一种面向室内场景语义的移动对象轨迹大数据压缩方法

技术领域

本发明属于数据压缩技术领域，具体涉及一种面向室内场景语义的移动对象轨迹大数据压缩方法。

背景技术

近年来，在智慧城市的背景下，以大型商业中心、地下停车场、公寓、办公楼、住宅和大型室内公共场所为代表的复杂建筑物在城市中与日俱增，与此同时，移动智能终端设备的不断普及，以及室内定位技术的不断发展，人们对现实世界的探索和研究逐渐从室外空间深入到室内空间，室内导航、路径规划、应急疏散等室内位置服务(LBS，LocationBased Services)需求也不断增加，室内定位轨迹相关的研究应用越来越受到研究者的重视。如何存储和管理这些大量数据是一项艰巨的任务，因此轨迹压缩近年来越来越受到关注。轨迹压缩可以解决数据量巨大、查询延时增长、数据冗余等问题，因此轨迹压缩已经成为存储和管理海量轨迹数据的迫切需要，可以提供更好的服务。

现有轨迹压缩方法与语义轨迹压缩模型很大程度上皆以户外环境为目标，主要缺陷在于：(1)当前主流的人类移动轨迹压缩模型更多是以户外环境为主要目标，缺乏在室内环境中对复杂轨迹的深入研究，无法有效支持人们对室内导航、路径规划、应急疏散等室内位置服务需求。(2)当前的轨迹压缩方法不能很好建立利用移动对象与周边场景直接的关系，以至于单纯分析研究原始轨迹压缩数据难以揭示室内用户移动意图。(3)当前主流的轨迹压缩方法缺乏室内网络拓扑关系和上下文信息的结合，无法协同分析移动对象拓扑行为语义与室内环境语义，难以用直观的数据组织方法对轨迹数据进行时空拓扑语义管理，导致分析室内场景移动对象轨迹的具体目标难以实现，无法细化室内移动对象的复杂移动行为。(4)当前的轨迹压缩方法没有考虑在室内场景内移动对象在多楼层之间跨越式移动行为的具体分析，无法得到移动对象在完整的室内空间中的复杂移动行为。

随着人们大部分日常生活时间与室内空间相关，大型室内公共场所规模持续增长，传统的轨迹压缩算法面临着瓶颈和挑战，需要开发能够满足在室内环境下的新型轨迹压缩算法。在智慧城市背景下，也提出了新要求，需要考虑室内空间信息和语义信息进行分析进而整合，对室内轨迹进行合理建模和管理，使室内空间数据模型合理有效的表达。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足而提供一种面向室内场景语义的移动对象轨迹大数据压缩方法，针对压缩海量室内轨迹数据问题，构建室内空间约束下的轨迹拓扑语义模型，对室内轨迹进行语义编码，在时空拓扑语义管理方面用直观数据对轨迹数据进行合理存储和表达，实现移动对象在多楼层之间跨越式移动行为的具体分析，细化移动对象在完整室内空间中的复杂移动行为以及轨迹多层次语义信息。

为解决上述技术问题，本发明的内容包括：

一种面向室内场景语义的移动对象轨迹大数据压缩方法，包括如下步骤：

S1.获取室内场景数据，所述室内场景包括楼层内场景和跨楼层场景，对楼层内场景和跨楼层场景中的重要空间实体要素进行建模，得到室内场景要素的拓扑分量；

S2.利用移动对象轨迹拓扑元组与室内场景要素的拓扑分量建立的场景拓扑元组构建室内场景局部交叠语义模型，以捕捉室内场景要素中轨迹的动态行为语义；所述移动对象轨迹拓扑元组由前子轨迹、关键点和后子轨迹组成；所述室内场景要素包括室内局部走廊元素和室内区域要素，所述室内场景局部交叠语义模型包括利用移动对象轨迹拓扑元组中三个拓扑不变量构建的子轨迹元组-室内局部走廊元素交叠语义模型和子轨迹元组-室内区域要素交叠语义模型；

