一种基于用户行为分析的室内地图绘制方法和系统与流程
地图是导航技术的基础，实现导航必先绘制适合的地图。地图绘制技术已经发展的非常成熟，特别是卫星技术和光学技术在现代测绘上的应用，地图制作已经发展到由手工测绘到卫星/航空照片，由二维地图到三维地图的发展过程。目前专业的商业地图制作公司已经大量使用遥感卫星制作地图，使用专用的测绘车在路面上进行三维地图建模和信号采集。
人们大部分时间在室内度过，随着人们对室内定位应用的需求的提高，室内地图的问题开始显现出来，但是上述卫星遥感技术和测绘车三维建模技术手段显然不适合室内地图的制作，如果采用人工绘制手段，则绘制成本是任何企业都不能接受的。为此科技工作者提出了多种技术手段进行室内地图的制作。
比如申请号201510965363.3专利申请书公开的室内地图的生成方法采用了从电子底图提取室内路线的方法；申请号201610202360.9专利申请书公开的室内地图制作方法采用了激光测绘的方法测量室内三维图；申请号201610170700.4专利申请公开的基于用户的室内地图制作方法采用了移动终端在目标楼层的实时位置，根据移动终端实时位置绘制并生成室内地图。申请号201810483501.8专利申请书公开的基于移动众包的室内地图生成模式和申请号201810483521.5专利申请号公开的多用户轨迹拟合室内地图生成方法，利用手机内置的传感器采集数据，得到用户轨迹，利用轨迹拟合算法得到最大概率的地图。进一步，申请号201710525081.0专利申请书公开了应用室内环境图像进行分析，确定对象的位置信息，根据对象的位置信息在室内区域的原始地图的相应位置添加对应的虚拟对象形成融合地图。申请号201710321986.6专利申请书公开的是一种生成室内地图的方法，公开了一种三维地图生成的方法，该方法主要特点是在地图展示上采用了三维呈现方式，展示真实场景的室内地图。
上述技术提高了室内地图的制作效率和实用性。但是也存在明显的缺陷：室内地图生成仍然是二维制图思路，生成平面结构图形；生成的室内地图以导航路线为主目的，还不能满足场景服务的需要。
为了克服以上缺陷，本发明公开了一种基于用户行为分析的室内地图绘制方法和系统，利用移动终端行为特征的数据分析和机器学习，重建室内用户行为的活动场景，绘制场景服务可用的三维室内地图。本发明提供的地图具有生产成本低、生成效率高优点，有利于在广域条件下推广应用。
技术实现要素：
本发明所要解决的是室内导航和位置服务所需的三维地图绘制的问题，为了解决上述问题本发明公开了一种基于用户行为分析的室内地图绘制方法和系统。
本发明提供的一种基于用户行为分析的室内地图绘制系统，包括用户行为信息采集子系统、用户行为分析子系统、绘图子系统，其中，用户行为信息采集子系统用于采集用户活动的位置信息，并以时间序列方式进行保存管理，用于对用户行为进行分析；用户行为分析子系统用于分析用户的行为特征，对用户的行为特征进行建模，为重建行为特征活动地图提供基础数据；绘图子系统用于根据用户行为特征重建室内三维地图，其中，
用户行为信息采集子系统包括测距模块和移动终端，测距模块对移动终端进行测距，包括三种测距模式：移动终端主动测距即工作模式1、移动终端被动测距即工作模式2、和相位测距。
在工作模式1下，移动终端发射带有高精度时间戳的测距报文，由测距模块计算移动终端到测距模块的伪距；在工作模式2下，测距模块发射带有高精度时间戳的测距报文，移动终端接收到测距报文根据时间戳计算伪距。
移动终端能够跟踪定位用户的活动，通过与测距模块配合记录用户的活动轨迹和行为特征，为绘制室内地图提供基础数据，其中移动终端在工作模式1时，移动终端发送带有时间戳的测距报文，测距模块接收到移动终端的测距报文，由测距模块计算移动终端到测距模块的伪距；移动终端工作模式2时，移动终端根据测距模块发出的测距报文和时间戳进行时间校准，根据接收的测距模块的测距报文，在本地计算测模块到移动终端的伪距。
