趙建嬌

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

室內(nèi)外一體化行人導(dǎo)航地圖制作與表達

趙建嬌1

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000）

面向室內(nèi)外一體化行人導(dǎo)航應(yīng)用，針對室內(nèi)外導(dǎo)航數(shù)據(jù)的不同特點和相互關(guān)系，提出一種行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型。從數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)發(fā)布等幾個方面研究探討地圖制作與表達方法。

行人導(dǎo)航；室內(nèi)外一體化；導(dǎo)航地圖

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展和室內(nèi)定位技術(shù)的日趨成熟，人們對于導(dǎo)航應(yīng)用的需求已經(jīng)從原有的室外導(dǎo)航拓展為室內(nèi)外一體化的導(dǎo)航。目前導(dǎo)航數(shù)據(jù)主要是面向室外車行導(dǎo)航建立的[1]，室內(nèi)外一體化的行人導(dǎo)航研究還處在起步階段，包括地圖制作與表達在內(nèi)的各方面技術(shù)亟待完善。

從導(dǎo)航應(yīng)用的角度看，室內(nèi)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)與室外導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)存在一定差異。室外導(dǎo)航地圖內(nèi)容主要突出道路信息，而對于室內(nèi)空間信息來說，室內(nèi)各層及層內(nèi)數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系比二維坐標(biāo)更為重要。室內(nèi)導(dǎo)航地圖內(nèi)容以POI（point of interesting）及空間關(guān)系為主，甚至不顯示道路信息[2]。針對室內(nèi)外地圖數(shù)據(jù)的不同特點，本文從行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)組織與管理和數(shù)據(jù)發(fā)布等幾個方面說明室內(nèi)外一體化導(dǎo)航地圖的制作與表達方法。

1 行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型

本文從室內(nèi)外一體化導(dǎo)航應(yīng)用角度出發(fā)，提出行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型。模型的設(shè)計主要考慮地圖內(nèi)容、數(shù)據(jù)組織和要素關(guān)系，同時能夠支持路徑規(guī)劃、地圖顯示、路線引導(dǎo)及興趣點查詢。

從GIS視角描述室內(nèi)3D空間，較為成熟的數(shù)據(jù)模型為CityGML 中的LOD4-室內(nèi)模型，現(xiàn)已成為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但其主要目的更注重于數(shù)據(jù)展示和可視化，而不是室內(nèi)空間服務(wù)和分析[3]。室內(nèi)外一體化模型構(gòu)建，主要是在既有室內(nèi)外導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，充分考慮室內(nèi)、室外數(shù)據(jù)間的關(guān)系和數(shù)據(jù)使用特點，擴展現(xiàn)有導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)室內(nèi)外數(shù)據(jù)無縫管理。在一體化數(shù)據(jù)模型構(gòu)建過程中，主要考慮室內(nèi)外POI數(shù)據(jù)、室內(nèi)外路網(wǎng)LINK的整合。其中，POI數(shù)據(jù)通過建立POI父子關(guān)系實現(xiàn)室內(nèi)外POI數(shù)據(jù)模型的整合；路網(wǎng)LINK以建筑物室內(nèi)外間的主要出入口為節(jié)點，將室內(nèi)外路網(wǎng)無縫連接，如圖1所示。

2 行人導(dǎo)航地圖制作與表達

2.1 室內(nèi)外數(shù)據(jù)的采集與處理

相對于車行導(dǎo)航地圖來說，行人導(dǎo)航地圖對于數(shù)據(jù)精度要求更高，要實現(xiàn)良好的導(dǎo)航效果，地圖數(shù)據(jù)應(yīng)達到1 m以內(nèi)的平面精度要求。由于客觀環(huán)境和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的不同，室內(nèi)外數(shù)據(jù)的采集與處理分別采用不同的方法，基本流程如圖2所示。

室外行人導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)的采集可以充分利用現(xiàn)有資源，包括車行電子導(dǎo)航地圖、高分辨率遙感影像和大比例尺地形圖，輔之補充采集行人導(dǎo)航更為關(guān)注的信息，包括人行道路（天橋、地下通道、步行街等）、公交站點、門牌信息、POI等。數(shù)據(jù)處理上，利用大比例尺地形圖對高分辨率遙感影像進行幾何糾正，制作正射影像作為數(shù)據(jù)底圖，保證數(shù)據(jù)精度。再利用正射影像對現(xiàn)有電子導(dǎo)航地圖進行精糾正，最后進行數(shù)據(jù)補充采集，形成室外導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)。

圖 1 室內(nèi)外一體化數(shù)據(jù)模型

圖 2 室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集與處理流程

由于現(xiàn)有資料來源復(fù)雜、數(shù)據(jù)格式多種多樣、數(shù)據(jù)精度無法保證，室內(nèi)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)采集需要根據(jù)所收集的資料內(nèi)容、精度差異，選取不同的室內(nèi)地圖制作方法。

