CN113360987B - 面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型及构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型，包括：建筑室内空间语义要素的数据组织部分，包含有楼层与走廊结构，在建筑室内设施的基础上派生出垂直设施类用来建立两楼层之间的连接；建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分，用于描述建筑室内空间实体间的逻辑结构以及确定相对位置，设计与所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分相应的拓扑表达对象，并将建筑内普遍存在的聚合、相邻和连通关系进行表达。本发明还公开了面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型的构建方法。本发明可解决空间拓扑关系隐式存储在模型中，提取与查询较为困难的问题，本发明提高了空间查询效率，可为室内应急、室内导航与室内场景展示提供数据组织基础。

Description

面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型及构建方法

技术领域

本发明属于室内导航技术领域，涉及一种面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型及构建方法。

背景技术

随着城市化发展进程加快，城市各型建筑数量的增加也使得室内导航以及基于位置服务 (location-based service，LBS)显得越来越重要。室内导航正以其弥补室外地图应用局限、拥有潜在的庞大用户群体、具有创新的技术与应用需求驱动等众多优势，而被产业界和学术界所普遍关注，正逐渐成为研究热点。

据研究表明人类90％左右的时间都处在室内环境中。在建筑物中，复杂的室内环境对于人们的室内空间认知来说是一种负担。人们普遍认为空间认知可以影响导航，因此室内导航需要依靠良好的空间认知方式。地图是人类空间认知的重要工具，空间认知是地图的基本功能。在室内，人们通过室内地图对室内环境进行理解与认识，同时它的一个重要的作用是可以帮助人们在室内寻路。传统的室内地图多为二维平面地图，仅通过简单示意图形式展现室内环境，在导航过程中如遇到室内场景复杂情况往往力不从心。室内场景的高复杂程度也给室内空间认知带来了挑战。室内空间具有围合结构，空间围合的形成使我们难以像身处外部空间时那样具有方向感与空间参考系，我们无法使用传统四方位“东南西北”描述身处位置，只能使用“前后左右”、“相邻”等描述相对位置。室内空间还具有复杂的连通关系，在水平方向上被墙体设施等分隔成独立空间，并且室内空间具有立体特征，具有纵向维度，垂直重叠性高，垂直方向上呈现多层结构，进一步加剧了对于空间连通的认知难度。最优路径往往和室内的多维语义信息密切相关，但二维平面地图对于语义的承载能力极为有限。由此可见，它已经很难满足人们对于室内导航服务的日常需求。因此，人们开始寻求更好的展现室内空间环境与适合室内导航的室内空间认知方式。

三维地图因其几何特征完备，在空间性与语义特征承载能力方面均优于传统二维平面地图，逐渐受到室内导航领域的青睐。在三维地图中，室内环境的主要承载对象为三维建筑模型数据。在目前广泛应用建筑三维模型数据中将几何及语义信息相结合的有两种，工业基础类(Industry Foundation Class,IFC)模型与城市地理标记语言(CityGeography Markup Language,CityGML)。这两种数据模型目前都已经作为工业生产标准进入商业以及研究使用阶段，它们均使用精细的几何信息与丰富的语义信息对建筑物的室内空间进行描绘表达。 IFC在建筑设计和分析领域具有强大的空间表达能力和丰富的语义信息。虽然IFC模型在建筑结构与语义信息的表达上更加精细与完整，但是其较为庞大的数据量在空间可视化管理与分析中应用较为吃力。并且过于详细完备的建筑结构表达在室内导航中显得较为冗杂。一般的处理方法会将IFC模型进行简化或转换成其它轻量化模型，比如CityGML。CityGML则更看重多层次的表达以及空间实体之间的几何、拓扑和语义三者的关联。但这两种模型缺乏对于室内空间复杂连通关系等空间认知的表达，这些信息是室内导航中的重要元素。IndoorGML是一种表示和交换室内导航网络模型的标准，着重通过拓扑模块表达室内空间之间的连通关系。但由于室内导航是其模型的关注重点，与导航相关度不高的室内空间的几何特征及结构语义信息表达并不完善。因此，在空间信息承载方面，还需要在表达室内空间的几何特征及结构语义信息之外重视室内连通性、相邻性等描述室内相对位置关系的属性表达。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型。

本发明另有一个目的是提供面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型的构建方法。

为此，本发明提供如下的技术方案：

面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型，包括：

建筑室内空间语义要素的数据组织部分，其包含有楼层与走廊结构，在建筑室内设施的基础上派生出垂直设施类用来建立两楼层之间的连接，将楼层连接起来；

建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分，其用于描述建筑室内空间实体间的逻辑结构以及确定相对位置，结合节点关系模型与庞加莱对偶理论，使用节点与边表达空间对象之间的关联关系提供与所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分相应的拓扑表达对象，同时，利用所述拓扑表达对象将建筑内普遍存在的聚合、相邻和连通关系进行表达。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分包括：

建筑室内空间语义要素划分模块，其用于将建筑室内空间语义要素大致划分为空间对象与构件对象，其中，所述空间对象是由多个构件组成的建筑单元，所述构件对象是构成建筑物的基本部件单元，所述构件对象与其它构件对象组合可构成所述空间对象，以此来实现建筑物的基本功能；所述空间对象包括楼层和走廊，所述构件对象包括：边界面、开口和设施；所述边界面包括：天花板、地板与墙面，所述开口包括窗户与门。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分包括：

建筑室内空间语义要素模型结构模块，其用于基于抽象基类，将楼层作为一个语义概念，对建筑进行分层约束，统一组织各楼层中走廊与房间，其中，该结构单元中，将走廊要素设计为继承自房间元素，并通过“组成走廊”标签成为楼层要素的组成部分，且所述建筑室内空间语义要素模型结构中，设置了垂直设施类，所述垂直设施类用于描述连接楼层的垂直通道，所述垂直设施类继承自室内建筑设施类作为室内建筑设施的一种，且以所述垂直设施类为基类，设置有如下子类：楼梯、电动扶梯、电梯和坡道。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分还包括：

建筑室内空间语义要素语义属性信息模块，其用于以信息表格的形式呈现建筑室内空间语义要素语义属性信息，并将所述空间语义要素以属性的形式按照基本信息与语义位置信息两类分别进行存储。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间语义要素语义属性信息模块的所述信息表格包括：

楼层相关表，其包括楼层信息表和楼层语义位置信息表，所述楼层信息表包含楼层的基本信息，其通过楼层信息类记录楼层名称与编号、楼层的高度信息、楼层所属走廊编号、楼层所属全部房间编号信息、垂直通道口编号和楼层的相对位置描述信息表，所述楼层的相对位置描述信息表通过楼层语义位置信息类实现，所述楼层语义位置信息类属性包括楼层所属建筑编号和楼层的层数信息；

房间相关表，其包括房间信息表、房间组成构件信息表和房间语义位置信息表，所述房间信息表对房间的基本信息进行保存，其通过房间信息类，记录房间的编号、房间的名称、房间的功能、代表房间的抽象节点编号和房间所属的构架信息类，其中，房间组成构件信息通过所述房间组成构件信息表进行存储，所述房间组成构件信息表记录了组成构件的编号；所述房间语义位置信息表记录房间所处的建筑物的编号、所属楼层编号、相连接走廊编号以及与之相邻的房间编号；

走廊相关表，其包括走廊信息表，走廊在继承房间信息的基础上添加存储水平通道编号的属性；

垂直设施相关表，其包括垂直连通设施信息表、自动扶梯扩展信息表和楼梯扩展信息表，所述垂直连通设施信息表对垂直连通设施的基本信息进行保存，垂直连通设施作为基类只保存通用属性，记录其设施编号、设施名称、设施类型、设施连接的楼层编号以及代表垂直设施的垂直通道编号；派生类电梯属性继承自垂直连通设施；自动扶梯具有拓展的新属性方向用于描述自动扶梯向上或向下的方向；楼梯根据其类型不同扩展类型属性；坡道扩展有类型属性和坡度信息；