S3.使用由字符组成的编码方式，对子轨迹元组与室内场景要素的交叠语义进行编码，得到子轨迹对于室内场景局部交叠语义模型的有效交叠语义；

S4.根据室内场景局部交叠语义模型，对轨迹语义进行重建，以编码方式对模型中的语义信息按照时间维度进行组织，将原始轨迹压缩为完整的语义轨迹；

S5.针对步骤S4所重建的移动对象语义轨迹，构建压缩后轨迹的语义解析器，基于步骤S3所得的子轨迹-局部走廊元素、子轨迹-室内区域要素的有效交叠语义，对行人轨迹进行语义解析，得到以局部语义为单位管理组织的语义轨迹。

进一步的，所述步骤S1中，对室内场景数据进行包括格式转换和坐标转换的数据预处理。

进一步的，所述步骤S1中，对于楼层内场景，获取每一个楼层内的POI区域、走廊及公共区域的属性信息，对于跨楼层场景，获取每一个楼层内的直梯、扶梯及电梯的属性信息，以得到语义轨迹查询的室内场景时空信息。

进一步的，所述步骤S2中，所述移动对象轨迹由子轨迹和关键点组成，所述关键点为行人移动过程中拓扑关系发生变化的位置，关键点邻域内早于关键点时间属性发生的子轨迹为前子轨迹，晚于关键点时间属性发生的子轨迹为后子轨迹。

进一步的，所述步骤S2中，室内局部走廊由室内场所中多条走廊组成，每条走廊两端作为其节点，节点作为每条走廊的边界，边界之间的弧段作为走廊内部，边界之外拓扑空间作为走廊外部，室内局部走廊元素的拓扑组分即由外部、边界和内部组成；室内区域要素的拓扑组分由正面、背面、外部和边界组成，正面为同一场景的低楼层区域，背面为同一场景的高楼层区域，外部和边界分别为正面、反面对应区域的边界与外部。

进一步的，所述步骤S2中，所述子轨迹元组中的每个拓扑分量与室内局部走廊元素中的拓扑分量相互交叠计算语义情况为：

式中，子轨迹元组中的三个拓扑不变量分别编码为前子轨迹IT

所述子轨迹元组中的每个拓扑分量与室内区域要素中的拓扑分量相互交叠计算语义情况为：

式中，DR

进一步的，所述步骤S3中，所述子轨迹元组与室内局部走廊元素的编码方式，包括9个交叠部分中的有效交叠语义，利用小写字母i、b、e分别表示移动对象与走廊的内部交叠、移动对象与走廊的边界交叠、移动对象与走廊的外部交叠；利用节点编号b1与b2区分子轨迹在走廊上的运动方向，至此i代表子轨迹与走廊相交的属性为节点b1至b2方向，-i表示子轨迹与走廊相交的属性为节点b2至b1方向；若两类拓扑不变量中不存在空，则非空相应标记为i、-i、b1、b2、e，否则标记为空；所述子轨迹元组与室内局部走廊元素的编码以xyz形式标记，x、y、z分别表示前子轨迹、关键点、后子轨迹与走廊元素的拓扑交叠关系；

所述子轨迹元组与室内区域要素的编码方式，包括16个交叠部分中的有效交叠语义，利用大写字母I、B、E分别表示移动对象与室内区域要素的内部交叠、移动对象与室内区域要素的边界交叠、移动对象与室内区域要素的外部交叠；利用区域内部编号I1与I2区分子轨迹在同一场景低楼层区域内部与高楼层区域内部，若两类拓扑不变量中不存在空，则非空相应标记为I1、I2、B、E，否则标记为空；所述子轨迹元组与室内区域要素的编码以XYZ形式标记，X、Y、Z分别表示前子轨迹、关键点、后子轨迹与室内区域要素的拓扑交叠关系。