其中用户行为分析子系统包括用户行为数据库和用户行为分析模块，用户行为数据库以时间序列方式管理每个移动终端的伪距数据和经过分析计算之后的数据，伪距数据由测距模块或移动终端产生，用户行为分析模块对伪距进行时间序列分析产生分析计算数据。
绘图子系统包括地图构图模块，该模块用于根据用户的行为重建室内地图以生成三维地图；重建室内地图的过程包括确定移动终端行为，确定移动终端实施行为的坐标，在模型库选择适合的模型重建三维模型，验证优化重建的三维模型，在用户的干预下确认重建的室内地图并保存到数据库。
绘图子系统还包括模型库、知识库、地图展示引擎、人工干预模块、地图图库。
其中测距模块包括报文发送子模块、报文接收子模块、伪距计算子模块、时钟子模块构成、云端通讯模块，其中报文发送子模块向移动终端发送带有高精度时间戳的测距报文，移动终端根据测距报文计算伪距；或者移动终端直接向测距模块发出测距报文回文，由测距模块计算移动终端伪距。
时钟子模块用于生成一个高精度时间戳，并通过测距报文发送给移动终端，移动终端具有伪时钟校准子模块,其利用该时间戳进行时间校准。
移动终端包括报文接收子模块、报文发送子模块、伪距计算子模块、伪时钟校准子模块、伪时钟子模块、云端通讯模块。
本发明还提供了一种基于用户行为分析的室内地图绘制方法，包括用户行为信息采集子系统采集移动终端的活动轨迹；用户行为分析子系统根据用户活动轨迹分析计算用户行为特征，根据用户行为特征重建区域特征热区；绘图子系统根据用户行为热区，调用三维构件模型库的构件建立三维地图，其中，
采集移动终端的活动轨迹的步骤包括伪时钟校准过程，具体为：
a.将已具有特定行为轨迹例如具有明显特点的“特征区域”定义为“指纹区”，作为伪时钟校准热区，测量测量模块到伪时钟校准热区的伪距δtf；
b.测距模块启动高精度时钟t0，获取高精度时钟信号tn，以不低于1赫兹的频率向移动终端广播报文；
c.移动终端测量并记录移动终端的伪距δts；
d.用数学方法找到移动终端行为的特征区域，确定移动终端进入或者移出伪时钟校准热区；
e.取得移动终端进入或者移出伪时钟校准热区时的报文，解析出报文中的时钟信号tn，计算移动终端的伪时钟t1的时间tm＝tn+δtf；
f.移动终端的伪时钟校准子模块设置移动终端伪时钟t1的时间为tm，完成移动终端时钟校准。
其中分析计算用户行为特征的步骤可包括行为特征分析过程，具体包括:
a.绘图子系统的地图构图模块读取用户行为数据库，根据伪距δts的时间序列和约束条件重建移动终端轨迹的向量空间vt；
b.根据移动终端轨迹的向量空间vt重建行为轨迹拟合曲线，具体为近似曲线或贝叶斯曲线；
c.对移动终端行为轨迹进行分类和/或聚类分析，确定用户的行为概率；
d.地图构图模块根据行为概率确定二维平面功能区和功能区范围；
e.地图构图模块调用地图图库在二维平面内标注功能区和功能区范围。
通过本发明提供的基于用户行为分析的室内地图绘制系统和方法，能够充分利用机器学习和用户行为数据分析技术，为低成本实现室内三维地图绘制提供了一种简便可行的技术。
附图说明
为了更清楚明了地向本领域技术人员传达本发明的意图，提供了附图来进一步说明。图中：
图1是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制系统的示意性图示；
图2是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法各步骤的示意性图示；
图3是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制系统的各组成部分的具体构成的示意性图示；
图4是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制系统的用户行为采集子系统的测距模块的构成的示意性图示；
