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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

整合 GPS、Wi-Fi 及 3D Space 建置空間導航及 導覽系統-以中華大學為例

Integrating GPS, Wi-Fi and 3D Animation to Construct Space Navigation and Guidance System – Use Chung Hua University as an

Example

系 所 別:營 建 管 理 研 究 所 學號姓名:M09716008 林 珈 竹 指導教授:蕭 炎 泉 博士

中 華 民 國 九十九 年 七 月

(2)

摘 要

近年來資訊科技發達,用 GPS 來協助汽車駕駛協助導航已趨成熟,另導覽系統 的使用也日趨普遍,能提供免出門就可查閱欲了解標的之室內外之空間格局。在比較 大的企業或是學校單位因缺乏有效的導覽系統,無法提供訪客比較完整的空間資訊及 方便的導航導覽功能。

本研究將建置『校園導航導覽系統』,方便訪客選擇訪問標的,系統能依出發位 置標出路徑,讓訪客快速到達目標位置。另本系統建制720 度定點動畫導覽功能,以 供使用者透過瀏覽器查詢熟悉新環境。

本研究使用工具為ER Model、SQL Server、ASP.net、ODBC、PDA、GPS、Wi-Fi、

3D Space、及視窗環境,開發之訪客查詢軟體包含「關鍵字查詢作業」、「架構查詢作 業」、「活動查詢作業」、「導航導覽作業」等模組。本研究整合校園之空間資料、教職 員資訊,在輸入相關之尋訪對象資料(含姓名、電話分機、手機、傳真、Email、房間 編號等)後,便能連結到該員之辦公室編號,於室外以 GPS 導航到建築物門口;室內以 Wi-Fi 導航到標的樓層及房間,可有效節省訪客摸索時間、提高空間服務之品質及機 關之形象。訪客欲參加某項活動時系統也可依據選取之活動項目協助導航到活動現場。

另透過3D 之導覽,使用者可以透過 720 度動畫很快的熟悉新環境,對機關形象之推 廣有很大的助益。

關鍵字:全球衛星定位系統、無線網路定位系統、資料庫、個人數位助理。

(3)

ABSTRACT

The IT technology has been well developed for current generation. The popularity of communication has promoted the application of IT and the navigation systems are used by more population. The house selling companies have provided the guide system so customer can look up the space pattern through internet to save the transportation time.

Some big enterprises and education may be lack of navigation system and guide system therefore can not provide visitors a better space guidance service.

In this study the GPS and Wi-Fi are used to construct Space Guidance System for visitors to easily navigate to target. This study will use 3D technology to build 720 degrees animations for selected points so users can look the views of new environments through browser.

The ER Model, SQL Server, ASP.net, ODBC, PDA and Windows environment are used to develop “Space Navigation and Guidance System” which includes modules such as

‘Organization Management’, ‘Faculty Management’, ‘Space Management’,`Schedule Management’, ‘Activity Management’ and ’Space Guidance’. This study will integrate space and faculty data. When related data of visited person, such as name, phone number, extension number, fax number, email, faculty number or room number, is keyed-in, the system will show the path from start point to destination point. The system will use GPS outside the building and use Wi-Fi to navigate customers inside the building. When visited person has multiple offices or in lecture or meeting, system can detect and provide user to choose appropriate target. The system will guide visitor to selected destination to save groping time for visitor and promote space service quality as well as enterprise image.

When visitors want to attend some activity such as conference or meeting, the system can direct them to scene of selected activity. Through the help of 3D guidance, user can view the 720 degrees animation to familiar interesting points. This will help us to know new environment easily and significantly promote the organization image.

Keywords: GPS, Wi-Fi, Database, ER Model, PDA.

(4)

誌 謝

我愛中華,這應該是第一次有人在開頭打上這四個字。我愛營建,也許這是 我待了七年的感覺。從大學時代擔任系學會活動長到研究所擔任班代,研討會專 案經理,這七年的風風雨雨,讓我感覺到大學延畢,對我而言,並不是一個句點,

而是我生命中精彩的轉淚點,要我用短短的這兩頁來感謝,真的怎麼打也打不完,

以下就由我來一一誌謝:

這兩年來,首先我要特別感謝我的恩師 蕭炎泉教授之悉心指導,可以把我這 個大學時代吊車尾的學生,帶到研究所名列前矛,老師就像是自己的父親一樣,

用溝通與關懷的角度來教導我。再來是我大學時代的班導 楊錫麒教授,這七年來 老師都是一直默默在關心我,適時的給我指正。再則是給我機會讓我當研討會專 案經理的 余文德教授,感謝老師如此的器重我,願意一路在身後挺我,真的很感 謝。接著是多年來一直在身後挺我的 楊智斌所長,願意給我多次機會,讓我為系 上盡一份心力。再來是這兩年指導著我的 王明德教授,很感謝您將我帶入學校區 域產學研究的團隊,讓我學習到更多課外以外的事,真的非常感謝。接著是雖然 沒被指導,但卻影響我很多的 石晉芳教授,感謝您給我不一樣的人生觀,教了我 不少課外的事,讓我更能清楚的看見人生。最後我要感謝讓我改變學習態度的一 位老師,通識中心的唐曉嵐 老師,因為上了你的課,讓我感覺到人生就要把握當 下,從此我的課業也跟著起步了。

在研究期間感謝系所的邱垂德老師、吳福祥老師、鄭紹材老師、許玉明老師 於研究方向、論文架構等方面,給予多方引導。在口試期間,承蒙口試委員吳卓 夫教授、廖國裕教授的指導,並惠賜諸多寶貴意見,至為感禱,謹致上最深之謝 忱。

在此我要特別感謝一路陪伴我七年的夥伴宗煜、松霈,你們就是給我撐下去 的原動力,給我無限的創作理念及活動理念,沒有你們,我想我也沒有今天的成 就。再來我要先感謝過去陪伴我四五年的九二大學部同學,坤霖、家豪、婉瑩、

(5)

正旺、靜儀、錦益,感謝你們願意一路挺我,聽我訴苦。

接著要感謝九七碩班的同學們,長鴻、安祥、哲瑜、筱軍、柏宏、靜瑤、郁 詞、柏丞、祺焜、相甫、紹偉、華勳,這兩年你們真的辛苦了。也要感謝一路上 幫忙的學長姐們,誌銘學長、詩婷學姐、依君學姐、偉志學長、宗益學長、美鈴 學姐、宇德學長、還有幫很多忙的 佩娟助理。也感謝我們研究室超辛苦的兩位學 弟,士凱、聰騰以及九八碩班的學弟妹們秋梅、浩榕、家裕、雅芳、自浩、庭芳、

炳勳。

感謝過去大學部的學弟妹們,九三級的安迪、國田,九四級的瑋琦、永添、

睿杰、佳修、岳修、諄學,九五級的泰羽、家洋、光榮、垂政、連祐等好多好多 陪伴我的學弟妹們;還有外系的好友,有另、表護、可可、子瑩、芯玟、育函、

素如、昱崴、柏森;以及台北的朋友們至皓、俊傑、育航、駿誠、家銘、逸文、

彥鈞、建瑩、韶軒、騰輝、玟盈、倩如,這些多年來陪伴夥伴。

最後要感謝我最摯愛的家人,我親愛的父親 林麟傑先生及我最美麗的母親 潘麗華女士,感謝這二十幾年來的養育之恩,再多的感謝,無法用言與來表達。

還有我親愛的姐姐 珈蓉,哥哥 珈男對我的支持與包容,使我沒有後顧之憂,能 夠專心地完成學業,謹以此獻上最大的感謝,並將這份榮耀獻給摯愛的雙親及家 人。

中華大學營建管理研究所 林珈竹

(6)

目 錄

目 錄 ………...i

表 目 錄 ... iii

圖 目 錄 ... v

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究背景 ... 1

1.2 研究動機 ... 1

1.3 研究目的 ... 2

1.4 研究限制與範圍 ... 2

1.5 研究方法 ... 3

1.6 研究流程 ... 4

第二章 文獻回顧 ... 5

2.1 何謂全球衛星定位系統 ... 5

2.1.1 GPS 系統組成 ... 5

2.1.2 GPS 定位及傳輸 ... 6

2.1.3 GPS 定位應用 ... 8

2.1.4 GPS 定位誤差 ... 9

2.2 PAPAGO SDK 系統介紹 ... 10

2.2.1 PAPAGO SDK 元件 ... 11

2.2.2 PAPAGO SDK 應用領域 ... 12

2.3 三度空間系統簡介(3D Space) ... 13

2.4 無線區域網路簡介(Wi-Fi) ... 15

2.4.1 Wi-Fi 定位模式 ... 16

2.4.2 Wi-Fi 定位優勢 ... 17

2.4.3 國內外 Wi-Fi 相關文獻 ... 18

第三章

GPS 及 Wi-Fi 導入系統之問題探討 ... 21

3.1 室內與戶外定位現況問題 ... 21

3.1.1 戶外衛星定位硬體及軟體現況 ... 21

3.1.2 室內定位硬體與軟體現況 ... 22

(7)

