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地球信息科学学报 >

2014 , Vol. 16 >Issue 4: 553 - 559

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00553

从地理信息系统角度探究盲人户外导航的几个关键问题

  • 陈旻 , 1, 2 ,
  • 刘德儿 1, 4 ,
  • 林珲 , 1, 2, 3**
展开
  • 1. 香港中文大学太空与地球信息科学研究所,香港 沙田
  • 2. 香港中文大学深圳研究院,深圳 518057
  • 3. 香港中文大学地理与资源管理学系,香港 沙田
  • 4. 江西理工大学建筑与测绘工程学院,赣州 341000
*通讯作者：林 珲（1954-）,广东潮汕人,教授,研究方向为虚拟地理环境及遥感科学。E-mail：

作者简介：陈 旻(1981-),江苏泰州人,副研究员,研究方向为虚拟地理环境、空间综合人文学与社会科学。E-mail：

收稿日期: 2013-10-15

  要求修回日期: 2014-01-23

  网络出版日期: 2014-07-10

基金资助

国家自然科学基金项目(41101439、41361077)

江西省科技厅对外(赣港)科技合作计划项目(20133BDH80016)

收起

A Discussion about Some Key Points of Outdoor Blind Guidance Based on Geographic Information System

  • CHEN Min , 1, 2 ,
  • LIU Deer 1, 4 ,
  • LIN Hui , 1, 2, 3*
Expand
  • 1. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hong Kong, Shatin Hong Kong, China
  • 2. Shenzhen Research Institute, The Chinese University of Hong Kong, Shenzhen 518057, China
  • 3. Department of Geography and Resource Management, The Chinese University of Hong Kong, Shatin Hong Kong, China
  • 4. Faculty of Architectural and Survey Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
*Corresponding author: LIN Hui, E-mail：

Received date: 2013-10-15

  Request revised date: 2014-01-23

  Online published: 2014-07-10

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

利用现代信息技术来弥补盲人在出行时空间感知的缺失,是提高盲人户外行动能力、城市生活品质的重要手段。相关理论与技术的研究已经逐步展开,出现了多种利用RFID、红外、蓝牙、WiFi、超声波、图像识别等信息感知技术开发的助行及路障侦测辅助工具,但如何进一步获取丰富的地理信息（包括地理语义信息）,并以此选择便于行走、风险较低的路径,仍然是盲人户外导航的难题。为了设计能够服务于盲人户外行走的地理信息系统,国外相关研究开始意识到适合于盲人空间感知需求的地理信息组织及其利用策略是盲人户外导航的重要基础之一;而国内的相关研究相对较少。因此,本文从地理信息系统（GIS）的视角,对盲人户外导航所涉及的地理信息需求分析、盲人用户外地理数据建模及引导算法3个关键点及其相关研究进行分析与论述,指出当前存在问题及发展趋势,并促进地理信息技术服务于户外导盲领域的发展。

关键词： 户外导盲; 地理数据建模; 导盲算法; 地理信息技术

本文引用格式

陈旻 , 刘德儿 , 林珲 . 从地理信息系统角度探究盲人户外导航的几个关键问题[J]. 地球信息科学学报, 2014 , 16(4) : 553 -559 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00553

Abstract

：Geographic information technologies are playing increasingly significant roles in supplementing the blind with spatial cognition, enhancing their mobility of outdoor activities and their quality of life in urban area. Increasing researches have appeared in the fields of electronics and computer science. Technologies related to RFID, infrared, Bluetooth, WiFi, ultrasonic and image recognition have been employed to develop tools for urban barriers detection. Barricade detection with electronic tools; however, cannot well satisfy the needs of the blind’s outdoor activities. As a matter of fact, researchers become increasingly aware of the importance of geographic information (including semantic information), with which the more familiar and convenient paths can be chosen, and the risks of outdoor activities can be reduced. With the development of geographic information technology, the abroad correlated researches have focused on the exploration of the requirements of spatial perception for the blind, and these researchers set geographic information to be the foundation of assisting outdoor blind guidance. Accordingly, geographic information technologies are integrated with other technologies to serve the blind guidance. However, this kind of research is quite rare in China. From the perspective of geographic information, this article gives a summary of relevant researchillustrates current issues, and point out the development tendency. It also aims at providing essential theoretical support for the development of related hardware and software, and further promoting the application of geographic information technologies in the field of blind service.

