CN109308838A - 一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内地图领域，具体涉及一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法及装置。本发明通过对室内地图中的空间构成要素及建筑部件进行划分，自动生成空间对象的拓扑连接关系，并根据空间拓扑连接关系生成室内空间联通路网，最后再对各相邻楼层的电梯、楼梯等竖直联通部件相连，形成楼宇的空间拓扑连接路网。本发明充分利用了室内地图的各种属性语义等信息，对室内地图空间进行抽象划分，并通过结合连接部件自动构建了室内空间拓扑连接关系，依据连接关系结合算法自动构建了室内空间联通关系路网，解决了室内地图拓扑路网不精确的问题，很好的服务了室内地图的路网可视化导航以及室内路径分析。

Description

一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法及装置

技术领域

本发明涉及室内地图领域，具体涉及一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法及装置。

背景技术

随着城市化进程的不断加快，城市的建筑越来越多样化，各种超大型建筑层出不穷。面对复杂的室内空间，室内地图和室内导航服务越来越受到人们的青睐。室内空间拓扑关系作为室内地图的最关键部分，是复杂环境下室内寻路、导航、应急疏散的基础，但是长期以来对于室内地图空间拓扑连接关系自动构建始终是一大难题。

目前，对于室内地图的研究仍处于低层次阶段，面对复杂的建筑物室内空间尚未有准确而统一的划分方法。对于室内空间的拓扑关系，大多简单的抽象出房间点和房间之间的路线等联通图，并未充分考虑不同建筑空间的划分和建筑空间拓扑的复杂性。对于空间节点的划分种类较为简单，不能很好的适应复杂建筑的空间拓扑连接。因此，面对现实中的复杂室内场景，在导航、疏散等应用中现有的室内路网不能准确表达室内空间之间的关系。

虽然现在Google、百度、高德等大型地图服务厂商都已推出室内地图服务应用，但是室内地图的覆盖范围仅仅是电子地图的很小一部分，而且这些室内场景中，很多地图仅仅限于视觉表达，对于空间路网拓扑关系相对缺乏。

西安建筑科技大学的张颉研究了基于BIM的建筑空间拓扑提取及检索方法，通过对建筑室内空间结构进行研究，将建筑室内空间划分为走道式、串联式、广厅式、单元式、主次式等几种类型。并利用BIM的思想，抽象出房间拓扑连接关系，通过对Revit软件进行二次开发，实现自动提取规则建筑物的房间拓扑连接图。但是这种方法对于建筑分类简单的居民单元建筑物较为合适，对于大空间、连廊等方式的建筑不太适合，且其只能用于构建建筑物的室内空间拓扑关系矩阵，并未构建室内路网，不能用于导航疏散时的线路可视化表达。

专利(申请号：201310271809.3)提供了一种构建室内地图的道路网络的方法，采用简单多边形描述房间和功能区域，采用地图点描述参考点，形成室内环境的多边形图层，对于室内路网，采用对多边形剖分形成不同类型的三角形内子图，设置预定条件，完成对室内主干道路网的提取。室内主干与参考点中的枢纽参考点之间根据室内空间内含关系进行配对，将室内道路主干延伸至枢纽参考点，形成与多边形图层相对应的室内道路网络。但是该方案对于室内的房间等空间划分较为简单，生成的路网不规则，缺少语义等约束。

现有的研究多集中在规则建筑中的空间关系模型的构建，对于实际生产应用中的复杂建筑空间关系考虑不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法及装置，用以解决现有技术对室内建筑要素空间拓扑关系考虑不足导致室内路网构造不精确的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，包括以下步骤：

对于室内地图的同一层，获取其建筑要素，所述建筑要素为：包括房间在内的封闭空间、包括走廊在内的联通空间，以及包括门在内的连接件；

确定所述建筑要素的空间拓扑连接关系，所述空间拓扑连接关系为：所述封闭空间之间、所述联通空间之间，以及所述封闭空间与所述联通空间之间是否通过所述连接件进行连接；

根据所述空间拓扑连接关系构造室内空间拓扑路网，所述室内空间拓扑路网为：从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径。

进一步的，所述从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径包括：从所述封闭空间到所述走廊的端点或拐点之间经过所述连接件的路径，和/或从所述封闭空间到所述走廊的中线之间经过所述连接件的路径。

进一步的，所述封闭空间还包括过厅；所述连接件还包括过厅的虚拟墙。

进一步的，所述空间拓扑连接关系通过空间拓扑连接矩阵表示，其中的矩阵元素为0或1，0表示两个空间之间没有所述连接件进行联通，1表示两个空间之间有所述连接件进行联通。

