CN108759840A - 一种室内外一体化三维导航路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及GIS三维建模与导航应用领域，具体涉及一种室内外一体化三维导航路径规划方法。该方法是基于CityEngine与SketchUp等建模软件构建出的室内外三维模型，分别提取建筑物室内、外模型中可导航区域的三维几何中心点与线，依次相连而成并进行整合，形成完整的室内外一体化三维导航路径网络，再利用ArcGIS中的最近设施点分析工具进行最短路径分析，并通过ModelBuilder工具完成地理建模，通过该模型实现批量化的路径分析处理。该方法所涉及的三维导航路径提取与规划，为机器人或无人机室内外一体化智能导航提供了有益的参考。

Description

一种室内外一体化三维导航路径规划方法

技术领域

本发明涉及地理信息系统(GIS)三维建模与导航应用领域，尤其是涉及一种室内外一体化三维导航路径规划方法，为机器人或无人机的室内外一体化智能导航提供了有益参考与技术支持。

背景技术

随着信息化时代的迅猛发展，城市中高层建筑的室内空间结构愈发复杂，城市路网分布更加密集，人们经常穿梭于室内外三维空间中，这对于移动导航定位服务的精准性提出了更高的要求。然而当前室外导航技术已经较为成熟，室内导航技术则相对滞后，表现为传统的室内导航大多采用二维平面图进行路径规划，但在现实生活中，室内导航空间呈现三维立体特性并存在诸多障碍物，很显然二维导航已经不能满足不同的运动主体如人、无人机和机器人等的实际定位需求。因此，我们需要快速有效地实现室内外一体化三维导航路径规划以解决上述问题。

随着信息化时代和虚拟现实技术的快速发展，利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，具有很广的应用领域，一个园区乃至一个城市，三维立体的效果可以很好的迎合视觉上的愉悦，并结合地理信息系统强大的查询分析功能，为大众提供了一条参观欣赏的新途径，足不出户即可“漫步”各种园区或旅游景点。同时由于城市中高层和复杂建筑越来越多，与之相结合的移动定位导航应用服务在人们日常生活中的作用也愈发重要，因此由二维GIS转向三维虚拟现实的可视化对于表达和提供地理信息服务具有非常重要的意义。因此，我们需要一种能实现室内与室外三维一体化导航路径规划的方法，所规划出的路径可供机器人或无人机使用，实现室内外一体化智能导航。

随着移动互联网技术的迅猛发展和室内定位技术的日趋成熟，人们对于导航应用的需求已经从原有的室外导航拓展为室内外一体化导航。目前导航数据主要是面向室外车行导航建立的，室内外一体化的人工智能导航研究还处在起步阶段，包括地图制作与表达在内的各方面技术亟待完善。现有的室内导航路径提取与规划多数以建筑二维平面图为数据源，生成室内空间几何数据及其拓扑信息。虽然室内地理要素的表达与可视化、导航与路径分析等关键技术的研究为位置查找和路径导航需求提供了图形化的解决方案，但是目前室内导航系统路径查找与规划的方法研究只是对二维空间信息图进行了相应的处理，并没有应用到三维空间中，人们在中高层建筑物中进行路径导航时效率较低。另外，室内与室外的导航路径提取与规划也没有真正结合并应用于各种智能化设备中。因此，如何快速有效的实现室内外一体化三维导航路径规划己经成为研究热点。但相对于传统交通路网数据获取的便利，其基础数据、三维路径模型、构建方法还没有形成统一的行业标准和规范。

传统3D建模软件仅能用于立体视觉表达，并不能满足三维空间分析、属性查询等深层次的应用与研究，不具备快速、批量地生成建筑物模型的特点，且建模周期长。AutoCAD建模软件表达精细、精确，有精确尺寸定义，但数据结构复杂、数据量大，不支持与地形的叠加和属性定义。我们常用动画建模软件对工业零部件或单独的桥梁等建筑物进行建模，而动画建模软件如3D MAX等，其模型表达精细，建模工具丰富，但是数据结构复杂，数据量大，不支持与地形叠加，且不能交互编辑查询，仅限于动画浏览。CityEngine作为比较有特色的三维建模软件之一，基于CGA(Computer Generated Architecture)规则快速批量生成三维模型，并利用GIS二维数据快速创建三维场景，且能在ArcGIS中进行三维空间分析。SketchUp建模速度较快，能够满足大部分基础建模的需求，但对于曲面较多的模型构建时还有一定的难度且其建模周期比较长，不太适合大范围三维场景的构建。且上述已有三维建模的方法中，没有将室外批量建模与室内精细建模很好地融合在一起，因此需要根据不同建模方法的优缺点，结合多种建模方式，形成路径导航与规划所必需的基础数据模型，以满足人们的需求。

