基于GIS室内定位和导航的电子地图设计与应用

1、2012年 2月第 26卷第 1期总 87期 北京联合大学学报 (自然科学版 Journal of Beijing Union University (Natural Sciences Feb2012Vol26No1Sum No87收稿日期 20110720基金项目 国家高技术研究发展计划 (“ 863” 计划 基金资助项目 (2009AA12Z324 。作者简介 盛庆 (1986 , 男 , 辽宁大连人 , 北京邮电大学电子工程学院硕士 , 主要从事 GIS 地图开发 、 WIFI 室内定 位 、 传感器网络方面的研究 。基于 GIS 室内定位和导航的电子地图设计与应用盛庆 , 邓中亮 ,

2、徐连明 , 刘文龙(北京邮电大学 电子工程学院 , 北京100876摘 要 设计室内大型场馆的定位导航电子地图是为了改变传统室外定位导航模式 , 方便快捷地为地图使用者提供定位和导航路径信息 。 引入了室内 GIS 矢量电子地图模型的概念和设计 方法 ,结合网格采集图层 、 地理数据库 、 网络数据集等技术 , 实现了在 大 型 场 馆的定位 导 航 功 能 , 对同类室内定位和导航电子地图的设计与实现具有一定参考价值 。 关键词 GIS ; 定位 ; 导航 ; 地理数据库 ; 网格数据集 中图分类号 P 208文献标志码 A文章编号 1005-0310(2012 01-0023-05The

3、Design and the Application of Electronic Maps of IndoorLocation and Navigation Based on GISSHENG Qing , DENG Zhong-liang , XU Lian-ming , LIU Wen-long(Beijing University of Posts and Telecommunications , Beijing100876, China Abstract :Indoor location and navigation electronic map of large-scale venu

4、es is designed in order to change the traditional outdoor location and navigation mode , which makes it convenient and easy for users to locate and navigate path informationBy Model Concepts and the design methods of Indoor GIS vector digital map combined with layer with the grid , geographic databa

5、ses and network dataset techniques , the location and navigation function in large-scale venues is achievedThe same indoor location and navigation electronic map in the design and implementation can be used as a referenceKey words :GIS ; location ; navigation ; geographic database ; network dataset0

6、引言进入新世纪 以 来 , 随 着 互 联 网 的 不 断 普 及 , 地图已经从纸上 走 进 了 互 联 网 和 个 人 电 脑 甚 至 移 动 设备里面 。 如今 ,人们可以很容易地在电子地图里 面搜索感兴趣的 地 点 、 行车 线路和公交线路 等 , 大 大方便了地图使用者 , 电子地图已经成为越来越多 的人们的一个常用工具 。现有的电子 地 图 可 表 示 的 范 围 大 者 如 亚 洲 或 者中国平面图 , 小者如学校平面图或一个社区的平 面图 ,表示的都是室 外 区 域 , 尤其 对于定位导航 应 用 , 电子地图与 GPS 定位技术广泛结合 , 为人们的 日常出行提供了极大的方便

7、 。 但是 ,随着物联网行 业的发展 , 物联网感知定位技术也逐渐由宏观向微 观演 进 , 定 位导航技术越来越向小型化发展 , 随 着 十万平米以上的大型建筑如雨后春笋般的出现 , 基 于大型场馆的室内定位与导航显得越来越重要1。本文正是利用电子地图的特性 , 结合室内定位与导 航技术 , 设计了一种新的用于室内定位导航的电子 地图 。在进行室内定位导航电子地图的开发时 , 本系 统是在 AutoCAD 开发的基础上 ,采用 GIS 的二次开北京联合大学学报 (自然科学版 2012年 2月发方式 , 能够在电子地图上显示定位导航终端的位 置 , 对 某一指定的方 位 , 可以 在电 子地图上

8、显示 导 航路径 ,该电子地图操作方便简单 、 显示直观清晰 , 符合室内定位导航的功能需求 。1室内定位导航地图模型1. 1室内定位导航地图模型的应用 1. 1. 1室内场景模拟快速调度数据 、绘制虚拟场景是室内场景模拟 的关键问题 。 将 整 个 室 内 空 间 中 的 房 间 、 走 廊 、 门 窗等建立合适的关联 , 这便可以有效缩短数据查询 调度的时间 。 于 是 用 代 表 门 窗 的 线 将 室 内 的 房 间 和过道连 接 起 来 , 建 立 起 单 个 楼 层 上 的 门 窗 与 房 间 、 室 内物体与房间 的 拓 扑 关 系 , 实现对空间的 剖分 , 从而提高查询效率

