测绘与空间地理信息
GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY
第44卷第3期2021年3月
Vol.44， No.3Mar.， 2021
饶文利
（北京辰安科技股份有限公司，湖北武汉430000）
摘要：室内三维技术是辅助室内人员快速定位导航、商业人员对室内业务统计分析决策、应急救援力量快速实
施救援的重要手段。近年来，室外定位、导航、路径规划、可视化分析等技术已发展成熟，而室内位置服务需求 （定位、导航、路径规划）正处于初始发展阶段。为快速推进室内三维技术发展，本文对目前市面上应用集中的几
种室内三维定位技术方法进行了归纳和探讨，介绍了从不同角度对室内三维定位进行分类，各定位技术的原理 和方法，以及基于室内三维原理与方法衍生出的主流室内定位技术，对比分析各定位技术的优缺点及在室内三 维中的应用，总结了目前室内三维定位技术存在的问题与未来的研究方向。
关键词：室内三维定位；定位原理；定位技术中图分类号：P208
文献标识码：A 文章编号：1672-5867（ 2021） 03-0164-06
Overview of Indoor 3D Positioning Classification ,
Methods and Techniques
RAO Wenli
(Beijing Global Safety Technology Co., Ltd., Wuhan 430000, China )
Abstract : The indoor three -dimensional technology is an important means to help the indoor personnel to quickly locate and navigate ,
to support the commercial personnel to make statistical analysis and decision-making for indoor business , and to assist the emergency
rescue force to quickly implement rescue. In recent years , technologies such as outdoor positioning, navigation , path planning , and visual analysis have matured , and indoor location service requirements ( positioning , navigation , and path planning ) are in the initial
stage of development. In order to rapidly promote the development of indoor 3D technology, several indoor 3D positioning techniques
applied in the market are summarized and discussed. The classification of indoor 3D positioning from different angles , the principles ,
and methods of each positioning technology are introduced. Based on the mainstream indoor positioning technology derived from the three -dimensional principle and method , it compares the advantages and disadvantages of each positioning technology and the applica
tion scenarios in indoor three-dimensional , summarizes the problems existing in the current three -dimensional positioning technology and the future research direction.
Key words ：indoor 3D positioning ； positioning principle ； positioning technology
0 引 言
研究表明，人们每天平均有20小时是在室内进行活
