室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展與應用研究

引言 隨著人類社會的進步，人們越來越關(guān)注自身的精確位置信息，以及興趣點的定位與導航。GNSS提供了有效的室外定位手段，成為很多人的必備工具。但是衛(wèi)星導航也有它的不足：在高樓林立的城市區(qū)域以及大型場館的室內(nèi)環(huán)境，衛(wèi)星定位的精度會大幅降低，甚至無法定位。隨著人們對精準性和速度的要求越來越高，對室內(nèi)定位的需求也十分迫切，定位與位置服務“最后一公里”問題日益突出，室內(nèi)定位凸顯了其作用與價值。 常規(guī)的室內(nèi)定位技術(shù)手段是：通過在室內(nèi)有效布置基站，用戶憑借手機等工具在基站中產(chǎn)生包括距離和信號強度等指紋特征，再根據(jù)多個基站的指紋交叉確定用戶的位置。目前，已經(jīng)投入應用的基站類型包括Wi—Fi、藍牙、室內(nèi)LED燈、有源RFID、UWB等多種方式。此外，有研究機構(gòu)正積極開展基于多媒體的室內(nèi)定位技術(shù)研究，并獲得初步成果。完善的室內(nèi)定位技術(shù)，將是整合Wi—Fi、藍牙等基站數(shù)據(jù)的解算，配合手機或平板設備的陀螺儀、攝像頭、麥克風等自身硬件姿態(tài)參數(shù)，得出最終用戶位置，通過多種途徑，實現(xiàn)室內(nèi)條件下的精準定位。 　　1 室內(nèi)定位及應用關(guān)鍵技術(shù)　　1.1 主要室內(nèi)定位方法 目前，室內(nèi)定位技術(shù)百花齊放，除主流的Wi—Fi、藍牙定位技術(shù)，還有紅外線定位技術(shù)、超聲波室內(nèi)定位技術(shù)、射頻識別(RFID)室內(nèi)定位技術(shù)、ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)、超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)。另外，基于計算機視覺、圖像、磁場以及信標等定位方式也已處于開發(fā)研究試驗階段，常規(guī)定義下的室內(nèi)環(huán)境實時定位系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖1所示。

 圖1 常規(guī)定義下的室內(nèi)環(huán)境實時定位系統(tǒng)架構(gòu)圖 從精確度、穿透性、抗干擾性、布局復雜程度、投入成本5個方面，對可wi—Fi、藍牙、傳感器3種主流室內(nèi)定位技術(shù)進行對比(見表1)。

 表1 3種主流室內(nèi)定位技術(shù)對比表 　　1.1.1 Wi—Fi室內(nèi)定位技術(shù) 基于Wi—Fi的室內(nèi)定位技術(shù)，是通過Wi—Fi路由器與智能終端設備進行Wi—Fi信號互相感知，依據(jù)Wi—Fi信號場強確定終端所在位置。按定位方式可分為兩種：網(wǎng)絡室內(nèi)定位與終端室內(nèi)定位。網(wǎng)絡室內(nèi)定位與終端室內(nèi)定位技術(shù)對比見表2。

 表2網(wǎng)絡室內(nèi)定位與終端室內(nèi)定位技術(shù)對比表 wi—Fi定位可在廣泛的應用領域?qū)崿F(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務，總體精度較高。wi—Fi路由器和移動終端的普及，使得定位系統(tǒng)可與其他客戶共享網(wǎng)絡，硬件成本較低，且wi—Fi的定位系統(tǒng)可以降低射頻(RF)干擾的可能性。 　　1.1.2藍牙室內(nèi)定位技術(shù) 藍牙室內(nèi)技術(shù)是利用在室內(nèi)安裝的若干藍牙局域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡維持成基于多用戶的基礎網(wǎng)絡鏈接模式，并保證藍牙局域網(wǎng)接人點始終是這個微網(wǎng)(piconet)的主設備，然后，通過測量信號強度對新加入的盲節(jié)點進行三角定位。該技術(shù)最大的優(yōu)點是設備體積小、距離短、功耗低，容易集成在手機等移動設備中。只要設備開啟藍牙功能，就能夠?qū)ζ溥M行定位。藍牙傳輸不受視距的影響，但對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。 　　1.1.3傳感器室內(nèi)定位技術(shù) 基于計算機視覺、圖像、磁場以及信標等定位方式也在室內(nèi)定位中發(fā)揮了不可估量的作用，但目前處于開發(fā)試驗階段，技術(shù)有待完善。其中，可見光通信定位技術(shù)已有初步技術(shù)成果。