9、, 加快浏览速度 2。 图 1室内定位导航地图制作基本流程图1. 1. 2室内路径发现与空间可达性室内空间路 径 发 现 问 题 在 认 知 学 领 域 多 有 研 究 ,侧重点 在 探 索 人 对 整 个 室 内 环 境 不 断 完 善 认 识 , 自身行动不断判断调 整的这 一 路径发现过 程 。 在地理学领域 , 人们多是将现有的理论方法进行改 进 , 以适应各种不同的应用 。 如在图模型的基础上 提出的混合 空 间 模 型 。 明 确 划 分 了 各 个 结 点 和 各 条边 的 建 筑 功 能 , 用 于 辅 助 建 筑 物 空 间 内 部 路 径 的描述3-4。 空间 句 法 理

10、论 5应 用 时 , 将 移 动 过 程的代价和阻抗 因 素 纳 入 空 间 可 达 性 问 题 的 计 算 过 程 , 得到更为符合实际的室内定位导航结果 。 1. 1. 3室内应急管理大型建筑物内部结构复杂 , 人员流动大 , 这些都 为室内应急管理增加了难度 。 将 GIS 技术应用于室 内环境 ,一方面可在突发事件发生时 , 积极有效地对 楼宇内部实时监控 , 疏散人群 。 在一般室内监控系 统上辅助以 GIS 和定位手段 ,可以解决目前视频监 控系统面对目标移动速度快 、 多个摄像头频繁切换等情况 , 从而解决快速定位的问题 6。 另一方面 , 可以在室内空间中模拟灾害蔓延如有毒气体

11、泄漏的状 况 , 从而评估该室内空间构造的安全性 。 1. 2室内定位导航电子地图同室外定位导航电子 地图的差异性比较室外定位导 航 电 子 地 图 的 应 用 从 全 球 范 围 来 看已经发 展 了 二 十 多 年 , 可 以 说 已 经 成 为 传 统 应 用 , 现在已经被人们广泛所接受 。 而相比于室外定 位导航电子地图 , 基于大型场馆的室内电子地图虽 然发展时间比较短暂 , 但也有其自身特点 , 下面表 1列出了本系统 设 计 的 室 内 电 子 地 图 同 当 前 室 外 电 子地图的比较 。表 1室内电子地图同室外电子地图的比较比较项目 室内定位导航 电子地图室外定位导航 电

12、子地图加载速度 快 慢 覆盖范围 小 大 地图雷同度 低 高 定位媒介 Wifi GPS 定位精度 高 低 发展时间 刚起步 20多年 导航路径规划移动终端规划远程服务器规划2定 位 导 航 电 子 地 图 设 计 的 基 本 流程及创新点2. 1电子地图设计到应用的基本流程本地图的应用场景为 10万平米以上的室内大型场馆 , 本文以北京邮电大学教四楼为例 , 结合 GIS 软件 , 对室内定位导航地图进行专门制作 。 室内定 位导航地图制作流程图如下图 1所示 。 2. 2电子地图设计阶段创新的关键技术 2. 2. 1地理数据库地理数据库 的 开 放 式 结 构 将 空 间 数 据 及 其

13、对42第 26卷第 1期 盛 庆等 :基于 GIS 室内定位和导航的电子地图设计与应用应的属性数 据 统 一 存 放 在 数 据 库 管 理 系 统 DBMS 中7。 本系统采 集 使 用 的 地 物 要 素 作 为 地 理 数 据库中的空间 要 素 类 (Feature Class , 如 网 格 、 线 等 , 对应存储在 DBMS 中的一个表中 , 每一个具体的要 素 (Feature 则对应于表中的一条记录 , 其空间几何 特性存储在 长 二 进 制 字 段 中 。 为 便 于 数 据 的 组 织 和使用 , 可以按习惯和需要将相关的一组具有相同 空间参考的 要 素 类 (Featur

14、e Class 组 织 在 一 起 , 形 成 一 种 更 大 的 结 构 , 称 为 要 素 数 据 集 (Feature Dataset 。 除存储 空 间 要 素 类 外 , 地 理 数 据 库 中 还 可以建立关系类 (Relationship Class 、 几何网络 、 注 记要 素 , 定 义 要 素 子 类 型 (Sub Type 、 属 性 域 (Domain 及有效性规则等 。 所有的要素类 均 可 以 通过通用的 CASE 工具 (如 Visio 、 Rational Rose 等 建模来进行 定 义 与 扩 展 。 地 理 数 据 库 以 要 素 为 对 象的存储结构提