房间开口相关表，其包括房间开口信息表和房间开口语义位置信息表，房间开口通过所述房间开口信息表记录其编号、名称、长与宽和连接的房间编号，所述房间开口语义位置信息表记录所处的建筑物的编号、所属楼层编号、所属房间编号和嵌入墙面编号。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分包括：

建筑对象间关联关系的分析模块，其用于围绕空间对象与构想对象展开关联关系分析，关联关系包括聚合、邻接和连通关系，具体包括三大类：空间对象与空间对象之间、空间对象与构件对象之间和构建对象与构建对象之间的关联分析。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分包括：

建筑室内空间关系模型的拓扑表达模块，其引入节点与关系边来表达室内空间中的空间拓扑关系，通过设置节点用于抽象表达室内空间中的空间对象与构件对象的节点信息，通过设置关系边用来描述室内两个空间对象的拓扑关系，每条关系边都由两个代表对象的节点构成，且基于层次递进结构使得节点与关系边以显式的方式由几何的点与曲线表示；

并且，由所述关系边派生出三类基本关系：空间对象与空间对象间关系、空间对象与构件对象、构件对象与构件对象，这三类关系用于作为基础关系类对室内空间拓扑关系进行表达；

并从所述关系边中派生出通道，用于表达任意两节点之间的通路，且设置抽象通道类作为水平通道与垂直通道的通用类型出现，并存储。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分还包括：

建筑室内空间拓扑关系存储结构模块，其用于对建筑室内对象之间的关联关系进行组织，以用于空间查询与室内导航应用；所述建筑室内空间拓扑关系存储结构模块包括：

聚合关系的存储结构模块，其采用树状架构，对建筑模型进行逐层分解，了解其组成结构，所述聚合关系的存储结构模块包括建筑聚合关系、楼层聚合关系、房间聚合关系与构件的包含关系，其中，所述建筑聚合关系中，通过走廊与走廊的关系表示，并以聚合属性存储在建筑要素类中；

连通关系的存储结构模块，其采用树状架构，包括建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系，其中，所述建筑连通关系中设置有垂直通道将楼层连接起来形成层间通路，所述建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系分别存储于对应的聚合关系类中；

相邻关系的存储结构模块，其包括房间相邻关系与房间内部墙面相邻关系，采用空间- 空间关系进行表达，并以相邻房间属性存储，房间内部墙面相邻关系则关注对象为墙面构件，因此应用构件-构件关系进行表达，以墙-墙属性进行存储，两类相邻关系均作为房间与其他建筑内部对象关联关系的一部分进行存储。

优选的是，所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型中，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分还包括：

建筑室内空间拓扑关系语义属性信息模块，其对空间拓扑关系的表达主要通过抽象室内对象的节点、抽象室内对象之间关联关系的关系边与代表建筑内部通路的通道类完成；其中，

节点信息表对节点所代表的室内对象的相关信息以及节点的信息进行存储，包括节点编号、节点名称、节点代表的对象编号、节点代表的对象类型，其中节点代表的对象类型包括房间、走廊、墙壁、天花板、地板、门、窗和通道节点；

关系边作为三个基本关系的基类通过关系边信息表存储各类关系的基本信息，包括关系编号、节点名称、包含的两节点编号和关系的类型；

三个基本关系类作为关系边类的派生类负责具体表达各空间拓扑关系，且设置有空间对象信息表与构建对象信息表保存三个基本关系类关联的两对象的信息，所述空间对象信息表中保存有空间对象的编号、空间对象的名称和与空间对象的类别所述构件对象信息表中保存有构件对象的编号、构件对象的名称与构件对象类别；

通道信息表用于存储通道基类的基本信息，存储包括通道的编号、通道的名称，所代表的对象编号，通道包含的所有路径段的编号以及通道类型。

面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型的构建方法，包括如下步骤：

建筑室内空间语义要素的数据组织部分的构建步骤，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分包含有楼层与走廊结构，在建筑室内设施的基础上派生出垂直设施类用来建立两楼层之间的连接，将楼层连接起来；

建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分的构建步骤，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分结合节点关系模型与庞加莱对偶理论，使用节点与边表达空间对象之间的关联关系设计与所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分相应的拓扑表达对象，同时，利用所述拓扑表达对象将建筑内普遍存在的聚合、相邻和连通关系进行表达，用于描述建筑室内空间实体间的逻辑结构以及确定相对位置。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的模型基于CityGML的几何模型表达，使用ADE应用扩展技术对语义对象、语义属性信息与拓扑关系表达进行扩展。在对建筑中空间对象与构件对象总结基础上，对CityGML标准模型中未充分表达的室内对象进行补充，例如扩展了楼层概念、楼层间的垂直连通设施。模型设计了室内空间拓扑关系的数据组织模块，采用节点与关系边以显式表达方式将室内对象间的三种基本关系(“空间-空间”、“空间-构件”、“构件-构件”)作为拓扑表达基础，对聚合、连通、相邻关系以分级的方式存储在相应的空间对象属性中，提高了空间查询效率。该模型集语义、几何、拓扑信息为一体，充分描述与表达室内对象之间的空间拓扑关系，可为室内导航位置服务、室内应急等多领域提供模型数据支持。

本发明在模型的几何表达方面，本模型基于CityGML模型进行设计，其作为一种轻量化的室内模型可避免出现传统BIM中与室内导航无关的冗余信息。

本发明在空间拓扑关系的数据组织中，充分考虑建筑内部空间对象与构件对象间的拓扑关联关系，采用节点与关系边以显式表达方式将室内对象间的三种基本关系(“空间-空间”、“空间-构件”、“构件-构件”)作为拓扑表达基础，对聚合、连通、相邻关系以分级的方式存储在相应的空间对象属性中，可解决空间拓扑关系隐式存储在模型中，提取与查询较为困难的问题，提高了空间查询效率。该模型可为室内应急、室内导航与室内场景展示提供数据组织基础。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中的建筑室内空间关系模型UML图；

图2为本发明其中一个实施例中的建筑室内空间语义要素划分图；

图3为本发明其中一个实施例中的建筑室内空间语义要素模型结构UML图；

图4为本发明其中一个实施例中的建筑室内空间拓扑关系表达方法UML图；

图5为本发明其中一个实施例中的聚合关系UML图；

图6为本发明其中一个实施例中的连通关系UML图；

图7为本发明其中一个实施例中的相邻关系UML图；

图8为本发明其中一个实施例中的连通关系在模型中的表达结果；

图9为本发明其中一个实施例中的连通关系的节点与关系描述图；

图10为本发明其中一个实施例中的连通关系中的垂直设施表达效果；

图11为本发明其中一个实施例中房间之间的相邻关系在模型中的表达结果；

图12为本发明其中一个实施例中房间之间的相邻关系的节点与关系描述；

图13为本发明其中一个实施例中内部墙面之间相邻关系在模型中的表达结果；

图14为本发明其中一个实施例中的房间内部墙面之间相邻关系的节点与关系描述；

图15为本发明其中一个实施例中的聚合关系总体的节点与关系描述；

图16为本发明其中一个实施例中的建筑与楼层内部的聚合关系的节点与关系描述；

图17为本发明其中一个实施例中房间内部的聚合关系在模型中的表达效果；

图18为本发明其中一个实施例中房间内部聚合关系的节点与关系描述。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型，包括：

建筑室内空间语义要素的数据组织部分，其包含有楼层与走廊结构，在建筑室内设施的基础上派生出垂直设施类用来建立两楼层之间的连接，将楼层连接起来；

建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分，其用于描述建筑室内空间实体间的逻辑结构以及确定相对位置，结合节点关系模型与庞加莱对偶理论，使用节点与边表达空间对象之间的关联关系提供与所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分相应的拓扑表达对象，同时，利用所述拓扑表达对象将建筑内普遍存在的聚合、相邻和连通关系进行表达。

