一种基于手机端的室内外场景识别方法及其初步实验-毕京学.pdf

《一种基于手机端的室内外场景识别方法及其初步实验-毕京学.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于手机端的室内外场景识别方法及其初步实验-毕京学.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第33卷第3期2017年5月地理与地理信息科学Geography and GeoInformation ScienceV0133 No3May 2017doi：10 3969jissn，16720504201703009一种基于手机端的室内外场景识别方法及其初步实验毕京学1，汪云甲H，甄杰2(1。中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116；2中国测绘科学研究院，北京100830)摘要：场景识别是室内外无缝定位技术的研究重点，场景识别的好坏决定了位置服务用户体验的优劣，已有室内外场景识别研究方法存在数据冗余和计算复杂度高的问题。鉴于此，该文提出一种基于手机端的室内外场景识别方法，利用智能手

2、机获取GPS卫星高度角、信噪比和卫星数目，通过分析上述实验数据的相互作用影响，得到基于截止高度角、信噪比阈值和GPS卫星数目阈值的室外到室内场景识别判定依据，实验证明，该判定依据可有效区分室外、室CbN室内过渡区域和室内场景。为得到普适的室内外场景识别方法，该判定依据需在其他场景进一步验证。关键词：室内外无缝定位；场景识别；GPS；高度角；信噪比；卫星数目中图分类号：P2284 文献标识码：A 文章编号：1672-0504(2017)030048-040引言现有的室内外无缝定位技术多数是将全球定位系统(Global Positioning System，(沼S)定位技术与无线局域网(Wirel

3、ess Local Area Network，AN)或无线保真(Wireless Fidelity，WiFi)E卜4、无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)。5、惯性运动传感器6、低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)7、超宽带(UltraWide Band，UWB)E8 lo、ZigBee11、无线通信系统(Indoor Messaging System，IMES)1幻等辅助定位技术相结合，从而实现室内外无缝定位。衡量一种无缝定位技术的优劣，主要依据普适覆盖率、室外定位精度、室内定位精度、已有基础设施覆盖率、终端对定位技术支持率、定位

4、技术切换的自主性、平滑性以及可靠性等r1。定位技术自主平滑切换的关键是场景识别技术，场景识别的好坏决定了用户体验的优劣。室内外场景识别是室内外无缝定位实现的关键技术，通过判定室内或室外场景选择不同的定位技术，室外场景采用GPS定位技术，室内场景进行辅助定位。胡旭科等1依据GPS卫星数目和无线热点(Access Point，AP)个数进行室内外场景识别，为减少室内和室外重叠区域(室外到室内过渡区域)反复切换和误判提出了alphacount机制，但某些室内环境(如大厅、窗边等)可以获取不小于lo的GPS卫星数目，仅依据数目去判定存在误判；马燕等L4提出了利用GPS卫星数目是否大于4和AP数目确定定

5、位环境与定位方案的方法，同样未考虑室内很多区域存在较多可视GPS卫星的情况；蒋超131提出了借助GPS卫星数目、运动姿态、光照强度的室内外场景识别方法，而运动姿态与室内外场景识别的相关性较弱，增加了计算复杂度；阮锦佳等143提出了一种轻量级的基于支持向量机(Supported Vector Machine，SVM)多分类器室内外场景检测算法，通过分析可见光、地磁、加速度、陀螺仪和气压计等传感器数据设计分类器，该方法普适性高，有95以上的室内外判定准确率，但是存在较严重的数据冗余。文献E15，16利用基于模式识别的图像处理方法进行室内外场景识别，但是该方法需要手动交互，计算复杂度非常高，普适性受

6、到较大限制。本文利用智能手机集成的GPS模块，分别获取室内和室外场景下的GPS卫星高度角、信噪比，提出了利用截止高度角、信噪比阈值和GPS卫星数目进行室外到室内场景识别的方法，可有效识别测试区域的室内场景、过度区域和室外场景。1室内外场景识别原理在室外场景下，GPS信号到达地面的强度约为一160 dBm，很容易被GPS接收机捕获，并进行相应的跟踪、解码等后续处理。但是，在室内、矿井、巷道、森林和城市等很复杂的室内场景下，GPS信号在传播路径上会产生穿透、反射、绕射、散射现象，造成信号损耗、衰减、多径效应等；GPS信号在能量上严重削弱和衰落，在到达时间上有较大延迟，信噪比收稿日期：201 61