动，如工作、生活、购物、娱乐等[1]°随着城市建设不断迈 向智慧化进程，包括大型商业中心、地下停车场在内的大 型室内公共场所、办公楼、住宅和公寓等复杂建筑物与日
俱增。人们对现实世界的探索与研究不再局限于室外空 间，而是慢慢深入到了室内空间[2]°目前，室外定位技术 已比较成熟，如GPS （全球定位系统）、蜂窝无线网络的定
位系统等，都能为用户提供亚米级精度的室外定位服务, 但室内定位需求精度较高，因此，仍有很大的提升空间°
室外信道环境较为简单，而室内的建筑结构、建筑材质等
都会引起复杂的多径效应，无线信号传播受非视距影响 较大，故采用室外环境定位方法、算法无法满足室内高精 度需求°目前室内定位存在很多问题，除了需要借助其 他信号外，还需要在室内安装专用设备，移动终端也需要
安装配套设备，因此无法实现移动目标的实时定位°
本文通过对目前市面上应用集中的几种室内三维定
位技术方法进行了归纳和探讨，详细介绍了从不同角度
对室内三维定位进行分类，各定位技术的原理和方法，基
收稿日期：2019-10-08
作者简介：饶文利（1990-），女，湖北武汉人，硕士,2017年毕业于武汉大学软件工程专业，主要从事基础GIS 产品研发工作
第3期饶文利：室内三维定位分类、方法、技术综述165
于室内三维原理与方法衍生出的主流室内定位技术，对比分析了各定位技术的优缺点及在室内三维中的应用场景，最后总结了目前室内三维定位技术存在的问题与未来的研究方向，为推动室内三维发展给出理论与技术参考。测目标分别与两个已知参考点的夹角及参考点之间的距离来确定位置［23-25］。如图3所示。
1室内三维定位分类
室内定位是指在室内环境中采用蓝牙定位、Wi-Fi定
位、视觉定位等多种定位技术实现位置定位［3］o室内定位的分类影响着室内定位结构体系的构建。2001年美国学者J.Hightower等为方便研究人员更好地评估定位系统，曾提出从定位位置、定位精度、定位覆盖范围、定位所用信号等方面对定位技术进行分类［4］;2003年清华学者刘长征提出从通信技术角度将定位技术分为基于网络和基于移动终端的定位技术［5］;2006年北理学者房秉毅从应用精度角度将定位技术分为目标发现类、智能空间类［6］；同年，学者李咏从测量采用的技术角度将定位技术分为基于RSSI（信号强度）测量、基于TOA（电波传播时间）测量、基于TDOA（电波传播时间差）测量、基于AOA （电波入射角）测量、基于Cell-ID（蜂窝小区标志）测量⑺；2009年学者梁元诚从位置感知技术、信号测量技术、传感器类型等方面将定位技术分为近似定位法、场景定位法、标志定位法［8］；外国学者从定位算法角度将定位技术分为几何法、成本最小化法、指纹定位、贝叶斯技术［9］；2013年北邮学者邓中亮从定位原理、传输信号等方面将定位技术分为识别、几何法、指纹定位［10］o 3）多边定位法。根据测量待测目标到多个参考点的距离来确定位置［22］，如图2所示。
4）三角定位法。也称到达角测量法（AOA）o根据待
图2多边定位原理
Fig.2Principle of multilateral positioning
图3三角定位原理
Fig.3Triangulation principle
2室内三维定位方法
室内三维定位方法从定位原理上可分为以下几类：
1）邻近探测法。根据信号作用范围有限的原理，在参考点范围内确定待测目标。因为参考点范围边界模糊，故定位精度不高［11-15］。
2）质心定位法。根据信号范围内所有已知参考点的坐标、信号强度计算质心坐标，得到待测目标的位置。该方法算法简单，执行速度快［16-21］。如图1所示。
5）极点法。根据待测目标到一个参考点的距离、方位来计算位置。该方法简单方便，主要应用在大地测量中。
6）位置指纹定位法，又称场景定位法。给不同发出的信号特征参数建立指纹数据库，通过对待测目标接收的信号与数据库匹配来实现定位。该方法定位精度高，但前期部署工作量大［26-30］。如图4所示。
(甲)
位置
/位置1(RSS n,RSS]2，RSS]3)
位置2(rss21,rss22,rss23)
、位置n(RSS nl,RSS n2,RSS n3)
离线训练阶段rss3-_______
在恋丽
I待求位置|(RSS|,RSS2，RSSJ指纹匹;「
配算法厂用户位置
图1质心定位原理
Fig.1Centroid positioning principle
图4位置指纹定位原理
Fig.4Location fingerprint positioning principle
7）航位推算法。根据计算待测目标行走的步数，估计步长来确定移动距离。该方法多应用在惯性导航中，精度误差随时间积累⑶-33］o如图5所示。
垂直力口速度*j土曾大~~减小~
前向加速度增天H减小十—增天
一个迈步周期
