王行風(fēng)

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著城市空間的立體化發(fā)展，城市室內(nèi)空間應(yīng)用的總規(guī)模大幅增加，室內(nèi)環(huán)境也越來越復(fù)雜，基于大型場館的室內(nèi)定位和導(dǎo)航的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注［1-2］，室內(nèi)定位、室內(nèi)地圖和導(dǎo)航研究已成為當(dāng)前LBS 研究的新的熱點和重點領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的導(dǎo)航應(yīng)用主要集中于室外區(qū)域，技術(shù)上則主要利用二維矢量地圖或二維影像來實現(xiàn)，雖然部分產(chǎn)品初步實現(xiàn)了添加興趣點三維模型的功能，但基礎(chǔ)底圖依然是采用二維矢量地圖進(jìn)行展示［3-5］。在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，尤其是在多層大型建筑物內(nèi)部，這種基于二維矢量/柵格的導(dǎo)航地圖往往因為不夠直觀，而難以為用戶提供快速理解周邊環(huán)境及所處方位的足夠信息［6-8］。因此，基于個人移動終端，輔以增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計和開發(fā)室內(nèi)三維導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的熱點和關(guān)注點。針對這個問題，本文基于個人移動平臺(手機(jī)、平板等)設(shè)計一個面向室內(nèi)的三維導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務(wù)框架(Three Dimensional Indoor Navigation System，3D-INS)，以有效滿足室內(nèi)導(dǎo)航的實際需求，并進(jìn)行了初步實現(xiàn)。

1 三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務(wù)框架

基于增強(qiáng)現(xiàn)實的個人移動平臺三維導(dǎo)航系統(tǒng)，需要解決基于內(nèi)存、計算資源有限的移動終端平臺的三維可視化模型的調(diào)度、建筑物室內(nèi)精細(xì)模型的快速構(gòu)建和高速渲染等技術(shù)。該類系統(tǒng)目前主要有2 種不同的解決方案:

1)胖客戶端技術(shù)。該方案主要考慮目前的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度尚無法滿足用戶實時下載、觀看及漫游的需求等問題，而將三維模型數(shù)據(jù)的存儲、管理、計算、分析以及渲染都集中在個人移動終端上，具有高實時性的特點，相關(guān)的定位信息等少量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。很顯然，該類型系統(tǒng)比較適合于輕量級3D 模型數(shù)據(jù)。以中國測繪科學(xué)研究院和芬蘭大地測量研究所研究的三維導(dǎo)航引擎為典型［9］。

2)瘦客戶端技術(shù)?？紤]實際應(yīng)用中用戶對模型高逼真度的要求所帶來的海量數(shù)據(jù)，個人移動平臺難以滿足存儲、處理和實時渲染需求的實際情況。對系統(tǒng)功能進(jìn)行合理的分解，客戶端負(fù)責(zé)三維場景的渲染和顯示，服務(wù)端可以針對用戶的實際查詢請求，提供三維模型數(shù)據(jù)的下載、渲染、計算和處理等，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭苿佣诉M(jìn)行結(jié)果的顯示。該類系統(tǒng)以德國Postdam 大學(xué)為典型［5-6］;隨著移動平臺圖形計算能力的提升和3G 技術(shù)的普及，這種方式將成為未來發(fā)展的趨勢。

本文基于個人移動端三維渲染的需求以及室內(nèi)導(dǎo)航的需求，初步構(gòu)建了一個支持室內(nèi)外一體化的三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務(wù)模型框架，見圖1。該框架可根據(jù)需要將客戶端渲染引擎部分和服務(wù)端分開或者置于同一平臺上，以滿足用戶的需求。該框架主要分為服務(wù)端、客戶端和應(yīng)用端3 個部分，各主要功能如下:

圖1 三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務(wù)框架

1)服務(wù)端。3D-INS 服務(wù)端是指為移動端提供各種地理服務(wù)功能的總稱。功能主要包括數(shù)據(jù)存取、目錄檢索、模型管理處理以及三維空間分析等內(nèi)容。數(shù)據(jù)存取服務(wù)是指服務(wù)端響應(yīng)客戶端的操作請求，按照客戶的查詢要求，以三維模型、空間圖形要素或數(shù)據(jù)記錄為單位，利用數(shù)據(jù)庫管理引擎，完成三維模型數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及位置等數(shù)據(jù)的存取，數(shù)據(jù)存取服務(wù)要能支持多用戶請求，并保持模型數(shù)據(jù)的完整性和一致性;目錄檢索服務(wù)是指服務(wù)端集中管理本地的模型數(shù)據(jù)目錄，提供給客戶檢索和判斷所需的地理數(shù)據(jù);模型管理處理指服務(wù)端按照用戶場景渲染的要求，取出滿足條件的模型信息，并進(jìn)行一定的處理，重構(gòu)組織成合適的格式(如GML、WRL)，或圖像格式(JEPG)，然后送給客戶渲染引擎端。三維空間分析是重點關(guān)注三維空間模型對象間的之間拓?fù)潢P(guān)系的分析和描述。

