本發(fā)明涉及通信導航定位和位置服務技術領域，具體涉及一種基于三維激光掃描儀和GPS信號的三維實景室內(nèi)外一體化定位方法，有利于提高室內(nèi)定位精度，實現(xiàn)室內(nèi)三維實景可視化。

背景技術：

傳統(tǒng)的室外定位系統(tǒng)為基于衛(wèi)星的定位。目前廣泛應用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要有GPS系統(tǒng)、我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)。在室外衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，GNSS接收機模塊接收四顆以上衛(wèi)星的信號，通過偽距定位方式或者載波相位實現(xiàn)終端定位。然而，北斗、GPS等定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星信號測距原理來進行定位的，樓房及密布的高層建筑物會對信號產(chǎn)生遮擋，在室內(nèi)場景中，無法用于定位。但是在公共場所人員管理、災害搜救、安防預警等方面知道人員在室內(nèi)的位置信息又是十分必要的，因此需要尋找出同時能在室內(nèi)和室外場景中應用的合理有效的定位方法。

超寬帶(UWB)定位技術屬于無線定位的一種。無線定位技術是指用來判定移動用戶位置的測量方法和計算方法，即定位算法。UWB使用TDOA(到達時間差定位)算法。通常，UWB定位系統(tǒng)設定幾個定位參考點(根據(jù)實際需要)，以接收待測點(數(shù)量上百)發(fā)出的高斯脈沖信號。為了避免信號發(fā)生碰撞，每個待測點都有自己的代碼序列。當一個高斯脈沖中代碼序列被參考點收到時，它將在一個時間整合相關器內(nèi)與當前產(chǎn)生的一個對照序列作比較。當收到信號的位移與對照信號相吻合，即出現(xiàn)一個相關高峰信號。這樣就容易判斷是否收到正確的代碼序列。處理接收到的脈沖序列得到接收時間，從而利用TDOA算法計算得到待測點的坐標。然而，現(xiàn)有的UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)仍存在以下技術缺陷：1)定位精度仍不能達到較高的標準；2)定位結果呈現(xiàn)于二維地圖上，無法展示實際建筑物內(nèi)部的具體細節(jié)。

激光雷達運用三維激光掃描技術，通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接快速地獲得高精度的三維空間坐標信息和數(shù)字表面模型，從而實現(xiàn)地表信息的快速提取和三維場景的重建。然而，采集的點云數(shù)據(jù)雖然包含著室內(nèi)各點的位置信息，但這些位置信息均是在掃描儀坐標系下的位置坐標，無法實際應用于室內(nèi)定位。因此本發(fā)明將三維激光掃描儀與UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)獲取的定位坐標相結合，引入GPS坐標，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換獲取較精確的地理坐標。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出了一種基于三維激光掃描儀和GPS信號的三維實景室內(nèi)外一體化定位方法，實現(xiàn)高精度的室內(nèi)外定位一體化和三維實景模型重建，以克服現(xiàn)有技術缺陷。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術方案是：

一種高精度三維實景室內(nèi)外一體化定位方法，該方法包括：

步驟1：室外環(huán)境下，通過GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的載波相位差分實時獲取測站載波相位數(shù)據(jù)，求差解算坐標實現(xiàn)室外空間的目標定位，輸出為GPS衛(wèi)星導航信號定位結果；

步驟2：室內(nèi)環(huán)境下，在室內(nèi)選取GPS坐標可測得幾個基準點，基準點處放置GPS接收機；于基準點處使用激光三維掃描儀對室內(nèi)場景表面進行掃描，以掃描點為坐標原點建立掃描儀坐標系，獲取室內(nèi)場景在掃描儀坐標系下的三維坐標信息，稱點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)賦色，得到彩色點云數(shù)據(jù)；

步驟3：以所述基準點為坐標原點建立平臺坐標系，根據(jù)此平臺坐標系和掃描儀坐標系之間的關系，構建坐標轉(zhuǎn)換模型，將彩色點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到平臺坐標系，獲取坐標；

步驟4：使用超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)對目標物進行定位，獲取目標物坐標，將所述平臺坐標系已經(jīng)獲取的坐標與超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)自帶坐標系結合，采用已構建的坐標轉(zhuǎn)換模型作進一步坐標轉(zhuǎn)換，得到室內(nèi)目標物在平臺坐標系下的坐標，完成滿足精度要求的室內(nèi)目標定位，其定位精度達到分米級；

步驟5：利用步驟2的彩色點云數(shù)據(jù)對其作三角網(wǎng)平面重構，并將該彩色點云數(shù)據(jù)及地理坐標數(shù)據(jù)融合，完成色彩信息融合和紋理映射貼圖，構建可視化的室內(nèi)全要素三維實景模型，實現(xiàn)所述高精度三維實景室內(nèi)外一體化定位。

