危雙豐,胡 博,張曉鈺,顧秋辰,趙天宇

(1. 北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616; 2. 現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102616; 3. 建筑遺產(chǎn)精細(xì)重構(gòu)與健康監(jiān)測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102616)

隨著信息化時(shí)代的迅猛發(fā)展，城市中高層建筑的室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,城市路網(wǎng)分布更加密集，人們經(jīng)常穿梭于室內(nèi)外三維空間中，這對(duì)于移動(dòng)導(dǎo)航定位服務(wù)的精準(zhǔn)性提出了更高的要求。然而當(dāng)前室外導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)較為成熟，室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)則相對(duì)滯后，表現(xiàn)為傳統(tǒng)的室內(nèi)導(dǎo)航大多采用二維平面圖進(jìn)行路徑規(guī)劃[1]，但在現(xiàn)實(shí)生活中，室內(nèi)導(dǎo)航空間呈現(xiàn)三維立體特性并存在諸多障礙物[2]，很顯然二維導(dǎo)航已經(jīng)不能滿足不同的運(yùn)動(dòng)主體如人、無人機(jī)和機(jī)器人等的實(shí)際定位需求[3]。因此，需要快速有效地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化三維導(dǎo)航路徑規(guī)劃以解決上述問題。本文基于北京建筑大學(xué)遙感影像圖、各建筑屬性數(shù)據(jù)及學(xué)院樓建筑平面圖，利用不同的三維建模軟件完成數(shù)字校園的室內(nèi)外精細(xì)建模，然后通過房屋的中心點(diǎn)、邊角點(diǎn)及道路的拐點(diǎn)等提取室內(nèi)外導(dǎo)航路徑網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化三維導(dǎo)航路徑規(guī)劃，所規(guī)劃出的路徑為智能機(jī)器人或無人機(jī)的室內(nèi)外一體化智能導(dǎo)航提供了技術(shù)支持。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

隨著移動(dòng)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(duì)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)主要面向室外車行導(dǎo)航建立，室內(nèi)外一體化的人工智能導(dǎo)航研究還處在起步階段，包括地圖制作與表達(dá)在內(nèi)的各方面技術(shù)亟待完善[4]?，F(xiàn)有的室內(nèi)導(dǎo)航路徑提取與規(guī)劃多數(shù)以建筑二維平面圖為數(shù)據(jù)源，生成室內(nèi)空間幾何數(shù)據(jù)及其拓?fù)湫畔5]。雖然室內(nèi)地理要素的表達(dá)與可視化、導(dǎo)航與路徑分析等關(guān)鍵技術(shù)的研究為位置查找和路徑導(dǎo)航需求提供了圖形化的解決方案[6]，但是目前室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)路徑查找與規(guī)劃的方法研究只是對(duì)二維空間信息圖進(jìn)行了相應(yīng)的處理，并沒有應(yīng)用到三維空間中，人們?cè)谥懈邔咏ㄖ镏羞M(jìn)行路徑導(dǎo)航時(shí)效率較低[7-8]。另外，室內(nèi)與室外的導(dǎo)航路徑提取與規(guī)劃也沒有真正結(jié)合并應(yīng)用于各種智能化設(shè)備中。因此,如何快速有效地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化三維導(dǎo)航路徑規(guī)劃己經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。但相對(duì)于傳統(tǒng)交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取的便利,其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、三維路徑模型、構(gòu)建方法還沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[9]。

