一种顾及精细层级的室内拓扑模型

黄 鸿，赵志鹏，张 磊

(广州都市圈网络科技有限公司，广东 广州 510000)

随着智慧城市建设的不断深入，建设的内容也逐渐从城市细化到楼宇，由室外覆盖到室内。据相关统计，人类在室内空间活动的平均时间达到87%，远超户外活动所占日常生活时间[1]，如何打造1个更加智慧化的室内空间是现阶段智慧城市建设面临的又一难题。

近些年，针对室内场景的研究比较广泛，成果也比较多。在数据模型方面，已经产生了集几何、语义信息于一体的三维建筑物数据模型，包括CityGML[2]、IFC[3]、IndoorGML[4]及基于这几类标准发展出来的模型等[5]。这些数据模型已作为工业标准投入使用，但是这类标准模型比较臃肿，无法满足目前Web数据浏览轻量化的要求。除了这类通用的标准规范，也有相当多的研究是针对特定的应用场景，如侧重于室内导航的室内数据模型研究[1,6-8]，这类研究更关注室内拓扑网络的组织和重建；针对可视化调度的数据模型则关注室内数据的分层分块组织[9]；室内外一体化的模型则偏重于室内场景和室外场景的连通和无缝切换[5,10]。

随着智能楼宇建设的发展，上述室内模型的研究存在两个问题：①现阶段的城市楼宇中除了主体的空间单元，还承载了大量的智能化设施设备，但在传统的室内地理模型中主要是对空间的管理，对于物的管理则显得比较薄弱，因而现阶段需要在室内模型层级上将模型的粒度也由建筑本身延伸到室内的设备/设施，以满足楼宇中设施/设备的管理需求；②现有模型比较关注室内固有空间的管理，但是大量管理的业务场景是需要对固有空间进行重新组织、划分已形成能够满足特定场景的业务单元。针对上述两个问题，本文提出一种顾及精细层级的室内拓扑模型。

1 室内语义建模

室内语义建模是衔接应用和模型数据组织的重要纽带，其主要任务是分析室内空间的实体集、各实体集的空间和属性特征，因此需要在分析应用需求和室内空间结构的基础上，明确室内场景的结构层次、空间特征及组成要素的基本类型[8]。基于此，本文将室内空间单元划分为“主体对象-连通对象-虚拟对象”3种类型的空间对象，如图1所示。

1.1 主体对象

主体对象指占据一定空间，具有明确的边界形态，具备一定的内向性、收敛性和向心性的空间单元。将室内空间按照“整体到局部”“先垂直后水平”的顺序进行空间剖分，可将主体对象划分为“楼栋-楼层-房间-设施”4个级别的层次结构。

(1)楼栋。在地理空间中每个室内场景通过建筑楼栋进行要素区分，因此从语义上楼栋是每个室内场景数据组织的基本单位，用于区分、标识每个独立的室内空间，在地理场景中具有明确的空间范围边界。

(2)楼层。在垂直方向上，楼层是室内空间结构的重要组成部分，是建筑物中用来分隔空间的水平分隔构件，它将室内空间沿竖直方向分隔成若干楼层，在逻辑概念上，向上连接楼栋，向下承载房间。

(3)房间。在水平方向上，也就是楼层空间上，通过房屋和走廊对空间进行二次划分，每个房间形成1个封闭的有界空间，房间是室内空间中最基础的有界空间单元，体现出一定的内向性、收敛性和向心性的特征[9]。

(4)设施。“楼栋-楼层-房间”三级划分只能满足室内主体空间管理需求，但无法满足目前越来越多的精细场景的管理需求，如化学药品的定位管理、智能楼宇的楼控设备管理等，从而需要划分出设施层级。设施对象是指附属于走廊和房屋，不具备空间容纳属性，但具备功能属性的一类室内元素，包括家电、仪器、设备等。

