Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4134
Main Title: Spatio-semantic modelling of indoor environments for indoor navigation
Translated Title: Räumlich-semantische Modellierung von Innenräumen für die Innenraumnavigation
Author(s): Nagel, Claus
Advisor(s): Kolbe, Thomas H.
Referee(s): Kolbe, Thomas H.
Neitzel, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Navigationsdienste im Freien sind seit vielen Jahren etabliert und heutzutage überall verfügbar. Alltägliche mobile Geräte wie Smartphones oder Autonavigationsgeräte unterstützen uns wie selbstverständlich bei der Wegeplanung oder stellen personalisierte Mehrwertinformationen über unseren aktuellen Standort bereit. Diese Entwicklung ist vor allem Lokalisierungstechnologien auf Basis von GNS-Systemen sowie der flächendeckenden Erfassung und Bereitstellung von Geoinformationen über navigierbare Straßen zu verdanken. Navigationssysteme für Personen oder Fahrzeuge im Innenraum sind hingegen nicht so weit verbreitet und bleiben hinter den Möglichkeiten bestehender Lösungen im Freien zurück. Als Hauptursache wird vielfach die Nichtverfügbarkeit von GPS in Gebäuden angeführt, weshalb insbesondere die Entwicklung von alternativen Lokalisierungstechnologien im Fokus von Arbeiten in Wissenschaft und Industrie steht. Ebenso wichtig ist jedoch ein standardisiertes Modell über den navigierbaren Raum, das reichhaltige, vollständige und genaue Geoinformationen über den Innenraum bereitstellt, um so die vielfältigen Herausforderungen an die Innenraumnavigation auf dem Gebiet der Lokalisierung, Wegeplanung und -leitung, sowie Nachverfolgung von bewegten Objekten zu adressieren. Die vorliegende Doktorarbeit stellt ein räumlich-semantisches Modell für den Innenraum vor, das diesen Bedarf decken soll. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten werden die vielfältigen und unterschiedlichen konzeptuellen und technischen Anforderungen an die Innenraumnavigation analysiert und herausgearbeitet. Während bestehende Ansätze die Komplexität der Navigationsaufgabe oftmals a priori auf einen spezifischen und starren Anwendungsfall reduzieren, besteht ein wesentliches Forschungsziel dieser Arbeit in der Definition eines generischen Rahmenwerks für die Innenraumnavigation, das den Anforderungen genügt und die Schwächen anderer Arbeiten überwindet. Vor diesem Hintergrund wird ein Multilayered Space-Event Modell (MLSEM) entwickelt, das sowohl die Modellierung, die Integration als auch die gemeinsame Betrachtung unterschiedlicher Repräsentationen navigierbarer und nicht-navigierbarer Innenräume für verschiedene Fortbewegungsarten wie Laufen, Fahren oder sogar Fliegen ermöglicht. Der Begriff des Innenraums geht hierbei über den gebauten Raum hinaus und umfasst auch logische oder thematische Räume wie Sicherheits- und Unfallzonen und Sensorräume, welche die diversen Lokalisierungstechnologien und –methoden in Gebäuden abbilden. Das MLSEM ermöglicht die Ad-hoc-Auswahl und Kombination der verfügbaren und vom Endgerät des Nutzers unterstützen Lokalisierungstechnologien sowie derjenigen navigierbaren Innenräume, die den individuellen Nutzerkontext sowie globale und nutzerabhängige Navigationsbeschränkungen widerspiegeln. Ein zweiter wesentlicher Beitrag der Arbeit besteht in der korrekten, widerspruchsfreien und vollständigen mathematischen Formalisierung des MLSEM. Eine solche Formalisierung stellt eine wichtige Voraussetzung für ein allgemeingültiges Verständnis des Innenraums dar, auf dessen Grundlage bestehende Ansätze in der Literatur zusammengeführt werden können. Die Formalisierung bedient sich Teilgebiete wie der algebraischen Topologie, der Theorie der Mannigfaltigkeiten, und der Graphentheorie, um die Objekte des Innenraums sowohl gemäß ihrer realen Form in 2D oder 3D zu modellieren als auch eineindeutig auf eine graphbasierte Repräsentation abzubilden. Weiterhin wird erstmals eine Space-Layer Algebra zur Manipulation komplexer Innenräume vorgestellt. Schließlich entwickelt die Arbeit ein formales konzeptuelles Datenmodell für das MLSEM in Übereinstimmung mit der ISO 19100 Normenreihe für die geographische Informationsmodellierung. Hierdurch können Innenraumdaten gemäß dem MLSEM zwischen Computersystemen und Anwendungen standardisiert ausgetauscht werden, um Navigations- und standortbezogene Dienste im Innenraum umzusetzen. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein generisches, flexibles und kontextbezogenes Rahmenwerk für die Modellieung von Innenräumen, das die sich ergänzenden Navigationsaufgaben der Lokalisierung, Wegeplanung und -leitung, sowie Nachverfolgung von bewegten Objekten unterstützt. Die Definition des Innenraums auf konzeptueller, mathematischer und Datenaustauschebene erweitert und erklärt alternative Ansätze der Innenraummodellierung. Das MLSEM bildet derzeit den Kern der Standardisierungsaktivität zu IndoorGML im Open Geospatial Consortium, die zum Ziel hat, dass Navigationsdienste im Innenraum ebenso verfügbar und erfolgreich werden wie im Freien.