3.1.3 資料傳輸及導航介面規畫 ... 23

3.2 硬體選擇與無線網路架設 ... 24

3.2.1 GPS 判定點校園定位 ... 26

3.2.2 LBS 架設與測試 ... 35

3.2.3 3D 動畫建置 ... 39

第四章 系統分析 ... 42

4.1 系統分析 ... 42

4.2 資料庫架構 ... 49

4.2.1 資料單元分析與建置 ... 50

4.2.2 資料庫轉換過程 ... 54

4.2.3 資料庫數據輸入 ... 57

第五章 系統操作與案例驗證 ... 58

5.1 系統建置與操作 ... 58

5.1.1 查詢資料系統 ... 58

5.1.2 導航資料系統 ... 62

5.1.3 三度空間導覽系統 ... 64

5.2 案例驗證 ... 65

5.2.1 查詢資料系統驗證 ... 65

5.2.2 導航資料系統操作驗證 ... 74

5.2.3 三度空間導覽系統操作驗證 ... 81

5.3 系統特色 ... 84

5.4 效益評估 ... 85

第六章 結論與建議 ... 87

6.1 結論 ... 87

6.2 建議 ... 88

參考文獻………..90

附件一 專家訪談名單………92

附件二 訪談內容………93

(8)

表 目 錄

表2. 1 GPS 應用六大領域 ... 8

表2. 2 三度空間相機拍攝影像 ... 14

表2. 3 Wi-Fi 無線區域網路結構說明 ... 15

表3. 1 目前室內定位系統之比較 ... 22

表3. 2 本研究使用之接收器說明 ... 24

表3. 3 本研究使用之 AP 說明 ... 25

表3. 4 中華大學 GPS 測定位分區表 ... 26

表3. 5 GPS 定位代碼分類 ... 27

表3. 6 定位數據 CHU001 校門口區 ... 27

表3. 7 定位數據 CHU002 工程一館區 ... 28

表3. 8 定位數據 CHU003 活動中心區 ... 28

表3. 9 定位數據 CHU004 研發大樓區 ... 29

表3. 10 定位數據 CHU005 行政大樓區 ... 29

表3. 11 定位數據 CHU006 人文一館區 ... 30

表3. 12 定位數據 CHU007 苗圃區 ... 30

表3. 13 定位數據 CHU008 鴨子湖區 ... 31

表3. 14 定位數據 CHU009 丙丁球場區 ... 31

表3. 15 定位數據 CHU010 後門區 ... 32

表3. 16 定位數據 CHU011 側門區 ... 32

表3. 17 定位數據 CHU012 建築一館區 ... 32

表3. 18 定位數據 CHU013 學生宿舍區 ... 33

表3. 19 定位數據 CHU014 管理學院區 ... 33

表3. 20 定位數據 CHU015 停車中區 ... 34

表3. 21 定位數據 CHU016 停車後區 ... 34

表3. 22 定位數據 CHU017 運動場區 ... 34

表3. 23 IP 配置無線網路台對照表 ... 35

表3. 24 各點 AP 接收測試圖 ... 38

(9)

表3. 25 各點 AP 除誤後接收科數表 ... 38

表3. 26 中華大學校園佈點規劃表 ... 41

表4. 1 建築物資料表 ... 51

表4. 2 樓層資料表 ... 51

表4. 3 空間介紹動畫資料表 ... 52

表4. 4 空間細項資料表 ... 52

表4. 5 活動資料表 ... 52

表4. 6 活動空間資料表 ... 52

表4. 7 學院資料表 ... 53

表4. 8 系所資料表 ... 53

表4. 9 教職員資料表 ... 53

表4. 10 本研究預先輸入之資料內容及數量 ... 57

表5. 1 本系統效益對象表 ... 86

(10)

圖 目 錄

圖1. 1 研究流程圖 ... 4

圖2. 1 衛星於太空中分佈狀況示意圖 ... 5

圖2. 2 GPS 定位基本原理 ... 7

圖2. 3 SDK 使用操作介面 ... 11

圖2. 4 SDK 搜尋索引介面 ... 12

圖2. 5 三度空間 JAVA 顯示圖 ... 13

圖2. 6 Wi-Fi 定位系統架構圖 ... 17

圖3. 1 導航介面規劃圖 ... 23

圖3. 2 中華大學 GPS 分區標示圖 ... 26

圖3. 3 建築學院二樓 AP 佈點圖 ... 35

圖3. 4 建築學院三樓 AP 佈點圖 ... 36

圖3. 5 ZyXEL/SMC -AP 裝機前照片 ... 36

圖3. 6 ZyXEL/SMC -AP 裝機時照片 ... 36

圖3. 7 ZyXEL/SMC -AP 設定後照片 ... 37

圖3. 8 ZyXEL/SMC -AP 裝機完成 ... 37

圖3. 9 魚眼相機拍攝圖合成前 ... 39

圖3. 10 三度空間全景製作軟體圖 ... 39

圖3. 11 三度空間畫面合成後實景圖 ... 40

圖3. 12 校園規劃場景圖 ... 40

圖4. 1 系統架構圖 ... 43

圖4. 2 關鍵字查詢作業模組示意圖 ... 45

圖4. 3 架構查詢作業模組示意圖 ... 47

圖4. 4 活動查詢作業模組示意圖 ... 48

圖4. 5 資料轉換流程 ... 49

圖4. 6 E-R Model 之邏輯圖 ... 50

圖4. 7 E-R Model 之實際圖 ... 51

圖4. 8 資料庫 ER Model 架構(Logical Model) ... 54

(11)

圖4. 9 資料庫 ER Model 架構(Physical Model) ... 55

圖4. 10 ODBC 資料來源示意圖 ... 55

圖4. 11 MS SQL 建立實體資料庫示意圖 ... 56

圖4. 12 SDF 資料庫掛載於封包裝置示意圖 ... 56

圖4. 13 SDF 資料庫掛載於封包裝置完成圖 ... 57

圖5. 1 系統組成架構 ... 58

圖5. 2 系統首頁圖 ... 58

圖5. 3 關鍵字查詢標的功能介面 ... 59

圖5. 4 架構查詢標的功能介面 ... 60

圖5. 5 活動查詢標的功能介面 ... 61

圖5. 6 GPS 校園戶外導航定位系統功能介面 ... 62

圖5. 7 LBS 室內導航定位系統 ... 63

圖5. 8 三度空間導覽首頁畫面 ... 64

圖5. 9 三度空間畫面呈現 ... 64

圖5. 10 關鍵字查詢輸入查詢字串 ... 65

圖5. 11 關鍵字查詢姓名查詢結果輸出 ... 66

圖5. 12 關鍵字查詢姓名查詢結果輸出點選功能 ... 66

圖5. 13 關鍵字查詢姓名查詢結果導航功能 ... 67

圖5. 14 關鍵字查詢手機查詢結果及導航功能 ... 67

圖5. 15 關鍵字查詢辦公事電話查詢結果及導航功能 ... 68

圖5. 16 關鍵字查詢辦公室編號查詢結果及導航功能 ... 68

圖5. 17 關鍵字查詢辦公室傳真查詢結果及導航功能 ... 69

圖5. 18 架構查詢點選建築與規劃學院畫面 ... 69

圖5. 19 架構查詢點選科系產生畫面 ... 70

圖5. 20 架構查詢點選查詢教授畫面 ... 70

圖5. 21 架構查詢點選一級單位產生二級單位 ... 71

圖5. 22 架構查詢點選點選二級單位顯示畫面 ... 71

圖5. 23 活動查詢作業操作畫面 ... 72

圖5. 24 活動查詢點選活動操作畫面 ... 72

(12)

圖5. 25 活動查詢結果點選空間 ... 73

圖5. 26 活動查詢結果導航功能 ... 73

圖5. 27 戶外導航導引畫面(1) ... 74

圖5. 28 戶外導航導引畫面(2) ... 74

圖5. 29 室內導航 LBS 系統初始畫面 ... 75

圖5. 30 室內導航 LBS 系統設定介面(1) ... 76

圖5. 31 室內導航 LBS 系統設定介面(2) ... 76

圖5. 32 室內導航 LBS 系統設定介面(3) ... 77

圖5. 33 室內導航 LBS 系統啟動定位 ... 77

圖5. 34 室內導航 LBS 系統規劃路徑 ... 78

圖5. 35 室內導航 LBS 系統開始導航 ... 78

圖5. 36 室內導航 LBS 系統轉換樓層 ... 79

圖5. 37 室內導航 LBS 系統已轉換樓層 ... 79

圖5. 38 室內導航 LBS 系統抵達目的地 ... 80

圖5. 39 三度空間導覽點選畫面 ... 81

圖5. 40 三度空間導覽跳出新視窗 ... 82

圖5. 41 三度空間導覽點選畫面 ... 82

圖5. 42 三度空間導覽安全性警告畫面 ... 83

圖5. 43 三度空間導覽呈現畫面 ... 83

圖5. 44 本系統未來發展應用圖 ... 86

(13)

第一章 緒論

1.1 研究背景

近年來資訊科技發達,加上即時通訊使實用性大幅提高,所以用GPS 來協助汽 車駕駛協助導航已趨成熟,使導覽系統的使用也日趨普遍,例如售屋單位提供免出門 就可查閱室內空間格局,減少時間上的花費;但比較大的企業機關或是學校單位等因 缺乏有效的導覽系統,無法提供訪客比較完整的空間資訊及方便的導航功能[1]。

越來越發達的網路技術,以及漸趨重視的無線網路定位服務及相關技術應用,室 內的定位技術勢必成為一個值得探討與發展的研究。定位服務不但可以讓使用者快速 辨識方位,還可提供使用者所在位置的相關資訊,而室內定位可以應用到許多方面提 供便利的服務,像是賣場的商品資訊、博物館裡目前使用者所在位置的展覽品介紹或 校園內的自動導覽系統等[2]。