15、示我们 , 以地理数据库为目标的数 据转换最直接的方式就是对象间的对应转换8。由于手持终端其本身硬件的限制 , 其存储空间 不可能与电脑相比 , 当前大部分电子地图设计都是 采用 B /S 架构 ,把大量的地理数据库信息放到本地 服务器上 , 通过远程调用服务来实现对地理数据库 信息的存取 , 但是过分依赖无线网络会限制数据加 载的速度 。 本 系 统 开 发 的 地 图 是 基 于 大 型 场 馆 的 室内定位与导航地图 , 手持终端存储空间足以存储 大型场馆地理数 据库信 息 , 因 此 , 可以在手持终 端 直接保存 地 理 数 据 库 信 息 , 不 必 再 从 服 务 器 端 下 载

16、 , 而 是直接调用缓 存 中 的 数 据 , 这样可以大大 加 快数据显示和加载的速度 , 而且就算中断网络连接 也不会影响手持终端的操作 。 图 2北京邮电大学教四楼四层采集电子地图2. 2. 2网格要素图层图 层 按 照 类 型 划 分 主 要 有 3种 :点 类 型 (Point 、 折 线 类 型 (Polyline 和 多 边 形 类 型 (Polygon 9。 每 一 层 (Layer 是 某 一 类 元 素(Feature 组成的集合 , 每一个图层表示一类地图信 息 , 如房间 、 走廊 、 楼 梯 、 出 口 、 设 备 等 等 , 还 有 一 些 扩展 应 用类型如导 航

17、 路 径层 、 导航连接点层 , 以 及 标注层 等 ,而 这 些 图 层 (Layer 相 互 叠 加 (但 不 覆 盖 形成一个图层组 (Layer Group 。网格 要 素 图 层 就 是 其 中 一 个 多 边 形 类 型 (Polygon 图层 , 它是为数据采集阶段专门添加的图 层 , 该网格图 层 每 个 网 格 存 储 了 当 前 网 格 的 坐 标 、 网格号等属性 , 用于在数据采集时提供给采集者每 个网格的属性信息 。该网格要素图层具有下述优势 :1 避免了 人 为 手 动 的 输 入 网 格 信 息 , 降 低 了 出错的几率 , 使操作起来更加方便 。2 可以对 每

18、 一 个 网 格 实 现 颜 色 的 填 充 , 用 不 同的颜色来区分网格的不同作用 。3 准确计 算 每 个 网 格 的 间 距 , 可 以 提 高 手 持 终端定位精度 。通过 GIS 软件 制 作 出 加 入 网 格 要 素 图 层 之 后 的北京邮电大学教四楼四层电子采集地图 , 如图 2所示 (圆点代表网格要素 。 2. 2. 3导航路径规划室内电子地图相对于室外电子地图来说 , 包含 的地理信息比较少 , 可以直接在 GIS 软件上直接规 划出所有的路径信息 , 因此 , 要做导航电子地图 , 只 需 在 现 有 图 层 的 基 础 上 建 立 一 个 折 线 类 型 (Poly

19、line 的道路 (road 图层 , 它是为路径导航专门 添加的图层 , 在该道路图层上会规划出所有的路径 信息 , 实现 每 个 房间 、 每个所要达到的地方都 是 通 路状态 。道路图层 建 立 完 毕 后 , 利 用 ArcGIS 软 件 中 的 ArcCatalog 生 成 网 络 数 据 集 (Network Dataset 10, ArcCatalog 提供的网 络 数 据 集 功 能 是 非 常 重 要 的 , 通过它能获得 两 张 图 层 , 一 张 是 点 图 层 , 存 储 road52北京联合大学学报 (自然科学版 2012年 2月图层上每个线段 终点的 集 合 ; 另

20、一张是 线图层 , 存 储 road 图层上每个线段的集合 。 通过这两张图层 , 可以给每个点和线段添加属性信息 , 把每个逻辑上 不相关的路径信息结合到一起 , 形成一个路径之间 有关联的网 。 每个点按照出生的前后 , 都存储了该 点的序号 ; 每条线段存储了当前线段的起点和终点 的坐标及编号等属性 , 这样 每个 线段就有了 关 系 , 在两个相邻的线段中 , 前一个线段的终点肯定是下 一个线段的起点 , 用于在路径导航时提供给导航者 属性信息 , 从而把每条线段连成一条线 , 实现导航 。 最后 , 为了能 在 程 序 中 调 用 GIS 服 务 接 口 , 需 要 再 次 利 用