Key words： outdoor blind guidance; geographic data modeling; blind guidance algorithm; geographic information technology

1 引言

视觉是人类最主要的感知通道,人类通过视觉获取的信息占到了人类获取信息总量的83%[1]。一旦视觉出现障碍,行人对于所处空间的感知将几乎丧失。在城市户外空间,视障人群（尤其是盲人）由于不能正常地通过视觉通道获得空间感知,在城市生活遇到了难以逾越的障碍。如何提高盲人在城市空间的生存及生活品质,已成为当前亟待解决的问题。
现代信息技术是弥补盲人在行走时空间感知的缺失,提高盲人行动能力的重要手段。如利用RFID、红外、蓝牙、WiFi、超声波等技术所开发的路障侦测工具[2-12],以及语音识别与交互技术实现的盲人语音导航系统[13-15];同时,以计算机视觉、图像解译技术出现了一些集成所开发的导盲机器人及相关设备[16-22]。以上研究的成果可以为盲人出行时的局部活动提供较好的辅助支持[23],但是仅仅依靠信息感知技术还无法完全满足盲人出行的需求。
（1）虽然一些研究关注于路障侦测,但由于缺乏对路障相关信息的解译,导致盲人只能了解到前方有障碍,却无法更准确地获悉障碍物的实际情况,如障碍物的种类、危险性程度、是否具有某些功能（如垃圾桶）等。在某种程度上,这些“属性”不明的障碍物可能会影响盲人的心理表征与认知习惯[24],导致盲人在一个障碍空间中迷失方向。利用RFID技术、图像识别技术虽能辅助获取障碍物的类别、纹理等信息,但由于RFID识别是以在障碍物上贴“标签”为基础的,除了需要考虑成本、城市美观等问题外,户外地物复杂、种类繁多,地物之间还存在多种复杂空间关系,这增加了RFID技术在户外导盲大范围推广的难度[23];图像识别在一定程度上可以识别出道路上常见物体,并能够反馈相关路况信息,但由于识别过程通常需要构建庞大的样本库、设计复杂的识别模型（如模板匹配模型等）,并还有一定时间复杂度的训练,因此影响其应用[25]。语音导盲系统的出现,试图为盲人提供一个“即问即答”的引导工具,但目前对于“路上及附近的地物性质”及 “其与道路的空间关系”等关键问题,需结合地理信息技术及地理信息库进行深入探究。
（2）一些导盲辅助工具仅关注于提示盲人如何绕开障碍物,而对行走路径的整体信息、障碍物多少、危险度信息等内容关注的还不够,导致盲人在出行路径（特别是全局路径、中长距离路径）规划中,其应用能力尚显不足。盲人出行面对的并不仅仅是面前的障碍物,如何更快更安全地到达目的地,是盲人户外导航的一个关键问题。而在这方面,仅仅依靠电子信息、计算机技术,还无法构建一个较为完善的盲人引导工具。
（3）依赖电子信息技术进行盲人引导,可能导致工具笨重、结构复杂、成本高昂等问题,在不同程度上影响了相关工具的实用化推广[23]。
盲人在出行时,实际所关注的最主要是地理信息[26-27]。户外活动时,盲人对地理信息产生了非常规的特殊需求,对于城市地理信息在精度、综合性、实时性等方面的需求更甚于普通人群;他们除了需要准确地获取周围建筑、桥梁、通道等信息外,更加需要精确地感知台阶高低、护栏长短、沟堑深浅等地物信息,需要实时地得到行动引导。如果一个盲人无法得知周围的地理信息,他们与周围环境的交互能力将极其有限,同时也会使得他们在行走过程中更加紧张[27]。因此,除了感知信息以外,充分利用地理信息服务于盲人户外活动应该是户外导盲的另一关键问题。目前,构建服务于盲人户外出行的GIS可为盲人出行提供较为丰富的地理信息来了解周围环境,制定相关的行走路线[28]。故此,构建一个较为实用的盲人户外导航地理信息系统,需理解盲人出行行为特征并提炼出相关地理信息的需求,获取数据并建模、入库,进而实施精确引导及提供全面的导航服务。