7、212； 修回日期：201 703_09基金项目：国家重点专项“室内混合智能定位技术”(2016YFt502102)；江苏省普通高校学术学位研究生创新计划项目(KYINl6_0544)作者简介：毕京学(199l一)，男，博士研究生，主要从事室内外无缝定位研究。*通讯作者E-mail：wyj4139163com万方数据第3期 毕京学，汪云甲，甄杰：一种基于手机端的室内外场景识别方法及其初步实验 第49页降低m。因此，在室内环境下GPS卫星信号非常微弱，定位精度和定位可靠性降低，甚至无法定位。GPS定位属于空间后方交会，至少需要4颗卫星才可以解算得到唯一位置，可依据GPS卫星可见数目将定位区域分为

8、室外场景、室外到室内过渡区域和室内场景(图1)。；：内场景 、圳室外场景Hili越盖区域幸外到室内丘上渡区J喊图1室内外场景区域分类Fig1 The classification of indoor and outdoor scenes2室外到室内场景识别存在的问题利用手机实测发现，从室外进入室内后5 S，可见卫星数小于4颗，在室内距门10 rfl处仍有12颗可见卫星，且有纬度和经度信息输出，但是定位数据可靠性很差；在室内窗口处开启GPS模块，30 S左右可以观测到4颗甚至更多颗卫星，有经纬度信息输出，但定位误差较大1 8。引入系统外的辅助信息(搜索到AP个数、当前温度、湿度、光照强度、地磁强

9、度等)参与判断会增加系统复杂度。综上，室内外场景识别存在的问题包括：1)室内外场景识别不敏感，有时间延迟；2)室内外场景识别普适性较差；3)室内外场景识别误判率较高；4)室内环境下的特殊区域可观测到不少于4颗卫星。3实验及分析31实验描述大多数商场、单位、学校办公楼等都有玻璃门或玻璃幕墙，将实验场地选择在中国测绘大厦办公楼南门人口处，该楼地上建筑27层，外围有约15 m的裙带楼，东、北方向均有高楼。实验设计为在距离入口24 m到室内96 m的规定路径上，由于老年人和年轻人的平均步行速度为1015 ms1 9|，故以12 m为采样间隔。使用红米Note4G手机，在图2所示点位以1 Hz采样频率分

10、别测试1 min，并记录卫星号、高度角、信噪比、历书、星历、参与位置解算情况用于后续分析。32实验数据点0处有20颗GNSS卫星，以部分数据为例套 走咏 室图!实验场地示意Fig2 The schematic diagram of the experimental site(表1)，包含GPS卫星(1、7、30、32)、GLONASS卫星(41、85)和北斗卫星(201)数据，其中，历书、星历数据存在用1表示，不存在用0表示；卫星参与位置解算用1表示，未参与用0表示。由于Android系统和手机制造商没有开放GLONASS和北斗卫星定位的开发接口，不同的手机GNSS定位模块对导航卫星星座的编号

11、不一致，因此，大部分GLONASS和北斗卫星未参与手机位置解算，其历书、星历数据为空(表1)。因此，后续研究仅依据GPS卫星数据进行分析。表1 GNSS卫星状态数据ThbIe 1 The data of GNSS satellite status1 720 367 l 1 17 340 416 l 1 130 510 379 1 l 132 170 358 1 l 141 00 369 0 0 085 410 391 0 0 01竺! !：竺 i!：竺 ! 竺 133实验分析统计室外到室内的平均卫星数(图3)，在起始点处卫星数为10颗，在室外距门口3 m处卫星数为8颗，而在室内距门口10 IT

12、I内最小卫星数为3颗。因此，单纯依靠GPS卫星数目是否大于4的原则无法有效地区别室内和室外环境。图3 GPS卫星数目的变化Fig3 Change of the number of GI】s salelliles万方数据第50页 地理与地理信息科学 第33卷331截止高度角对GPS卫星数目的影响 在室外GPS测量中，为保证定位精度，通常将卫星截止高度角设为15。，因此，分析截止高度角从15。增大到30。时GPS卫星数目的变化情况。如图4所示，虚线左侧为室外场景，虚线右侧为室内场景，可以看出，在室外距门口6 m外区域内(即O15号点)，截止高度角为15。时至少有5颗卫星，随着角度增大，该范围的GP