在上述方案中，作为优选，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分包括：

建筑室内空间语义要素划分模块，其用于将建筑室内空间语义要素大致划分为空间对象与构件对象，其中，所述空间对象是由多个构件组成的建筑单元，所述构件对象是构成建筑物的基本部件单元，所述构件对象与其它构件对象组合可构成所述空间对象，以此来实现建筑物的基本功能；所述空间对象包括楼层和走廊，所述构件对象包括：边界面、开口和设施；所述边界面包括：天花板、地板与墙面，所述开口包括窗户与门。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分包括：建筑室内空间语义要素模型结构模块，其用于基于抽象基类，将楼层作为一个语义概念，对建筑进行分层约束，统一组织各楼层中走廊与房间，其中，该结构单元中，将走廊要素设计为继承自房间元素，并通过“组成走廊”标签成为楼层要素的组成部分，且所述建筑室内空间语义要素模型结构中，设置了垂直设施类，所述垂直设施类用于描述连接楼层的垂直通道，所述垂直设施类继承自室内建筑设施类作为室内建筑设施的一种，且以所述垂直设施类为基类，设置有如下子类：楼梯、电动扶梯、电梯和坡道。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分还包括：建筑室内空间语义要素语义属性信息模块，其用于以信息表格的形式呈现建筑室内空间语义要素语义属性信息，并将所述空间语义要素以属性的形式按照基本信息与语义位置信息两类分别进行存储。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述建筑室内空间语义要素语义属性信息模块的所述信息表格包括：楼层相关表，其包括楼层信息表和楼层语义位置信息表，所述楼层信息表包含楼层的基本信息，其通过楼层信息类记录楼层名称与编号、楼层的高度信息、楼层所属走廊编号、楼层所属全部房间编号信息、垂直通道口编号和楼层的相对位置描述信息表，所述楼层的相对位置描述信息表通过楼层语义位置信息类实现，所述楼层语义位置信息类属性包括楼层所属建筑编号和楼层的层数信息；

房间相关表，其包括房间信息表、房间组成构件信息表和房间语义位置信息表，所述房间信息表对房间的基本信息进行保存，其通过房间信息类，记录房间的编号、房间的名称、房间的功能、代表房间的抽象节点编号和房间所属的构架信息类，其中，房间组成构件信息通过所述房间组成构件信息表进行存储，所述房间组成构件信息表记录了组成构件的编号；所述房间语义位置信息表记录房间所处的建筑物的编号、所属楼层编号、相连接走廊编号、以及与之相邻的房间编号；

走廊相关表，其包括走廊信息表，走廊在继承房间信息的基础上添加存储水平通道编号的属性；

垂直设施相关表，其包括垂直连通设施信息表、自动扶梯扩展信息表和楼梯扩展信息表，所述垂直连通设施信息表对垂直连通设施的基本信息进行保存，垂直连通设施作为基类只保存通用属性，记录其设施编号、设施名称、设施类型、设施连接的楼层编号以及代表垂直设施的垂直通道编号；派生类电梯属性继承自垂直连通设施；自动扶梯具有拓展的新属性方向用于描述自动扶梯向上或向下的方向；楼梯根据其类型不同扩展类型属性；坡道扩展有类型属性和坡度信息；

房间开口相关表，其包括房间开口信息表和房间开口语义位置信息表，房间开口通过所述房间开口信息表记录其编号、名称、长与宽和连接的房间编号，所述房间开口语义位置信息表记录所处的建筑物的编号、所属楼层编号、所属房间编号和嵌入墙面编号。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分包括：建筑对象间关联关系的分析模块，其用于围绕空间对象与构想对象展开关联关系分析，关联关系包括聚合、邻接和连通关系，具体包括三大类：空间对象与空间对象之间、空间对象与构件对象之间和构建对象与构建对象之间的关联分析。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分包括：建筑室内空间关系模型的拓扑表达模块，其引入节点与关系边来表达室内空间中的空间拓扑关系，通过设置节点用于抽象表达室内空间中的空间对象与构件对象的节点信息，通过设置关系边用来描述室内两个空间对象的拓扑关系，每条关系边都由两个代表对象的节点构成，且基于层次递进结构使得节点与关系边以显式的方式由几何的点与曲线表示；

并且，由所述关系边派生出三类基本关系：空间对象与空间对象间关系、空间对象与构件对象、构件对象与构件对象，这三类关系用于作为基础关系类对室内空间拓扑关系进行表达；

并从所述关系边中派生出通道，用于表达任意两节点之间的通路，且设置抽象通道类作为水平通道与垂直通道的通用类型出现，并存储。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分还包括：建筑室内空间拓扑关系存储结构模块，其用于对建筑室内对象之间的关联关系进行组织，以用于空间查询与室内导航应用；所述建筑室内空间拓扑关系存储结构模块包括：

聚合关系的存储结构模块，其采用树状架构，对建筑模型进行逐层分解，了解其组成结构，所述聚合关系的存储结构模块包括建筑聚合关系、楼层聚合关系、房间聚合关系与构件的包含关系，其中，所述建筑聚合关系中，通过走廊与走廊的关系表示，并以聚合属性存储在建筑要素类中；

连通关系的存储结构模块，其采用树状架构，包括建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系，其中，所述建筑连通关系中设置有垂直通道将楼层连接起来形成层间通路，所述建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系分别存储于对应的聚合关系类中；

相邻关系的存储结构模块，其包括房间相邻关系与房间内部墙面相邻关系，采用空间- 空间关系进行表达，并以相邻房间属性存储，房间内部墙面相邻关系则关注对象为墙面构件，因此应用构件-构件关系进行表达，以墙-墙属性进行存储，两类相邻关系均作为房间与其他建筑内部对象关联关系的一部分进行存储。

在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分还包括：建筑室内空间拓扑关系语义属性信息模块，其对空间拓扑关系的表达主要通过抽象室内对象的节点、抽象室内对象之间关联关系的关系边与代表建筑内部通路的通道类完成；其中，

节点信息表对节点所代表的室内对象的相关信息以及节点的信息进行存储，包括节点编号、节点名称、节点代表的对象编号、节点代表的对象类型，其中节点代表的对象类型包括房间、走廊、墙壁、天花板、地板、门、窗和通道节点；

关系边作为三个基本关系的基类通过关系边信息表存储各类关系的基本信息，包括关系编号、节点名称、包含的两节点编号和关系的类型；

三个基本关系类作为关系边类的派生类负责具体表达各空间拓扑关系，且设置有空间对象信息表与构建对象信息表保存三个基本关系类关联的两对象的信息，所述空间对象信息表中保存有空间对象的编号、空间对象的名称和与空间对象的类别所述构件对象信息表中保存有构件对象的编号、构件对象的名称与构件对象类别；

通道信息表用于存储通道基类的基本信息，存储包括通道的编号、通道的名称，所代表的对象编号，通道包含的所有路径段的编号以及通道类型。

本发明还提供面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型的构建方法，包括如下步骤：

建筑室内空间语义要素的数据组织部分的构建步骤，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分包含有楼层与走廊结构，在建筑室内设施的基础上派生出垂直设施类用来建立两楼层之间的连接，将楼层连接起来；

建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分的构建步骤，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分结合节点关系模型与庞加莱对偶理论，使用节点与边表达空间对象之间的关联关系设计与所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分相应的拓扑表达对象，同时，利用所述拓扑表达对象将建筑内普遍存在的聚合、相邻和连通关系进行表达，用于描述建筑室内空间实体间的逻辑结构以及确定相对位置。

作为优选，所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分的构建步骤包括如下步骤：

构建建筑室内空间语义要素划分模块，建筑室内空间语义要素划分模块用于将建筑室内空间语义要素大致划分为空间对象与构件对象，其中，所述空间对象是由多个构件组成的建筑单元，所述构件对象是构成建筑物的基本部件单元，所述构件对象与其它构件对象组合可构成所述空间对象，以此来实现建筑物的基本功能；所述空间对象包括楼层和走廊，所述构件对象包括：边界面、开口和设施；所述边界面包括：天花板、地板与墙面，所述开口包括窗户与门。

构建建筑室内空间语义要素模型结构模块，建筑室内空间语义要素模型结构模块用于基于抽象基类，将楼层作为一个语义概念，对建筑进行分层约束，统一组织各楼层中走廊与房间，其中，该结构单元中，将走廊要素设计为继承自房间元素，并通过“组成走廊”标签成为楼层要素的组成部分，且所述建筑室内空间语义要素模型结构中，设置了垂直设施类，所述垂直设施类用于描述连接楼层的垂直通道，所述垂直设施类继承自室内建筑设施类作为室内建筑设施的一种，且以所述垂直设施类为基类，设置有如下子类：楼梯、电动扶梯、电梯和坡道。