該技術(shù)將需要傳輸?shù)男畔⒕幾g成一段調(diào)制信號，用脈寬調(diào)制的方法附加到LED燈具的驅(qū)動電流上，利用室內(nèi)無處不在的光源作為發(fā)射載體，當用戶進入燈具照明區(qū)域，以不增加任何硬件的智能手機接收并識別光信號，解析出燈具發(fā)送的唯一身份識別信息。利用所獲取的身份識別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對應位置信息，完成定位。 　　1.2室內(nèi)定位地圖數(shù)據(jù)制作 基于室內(nèi)定位的應用對網(wǎng)絡端和移動平臺均有地圖數(shù)據(jù)依賴。應用于室內(nèi)定位的地圖目前包括二維地圖、三維地圖和室內(nèi)全景3種形式，其制作方式均與常規(guī)室外地圖有所不同。此外，針對室內(nèi)應用的導航地圖數(shù)據(jù)制作也具有一定特殊性。 　　1、二維地圖 二維地圖由于其制作相對簡便、成本更低，且運行效率、所占空間受移動設備終端制約較小等特點，目前，仍是室內(nèi)定位地圖主流表現(xiàn)方式。采用室內(nèi)CAD平面數(shù)據(jù)和對應屬性信息作為原始數(shù)據(jù)源，進行GIS化處理并配以地圖符號，配準后生成與室外地圖統(tǒng)一坐標體系的室內(nèi)二維地圖數(shù)據(jù)，并進行在線發(fā)布或離線數(shù)據(jù)。地圖需滿足Web端與移動端一體化調(diào)用條件，以符合節(jié)約地圖制作成本和系統(tǒng)開發(fā)成本原則。 　　2、三維地圖 目前，室內(nèi)地圖中三維地圖主要來自人工簡易建模和激光掃描建模兩種途徑。人工簡易建模以建筑平面CAD數(shù)據(jù)為基礎，成本低，效率高，但無法接近實際效果;三維激光掃描建模通過三維激光掃描儀及智能3D傳感器快速捕捉室內(nèi)物體和室內(nèi)環(huán)境的三維信息，生成高精度、高密度的三維模型，真實展現(xiàn)現(xiàn)實世界的物理信息，但該方式成本高，數(shù)據(jù)量大的同時帶來巨大的處理工作量，考慮到三維模型在手機APP效果中存在室內(nèi)地圖樓層間跳躍、卡頓等顯示問題，目前尚無較好的解決方案。 　　3、室內(nèi)全景引擎 室內(nèi)全景數(shù)據(jù)是專門針對室內(nèi)地圖展示的一種新型地圖樣式，以3600無縫廣角展現(xiàn)室內(nèi)全景，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景的自由化切換，給用戶比較真實的場景體驗。該數(shù)據(jù)主要由百度、騰訊等大型公司制作完成，通過SDK方式接入，實現(xiàn)增強現(xiàn)實技術(shù)在室內(nèi)地圖領域的應用。 　　4、導航數(shù)據(jù) 由于室內(nèi)位置的特殊性，其導航數(shù)據(jù)的制作無法采用類似室外導航路網(wǎng)形式實現(xiàn)，而是需要構(gòu)建室內(nèi)導航數(shù)據(jù)模型，以滿足室內(nèi)導航和位置服務的需要，支持路徑規(guī)劃、地圖顯示、路線引導及興趣點查詢等功能。 　　1.3室內(nèi)路線規(guī)劃與導航 室內(nèi)路線規(guī)劃與導航在室內(nèi)地圖應用中意義重大。實時導航主要通過利用手機內(nèi)置多種傳感器如陀螺儀等，通過慣性導航算法可以檢測出用戶的運動狀態(tài)，如用戶是否靜止、行車、行走，用戶的朝向等，對用戶不同的運動狀態(tài)有針對性地處理定位結(jié)果，通過Wi—Fi網(wǎng)絡環(huán)境傳遞給服務器，通過具體算法完成路徑實時導航及路線糾正，作為基于室內(nèi)地圖的路徑規(guī)劃進一步補充，提升用戶實時體驗。 　　1.4室內(nèi)定位應用開發(fā) 考慮到目前室內(nèi)定位技術(shù)與室內(nèi)地圖制作尚無通用標準，因此，有眾多室內(nèi)定位應用者采用自主研發(fā)形式，開展室內(nèi)地圖的制作與應用展示。該方式針對個體需求，功能靈活，從數(shù)據(jù)生產(chǎn)、路徑規(guī)劃到實時導航要求自行研究開發(fā)算法，對第三方依賴性少，數(shù)據(jù)可達到安全獨享，但研發(fā)難度大，涉及大量算法研究，開發(fā)周期長，人員精力投入多。 此外，地理信息行業(yè)公司也逐步意識到室內(nèi)定位應用的重要性，紛紛開展室內(nèi)外定位技術(shù)研究和試驗，目前，常規(guī)GIS公司以及部分有代表性的室內(nèi)定位應用新興公司，均提供室內(nèi)地圖接口及較為完整的功能。采用其提供的開發(fā)平臺，可實現(xiàn)室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)制作與接入、路徑規(guī)劃和實時導航等功能需求。