2 盲人户外出行地理信息需求分析

地理信息包含了地理实体位置、形状及实体间空间关系、空间结构等诸多信息。面向盲人户外导航这一特定应用,首先需要明确盲人在户外出行时所关注的地理信息以丰富盲人的空间知识,这是盲人导航研究所必需解决的问题。
盲人虽然无法看见周围的地理环境,却同样拥有自己的心像表征（Mental Representations）[29-30]与认知地图[31]。基于Lynch[32]对心像表征所涉及的城市要素分类（包括道路、边界线、区域、节点与地标等5大类）,在面向盲人户外活动时,Bentzen等[33]对盲人心像表征进行了分析,认为不同道路之间的连接点（路口信息）是盲人最为关注的信息;Gaunet[34]则提出盲人出行所需要的信息应该主要包含行走过程中5~10 m的路径信息,以及距离路口30m之内的环境信息。Yaagoubi和Edwards在总结前人研究的基础上,认为盲人所关注的不仅是单个对象信息,还包含了对象之间的关系,因此,他们将盲人对城市空间的概念分为3个层次：“Level of Imminent Reinforcement”、“Level of Local Reinforcement”、“Level of Enlarged Reinforcement”。在不同层次的问题上,盲人所需要了解的地物详细程度不同[24,35],而地物之间的关系则是盲人出行需求的重要部分[36]。
从盲人出行方式的需求角度,Chandler和Worsflod[27]认为盲人出行主要依靠乘坐相关交通工具及步行2种方式。因此,盲人的地理信息需求涉及交通工具及其相关地理信息方面。Pey等[37]首先确认了公交信息对于盲人出行的重要性,认为公交汽车的行走方向、目的地、站点信息等,都是盲人所关注的;Polzerova和Fraser[38]指出除了公交汽车外,地铁和出租车也是盲人出行时常乘坐的交通工具,它们的位置信息、站台信息等也是盲人出行（特别是长距离活动）所关心的。至于步行途中的地理信息,Pavey等[39]认为在盲人步行过程中,街道上的障碍物,以及人行道路口最为重要。Strothotte等[40]、Laakso等[41]指出目的地的方向、街道名称、当前位置、街道设施、路网、商店及其入口、路口、地标、户外休闲设施等信息是盲人步行过程中不可或缺的地理信息。
此外,Marston在调研了盲人出行最主要的行为（包括购物、社交、工作、休闲、金融业务、宗教行为、休养、教育、治疗等）的基础上,将盲人对地理信息的需求分为5类,即对所在地地物的描述信息、一定距离之内的空间布局、方位信息、盲人自身的位置信息,以及整体的空间概念[42-43]。Golledge等[44]了解到盲人出行所希望了解的地理信息包括：他们应该选择的道路、方向;目前所面对的道路、所处的街道角落、转弯时机与方向;商店、办公室、公交站点的位置,以及刚刚路过的地点位置。最近,Liao[45]的问卷调查则显示了盲人对于户外行走最关心的地理信息主要是路口信息,其次是街道、目的地、地标、路线以及建筑物信息。
表1对盲人户外出行的地理信息需求进行了分析与总结,但上述研究所获取的需求尚未能构成一个完整的体系。例如,许多研究提出道路信息是盲人所关注的,但是道路的长度、宽度、拥挤度、障碍物个数、边缘信息、单/双行等信息都属于道路信息的范畴,这些信息相对于盲人出行,需作更系统论的分析研究。
Tab.1 Summary of geographic information requirements for blind navigation in outdoor space