构建建筑室内空间语义要素语义属性信息模块，建筑室内空间语义要素语义属性信息模块用于以信息表格的形式呈现建筑室内空间语义要素语义属性信息，并将所述空间语义要素以属性的形式按照基本信息与语义位置信息两类分别进行存储。作为优选，所述建筑室内空间语义要素语义属性信息模块的所述信息表格包括：楼层相关表，其包括楼层信息表和楼层语义位置信息表，所述楼层信息表包含楼层的基本信息，其通过楼层信息类记录楼层名称与编号、楼层的高度信息、楼层所属走廊编号、楼层所属全部房间编号信息、垂直通道口编号和楼层的相对位置描述信息表，所述楼层的相对位置描述信息表通过楼层语义位置信息类实现，所述楼层语义位置信息类属性包括楼层所属建筑编号和楼层的层数信息；房间相关表，其包括房间信息表、房间组成构件信息表和房间语义位置信息表，所述房间信息表对房间的基本信息进行保存，其通过房间信息类，记录房间的编号、房间的名称、房间的功能、代表房间的抽象节点编号和房间所属的构架信息类，其中，房间组成构件信息通过所述房间组成构件信息表进行存储，所述房间组成构件信息表记录了组成构件的编号；所述房间语义位置信息表记录房间所处的建筑物的编号、所属楼层编号、相连接走廊编号、以及与之相邻的房间编号；走廊相关表，其包括走廊信息表，走廊在继承房间信息的基础上添加存储水平通道编号的属性；垂直设施相关表，其包括垂直连通设施信息表、自动扶梯扩展信息表和楼梯扩展信息表，所述垂直连通设施信息表对垂直连通设施的基本信息进行保存，垂直连通设施作为基类只保存通用属性，记录其设施编号、设施名称、设施类型、设施连接的楼层编号以及代表垂直设施的垂直通道编号；派生类电梯属性继承自垂直连通设施；自动扶梯具有拓展的新属性方向用于描述自动扶梯向上或向下的方向；楼梯根据其类型不同扩展类型属性；坡道扩展有类型属性和坡度信息；房间开口相关表，其包括房间开口信息表和房间开口语义位置信息表，房间开口通过所述房间开口信息表记录其编号、名称、长与宽和连接的房间编号，所述房间开口语义位置信息表记录所处的建筑物的编号、所属楼层编号、所属房间编号和嵌入墙面编号。

作为优选，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分的构建步骤包括：

构建建筑对象间关联关系的分析模块，建筑对象间关联关系的分析模块用于围绕空间对象与构想对象展开关联关系分析，关联关系包括聚合、邻接和连通关系，具体包括三大类：空间对象与空间对象之间、空间对象与构件对象之间和构建对象与构建对象之间的关联分析。

构建建筑室内空间关系模型的拓扑表达模块，建筑室内空间关系模型的拓扑表达模块引入节点与关系边来表达室内空间中的空间拓扑关系，通过设置节点用于抽象表达室内空间中的空间对象与构件对象的节点信息，通过设置关系边用来描述室内两个空间对象的拓扑关系，每条关系边都由两个代表对象的节点构成，且基于层次递进结构使得节点与关系边以显式的方式由几何的点与曲线表示；并且，由所述关系边派生出三类基本关系：空间对象与空间对象间关系、空间对象与构件对象、构件对象与构件对象，这三类关系用于作为基础关系类对室内空间拓扑关系进行表达；并从所述关系边中派生出通道，用于表达任意两节点之间的通路，且设置抽象通道类作为水平通道与垂直通道的通用类型出现，并存储。

构建建筑室内空间拓扑关系存储结构模块，建筑室内空间关系模型的拓扑表达模块用于对建筑室内对象之间的关联关系进行组织，以用于空间查询与室内导航应用；具体包括如下步骤：构建聚合关系的存储结构模块，聚合关系的存储结构模块采用树状架构，对建筑模型进行逐层分解，了解其组成结构，所述聚合关系的存储结构模块包括建筑聚合关系、楼层聚合关系、房间聚合关系与构件的包含关系，其中，所述建筑聚合关系中，通过走廊与走廊的关系表示，并以聚合属性存储在建筑要素类中。

构建连通关系的存储结构模块，连通关系的存储结构模块采用树状架构，包括建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系，其中，所述建筑连通关系中设置有垂直通道将楼层连接起来形成层间通路，所述建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系分别存储于对应的聚合关系类中。

构建相邻关系的存储结构模块，相邻关系的存储结构模块包括房间相邻关系与房间内部墙面相邻关系，采用空间-空间关系进行表达，并以相邻房间属性存储，房间内部墙面相邻关系则关注对象为墙面构件，因此应用构件-构件关系进行表达，以墙-墙属性进行存储，两类相邻关系均作为房间与其他建筑内部对象关联关系的一部分进行存储。

作为优选，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分的构建步骤还包括如下步骤：

构建建筑室内空间拓扑关系语义属性信息模块，建筑室内空间拓扑关系语义属性信息模块对空间拓扑关系的表达主要通过抽象室内对象的节点、抽象室内对象之间关联关系的关系边与代表建筑内部通路的通道类完成；其中，节点信息表对节点所代表的室内对象的相关信息以及节点的信息进行存储，包括节点编号、节点名称、节点代表的对象编号、节点代表的对象类型，其中节点代表的对象类型包括房间、走廊、墙壁、天花板、地板、门、窗和通道节点；关系边作为三个基本关系的基类通过关系边信息表存储各类关系的基本信息，包括关系编号、节点名称、包含的两节点编号和关系的类型；三个基本关系类作为关系边类的派生类负责具体表达各空间拓扑关系，且设置有空间对象信息表与构建对象信息表保存三个基本关系类关联的两对象的信息，所述空间对象信息表中保存有空间对象的编号、空间对象的名称和与空间对象的类别所述构件对象信息表中保存有构件对象的编号、构件对象的名称与构件对象类别；通道信息表用于存储通道基类的基本信息，存储包括通道的编号、通道的名称，所代表的对象编号，通道包含的所有路径段的编号以及通道类型。

本发明的模型基于CityGML的几何模型表达，使用ADE应用扩展技术对语义对象、语义属性信息与拓扑关系表达进行扩展。在对建筑中空间对象与构件对象总结基础上，对CityGML标准模型中未充分表达的室内对象进行补充，例如扩展了楼层概念、楼层间的垂直连通设施。模型设计了室内空间拓扑关系的数据组织模块，采用节点与关系边以显式表达方式将室内对象间的三种基本关系(“空间-空间”、“空间-构件”、“构件-构件”)作为拓扑表达基础，对聚合、连通、相邻关系以分级的方式存储在相应的空间对象属性中，提高了空间查询效率。该模型集语义、几何、拓扑信息为一体，充分描述与表达室内对象之间的空间拓扑关系，可为室内导航位置服务、室内应急等多领域提供模型数据支持。

本发明在模型的几何表达方面，本模型基于CityGML模型进行设计，其作为一种轻量化的室内模型可避免出现传统BIM中与室内导航无关的冗余信息。

本发明在空间拓扑关系的数据组织中，充分考虑建筑内部空间对象与构件对象间的拓扑关联关系，采用节点与关系边以显式表达方式将室内对象间的三种基本关系(“空间-空间”、“空间-构件”、“构件-构件”)作为拓扑表达基础，对聚合、连通、相邻关系以分级的方式存储在相应的空间对象属性中，可解决空间拓扑关系隐式存储在模型中，提取与查询较为困难的问题，提高了空间查询效率。该模型可为室内应急、室内导航与室内场景展示提供数据组织基础。

