地圖上著重表達，將更加有利于用戶方向、方位的認知。

圖3　地圖表達符號設計

(2) 導航路徑規劃

相對于室外電子地圖來說，室內電子地圖包含的地理信息比較少，可以直接在GIS軟件上規劃路徑信息，創建導航電子地圖。首先，在現有圖層的基礎上建立一個線要素圖層，在該圖層上添加所有路徑信息，實現每個房間、車位等所要到達地點均有路可尋。為了后續的三維轉換，每條線要素都存儲了高程屬性。

道路圖層建立完畢后，利用ArcGIS軟件中的ArcCatalog創建并生成網絡數據集，該網絡數據集在創建時不考慮高程信息。網絡數據集中包含一個點圖層和一個線圖層，通過兩個圖層，將每個邏輯上不相關的路徑信息結合到一起，形成路徑連通網，從而實現導航。通過GIS軟件制作加入網絡數據集之后的招商大廈負一層電子導航地圖，如圖4所示。

圖4　招商大廈負一層導航電子地圖

2. 三維透視圖設計

(1) 平面要素轉三維要素

通過三維視圖可以深入了解通過相同數據的平面地圖不易覺察的內容，特別是在室內情況下，可以為用戶提供更為全面和直觀的多樓層間的空間信息關系。利用ArcGIS提供的三維分析工具，可以將帶有高程信息的平面要素轉換為三維要素，然后將不同樓層的同類要素合并到一個圖層中，并按樓層進行子類劃分。在三維模型中，所有的要素都具有X、Y和Z坐標值，因此在平面視圖中具有相同平面坐標的要素在三維視圖實現了區分識別。利用ArcScene建立車庫三維模型，如圖5所示。

圖5　招商大廈車庫三維模型

(2) 三維網絡數據集規劃

基于三維要素進行定位導航，需要以三維網絡數據集為基礎。三維網絡數據集的建立包含兩部分，分別為樓層內的水平路徑規劃和樓層間垂直路徑規劃。樓層內水平路徑規劃可以在二維平面道路層的基礎上制作，基于高程屬性值將各樓層的道路圖層轉化為三維要素，并將所有樓層的數據合并到一個圖層中，即可得到三維的樓層內水平道路圖層，如圖6所示。

樓層間的垂直路徑在三維網絡數據集中十分重要，保證了樓層間的相互連通性，需要單獨建立。樓層間的路徑是通過樓層間的通道實現的，如樓梯、電梯、車輛入口等，可以通過建立出入口點圖層，然后根據點圖層的定位信息，新建三維折線圖層，根據實際情況用折線連接樓層間的出入口，建立垂直路徑。這樣建立的垂直路徑能夠保證與水平路徑的精確連接，減少錯誤。圖7顯示了基于樓層出入口建立的垂直路徑。

圖6　樓層內的水平路徑

樓層內的水平路徑和樓層間的垂直路徑圖層建立完畢后，利用ArcCatalog生成網絡數據集，注意創建時高程模型應考慮“使用幾何Z坐標值”選項，這樣才可建立三維網絡數據集。

圖7　樓層間的垂直路徑

四、 地圖信息的融合機制

室內導航的終端設備一般是移動智能手機，受本身硬件條件的限制，存儲空間有限，因此對于占用內存較大的三維數據可以放到本地服務器上，用戶發送導航請求獲取起終點之間的最短路徑，發送給用戶。當用戶獲得路徑導航的概要圖，進行放大觀察時，可以根據比例尺閾值及其當前點坐標轉換到二維平面視圖中，二維平面數據可以存儲在手機終端上，從而加快數據顯示和加載的速度。圖8展示了根據用戶輸入的起終點位置在三維透視圖中實現的最短路徑導航功能，并能夠對三維導航地圖進行放大、縮小、變換視角漫游。當放大比例尺達到預設的閾值時，將自動轉換為二維平面視圖，如圖9所示，展示了圖8中的路徑在負二層中的部分，同時也支持放大、縮小、漫游等功能，為用戶提供更為翔實的定位提示服務。

圖8　三維室內導航地圖

圖9　二維平面樓層導航地圖

五、 結束語

隨著室內位置服務的興起，室內地圖的研究必然引起人們的重視。充分認識室內環境的空間特點，并借鑒室外地圖豐富的研究成果，可實現室內與室外一體化的導航地圖。本文討論了室內三維與二維導航地圖一體化的相關技術，筆者認為隨著三維一體化思想和可視技術的日趨成熟，地圖服務在室外與室內將混然為一體，室內的位置服務將實現“三維建筑整體→二維樓層平面→三維室內場景”的目標。

參考文獻：

[1]盛慶，鄧中亮，徐連明，等. 基于Android的室內導航定位系統設計與實現[J]． 北京聯合大學學報：自然科學版， 2012，26(1)：23-27．

[2]NOSSUMAS．IndoorTubesaNovelDesignforIndoorMaps[J]．CartographyandGeographicalInformationScience，2011，33(2)：192-200．

[3]陶嘉明．基于ArcGIS的室內地圖服務系統的設計與實現[D]． 北京: 北京郵電大學，2011．

[4]張蘭，王光霞，袁田，等． 室內地圖研究初探[J]． 測繪與空間地理信息， 2013， 36(9)： 43-47．

[5]SMITM，BARNETTRJ．AComparisonofAugmentedRealityIndoorNavigationSystemswithTraditionalTechniques[C]∥Proceedingsof2012AnnualResearchConferenceoftheSouthAfricanInstituteforComputerScientistsandInformationTechnologists.BelaBela：ACM，2010．

[6]李德仁，劉強，朱慶． 數碼城市GIS中建筑物室外與室內三維一體化表示與漫游[J]．武漢大學學報：信息科學版，2003， 28(3)：253-258．

[7]Esri．ArcGIS幫助10.1[EB/OL]．2013-04-10．http:∥resources.arcgis.com/zh-cn/help/main/ 10.1/index.html．

[8]田慶，陳美陽，田慧云．ArcGIS地理信息系統詳解(10.1版)[M]．北京：北京希望電子出版社，2014.