1.2 研究動機

目前國內外的空間管理一般都集中應用在建築物外面的GPS;在室內因為衛星訊 號被遮蔽所以無法導航,比較大的企業機關或是學校單位等因缺乏有效的導覽系統,

所以無法提供訪客比較完整的空間資訊及方便的導航功能[3]。

房屋銷售時很多顧客都必須親臨房屋;在歷經比較、琢磨、商討後才可能出手,

但早期售屋單位提供圖面、照片等資訊大都只停留於2D 的狀況,購屋者很難從中擷 取比較多的資訊,所以往往需舟車困頓、往返於不同之標的物,目前已經有業者使用 三度空間網路科技有限公司的3D Space 軟體,將合成兩張照片便能製造 3D 動畫之效 果,讓使用者能從網路上以720 度之影像了解屋況及環境,免出門就可查閱室內空間 格局,減少時間上的花費,乃為購屋者之一大福音[4]。

若能結合GPS、無線網路及 Wi-Fi 無線技術,提供快速校園視覺化導航及導覽之 服務,將能提供使用者更友善的服務,所以如果能建置一套整合全球定位系統、無線 通信辨識系統及3D 動畫建置空間導航及導覽系統將能提供一個方便有力的導航、導 覽工具。

(14)

1.3 研究目的

本研究擬使用 GPS、無線區域網路、3D space、Wi-Fi、資料庫及視窗環境,開 發『校園空間資訊系統』來整合校園空間資訊,以協助做空間之導航及導覽工作,具 體之研究目的包括:

一、透過文獻回顧整理探討目前國內外各導航及導覽系統、Wi-Fi、GPS 等應用 現況,並分析系統功能與資料庫架構。

二、利用ER Model 建立資料庫系統,包含各資料表、欄位、屬性、PK、FK、

Master/Detail 及互相間的關係。

三、開發『校園空間資訊系統』軟體,包括、「關鍵字資料維護」、「架構資料維 護」、「活動資料維護」及「導航導覽資料查詢」等子模組,以協助管理校 園人事及空間資料。

四、以PDA 結合 GPS 及 Wi-Fi 無線區域網路定位系統開發導航系統。

五、使用案例資料輸入及使用者回饋驗證系統之功能,以確定各模組間之資料 計算及傳遞之正確性。

1.4 研究限制與範圍

本研究是以PDA 手機操作環境為基礎,整合全球衛星導航系統與 Wi-Fi 無線區 域網路定位資料,經由無線基地台傳輸等功能,達到資料傳輸及資料庫即時更新的效 能,其研究範圍與限制條件如下所述:

一、本研究僅以蒐集校園單一樓層Wi-Fi 定位資訊為主,並以該樓層進行測試與 驗證,PDA 系統僅以 Pocket PC 作為本研究平台。

二、本研究針對個案運用GPS 與 Wi-Fi 結合 PDA 之應用做為分析範圍,並利用 中華大學校園做為本研究之驗證案例。

(15)

1.5 研究方法

本研究使用之研究方法及原因如下:

一、文獻回顧法

使用文獻回顧及市場調查,收集國內外相關文獻,針對GPS、Wi-Fi 之應用進行 調查分析,作為了解發展建構之動機參考,配合功能與市場需求,建構確實之設計流 程,以選用合適之分析與開發工具。

二、專家訪談

針對系統功能需求尋求專家進行訪談,以確定系統功能、介面需求、資料格式列 印型態等功能。

三、系統分析

針對專家訪談結果,利用流程分析技術分析『校園空間資訊系統』之資訊流程,

確認必須之作業流程項目。

四、系統開發與建置

本系統使用ER/Studio、SQL Server 2005、ODBC、PAPAGO SDK、Wi-Fi、MS Visual Studio 視窗開發環境等開發工具來建構開發系統之環境。

五、案例驗證

以中華大學校園空間之相關資料建立資料庫,作為實際操作之案例,並針對資料 時效性、調閱性、資料正確性做驗證。

(16)

1.6 研究流程

研究流程如圖1.1 所示。

蒐集資料擬定題目

確定研究題目與方向

PDA手機使用現況與 相關資料分析

GPS使用現況與相關 資料分析

WIFI使用現況相關 資料分析

校園導覽導航現況 相關資料分析

分析彙整現有軟、硬體與資 訊之現況與優劣

系統功能之架構

使用者功能需求分析

程式撰寫

程式除錯

案例驗證

論文撰寫 功能

架構 錯誤

NO

YES

NO 資料 結構 錯誤 NO

擬定研究方向

文獻回顧

系統分析

系統開發

案例驗證 YES

圖1. 1 研究流程圖

(17)

第二章 文獻回顧

本研究旨在結合GPS、WiFi、3D Space 建立校園空間導航導覽系統,因此針對 本研究使用GPS 系統、PAPAGO SDK 系統特性、Wi-Fi 無線區域網路定位系統、3D Space 三度空間系統等國內外相關文獻探討。

2.1 何謂全球衛星定位系統

全球衛星定位系統(Global Positioning System,簡稱 GPS),是一個中距離圓型軌 道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位、測速和 高精度的時間標準。

GPS 是美國研發出來以衛星作為定位工具的一套定位系統,美國的 GPS 衛星系 統發展可概分為三階段,第一階段稱之為 Block-I 衛星,總共佈建了 11 顆,第二階 段的衛星計畫(Block-II)總數則有 27 顆,其中 24 顆為正常定位使用(圖 2.1),另外 3 顆是備份使用,第二代衛星將持續發射到2007 年,逐漸取代退役的衛星。目前美國 國防部正在執行下一階段衛星系統的研發,第三階段的衛星(Block-III)將在 2030 年 之後仍可使用[5]。

圖2. 1 衛星於太空中分佈狀況示意圖

2.1.1 GPS 系統組成

資料來源:[5]

(18)

航定位、精密測量、及標準時間等相關作業上。其應用於導航定位是一全新的概念,

利用此一太空時代的科技,任何人都可輕易地得到正確的載具位置、速度及時間,

GPS 最大的限制在於須與衛星系統保持視線可及環境,若於室內或是建築物中,由於 無線訊號不能直接與用戶端設備直接傳遞,即無法達到既有的定位準確度,甚至失效。

因此GPS 是一種較適用於室外定位的技術。GPS 整個系統約分成下列三個部份[6]:

一、太空衛星部份:由24 顆繞極衛星所組成,分成六個軌道,運行於約 20200 公里的高空,繞行地球一周約12 小時。每個衛星均持續發射載有衛星軌道 資料及時間的無線電波,提供地球上的各種接收機來應用。

二、地面管制部份:這是為了追蹤及控制上述衛星運轉,所設置的地面管制站,

主要工作為負責修正與維護每個衛星能保持正常運轉的各項參數資料,以確 保每個衛星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接收。

三、使用者接收機:追蹤所有的 GPS 衛星,並即時地計算出接收機所在位置的 座標、移動速度及時間。

2.1.2 GPS 定位及傳輸

GPS 的定位是利用衛星基本三角定位原理,如圖 2.2;GPS 接收裝置以測量無線 電信號的傳輸時間來量測距離,利用距離來判定衛星在太空中的位置。此定位方式需 利用衛星所發射的微弱信號、接收複雜的電路以及分析信號的軟體所達成,GPS 接收 機首先由星曆資料或都卜勒量度算出與衛星的相對速度,然後綜合了衛星播放來的相 對效應修正量和其他時鐘修正量因素,以求得真正的GPS 時間再去求解位置[7]。

(19)

圖2. 2GPS 定位基本原理

GPS 接收技術最基本的原理就是以同步測距碼(Synchronized Ranging Codes)決定 衛星到接收機之間的距離。測距碼的主要功能有二,一是讓接收機能夠識別各個衛星,

其次在任何時間可決定衛星到接收機之間的距離。GPS 接收機也同時複製了 GPS 衛 星以微波送出的GPS 測距碼,藉由測量延遲時間乘以光速常數以計算出衛星與 GPS 接收機間的距離[7]。

資料來源:[8]

(20)

2.1.3 GPS 定位應用

GPS 衛星定位系統建置初始即是為了軍事方面的應用,諸如飛機、艦船及飛彈 等軍事裝備的導航運用、無人駕駛載體作定位遙控、部隊移動之監控等。但自從2000 年 5 月美國關閉干擾 GPS 定位精度的 SA 信號後,商用 GPS 接收機的定位精度大 大提高,也使得GPS 的商業應用日趨廣泛[9]。除了軍事運用外目前最常使用 GPS 的 應用領域如表2.1:

表2. 1 GPS 應用六大領域

類別 主要內容

資源調查、土地探 測

如森林區、山坡地違規開發查報工作。運用GPS可導航至可疑之變異點,並直接查 詢調閱地籍圖等相關資料以利研判。

導航定位 如汽車定位、航空、航海等導航位。目前的汽車市場幾乎已將GPS導航系統列為新 車的基本配備之一了;戶外大型空間,校園、展場、農場等,皆已加入導航的行列。

大地測量、一般測 量

傳統的三角測量是一件非常辛苦的工作,尤其是在地面三角測量點缺乏,地標不明 顯的時候,測量工作格外困難。GPS 定位則無須仰仗地面控制點,只要在沒有遮蔽 的情況下,幾乎不受地形地物的限制,大大改善了傳統測量的不便。

