二三维一体化室内地图绘制系统设计与实现

　　二三维一体化室内地图绘制系统设计与实现

　　O 引言

　　 随着科技和社会发展水平的不断提高，各种建筑内部空间结构愈发复杂，人们在错综复杂的室内空间中实现导航定位，如在大型商场内快速查找目标商铺、餐饮设施、电梯、出入口等基础设施，都离不开高精度的室内地图。构建室内地图的数据来源广泛，如非视觉或视觉的仿生机器人能够精确测量距离和方位角且受环境影响程度小，便于实施、可靠性高、信息量大，但要么成本高且信息量单一，要么需要依赖复杂的图像处理技术，且得到在特征跟踪和定位的连续上存在不足的全局最优化估计；谷歌、百度、高德等知名地图供应商目前都不同程度地提供了室内电子地图功能，但这些室内地图都仅限于二维平面地图，传统的二维地图信息量有限、表现力不够和三维地图的数据处理量过大，而2.5维地图则只能显示特定角度的场景。而文献所设计的室内地图构建系统只利用了三维视角，但由于大型商场结构复杂，容易造成影像之间的遮挡，而有的功能（如路径导航）采用二维地图更为方便。因此本文基于SuperMap iObjects组件式开发系统，以CAD平面图为数据来源，参考目前室内地图构建需求分析，充分利用数字化管理技术手段以及二三维一体化技术手段，设计并实现了一套具有特殊数据结构方式，表达方式更高，信息表现方式准确，制图风格独特的专门针对内部空间结构特殊且复杂的不同类型大型建筑的二三维一体化室内地图绘制系统，将二维与三维有机地结合在一起，实现二三维一体化显示，最大程度还原真实空间的原貌，使得用户形成对整个建筑物内部真三维空间的全面了解，同时也可以根据自己的需求寻找到与目的地间的最短路径，从而更好地服务于用户。

　　l 系统设计

　　 本系统自上而下分为用于用户操作、查询的人机交互层，作为系统运作核心的功能模块层，提供软硬件与技术支持的支撑层与存储、管理数据的数据库，将预处理过的平面图导入数据库中，利用快速绘图工具中提前加入的数据集完成矢量并符号化，此时就可以进行三维场景可视化，接着添加商铺属性信息和连通信息，完成二维地图中的拓扑关系，就能够进行路径分析，最后所有成果都可以输出。

　　1.1 系统功能设计

　　数据建库模块主要完成工作空间与数据库的建立，利用模板构建室内地图数据集。在建立数据库时可以利用数据集模板，建立指定模板数据集后即可根据模板创建数据集，创建的数据集属性表结构和大部分属性都与模板数据集一致，能够有效避免人工建库时产生的错误。

　　地图绘制模块包括二维地图绘制模块与二三维地图联动模块，主要是将平面图中的地物信息进行表达，将点、线、面矢量化，从而完整地表现出平面图中的建筑信息。本文所开发的室内地图构建系统，可以设计出适应室内地图的多种平面图形，还可以帮助地图绘制人员较为快捷地绘制室内地图并完成室内地图的符号化。在属性编辑窗口中可以修改所绘制矢量的属性字段，按实际建筑高度进行添加其高度字段，也可以修改地图数据集的其他属性，提高绘制的快捷性、准确性、美观性。

　　 符号化模块可以通过利用图层控件窗口中的符号编辑器，导入预先设计好的、针对室内地图的符号库，为不同商铺选择预设的数据集，省去在绘图过程中单独设计针对室内地图要素符号的繁琐步骤，使绘图过程更加便捷，制图风格更加规范。室内地图二三维一体化展示模块可根据商场内部不同建筑的高度字段平面地图进行三维显示，并将建立的三维模型实时展示在三维场景中，方便用户在二维和三维场景中同时进行浏览查询。