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，现提供如下的实施例进行说明：模型具体内容：

1.建筑室内空间拓扑关系模型

本发明基于CityGML 2.0标准模型中建筑(Building)主题模块的LOD4级别对建筑实体的表达方式，并使用应用扩展(ADE)技术，对标准模型中缺少的建筑内部对象与设施，如楼层、走廊、楼梯等进行补充，并对建筑内各空间对象与构件对象之间的关联关系进行扩展，构建了一个可以反映建筑内部几何、语义和空间拓扑关系的室内空间模型。该模型可在室内导航、室内漫游、应急处置等领域发挥作用。本节将从建筑室内空间拓扑关系模型概述、建筑室内空间语义要素的数据组织、建筑室内空间拓扑关系的数据组织三个部分进行介绍。 1.1.建筑室内空间拓扑关系模型概述

本发明构建的建筑室内空间拓扑关系模型(Building Interior SpatialTopological Relationship Model，BISTRM)UML图如图1所示。

模型基于原建筑(Building)主题模块进行了扩展，主要分为两个方面：语义要素与拓扑关系。

在建筑室内空间语义要素的数据组织部分：CityGML 2.0标准模型中对于建筑中的楼层概念并无体现，且未设置走廊类型，因此BISTRM模型在其基础上补充了楼层(Storey)与走廊(Corridor)结构；由于原始标准模型中对于室内设施没有进行详细划分，因此不具备专门的层间连接设施将楼层连接起来，BISTRM模型在建筑室内设施的基础上派生出垂直设施(VerticalInstallation)类用来建立两楼层之间的连接。在建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分：BISTRM模型设计了相应的拓扑表达对象，结合节点关系模型与庞加莱对偶理论，使用节点(Node)与边(Edge)表达空间对象之间的关联关系。同时，利用拓扑表达对象将建筑内普遍存在的聚合、相邻和连通关系进行了表达。

1.1.1.建筑室内空间语义要素数据组织

CityGML作为一种通用的数据标准，在其语义要素与模型结构的考虑与设计方面必然无法满足所有需求。因此，需要在设计建筑室内空间关系模型时对标准模型未考虑的空间语义要素进行设计补充。本小节将分为三部分：建筑室内空间语义要素划分、建筑室内空间语义要素模型结构与建筑室内空间语义要素语义属性信息。

1.1.1.1.建筑室内空间语义要素划分

由于建筑室内空间具有较强的复杂性，就需要对建筑室内空间的组成有全面的认识，以便更好的理清其组成部分，为室内空间的表达提供依据。本发明跟据建筑中的基本组成对象的种类，并结合室内建筑模型的语义功能进行如图2所示分类：

在建筑中室内对象可以大致分为两类：空间对象与构件对象。并根据室内建筑模型的语义要素不同进行了详细划分。空间对象是由多个构件组成的建筑单元，构件对象是构成建筑物的基本部件单元，与其它构件对象组合可构成空间对象，以此来实现建筑物的基本功能。空间对象在建筑内部最直接的表现就是楼层概念，楼层内部又包括组成楼层一个个独立房间与承担房间相连功能的水平通道，也就是走廊。构件对象主要包括三类：边界面、开口、设施。其中，边界面作为空间对象的边界约束，包括：天花板、地板与墙面。开口则是两个空间对象之间的连接媒介，通常为窗户与门。本发明通过对建筑空间结构的理解设施以保障不同楼层间连通关系的垂直通道为主，将设施概括为四类：楼梯、电梯、扶梯与坡道。

通过对比CityGML模型提供的空间语义要素类别，我们发现CityGML模型对于空间对象的认识仅限于房间，缺少楼层与水平通道的设计，在构件对象中缺少对于垂直通道的考虑。由此可见，其对室内空间语义要素的表达并不充分，在建筑室内空间关系模型设计时需要予以扩展补充。

1.1.1.2.建筑室内空间语义要素模型结构

原始标准模型中，建筑内部对于空间的概念主要由房间进行约束，众多房间彼此独立共同构成建筑内部空间。在现代城市中，室内空间相较于室外空间最显著的特点在于层次性。室内通常由不同楼层进行划分，房间则分布在各个楼层，并存在水平通道将各房间连接起来。对于建筑物的不同楼层，他们之间存在垂直通道起到沟通连接作用。

基于1.1.1.1节对室内空间语义要素划分研究，在BISTRM模型中，楼层作为一个语义概念出现，其主要作用就是作为建筑结构框架对建筑进行分层约束，统一组织各楼层中走廊与房间。在本发明模型中，楼层仅作为走廊与房间的集合概念出现，并未通过几何元素进行表达。建筑结构扩展部分的UML图如图3所示。基于抽象基类(_CityObject)，本模型设计了楼层(Storey)要素，并以“组成楼层”(consistOfStorey)的标签形式作为建筑基类 (_AbstractBuilding)的组成部分之一。房间(Room)要素作为建筑重要组成部分，在CityGML标准模型中以独立房间的形式直接包含于建筑基类(_AbstractBuilding)中，设置楼层概念后，在BISTRM模型中将其以“组成房间”(consistOfRoom)的标签形式包含在楼层(Storey) 要素中。走廊是连通各个房间的关键要素，在大多数情况下走廊也是房间的一种，因此在模型设计中，走廊(Corridor)要素继承自房间(Room)元素，并通过“组成走廊”(consistOfCorridor)标签成为楼层(Storey)要素的组成部分。

垂直通道作为连接楼层的必要设施，在本发明设计模型中以单独类型出现。在CityGML标准模型文件中，建筑物的室内设施以单一类型室内建筑设施类(IntBuildingInstallation) 设置，并无细分类别。如图3所示，建筑内部垂直设施由以下四类构成：楼梯、电动扶梯、电梯、坡道。因此在BISTRM模型中，设置了垂直设施(VerticalInstallation)类，用于描述连接楼层的垂直通道，该类继承自室内建筑设施类(IntBuildingInstallation)作为室内建筑设施的一种。以垂直设施(VerticalInstallation)类为基类，模型进行了细分设置子类：楼梯 (Stairs)、电动扶梯(Escalator)、电梯(Elevator)以及坡道(Ramp)。

1.1.1.3.建筑室内空间语义要素语义属性信息

室内空间语义要素的语义属性信息在本发明中将以信息表格的形式呈现，在模型中会以属性的形式按照基本信息(Information)与语义位置信息(Location)两类进行存储。本节将分为楼层信息表、房间信息表、走廊信息表、垂直设施(及其四类)信息表、房间开口信息表进行详细叙述。

楼层信息表包含楼层的基本信息，如表1-1所示，通过楼层信息类(StoreyInformation)，记录楼层名称(Name)与编号(ID)，楼层的高度信息(Height)，楼层所属走廊编号(Corridor)，楼层所属全部房间编号信息(Room)，层中垂直通道口编号(Vec_ID)。模型中还包含了楼层的相对位置描述信息表，如表1-2所示，通过楼层语义位置信息类(StoreyLocation) 实现，其属性记录所属建筑编号(Building_ID)。

表1-1楼层信息表

表1-2楼层语义位置信息表

房间信息表对房间的基本信息进行保存，如表1-3所示，通过房间信息类(RoomInformation)，记录编号(ID)，房间名称(Name)，房间功能(Function)，房间节点的编号(Node_ID)以及房间的组成构件信息，构件信息通过构件信息表进行存储，如表1-4所示，表中记录了组成构件的编号。房间语义位置信息表记录了房间所处的建筑物的编号(Building_ID)，所属楼层编号(Storey_ID)，相连接走廊编号(Corridor_ID) 以及与之相邻的房间编号(Adj_Room_ID)，如表1-5所示。

表1-3房间信息表

表1-4房间组成构件信息表

表1-5房间语义位置信息表

由于走廊在BISTRM模型中是房间的派生类，因此走廊继承了房间的诸多属性信息。走廊的一项重要功能是作为楼层中的水平通道。因此，在继承信息的基础上添加存储水平通道编号(Hori-Channel_ID)的属性，如表1-6所示。

表1-6走廊信息表(继承自房间信息表)

垂直连通设施信息表对垂直连通设施的基本信息进行保存，如表1-7所示。垂直连通设施作为基类只保存通用属性，记录了设施编号(ID)、设施名称(Name)、设施类型(Type)、设施连接的楼层编号(Storey_ID)以及代表垂直设施的垂直通道编号(Vert-Channel_ID)。