製圖 電子地圖之製作及粗略地形圖之製作。可使用GPS在車輛行進的時候,每隔一段時 間將道路點記錄下來,如此便完成粗略的地圖數化工作。

任務派遣

貨運、救護、消防、警政、營救等應用,是目前除了導航之外,最熱門的一項GPS 運用,它是將GPS配合無線電傳輸,將各車輛所在位置及時傳回派遣中心,以利調 度工作。

個人追踨系統

日本研發學童用的GPS電子書包,將GPS 追踨器安裝在學童書包中,防止學童被綁 架或走失。台灣也有保全公司所推出的人身保全系統,以 A-GPS衛星定位系統的 隨身定位器,提供孩童、老人、婦女、甚至重要物品等需被保護者隨時定位及求救 等保護功能。

資料來源:[9]

(21)

2.1.4 GPS 定位誤差

衛星訊號從天線發射出訊號傳送到接收機的過程中,衛星的測量值會產生偏差 (bias)與誤差(error)。然而,偏差具有一定的特性,我們可以用數學模型來表示之;誤 差是屬於隨機的,只能用統計的方法來表示之。誤差可分為三類:GPS 有關的誤差、

傳播過程的誤差、接收機的誤差[5]。

一、 GPS 有關的誤差

(一)、美國採行 SA(Selective Availability)政策因素

由於GPS 可以精準的定位,美國政府考慮到自身的安全,於 1991 年 7 月 在BlockⅡ衛星上實施 SA 和 AS 政策,其目的是降低 GPS 的定位精度。在 UTC 時間2000 年 5 月 2 日,美國總統柯林頓宣布解除 SA 干擾訊號,加上 GPS 衛 星的更換,定位又比以前更為精確,使得 GPS 在未來的使用更能蓬勃發展;

實上,這樣的精確度已滿足大部份民間定位作業的需求。但如果某些定位作業 需要更高的精確度,也可以利用差分定位法達到 2~10 公尺內的定位精度。。

(二)、衛星軌道偏差

這部分的偏差是由在地面控制部分的主控制站在上傳資訊到 GPS 衛星時 所加入的,讓利用導航訊息中的軌道參數計算衛星的位置時會產生誤差。

(三)、衛星時鐘偏差

雖然衛星上的原子鐘穩定性相當高,但若直接使用衛星上的時間,仍然會 造成很大的偏差。所以需要使用導航訊息中的衛星偏置(bias)、漂移(drift)及頻 率漂移(frequency drift)項來進行修正。

二、 傳播過程的誤差 (一)、電離層延遲效應

電離層的高度距離地表高55km~1000km,不同的高度可分為 D、E、F1、

F2 層。當訊號通過電離層時,受到電漿離子的影響,而發生時間上的延遲。

電離層中的折射率與頻率有關,GPS 衛星使用了不同頻率的方式傳送訊號。

(二)、對流層延遲效應

GPS 訊號會被地球的大氣所折射,GPS 訊號在對流層傳播的速度較真空 中慢。所以受衛星仰角的影響而改變,仰角越低影響會越大。對流層中的折射 率與頻率較無關係,所以不能使用雙頻的方式來減少誤差。但是可利用多個地

(22)

面監控站來觀察對流層的狀態,建立區域性的對流層修正模型,來減少誤差 [10]。

(三)、多重路徑效應

當 GPS 訊號送出到達接收機時,會受到接收機附近的地面、建築物或是 樹木等等障礙物的反射作用的影響,讓真正的訊號與反射的訊號,會經由不同 的路徑到達接收機,產生訊號的重疊,而影響定位的結果。要把多重路徑消除 的辦法就是把接收天線遠離這些反射物,但是實際上是較難達到。

三、 接收機的誤差 (一)、觀測誤差

觀測誤差主要是接收機的噪音與多重路徑的影響,而這些影響主要是因為 衛星仰角的關係。當衛星仰角低時,接收機的強度減弱而且多重路徑的增加,

使得在接收虛擬碼時會有些問題[10]。

(二)、相位中心偏移

天線的相位中心是為無線電訊號量測的參考點,一般而言與天線的幾何中心位置 是不相同的。對此一偏移所造成的影響,可以分為偏差量(Offset)與變異量(Variation)。

偏差量是因為衛星訊號入射角及入射強度而不同,變異量為決定天線精確度的主要因 素。

2.2 PAPAGO SDK 系統介紹

PAPAGO SDK 提供 GIS 地理資訊系統高效能的地圖核心,可搭配地圖資料廠商 的空間資訊,系統建置者可將心力集中在資料的分析、成果展示及決策支援,可大幅 減短系統開發時程及開發的人力及成本,介面如圖2.3 所示。PaPaGo SDK 採用標準 的COM 介面,支援多種開發環境,包含 C/C++、Visual Basic、C#等,透過此軟體可 快速整合元件,快速建置出符合需求的系統,其電子地圖核心開發涵蓋許多資訊工程 技術,包括大型資料庫設計、最適化搜尋引擎建置、最佳路徑演算、座標轉換等。[11]

(23)

圖2. 3 SDK 使用操作介面

2.2.1 PAPAGO SDK 元件

PaPaGO SDK 分為三個模組,顯示(Display),搜尋(Find),路徑規劃(Routing)。

在顯示功能模組中,可以達到的功能有地圖檔開啟、關閉,地圖的放大、縮小、平移,

全圖顯示,地圖旋轉等功能。搜尋功能模組中,可以達到的功能有依頭字查詢,依 GPS 查詢,交叉路口搜尋等功能。路徑規劃功能模組中可達到的功能有最佳路徑搜尋,

點到點間距離,多點規劃功能等[12]。

一、地圖輸出元件:用來取得特定區域、特定範圍的地圖資料。依程式傳入的經 緯度座標及地圖範圍,抓取適當的地圖物件,回傳一張地圖圖檔,地圖的 回傳影像格式可為BITMAP、JPEG、或者 PNG 格式。

二、資料搜尋元件:用來搜尋地圖資料庫的物件。依程式設計師傳入的搜尋參數,

搜尋GIS 資料庫,例如:景點、道路等資料,提供索引、關鍵字、座標等多 種搜尋方式,如圖2.4 所示。

資料來源:[11]

(24)

圖2. 4 SDK 搜尋索引介面

路徑規劃元件:用來規劃最佳路徑,依照程式師傳入的起點座標及目的地座標,

利用最佳路徑演算法,傳回一條規劃的路徑,回傳的格式是標準文字檔,可依需求再 做應用。

2.2.2 PAPAGO SDK 應用領域

一、車輛衛星保全及行車追蹤:透過 GPS 及 GSM 的整合:藉由 GPS 及 GSM 的整 合,保全系統可以於追蹤每台車輛位置,應用Call Center 端,提供高效能 得電子地圖顯示功能,也可同時於一張地圖監測單一台及多台車輛。

二、空間決策支援系統(GDSS):空間決策支援系統是將空間資料進一步分析整 合,透過統計及作業研究方法取得最佳決策建議,系統扮演資料搜尋及地 圖提供的角色。

三、掌上型資料蒐集及查報系統:本系統可支援 Pocket PC 平台,可應用在行動 資料蒐集及查報上,透過無線傳輸技術可與後端系統整合,進行查報資料 庫同步。

四、搜尋網站及線上地圖:支援 ASP、Internet Web Service 多使用者存取,任何 需要線上地圖的網站都可利用PaPaGo SDK 快速建置 GIS Server。

五、LBS 位置服務平台建置:LBS(Location Based Service)是地理資訊系統新興的 應用領域,LBS 仰賴高效能的地圖引擎及高品質的地圖資訊。

資料來源:[11]

(25)

2.3 三度空間系統簡介(3D Space)

三度空間系統由三度空間網路科技有限公司所開發,可將3D 實體拍攝影像設備 及檔案轉換軟體透過360 度 x360 度實體環繞展示,如圖 2.5 所示:

圖2. 5 三度空間 JAVA 顯示圖

可從單機簡報展示軟體及網站上實際了解真實空間,適用於房屋仲介、觀光旅遊、

飯店旅社、校園、博物館、餐廳飲食、汽車買賣、婚紗攝影、室內裝璜及高爾夫球場 等行業。3D Space 環繞視訊不僅其視角為上下、左右皆 360 度環繞,真正無任何死角,

而且只需花費少許費用,即可提昇您的專業程度,借此吸引大量客戶,提高客戶興趣,

輕鬆的為您提昇數倍成交率及業績[13]。僅用 2 張 JPG 檔結合成 360 度 x360 度之 JPG 檔,如表2.2 所示:

資料來源:[13]

(26)

表2. 2 三度空間相機拍攝影像

前景 後景

資料來源:[13],本研究重新拍攝

檔案容量小,只有30KB 至 300KB 之間,且可自行調整觀看解析度,提供 Java Applet 版本,使用者不需安裝觀看程式,空間連結,以達到虛擬實境及空間導覽之真 正效果。

(27)

2.4 無線區域網路簡介(Wi-Fi)

Wi-Fi 是一個無線網路通信技術的品牌,由 Wi-Fi Alliance 所持有,目的是改善基 於IEEE 802.11 標準的無線網路產品之間的互通性。IEEE 802.11 第一個版本發表於 1997 年,其中定義了介質訪問接入控制層和物理層,其定義了工作在 2.4GHz 的 ISM 頻段上的兩種無線調頻方式和一種紅外線傳輸的方式,總數據傳輸速率設計為 2Mbit/s。兩個設備之間的通信可以自由直接(ad hoc)的方式進行,也可以在基站(Base Station,BS)或者訪問點(Access Point,AP)的協調下進行[14]。其 Wi-Fi 的主要結 構如表2.3 所示:

表2. 3 Wi-Fi 無線區域網路結構說明

結構類別 主要內容

站點(Station) 網路最基本的組成部分 基本服務單元

(Basic Service Set,BSS)

網路最基本的服務單元。最簡單的服務單元可以只由兩個站點組成。

站點可以動態的聯結到基本服務單元中。

分配系統

(Distribution System,DS)

分配系統用於連接不同的基本服務單元。分配系統使用的媒介邏輯上 和基本服務單元使用的媒介是截然分開的,儘管它們物理上可能會是 同一個媒介,例如同一個無線頻段。

接入點

(Access Point,AP)

接入點即有普通站點的身份,又有接入到分配系統的功能。

擴展服務單元

(Extended Service Set,ESS)

由分配系統和基本服務單元組合而成。這種組合是邏輯上,並非物理 上的不同的基本服務單元物有可能在地理位置相去甚遠。分配系統也 可以使用各種各樣的技術。

關口

(Portal)

一個邏輯成分。用於將無線區域網和有線區域網或其它網路聯繫起 來。

資料來源:[15]

2.4GHz 的 ISM 頻段為世界上絕大多數國家通用,因此 802.11b 得到了最為廣泛 的應用。蘋果公司把自己開發的 802.11 標準起名叫 AirPort。1999 年工業界成立了 Wi-Fi 聯盟,致力解決符合 802.11 標準的產品的生產和設備兼容性問題。Wi-Fi 為制 定802.11 無線網路的組織,並非代表無線網路。其 Wi-Fi 運作的原理,至少需要一個 Access Point(AP)和一個或一個以上的 client(HI),AP 每 100ms 將 SSID(Service Set Identifier)經由 beacons(信號台)封包廣播一次,beacons 封包的傳輸速率是 1 Mbit/s,

(28)

並且長度相當的短,所以這個廣播動作對網路效能的影響不大。因為Wi-Fi 規定的最 低傳輸速率是1 Mbit/s,所以確保所有的 Wi-Fi client 端都能收到這個 SSID 廣播封包,

client 可以藉此決定是否要和這一個 SSID 的 AP 連線。使用者可以設定要連線到哪一 個SSID[14]。

2.4.1 Wi-Fi 定位模式

目前適合於室內發展的定位技術,主要有Wi-Fi、Bluetooth、RFID、超音波以及 UWB 等數種無線技術,這些技術均具可於非直視的條件下運作的特性,因此不會有 室內接收不到訊號的問題。以Wi-Fi 技術來看,隨著行動終端、Notebook、PDA 等內 建 Wi-Fi 功能比例的增加以及 Wi-Fi 基地台日益普及,無線寬頻城市的興起以及 Hotspot 據點的快速蔓延等有利條件的發展,Wi-Fi 定位技術也已逐漸由室內以及區域 性的應用範圍朝室外應用發展[16]。

Wi-Fi 定位即利用無線網路來傳遞信號,根據各種網路參數和算法可以找出使用 者的位置。其實原理是透過一個客戶端和兩個以上的接入點之間收發一種特別的數據 包來進行測量的,如圖2.6 所示。基地台將數據部分打上時間戳,並測出數據包到達 客戶端所需的時間,然後計算出距離。客戶端知道兩個接入點之間的距離之後,它就 可以用三角定位技術得出它的位置。目前已有多個無線通訊廠商提供了成熟的Wi-Fi 定位技術產品,多數廠商的Wi-Fi 定位系統比使用衛星的全球定位系統更準確,最高 可達到3.5 米精度。但由於 Wi-Fi 定位的伺服器價格昂貴,也可採用無線網路接入點 所在的網路VLAN 或 IP 端,同樣可以使用 Wi-Fi 定位產品,其定位精度稍差些,但 對於特定的環境和應用下,其精度仍可滿足[17]。

(29)

圖2. 6 Wi-Fi 定位系統架構圖

資料來源:[17],本研究重新繪製

2.4.2 Wi-Fi 定位優勢

目前使用於室內定位方式眾多,其本研究使用Wi-Fi 定位相較於其他定位方式優 勢如下[18]:

一、基於全球通用標準的 Wi-Fi 網路,無需讀寫器,無須重新搭建其他網絡或 設施,安裝實施靈活方便迅捷,降低成本。

二、定位、歷史運行軌跡回收與分析、標籤即時報警、標籤消失報警、進出禁 止區域自動告警、智能傳感控制與報警等多項功能於一體。

三、各種不同類型的電子標籤,滿足各種行業的特殊需求。

四、距離辨識,室內、外精準度定位,最高可達1.5 米。

五、可與目前安防領域的傳統技術相結合,實現更加智能化的安全監控體系。

六、集合了無線上網、實時定位監控、可與監視器、智能化傳感、門禁、考勤、

電子消費、視頻、語音為一體的綜合性系統

(30)

2.4.3 國內外 Wi-Fi 相關文獻

本研究所參考國內相關研究文獻概括碩博士論文、國內期刊、研究案、研討會等,

分述如下:

一、周駿呈,「Wi-Fi 定位服務新應用」,無線通訊產業評析研討會,工研院產經 中心,200602。[16]

Wi-Fi 定位技術相對於 GPS 技術有運行於室內與都會區之優勢,但若從 使用者的角度而言,其使用定位服務的情境是動態的,將不會僅侷限於室內 與都會區。因此對使用者而言,最能滿足其在不同環境中使用的定位技術,

應該是一套可依據使用者所處環境(室內或室外、郊區或都市)進行不同定 位系統切換的技術,具有多模系統(Wi-Fi 結合 GPS 或是 A-GPS)定位的功 能。

二、黃政憲、洪榮華、洪晟恩、黃偉齊、陳棕信、鍾任杰,「應用PDA 行動裝置 之室內定位技術研究」,國內期刊,資訊傳播工程學系,銘傳大學,2007。

[2]

行動裝置為室內定位技術的雛形,目前還不算達到最好,由於室內定位 研究,錯差距離為相當重要的議題,做出的成果顯示錯誤在3 公尺累積函數 為六成至七成,所以修正機制去校正這個錯誤率。由於使用手持式裝置,在 執行運算能力、佔用記憶體空間這方面要有相當的考量,而無線電波預測模 型可以降低訊號紋比對法所需要耗費的執行運算能力與記憶體空間,比較符 合設計在 PDA 裝置,但是在這一方面仍存在許多議題,如走廊判斷、選根 機制、錯誤修正等,雖然有將這些機制實作出來,但準確率都不高,所以在 這方面的問題必須要克服,這樣加入修正機制還有意義。

三、葉向榮,「台灣無線寬頻上網服務使用者使用與滿足研究」,碩士論文,傳播 研究所,世新大學,2006。[19]

Wi-Fi 優勢包含:傳輸距離長、涵蓋範圍廣、頻譜效率高、傳輸速率快、

系統容量有彈性、支援語音、影像等品質服務需求,以及可配合不同國家的 頻譜指配等。無線寬頻網路最令使用者擔憂的是資料的安全性問題,因此目

(31)

前無線寬頻網路加密保護功能協定,均採用802.11 無線區域網路通訊協定。

使上網者在使用無線通訊傳輸資料時,達到加密保護資料的作用。

四、Manuel Oca˜na, Luis Miguel Bergasa, Miguel ´Angel Sotelo, Ram´on Flores,Elena L´opez, And Rafael Barea ,「 Comparison Of Wi-Fi Map Construction Methods for Wi-Fi POMDP Navigation Systems」,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007,Department of Electronics, University of Alcala, Madrid Spain,2006。[20]

本篇文章中,比較了三種Wi-Fi 建構方式,在訓練模式中必須使用手動 模式,而自動方法則大大縮短了訓練時間,結論是自動的方法是最好的折衷 之間的訓練時間,人為的工作需要和錯誤的百分比相比較,才能使 Wi-Fi 建構測試完整。

五、Manuel Oca˜na, Luis Miguel Bergasa, Miguel ´Angel Sotelo ,「 Robust NavigationA Imdoor Using Wi-Fi Localization」,2004 10th IEEE International Conference,Departamento de Electrónica. Universidad de Alcalá,2003。[21]

提出三個主要會影響Wi-Fi 於室內辨識信號的因素:

1. 時間變化:站在一個固定的位置上很長一段時間變化。

2. 大規模的變化:由於距離遠產生信號強度變化的衰減。

3. 小規模的變化:使用者在一個小距離範圍內產生的變化,這是由於波長 的信號(在 2,4 GHz 的波長為 12.5 厘米,那麼,這種影響將會出現距 離小於12.5 厘米)

六、Fr´ed´ Eric Evennou And Franc¸OisMarx,「Advanced Integration Of Wi-Fi And Inertial Navigation Systems For Indoor Mobile Positioning」,EURASIP Journal on Applied Signal Processing,2006。[22]

許多Wi-Fi 測量系統,基於時間上的測量,可透過移動可以計算出它的 距離接入點(AP),唯一可用的訊息是從每個 AP 接收信號強度,接收到的 信號強度後產出的數據。這些資料因為接入點定期發送信號,移動設備使用 這些信號來做處理室內的定位。

(32)