對于已有CAD 設(shè)計施工圖且內(nèi)容詳盡、精度符合要求的區(qū)域，可根據(jù)提供的CAD圖直接進行室內(nèi)地圖制作和驗證。以CAD圖作為工作底圖進行現(xiàn)場調(diào)繪，將POI、空間單元、出入口和道路等地圖內(nèi)容標(biāo)示在工作底圖上，生成調(diào)繪地圖。利用制圖工具軟件，將調(diào)繪地圖內(nèi)容數(shù)字化并進行拓?fù)洹傩孕薷牡葦?shù)據(jù)處理，編輯成符合數(shù)據(jù)模型要求的室內(nèi)電子地圖數(shù)據(jù)。

對于沒有CAD圖或者數(shù)據(jù)不完整的區(qū)域，則采用現(xiàn)場測繪的方法進行室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)采集與制作。利用全站儀測量，測量結(jié)果存入數(shù)據(jù)終端，然后將數(shù)據(jù)終端接到計算機，讀入數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，制作室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖。地圖內(nèi)容包括POI、路網(wǎng)等要素，其幾何類型包括點、線、面，一個要素在導(dǎo)航地圖展現(xiàn)時可能包含多種幾何類型。

整體構(gòu)建完畢以后可以直接到現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)驗證。線、面狀要素的數(shù)字化采集密度以面狀要素幾何形狀不失真為原則，采點密度隨著曲率的增大而增加，曲線不得有明顯的變形和折線。線狀要素（如停車場的人行道，車道）要記錄方向，為內(nèi)業(yè)進行路徑分析作準(zhǔn)備。點狀要素采集該要素符號化后的定位點，如標(biāo)識牌等。屬性信息為導(dǎo)航需求或公眾位置服務(wù)需求的信息，記錄屬性信息盡可能全面。應(yīng)特別注意處理好各要素間的關(guān)系，各層疊加后關(guān)系應(yīng)協(xié)調(diào)一致。

2.2 行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的組織

在實際應(yīng)用中，行人導(dǎo)航所用到的全部基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)都存儲在中心服務(wù)器上，移動終端僅顯示與行人導(dǎo)航必需的底層數(shù)據(jù)，當(dāng)行人進入立體交通環(huán)境后，會從服務(wù)器傳送所需的三維立體場景數(shù)據(jù)，將定制化的數(shù)據(jù)通過服務(wù)端進行統(tǒng)一管理，終端僅發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用請求。

本文通過建立面向數(shù)據(jù)分區(qū)的多層數(shù)據(jù)組織方式，從而達到多種類、高效率的新型行人導(dǎo)航服務(wù)。進行數(shù)據(jù)分區(qū)有利于建立快速索引、數(shù)據(jù)傳輸和移動終端的數(shù)據(jù)顯示。對于行人導(dǎo)航應(yīng)用而言，終端屏幕的最大顯示范圍一般以用戶當(dāng)前位置為起始點，目的地為終點。從數(shù)據(jù)傳輸量和更好的用戶界面角度綜合考慮，傳輸數(shù)據(jù)大小可設(shè)置為屏幕大小的9倍，滿足放大/縮小/平移操作的需求，如圖3所示。同時，要構(gòu)建多層數(shù)據(jù)集。

圖 3 基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的組織

構(gòu)建多層數(shù)據(jù)集主要依據(jù)以下規(guī)則： 具有相同或類似特點屬性信息的數(shù)據(jù)可放在同一層；對于同類數(shù)據(jù)，只要一個屬性項不同，則應(yīng)考慮存儲在不同層上；具有不同安全級別的數(shù)據(jù)應(yīng)存儲在不同層上； 不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)應(yīng)存放在不同層上； 進行數(shù)據(jù)分層時，要考慮到數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)更新和維護的簡便性、比例尺連續(xù)性等之間的關(guān)系，同時為了滿足應(yīng)用需求，各層數(shù)據(jù)量應(yīng)基本保持平衡； 盡量減少數(shù)據(jù)冗余。

2.3 行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的管理

目前有多種面向?qū)Ш降牟煌瑪?shù)據(jù)模型，主要有ISO-GDF4.0、日本KIWI-W協(xié)會的KIWI和NavTech公司的SDAL（shared data access library）。這3種模型均沒有考慮人行道、自行車道、移動要素和實時信息[4-7]。本文在傳統(tǒng)規(guī)則網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，提出基于不規(guī)則多邊形的網(wǎng)格劃分模型，從而達到加快數(shù)據(jù)調(diào)度速度，提高數(shù)據(jù)訪問效率的目標(biāo)。

為使形狀數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)表示的時間空間數(shù)據(jù)適用于行人導(dǎo)航系統(tǒng)，本文建立自有的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)模型，將基于動態(tài)數(shù)據(jù)的行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)按不同層次分別進行管理，在相鄰數(shù)據(jù)層次間，上層數(shù)據(jù)由下層的全部數(shù)據(jù)或部分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)成。最底層的詳細(xì)行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)中存放全部數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型采用格網(wǎng)管理。本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型把整個地圖區(qū)域以格網(wǎng)為單位進行分區(qū)管理。格網(wǎng)的管理采用層、塊、格網(wǎng)的三級線性樹狀邏輯結(jié)構(gòu)。這種樹結(jié)構(gòu)的線性分層分區(qū)管理方式，能夠大大加快數(shù)據(jù)信息的檢索速度。