图5是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制系统的用户行为采集子系统的移动终端的构成的示意性图示；
图6是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法的移动终端的伪时钟校准模块实施伪时钟校准过程的示意性流程图；
图7是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法中移动终端主动测距过程的示意性流程图；
图8是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法中移动终端被动测距过程的示意性流程图；
图9是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法中根据用户活动轨迹分析计算用户行为特征的过程的示意性流程图；
图10是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法中室内地图重建过程的示意性流程图；
图11是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法中机器学习过程的示意性流程图；
图12是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法中移动终端在三维空间移动的示意性流程图；
图13是根据本发明具体实施方式的基于用户行为分析的室内地图绘制方法中指纹点识别过程的示意性流程图。
将参考附图来描述本发明的具体实施方式，应注意，附图和相关描述仅是示意性的，并不构成对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
下文将具体描述本发明的具体实施方式。
首先，本发明提供了一种基于用户行为分析的室内地图绘制系统，该室内地图绘制系统包括三个子系统：用户行为信息采集子系统、用户行为分析子系统、绘图子系统，如图1中所示，
其中，用户行为信息采集子系统的作用是采集用户活动的位置信息，并以时间序列方式进行保存管理，用于对用户行为进行分析。
用户行为分析子系统的作用是分析用户的行为特征，对用户的行为特征进行建模，为重建行为特征活动地图提供基础数据。
绘图子系统的作用是根据用户行为特征或者也根据机器学习的“构图知识”重建室内三维地图，绘图子系统构图过程中，可以进行人工干预，人工纠正计算机自主重建地图过程中出现的偏差和错误，机器学习模块通过案例学习更新“知识库”的“构图知识”。
基于用户行为分析的室内地图绘制系统的总体流程如图2所示。
本发明公开的一种基于用户行为分析的室内地图绘制方法和系统实现绘制室内三维地图的核心技术是对移动终端的测距，本发明实施例给出的测距模式由三种：移动终端主动测距、移动终端被动测距、相位测距。具体如下：
移动终端主动测距的过程是移动终端向测距模块发送测距报文，测距模块直接回复移动终端坐标的测距模式，如图7所示，下文将具体描述。
移动终端被动测距的过程是测距模块广播发送测距报文，移动终端接收测距报文，由移动终端完成时钟校准和伪距计算过程的测距模式，并进一步将其计算转换成坐标的测距模式，如图8所示。
相位测距模式是在用户未开启定位测距时，定位测距模块开启的测距模式，相位测距模式下利用定位测距模块3根以上天线检测移动终端的电磁波信号相位，根据移动终端的电磁波信号的相位计算移动终端的方向和距离，该原理与“被动无源式”(pesa)相控阵雷达相同。
进一步地，如图3所示，本发明基于用户行为分析的室内地图绘制系统的用户行为信息采集子系统包括测距模块和移动终端。
测距模块的作用是发射可用于测距的无线报文，测量移动终端到定位模块的距离，测距模块在工作模式2下，发射带有高精度时间戳的测距报文，移动终端接收到测距报文根据时间戳计算伪距；测距模块在工作模式1下，移动终端发射带有高精度时间戳的测距报文，由测距模块计算移动终端到测距模块的伪距。