Outdoor navigation services have established over the past decade and are ubiquitously available today. We have become accustomed to everyday mobile devices such as smartphones and car navigation systems that help us plan our routes or provide us with personalized and added value information about our current position. Localization technologies based on global navigation satellite systems as well as the acquisition and availability of geoinformation about navigable road networks for large parts of the world are two main drivers for this development. Systems for navigating people or vehicles in indoor spaces however are not as widely spread to date but considerably lag behind existing outdoor solutions. The fact that GPS is not available indoors is often seen as a key reason, and substantial work in academia and industry has been done in developing alternative localization technologies. But there is also a need for a standardized model of the navigation space providing rich, complete, and accurate geoinformation about the indoor environment in order to address the multitude of challenges in localization, path planning, tracking, and guidance facing indoor navigation. This thesis presents an approach to the spatio-semantic modelling of indoor space that aims at answering this need. Based on a comprehensive survey of related work, the multiple and different conceptual and technical challenges and requirements to indoor navigation are analysed and elaborated. Whereas existing approaches often tailor the complexity of the navigation task a priori to a specific and rigid navigation setting, the main research goal of this thesis is to define a generic framework for indoor navigation that satisfies the requirements and overcomes limitations in related work. Against this background, a Multilayered Space-Event Model (MLSEM) is developed that allows for the modelling, integration and joint consideration of different and multiple representations of navigable and non-navigable indoor spaces for various modes of locomotion such as walking, driving or even flying. The notion of indoor space hereby goes beyond the built-up environment but also comprises logical and thematic spaces such as security or disaster zones as well as sensor spaces reflecting the diverse indoor localization technologies and methods. The MLSEM facilitates the ad-hoc selection and combination of available localization technologies supported by the mobile end-user device and of appropriate representations of navigable indoor spaces according to the context of individual navigation users as well as global and user-dependent navigation constraints. A second principal contribution of the research work is the embedding of the MLSEM in a sound mathematical framework. A correct, consistent, and complete mathematical formalization is to be seen as a key prerequisite for the definition of a universal view of indoor space that integrates existing approaches in literature at a foundational level. The formalization draws from fields such as algebraic topology, manifold theory, and graph theory in order to represent indoor space entities by their 2- or 3-dimensional real-world shape and their one-to-one mapping onto a graph-based conceptualization. A novel space layer algebra is proposed for the manipulation of complex indoor space models. Finally, the thesis develops a formal conceptual data model for the MLSEM in conformance with the ISO 19100 standards family for geographic information modelling. By this means, indoor space data can be exchanged according to the MLSEM between computer systems and applications in a standardized way in order to enable navigation and location-based services in indoor environments. The result of this thesis is a generic, flexible, and context-aware modelling framework for indoor space that supports the complementary navigation tasks of localization, path planning, tracking, and guidance. The sound definition of indoor space at a conceptual, mathematical, and data exchange level exceeds and explains alternative approaches to indoor space modelling. The MLSEM is currently at the core of an international standardization activity called IndoorGML carried out at the Open Geospatial Consortium, which aims at making indoor navigation services as available and successful as in outdoor environments.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-55379
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4431
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4134
Exam Date: 21-Mar-2014
Issue Date: 12-Aug-2014
Date Available: 12-Aug-2014
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Innenraumnavigation
Multilayered Space-Event Model
Navigationsbeschränkungen
Poincaré Dualität
Space Layer Algebra
Indoor navigation
Multilayered space-event model
Navigation constraints
Poincaré duality
Space layer algebra
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
Notes: Dieser Titel ist parallel zur Online-Version in gedruckter Form im Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, München erschienen; Schriftenreihe: Deutsche Geodätische Kommission, Reihe C Heft Nr.727 ISBN 978-3-7696-5139-3
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