现有的标准如CityGML，KML和IFC只提供了三维几何和语义化的建筑描述，但缺乏室内导航应用程序所需的重要特征，因此需要增加室内导航所需的室内空间信息的补充和附加编码功能。在这方面，IndoorGML是为CityGML，KML和IFC补充的标准，支持基于位置服务的室内导航，涵盖了在室内空间导航中的几何和语义特征。由于室内空间在许多方面与室外空间不同，因此，需要重新定义基本概念、数据模型和标准，以满足室内空间应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种室内外一体化三维导航路径规划方法，解决现有导航不能实现室内外三维空间导航的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种室内外一体化三维导航路径规划方法，主要是基于CityEngine与SketchUp等建模软件构建出的室内外三维模型，提取建筑物室内外模型中可导航区域的三维几何中心点与线，依次相连而成，形成完整的室内外一体化三维导航路径网络，然后利用ArcGIS进行最短路径分析，并基于ModelBuilder工具进行地理模型构建，通过该模型实现批量化三维导航路径分析处理。

其具体实现步骤如下：

步骤(1)首先对某一建筑区域进行室内外三维建模。室外部分运用CityEngine三维建模软件，基于CGA规则进行批量化构建；室内部分运用SketchUp软件，基于CAD建筑平面图进行室内精细化建模；

步骤(2)基于室内外三维模型提取导航路径网络，并进行语义定义与属性信息添加；

步骤(3)采用ArcGIS中最短路径分析法对室内外一体化三维导航路径网络进行分析与规划。

步骤(1)具体实现方法如下：

(a)基于CityEngine软件CGA规则的室外三维模型批量构建

首先运用CGA规则中attribute函数对某一建筑物的包括第一层高度、第二层至顶层高度、每一单元格宽度、净高、墙面颜色等特征信息分别进行属性定义和赋值。然后运用extrude函数对建筑投影面进行拉伸，这样建筑物的三维立体形状便呈现出来了；接着运用comp(f)与split函数按照尺寸比例对建筑各面进行必要的分割与定义，如将门，窗户，隔墙等建筑物部件分割出来；最后运用setupProjection与texture函数，对建筑物表面按照比例进行纹理贴图。

(b)基于SketchUp软件的室内精细三维建模

首先将CAD建筑平面图dwg.格式文件导入至SketchUp软件中，显示为二维平面图形；然后识别出墙体部分，利用矩形工具勾勒出来，并利用拖拽工具将墙体推拉成立体形状；接着在CAD中将房屋的独立零部件(如窗户)提取出来，用同样的方法导入至SketchUp中进行单独建模；再将各个独立的零部件三维模型拖拽至相应位置，组合成完整的室内立体三维模型；最后运用填充工具添加室内建筑物的纹理与材质，这样室内精细三维模型就构建完毕了。

步骤(2)具体实现方法如下：

根据SketchUp所建三维模型，选取建筑楼层中房间、门的几何中心点，楼道、楼梯、电梯竖井的几何中心线，依次相连，从而将楼道、走廊、电梯等可通行区域表达出来，此方法可以生成整个楼宇内的完整三维导航路径网络；然后对各楼层和楼内部件如楼梯进行语义定义，如定义房间名称，楼层层数，楼梯名称等，方便后续的识别与导航；接着将SketchUp中生成的导航路径网络转成dxf.格式文件，并在ArcScene中利用Arctoolbox工具进行导入。对于室外导航路径网络的提取，首先需要将卫星影像底图导入到ArcScene中，然后对室外的公路，人行道，林间小路等可导航区域做矢量化处理，并添加必要的属性信息，如道路的名称，类型，等级等等，这样就形成完整的室外导航路径网络。最后通过配准和调整投影坐标系，将室外与室内导航路径网络进行拼接，即可生成室内外一体化三维导航路经网络。

步骤(3)具体实现方法如下：

(a)基于最短路径分析法的室内外一体化三维导航路径规划

首先选取室外某一目标地点与建筑物内的一间房屋作为两个研究对象，创建最近设施点网络分析图层并设置其分析属性，根据所建立的室内外一体化三维导航路径网络，利用ModelBuilder工具添加室外目标地点作为事件点，同时添加室内房屋的某一路径点作为设施点，通过关联关系构建地理模型，即可批量求解出正常状态下的最短路径，以达到室内外一体化三维导航路径规划的目的。

