一、引 言

随着定位技术、导航技术和可视化技术的发展，位置服务领域逐渐由宏观向微观演进，定位导航技术开始由室外转向室内。室内地图服务的基础是能够提供室内空间位置信息的室内地图，与室外地图相比，其在小区域内反映相同平面坐标系下不同高度上的人工构筑物的内部元素，比例尺大、精度要求高，特别是对高程信息的表达，是显著区别于室外地图的特点。针对室内地图的特点，研究室内地图通用或标准的表达方式，以支持大型场馆建筑的室内定位服务，显得尤为重要。本文针对室内楼层规划图原始数据(通常采用的是AutoCAD格式)，采用ArcGIS软件为数据处理平台，提出了室内地图设计研究中涉及的相关问题和主要制作流程，以实现室内楼层规划图原始数据在移动设备上的室内定位导航地图服务功能。

位置服务并不是新鲜事物，基于现有电子地图，并结合GPS定位技术，为人们的日常出行提供了完善和便捷的定位导航服务。但是，现有电子地图表示的都是室外区域，当将其延伸到室内领域时，碰到了两个难题：①传统的GPS定位技术在室内环境下无法正常工作^[1]；②传统的定位导航地图均是平面地图。但是对于室内场馆，不仅具有平面坐标系统，而且高程系统也同样重要。同一楼层内具有水平交通，楼层间也具有竖向交通，如何解决立体地图的设计并实现立体交通的导航是室内位置服务急需解决的难点之一。本文对后者进行研究，并提出解决方法。

与室外空间相比，室内空间具有自身特点：①室内空间是一个三维空间，各楼层具有不同的高程信息；②室内空间中交通更加复杂，垂直方向上，多层建筑楼梯、电梯形成了楼层间复杂的道路连通关系。

针对室内空间的特点，许多学者进行了研究。A.S.Nossum设计了一种室内管道地图，利用拓扑关系来表达室内空间，提出了室内两种视图：平面的二维视图和透视图，不同楼层分开定位，等同于在三维现实中的楼层定位^[2]。陶嘉明基于ArcGIS设计了室内地图服务系统，室内地图采用分楼层、分区域的传统二维平面图表示方法，重点通过地图资源的动态载入和位置信息表解决多层地图结构问题^[3]。考虑到室外地图与室内地图服务的无缝对接，以及路径导航全局概要与局部细节的兼顾，本文采用如下策略：

1) 地图表达采用二维平面图与三维透视图相结合的方法。平面图中用属性的形式包含高程信息，平面图和透视图具有相同的地理空间坐标系统。

2) 定位导航功能包含两部分：平面图上的水平路径导航，图层间相对独立；透视图上的三维立体路径导航，具有总览性。

3) 地图的显示采用比例尺控制，实现三维到二维的无缝转换。在小比例尺情况下，显示室内三维地图具有全局性；当放大比例尺到阈值时，转换为二维平面图，通过当前鼠标所在位置来确定楼层并调入相应的平面图，具有局部细节性。

根据上述的室内地图表达和定位策略，需要准备的数据有：各楼层的二维平面地图、二维网络数据集；建筑物的三维透视地图、三维网络数据集。本文以招商大厦地下车库为例，结合ArcGIS软件，对室内地图表达设计进行了研究，其流程如图 1所示。

图 1 室内地图表达设计流程

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室内地图信息密度高，需要更加精确完备的符号系统才能有效地表达室内空间信息。Weisman定义了4个影响寻路的变量：视觉通视性、建筑的可区分性、楼层平面的复杂性、标识系统和房间号^[4]。本文通过颜色、填充的符号、文字注记等方式组合来实现室内空间信息的有效表达。

分析室内建筑的类别，并对其进行分类，为每一类建筑分配一种颜色，从而实现建筑的可区分性。例如，本文中的试验数据是招商大厦地下车库，通过分析可对其中的待区分建筑按功能分为以下几类：停车位、出入口(楼梯、电梯和车行出入口)、办公室、设备井、公共活动室(餐厅、厕所、淋浴间、休息室)、通道，分配的颜色分别为黄绿、浅蓝、石绿、桔粉、玫红和肉粉，如图 2所示。通过颜色的配置可以实现建筑物的区分，用户能够一目了然地发现各个不同功能的建筑区域。

图 2 赋值了颜色的室内区域

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但是，仅仅通过颜色只能区分不同的建筑区域，还不能给用户确切的定位提示，因此还应利用地图符号和注记，使地图具有可阅读性，根据地图表示的空间信息实现定位、导航功能。