　　 空间分析模块的设计主要是针对突发事件考虑的，如遇突发火灾、踩踏等重大事故时，可以利用空间分析根据二维地图生成的道路网络进行导航路径提取。以绘制二维地图为基础，根据商铺、电梯、出入口等可导航的建筑设施点数据集生成室内导航网络，并对该网络进行最佳路径分析，为营救提供重要依据。路径分析实际是指在指定的网络上查找一条依次经过若干指定路由点，达到成本最小（包括距离成本最小、时间成本最小等）的路径分析。

　　 地图输出模块将当前地图和场景窗口中可见的要素输出为多种位图格式的图片，并支持打印。

　　1.2数据库设计

　　 传统数据库管理系统存在着不足，其实体类型较为单一，实体间的关系也相对简单，而地理信息系统的数据库的实体类型多，且实体间有着复杂的空间关系；传统数据库只查询数字和文字信息，而空间数据库需要进行大量的空间数据操作和查询。与传统文件方式相比，空间数据库有着明显的技术优点，包括海量数据管理能力、图形和属性数据一体化存储、多用户并发访问等。因此本系统使用空间数据库存储室内地理信息，空间数据库主要由基础地理数据库和地图数据库构成，非空间数据库主要由业务数据库组成。基础地理数据库主要存储和管理各种基础地理数据，是GIS应用软件的核心。

　　 UDB文件型数据库中所存储的矢量数据为静态数据，因此本系统采用R树索引。R树空间索引通过设置包含空间对象的矩形，将一些空间位置相近的目标对象包含在这个矩形内，把这些矩形用作索引。在进行空间查询时，首先判断哪些矩形处于在查询窗口内，进而再进一步判断和确定需要被查询的内容，从而提高查询效率。

　　 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、数据库模型和标准，以满足室内空间应用的要求。本系统以某大型购物中心为例，设计了适应室内地图特点的数据结构，采用UDB数据库中的点、线、面数据集来表达不同类型的空间对象。采用数据集的存储方式，能够完整表达室内不同类别建筑信息的要素类，以及每个要素类所对应的属性字段名称，含义、类型等必要信息。本系统设计的地图数据库包含商场购物中心中各种类型的地物。室内地图与室外地图所表达的地理要素不同，例如购物商场中，用户更关心店铺的位置信息、属性信息，服务台、收银台、电梯等设施的位置关系、电梯可通达的楼层，商场内道路的连通性等信息。因此，针对大型商场的特殊需求，将商场内部建筑和设施合理地分为七类，每个大类中分别利用点、线、面数据集进行合理的表达，从而实现对平面图数据的数字化分类存储，并以梯类为例．表明数据结构。

　　2 系统实现

　　本系统经过反复测试、修改，最终以某大型商场平面图数据成功绘制出此商场的二三维一体化地图，相较于之前的室内地图构建系统，本系统专门针对于构造复杂的大型商场，成本低廉、针对性强、操作简单快速、数据获取方便，而且生成的可视化地图美观、直接，还支持打印输出，方便后续浏览和地图发布。

　　2.1 系统技术

　　 本系统基于SuperMapiObjects组件式开发技术，采用Realspace控件，引入真空间GIS概念，使二维与三维GIS技术有机结合，减少了数据存储的冗余，还包括二维与三维在数据模型、数据存储方案、数据管理、符号、可视化和分析等诸多功能。而且与传统文件方式相比，本系统所使用的空间数据库技术优点明显：适合室内地图数据特点、能够实现海量数据管理、完整保存信息、让图形和属性数据一体化存储，并实现多用户并发访问等。本系统采用SuperMap最新的SuperMap SDX+空间数据引擎存储和管理空间数据．UDB文件型数据库可以对不同数据集进行组织．UDB引擎采用开源桌面数据库SQLite存储属性数据，二进制文件存储空间数据。