(b)顾及障碍的室内外一体化三维导航路径规划

首先选取室外某一目标地点与建筑物内的一间房屋作为两个研究对象，创建最近设施点网络分析图层并设置其分析属性，根据所建立的室内外一体化三维导航路径网络，利用ModelBuilder工具添加室外目标地点作为事件点，同时添加室内房屋的某一路径点作为设施点，另外需再添加若干点或线作为一个特殊障碍设施点，最后通过关联关系构建地理模型，即可批量求解出紧急状态下的最短路径，以达到顾及障碍的室内外一体化三维导航路径规划的目的。

室内外一体化三维导航路径规划可以根据建筑物的实际环境情况进行计算，以寻找最优的导航路径规划方案。例如在火灾发生的情况下，烟雾浓度、火势大小、高低度、走廊楼道是否封闭等因素均可以影响路径的权值大小，为救援人员提供符合实际情况的最优路径。通过在导航路径上增加障碍设施点，表示真实情况下，道路上无法通行的路障，在进行最佳路径分析时将会绕开这些路径查找替代路线，并生成有障碍情况下新的最短路径，以实现顾及障碍的室内外一体化三维导航路径规划。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能快速有效地实现室内外一体化三维导航路径规划，为机器人或无人机室内外一体化智能导航提供了有益的参考；

2、能生成有障碍情况下新的最短路径，以实现顾及障碍的室内外一体化三维导航路径规划，为救援人员等提供符合实际情况的最优路径。

附图说明

图1为本方法的总体技术流程；

图2为数字校园室内外三维建模流程；

图3为数字校园室内外全景三维模型；

图4为数字校园室内三维导航路径网络提取方法；

图5为数字校园室内三维导航路径网络的语义定义；

图6为数字校园室内三维导航路径网络；

图7为数字校园室内外一体化三维导航路径网络；

图8为基于ModelBuilder工具建立的正常状态下的地理模型；

图9为求解出的室内外一体化三维导航路径规划；

图10为基于ModelBuilder工具建立的顾及障碍的地理模型；

图11为求解出的顾及障碍的室内外一体化三维导航路径规划。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本方法的具体实施方式是以北京建筑大学校园作为研究与分析对象，实现了一种数字校园室内外一体化三维导航路径规划方法。其总体技术流程为：

步骤(1)分别对数字校园室内外场景进行三维建模。室外场景采用批量三维建模方法，室内场景采用精细化三维建模方法(见图1)；

步骤(2)根据所建数字校园三维模型，分别提取室内、外三维导航路径网络，并将其一体化整合(见图1)；

步骤(3)对提取出的数字校园室内外一体化三维导航路径网络进行分析与规划(见图1)。

步骤(1)数字校园室内外三维建模流程如下：利用测绘学院楼CAD建筑平面图，在SketchUp中进行精细室内三维模型构建，将构建好的室内模型转换成obj.格式文件，以为后续三维导航路径规划做铺垫；同时利用现有数据，如校园遥感影像数据，建筑物属性数据，纹理影像数据等，基于CGA规则在CityEngine中进行室外批量化建模，并完成纹理贴图工作；最后将数字校园室内、外三维模型进行整合，并可通过Webscene场景进行浏览(见图2)。

(a)数字校园室外批量三维建模

在数字校园室外三维建模的过程中，采用CityEngine软件完成，其具有可视化的参数接口设置，并提供可视化的、交互的对象属性参数，可通过修改面板来调整规则参数值。这种参数的调整是不会修改规则本身，因此可视化、智能化的参数调整是CityEngine精细建模区别于传统三维软件建模方式的优点。在对室外空间进行三维建模过程中，根据遥感影像数据在CityEngine中创建项目和场景，而后根据各建筑基本属性数据，通过编写CGA规则实现对建筑群的快速批量化构建，最后利用校园建筑影像对生成的模型进行纹理贴图，并调整相应参数，最终形成完整的三维场景，并可以通过创建Webscene场景在浏览器端访问(见图3)。