1.2 连通对象

连通对象主要为了解决空间和设备的联系和疏散问题，具备一定的空间界限，具有通透性、流动性和发散性[9]。具备容纳属性的主体对象将室内空间划分为4个级别，每个级别内的空间对象之间并不是独立的，相互之间通过连通空间或设施进行连通。楼栋之间的连通对象是室外走廊、桥梁等；楼层之间通过电梯、楼梯等连通空间进行空间连接；房间之间通过室内走廊进行空间连通；设备设施之间通过管道或管线这类线状连通对象进行连通。除了同一层级对象的连通，跨级别的连通对象之间也可以进行相互连通，如楼梯和室内走廊。

1.3 虚拟对象

虚拟对象是为了实现对室内空间单元的精细管理而抽象出来的虚拟空间，借助虚拟对象可以实现对物理空间的二次组织。如可以将多个房间划分为1个重点消防管理区域，该消防区域就可以划分为1个虚拟对象，虚拟空间对象只存储和管理对物理对象的引用，虚拟节点在概念上只属于一级主体对象-楼栋。

2 模型拓扑组织

基于上述对室内空间的语义划分，本文将主体对象、连通对象、虚拟对象作为模型组织关注的重点，并对每种类型里面包含的实体对象进行“实体-关系”建模，得到如图2所示的室内对象关系。为了能够对空间对象进行更好地管理，本文基于拓扑关系原理将主体对象和虚拟对象退化为节点，将连通对象抽象为边，将室内对象按照拓扑关系进行重新组织，得到如表1所示节点和表2所示“节点-边”关系。

节点由抽象节点类型中的公共属性组成，包含标识、节点类型、父节点、名称及所属虚拟节点，用于维护主体对象和虚拟对象之间的层级关系。父节点类型指向当前节点上一级节点的标识，如果没有上级节点则标识-1；虚拟节点指示当节点所属虚拟对象的标识，如果不存在虚拟节点，则此处默认为-1。

表1 节点

节点-边关系由抽象边类型中的公共属性组成，包含标识、对象类型、A类型、端点A、端点B、B类型、名称、虚拟节点，用于维护连通对象和主体对象之间的关联关系。A和B分别标识一条边的两端，边表存储了一条边两端的对象类型和对象标识，每个端点上既可以是节点也可以是边类型，这样就可以避免需要针对Portal类型单独从主体对象中划分出一个类型出来，此处端点类型：0表示端点类型为点类型，1表示端点类型为边类型。

表2 节点-边关系

3 试验与应用

3.1 试验环境

本文试验的硬件环境为Intel(R)Core(TM)i5-5200U CPU @ 2.20 GHz 2.19 GHz，内存为4 GB，操作系统环为64位Windows 10，压缩算法实现开发语言为JavaScript，前端加载测试浏览器为Chrome 65，前端WebGL渲染引擎为Cesium.js。

3.2 结果及分析

为验证本文提出的室内模型数据的组织方法的有效性，以图3(a)所示的建筑物为试验对象。试验分为以下步骤：①根据室内语义模型的对象划分方法对室内三维模型进行数据组织，形成以主体对象为主的室内四级结构，如图3(b)、(c)、(d)、(e)所示，分别表示“楼栋-楼层-房屋-设备”；②使用虚拟对象将二层划分为5个消防分区，以验证虚拟对象二次管理空间对象的有效性，如图3(f)所示；③基于模型的拓扑关系组织方法，在模型对象之间建立拓扑管理，并以二层的走廊为例，查找和当前走廊关联的房间对象，如图3(g)所示，以验证本文方法的有效性。

4 结 语

室内场景的数据模型是各种室内环境分析和管理应用的基础，为了满足设备管理和室内空间的二次划分需求，本文提出了一种顾及精细层级的室内拓扑模型的建模及拓扑组织方法，将室内模型构件根据“主体对象-连通对象-虚拟对象”的形式进行对象分类和拓扑建立，构建了可以满足精细管理的四层级室内场景，有效地提高了室内三维模型数据的管理效率和管理灵活度。