為提高行人導(dǎo)航基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的調(diào)用速度，本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。與一般網(wǎng)格劃分不同，不采用規(guī)則網(wǎng)格劃分，而是在數(shù)據(jù)規(guī)劃過程中，以調(diào)用固定數(shù)據(jù)量為單位，盡可能使用大范圍數(shù)據(jù)，按任意多邊形定義存放區(qū)域，存放區(qū)域根據(jù)其外接長方形進行管理。在大范圍內(nèi)對這些長方形再進行分層管理，如圖4所示。

圖 4 基于不規(guī)則多邊形的網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理示意圖

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)布

服務(wù)端API主要包括信息搜索、路徑規(guī)劃、定位等地圖服務(wù)。這些服務(wù)提供給客戶端使用，所有訪問均通過API services 交互實現(xiàn)。其中，信息搜索服務(wù)提供POI、空間單元、功能分區(qū)等屬性或空間信息搜索。支持關(guān)鍵字查詢和關(guān)鍵字查詢結(jié)果的分類篩選。信息搜索服務(wù)包括兩種:①在指定建筑物內(nèi)按條件檢索；② 按指定條件在室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)庫全庫檢索。搜索條件可以設(shè)定為空間或者屬性限制。路徑規(guī)劃服務(wù)提供多種路徑計算原則的點到點的路徑查找與引導(dǎo)。路徑搜索可按照人行、車行劃分，人行也可按照行進方式（步梯、直梯、扶梯等方式）建立搜索規(guī)則。導(dǎo)航路徑規(guī)劃結(jié)果將以坐標(biāo)串形式返回。定位服務(wù)提供預(yù)留接口，提供WIFI、多傳感器融合與MapMatching綜合定位服務(wù)。

客戶端開發(fā)主要是調(diào)用服務(wù)端的API，進行地圖的基本操作。操作包括：地圖的放大/縮小，切換樓層，拖動，設(shè)置地圖中心，畫點/線/面，顯示比例尺，Routing，POI查詢等操作。

3 實 例

本文以北京市東直門交通樞紐為例進行數(shù)據(jù)制作試驗。在北京市東直門交通樞紐1 km范圍內(nèi)，進行室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集與處理。室外部分遙感信息源選用0.5 m分辨率的衛(wèi)星影像，該影像可以滿足東直門地區(qū)1 km2行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)的制作需要。利用1∶2 000地形圖數(shù)據(jù)對0.5 m分辨率影像進行有效糾正，遙感影像理論糾正精度可達0.5 m測圖精度要求。該糾正精度滿足1 m以內(nèi)的平面精度要求。

為檢測其糾正精度，保證行人導(dǎo)航數(shù)據(jù)精度要求，對該糾正范圍內(nèi)1 km2影像選取檢查點12處，利用北京市CORS系統(tǒng)對檢查點進行量測。測得該影像的平面平均中誤差X為0.121 8 m，Y為0.174 6 m。得到正射影像后，利用正射影像將現(xiàn)有電子導(dǎo)航地圖進行精糾正，最終完成正射影像與導(dǎo)航數(shù)據(jù)的疊加，形成室外導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)，如圖5所示。

室內(nèi)部分首先在東直門交通樞紐搜集了CAD圖紙和平面示意圖，根據(jù)提供的CAD圖直接進行室內(nèi)地圖制作和驗證。以CAD圖為基礎(chǔ)進行外業(yè)調(diào)查，補充修訂POI、空間單元、出入口和道路等內(nèi)容。通過GPS及室內(nèi)測量進行室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)精度檢查，測得室外檢查點的平面最大誤差X為0.273 2 m，Y為0.633 9 m，平均誤差X為0.144 18 m，Y為0.340 5 m，室內(nèi)層間對應(yīng)點的平面平均誤差，X為0.050 2 m，Y為0.023 1 m。數(shù)據(jù)發(fā)布效果如圖6所示。

圖 5 室外導(dǎo)航地圖

圖 6 數(shù)據(jù)發(fā)布效果圖

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圖6 地貌暈渲

4 結(jié) 語

介紹了新編《湖北省地圖集》的設(shè)計特點，力圖通過豐富的地圖語言全面、真實地反映湖北省自然地理、資源環(huán)境、經(jīng)濟社會、發(fā)展戰(zhàn)略等狀況，給相關(guān)部門開展經(jīng)濟、社會科學(xué)研究、進行省情綜合分析、科學(xué)預(yù)測提供重要參考資料。

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作者簡介：汪冰，高級工程師，主要從事各類地圖的編制、建庫工作。

P208

B

1672-4623（2015）03-0179-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.063

趙建嬌，講師，研究方向為軟件工程、地理信息系統(tǒng)。

2014-04-23。

項目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃基金資助項目（20 12AA12A207)。