进一步的，所述步骤S4中，室内场景局部交叠语义模型针对室内局部走廊元素与室内区域要素，对移动轨迹以同类型编码方式进行压缩，室内场景移动轨迹的通用表达形式为：

其中，Tcode代表具有室内场景不同要素的子轨迹的语义编码，“@”是连接室内场景要素的连接符号，“Q”是子轨迹元组对应某一室内场景要素的唯一编号，“/”是连接室内楼层编号的连接符号，“F”是表示子轨迹关键点拓扑分量所处楼层的唯一编号，“*”是连接移动对象移动方式的连接符号，“W”是表示移动对象所采取的移动方式；利用“+”来连接子轨迹关键点所在拓扑元组的不同的语义，利用“↓”连接子轨迹在室内区域要素之间楼层变化的组合语义；

对轨迹语义进行重建包括基于室内局部走廊元素的语义轨迹重建模式和基于室内区域要素的语义轨迹重建模式，其轨迹公式分别为：

本发明的有益效果是：

(1)本发明所构建的室内场景局部交叠语义模型突出考虑移动行为在室内场景的空间约束，将移动轨迹的地理语义加入室内场景走廊元素与区域要素的限制，研究移动轨迹对于室内场景要素的移动行为特征。从时间维度、空间维度关注移动轨迹特征，加入拓扑信息将室内场所走廊元素、POI区域等室内语义信息与移动轨迹进行整合，以此分析对象在室内场所的移动行为，满足专题查询、分析等室内空间位置服务需求；(2)本发明所提出的轨迹语义编码压缩方法突出移动对象在室内场所移动行为语义的表达方式，对海量室内轨迹进行有效语义压缩，通过室内场景局部语义重建轨迹对于室内场景中不同地理要素的行为关系。将每种语义进行编码并重建，增强原始轨迹的表达能力，便于实现室内移动对象轨迹的语义查询；(3)突出室内场景局部交叠语义模型考虑室内场景中跨楼层轨迹的语义解析。对轨迹语义进行重建表达的通用公式中加入移动对象跨楼层移动所采取的移动设备语义信息，从而细化移动对象在完整的室内空间中的复杂移动行为；(4)利用拓扑语义进行移动轨迹的时空查询，针对不同室内位置服务需求，提出具体场景分析，解释人们的活动行为，挖掘移动对象的潜在价值。

附图说明

图1是构建室内场景局部交叠语义模型压缩室内轨迹的流程图；

图2是轨迹与室内局部走廊元素语义轨迹重建实例图；

图3是轨迹与室内局部区域要素语义轨迹重建实例图；

图4是“2022/06/1513:00～2022/06/1515:00期间，有哪些移动对象去过“SexyTea”(POI25)呢？”问题查询可视化图；

图5是“移动对象5是什么时候进入了“Ten O'Clock Bookstore”(POI35)区域内部移动呢？”问题查询可视化图；

图6-图12是“在2022/06/1514:00～2022/06/1515:30期间，有哪些移动对象是乘坐直梯下楼的呢？”问题查询可视化图；

具体实施方式

为便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

如图1所示，本发明提供了一种面向室内场景语义的移动对象轨迹大数据压缩方法，包括如下步骤：

步骤S1.获取室内场景数据，所述室内场景包括楼层内场景和跨楼层场景，对楼层内场景和跨楼层场景中的重要空间实体要素进行建模，得到室内场景要素的拓扑分量。

室内场景数据涵盖了所有室内场景中可获得的数据，重要的空间实体要素是从室内场景中抽出来的面要素(例如，楼层里的一个房间)和线要素(例如楼层里的一段走廊)，抽出来的这些空间实体要素用于在步骤S2中构建局部交叠语义模型。把抽象出来的场景要素(线要素和面要素)都分解为3个拓扑分量的组合体，即每个要素的几何描述都包括内部、外部和边界这三个拓扑分量。