21、ArcCatalog 软 件 生 成 地 址 定 位 器 (Address Locator 11, 把 road 图层信息加入到指定 的地图 中 , 这 样 在 程 序 中 直 接 可 以 调 用 ArcGIS 提 供的导航接口 。通过 GIS 软件制作出加入道路图层之后的北京 邮电大学教四楼四层电子导航地图 , 如图 3所示 。3定位导航电子地图应用3. 1终端数据采集阶段数据采集是实现定位技术的前提条件 , 之前添 加了网格要素 图 层 就 是 为 实 现 定 位 技 术 所 做 的 准 备 。 终端会加载本地缓存数据 , 把数据采集地图加 载到手持终端 , 实现采集无线信号 (wifi

22、。加载地图完毕后 , 在手持终端点击所要采集的 网格 要 素点 , 此时 , 手持 终端会搜集周围的无线 信 号 (wifi 并与该网格属性信息进行绑定 。 当采集完 毕后 , 在手持终端的数据库中会存储每个终端所对 应的无线信号的信息 , 并把该网格的颜色置换成深 色 , 表示该 网 格 已经采集完毕 , 此网格信息就是 实 时定位时所用到的比对 数据 , 如 图 4所 示 (浅 色 网 格为未采集网格 , 深色网格为已采集网格 。 3. 2终端定位应用数据采集阶段完毕后 , 可以进入到定位功能界 面 , 开始进行终端定位 。在定位 时 , 手 持 终 端 实 时 接 收 周 围 的 无 线

23、 信 息 , 并且结合定位算法与采集阶段所采得的指纹数 据进 行 对比 , 得到最匹配网格 , 通过读取该网格 的 属性信息得到 未 知 位 置 的 信 号 采 集 终 端 的 坐 标 信 息 , 此时定位电子地图的作用就是把终端当前位置 准确及时地显示在我们的电子地图上 , 并且能实现 电子地图的 放 大 、 缩 小 、 移 动 等 操 作 。 下 图 5展 示 了在手持终端的定位及对地图的操作 。3. 3终端导航应用终端载入本地缓存数据后 , 可以直接进入导航 功能 界 面 进 行 导 航 。 因 为 北 京 邮 电 大 学 教 四 楼 所 有导航路径信息已经规划在电子地图上 , 当加入缓

24、 存地图后 , 可以在终端直接调用所需路径信息 。 图 3 北京邮电大学教四楼四层导航电子地图图 4 移动终端采集电子地图 图 5移动终端定位电子地图62第 26卷第 1期 盛 庆等 :基于 GIS 室内定位和导航的电子地图设计与应用起始位置是终端定位的坐标 , 目的地位置是某 个房间区域号 。 导航时 , 只需输入目的地的区域号 便可以导 航 , 程 序 会 找 到 这 两 个 点 的 所 有 相 关 线 段 , 逐 一 排 查 , 找 到 距 离 最 短 的 一 条 线 段 , 然 后 输 出 , 并 且 能 实 现 电 子 地 图 的 放 大 、 缩 小 、 移 动 等 操 作 。 下图

25、 6展 示 了 一 幅 具 有 导 航 路 径 信 息 的 电 子 地图。 图 6移动终端导航电子地图4结束语本文根据大型场馆的室内定位导航的需求 , 引入了室内 GIS 矢 量 电 子 地 图 模 型 的 概 念 和 设 计 方 法 。 室内 GIS 矢量电子地图的开发充分利用了 GIS 软件 , 结合地理数据库 、 网络数据集等技术 , 实现了 在北京邮电大学教四楼的定位导航功能 , 该定位导 航电子地图在北京邮电大学教四楼的成功应用 , 对 同类室内定位 和 导 航 电 子 地 图 的 设 计 与 实 现 具 有 一定的参考价值 。该电子地图 虽 然 在 定 位 导 航 上 取 得 了

26、较 好 的 显示效果 , 形成了一定范围内的实际可操作性和实 用性 , 但也 存 在 一些不足 , 例如整个电子地图 制 作 都是用线框图画出来的 , 虽然也能够清楚展示北京 邮电大学教四楼的结构设计图 , 但没有侧重视觉效 果的体现 , 不太人性化 , 也不太美观 , 这是该电子地 图在以后需要改进的地方 。参考文献 1周立 深度探讨电子地图内涵及研究现状 J 科技创新导报 , 2008(15 :34342李德仁 , 刘强 , 朱庆 数码城市 GIS 中建筑物室外与室内三维一体化表示与漫游 J 武汉大学学报 ,2003, 28(3 :2532583Raubal M , Worboys MA Forma