七、Frédéric EVENNOU、François MARX,「Improving positioning capabilities for indoor environments with Wi-Fi 」, EURASIP Division R&D papers-259, TECH/ONE,France Telecom Grenoble France,2005。[23]

使用Wi-Fi 的粒子過濾器,必須考慮到人體運動,地區訊號及接收強度,

才能將定位精度控制在1.8 米內。粒子過濾器可以很容易地考慮環境,使設 備不斷改善移動跟踪。

(33)

第三章 GPS 及 Wi-Fi 導入系統之問題探討

本研究開發的校園導航導覽系統需整合的部分,除了將戶外 GPS 衛星系統與室 內 LBS 定位系統作整合,其作業流程以及釐清系統功能應注意哪些部分、導航路線 規畫、室內定位導入數據,以及應如何識別資料以納入本系統等問題匯整於本章作一 探討。

3.1 室內與戶外定位現況問題

由於目前全球室內外定位系統技術成熟,本章節將透過系統現況作為探討,針對 其實用性、技術性、普遍性來選定符合本研究最有利的工具及流程。

3.1.1 戶外衛星定位硬體及軟體現況

目前全球使用衛星導航定位系統較為熟悉的導航系統莫過於美國發展的全球衛 星定位系統(Global Positioning System,GPS)。全球衛星定位系統由 24 顆衛星所組成,

為美國國防部在1973 年所發展出來一個全球性、全天候、24 小時之位置與時間訊息。

目的提供陸上、海上以及太空中之使用者所使用。除了美國發展的 GPS 系統外,各 國 也 積 極 地 發 展 自 己 國 家 的 定 位 系 統 。 因 此 俄 羅 斯 發 展 了 GLONASS(Global Navigation Satellite System),第一顆衛星於 1982 年 10 月成功發射。系統的太空部分 是由24 顆衛星所組成,21 顆正常使用,3 顆是備用。衛星的分佈在 3 個軌道傾角 64.8 度的軌道面上,衛星繞行距地表高度為19100 公里,高傾角的軌道對於高緯度地區的 定位較有利;歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileo System),系統的太空部分是由 30 顆衛星所組成,27 顆正常使用,3 顆為備用。衛星的分佈在 3 個傾角 56 度的軌道面 上,高度為24126 公里。主要用途是民用。至於中國的北斗導航系統,中國將此系統 視為軍方機密[33]。

在 GPS 應用程式中,最主要指的是電子地圖導航系統。再則是用以存取,修改 某些GPS 主機中的資料的程式。有些則是定位校正用途的程式。PaPaGo 是由研勤科 技股份有限公司所開發,是台灣最大的電子地圖導航軟體研發廠商,也是全球前三大 地圖軟體開發廠商。PaPaGo 是一套全平台、專家級的電子地圖導航軟體,擁有超過

(34)

定位、最佳路徑多點規劃、智慧語音隨行、每個路口轉彎提示、交叉路口放大等功能,

該系列電子地圖在台灣擁有 95%以上的市佔率。在硬體與軟體的結合下,GPS 已被 廣泛應用在航空航海與車輛等,帶給我們更便利的生活[35]。

由於一般導航軟件往往只記錄大型汽車可達之道路,對於大型空間、學校、展覽 館等戶外空間,並無仔細建檔相關資料,使得無法直接透過一般導航系統來作為本研 究定位系統。本研究將透過PaPaGo SDK 之軟件將校園戶外 GPS 定位及校園位置細 部圖像結合,並透過設定建築物入口判定點,讓系統可快速規畫路線及導向正確建築 物。

3.1.2 室內定位硬體與軟體現況

目前適合於室內發展的定位技術,主要有Wi-Fi、Bluetooth、RFID 以及 UWB 等 數種無線技術,這些技術均具可於非直視的條件下運作的特性,因此不會有室內接收 不到訊號的問題。以Wi-Fi 技術來看,隨著行動終端內建 Wi-Fi 功能比例的增加以及 Wi-Fi 基地台日益普及等有利條件的發展,Wi-Fi 定位技術已逐漸由室內以及區域性 的應用範圍朝室外應用發展,但受限於服務業者密集佈建於城市內。目前較常使用室 內定位的技術如表3.1 所示。

表3. 1 目前室內定位系統之比較

定位技術 Bluetooth Wi-Fi RFID UWB 紅外線

精準度 中 高 高 高 高

室內訊號錯誤率 低 低 低 低 低

穿透性 佳 佳 佳 佳 不佳

使用便利性 佳 佳 佳 佳 不佳

架設與 經濟性

必須額外架設 Bluetooth 接收

無須額外架 設,僅需有提供

Wi-Fi 服務之無 線基地台

須於室內各空 間及樓層轉換 置入大量Tag

新技術需搭設 混頻器及其他 辨識設備

須搭設紅外線 感應器

(資料來源:本研究整理)

由上表可知,UWB 無線電波定位技術 Bluetooth 及 RFID 皆須架設額外的辨識感 應部分,對於室內定位技術雖然成熟紅外線感測器會存在訊息接收死角,仍是無法忽 略之問題。

(35)

3.1.3 資料傳輸及導航介面規畫

為了整合GPS 戶外定位系統、Wi-Fi 室內定位系統及系統資料庫,其傳輸資料透 過文獻回顧及專家訪談後基礎規畫,如圖3.1 所示:

圖3. 1 導航介面規劃圖

首先透過手機或PDA 查詢所要找尋之人物或資料,透過校園無線基地台之傳輸 回傳至 SQL 系統資料庫,將數據封包回傳至手機端,找尋到所要查詢的人物後,按 下導航後立即導航。當於戶外時接收端必須有 GPS 接收器傳輸定位,協助導航至建 築物判定點。當進入室內時,系統可使用手動或自動切換LBS 定位系統,透過 Wi-Fi 導航至該空間。

資料來源: 本研究繪製

(36)

3.2 硬體選擇與無線網路架設

本研究所使用的接收器為Microsoft Windows 作業系統,其主要所需支援本研究 案所應用之GPS、Wi-Fi 裝置、LBS 定位系統,其詳細資料如表 3.2 所示:

表3. 2 本研究使用之接收器說明

型號 ASUS P565

處理器 Marvell Tavor 800MHz

作業系統 Microsoft Windows Mobile 6.1 Professional 記憶體 128MB SDRAM(256MB NAND Flash ROM)

通訊頻率 EDGE/GPRS/GSM 900/1800/1900 MHz/UMTS 2100MHz/HSDPA 3.6Mbps

GPS SiRF Star III 晶片內建天線 GPRS Class B,Multi-slot class 10

資訊傳輸 無線網路802.11b+g,USB1.1,藍芽 V2.0+EDR 顯示螢幕 640×480 解析度,6 萬 5 千色

其他 Hi-speed CPU、VGA、HSDPA、GPS、Google Maps、Wi-Fi、Bluetooth、

3MP Camera

照片

(37)

本研究所使用之AP 為:SMC CWBR14-G2、ZyXEL NBG460N,詳細伺服器資料 如表3.3 所示。

表3. 3 本研究使用之 AP 說明

型號 SMC CWBR14-G2 ZyXEL NBG460N

最高傳速 54Mbps 300Mbps

無線天線 1 3

傳輸標準 802.11b/g/n 2.4GHz 802.11b/g/n 2.4GHz

支援WiFi 有 有

區域網路介面 4 埠 10/100Mbps 4 埠 10/100/1000Mbps 廣域網路介面 1 埠 10/100Mbps 1 埠 10/100/1000Mbps

其於支援 LAN、WAN LAN、WAN、WLAN、WPS

安全性 WPA2 WPA2

防火牆 有 有

本研究使用

顆數 6 2

照片

(38)

3.2.1 GPS 判定點校園定位

本研究透過目前研究室僅有之GPS 定位手機,於校園內進行各建築判定點數據,

未來將透過這些數據,將使用者導向最近距離及精準位置。本次測定點將校園分為十 七區位,如圖3.2 來做測定,依照每棟建築物四角為測定點,進行繁瑣的定位手續,

其使用分區如3.4 所示:

圖3. 2 中華大學 GPS 分區標示圖

表3. 4 中華大學 GPS 測定位分區表

區碼 區名 區碼 區名

CHU001 校門口區 CHU010 後門區

CHU002 工程一館區 CHU011 側門區

CHU003 活動中心區 CHU012 建築一館區

CHU004 研發大樓區 CHU013 學生宿舍區

CHU005 行政大樓區 CHU014 管理學院區

CHU006 人文一館區 CHU015 停車中區

CHU007 苗圃區 CHU016 停車後區

CHU008 鴨子湖區 CHU017 運動場區

CHU009 丙丁球場區

(39)

共計測定校園內各處之GPS 定位資料,將代碼資料輸入分別類為 15 英文字母來 代碼,其各字母同時代表各區符號,其各代碼測點計數如表3.5 所示,將資料轉換成 PAPAGO SDK 圖資資訊,其 149 處之數據如表 3.6~3.22 所示:

表3. 5 GPS 定位代碼分類

代碼 定位數 代碼 定位數 代碼 定位數

A 9 I 10 S 12 B 7 K 15 R 10 C 21 L 6 T 10

D 8 M 8 小計 149

E 14 N 4 F 6 P 9

表3. 6 定位數據 CHU001 校門口區

區位:CHU001 校門口區 編號 位置 北緯 東經

C1 中華大學正門 24°45' 25.4 120°57' 9.0 C2 中華大學正門口警衛室 24°45' 25.3 120°57' 9.2 C3 校門停車場靠7-11 端 24°45' 24.1 120°57' 9.5 C4 香山轉運站與中華大學交界 24°45' 23.2 120°57' 10.8 C5 校門口停車場底端 24°45' 23.3 120°57' 9.6 C6 靠工程學院停車場入口 24°45' 27.3 120°57' 11.3 C7 校門口停車場進中華A 端 24°45' 27.4 120°57' 11.0 C8 校門口停車場進中華B 端 24°45' 26.5 120°57' 10.2 C9 校門口停車場進中華B 端 24°45' 26.7 120°57' 10.2 C10 校門口停車場進中華 B 端 24°45' 27.5 120°57' 10.8 C11 中華大學大石頭 24°45' 26.8 120°57' 9.5 C12 中華大學大門木頭平台 24°45' 26.3 120°57' 8.5 C13 建築學院前方道路 24°45' 27.4 120°57' 8.8 C14 建築學院前方道路 24°45' 27.4 120°57' 8.4 C15 建築學院前方道路 24°45' 27.5 120°57' 8.5

(40)

表3. 7 定位數據 CHU002 工程一館區

區位:CHU002 工程一館區 編號 位置 北緯 東經

E1 工程學院入口處一 24°45' 28.0 120°57' 11.7 E2 工程學院A 端 24°45' 28.0 120°57' 11.9 E3 工程學院右端底 24°45' 28.7 120°57' 12.6 E4 工程學院三樓端入口 24°45' 28.9 120°57' 12.5 E5 工程學院邊A 24°45' 28.7 120°57' 12.1 E6 工程學院邊B 24°45' 28.6 120°57' 12.0 E7 工程學院邊C 24°45' 28.8 120°57' 12.3 E8 工程學院入口處二 24°45' 28.9 120°57' 12.4 E9 工程學院入口處三 24°45' 30.6 120°57' 13.2 E10 工程學院邊D 24°45' 30.7 120°57' 12.9 E11 工程學院邊E 24°45' 31.1 120°57' 12.9 E12 工程學院邊F 24°45' 31.1 120°57' 12.4 E13 工程學院邊G 24°45' 32.2 120°57' 13.6 E14 工程學院邊H 24°45' 32.1 120°57' 14.0 C18 白馬湖工院入口一 24°45' 28.7 120°57' 12.7 C19 白馬湖工院路口二 24°45' 30.8 120°57' 12.5

表3. 8 定位數據 CHU003 活動中心區

區位:CHU003 活動中心區 編號 位置 北緯 東經

B1 活動中心邊角 24°45' 31.1 120°57' 15.3 B2 活動中心邊角 24°45' 31.6 120°57' 14.8 B3 活動中心正入口 24°45' 31.9 120°57' 15.0 B4 活動中心邊角 24°45' 32.5 120°57' 15.3 B5 活動中心邊角 24°45' 32.6 120°57' 15.6 B6 活動中心側入口 24°45' 32.5 120°57' 15.7 B7 活動中心邊角 24°45' 32.5 120°57' 17.5

(41)

表3. 9 定位數據 CHU004 研發大樓區

區位:CHU004 研發大樓區 編號 位置 北緯 東經

I1 研發大樓餐廳進貨處 24°45' 33.1 120°57' 17.4 I2 饌苑圓弧階梯 24°45' 33.0 120°57' 16.9 I3 饌苑餐廳入口 24°45' 33.4 120°57' 17.6 I4 饌苑圓弧階梯 24°45' 33.4 120°57' 17.4 I5 研發大樓入口 24°45' 34.0 120°57' 17.3 I6 研發大樓邊角 24°45' 35.1 120°57' 17.5 I7 研發大樓入口2 24°45' 35.4 120°57' 17.9 I8 研發大樓邊角 24°45' 35.4 120°57' 18.0 I9 研發大樓停車場 24°45' 34.0 120°57' 17.1 I10 研發大樓邊角 24°45' 33.3 120°57' 17.6

表3. 10 定位數據 CHU005 行政大樓區

區位:CHU005 行政大樓區 編號 位置 北緯 東經

N1 國際會議廳四角 24°45' 33.9 120°57' 13.4 N2 國際會議廳四角 24°45' 33.0 120°57' 13.0 N3 國際會議廳四角 24°45' 32.8 120°57' 14.0 N4 國際會議廳四角 24°45' 33.9 120°57' 13.9 L1 行政大樓四角 24°45' 33.9 120°57' 13.3 L2 行政大樓四角 24°45' 35.1 120°57' 13.6 L3 行政大樓四角 24°45' 36.1 120°57' 11.6 L4 行政大樓四角 24°45' 34.0 120°57' 10.9 L5 行政大樓入口 24°45' 33.9 120°57' 11.9 L6 領袖社社辦 24°45' 35.5 120°57' 13.2 C21 白馬湖邊角 24°45' 33.9 120°57' 11.0

(42)

表3. 11 定位數據 CHU006 人文一館區

區位:CHU006 人文一館區 編號 位置 北緯 東經

F1 人文學院邊角 24°45' 35.6 120°57' 18.1 F2 人文學院側邊入口 24°45' 35.6 120°57' 18.0 F3 人文學院邊角 24°45' 35.7 120°57' 17.9 F4 人文學院正面入口 24°45' 36.3 120°57' 17.7 F5 人文學院邊角 24°45' 38.1 120°57' 18.9 F6 人文學院邊角 24°45' 37.9 120°57' 19.4

表3. 12 定位數據 CHU007 苗圃區

區位:CHU007 苗圃區 編號 位置 北緯 東經

T1 實驗教室 24°45' 38.3 120°57' 18.2 T2 實驗教室 24°45' 38.4 120°57' 17.9 T3 實驗教室 24°45' 38.1 120°57' 18.7 T4 實驗教室 24°45' 38.3 120°57' 18.5 T5 武術教室 24°45' 37.8 120°57' 17.1 T6 武術教室 24°45' 38.2 120°57' 17.9 T7 武術教室 24°45' 38.0 120°57' 17.9 T8 武術教室 24°45' 37.8 120°57' 17.0 T9 苗圃 24°45' 37.2 120°57' 16.7 T10 苗圃入口 24°45' 37.1 120°57' 17.1

(43)

表3. 13 定位數據 CHU008 鴨子湖區

區位:CHU008 鴨子湖區 編號 位置 北緯 東經

D1 鴨子湖底端道路 24°45' 36.9 120°57' 15.2 D2 鴨子湖測端道路 24°45' 35.3 120°57' 16.4 D3 鴨子湖入口一 24°45' 33.4 120°57' 15.7 D4 鴨子湖交活動中心道路 24°45' 33.2 120°57' 16.0 D5 鴨子湖入口二 24°45' 32.9 120°57' 14.3 D6 校史館 24°45' 34.0 120°57' 15.4 D7 觀鴨子湖圓環 24°45' 34.1 120°57' 14.2 D8 賞鴨子湖小道出口 24°45' 36.1 120°57' 14.3

表3. 14 定位數據 CHU009 丙丁球場區

區位:CHU009 丙丁球場區 編號 位置 北緯 東經

K6 網籃球場 24°45' 44.3 120°57' 18.9 K7 網籃球場 24°45' 44.7 120°57' 18.9 K8 網籃球場入口 24°45' 44.3 120°57' 19.0 K9 網球場入口 24°45' 42.7 120°57' 19.1 K10 網球場與籃球場交界 24°45' 41.6 120°57' 19.2 K11 籃球場入口 24°45' 40.6 120°57' 19.1 K12 籃球場邊角 24°45' 39.5 120°57' 18.7 K13 籃球場邊角 24°45' 39.4 120°57' 18.4 K14 籃球場廁所 24°45' 39.5 120°57' 18.7 K15 人文學院球場交接入口 24°45' 40.1 120°57' 19.4

(44)

表3. 15 定位數據 CHU010 後門區

區位:CHU010 後門區 編號 位置 北緯 東經

K1 中華大學後門 24°45' 47.3 120°57' 17.5 K2 機房 24°45' 46.3 120°57' 18.2 K3 燃燒實驗室 24°45' 46.2 120°57' 18.2 K4 燃燒實驗室 24°45' 45.6 120°57' 18.5 K5 燃燒實驗室 24°45' 45.4 120°57' 18.4

表3. 16 定位數據 CHU011 側門區

區位:CHU011 側門區 編號 位置 北緯 東經

P1 立體停車場邊角 24°45' 30.5 120°57' 1.7 P2 側門警衛室 24°45' 28.2 120°57' 1.3 P3 立體停車場邊角 24°45' 27.8 120°57' 1.6 P4 側門汽車停車場入口一 24°45' 29.8 120°57' 0.7 P5 側門停車場邊角 24°45' 30.2 120°56' 59.7

表3. 17 定位數據 CHU012 建築一館區

區位:CHU012 建築一館區 編號 位置 北緯 東經

A1 建築學院側邊入口 24°45' 29.4 120°57' 8.1 A2 建築學院邊角 24°45' 29.9 120°57' 9.5 A3 建築學院邊角 24°45' 29.6 120°57' 7.9 A4 敦煌書局 24°45' 30.6 120°57' 9.7 A5 建築學院正面入口 24°45' 31.9 120°57' 9.9 A6 建築學院邊角 24°45' 32.1 120°57' 10.1 A7 建築學院邊角 24°45' 33.8 120°57' 8.8 A8 建築學院邊角 24°45' 32.8 120°57' 9.7 A9 建築學院平台入口 24°45' 31.1 120°57' 7.3 C16 白馬湖建院入口一 24°45' 29.6 120°57' 9.8 C17 白馬湖 24°45' 29.5 120°57' 10.8 C20 白馬湖建院入口二 24°45' 31.4 120°57' 10.5