移动终端一般是指用户的智能手机，也可以是其他类型智能终端设备，移动终端的作用是跟踪定位用户的活动，通过与测距模块配合记录用户的活动轨迹和行为特征，为绘制室内地图提供基础数据。移动终端在工作模式1时，移动终端发送带有时间戳的测距报文，测距模块接收到移动终端的测距报文，由测距模块计算移动终端到测距模块的伪距；移动终端工作模式2时，移动终端根据测距模块测距报文和时间戳进行时间校准，根据接收的测距模块的测距报文，在本地计算伪距。
参考图3可见，用户行为分析子系统包括用户行为数据库和用户行为分析模块。
用户行为数据库以时间序列方式管理每个移动终端的伪距数据和经过分析计算之后的数据，伪距数据由测距模块或移动终端产生，用户行为分析模块对伪距进行时间序列分析产生分析计算数据。
用户行为分析模块是一个数据分析引擎，其作用是计算伪距特征再现移动终端活动轨迹，根据移动终端的轨迹特征，分析用户的行为特征，分析用户可能的行为和动作，并在用户行为数据库中进行保存，为重建三维地图提供用户行为数据。
移动终端的活动轨迹的每一个点相对于测距模块都是三维空间的一个向量，移动终端的轨迹可以用向量空间表示。本发明所述“伪距”是使用时间表示的距离，伪距是标量没有方向。计算移动终端的活动特征首先还原出构成移动终端轨迹的所有向量。本发明根据室内空间的具有的“约束性”条件和其他可用参数比如惯性制导参数、rssi参数、地磁指纹等还原出移动终端运动的向量空间，在向量空间内计算还原出移动终端的轨迹，由移动终端的轨迹和连续行为特征分析用户的行为。
以用户用餐过程为例说明通过用户行为分析重建地图的过程。用户携带移动终端进入饭店，手机信号完成由室外定位信号向室内定位信号的切换，切换的区域一般位于门口附近。该区域为一个特征区域，或者称为一个“指纹区”，在该区域完成时钟校准。移动终端跟随用户运动，以每秒不低于一次的频率测量移动终端到测距模块的伪距。移动过程中移动终端的罗盘和加速度计记录移动终端的方向等参数，与伪距等参数合并计算得到移动终端的运动轨迹，也即用户的行为轨迹。用户由门口进入包厢的过程和距离被完整的记录。用户在包厢内围坐在餐桌，移动终端准确的记录的每个用户的位置，并可以根据该数据计算餐桌的大小和高度等参数，进一步就餐过程中用户的行为也可以计算得到。得到餐桌大小高低，根据用户在室内的活动范围，可以得到个包厢的布置数据，由地图构图模块重建该饭店的三维地图。
参考图3可见，绘图子系统包括机器学习模块、地图构图模块、模型库、知识库、地图展示引擎、人工干预模块、地图图库。
机器学习模块的作用是为地图构图模块提供构图参数和学习纠正地图构图参数形成“构图知识”，为地图构图模块自主制图提供“构图知识”。
地图构图模块的作用是根据用户的行为重建室内地图以生成三维地图，重建室内地图的过程包括确定移动终端行为、确定移动终端实施行为的坐标、在模型库选择适合的模型重建三维模型、验证优化重建的三维模型、在用户的干预下确认重建的室内地图并保存到数据库。
模型库的作用是保存预先设定的三维构件模型，在构建三维地图时直接使用三维构件模型，减少重复工作量，更重要的是降低计算复杂度和错误概率。模型库例如由辅助工具如cad、3dstudiomax等3维建模工具软件建立。
知识库的作用是保存机器学习模块通过案例学习获得的“构图知识”，为地图构图模块提供重建三维地图所需的“构图知识”。
地图图库的作用是保存地图构建模块生成的三维地图，室内三维地图的数据优选是以对象模型为基础建立和保存。此处所述对象模型是如cad、3dstudiomax等3维建模工具建立的三维构件模型，以对象模型为基础构建三维地图数据库有利于地图的三维重建和提高网络通讯效率。
地图展示引擎的作用是在使用过程中向终端提供地图服务，和在需要人为干预的情况下，在地图构造过程中为人工干预过程提供效果浏览。