該方式從數(shù)據(jù)生產(chǎn)到開發(fā)都較易實現(xiàn)，開發(fā)周期更短，通用性更強，技術(shù)支持便捷，但由于接口能力的不確定性及數(shù)據(jù)制作的排他性，借助第三方開發(fā)成果在性能、穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)安全與獨享方面，易受其制約。主要室內(nèi)定位技術(shù)研究公司應用開發(fā)情況對比見.表3。 表3主要室內(nèi)定位技術(shù)研究公司應用開發(fā)情況對比表 　　2 室內(nèi)定位應用前景　　2.1 主流應用場景 室內(nèi)定位的主流應用場景主要分為兩類：針對消費級的服務和針對專業(yè)領域的服務。前者主要包括商場導購、停車場尋車、家人防走散、LBS交友、展廳自助導游等;后者則包括人流監(jiān)控和分析、智慧倉儲和物流、人員資產(chǎn)管理、緊急救援和應急應需等。隨著技術(shù)日臻完善，室內(nèi)定位技術(shù)將在日常消費、展館導航等生活領域、智能景區(qū)及智慧社區(qū)等行業(yè)應用領域，以及地鐵等地下廊道公共安全領域發(fā)揮重要作用。 　　2.2創(chuàng)新應用方向 通過室內(nèi)定位技術(shù)示范區(qū)逐步構(gòu)建與技術(shù)不斷拓展，室內(nèi)定位結(jié)合數(shù)據(jù)倉儲與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將進一步實現(xiàn)基于位置數(shù)據(jù)方向的規(guī)劃分析能力，構(gòu)建更深層面的智慧位置平臺。 　　1)基于北斗的室內(nèi)外定位一體化無縫轉(zhuǎn)換 通過室內(nèi)外定位一體化無縫轉(zhuǎn)換過渡技術(shù)，建立基于北斗的室內(nèi)外無縫定位及位置服務平臺，充分實現(xiàn)不同場所下的定位方式切換，提升平臺定位精度的同時，擴展定位廣度，從而達到位置服務應用在高精度定位、持續(xù)無縫定位上的雙向拓展。 　　2)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、更新技術(shù) 目前，室內(nèi)定位應用已實現(xiàn)二三維地圖數(shù)據(jù)、全景數(shù)據(jù)、導航數(shù)據(jù)的地圖接入，傾斜攝影數(shù)據(jù)相關(guān)應用也在研究當中。隨著數(shù)據(jù)內(nèi)容的豐富，利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與更新，以實現(xiàn)室內(nèi)地圖的坐標體系相互轉(zhuǎn)換、室內(nèi)定位數(shù)據(jù)與室外數(shù)據(jù)的結(jié)合與表達一致性、不同數(shù)據(jù)間的無縫切換將成為下一步研究熱點。 　　3)室內(nèi)數(shù)據(jù)倉儲與挖掘 室內(nèi)定位系統(tǒng)的構(gòu)建不僅僅是為了定位，將位置信息與多種數(shù)據(jù)相結(jié)合才能有效挖掘室內(nèi)定位技術(shù)的巨大價值，通過更高精度、更大量級的大數(shù)據(jù)分析，將用戶的位置與行為及行為背后的興趣偏好緊密聯(lián)系，為多種位置趨勢分析提供科學依據(jù)，將成為室內(nèi)定位最終的目標驅(qū)動。因此，對室內(nèi)定位數(shù)據(jù)的挖掘與分析具有極大的商業(yè)價值和應用前景。 　　3 結(jié)束語 雖然作為LBS“最后一米”的室內(nèi)定位備受關(guān)注，但技術(shù)的不夠成熟依然是不爭的事實，室內(nèi)定位系統(tǒng)依然沒有形成一個有力的組織來制定統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。通用的地圖標準、數(shù)據(jù)格式及生產(chǎn)工具，現(xiàn)行的技術(shù)手段都是在各個企業(yè)各自定義的私有協(xié)議和方案下發(fā)展，各室內(nèi)定位廠商均本著通過數(shù)據(jù)生產(chǎn)占領主動權(quán)的態(tài)度，或通過眾包模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)搜集共享，或通過數(shù)據(jù)生產(chǎn)合作伙伴形式快速建立室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)。隨著市場的規(guī)范化、規(guī)?；?，各種室內(nèi)定位產(chǎn)品將相映生輝，促進室內(nèi)定位技術(shù)與應用的高速發(fā)展，在不斷的應用探索中，共同推進室內(nèi)定位技術(shù)相關(guān)標準的統(tǒng)一。