2 原理與方法

2.1 基于CGA規(guī)則建模

CityEngine建模的基本原理，從本質(zhì)上來說是通過定義和編寫一種形狀語法驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)完成建筑建模[10]。CGA文件中包含了一系列決定模型如何生成的規(guī)則，該規(guī)則中定義的幾何和紋理特征決定了模型如何生成，而表達(dá)幾何特征中最重要的是CGA形狀語法[11]。CGA形狀語法是一門適合于建筑設(shè)計(jì)的編程語言，可以生成高視覺質(zhì)量及幾何細(xì)節(jié)的建筑物模型，它被歸納為6個(gè)主要組成部分:形狀(shape)、屬性(attributes)、范圍(scope)、樞軸點(diǎn)(pivot)，其中，形狀由標(biāo)識(shí)符號(hào)(symbol)、幾何體(geometry)和參數(shù)(parameters)組成[12]。CGA形狀語法規(guī)則可以通過修改和替換形狀，使得建筑物擁有更多的細(xì)節(jié)表現(xiàn)，模型生成通常從建筑物底面形狀開始，隨著規(guī)則的依次應(yīng)用，形狀被逐步細(xì)化。綜上所述，CGA形狀語法是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)表示形狀、形狀分割及重復(fù)操作、組件的分割操作，以此來捕捉建筑物的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)[13]。

2.2 室內(nèi)導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的建立

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)如CityGML、KML和IFC只提供了三維幾何和語義化的建筑描述，但缺乏室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用程序所需的重要特征，而IndoorGML支持基于位置服務(wù)的室內(nèi)導(dǎo)航，涵蓋了在室內(nèi)空間導(dǎo)航中的幾何和語義特征。室內(nèi)空間被定義為由入口、走廊、房間、門和樓梯的建筑構(gòu)件組成的一個(gè)或多個(gè)建筑物內(nèi)的空間。IndoorGML關(guān)注空間之間的關(guān)系，而與描述空間無關(guān)的組件，則不在IndoorGML描述的范圍內(nèi)[3](如圖2所示)。

圖1 CGA規(guī)則結(jié)構(gòu)

圖2 IndoorGML的幾何表示法

表達(dá)空間對(duì)象關(guān)系最重要的就是節(jié)點(diǎn)關(guān)系(node-relation)圖，NR圖(V，E)其中V是表示室內(nèi)空間中的小區(qū)域的一組節(jié)點(diǎn)，E是指示2個(gè)小區(qū)之間的拓?fù)潢P(guān)系的邊集，它可以是連通性或鄰接性的。筆者利用NR原理通過抽象簡(jiǎn)化的方式表示出室內(nèi)三維空間環(huán)境中的拓?fù)潢P(guān)系，如建筑物內(nèi)的房間(如圖3所示)，從而能夠有效地解決室內(nèi)導(dǎo)航和路徑選擇系統(tǒng)中的復(fù)雜問題[3]。

圖3 抽象化的室內(nèi)導(dǎo)航空間

2.3 最短路徑分析和地理模型構(gòu)建

Dijkstra算法是一種在地圖節(jié)點(diǎn)內(nèi)找到最短路徑的算法，最典型的是道路網(wǎng)絡(luò)。該算法存在許多變種，Dijkstra的原始變種發(fā)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，但更常見的變種將單一節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)，找到從源節(jié)點(diǎn)到圖中所有其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑，生成最短路徑[14]。本文基于此算法，采用最近設(shè)施點(diǎn)求解法實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)和終點(diǎn)間的三維最短路徑規(guī)劃，原理為運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，測(cè)量事件點(diǎn)和設(shè)施點(diǎn)間的行程成本，然后確定事件點(diǎn)和設(shè)施點(diǎn)之間的最短路徑,同時(shí)采用ArcGIS模型構(gòu)建器工具(model builder)進(jìn)行建模。

3 室內(nèi)外一體化三維導(dǎo)航路徑規(guī)劃

本文的整體技術(shù)流程如下：首先分別對(duì)校園室內(nèi)外場(chǎng)景建模，室內(nèi)運(yùn)用SketchUp進(jìn)行精細(xì)化建模，室外利用CityEngine軟件進(jìn)行建模；然后根據(jù)SketchUp所建模型提取室內(nèi)三維導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)矢量化后的路徑建立室外導(dǎo)航路徑網(wǎng)絡(luò)；最后將室內(nèi)與室外導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化整合，形成完整的三維導(dǎo)航路徑，并根據(jù)需求進(jìn)行路徑規(guī)劃。