　　2.2 系统主界面

　　 系统界面上部为工具栏，下方空间分为七个区域，分别是展现工作空间所保存的数据内容和提供管理工作空间的界面互操作功能的工作空间管理器；管理地图或者场景中的图层的图层管理器，当图层管理器关联地图时，图层树是一个二维图层树，此时该控件对应LayersTree类，当图层管理器关联场景时，图层树是一个三维图层树，此时控件对应Layer3DsTree类；对地图进行显示、可视化编辑的MapControl;通过手动添加，对地图进行平移、缩放操作的地图导航控件：对三维模型的进行可视化表达的SenceControl。其中，工作空间管理器和图层管理器均采用树状结构，易于显示操作。

　　2.3 数据库建库模块

　　 该系统利用工作空间对UDB文件型数据库进行管理，每个工作空间可以支持同时打开多个UDB数据库，利用UDB数据库对表示建筑设施的数据集进行组织管理。在建立数据库时，首先建立指定模板数据集，随后即可根据模板创建数据集，所创建的数据集属性表结构及属性都与模板数据集一致，例如投影信息、字符集、值域等，从而使得建库过程便捷快速，同时也避免了人工手动建立数据库所造成错误。本系统所采用的数据为CAD平面图，建筑平面图与室内地图的需求有较大差别，所以数据库建库模块负责将CAD格式转换为本系统可操作数据类型，包括数据预处理与转换两部分。

　　2.4二维地图绘制模块

　　 该系统设计了构建室内地图的工具，可以进行二维的矢量绘制以及地图符号化表达并进行空间查询访问与编辑，针对室内地图的特点设计了包括绘制点、直线、折线、自由线、贝兹曲线、平行线、多边形、矩形、圆角矩形、三点圆、文本、沿线注记文本、增加节点、移动节点功能，添加了捕捉的功能，方便绘图人员快速准确进行矢量化，通过点击触发事件，完成访问、编辑POI兴趣点、道路、商铺等。绘制工具栏，绘制过程，同时可以使用Textbox控件将当前绘制状态实时输出。

　　2.5二三维地图联动模块

　　 二三维一体化展示模块可以将所绘制的二维地图实时在三维场景中拉伸显示，同时二维场景可以与三维场景进行联动显示。当用户激活二三维联动显示功能时，鼠标在二维窗口中漫游、缩小或放大地图时，与之绑定的三维场景视图窗口也将随之移动并自动变化到相应的显示范围。鼠标在三维场景中漫游、旋转倾斜视角、放大或缩小时，二维窗口也会与之进行相应的联动变化。根据当前的视图范围计算场景视图中相机的高度，当地图重绘、刷新时，分别触发不同事件，控制三维场景的可视效果也相应变化。

　　2.6快速符号化模块

　　 本系统设计了快速并完成符号化的工具，可利用预设好的商场专用符号库，通过符号选择器快速添加商铺专用Logo并导入到符号系统中，实现统一风格的快速符号化制图。

　　2.7输出模块

　　 本系统添加了可将地图按不同格式进行输出的工具，可以将二维地图输出为BMP、JPEG,透明背景的PNG、不透明背景的PNG，将三维场景输出为JPG，方便后续的浏览和地图发布。

　　3 总结与展望

　　本文通过分析当前室内地图的发展现状及室内地图的研究背景，开发出基于平面图的室内地图快速构建系统，该系统结合室内空间结构和信息的特点对平面图合理优化，建立了适应室内地图特点的数据结构和存储方式；设计出快速构建室内地图并完成符号化的制图工具，增强了系统的可用性；设计出可以将室内地图二三维一体化展示的平台系统，使展示更加逼真；新增了对构建的室内地图进行分析与应用的功能；添加了可将地图按不同格式进行输出的工具，系统功能较为完善，可以投入到实际使用当中。在系统的具体功能实现过程中，使用国内主流的SuperMap iObjects组件式开发平台，采用SuperMapiObjects. NET的9D版本进行开发。

　　 尽管本文中的系统具有一些实用和特色功能，但仍存在有待进一步改善的地方，例如系统的空间分析功能还不够全面，仍需继续丰富其功能；导航路径网生成过程中的自动化程度较低，对于导航网络的自动化提取还需进一步研究。

　　                                     摘自《工程勘察》2020年第48卷第2期