进一步的，遍历所述建筑要素，判断所述建筑要素是否为连接件，如果是，则将其归入边集合，并且将其所连通的封闭空间和/或联通空间归入点集合；如果不是，则读取下一个所述建筑要素；根据所述边集合和所述点集合得到所述空间拓扑连接矩阵。

进一步的，提取所述联通空间的中线，以及所述中线的端点和拐点，将所述中线的端点作为所述走廊的端点，将所述中线的拐点作为所述走廊的拐点；

为所述封闭空间和所述连接件分别分配对应的房间节点和连接节点；

根据所述空间拓扑连接矩阵将所述房间节点与对应的连接节点进行连接，并从所述连接节点向所述中线作最近连线，从而得到所述室内空间拓扑路网。

进一步的，所述封闭空间还包括楼梯间。

进一步的，对于室内地图两层以上的情况，所述室内空间拓扑路网还包括：相应楼梯间之间的路径。

本发明还提供了一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

对于室内地图的同一层，获取其建筑要素，所述建筑要素为：包括房间在内的封闭空间、包括走廊在内的联通空间，以及包括门在内的连接件；

确定所述建筑要素的空间拓扑连接关系，所述空间拓扑连接关系为：所述封闭空间之间、所述联通空间之间，以及所述封闭空间与所述联通空间之间是否通过所述连接件进行连接；

根据所述空间拓扑连接关系构造室内空间拓扑路网，所述室内空间拓扑路网为：从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径。

进一步的，所述从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径包括：从所述封闭空间到所述走廊的端点或拐点之间经过所述连接件的路径，和/或从所述封闭空间到所述走廊的中线之间经过所述连接件的路径。

进一步的，所述封闭空间还包括过厅；所述连接件还包括过厅的虚拟墙。

进一步的，所述空间拓扑连接关系通过空间拓扑连接矩阵表示，其中的矩阵元素为0或1，0表示两个空间之间没有所述连接件进行联通，1表示两个空间之间有所述连接件进行联通。

进一步的，遍历所述建筑要素，判断所述建筑要素是否为连接件，如果是，则将其归入边集合，并且将其所连通的封闭空间和/或联通空间归入点集合；如果不是，则读取下一个所述建筑要素；根据所述边集合和所述点集合得到所述空间拓扑连接矩阵。

进一步的，提取所述联通空间的中线，以及所述中线的端点和拐点，将所述中线的端点作为所述走廊的端点，将所述中线的拐点作为所述走廊的拐点；

为所述封闭空间和所述连接件分别分配对应的房间节点和连接节点；

根据所述空间拓扑连接矩阵将所述房间节点与对应的连接节点进行连接，并从所述连接节点向所述中线作最近连线，从而得到所述室内空间拓扑路网。

进一步的，所述封闭空间还包括楼梯间。

进一步的，对于室内地图两层以上的情况，所述室内空间拓扑路网还包括：相应楼梯间之间的路径。

本发明的有益效果是：通过对室内地图中的空间构成要素及建筑部件进行划分，自动生成空间对象的拓扑连接关系，并根据空间拓扑连接关系生成室内空间联通路网，最后再对各相邻楼层的电梯、楼梯等竖直联通部件相连，形成楼宇的空间拓扑连接路网。

本发明充分利用了室内地图的各种属性语义等信息，对室内地图空间进行抽象划分，并通过结合连接部件自动构建了室内空间拓扑连接关系，依据连接关系结合算法自动构建了室内空间联通关系路网，解决了室内地图拓扑路网不精确的问题，很好的服务了室内地图的路网可视化导航以及室内路径分析。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明中生成室内空间拓扑连接关系的流程图；

图3是本发明中构造室内空间拓扑路网的流程图；

图4是本发明实施例中室内地图数据的示意图；

图5是本发明实施例中室内地图空间单元及连接部件的示意图；

图6是本发明实施例中室内空间拓扑连接关系的示意图；

图7是本发明实施例中室内空间拓扑路网的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法及装置，根据空间拓扑关系生成室内空间拓扑路网，以室内地图作为基础数据，主要包括由面状要素构成的室内空间要素；线状要素构成的墙体、门等要素；以及代表特殊功能的POI点状要素。

本发明中涉及到的建筑要素并不限于具体实施方式中给出的例子，根据实际建筑情况，可以对封闭空间、联通空间以及连接件包括的要素进行对应的扩展，以满足实际建筑室内地图的需求，但这种改变只是对建筑要素数量和类型的简单增添，依然属于本发明的保护范围。