在停车场中，停车位是一个非常重要的标识，而且数量众多，为了在地图上明确表示，采用点符号和注记共同表示，点符号表达的信息为该建筑区域为停车位，注记补充说明停车位编号信息。出入口也采用点符号和注记的形式进一步区分出楼梯、电梯和车行出入口区域，如图 3所示。

图 3 地图表达符号设计

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室内地图设计中要充分利用一些约定成俗的标识，设计的符号与建筑物中的标识保持一致，并注意路线重要决策点处的地标性物体在地图上着重表达，将更加有利于用户方向、方位的认知。

相对于室外电子地图来说，室内电子地图包含的地理信息比较少，可以直接在GIS软件上规划路径信息，创建导航电子地图。首先，在现有图层的基础上建立一个线要素图层，在该图层上添加所有路径信息，实现每个房间、车位等所要到达地点均有路可寻。为了后续的三维转换，每条线要素都存储了高程属性。

道路图层建立完毕后，利用ArcGIS软件中的ArcCatalog创建并生成网络数据集，该网络数据集在创建时不考虑高程信息。网络数据集中包含一个点图层和一个线图层，通过两个图层，将每个逻辑上不相关的路径信息结合到一起，形成路径连通网，从而实现导航。通过GIS软件制作加入网络数据集之后的招商大厦负一层电子导航地图，如图 4所示。

图 4 招商大厦负一层导航电子地图

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通过三维视图可以深入了解通过相同数据的平面地图不易觉察的内容，特别是在室内情况下，可以为用户提供更为全面和直观的多楼层间的空间信息关系。利用ArcGIS提供的三维分析工具，可以将带有高程信息的平面要素转换为三维要素，然后将不同楼层的同类要素合并到一个图层中，并按楼层进行子类划分。在三维模型中，所有的要素都具有X、Y和Z坐标值，因此在平面视图中具有相同平面坐标的要素在三维视图实现了区分识别。利用ArcScene建立车库三维模型，如图 5所示。

图 5 招商大厦车库三维模型

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基于三维要素进行定位导航，需要以三维网络数据集为基础。三维网络数据集的建立包含两部分，分别为楼层内的水平路径规划和楼层间垂直路径规划。楼层内水平路径规划可以在二维平面道路层的基础上制作，基于高程属性值将各楼层的道路图层转化为三维要素，并将所有楼层的数据合并到一个图层中，即可得到三维的楼层内水平道路图层，如图 6所示。

图 6 楼层内的水平路径

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楼层间的垂直路径在三维网络数据集中十分重要，保证了楼层间的相互连通性，需要单独建立。楼层间的路径是通过楼层间的通道实现的，如楼梯、电梯、车辆入口等，可以通过建立出入口点图层，然后根据点图层的定位信息，新建三维折线图层，根据实际情况用折线连接楼层间的出入口，建立垂直路径。这样建立的垂直路径能够保证与水平路径的精确连接，减少错误。图 7显示了基于楼层出入口建立的垂直路径。

图 7 楼层间的垂直路径

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楼层内的水平路径和楼层间的垂直路径图层建立完毕后，利用ArcCatalog生成网络数据集，注意创建时高程模型应考虑“使用几何Z坐标值”选项，这样才可建立三维网络数据集。

室内导航的终端设备一般是移动智能手机，受本身硬件条件的限制，存储空间有限，因此对于占用内存较大的三维数据可以放到本地服务器上，用户发送导航请求获取起终点之间的最短路径，发送给用户。当用户获得路径导航的概要图，进行放大观察时，可以根据比例尺阈值及其当前点坐标转换到二维平面视图中，二维平面数据可以存储在手机终端上，从而加快数据显示和加载的速度。图 8展示了根据用户输入的起终点位置在三维透视图中实现的最短路径导航功能，并能够对三维导航地图进行放大、缩小、变换视角漫游。当放大比例尺达到预设的阈值时，将自动转换为二维平面视图，如图 9所示，展示了图 8中的路径在负二层中的部分，同时也支持放大、缩小、漫游等功能，为用户提供更为翔实的定位提示服务。

图 8 三维室内导航地图

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图 9 二维平面楼层导航地图

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随着室内位置服务的兴起，室内地图的研究必然引起人们的重视。充分认识室内环境的空间特点，并借鉴室外地图丰富的研究成果，可实现室内与室外一体化的导航地图。本文讨论了室内三维与二维导航地图一体化的相关技术，笔者认为随着三维一体化思想和可视技术的日趋成熟，地图服务在室外与室内将混然为一体，室内的位置服务将实现“三维建筑整体→二维楼层平面→三维室内场景”的目标。