表1-7垂直连通设施信息表

派生类电梯(Elevator)并无需要扩展的新属性，属性继承自垂直连通设施。自动扶梯 (Escalator)涉及到方向问题，因此具有拓展的新属性方向(Direction)用于描述自动扶梯向上或向下的方向，如表1-8所示。楼梯(Stairs)是建筑中最普遍的垂直连通设施具有不同的类型，因其类型不同扩展了新的类型属性(StairsType)，如表1-9所示。坡道(Ramp) 是建筑中重要的无障碍设施，也存在多种类型(RampType)，并且具有坡度(Slope)信息，如表1-10所示。

表1-8自动扶梯扩展信息表

表1-9楼梯扩展信息表

表1-10坡道扩展信息表

房间开口作为门与窗的基类，通过房间开口信息表记录其编号(ID)，名称(Name)，长(Length)与宽(Wide)，连接的房间编号(Connected_ID)，如表1-11所示。房间开口语义位置信息表记录所处的建筑物的编号(Building_ID)，所属楼层编号(Storey_ID)，所属房间编号(Room_ID)，嵌入墙面编号(Wall_ID)，如表1-12所示。

表1-11房间开口信息表

表1-12房间开口语义位置信息表

1.1.2.建筑室内空间拓扑关系数据组织

在室内导航中，最关注的就是各建筑空间实体之间的逻辑结构与相对位置描述。建筑内部的空间拓扑关系表达就是为更好地描述各空间实体间的逻辑结构以及确定相对位置。本小节将从建筑对象间关联关系的分析、建筑室内空间关系模型的拓扑表达、空间拓扑关系模块设计三个方面进行介绍。

1.1.2.1.建筑室内对象间关联关系分析

建筑室内对象间存在广泛的关联关系，通过厘清这些关联关系可对数据进行合理的组织，有效避免产生大量的数据冗余，还能提高对建筑室内空间查询与分析的效率。

通过1.1.1.1节中对建筑室内空间语义要素划分的分析得知，建筑内部可划分为空间对象与构件对象两类。因此，在室内空间中关联关系也就围绕这两个对象展开，主要包括三大类：空间对象之间、构件对象之间、空间与构件对象间。具体的关联关系又可按照类别划分为聚合、邻接和连通。具体内容如下所述：

(1)空间对象与空间对象

空间对象与空间对象之间的关系是所有关联关系研究的重点。楼层、走廊与房间都是基本的空间对象，它们之间就包括相邻、连通与聚合关系。例如IndoorGML模型关注室内导航，重点描述房间之间的连通关系。

a)空间对象之间相邻关系：描述两个空间对象在现实世界中共用一堵墙，在三维模型中表现为共有同一房间墙实体的情况。例如，两个房间，即使其不通过一扇门相连，但由同一堵墙隔开就算做房间之间具有相邻关系。

b)空间对象之间连通关系：描述多个空间对象通过成为集合体共同组成上一等级空间对象的情况。例如，众多房间与走廊一起则可以组成楼层，楼层相较于房间与走廊是上一等级的空间对象。

c)空间对象之间聚合关系：描述空间对象之间可以通过同一个通道口在空间上无障碍联通的情况。例如，走廊的作用就是作为楼层中的公共通道以门作为通道口连接各个房间。

(2)空间对象与构件对象

通过之前章节对空间对象的定义可以得知，空间对象是由众多构件对象构成，因此空间对象与构件对象之间存在聚合关系。

a)空间对象与构件对象的聚合关系：描述多个构件对象共同组成一个空间对象的情况。例如，房间中多面墙壁与天花板、地板一起共同组成房间。

(3)构件对象与构件对象

通过对三维模型中构件对象的分析可知，构件对象之间包括包含与相邻关系。

a)构件对象之间的包含关系：描述一个构件对象中包括另一个构件对象的情况。例如，房间的门是镶嵌在房间的墙壁中的，是墙壁包含了房间门。

b)构件对象之间的相邻关系：描述两个构件对象在空间位置上是一种相邻状态的情况。例如，房间中的墙壁与天花板或地板就是一种相邻状态，墙壁本身之间相互连接也是一种相邻状态。

1.1.2.2.建筑室内空间拓扑关系表达方法

在IndoorGML模型中对建筑空间中的空间对象(CellSpace)以及空间对象的边界(CellSpaceBoundary)通过庞加莱对偶理论映射成为对偶空间中的State与Transition，其分别代表了节点关系图中的节点与两个节点之间的关系边。本发明提出的BISTRM模型引入节点与关系边来表达室内空间中的空间拓扑关系。如图4所示为BISTRM模型拓扑表达模块的UML图。拓扑表达模块通过设置节点(JunctionNode)用于抽象表达室内空间中的空间对象与构件对象(如房间，走廊，墙面，门窗等)的节点信息。设置关系边(RelationshipEdge)用来描述室内空间中两个对象的拓扑关系，每条关系边都由两个代表对象的节点构成。节点 (JunctionNode)与关系边(RelationshipEdge)的几何表达形式由GML3.0中拓扑模块的节点“gml:Node”与边“gml:Edge”进行表达。节点(Node)由几何模块中的点元素“gml:Point”进行几何表达，边(Edge)的几何表达则由几何模块中的曲线元素“gml:Curve”完成，其中曲线元素“gml:Curve”是由两个点元素“gml:Point”构成的。基于这种层次递进结构使得节点 (JunctionNode)与关系边(RelationshipEdge)在模型中以显式的方式由几何的点与曲线表示。

通过1.1.2.1节中对建筑对象之间的关联关系进行分析发现，关联关系可分为空间对象之间、构件对象之间、空间与构件对象间。归根结底，这三大类关系都可以用关系边进行表示。因此，在模型中对这三大类关系进行了描述，如图4所示，通过关系边(RelationshipEdge) 进行派生，得到三类基本关系：空间对象与空间对象间关系(Space-SpaceRelationship)、空间对象与构件对象(Space-ComponentRelationship)、构件对象与构件对象(Component-ComponentRelationship)。这三类关系用于作为基础关系类对室内空间拓扑关系进行表达。利用基础关系类对空间拓扑关系进行表达可在空间查询中对于空间拓扑关系的对象组成进行区分，实现查询的精准化。

在1.1.1.1节中对空间语义要素划分中建筑中还具有水平通道与垂直通道，从关系边 (RelationshipEdge)中派生出通道(Channel)，用于表达通道中任意两节点之间的通路。设置抽象通道类(AbstractChannel)作为水平通道(HorizonalChannel)与垂直通道(VerticalChannel)的通用类型(基类)出现，它由众多通道(Channel)构成，并以“ChannelLink”的属性存储。

1.1.2.3.建筑室内空间拓扑关系存储结构

建筑室内空间的建筑对象之间存在广泛的关联关系，如1.1.2.1节中分析所示。这些关联关系普遍存在于两建筑对象之间，但缺乏相应的数据组织无法系统地查询与应用。因此，就需要对这些建筑对象之间的关联关系进行适当的组织，以备空间查询与室内导航应用。为解决此问题，建筑室内空间关系模型中对室内空间拓扑关系设置了相关数据组织模块。如 1.1.1.1节中所示，建筑中的对象之间广泛存在三种空间拓扑关系，即聚合关系、连通关系与相邻关系。本节聚焦于这三种空间拓扑关系并依次介绍其在模型中的存储结构。