(b)数字校园室内精细三维建模

SketchUp建模软件灵活有效的绘图捕捉功能和数据输入功能，提高了建模效率，因此采用该软件对室内进行精细建模。构建时需先将CAD建筑平面图导入到SketchUp软件中。之后利用矩形工具勾勒墙体边缘，并将矩形墙体模型拖拉，从而构成墙体结构。然后在CAD图形中截取出窗体、门和楼梯等部件，导入到SketchUp中打开，描出各零部件的边框后推拉至合适的厚度和高度并添加材质属性，再移动至相应的位置即可，这样室内的主体结构就构建完成，至于房屋内的桌、椅、楼道等物件根据真实场景手工构建即可。室内的结构建模完成后，利用建模软件中的填充工具，将处理好的表面纹理图形对应贴到建筑物上，此时数字校园室内精细三维模型就构建完毕了。

步骤(2)是基于步骤(1)中构建出的数字校园室内外三维模型，对室内外一体化三维导航路径进行提取。对于室内路径的提取，可选取其中可导航区域如教室房间、门的三维几何中心点，走廊、楼梯、电梯竖井的几何中心线，依次相连而成，从而将房间、走廊、电梯、楼梯等可通行区域全部表达出来(见图4)，最后生成整个室内建筑模型的完整三维导航路径。然后对各楼层和楼内部件进行语义定义，如房间名称，楼层层数，楼梯名称等，以方便后续导航路径规划时的识别，例如一层的网络定义为floor1_net，一层到二层的楼梯定义为stair_1_2(见图5)，其余部件以此类推，最后生成包含语义定义的完整室内三维导航路径网络(见图6)。对于室外路径的提取，首先将卫星影像数据作为底图添加进ArcScene中，并在地图文档属性设置中选择与地图数据源所对应的投影坐标系，并按真实坐标对其进行配准。之后建立个人地理数据库，在地理数据库中建立线要素类，并也选择与地图数据相同的投影坐标系，对室外可导航的区域如道路进行矢量化，并同时依次在属性表中记录道路的名称、类型、等级和宽度等必要属性信息，方便后续按不同需求进行导航路径规划。最后将SketchUp中生成的室内导航路径网络转换成*.dxf格式，并在ArcScene中利用ArcToolbox中的工具进行导入。通过配准调整投影坐标系及对应的比例，将矢量化后的室外路径网络与室内路径网络进行连接，将必要的线要素进行合并操作，从而生成完整的数字校园室内外一体化三维导航路径网络(见图7)。

步骤(3)是基于步骤(2)中提取出的数字校园室内外一体化三维导航路径网络，选择ArcGIS网络分析中的最近设施点分析工具完成最短路径分析与计算，最终实现数字校园室内外一体化三维导航路径规划。具体实施方式有以下两种：

(a)基于最短路径分析法的数字校园室内外一体化三维导航路径规划

运用ModelBuilder工具进行地理建模，运行该模型即可完成查找最近设施点的分析操作，并且通过该模型可实现批量化的分析处理。同时在ArcScene三维场景中可以对生成的路径进行渲染，修改符号的大小及显示模式，从而可以更加直观的对分析结果进行查看。分别选取数字校园室外某一目标地点和室内精细化建筑模型中(学院楼F座)的一间房屋作为两个研究对象，运用ModelBuilder工具创建最近设施点网络分析图层并设置其分析属性。通过添加室外某目标地点作为事件点，添加学院楼F座某间教室的某一路径点作为设施点，通过关联关系构建地理模型，从而求解得到教室到目标地点的最短路径(见图8)。最近设施点工具适用于根据指定的网络成本确定与事件点距离最近的设施点的分析，同时也可以对之前矢量化时建立的道路类型，宽度，运输成本、能否通行等属性信息进行综合分析，从而根据室内外一体化三维导航路径网络计算出发地到目的地的最短路径(见图9)。

(b)顾及障碍的数字校园室内外一体化三维导航路径规划

三维空间网络分析是地理信息系统空间分析功能中的重要组成部分，在很多领域都有广泛的应用，例如交通运输系统、紧急救援路线规划等。三维导航路径规划可以根据建筑物的实际环境情况进行计算，在紧急情况下为相关人员提供符合实际情况的最优路径。例如在火灾发生的情况下，烟雾浓度、火势大小、温度高低、走廊楼道是否封闭等因素都可以影响导航路径中不同路径所占的权值大小，从而会生成不同的导航路径。当有障碍时，通过在导航路径上增加障碍设施点，表示真实情况下，路径上无法通行的路障，在进行最优路径分析时将会绕开这些路径并查找替代路线，并重新生成新的最短路径，从而实现室内外一体化三维导航路径规划。例如当学院楼F座发生火灾时电梯不可用，因此将其作为线障碍添加进最近设施点网络分析图层的求解过程中(见图10)，从而计算出生成经过楼梯的最短逃生路径，实现了顾及障碍的数字校园室内外一体化三维导航路径规划(见图11)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种室内外一体化三维导航路径规划方法，其特征在于，该方法包括步骤：