3.1 數(shù)字校園室內(nèi)外三維建模

在室內(nèi)外三維建模過程中，對(duì)北京建筑大學(xué)進(jìn)行室內(nèi)和室外的分步三維建模，為后續(xù)三維導(dǎo)航路徑提取與規(guī)劃提供規(guī)則基礎(chǔ)。利用CityEngine進(jìn)行室外批量建模，通過編寫CGA規(guī)則以對(duì)建筑群進(jìn)行快速批量構(gòu)建。而在室內(nèi)精細(xì)化建模中，利用CAD施工圖紙建立精細(xì)化三維模型。最后將三維模型導(dǎo)入到已創(chuàng)建的CityEngine工程中，完成三維模型的整合(如圖4所示)。

圖4 校園室內(nèi)外三維建模流程

3.1.1 校園室外批量三維建模

在室外建模的過程中筆者采用CityEngine軟件，其具有可視化的參數(shù)接口設(shè)置，并提供可視化、交互的對(duì)象屬性參數(shù)，可通過修改面板來調(diào)整規(guī)則參數(shù)值。這種參數(shù)的調(diào)整是不會(huì)修改規(guī)則本身，因此可視化、智能化的參數(shù)調(diào)整是CityEngine精細(xì)建模區(qū)別于傳統(tǒng)三維軟件建模方式的優(yōu)點(diǎn)[11]。在對(duì)室外空間進(jìn)行三維建模的過程中，根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)在CityEngine中創(chuàng)建項(xiàng)目和場(chǎng)景，而后根據(jù)各建筑基本屬性數(shù)據(jù)，通過編寫CGA規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑群進(jìn)行快速批量化構(gòu)建，最后利用校園建筑影像對(duì)生成的模型進(jìn)行紋理貼圖，并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，最終形成完整的三維場(chǎng)景，并可以通過創(chuàng)建WebScene場(chǎng)景在瀏覽器端訪問(如圖5所示)。

圖5 校園室外三維模型

3.1.2 校園室內(nèi)精細(xì)化三維建模

SketchUp建模軟件靈活有效的繪圖捕捉功能和數(shù)據(jù)輸入功能提高了建模效率，因此可采用該軟件對(duì)室內(nèi)進(jìn)行精細(xì)建模[15]。首先構(gòu)建時(shí)需將建筑物CAD施工設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入到SketchUp軟件中；然后利用矩形工具勾勒墻體邊緣，并將矩形墻體模型拖拉，從而構(gòu)成墻體部分；最終建模完成后，利用建模軟件中的紋理貼圖工具，將處理好的建筑物紋理分別對(duì)應(yīng)貼到建筑物上，如圖6所示。

圖6 室內(nèi)三維模型

3.2 導(dǎo)航路徑提取、規(guī)劃與應(yīng)用

3.2.1 導(dǎo)航路徑提取

本文方法是基于按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景進(jìn)行精細(xì)化建模后生成的模型實(shí)現(xiàn)的，具有較高的真實(shí)性和精確性。首先采用SketchUp建模軟件對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行建模，選取建筑模型中可導(dǎo)航區(qū)域如房間、門的三維幾何中心點(diǎn)，走廊、樓梯、電梯豎井的幾何中心線，依次相連而成，從而將可以通行的區(qū)域全部表達(dá)出來，最后生成整個(gè)建筑模型的完整三維導(dǎo)航路徑(如圖7所示)。而后對(duì)各樓層和樓內(nèi)部件進(jìn)行語義定義，如房間名稱、樓層層數(shù)、樓梯名稱，方便今后導(dǎo)航路徑規(guī)劃時(shí)的識(shí)別(如圖8所示)，最后生成包含語義定義的完整的室內(nèi)三維導(dǎo)航路徑網(wǎng)絡(luò)。

圖7 提取出的室內(nèi)導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)