聚合关系是建筑物内最常见的一种，表现上一级对象对下一级对象的包含关系。通过在 1.1.1.1节中对室内空间的语义要素划分可知，构件对象是组成空间对象的基本单元，通常可以按照“建筑-楼层-房间-构件”的顺序将建筑物自上而下进行分解。如图5所示，在BISTRM 模型中聚合关系模块的设计分为以下四个部分：建筑聚合关系(BuildingAggregationRelationship)、楼层聚合关系(StoreyAggregationRelationship)、房间聚合关系(RoomAggregationRelationship)与构件的包含关系(Wall-Opening)。构件的包含关系(Wall-Opening)从本质上是构件与构件之间的关系，因此使用了构件-构件关系“Component-ComponentRelationship”进行表达。在房间中，门与窗通常镶嵌在墙体中，其构件之间的包含关系也属于房间聚合关系的一部分，通过“Wall-Opening”属性包含在房间聚合关系类中。房间作为空间对象之一由构件对象(墙、门窗、天花板、地板)组成，意味着房间聚合关系(RoomAggregationRelationship)可以由空间对象与构件对象关系(Space-ComponentRelationship)表达，以内部构件(internalComponent)属性存储在房间聚合关系类中，用以描述房间的构成。房间聚合关系类作为房间对象用来描述与其他对象关联关系的工具，通过聚合(Aggregation)属性存储在房间要素类中。对于楼层而言，它由走廊与房间构成，因此楼层聚合关系(StoreyAggregationRelationship)在本质上是空间对象与空间对象之间的关系，通过“Space-SpaceRelationship”进行表达。楼层聚合关系通过聚合 (Aggregation)属性存储在楼层要素类中，同时设置房间聚合(RoomAggregation)属性用来包含楼层内各房间的聚合关系。同样地，建筑聚合关系(BuildingAggregationRelationship)也采用同样的架构，由于其下一级为楼层，所以依旧通过空间-空间关系 (Space-SpaceRelationship)进行描述。由于在本模型中未将楼层视作具有空间实体几何表达的空间对象，因此建筑聚合关系中将通过走廊与走廊(Corridor-Corridor)的关系表示。建筑聚合关系通过聚合(Aggregation)属性存储在建筑要素类中，同时设置楼层聚合(StoreyAggregation)属性用来包含各楼层的聚合关系。每一级空间对象都存在对应等级的聚合关系，并包含其下一级空间对象对应等级的聚合关系，并通过三大类基本拓扑关系进行表达。采用这种树状架构，可以对建筑模型进行逐层分解，了解其组成结构，方便对模型进行空间查询操作。

在室内导航位置服务中最重要的数据莫过于建筑中可供导航的路径，也就是建筑中的连通关系，它是导航路径规划的基础。在连通关系的设计上依旧采取与聚合关系相同的树状架构，如图6所示。房间是整个连通关系的“树叶”，通常情况下是室内导航的最终目的地。门作为沟通两个空间的媒介是连通关系中的重要部分，因此采用空间对象与构件对象关系 (Space-ComponentRelationship)进行表示，并以“connectedRoom”的属性存储在房间连通关系(RoomConnectedRelationship)，值得注意的是一个门连接两个空间对象，因此使用了两个空间对象与构件对象关系表示。房间连通关系相应的存储在房间(Room)中。对于楼层而言，属性中包含有相对应的楼层连通关系(StoreyConnectedRelationship)。楼层中的走廊可以连接众多房间，其本质上是建筑中的水平通道(HorizontalChannel)，用以串联起整个楼层形成通路。除此之外，楼层连通关系还应对应的保存楼层中房间的连通情况，如图6 所示。相同地，建筑连通关系(BuildingConnectedRelationship)也包含了下一级楼层的连通关系情况。正如先前提到的建筑在垂直空间上呈现分层现象，层间会有设施进行连接。在语义要素扩展部分中的垂直设施，包括楼梯等，就是起到连接楼层的作用。因此，在建筑连通关系中设置了垂直通道(VerticalChannel)将楼层连接起来形成层间通路。采用分层分级的连通关系表达形式有助于在室内导航位置服务的寻路中对房间的位置有着更清晰的了解。

在室内导航位置服务中，相对位置描述也是不可或缺的信息。相邻关系也是在室内环境中的一种相对位置描述，在BISTRM模型中主要关注房间相邻关系(RoomAdjacencyRelationship)与房间内部墙面相邻关系(WallAdjacencyRelationship)，如图7所示。房间相邻关系由于关注房间之间的关系，采用空间-空间关系(Space-SpaceRelationship)进行表达，并以相邻房间“adjacentRoom”属性存储。房间内部墙面相邻关系则关注对象为墙面构件，因此应用构件-构件关系“Component-ComponentRelationship”进行表达，以墙-墙“Wall-Wall”属性进行存储。两类相邻关系都将作为房间(Room)与其他建筑内部对象关联关系的一部分进行存储。

1.1.2.4.建筑室内空间拓扑关系语义属性信息

如文中1.1.2.2节所描述，在BISTRM模型中对空间拓扑关系的表达主要通过抽象室内对象的节点、抽象室内对象之间关联关系的关系边与代表建筑内部通路的通道类来完成。在本节中空间拓扑关系的语义属性信息将依附于上述三类对拓扑关系进行描述。

节点信息表对节点所代表的室内对象的相关信息以及节点的信息进行存储，如表1-13 所示，由编号(ID)，节点名称(Name)，代表的对象编号(Object_ID)，代表的对象类型(Type)。其中代表的对象类型，如表1-14所示。

表1-13节点信息表

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表1-14节点所代表的对象类型表

关系边作为三个基本关系的基类通过关系边信息表存储各类关系的基本信息，如表 1-15所示，包括关系编号(ID)，包含的两节点编号(Node_ID)，关系类型(Type)。

表1-15关系边信息表

三个基本关系类作为关系边类的派生类负责具体表达各空间拓扑关系，由于其围绕空间对象与构件对象展开，因此模型设置了空间对象信息表与构建对象信息表保存三者关联的两对象的信息，空间对象信息表中保存了空间对象的编号(Space_ID)，空间对象的名称 (Space_Name)与空间对象的类别(Space_Type)。同样地，构件对象信息表中保存了构件对象的编号(Component_ID)，构件对象的名称(Component_Name)与构件对象的类别(Component_Type)。

表1-16空间对象信息表

表1-17构件对象信息表

通道信息表用于存储通道基类(AbstractChannel)的基本信息，如表1-18所示，存储包括了通道的编号(ID)，通道的名称(Name)，所代表的对象编号(Object_ID)，通道包含的所有路径段的编号(Channel_ID)以及通道类型(Type)。

表1-18通道信息表

模型效果展示：

1.建筑室内空间拓扑关系模型构建结果

在室内导航位置服务中，能够正确反映真实世界的室内空间模型与准确详实的室内空间拓扑关系是路径规划与空间查询的数据基础，本部分将对依据BISTRM模型构建的室内三维模型的式样以连通关系、相邻关系和聚合关系为类别进行展示。

1.1.BISTRM模型连通关系

模型的连通关系如图8、图9和图10所示，房间之间的连通关系由房间门为主要中间媒介构建起房间之间的连接。各层走廊作为楼层内各房间之间相互连通的主要媒介，由抽象形成的走廊线路行成水平通路，同时连接房间门在楼层内部形成房间之间的连通通路。模型中垂直连通设施主要存在楼梯与电梯，它们共同构成了楼层间的垂直通路。最终共同构成建筑内部连通路网，为路径规划提供数据依托。

1.2.BISTRM模型相邻关系

在本发明中将相邻关系具体化为房间之间的相邻关系与房间内部墙面之间的相邻关系，为说明各空间对象与各构件对象自身的相对位置关系。房间之间的相邻关系的表达结果在模型中的状态如图11所示，图12图展示了房间相邻关系的节点与关系描述。房间内部墙面之间的相邻关系的表达结果在模型中的状态如图13所示，图14展示了内部墙面之间相邻关系的节点与关系描述。

1.3.BISTRM模型聚合关系

本发明中将聚合关系细化为建筑的聚合关系、楼层内部的聚合关系与房间内部的聚合关系三类。聚合关系总体的节点与关系描述如图15所示。建筑的聚合关系是空间之间的关系，表明建筑的楼层及房间构成。楼层内部的聚合关系则解释了各楼层的具体组成房间。如图16图所示为建筑的聚合关系与楼层内部的聚合关系的节点与关系描述。房间内部的聚合关系表明了房间的构件组成，如边界构件(墙、地板、天花板)、连通构件(门)，如图17与图18所示。建筑内部的聚合关系有助于厘清建筑的组成结构，在相对位置描述与空间查询中起到重要作用。