所述基準點為坐標原點建立平臺坐標系是：選取GPS可測的基準點作為掃描儀的探測點，此基準點處利用GPS接收機可獲得GPS信號，得到精確的經(jīng)緯度和高程信息，基準點坐標為(B₁,L₁,H₁)，(B₂,L₂,H₂)，(B₃,L₃,H₃)……，以基準點為坐標原點建立平臺坐標系。

所述根據(jù)平臺坐標系和掃描儀坐標系之間的關系，構建坐標轉(zhuǎn)換模型，具體包括以下步驟：

步驟21：室內(nèi)GPS信號可測點即基準點經(jīng)緯度坐標為：A₁(B₁,L₁,H₁)，A₂(B₂,L₂,H₂)，A₃(B₃,L₃,H₃)……；

步驟22：將室內(nèi)GPS可測的基準點的經(jīng)緯度坐標和高程轉(zhuǎn)換為平面直角坐標，世界大地測量系統(tǒng)84(WGS 84)橢球的任意一點的大地經(jīng)緯度(B,L)和大地高(H)是與其三維直角坐標(X,Y,Z)等價的表達形式，其變換關系：

X＝(N+H)cosBcosL

Y＝(N+H)cosBsinL

Z＝[N(1-e²)+H]sinB

式中，N為橢球面卯酉圈的曲率半徑，e為橢球的第一偏心率，

a、b為橢球的長短半軸，長半軸a＝6378140±5(m)短半軸b＝6356755.2882m；

其逆變換式為

獲取了平臺坐標系原點的空間坐標，基準點在此坐標系內(nèi)平面直角坐標為A₁(x₁,y₁,z₁)，A₂(x₂,y₂,z₂)，A₃(x₃,y₃,z₃)……；

步驟23：利用激光三維掃描儀，獲取室內(nèi)場景表面的坐標信息，其中室內(nèi)定位基站中心的坐標，用作坐標轉(zhuǎn)換的公共點；掃描儀坐標系下，基準點坐標為L₁(x_L1,y_L1,z_L1)，L₂(x_L2,y_L2,z_L2)，L₃(x_L3,y_L3,z_L3)……定位基站中心坐標為B_r1(x_r1,y_r1,z_r1)，B_r2(x_r2,y_r2,z_r2)，B_r3(x_r3,y_r3,z_r3)……；

基站中心與基準點L_i相對坐標矢量為(Δx_i,Δy_i,Δz_i)，其中Δx_i＝x_ri-x_Li,Δy_i＝y(tǒng)_ri-y_Li,Δz_i＝z_ri-z_Li根據(jù)矢量關系得基站中心點在平臺坐標系下的坐標為：B_i′(x_i,y_i,z_i)；

步驟24：根據(jù)公共點在兩坐標系下的關系求取坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)；

步驟25：采用布爾沙模型，進行掃描儀坐標系向平臺坐標系的轉(zhuǎn)換，兩坐標系為O-XYZ和O′-X′Y′Z′，r₀為O相對O′的位置向量，dX₀,dY₀,dZ₀,為平移參數(shù)，θ_X,θ_Y,θ_Z為三個軸不平行而產(chǎn)生的尤拉角，m為尺度不一致而產(chǎn)生的尺度改正：

式中T_X，T_Y，T_Z為兩個坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣：

將兩坐標系原點平移至已知聯(lián)測點的重心位置，重新確立空間直角坐標系,使坐標點均勻分布其中,再求解七參數(shù),得到過渡的布爾沙模型,求解重心化坐標系下的坐標,然后再平移換算到目標坐標系；構建的模型如下：

式中X_重心，Y_重心，Z_重心是目標坐標系下公共點的重心坐標。

一種高精度三維實景室內(nèi)外一體化定位裝置，該裝置包括：

室外GPS衛(wèi)星定位模塊，通過GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的載波相位差分實時獲取測站載波相位數(shù)據(jù)，求差解算坐標實現(xiàn)室外空間的定位，輸出為GPS衛(wèi)星導航信號定位結果；

室內(nèi)UWB定位模塊，使用TDOA(到達時間差定位)算法進行室內(nèi)空間的定位，輸出目標物體的UWB定位坐標；

室內(nèi)場景重建模塊，分別連接室外GPS衛(wèi)星定位模塊及室內(nèi)UWB定位模塊；室內(nèi)場景重建模塊包括激光三維掃描儀、三維模型建立模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，三維激光掃描儀用于獲取密集的室內(nèi)建筑彩色點云數(shù)據(jù)并輸出給三維模型建立模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；三維模型建立模塊利用彩色點云數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊中的地理坐標數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)平面重構、色彩信息融合和紋理貼圖，輸出實景三維模型；數(shù)據(jù)處理模塊對輸入的彩色點云數(shù)據(jù)、GPS衛(wèi)星導航信號定位結果以及目標物體的UWB定位坐標進行坐標轉(zhuǎn)換處理，結合實景三維模型輸出最終定位結果；