基于点集拓扑理论的方法分别对轨迹和室内场景要素提取拓扑分量。建模的时候，轨迹被视为一种特殊的有向线要素，得到的三个拓扑分量以元组形式表达和存储，所以也称为拓扑元组；对于线要素，线的两个端点就是线要素的拓扑分量中的“边界”，两个端点中的线本体就是线要素的拓扑分量中的“内部”，其余部分都是线要素的拓扑分量重的“外部”；对于面要素，面的边界线就是面要素的拓扑分量中的“边界”，面里面空间就是面要素的拓扑分量中的“内部”，其余部分都是面要素的拓扑分量重的“外部”。

步骤S2.利用移动对象轨迹拓扑元组与室内场景要素的拓扑分量建立的场景拓扑元组构建室内场景局部交叠语义模型，以捕捉室内场景要素中轨迹的动态行为语义；移动对象轨迹拓扑元组由前子轨迹、关键点和后子轨迹组成；室内场景要素包括室内局部走廊元素和室内区域要素，室内场景局部交叠语义模型包括利用移动对象轨迹拓扑元组中三个拓扑不变量构建的子轨迹元组-室内局部走廊元素交叠语义模型和子轨迹元组-室内区域要素交叠语义模型。

步骤S3.使用由字符组成的编码方式，对子轨迹元组与室内场景要素的交叠语义进行编码，得到子轨迹对于室内场景局部交叠语义模型的有效交叠语义。

步骤S4.根据室内场景局部交叠语义模型，对轨迹语义进行重建，以编码方式对模型中的语义信息按照时间维度进行组织，将原始轨迹压缩为完整的语义轨迹，便于管理和存储室内场景移动轨迹局部行为拓扑语义信息。

步骤S1中，针对高德或者百度提供的室内场景数据(室内场所位置信息)，应对数据进行格式转换、坐标转换等数据预处理操作，以达到众源地理时空信息建模的标准。在坐标转换上，主要考虑WGS-84坐标系作为主流坐标系，将众源数据中的地理位置统一转换为WGS-84。

步骤S1中，在ArcGIS Pro平台处理存储室内场景数据，对楼层内和跨楼层场景中的重要空间实体要素进行建模。对于楼层内场景，获取每一个楼层内的POI区域、走廊及公共区域的属性信息，对于跨楼层场景，获取每一个楼层内的直梯、扶梯及电梯的属性信息，以得到语义轨迹查询的室内场景时空信息。

步骤S2中，移动对象轨迹由子轨迹和关键点组成，关键点为行人移动过程中拓扑关系发生变化的位置，关键点邻域内早于关键点时间属性发生的子轨迹为前子轨迹，晚于关键点时间属性发生的子轨迹为后子轨迹。室内局部走廊由室内场所中多条走廊组成，每条走廊两端作为其节点，节点作为每条走廊的边界，边界之间的弧段作为走廊内部，边界之外拓扑空间作为走廊外部，室内局部走廊元素的拓扑组分即由外部、边界和内部组成；室内区域要素的拓扑组分由正面、背面、外部和边界组成，正面为同一场景的低楼层区域，背面为同一场景的高楼层区域，外部和边界分别为正面、反面对应区域的边界与外部。

步骤S2中，对于子轨迹元组-局部走廊元素交叠语义模型。利用轨迹元组中三个拓扑不变量构建子轨迹元组和室内局部走廊元素的局部交叠语义模型，获得时间维度上不同子轨迹相对于局部走廊元素的拓扑语义。子轨迹元组中的每个拓扑分量与室内局部走廊元素中的拓扑分量相互交叠计算语义情况如公式(1)所示：

公式(1)中，子轨迹元组中的三个拓扑不变量分别编码为前子轨迹IT

对于子轨迹元组-室内区域要素交叠语义模型。利用轨迹元组中三个拓扑不变量构建子轨迹元组和室内区域要素的局部交叠语义模型，获得时间维度上不同子轨迹相对于室内区域要素的拓扑语义。子轨迹元组中的每个拓扑分量与室内区域要素中的拓扑分量相互交叠计算语义情况如公式(2)所示：