13、S卫星可见数目逐渐减少，截止高度角为30。时卫星数目最少为3颗；在室外距门口6 m内区域内(即1520号点)，截止高度角为22。、26。和30。均有2颗卫星，截止高度角为15。时卫星数目不小于3；在虚线右侧，即室内区域，所有卫星可见数均小于3。截止高度角分别为15。、22。、26。和30。的4幅图变化趋势较明显；截止高度角对室外环境下GPS卫星数目影响较大，而室内环境下变化趋势基本相同。因此，截止高度角的变化对室外场景的GPS卫星数目影响较大，对室内场景的GPS卫星数目影响较小；当截止高度角为15。时，GPS卫星数目与区域具有较明显的映射关系，为保证复杂条件下室内外场景识别的可靠性，选择截止高

14、度角为15。一 截止高度角=15u 一 截止高度角=160 一 截止高度角=1 7a 一 截止高度角=侣。蓄ii|。、 蓄if。、。蔷1；iw、书 蓄；l叫、hH”矿有商南 r-4。卜百五_P-4。矿有丽一0 H。r有商苟懿箧篓o I黑号2D 30雏箧瑟o 1量号刃 弼辩送墨懿隧10 10，20 jo=皿 截止高度角=24。鲋f、型乱：这1 0 10 20 二占昙仃丌 戡止高度角：28。蕾1；选懿簋羔血 截止高度角=28。鞘【!坚选鹳鬟笺图 截止高度角对卫星数目的影响Fig4 Influence of elevation mask angle on GPS satellites number3

15、32信噪比阈值对GPS卫星数目的影响 信噪 目均不小于4；1620号点区域内，除SNR为20比(Signal Noise Ratio，SNR)是电子设备或者电子 dB的18号点卫星数为4外，其余卫星数目均为3；系统中信号与噪声的比值，通常描述信号质量的好 2l28号区域内卫星数均小于3。第二组：SNR为坏，信噪比数值越大，噪声越小。图5为信噪比阈值 2328 dB。o15号点区域内，所有图像的卫星数从20 dB递增到28 dB的GPS卫星数目变化情况， 目均不小于4；t620号点区域内，所有图像的17将图5分为两组进行比较分析。第一组：SNR为 号点卫星数为2，其余卫星数目均为3；2128号区

16、2022 dB。015号点区域内。所有图像的V旱数 域内可旱数日快速减为0 7垂1；X蓍1i譬1；X薹1i垂1；|=过垂1；二过萎1；二垫蚕1i蔓，蠢1；=二过每j罨 每号 曛号 囊号图二 信噪比阈值3I可见卫星数目的影响Fig5 Influence of SNR threshold on GPS satellites number通过分析发现，信噪比对室外环境下可见卫星 为保证复杂条件下室内外场景识别的可靠性，选择数影响较小，对室内环境下可见卫星数影响较大，室 SNR阈值为21 dB和25 dB。内环境下可见卫星数快速降为0，两组图形反映的 34高度角和信噪比对GPS卫星可见数的影响可见卫星

17、数目变化与区域也有较明显的映射关系， 综上，截止高度角对室外场景GPS卫星数目影腾一一一腾一f一器；：)皿骚吲叫皿赧删引皿辍删叫万方数据第3期 毕京学，汪云甲，甄杰：一种基于手机端的室内外场景识别方法及其初步实验 第51页响较大，在室内外交又区域和室内场景GPS卫星数目主要受信噪比的影响。为平滑、准确地识别室内外环境，提出以截止高度角、信噪比阈值和GPS卫星数目阈值为判定依据。表2室内外场景识别经验阈值条件,nN定依据Table 2 Empirical threshold conditions and judgmentsof scene recognition from outdoor to

18、indoor4结语本文提出了一种以截止高度角、信噪比阈值和卫星数目阈值为判定条件的室内外场景识别方法，可以识别室外场景、室外到室内过渡区域、室内场景。由于实验分析仅在测试区域进行，未在其他区域进行验证，提出的判定依据普适性不强。后续工作将引入卫星几何精度因子(Geometric Dilution ofPrecision，GDOP)和机器学习进行研究，以建立普适性强的判定模型，并开发融合场景识别的室内外无缝定位软件。参考文献：Ell胡旭科，尚建嘎，古富强，等融合(乎s与Wi Fi的室内外无缝定位原型系统研制J小型微型计算机系统，2014，35(2)：428-432E2 RICHTER P，TOI