如图1所示，通过对室内地图中的空间构成要素及建筑部件进行划分，自动生成空间对象的拓扑连接关系，并根据空间拓扑连接关系生成室内空间联通路网，最后再对各相邻楼层的电梯、楼梯等竖直联通部件相连，形成楼宇的空间拓扑连接路网。

一、室内地图数据的准备与空间信息提取。

1、数据源准备。楼宇各层矢量室内地图数据，其中包括了建筑物主要的空间单元和建筑部件信息。对于没有室内地图的楼层，首先由纸质地图矢量化，或是由建筑平面cad数据，进行室内地图数据生产。

2、室内地图中建筑空间要素划分。对于室内地图而言其中主要由点要素、线要素、面要素等不同要素类别。根据建筑空间单元的不同，可将面状空间单元分为封闭空间、半封闭空间、联通空间。

封闭空间是由建筑部件隔断而形成的密闭空间单元。本发明中主要分为闭合的房间和由虚拟墙组成的虚拟闭合空间(如过厅)两种。在空间拓扑连接关系中抽象为点。

房间：由墙体、隔断等合围而成的闭合空间，其中一面或几面墙上存在和其他空间相联通的门、窗等部件。

过厅：由多个墙体合围但存在一个或多个面缺失的半封闭空间，如过厅等，本发明中对于缺失墙体的部分人为添加虚拟墙，形成一个虚拟的封闭空间单元，其中虚拟墙体承担着与门部件相似的联通功能。

联通空间是在功能上用来联通各个空间单元的部件，主要由水平联通的走廊。

走廊是指楼层中除去闭合空间后的剩余部分，在空间拓扑连接关系中被抽象为点。

竖直连接部件，在多层楼宇空间内起着联通不同楼层功能的部件，如楼梯、电梯等，其中楼梯、电梯抽象为点要素，但因楼梯与电梯多在封闭空间楼梯间、电梯间中，因此一般与楼梯间、电梯间抽象为一个特殊节点。

水平连接件是指连接各封闭空间与联通空间的建筑部件，主要有依附于墙体的门和虚拟封闭空间中的虚拟墙等。在空间拓扑联通关系中抽象为线。如表1所示，给出了室内地图空间单元的各种类型以及所对应的几何形状和拓扑形象。

表1室内地图空间单元类型

二、根据空间拓扑联通性构建空间拓扑连接关系矩阵。

根据提取出的室内地图要素信息进行算法分析，提取室内空间要素拓扑连接关系矩阵。首先，对于单层空间而言，可将封闭空间、联通空间抽象为节点，将门、虚拟墙等连接部件抽象为线。将整个空间的拓扑连接关系抽象为由点、线组成的联通图，并将之存储在空间对象拓扑连接关系矩阵中，为后期路网构建提供参照依据，也可以应用在后期的路径导航等分析中。

本发明中对于空间拓扑连接关系矩阵的自动提取，主要是根据从室内地图中提取出的空间对象及其属性信息，找出其中的联通部件如门、虚拟墙等，并分析门、虚拟墙所联通的相邻空间单元，以矩阵形式保存空间拓扑连接关系。具体算法流程如图2所示，包括：

1)导入室内地图数据，读取地图中各要素信息；

2)分层遍历室内地图要素，读取要素ID及其所在楼层和属性等信息；

3)分楼层遍历要素ID；

4)判断要素是否为联通部件，如果是则记录一条边信息，并将该部件的ID存入边集合E(G)中，并通过查找与之相连的部件，判断该部件连接的两个空间单元的ID，并将之存储在点集合D(G)中，如果不是联通部件则继续循环；

5)判断是否还有未循环到的部件，如果有则继续遍历并判断，如果没有则结束循环；

6)根据边集合E(G)和点集合D(G)生成空间对象的拓扑关系的联通图，并将之存储在室内空间对象拓扑连接关系矩阵G(D(G),E(G))中，保存拓扑关系连接矩阵，算法结束。

对于某楼层案例，如图4所示，包括房间101至107、走廊1、过厅1，其中103为楼梯间。根据楼层中的门和虚拟墙叠加分析得到各空间拓扑连接关系矩阵，如表2所示，其中0代表两个空间之间没有联通部件相连；1代表两个空间之间有联通的门或虚拟墙相连。