公式(2)中，DR

步骤S3中，引入由字符组成的编码方式，合理存储和理解子轨迹元组与室内场景局部要素的交叠语义信息，字符作为语义的替代符号，记录子轨迹对于室内场景局部交叠语义模型的有效交叠语义。

对于子轨迹元组与室内局部走廊元素的编码方式，它包括9个交叠部分中的有效交叠语义，利用小写字母i、b、e分别表示移动对象与走廊的内部交叠、移动对象与走廊的边界交叠、移动对象与走廊的外部交叠；利用节点编号b1与b2区分子轨迹在走廊上的运动方向，至此i代表子轨迹与走廊相交的属性为节点b1至b2方向，-i表示子轨迹与走廊相交的属性为节点b2至b1方向；若两类拓扑不变量中不存在空，则非空相应标记为i、-i、b1、b2、e，否则标记为空；子轨迹元组与室内局部走廊元素的编码以xyz形式标记，x、y、z分别表示前子轨迹、关键点、后子轨迹与走廊元素的拓扑交叠关系。

对于子轨迹元组与室内区域要素的编码方式，它包括16个交叠部分中的有效交叠语义，利用大写字母I、B、E分别表示移动对象与室内区域要素的内部交叠、移动对象与室内区域要素的边界交叠、移动对象与室内区域要素的外部交叠；利用区域内部编号I1与I2区分子轨迹在同一场景低楼层区域内部与高楼层区域内部，若两类拓扑不变量中不存在空，则非空相应标记为I1、I2、B、E，否则标记为空；所述子轨迹元组与室内区域要素的编码以XYZ形式标记，X、Y、Z分别表示前子轨迹、关键点、后子轨迹与室内区域要素的拓扑交叠关系。

步骤S4中，室内场景局部交叠语义模型针对室内局部走廊元素与室内区域要素，对移动轨迹以同类型编码方式进行压缩，室内场景移动轨迹的通用表达形式如公式(3)所示：

公式(3)中，Tcode代表具有室内场景不同要素的子轨迹的语义编码，“@”是连接室内场景要素的连接符号，“Q”是子轨迹元组对应某一室内场景要素的唯一编号，“/”是连接室内楼层编号的连接符号，“F”是表示子轨迹关键点拓扑分量所处楼层的唯一编号，“*”是连接移动对象移动方式的连接符号，“W”是表示移动对象所采取的移动方式；由于同一子轨迹元组对应的室内局部元素语义不同，所以利用“+”来连接子轨迹关键点所在拓扑元组的不同的语义；子轨迹的内部与室内场景区域的正面和背面相交，则子轨迹必须穿过楼层，因此不考虑其在同一区域正背面之间的轨迹，直接利用“↓”连接子轨迹在室内区域要素之间楼层变化的组合语义；

对轨迹语义进行重建包括基于室内局部走廊元素的语义轨迹重建模式(T-L)和基于室内区域要素的语义轨迹重建模式(T-R)，其轨迹公式分别分别如公式(4)和公式(5)所示：

在基于室内局部走廊元素的语义轨迹重建模式中，将行为拓扑语义编码为xyz形式，"Q"是子轨迹元组对应室内局部走廊的唯一编号。公式(4)为T-L轨迹公式，具体实例如图2所示，基于T-L轨迹公式按照时间维度将与室内走廊f、e、g、h、j、i发生拓扑关系的轨迹进行了拓扑语义重建。

在基于室内区域要素的语义轨迹重建模式中，将行为拓扑语义编码为XYZ形式，"Q"是子轨迹元组对应室内某一区域的唯一编号。公式(5)为T-R轨迹公式，具体实例如图3所示，基于T-R轨迹公式按照时间维度将与编号为8、25、33的室内区域发生拓扑关系的轨迹进行了拓扑语义重建。