(1)对某一建筑区域进行室内外三维建模；

(2)提取建筑物室内外模型中可导航区域的三维几何中心点与线，依次相连形成完整的室内外一体化三维导航路径网络；

(3)采用ArcGIS中最短路径分析法对室内外一体化三维导航路径网络进行分析与规划。

2.根据权利要求1所述的一种室内外一体化三维导航路径规划方法，其特征在于，该方法还包括步骤：当导航路径上有障碍时，将会在进行最优路径分析时绕开这些路径并查找替代路线，并重新生成新的最短路径，从而实现室内外一体化三维导航路径规划。

3.根据权利要求1或2所述的一种室内外一体化三维导航路径规划方法，其特征在于，步骤(1)包括以下步骤：

(a)室外三维模型批量构建：

首先运用CityEngine软件CGA规则中的attribute函数对某一建筑物的特征信息分别进行属性定义和赋值；然后运用extrude函数对建筑投影面进行拉伸；接着运用comp(f)与split函数按照尺寸比例对建筑各面进行分割与定义；最后运用setupProjection与texture函数，对建筑物表面按照比例进行纹理贴图，构建完毕；

(b)室内精细三维建模：

首先将CAD建筑平面图dwg.格式文件导入至SketchUp软件中，显示为二维平面图形；然后识别出墙体部分，利用矩形工具勾勒出来，并利用拖拽工具将墙体推拉成立体形状；接着在CAD中将房屋的独立零部件提取出来，用同样的方法导入至SketchUp中进行单独建模；再将各个独立的零部件三维模型拖拽至相应位置，组合成完整的室内立体三维模型；最后运用填充工具添加室内建筑物的纹理与材质，构建完毕。

4.根据权利要求3所述的一种室内外一体化三维导航路径规划方法，其特征在于，所述特征信息包括第一层高度、第二层至顶层高度、每一单元格宽度、净高以及墙面颜色。

5.根据权利要求3所述的一种室内外一体化三维导航路径规划方法，其特征在于，步骤(2)包括以下步骤：

(a)构建室内三维导航路径网络：

根据SketchUp所建三维模型，选取建筑楼层中房间、门的几何中心点，楼道、楼梯、电梯竖井的几何中心线，依次相连，生成整个楼宇内的完整三维导航路径网络；然后对各楼层和楼内部件进行语义定义；接着将SketchUp中生成的导航路径网络转成dxf.格式文件，并在ArcScene中利用Arctoolbox工具进行导入；

(b)构建室外三维导航路径网络：

首先将卫星影像底图导入到ArcScene中，然后对室外可导航区域做矢量化处理，并依次在属性表中添加必要属性信息，所述必要属性信息包括路径的名称和类型，最后生成完整的室外导航路径网络；

(c)构建室内外一体化三维导航路径网络：

通过配准和调整投影坐标系，将室外与室内导航路径网络进行拼接，生成室内外一体化三维导航路径网络。

6.根据权利要求5所述的一种室内外一体化三维导航路径规划方法，其特征在于，步骤(3)包括以下步骤：首先选取室外某一目标地点与建筑物内的一间房屋作为两个研究对象，创建最近设施点网络分析图层并设置其分析属性，根据所建立的室内外一体化三维导航路径网络，利用ModelBuilder工具添加室外目标地点作为事件点，同时添加室内房屋的某一路径点作为设施点，通过关联关系构建地理模型，即可批量求解出正常状态下的最短路径。

7.根据权利要求2所述的一种室内外一体化三维导航路径规划方法，其特征在于，当导航路径上有障碍时，将会在进行最优路径分析时绕开这些路径并查找替代路线，并重新生成新的最短路径，从而实现室内外一体化三维导航路径规划的具体步骤为：首先选取室外某一目标地点与建筑物内的一间房屋作为两个研究对象，创建最近设施点网络分析图层并设置其分析属性，根据所建立的室内外一体化三维导航路径网络，利用ModelBuilder工具添加室外目标地点作为事件点，同时添加室内房屋的某一路径点作为设施点，另外需再添加若干点或线作为特殊的障碍设施点，最后通过关联关系构建地理模型，即可批量求解出紧急状态下的最短路径。