表1 盲人户外出行地理信息需求相关研究归纳

研究方法 研究团队 需关注的出行要素
（除了Lynch提出的5大城市要素：道路、边界线、区域、节点与地标）
盲人心像
表征分析

Bentzen等 强调盲人更关注道路之间的连接点
Gaunet 行走过程中5~10 m的路径信息
距离路口30 m之内的环境信息
Yaagoubi和Edwards 盲人在不同情况下对于空间信息需求存在层次性
强调对象之间关系
盲人出行
行为分析 		Chandler和Worsflod 出行主要依靠乘坐相关交通工具及步行2种方式
Pey等 公交汽车的行走方向、目的地、站点信息等
Polzerova和Fraser 地铁和出租车的位置信息、站台信息等
情景的问卷
调查分析

Marston 对所在地地物的描述信息、一定距离之内的空间布局、方位信息、盲人自身的位置信息,以及整体的空间概念
Golledge等 所面对的道路、所处的街道角落、转弯时机与方向,商店、办公室、公交站点的位置,以及路过的地点位置
Liao 路口信息、街道、目的地、地标、路线,以及建筑物信息

3 户外导盲地理数据建模

长期以来,在导航及交通领域已经出现了较多的户外数据模型,如GDF/XGDF[46]、Kiwi/Kiwi Plus（http://www.kiwi-w.org/format_english/format_kihon.html）、SDAL（http://www.navteq.com/ sdalformat/features.html）等导航用数据模型,以及LRS（Linear Reference System）[47]、平面[48]与车道的户外数据模型[49-52]。但这些模型的主要建模对象是道路、路网、车道等车辆交通关注的特征,其核心是表达路网的线性几何特征和拓扑连通特征。分析可知,除了道路、车道等,城市环境中的河沟、垃圾桶、广告牌、陡坎等小尺度的障碍物也是城市户外导盲数据建模所需关注的;所建立的数据模型应既能满足盲人出行路径规划需求,也能对徒步所涉及的城市户外地表地物进行覆盖。因此,户外导盲数据建模方式不仅能够对比车辆导航、交通管理数据更细微的地理数据进行建模,还能综合表达其几何特征和语义信息。
加州大学圣塔芭芭拉分校的Golledge教授所领导的团队利用AutoCAD对交通对象（如道路、自行车道、步行道、停车场、自行车停车处）、建筑、土地利用（如广场、绿地）,以及灯柱、共用电话、楼梯等信息进行了建模[53]。但至今还没有见到相关后续的研究成果[54-56]。
近年来,一些研究者开始关注于GIS数据模型理论在盲人用户外数据建模中的应用,并将之运用于Web导盲系统的构建。Wasserburger等[57]基于OpenStreetMap的数据组织方式,加入对于道路节点的语义说明,构建数据模型;Fernandes等[18]利用面向对象的思想,对道路、建筑、公交站点、停车场、路标、路口、绿地、体育设施及网络连接点进行了建模。而志愿者地理信息（Volunteered Geographic Information,VGI）的发展,也进一步丰富了盲人户外导航系统的数据源,从而推动了相关数据建模的研究。Rice等[58-59]从便于用户贡献信息的角度,着重对户外建筑的描述信息及建模方法进行了探讨。
构建盲人户外出行用数据模型时需考虑：（1）细节性地物（如垃圾桶、台阶、栏杆等）、道路边缘信息（如凸起）、交通路口信息（如斑马线）对于盲人出行有较大影响,故需关注地物的组织方式,使数据模型的设计既要具有高度的抽象性（避免一种对象一种组织方式,导致数据类繁多冗余）,又要尽量考虑特殊地物的表达;（2）需完善拓扑关系的表达与记录,除了道路之间的连通性之外,各种特征地物与道路的拓扑关系、特征地物之间的拓扑关系也格外重要;（3）盲人用户外地理信息语义描述体系构建需有丰富的语义信息（如地物的作用、名称、历史描述等）的支撑,发极大地提升了盲人户外的空间感知能力。