Claims (3)

1.面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型的构建方法，其特征在于，包括：

建筑室内空间语义要素的数据组织部分，其包含有楼层与走廊结构，在建筑室内设施的基础上派生出垂直设施类用来建立两楼层之间的连接，将楼层连接起来；

建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分，其用于描述建筑室内空间实体间的逻辑结构以及确定相对位置，结合节点关系模型与庞加莱对偶理论，使用节点与边表达空间对象之间的关联关系提供与所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分相应的拓扑表达对象，同时，利用所述拓扑表达对象将建筑内普遍存在的聚合、相邻和连通关系进行表达；

所述建筑室内空间语义要素的数据组织部分包括建筑室内空间语义要素划分模块、建筑室内空间语义要素模型结构模块和建筑室内空间语义要素语义属性信息模块：

所述建筑室内空间语义要素划分模块，其用于将建筑室内空间语义要素划分为空间对象与构件对象，其中，所述空间对象是由多个构件组成的建筑单元，所述构件对象是构成建筑物的基本部件单元，所述构件对象与其它构件对象组合构成所述空间对象，以此来实现建筑物的基本功能；所述空间对象包括楼层和走廊，所述构件对象包括：边界面、开口和设施；所述边界面包括：天花板、地板与墙面，所述开口包括窗户与门；

所述建筑室内空间语义要素模型结构模块，其用于基于抽象基类，将楼层作为一个语义概念，对建筑进行分层约束，统一组织各楼层中走廊与房间，其中，该结构模块中，将走廊要素设计为继承自房间元素，并通过“组成走廊”标签成为楼层要素的组成部分，且所述建筑室内空间语义要素模型结构中，设置了垂直设施类，所述垂直设施类用于描述连接楼层的垂直通道，所述垂直设施类继承自室内建筑设施类作为室内建筑设施的一种，且以所述垂直设施类为基类，设置子类包括：楼梯、电动扶梯、电梯和坡道；

所述建筑室内空间语义要素语义属性信息模块，其用于以信息表格的形式呈现建筑室内空间语义要素语义属性信息，并将所述空间语义要素以属性的形式按照基本信息与语义位置信息两类分别进行存储；

所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分包括建筑对象间关联关系的分析模块、建筑室内空间关系模型的拓扑表达模块和建筑室内空间拓扑关系存储结构模块：

所述建筑对象间关联关系的分析模块，其用于围绕空间对象与构想对象展开关联关系分析，关联关系包括聚合、邻接和连通关系，具体包括三大类：空间对象与空间对象之间、空间对象与构件对象之间和构件对象与构件对象之间的关联分析；

所述建筑室内空间关系模型的拓扑表达模块，其引入节点与关系边来表达室内空间中的空间拓扑关系，通过设置节点用于抽象表达室内空间中的空间对象与构件对象的节点信息，通过设置关系边用来描述室内两个空间对象的拓扑关系，每条关系边都由两个代表对象的节点构成，且基于层次递进结构使得节点与关系边以显式的方式由几何的点与曲线表示；

并且，由所述关系边派生出三类基本关系：空间对象与空间对象间关系、空间对象与构件对象、构件对象与构件对象，这三类关系用于作为基础关系类对室内空间拓扑关系进行表达；

并从所述关系边中派生出通道，用于表达任意两节点之间的通路，且设置抽象通道类作为水平通道与垂直通道的通用类型出现，并存储；

所述建筑室内空间拓扑关系存储结构模块，其用于对建筑室内对象之间的关联关系进行组织，以用于空间查询与室内导航应用；所述建筑室内空间拓扑关系存储结构模块包括：

聚合关系的存储结构模块，其采用树状架构，对建筑模型进行逐层分解，了解其组成结构，所述聚合关系的存储结构模块包括建筑聚合关系、楼层聚合关系、房间聚合关系与构件的包含关系，其中，所述建筑聚合关系中，通过走廊与走廊的关系表示，并以聚合属性存储在建筑要素类中；

连通关系的存储结构模块，其采用树状架构，包括建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系，其中，所述建筑连通关系中设置有垂直通道将楼层连接起来形成层间通路，所述建筑连通关系、房间连通关系和楼层连通关系分别存储于对应的聚合关系类中；

相邻关系的存储结构模块，其包括房间相邻关系与房间内部墙面相邻关系，采用空间-空间关系进行表达，并以相邻房间属性存储，房间内部墙面相邻关系则关注对象为墙面构件，因此应用构件-构件关系进行表达，以墙-墙属性进行存储，两类相邻关系均作为房间与其他建筑内部对象关联关系的一部分进行存储。

2.如权利要求1所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型的构建方法，其特征在于，所述建筑室内空间语义要素语义属性信息模块的所述信息表格包括：

楼层相关表，其包括楼层信息表和楼层语义位置信息表，所述楼层信息表包含楼层的基本信息，其通过楼层信息类记录楼层名称与编号、楼层的高度信息、楼层所属走廊编号、楼层所属全部房间编号信息、垂直通道口编号和楼层的相对位置描述信息表，所述楼层的相对位置描述信息表通过楼层语义位置信息类实现，所述楼层语义位置信息类属性包括楼层所属建筑编号和楼层的层数信息；

房间相关表，其包括房间信息表、房间组成构件信息表和房间语义位置信息表，所述房间信息表对房间的基本信息进行保存，其通过房间信息类，记录房间的编号、房间的名称、房间的功能、代表房间的抽象节点编号和房间所属的构架信息类，其中，房间组成构件信息通过所述房间组成构件信息表进行存储，所述房间组成构件信息表记录了组成构件的编号；所述房间语义位置信息表记录房间所处的建筑物的编号、所属楼层编号、相连接走廊编号、以及与之相邻的房间编号；

走廊相关表，其包括走廊信息表，走廊在继承房间信息的基础上添加存储水平通道编号的属性；

垂直设施相关表，其包括垂直连通设施信息表、自动扶梯扩展信息表和楼梯扩展信息表，所述垂直连通设施信息表对垂直连通设施的基本信息进行保存，垂直连通设施作为基类只保存通用属性，记录其设施编号、设施名称、设施类型、设施连接的楼层编号以及代表垂直设施的垂直通道编号；派生类电梯属性继承自垂直连通设施；自动扶梯具有拓展的新属性方向用于描述自动扶梯向上或向下的方向；楼梯根据其类型不同扩展类型属性；坡道扩展有类型属性和坡度信息；

房间开口相关表，其包括房间开口信息表和房间开口语义位置信息表，房间开口通过所述房间开口信息表记录其编号、名称、长与宽和连接的房间编号，所述房间开口语义位置信息表记录所处的建筑物的编号、所属楼层编号、所属房间编号和嵌入墙面编号。

3.如权利要求1所述的面向室内导航的空间拓扑关系数据组织模型的构建方法，其特征在于，所述建筑室内空间拓扑关系的数据组织部分还包括：

建筑室内空间拓扑关系语义属性信息模块，其对空间拓扑关系的表达主要通过抽象室内对象的节点、抽象室内对象之间关联关系的关系边与代表建筑内部通路的通道类完成；其中，

节点信息表对节点所代表的室内对象的相关信息以及节点的信息进行存储，包括节点编号、节点名称、节点代表的对象编号、节点代表的对象类型，其中节点代表的对象类型包括房间、走廊、墙壁、天花板、地板、门、窗和通道节点；

关系边作为三个基本关系的基类通过关系边信息表存储各类关系的基本信息，包括关系编号、节点名称、包含的两节点编号和关系的类型；

三个基本关系类作为关系边类的派生类负责具体表达各空间拓扑关系，且设置有空间对象信息表与构件对象信息表保存三个基本关系类关联的两对象的信息，所述空间对象信息表中保存有空间对象的编号、空间对象的名称和与空间对象的类别，所述构件对象信息表中保存有构件对象的编号、构件对象的名称与构件对象类别；

通道信息表用于存储通道基类的基本信息，存储包括通道的编号、通道的名称，所代表的对象编号，通道包含的所有路径段的编号以及通道类型。