(45)

表3. 18 定位數據 CHU013 學生宿舍區

區位:CHU013 學生宿舍區 編號 位置 北緯 東經

R1 一二宿邊角 24°45' 34.9 120°57' 5.6 R2 一二宿邊角 24°45' 34.9 120°57' 5.3 R3 三宿邊角 24°45' 35.1 120°57' 4.6 R4 三宿邊角 24°45' 35.3 120°57' 4.4 R5 餐廳入口 24°45' 32.7 120°57' 6.3 R6 餐廳入口 24°45' 33.3 120°57' 4.8 R7 三宿入口 24°45' 33.2 120°57' 4.6 R8 一二三宿交叉點 24°45' 32.6 120°57' 3.0 R9 四宿邊角 24°45' 32.4 120°57' 2.9 R10 四宿邊角 24°45' 30.4 120°57' 1.8

表3. 19 定位數據 CHU014 管理學院區

區位:CHU014 管理學院區 編號 位置 北緯 東經

M1 管理學院平台入口 24°45' 33.3 120°57' 10.6 M2 管理學院邊角 24°45' 33.6 120°57' 8.9 M3 管理學院邊角 24°45' 34.7 120°57' 9.4 M4 管理學院邊角 24°45' 34.7 120°57' 6.1 M5 管理學院邊角 24°45' 33.9 120°57' 6.0 M6 管理學院天橋中庭 24°45' 33.3 120°57' 6.3 M7 管理學院邊角 24°45' 32.9 120°57' 6.6 M8 管理學院外道路 24°45' 34.8 120°57' 11.1

(46)

表3. 20 定位數據 CHU015 停車中區

區位:CHU015 停車中區 編號 位置 北緯 東經

P6 側門停車場邊角 24°45' 36.2 120°57' 2.8 P7 側門汽車停車場入口二 24°45' 35.8 120°57' 4.0

表3. 21 定位數據 CHU016 停車後區

區位:CHU016 停車後區 編號 位置 北緯 東經

P8 側門停車場邊角 24°45' 40.6 120°57' 4.0 P9 側門停車場邊角 24°45' 40.3 120°57' 4.4 S10 運動場邊角 24°45' 40.5 120°57' 5.2

表3. 22 定位數據 CHU017 運動場區

區位:CHU017 運動場區 編號 位置 北緯 東經

S1 工程二館外道路 24°45' 34.8 120°57' 11.1 S2 工程二館邊角 24°45' 35.1 120°57' 11.5 S3 工程二館邊角 24°45' 34.9 120°57' 9.2 S4 工程二館入口 24°45' 35.5 120°57' 9.1 S5 工程二館邊角 24°45' 37.9 120°57' 9.3 S6 司令台 24°45' 38.1 120°57' 9.4 S7 運動場邊角 24°45' 40.5 120°57' 8.5 S8 小籃球場邊角 24°45' 41.7 120°57' 7.6 S9 小籃球場邊角 24°45' 41.8 120°57' 7.2 S10 運動場邊角 24°45' 40.5 120°57' 5.2 S11 籃球場甲乙場邊角 24°45' 37.6 120°57' 5.2 S12 24°45' 35.5 120°57' 5.2

(47)

3.2.2 LBS 架設與測試

本研究室內定位主要以無線基地台發出的信號為主要定位判斷依據,由於中華大 學建築學院二樓及三樓原先只設置三台無線基地台,所以位於建築物底端空間及教室,

往往無法使用學校提供的無線網路,甚至於根本沒有訊號。使用 LBS 定位系統主要 需要四科以上無線基地台作為定位標準,本研究於建築學院二樓及三樓部分,將原先 學校提供的無線基地台更換為本研究共計八科無線基地台,並與計算機中心設定八個 新IP,其 IP 與機器對照圖如表 3.23。同時可提供學校無線網路使用,也可同時作為 本研究定位使用。

表3. 23 IP 配置無線網路台對照表

IP 設置裝置

10.253.253.51 SMC CWBR14-G2

10.253.253.52 SMC CWBR14-G2

10.253.253.53 SMC CWBR14-G2

10.253.253.54 SMC CWBR14-G2

10.253.253.55 SMC CWBR14-G2

10.253.253.56 ZyXEL NBG460N

10.253.253.57 ZyXEL NBG460N

10.253.253.58 SMC CWBR14-G2

當 IP 設定完成後,於建築學院規劃佈點位置,佈點位置主要以原先校園提供的 有線網路線作分流及增設線路為主,其佈點位置及IP 分別如圖 3.3、3.4 所示。

圖3. 3 建築學院二樓 AP 佈點圖

(資料來源:本研究繪製)

(48)

圖3. 4 建築學院三樓 AP 佈點圖

(資料來源:本研究繪製)

由於各台AP 分別有設定過的固定 IP,所以在無線基地台設置前,必須對照原先 規劃位置架設,如圖3.5。將線路連接基地台並開啟電源,如圖 3.6。當開啟後確定網 路有連結,將會與學校計算機中心連結設定,如圖 3.7。設定完成後,將無線基地台 埋線於天花板上,完成搭設,如圖3.8。

圖3. 5 ZyXEL/SMC -AP 裝機前照片

(資料來源:本研究拍攝)

圖3. 6 ZyXEL/SMC -AP 裝機時照片

(49)

圖3. 7 ZyXEL/SMC -AP 設定後照片

(資料來源:本研究拍攝)

圖3. 8 ZyXEL/SMC -AP 裝機完成

(資料來源:本研究拍攝)

第一次接收定位測試,主要判別各基地台是否連線無誤以及各AP 間接收接收信 號強度,本次試驗將於各 AP 佈點位置正下方,來做第一次 IP 偵測,其偵測結果如 下,含干擾AP,如表 3.24。

(50)

表3. 24 各點 AP 接收測試圖

代碼 51 52 53 54 55 56 57 58 其餘干擾

10.2XX.2XX.51 ○ ○ ○ X ○ ○ X X 3

10.2XX.2XX.52 ○ ○ ○ ○ X ○ ○ X 1

10.2XX.2XX.53 ○ ○ ○ ○ X ○ ○ ○ 1

10.2XX.2XX.54 X ○ ○ ○ X ○ ○ ○ 4

10.2XX.2XX.55 ○ ○ X X ○ ○ ○ X 3

10.2XX.2XX.56 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1 10.2XX.2XX.57 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 2

10.2XX.2XX.58 X X ○ ○ X ○ ○ ○ 5

在測試後,由數據產生結果可同時接收到八科數據之 AP 為 10.2XX.2XX.56、

10.2XX.2XX.57,可將定位定於 0.5 米範圍內;其接收六、七科數據之 AP 為 10.2XX.2XX.53、10.2XX.2XX.52、10.2XX.2XX.54,其定位精確度可達 1 米範圍內;

其於僅接收五科數據之AP 為 10.2XX.2XX.51、10.2XX.2XX.55、10.2XX.2XX.58,這 三科定位精準度依照LBS 定位也是符合標準值以上,但由於此部分之 AP 皆位於建築 物邊緣,也會同時接收到鄰棟建築內設置之 AP,所以產生之干擾,本研究將暫先由 程式編寫內排除,讓鄰棟AP 不會干擾至本 LBS 系統定位。透過程式設定後,將干擾 AP 排除後其定位將可大幅提高準確度,其再次測試數據如表 3.25 所示:

表3. 25 各點 AP 除誤後接收科數表

代碼 讀取科數 代碼 讀取科數

10.2XX.2XX.51 6 科 10.2XX.2XX.55 5 科 10.2XX.2XX.52 7 科 10.2XX.2XX.56 8 科 10.2XX.2XX.53 7 科 10.2XX.2XX.57 8 科 10.2XX.2XX.54 6 科 10.2XX.2XX.58 6 科

(51)

3.2.3 3D 動畫建置

本研究使用三度空間網路科技有限公司所開發之3D 動畫建置系統,將魚眼相機 所拍攝之畫面,如圖 3.9;再將兩張所拍攝好的照片,透過三度空間全景製作軟體合 成,如圖3.10。當合成完畢後,將全景輸出,透過 JAVA 程式播放即可觀賞校園三度 空間全景,如圖3.11。

圖3. 9 魚眼相機拍攝圖合成前

圖3. 10 三度空間全景製作軟體圖

(52)

圖3. 11 三度空間畫面合成後實景圖

圖3. 12 校園規劃場景圖

目前於校園內,所規劃之 3D 動畫景點共計 19 點,未來仍可繼續新增校園內各 處之四季及日夜場景,提供使用者查閱。其目前佈點之分布表如表3.26 所示:

(53)

表3. 26 中華大學校園佈點規劃表

代碼 讀取科數 代碼 讀取科數

建築學院平台 日、夜 運動場 日

管理學院 日 敦煌書局 日、夜

學生宿舍 日 建築學院入口 日、夜

學校側門 日、夜 白馬湖景 日、夜

活動中心 日、夜 行政大樓 日

研發大樓 日、夜 鴨子湖景 日

參考文獻

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