图5航位推算原理
Fig.5Dead reckoning
principle
166测绘与空间地理信息2021年
室内三维定位方法的定位精度与应用实例见表1
表1室内三维定位方法对比
Tab.1Comparison of indoor3D positioning methods 方法定位精度应用实例
邻近探测法低红外线、RFID、紫蜂、蓝牙、蜂窝网络质心定位法低蓝牙
多边定位法高超声波、超宽带、紫蜂、蓝牙
三角定位法高超宽带
极点法高激光雷达
指纹定位法高Wi-Fi、RFID、地磁、视觉
航位推算法短时间高惯性导航
3主流室内三维定位技术
常见的室内定位技术可分为无线通信、定位、惯导定位等[34]，下面从室内定位性能指标与定位技术两方面介绍室内定位技术°
3.1室内定位性能指标
室内定位性能指标是评判室内定位技术是否达到目标的标准，重点指标及概念主要有以下几种：
1）定位精度，指空间坐标估算位置与真实位置的接近程度；
2）穿透性，指一种物质穿过另一种物质的特性；
3）功耗，功率的损耗，指设备、器件等输入功率和输出功率的差额；
4）抗干扰，干扰是指对有用信号的接收造成损伤，抗干扰即用来对抗通信或雷达运行的任何干扰的系统或技术；
5）部署成本，是指系统在安装部署过程中所消耗的资源，包含了时间、空间、资金等，是衡量相关指标的标准;
6）传输距离，指分配器对其控制下的设备最远的传输距离，超过该距离就会导致信号丢失°
3.2主流室内定位技术
1）红外线定位技术
红外线室内定位系统由红外线发送器、光学传感器组成；采用离散红外技术，由红外线发射器发射经调制的红外射线，然后安装在室内的光学传感器接收射线并完成定位估计[35]°该定位精度高，但穿透性差，受温度、光照、灯光等外界因素影响，信号衰减速度快，传输速度慢；同时也需要额外在房间、走廊安装硬件设备，如接收天线等，成本大。
2）超声波定位技术
超声波定位系统由一个主测距器（F）与若干个应答器（T）组成；采用多边定位法，通过测量待测目标到已知参考点的距离来确定待测目标的位置°由于超声波的传播速度较低，因而定位实现比较容易，定位精度可以精确到厘米级别；但超声波定位系统是视距传播，且需要部署硬件环境，成本比较高°
3）蓝牙定位技术
蓝牙的波段为2400—2483.5MHz，蓝牙广播时会同时广播本身的MAC地址与蓝牙信号的强度，蓝牙
信号强度越强，则蓝牙接收端与发射端的距离越近°通过信号强度变换可出信号强度与距离发射端之间的关系°蓝牙定位技术的优点是体积小、功耗低、易集成、距离短，信号不受视距影响，缺点是在复杂环境下容易受噪声信号干扰，且需要部署价格昂贵的蓝牙设备°
4）Wi-Fi定位技术
Wi-Fi定位是无线局域网系列标准中的一种定位解决方案，利用射频技术取代旧式有线连接所构成的局域网络，通过广泛部署的无线局域网、各类智能终端设备来实现定位，能大范围地定位、监控、追踪°具体原理是将室内各位置上的信号强度测量一遍并存入指纹数据库，将智能终端的Wi-Fi信号特征与指纹库进行匹配从而获取确定位置[36]°Wi-Fi定位需要的数比较少、易安 装，部署成本低，定位精度可以满足一些对精度要求不高的场合，但Wi-Fi信号的强弱会影响定位，且Wi-Fi信号 覆盖范围有限°
5）ZigBee定位技术
紫蜂（ZigBee）定位技术是一种无线通信技术，有自身的无线电标准，由待定位的盲节点，固定位置的参考节点、网关组成，常采用邻近探测、多边定位等方法。用户可以利用数千个低功耗的传感器，将数据从一个传感器高效地传递给另一个传感器，通过传感器之间的相互协调通信实现定位°盲节点的定位精度会受到无线信号距离-损耗模型准确性的影响，同时，因为信号源密度、传输算法与环境等因素，待测物的定位精度也会有很大影响，故ZigBee室内定位技术的定位精度有待提升°
6）超宽带（UWB）定位技术
超宽带定位系统由信号发送器、信号接收器组成，发送器发送时间间隔极短并带有伪随机码的脉冲信号给接收器，通过信号从发送器到接收器的时间延迟量来计算发送器与接收器之间的距离，再利用相应的定位算法计算接收器所在的位置°超宽带定位技术不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级及以下的极窄脉冲来传输数据，因此，具有扩频通信的特点[37]°超宽带定位技术传输速率高、发射功率低、穿透能力极强。但超宽带定位系统中的接收器和发送器价格昂贵，部署成本高°
7）射频识别定位技术
射频识别定位系统由电子标签、阅读器、定位管理器、定位信息数据库组成；通过一组位置固定的阅读器读取目标电子标签的特征信息（如身份ID、接收信号强度等）来确定目标物的位置°射频识别定位系统的防碰撞算法，使阅读器在短时间内能识别大量电子标签，作用距离一般是几十米，但如果加上特殊天线，作用距离可达300m，为实时定位提供了可能。但由于室内环境的复杂多变，而射频识别系统的定位精度会依赖于定位信息数据库健全、更新频率，因此，针对不同室内环境下定位，很