以上公式由移动对象完整轨迹中的多个元组组成，每个元组代表关键点在不同室内局部要素中的拓扑语义，不同语义按时间顺序排列。图2与图3中带有箭头的实线为某一移动对象轨迹，带有箭头的实线中的点为拓扑状态发生变化的关键点，虚线表示室内场景局部走廊，虚线两端的点为走廊两端的节点。数字为标识符表示室内POI区域的编号，大写字母为标识符表示室内公共区域的编号，小写字母为标识符表示室内走廊元素的编号。为了便于识别楼梯、扶梯、直梯移动设备，用相应图标标识。

最后，使用行人室内移动轨迹数据进行实验，依照局部交叠语义模型重建语义轨迹，对生成的室内语义轨迹进行查询和检索，证明该模型的有效性和可行性。

针对步骤S4所重建的移动对象语义轨迹，构建压缩后轨迹的语义解析器，基于步骤S3所得的子轨迹-局部走廊元素、子轨迹-室内区域要素的有效交叠语义，对行人轨迹进行语义解析，得到以局部语义为单位管理组织的语义轨迹。

将实验轨迹通过语义解析器的语义编码拆解功能，得到每条轨迹对应的语义编码、室内场景要素、拓扑关系发生变化所在的楼层、移动对象采取的移动方式、移动对象编码、完整轨迹按时间排列的关键点编号、发生拓扑关系的时间等时空语义，用于后续对行人轨迹的语义时空查询与检索。如图4所示。

选取长沙市洋湖天街商业中心，以步骤S4整合的实验轨迹语义信息表查询验证模型对室内轨迹进行压缩后，应用于室内场景的适用性。通过语义解析器，得到语义查询结果并进行语义解析。将语义时空查询检索分为两种类型，分别是单一移动对象的行为活动和多个移动对象的行为活动。针对两种类型的时空查询检索，提出7个具体室内查询场景，8个对应场景的基于行为拓扑语义的查询实例。定义查询结果语义解析算法，解析表达查询实例对应的语义。最后，将查询结果展示和可视化。

如图5所示，轨迹4在该时间段内具有进入“Sexy Tea”(POI25)的行为语义。若想了解哪些移动对象对室内某一POI的共同兴趣偏好，则针对“挖掘在指定室内场景要素中具有相同移动行为的移动对象”场景，提出“在2022/06/1513:00～2022/06/1515:00期间，有哪些移动对象去过“Sexy Tea”(POI25)呢？”的查询问题，了解哪些移动对象对茶颜悦色感兴趣。

如图6所示，移动对象5在“2022-06-1514:48:48”具有进入“Ten O'ClockBookstore”(POI35)的移动轨迹。若想了解移动对象进入室内场所某一POI的具体时间，则可以针对“确定不同区域内不同移动对象的移动时间”场景，提出“移动对象5是什么时候进入了“Ten O'Clock Bookstore”(POI35)区域内部移动呢？”的查询问题。若室内公共设施发生故障，了解哪些移动对象身处其中，则可以针对“确定不同移动对象上下楼所采取的移动方式”场景，提出"在2022/06/1514:00～2022/06/1515:30期间，有哪些移动对象是乘坐直梯下楼的呢？"的查询问题，其语义查询结果如图7所示，查询到该时间段内存在语义编码为I2I1I1且移动方式为elevator的移动对象是TrajID为2和5的移动对象。语义解析如图8所示，解释了移动对象2、5乘坐直梯下楼的具体语义内容。查询结果可视化如图9-12所示，图9、10将移动对象2沿着第二层的室内走廊u移动至直梯，乘坐直梯下楼到第一层，并沿着室内走廊f移动的行为路径进行了可视化，图11、12将移动对象5沿着第二层的室内走廊u移动至直梯，乘坐直梯下楼到第一层，并沿着室内走廊f移动的行为路径也进行了可视化。