圖8 為各部件定義語義

對(duì)于室外路徑提取，首先將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為底圖添加進(jìn)ArcScene中，并按真實(shí)坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn)；然后建立個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫，在其中對(duì)室外可導(dǎo)航區(qū)域如道路進(jìn)行矢量化，同時(shí)依次在屬性表中記錄道路的名稱、類型、等級(jí)寬度等必要屬性信息；最后將SketchUp中生成的室內(nèi)導(dǎo)航路徑網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成DXF格式，并在ArcScene中利用ArcToolbox中的工具進(jìn)行導(dǎo)入。通過配準(zhǔn)調(diào)整投影坐標(biāo)系及對(duì)應(yīng)的比例，從而生成完整的室內(nèi)外一體化三維導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示。

3.2.2 導(dǎo)航路徑規(guī)劃

本文利用ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析中的最近設(shè)施點(diǎn)分析工具進(jìn)行最短路徑分析，并基于ModelBuilder工具進(jìn)行地理建模，通過該模型實(shí)現(xiàn)批量化的分析處理(如圖10所示)；同時(shí)在ArcScene的三維場(chǎng)景中對(duì)生成的路徑進(jìn)行渲染。再分別選取室外某一目標(biāo)地點(diǎn)和精細(xì)化室內(nèi)建筑模型中的一間房屋作為兩個(gè)研究對(duì)象，采用最近設(shè)施點(diǎn)工具，確定與事件點(diǎn)距離最近的設(shè)施點(diǎn)，從而計(jì)算出發(fā)地到目的地的最短路徑(如圖11所示)。

圖9 室內(nèi)外一體化導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)

圖10 可批量化分析處理的模型

圖11 規(guī)劃最短路徑

3.2.3 應(yīng) 用

三維空間網(wǎng)絡(luò)分析是地理信息系統(tǒng)空間分析功能中的重要組成部分，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如交通運(yùn)輸系統(tǒng)、緊急救援路線規(guī)劃等。例如在火災(zāi)發(fā)生的情況下,煙霧濃度、火勢(shì)大小、溫度高低、走廊樓道是否封閉等因素都可以影響導(dǎo)航路徑中不同道路所占的權(quán)值大小。圖12所示為正常狀態(tài)下由建筑大門到室內(nèi)的路徑。假如當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)電梯不可用，通過將電梯設(shè)置為導(dǎo)航路徑上的障礙，在進(jìn)行最優(yōu)路徑分析時(shí)將會(huì)繞開這些障礙并查找替代路線(如圖13所示)，從而生成經(jīng)過樓梯的最短逃生路徑(如圖14所示)。

圖12 正常狀態(tài)下的最短路徑

圖13 電梯停用狀態(tài)下的最短路徑分析

圖14 顧及障礙的最佳路徑

4 結(jié) 語

本文主要研究了室內(nèi)外三維場(chǎng)景的建立和一體化導(dǎo)航路徑的規(guī)劃與應(yīng)用。在三維建模過程中充分利用CityEngine軟件快速構(gòu)建大范圍相似建筑物的優(yōu)勢(shì)和SketchUp軟件精細(xì)建模的特點(diǎn)，兩者結(jié)合運(yùn)用使得三維模型的建立更加高效和精美，利用精細(xì)化模型進(jìn)行路徑提取也使得導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)更加精確。最后通過地理模型的建立，實(shí)現(xiàn)了快速批量化的室內(nèi)外一體化三維導(dǎo)航路徑規(guī)劃。本文對(duì)所研究方法進(jìn)行了初步的探索和實(shí)踐，但仍存在諸多有待進(jìn)一步完善的地方， 如在路徑提取過程中自動(dòng)化程度較低，在進(jìn)行大批量的路徑提取時(shí)效率較低，因此對(duì)于導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化提取還有待進(jìn)一步研究。

致謝:本文是基于Esri杯中國(guó)大學(xué)生GIS軟件開發(fā)競(jìng)賽三維應(yīng)用組獲獎(jiǎng)作品總結(jié)創(chuàng)作而成，感謝Esri開發(fā)競(jìng)賽組委會(huì)及評(píng)委對(duì)本項(xiàng)目的支持和肯定。