第3期饶文利：室内三维定位分类、方法、技术综述167
难建立一套通用的射频信号传输机制与模型，给高精度的室内定位带来了复杂性；此外，射频识别定位系统还可能会泄露用户隐私信息°
8）蜂窝网指纹定位技术
蜂窝网指纹定位技术是通过将在线实测数据与离线指纹数据库进行匹配来实现定位。离线指纹数据库由室内人为设置的网格点坐标联合接收信号强度组成［38］，具体原理是在室内定位区域内各设置的网格点（指纹点）处采集多个小区在该点处的接收信号强度［39］，并与该指纹点处的位置坐标一起组合成指纹记录，如（A,X,Y, Z）,A表示信号强度,XYZ表示坐标，以此建立位置指纹数据库°待定位物向定位服务器发送信号强度信息，系统通过匹配数据库计算出待定位物的位置信息°指纹定位的优点是不需要参考测量点，但需要前期离线建立指纹库，且容易受无线信道传播环境的影响，定位精度误差较大，并且指纹定位适合在已知环境中，而室内定位大多是在未知环境中。
9）激光雷达定位技术
激光雷达是传统的雷达技术与现代激光技术相结合的产物，激光雷达定位系统由发射器组成，其原理是由发射器向目标物发射探测信号（激光束），目标物接收到信号后反射回波信号给接收装置，发射器将两种信号进行比较、处理、计算，获得目标物的距离、高度、方位、姿态、速度、形状等参数，这些信息组成点云可绘制出3D环境地图，精度可达厘米级。激光雷达定位系统分辨率高、抗干扰能力
强、体积小、获取的信息丰富，但容易受大气条件以及工作环境的烟尘影响，并且价位高［40］°
10）可见光定位技术
可见光室内定位系统是基于室内常见的白光发光二极管来实现定位°具体原理是将固定位置的发光二极管LED作为光源，发光二极管在进行照明的同时，将携带位置信息的光信号发射出去，可见光波段的电磁波作为信号载体，直接在空气中进行信号的传输，未知位置的光探测器接收端接收信号并进行检测和解调，通过接收到的信号的传输时间、到达角、强度，计算出具体移动目标的位置［41］°可见光定位系统在照明的同时实现定位，部署简单、定位成本低，但由于可见光无法穿透不透明物体，故信号只能在视距范围传播°
11）视觉定位技术
视觉定位系统可以根据传感器的运动状态分为基于移动传感器、基于固定传感器两种方式采集图像来确定待测目标位置，常采用指纹定位法°如建立指纹数据库，将预先标定的图像与指纹数据库中的建筑结构数据进行匹配来定位［42］°
12）惯性导航定位技术
惯性导航定位系统由惯性传感器、加速度传感器、陀螺仪等组成，使用航位推算法计算待测目标的速
度、方向、位移等信息得出位置信息［43］°该定位技术定位数据稳定，但误差会随着行走时间的增加而不断积累［44］，常用在无法接受有效定位信息的场景中°
13）地磁定位技术
地磁定位技术常采用指纹定位方法，由于室内环境复杂多变，通常各个不同位置点的地磁场强度也不一样。但是一个磁场信号源显然不足以定位，所以通常是在行走道路上对磁场变化轨迹进行匹配来定位°
14）伪卫星定位技术
伪卫星定位技术常采用载波相位测距，伪卫星是一种基于地面能传播类似GNSS信号的发生器［45］，由信号发生器和发射装置组成，常采用载波相位测距°该定位技术因与GNSS体制不同而避免了对卫星信号的干扰，定位精度高，但成本也高［46］°
几种定位技术的比较见表2°
表2几种定位技术比较
Tab.2Comparison of several positioning technologies
技术精度（m）穿透性功耗抗干扰部署成本传输距离（m）红外线5—10极差中极差较高15超声波0.01—0.1较差低强极高200蓝牙0.3—1较差中较差低100 Wi-Fi2—50一般高一般低2000 ZigBee1—2一般低一般低150超宽带0.06—0.1强低强一般150射频识别0.05—5较差极低较强较高150
蜂窝网指纹定位20—200一般低较强较高1000激光雷达0.1—0.3一般中强高1—100
可见光定位1—2较差低强低10视觉0.005—0.1较差高较差高110惯性导航0.01—0.05——较差低10000地磁1—5—较低较差一般—伪卫星0.01—0.05差较低较差高1000
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测绘与空间地理信息
2021 年
4室内三维定位的应用场景
从应用领域的角度归纳，室内定位应用场景包含零
售、健康医疗、旅游、广告、物流、公共安全、其他等，如图6 所示。从应用功能的角度规划，室内定位应用包含精准