表2空间拓扑连接关系

三、单层空间拓扑连接路网生成。

空间拓扑连接路网以规则的联通图将室内空间对象之间的路网可视化的表达出来，广泛应用在室内寻路、导航以及最短路径分析等应用中。本发明通过对建筑不同空间划分，并抽象出不同的节点类型，结合走廊的中线提取算法，将节点与走廊按照空间拓扑关系矩阵进行连接，最后生成空间拓扑关系路网。

①室内路网联通图节点分类,如表3所示：

按照室内地图路网上不同节点的类型，对于建筑空间及路网节点进行归类划分，其中节点类型共分为：房间节点、电梯间节点、楼梯间节点、走廊端点、走廊拐点、走廊连接点、门连接点、虚拟墙连接点等，对于不同的节点类型按照不同的符号表示，对于代表多种类型的节点，其中优先级别为：楼梯间、电梯间节点>房间节点>门、虚拟墙节点>走廊拐点>走廊连接点>走廊端点。

表3空间节点类型

②走廊中线自动提取，走廊不同于其他的空间单元，其作为连接各个封闭空间单元的主要联通单元，往往与多个空间相连，且其形状多为不规则的凹多边形，根据这一特性结合室内地图属性等，对于不同的走廊空间单元采用不同的算法快速的提取出走廊的中线。对于规则的简单走廊，如凸多边形的矩形，其提取方式较为简单，直接提取中线；对于复杂的走廊如不规则的凹多边形，采用Delaunay算法提取走廊中线。其中Delaunay算法提取中线的算法步骤包括：

1)提取走廊的面状区域，根据多边形进行Delaunay三角网剖分；

2)通过门等联通节点，对Delaunay三角网进行约束限制；

3)对三角网中的三角形进行分类；

4)基于不同类型三角形提取中线；

5)根据走廊中线提取端点、拐点等特征节点。

③将空间节点连接到走廊中线，形成室内拓扑连接路网。

空间节点、走廊中线的连接是可视化拓扑路网生成的关键，其连线的方式与规则直接影响到路网的可视化效果以及寻路分析。其中最主要的连接规则是空间节点与走廊中线的连接方式，本发明中首先将封闭空间节点与其自身的门节点连接，过厅与其自身虚拟墙节点连接，这样就完成了封闭空间部分的连接。走廊中线与空间节点连接较为复杂，为了显示的美观，我们在走廊上增加连接节点，通过门节点和虚拟墙节点向最邻近的走廊中线做连线即为走廊连接节点，最大可能使空间拓扑连线规则。其具体算法流程如图3所示，包括：

⑴遍历单层室内地图空间要素ID；

⑵判断要素是否为多边形要素；

⑶对于多边形要素，根据属性信息分为房间、过厅等封闭空间和走廊联通单元；

⑷对于走廊判断是否为凸多边形，如果是凸多边形直接提取中线，否则按照Delaunay三角网提取中线，并根据中线提取节点；

⑸对于其他的多边形要素根据房间、过厅、楼梯、电梯等语义约束，抽象为不同的节点类型；

⑹将空间单元的节点，按照拓扑连接关系矩阵的记录进行连接。对于各个空间抽象的节点，连接到该空间的联通部件节点上。对于走廊抽象出的中线，则由连接点向中线做连线，画出最近连线，完成空间拓扑网络的路网可视化构建。

四、多层联通的空间拓扑网生成。

对于不同楼层的拓扑路网连接较为简单，不同楼层的电梯、楼梯都在相同的水平位置，只是竖直高度有差异，通过ID命名规范，将所有的相同位置的电梯命名为相同的号码，号码前方加上楼层编码，对于多层楼层路网相连时，只需找到相同的位置的楼梯间和电梯间，并将楼层相连的节点竖直相连即可。具体步骤如下：

1.遍历空间单元，提取各楼层中电梯、楼梯节点的ID；

2.对于提取的各节点ID号码遍历，并对每个ID号码分段截取，提取出房间位置号和楼层号两个部分，并将相同水平位置的联通部件归类存入一个节点集中；

3.遍历所有节点集，根据节点的楼层信息，将同一水平位置的节点集中相邻楼层的节点竖直连接。

按照本发明提出的方法步骤，结合具体某大楼室内地图数据，提取其中一层的空间拓扑连接路网的过程如下：

数据来源：室内地图；

输出结果：室内空间拓扑连接关系描述矩阵、室内空间联通图。

A.室内地图数据准备。如图4所示为某大楼一层室内地图，其中有房间101-107(103为楼梯间)、走廊1、过厅1等9个空间单元。各空间单元通过门或虚拟墙与其他空间单元相连。