人工干预模块的作用是在计算机根据“构图知识”生成一个室内空间的地图之后，由人工对地图进行确认和修改，对模型的三维坐标进行精确校准。
测距模块的构成包括报文发送子模块s1、报文接收子模块s2、伪距计算子模块s3、时钟子模块构成s4、云端通讯模块s5。如图4所示。
报文发送子模块s1向移动终端发送带有高精度时间戳的测距报文，移动终端根据测距报文计算伪距，或者移动终端直接向测距模块发出测距报文回文，由测距模块计算移动终端伪距。
报文接收模块s2的作用是接收移动终端的测距报文或者测距报文回文。在工作模式2模式下，接收到的报文包含移动终端计算的伪距结果，工作模式1模式下接收到的报文不包括移动终端计算的伪距结果。
伪距计算子模块s3的作用是计算移动终端到测距模块的伪距。伪距表示了移动终端与测距模块在三维空间的相对关系，通过移动终端与测距模块相对关系进一步计算移动终端所在平面的布局。
时钟子模块s4的作用是生成一个高精度时间戳，并通过测距报文发送给移动终端app，用户的移动终端app具有伪时钟校准子模块m4,其利用该时间种子即时间戳进行时间校准。
云端通讯模块s5的作用是实现测距模块与云端数据库和计算服务器的通讯。
移动终端app模块包括报文接收子模块m1、报文发送子模块m2、伪距计算子模块m3、伪时钟校准子模块m4、伪时钟子模块m5、云端通讯模块m6。如图5所示。
报文接收子模块m1的作用是接收测距模块的测距报文。
报文发送子模块m2的作用是发送测距报文回文到测距模块。
伪距计算子模块m3是根据测距报文计算移动终端到测距模块的伪距。
伪时钟校准子模块4的作用是校准“伪时钟”，接收到时间戳之后必须进行校准。找到移动终端运动轨迹的指纹区域，以指纹区域作为时钟校准点进行时钟校准。校准流程如图6所示。
本发明所述的“指纹区”是指移动用户的行为轨迹存在明显特征的区域，比如室内室外信号切换区域，走廊拐角等手机罗盘方向发生明显改变，或者上下楼梯移动终端震动的加速度出现明显变化的区域，或者如果图12所描述c、e、f三个点具有明显的特征，可以作为指纹点，用于矫正移动终端的时钟。
伪时钟子模块m5，“伪时钟”并非物理时钟，而是一个精度很高的时间计数器，以该时间计数器的计数作为测距依据的“时间标尺”，用于伪距测量。
云端通讯模块m6的作用是实现测距模块与云端数据库和计算服务器通讯。
移动终端在三维空间移动，如图12所示{z}是测距模块位置，{a,…,i}是移动终端的连续活动位置，向量
如图12所示，移动终端由a点开始，经过b,c,…,h点移动到i点的过程中，在c点和f点改变了移动方向，c点和f点可以作为指纹点；如果存在d点到e点距离在减小即
如图12所述，由向量空间vt重构移动终端运动行动轨迹，计算得到移动终端坐标{a,…,i},根据移动终端的坐标{a,…,i}在平面上标记出用户活动热区，由地图构件模块根据用户活动热区和机器学习取得的“构图知识”重构三维地图。
本发明利用伪距测量的方法还原用户行为和过程，充分利用了用户行为数据分析技术和机器学习方法，以移动终端用户的行为轨迹作为基础数据，为地图构建特别是行为活动地图的构建提供了确实可行的技术方法，与传统测绘方法相比节约了大量的绘制成本和绘制时间；与激光测量绘图方式相比，本发明由系统自主构建室内地图，大幅度降低了室内三维地图的绘制的成本，特别是室内布置改变比如重新装修等之后重新绘制三维地图的成本。
以下将具体描述根据本发明具体实施例的基于用户行为分析的室内地图绘制方法的流程。
一、系统总体过程，如图2所示
根据本发明的优选实施例，基于用户行为分析的室内地图绘制方法包括如下步骤：
1.用户行为信息采集子系统采集移动终端的活动轨迹；
2.用户行为分析子系统根据用户活动轨迹分析计算用户行为特征，根据用户行为特征重建区域特征热区；
3.绘图子系统根据用户行为热区，调用素材库的构件建立三维地图，用户根据实际情况调整和确认三维地图和坐标，机器学习模块通过案例学习积累“构图知识”，“构图知识”用于地图构图模块重建三维室内地图。