室内导航、人员/物品实时定位、历史轨迹查询、虚拟地理 围栏、位置数据收集、互动营销、系统联动等。
室内定位按行业划分所占比
疗 全 医 安 售康游告流共他
零健旅广物公其图6室内定位行业所在比
Fig .6 Indoor positioning industry ratio
5室内三维定位存在问题与研究方向
室内三维定位技术虽不断在发展，但仍存在以下 问题：
1) 室内空间复杂的信道环境，信号发射器和接收机
之间相通是定位的基础。任何遮挡都会导致信号强度的 迅速衰减或直接阻挡信号的传播，室内空间内部信号遮 挡是室内定位常遇到的问题，大大限制了很多室外定位
技术在室内普及，也把有效定位范围限制在很小的范围 内，给实现室内定位广域覆盖带来极大的困难。
2) 未知环境定位困难，在不清楚室内结构情况下返
回的位置信息产生不了实际价值。
3) 定位精度与定位成本难以兼顾，根据前面内容的
研究总结，很多定位精度高的技术部署成本难度都相应 增加，而低成本的定位技术又无法满足高精度应用。
4) 不同的定位技术融合难度大。室内定位因定位原
理与方法的不同而采用不同定位技术，在室内应用的效 果也好坏不一。考虑到定位技术精度、成本、部署难度等
多因素，常需要结合多种定位技术，而信号源不同会导致
信号测量值、信号采样频率不一致，信号测量精度有差异
等问题，这些问题也直接制约着室内定位技术的发展 前景。
5) 移动终端上有限的计算资源，室内定位技术需要
移动终端的参与，而硬件条件不足的终端，不仅使用时限 会不足，也不足以支撑运行复杂的定位算法。这也会导
致室内定位技术的使用范围很难扩大。
由于室内环境的复杂，单项定位技术难以达到应用 期望值，而多种定位技术融合能互补地解决精度、成本等
问题，故多项定位技术无缝融合将是未来研究的热点。
6结束语
随着室内活动时间的增加，人们对室内定位、导航、
应用分析的需求与日俱增，同时智能化移动终端的普及,
以及人们对GIS 在室内应用的迫切需求使得室内三维将 会成为未来一大热点。本文通过对国内外室内三维技术
的研究，介绍了目前主要的定位方法，根据方法衍生出的
定位技术，并结合应用场景总结目前室内定位技术存在 的问题及研究方向以供参考。
参考文献：
[1]
M. Worboys. Modeling indoor space [ C] //ACM Sigspatial
International Workshop on Indoor Spatial Awareness, New
York : Association for Computing Machinery ,2011.[2]
曾桂香.面向位置服务的室内三维模型数据组织[D]. 成都： 电子科技大学,2018.
[3] 裴凌，刘东辉，钱久超，等.室内定位技术与应用综述
[J].导航定位与授时,2017,4(3):1-10.[4]
HIGHTOWER J,BORRIELLO G.Location systems for u
biquitous computing[ J] .Computer,2001,34(8) ：57-66.[5]
刘长征，李纬，丁辰，等•多种定位技术融合构建LBS 体 系[J].地理信息世界,2003,1(3) ：24-27.
[6] 房秉毅.基于超宽带技术的室内定位系统[J].电子技 术应用,2006,32(7):124-127.
[7]
李咏.基于ZigBee 技术的室内定位系统设计[D]上海:
上海师范大学,2008.[8]
梁元成.基于无线局域网的室内定位技术研究与实现 [D].成都：电子科技大学,2009.
[9]
SECO F, JIMENEZ A R, PRIETO C, et al. A survey of mathematical methods for indoor localization [ C] //IEEE
International Symposium on Intelligent Signal Processing. IEEE,2009：9-14.
[10]
邓中亮，余彦培，袁协，等.室内定位现状与发展趋势研 究[J].中国通信(英文版),2013,10(3) ：50-63.
[11] 王雪靖，戴亚丽•基于Cell_ID 的区域定位方法的研究 与实现[J].软件,2016(11) ：110-113.
[12]
潘伟光.室内定位技术的研究[D].成都：电子科技大
学,2017.
[13]
魏巍，龙毅，李满春，等.基于约束三角网探测点线面空
间邻近关系研究[J].山东师范大学学报(自然科学 版),2009,24(2) ：96-99.
[14]
许文帅，龙毅，周侗，等.面向复杂多边形合并的视觉邻 近探测与缝合算法[J]・地理与地理信息科学，2014,
30(1) ：
125-126.