B.室内地图空间单元与联通部件信息读取。如图5展示了室内地图中读取的空间单元和联通部件，主要是房间、过厅、走廊、门等信息。

C.室内空间拓扑连接关系矩阵生成。首先在遍历过程中判断是否为连接部件，如果是则记录一条边信息，并将该部件的ID存入到边集合E(G)中，并通过查找与之相连的部件，判断该部件连接的两个空间单元的ID，并将之存储在点集合D(G)中；如果不是联通部件则继续循环。然后判断是否还有未循环到的部件，如果有则跳入遍历步骤，如果没有则结束循环。最后，根据边集合E(G)和点集合D(G)，生成空间对象的拓扑关系的联通图，并将之存储在室内空间对象拓扑连接关系矩阵G(D(G),E(G))中，保存拓扑关系连接矩阵，算法结束。

判断房间之间有无公共边，公共边有无门等联通部件，根据结果对空间节点进行拓扑连接，生成单层楼层空间拓扑连接关系图，如图6所示，显示了一层空间单元之间的拓扑连接关系。

D.单层空间拓扑连接路网生成。遍历室内地图空间单元和联通部件，结合各部件属性信息，根据空间对象的抽象规则对101、102、104、105、106、107、过厅1等抽象为房间节点，用实心圆表示；103抽象为楼梯间节点用实心五角星表示，走廊1为凹多边形用Delaunay算法提取中线，并抽取出其中终点、拐点、连接点，按照各节点优先级别，对于多种类型的节点显示优先级别最高的类型。最后可视化效果如图7所示。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式，例如改变建筑要素的数量或类型，或者改变空间拓扑连接关系的表现形式，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

对于室内地图的同一层，获取其建筑要素，所述建筑要素为：包括房间在内的封闭空间、包括走廊在内的联通空间，以及包括门在内的连接件；

确定所述建筑要素的空间拓扑连接关系，所述空间拓扑连接关系为：所述封闭空间之间、所述联通空间之间，以及所述封闭空间与所述联通空间之间是否通过所述连接件进行连接；

根据所述空间拓扑连接关系构造室内空间拓扑路网，所述室内空间拓扑路网为：从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于：所述从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径包括：从所述封闭空间到所述走廊的端点或拐点之间经过所述连接件的路径，和/或从所述封闭空间到所述走廊的中线之间经过所述连接件的路径。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于：所述封闭空间还包括过厅；所述连接件还包括过厅的虚拟墙。

4.根据权利要求3所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于：所述空间拓扑连接关系通过空间拓扑连接矩阵表示，其中的矩阵元素为0或1，0表示两个空间之间没有所述连接件进行联通，1表示两个空间之间有所述连接件进行联通。

5.根据权利要求4所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于：遍历所述建筑要素，判断所述建筑要素是否为连接件，如果是，则将其归入边集合，并且将其所连通的封闭空间和/或联通空间归入点集合；如果不是，则读取下一个所述建筑要素；根据所述边集合和所述点集合得到所述空间拓扑连接矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于：

提取所述联通空间的中线，以及所述中线的端点和拐点，将所述中线的端点作为所述走廊的端点，将所述中线的拐点作为所述走廊的拐点；

为所述封闭空间和所述连接件分别分配对应的房间节点和连接节点；

根据所述空间拓扑连接矩阵将所述房间节点与对应的连接节点进行连接，并从所述连接节点向所述中线作最近连线，从而得到所述室内空间拓扑路网。

7.根据权利要求6所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于：所述封闭空间还包括楼梯间。

8.根据权利要求7所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成方法，其特征在于：对于室内地图两层以上的情况，所述室内空间拓扑路网还包括：相应楼梯间之间的路径。

9.一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成装置，包括处理器和存储器，其特征在于，所述存储器存储有所述处理器实现如下方法的指令：

对于室内地图的同一层，获取其建筑要素，所述建筑要素为：包括房间在内的封闭空间、包括走廊在内的联通空间，以及包括门在内的连接件；

确定所述建筑要素的空间拓扑连接关系，所述空间拓扑连接关系为：所述封闭空间之间、所述联通空间之间，以及所述封闭空间与所述联通空间之间是否通过所述连接件进行连接；

根据所述空间拓扑连接关系构造室内空间拓扑路网，所述室内空间拓扑路网为：从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径。

10.根据权利要求9所述的一种基于室内地图的室内空间拓扑路网生成装置，其特征在于：所述从所述封闭空间与所述联通空间之间经过所述连接件的路径包括：从所述封闭空间到所述走廊的端点或拐点之间经过所述连接件的路径，和/或从所述封闭空间到所述走廊的中线之间经过所述连接件的路径。