一种室内外一体化三维导航路径规划方法技术

本发明专利技术涉及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。

An indoor and outdoor integrated 3D navigation path planning method

The invention relates to the application field of GIS three-dimensional modeling and navigation, in particular to an indoor and outdoor integrated three-dimensional navigation path planning method. This method is based on the three-dimensional indoor and outdoor models constructed by CityEngine and SketchUp modeling software. The three-dimensional geometric centers and lines of navigable areas in the indoor and outdoor models of buildings are extracted, connected and integrated in turn to form a complete three-dimensional integrated indoor and outdoor navigation path network, and then used ArcGIS. Recently, facility point analysis tools are used for shortest path analysis, and geographic modeling is completed by ModelBuilder tools, through which batch path analysis is realized. The method involves the extraction and planning of three-dimensional navigation path, which provides a useful reference for the integrated intelligent navigation of robot or UAV indoor and outdoor.

【技术实现步骤摘要】
一种室内外一体化三维导航路径规划方法
本专利技术涉及地理信息系统(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。
技术介绍
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3DMAX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(ComputerGeneratedArchitecture)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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：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。本专利技术的专利技术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工具进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：危双丰，胡博，张晓钰，顾秋辰，赵天宇，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京,11