二、如上文所述的采集移动终端的活动轨迹的步骤可包括伪时钟校准过程，具体如图6所示，
1.将已具有特定行为指纹的区域设定为伪时钟校准热区，测量测量模块到伪时钟校准热区的伪距δtf；
2.测距模块启动高精度时钟t0，获取高精度时钟信号tn，以不低于1赫兹的频率向移动终端广播报文；
3.移动终端测量并记录移动终端的伪距δts；
4.用小波或者其他数学方法找到移动终端行为的特征区域，确定移动终端进入或者移出伪时钟校准热区；
5.取得移动终端进入或者移出伪时钟校准热区时的报文，解析出报文中的时钟信号tn，计算移动终端的伪时钟t1的时间tm＝tn+δtf；
6.终端app的伪时钟校准子模块设置移动终端伪时钟t1的时间为tm，完成移动终端时钟校准。
三)、如上文所述的采集移动终端的活动轨迹的步骤可包括移动终端主动测距过程，如图7所示，
1.移动终端启动时钟子模块s4，取得时间戳tn；
2.移动终端的报文发送子模块m2使用tn作为时间戳打包到测距报文向测距模块发出；
3.测距模块的报文接收子模块s2接收到测距报文，读取时间戳tn；
4.移动终端的伪距计算子模块s3读取时钟子模块s4的时间tm和测距报文的时间戳tn，计算移动终端到测距模块的伪距δts＝tm-tn；
5.以移动终端发送时间戳tn和/或测距模块的报文接收子模块s2接收到报文的时间tm为标签存储伪距δts到用户行为数据库。
四)、如上文所述的采集移动终端的活动轨迹的步骤可包括移动终端被动测距过程，如图8所示，
1.测距模块启动时钟子模块s4，取得当前时间作为时间戳；
2.测距模块的报文发送子模块s1使用作为时间戳打包到测距报文向移动终端广播发出；
3.移动终端app的报文接收子模块m1接收到测距报文，读取时间戳tn；
4.移动终端的伪距计算子模块m3读取伪时钟的时间tm和测距报文的时间戳tn，计算移动终端到测距模块的伪距δts＝tm-tn；
5.以测距报文发送时间戳tn和/或移动终端app的报文接收子模块m1接收到报文的时间tm为标签存储伪距δts到用户行为数据库。
五)、如上文所述的分析计算用户行为特征的步骤可包括行为特征分析过程，如图9所示，
1.绘图子系统的地图构图模块读取用户行为数据库，根据伪距δts的时间序列和约束条件重建移动终端轨迹的向量空间vt；
2.根据移动终端轨迹的向量空间vt重建行为轨迹拟合曲线，比如近似曲线或贝叶斯曲线等拟合曲线；
3.对移动终端行为轨迹进行分类和/或聚类分析，确定用户的行为概率；
4.绘图子系统的地图构图模块根据行为概率确定二维平面功能区和功能区范围；
5.地图构图模块调用地图图库在二维平面内标注功能区和功能区范围。
六)、如上文所述的建立三维地图的步骤可包括室内地图重建过程，如图9所示，
1.地图构图模块读取地图图库二维平面标注的功能区和功能区范围；
2.选取构建库中的行为客体构建该区场景，比如餐厅场景：圆型或者方型餐桌、过道走廊、取餐台等；超市场景：货架、结算台等；其他场景；
3.用户使用人工干预模块确认系统自主构建的地图是否正确，修改图中错误标注和不恰当构件，校准构件坐标；
4.经过校正的三维室内地图保存到地图图库；
5.机器学习模块学习地图构图参数，保存“构图知识”到知识库。
七)、如上文所述的建立三维地图的步骤可包括机器学习过程，如图11所示，
1.输入地图图库模型，从知识库读取地图“构图知识”；
2.输入人工干预模块修正参数，学习案例；
3.更新“知识库”的“知识”，保存“构图知识”到知识库。
八)、如上文所述的建立三维地图的步骤可包括指纹点识别过程，如图13所示，
1.读取移动终端伪距时间序列数据；
2.还原移动终端位移各点向量；
3.计算移动终端轨迹；
4.计算拐点曲率，曲率大于设定值，即为轨迹特征指纹点。
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