19、。EDANO-AYAI，A M，s()T()-ZARAZUA GM，et a1A survey of hybridisation methods of GNSS and wireless LAN based positioning systemJJ AmbIntelSmartEn，2014，6(6)：723738r3 CHENG J。YANG I，II Y，et a1Seamless outdoorindoor navigation with WIFtGPS aided low cOSt Inertial Navigation SystemJPhysCommun-Amst，2014，13：31

20、434马燕，袁蔚林，陈秀万，等基于WiFi与GPS组合定位算法的无缝定位方法研究J地理与地理信息科学，2013，29(3)：69，165武吴然GPS和无线传感器网络融合定位算法研究EJ计算机仿真，2009(11)：1451486谭兴龙惯性导航辅助的无缝定位改进模型研究D徐州：中国矿业大学，20147CHENG R S，HUNG W J，WANG J S，et a1Seamless guidancesystem combining GPS，BLE Beacon，and NFC technologiesJMobile Information Systems，2016(1)：1128邬春明，耿强，刘

21、杰，等DGPs与UWB混合精确无缝定位技术研究J传感器与微系统，2012，31(3)：74779苏凯，曹元，李俊等。基于UWB和DGPS的混合定位方法研究J计算机应用与软件，2010，27(5)：212215r101 El。BAHHAR F，HEDDEBAUT M，RIVENQ A，et a1Positioning system using the SS-Uoltra Wide Band technique fortransport applicationA1Itst：2009 9th International Conference on Intelligent Transport Syst

22、ems Telecommunicationsc12009663-66611张威奕，陈秀万。李颖，等基于GPS和五gb瞳融合的无缝定位方法研究j宁夏大学学报(自然科学版)，2013，94(1)；40一44r12 MANANDHAR D，KAWAGUCHI S，TORIMOTO HResuits of IMES(Indoor Messaging System)implementation forseamless indoor navigation and social infrastructure platformrAProceedings of the 23rd International Te

23、chnical Meetingof the Satellite Division of the Institute of Navigation(IonOnss 2010)c201011841191131蒋超基于用户行为模式的室内外场景识别技术研究D北京：北京邮电大学，201514阮锦佳，罗丹，罗海勇基于支持向量机多分类器的室内外场景感知算法J计算机应用，2015。35(11)：3135-31381j李锦锋，许勇基于LBP和小波纹理特征的室内室外场景分类算法EJ中国图象图形学报，2010，15(5)：742748r16PAYNE A，SINGH SIND)()R V SOutdoor scene

24、 classification in digital photographsJPattern Recognition，2005，38(10)：1533154517梁坤，施浒立，宁春林室内环境中的GPS信号特性分析J天文研究与技术，2008，5(1)：30一3618毕京学，甄杰，郭英Android手机GPS和A-GPS定位精度分析J测绘通报，2016(7)：10一13：1 9CAREY NEstablishing pedestrian walking speedsDPortland State University，2005A Method of Indoor and Outdoor Scene

25、 Recognition Based on Mobile Phone and Its Preliminary ExperimentBI Jingxuel，WANG Yunlia 3，ZHEN Jie2(jSchool of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221 j j 6；2Chinese Academy o。Surveying and Mapping，Beijing 100830，China)Abstract：Scene recognit

26、ion is the key research of indoor and outdoor seamless positioning technologyThe scene recognitiontechnology usually determines the user experience of Location-Based Services(Lt38)Researchers carried out the indoor andoutdoor scene recognition with the problems of data redundancy and high computatio

27、nal complexityTherefore，in order toquickly and accurately recognize scenes(ronl outdoor to indoora novel method of indoor and OUtdoor scene recognition hased 0na mobile phone is proposedGPS elevation angle，Signal Noise Ratio(SNR)，and GPS satellites number can be received on thesmartphoneBy analyzing

28、 the interaction of the above experimental data comprehensively，the obtaining judgment basis of scenerecognition from outdoor to indoor is based on GPS elevation mask angle，SNR threshold，and GPS satellitesnumberIn the experimental test environment，the iudgment basis can be used to distinguish the ou

29、tdoor scenesoutdoor to the indoor transitionareas，and the indoor scenesBut in order to obtain universal indoor and outdoor scene recognition methods，the j udgment basisshould be further verified in other scenariosKey words：indoor and outdoor seamless positioning；scene recognition；GPS；elevation angle；SNR；the number of satellites万方数据