4 盲人户外引导与其相关算法

盲人户外引导的主要目的之一是减少盲人途中的花费和风险。相比于视力没有障碍的行人,盲人出行所需考虑的要素更加多样,除了时间、路径长度、交通花费等,还需要考虑盲人出行路径的危险度、熟悉程度等[27,60]。盲人出行引导服务可分为：为了到达长距离目的地的全局规划;为避让障碍、提供实时路径的局部引导。在全局规划时,现有的盲人户外引导算法多采用最短路径法[14,16,53],在具体应用时尚未对道路上路障多少、道路宽窄、路口复杂度进行考虑,导致计算出来的最短路径并不一定就是盲人出行最为安全、便捷的途径。在局部引导时,由于城市户外空间的任何基础设施都可能成为障碍物,一些细微地形的突变都可能影响盲人行走,导致盲人遭受伤害。因此,在盲人位置确定的前提下,需要能够快速地依据盲人位置、方向等信息计算出其与周围环境及各种可能影响其行走的特征地物之间的关系,提供实时、精确的引导。
相关领域的一些算法,如全局路径规划方面,有Dijkstra 算法及其改进算法、A*算法及其改进算法、空间网络分层分解算法、遗传算法[61]。而局部路径搜索和障碍避让算法,包括虚拟势场和导航函数法、几何模型搜索方法（如概率路图法、Voronoi图法等）、生物智能的方法（如蚂群算法、自组织神经网络法）[62]等都可以借鉴到盲人户外导航系统中。以上算法由于关注点不同,采用的数据组织方式有所差异,且存在海量数据环境下需要优化等问题,无法直接为盲人户外导航直接所用,但却可为相关算法的设计提供参考思路。
作者认为,可对全局规划算法进行改进,将传统的静态全局规划与局部路径复杂度计算进行综合,并对局部路径的复杂性进行计算,加入到全局规划中,通过组合、筛选等方式计算出全局规划与局部规划的最优组合。在此过程中,首先,利用栅格分解法、Dijkstra算法或神经网络算法等进行全局规划的筛选,筛除掉花费差异较大的部分全局路径。对剩下的全局路径中的局部路径进行复杂性计算,如采用人工势场法进行改进。改进方案可根据局部所涉及盲人路径的拓扑关系,建立一个控制性的行走路径,将其中具有连通特征的交点作为一个局部子目标。在局部子目标中选择一个路径,如果在指定的迭代次数中不能直接到达该局部目标,则在邻接特征上根据行走目标选择一个点作为中间子目标,直到找到可行走的局部路径。通过记录生成局部路径的复杂性,从而得到局部路径的复杂度权值。将局部路径的复杂度加入到全局路径的进一步筛选过程中,最终研究出综合的出行评估指标及路线,实现兼顾全局路径最优和局部路径复杂性的全局导盲路径规划算法。

5 结论与展望

GIS及其技术为盲人户外导航提供信息源及服务方面的支撑,为盲人充分感知城市环境提供了基础,但尚有待完善：（1）对于盲人地理信息需求的研究,需在体系和细节方面进行探索;（2）随着盲人地理信息需求的逐步明确,在对相关地理数据进行建模时要能够及时将此类特殊需求所对应的环境、地物信息（包括几何、拓扑、语义等）充分考虑进去;（3）引导算法设计时要充分考虑各种要素信息,使得依据相关算法能综合制定出比较完善且花费较少的盲人出行路径。

The authors have declared that no competing interests exist.

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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