2)客戶端。3D-INS 客戶端主要負(fù)責(zé)在個人移動端三維模型的下載和渲染的渲染引擎應(yīng)用程序?？蛻舳送ㄟ^安裝通過3D 渲染引擎，提出查詢(渲染)的請求，下載3D 模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)個人移動端的三維模型渲染與展示。功能主要包括渲染引擎、場景管理等內(nèi)容。渲染引擎主要負(fù)責(zé)模型管理、模型渲染優(yōu)先級管理、緩存管理、模型隊列管理以及三維地圖匹配等功能。LOD 場景管理主要是根據(jù)視點距離場景的遠(yuǎn)近進(jìn)行場景構(gòu)建、場景組織和場景查詢等功能。

3)應(yīng)用端。3D 導(dǎo)航應(yīng)用在語音導(dǎo)航提示、POI檢索、軌跡記錄、路徑記錄和空間查詢等方面都得到了一定的應(yīng)用，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。具體來說，包括個人級和行業(yè)級應(yīng)用，個人應(yīng)用可以實現(xiàn)自位置查詢、他位置查詢、周邊地點查詢、公交查詢以及查詢某個地點的相關(guān)信息如交通狀況、天氣狀況等，從而達(dá)到隨時隨地獲取任何信息。行業(yè)級應(yīng)用則可以包括室內(nèi)導(dǎo)航與監(jiān)控調(diào)度、物流跟蹤、人員跟蹤、智能交通等方面。

2 系統(tǒng)運(yùn)行實例

為測試本文所提出框架方法的實用性，以中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)和環(huán)境測繪學(xué)院行政樓(見圖2)為例進(jìn)行測試。選用的測試個人平臺終端為三星GALAXY Note10.1，處理器為Exynos 5420，屏幕為10.1英寸，分辨率為2560 ×1600，操作系統(tǒng)為Android 4.2。本案例利用Eclipse Android Java 實現(xiàn)了Android 平臺下室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用程序，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖3 所示。

圖2 研究對象與三維模型

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行界面

該系統(tǒng)能夠輕松實現(xiàn)3D 模型數(shù)據(jù)信息的顯示，同時提供了基本的三維操作的基本功能，包括模型的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和全景等功能。另外還初步實現(xiàn)了基本的導(dǎo)航功能，用戶可以在輸入界面上輸入查找目的地的名字，通過查詢可以獲得較為詳細(xì)的導(dǎo)航信息，指導(dǎo)內(nèi)容可以包括文本、圖片和音頻等，從而使用戶可以很容易理解所處的位置和方向。

圖4 學(xué)院行政樓4 樓

圖4 顯示了學(xué)院行政樓4 樓的室內(nèi)規(guī)劃，并給出了電梯和樓梯的出口。在指定目標(biāo)點和位置以后，就可以利用最短路徑算法，如Dijkstra 算法通過計算，能夠很容易計算行走的路徑，并在此基礎(chǔ)上計算不同路線的距離和需要的時間。

3 結(jié)束語

本文面向個人移動終端，初步構(gòu)建了三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)框架，并通過實例驗證了該框架的應(yīng)用性、可行性和有效性。與已有系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)基于個人移動終端，利用3D 建模技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)定位數(shù)據(jù)和3D 模型的共享與分發(fā)服務(wù)，將人們所處的位置和周邊環(huán)境以三維場景的方式真實地展現(xiàn)，為人們正確、快速地分辨展覽場館、隧道、地鐵交叉口、大型建筑物等復(fù)雜場景的交錯關(guān)系提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，從而大大提高室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的路徑引導(dǎo)效率。

3D-INS 系統(tǒng)在技術(shù)或者其它方面還存在一些問題，尚需在空間數(shù)據(jù)的輕量化建模、顧及拓?fù)潢P(guān)系的空間模型、地圖匹配以及空間索引方面作進(jìn)一步的改善，以滿足城市室內(nèi)空間的潛在的可能應(yīng)用，為人們提供準(zhǔn)確、高效的室內(nèi)導(dǎo)航響應(yīng)服務(wù)。

［1］畢小玉，張靖巖，王佳.3D 室內(nèi)搜救系統(tǒng)在消防救援工作中的應(yīng)用初探［C］// 2013 中國消防協(xié)會科學(xué)技術(shù)年會.2013:344-346.

［2］盛慶，鄧中亮，徐連明，等.基于GIS 室內(nèi)定位和導(dǎo)航的電子地圖設(shè)計與應(yīng)用［J］.北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，26(1):23-27.

［3］李亞利.基于ArcGIS 的室內(nèi)地圖服務(wù)系統(tǒng)研究［J］.科技資訊，2012(1):17-19.

［4］劉兆宏，王科，豐江帆，等.矢量室內(nèi)地圖建模與制作方法［J］.數(shù)字通信，2012(4):77-78.

［5］張?zhí)m，王光霞，袁曲，等.室內(nèi)地圖研究初探［J］.測繪與空間地理信息，2013，36(9):43-47.

［6］Nossum A S.Indoor tubes a novel design for indoor maps［J］.Cartography and Geographical Information Science，2011，33(2):192-200.

［7］雷鴻源，陳熾坤，王高.建筑室內(nèi)計算機(jī)建模方法的探討［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2005，26(5):23-28.

［8］張朝.基于Web 的房屋虛擬展示關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.科技傳播，2010(11):258-260.

［9］Liu Zhengjun，Zhang Jixian，Yan Qin，et al.Implementation of a 3D personal navigation visualization engine and its demonstration in Shanghai World Exposition 2010［C］//Proceedings of the 7th International Symposium on LBS and TeleCartography.2010.