電子地圖顯示模塊，連接室內(nèi)場景重建模塊，電子地圖顯示模塊中的高分辨率顯示屏通過以平面二維地圖和三維建筑實景模型形式顯示定位結果，完善用戶體驗。

所述電子地圖顯示模塊將定位結果通過二維平面地圖形式或三維實景地圖形式反饋給用戶，二維平面地圖顯示所述室內(nèi)外融合的地理信息數(shù)據(jù)，包括GPS坐標系下的經(jīng)緯度坐標；三維實景地圖顯示所述室內(nèi)外融合的地理信息數(shù)據(jù)，包括GPS坐標系下的經(jīng)緯度坐標和高程信息。

本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提出的基于三維激光掃描儀和GPS信號的三維實景室內(nèi)外一體化定位方法，在UWB(超寬帶)室內(nèi)定位的基礎上，引入了三維激光掃描儀，利用點云數(shù)據(jù)高密度、高精度、帶有地理信息的特點，有效結合了GPS信號與室內(nèi)點云坐標，最終得到高精度且?guī)в写蟮刈鴺说氖覂?nèi)三維模型，大大提高了室內(nèi)定位的精度，實現(xiàn)了室內(nèi)外定位的一體化，并構建了可視化的室內(nèi)三維場景，完善了用戶體驗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖；

圖2為本發(fā)明裝置結構框圖；

圖3為本發(fā)明裝置中室內(nèi)場景重建模塊結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的說明。

參閱圖1，本發(fā)明方法步驟如下：

步驟S10：在室外環(huán)境下，通過GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的載波相位差分技術實時獲取測站載波相位數(shù)據(jù)，求差解算坐標實現(xiàn)室外空間的定位，輸出為GPS衛(wèi)星導航信號定位結果；

步驟S11：在室內(nèi)環(huán)境下，首先在室內(nèi)選取GPS坐標可測的幾個基準點，基準點處放置GPS接收機；于基準點處使用激光三維掃描儀對室內(nèi)場景表面進行掃描，以掃描點為坐標原點建立掃描儀坐標系，獲取室內(nèi)場景在掃描儀坐標系下的三維坐標信息，也稱點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)賦色，得到彩色點云數(shù)據(jù)；

步驟S12：以所述基準點為坐標原點建立平臺坐標系，根據(jù)此平臺坐標系和掃描儀坐標系之間的關系，構建新的坐標轉(zhuǎn)換模型，將激光點云統(tǒng)一到平臺坐標系，獲取坐標；其中，以基準點為坐標原點建立平臺坐標系是：選取GPS可測的基準點作為掃描儀的探測點，此基準點處可獲得GPS信號，得到精確的經(jīng)緯度和高程信息，基準點坐標為(B₁,L₁,H₁)，(B₂,L₂,H₂)，(B₃,L₃,H₃)……以基準點為坐標原點建立平臺坐標系；

步驟S13：使用超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)對目標物進行定位，獲取目標物坐標，將所述平臺坐標系已經(jīng)獲取的坐標與超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)自帶坐標系結合，采用已構建的坐標轉(zhuǎn)換模型作進一步坐標轉(zhuǎn)換，得到室內(nèi)目標物在平臺坐標系下的坐標，完成了滿足精度要求的室內(nèi)目標定位，定位精度達到分米級；

步驟S14：利用彩色點云數(shù)據(jù)對其作三角網(wǎng)平面重構，并將該彩色點云數(shù)據(jù)及地理坐標數(shù)據(jù)融合，完成色彩信息融合和紋理映射貼圖，構建可視化的室內(nèi)全要素三維實景模型，實現(xiàn)所述高精度三維實景室內(nèi)外一體化定位；

其中：

步驟S12所述根據(jù)平臺坐標系和掃描儀坐標系之間的關系，構建坐標轉(zhuǎn)換模型，具體包括以下步驟：

ⅰ)室內(nèi)GPS信號可測點即基準點經(jīng)緯度坐標為：A₁(B₁,L₁,H₁)，A₂(B₂,L₂,H₂)，A₃(B₃,L₃,H₃)……；

ⅱ)將室內(nèi)GPS可測的基準點的經(jīng)緯度坐標和高程轉(zhuǎn)換為平面直角坐標，世界大地測量系統(tǒng)84(WGS 84)橢球的任意一點的大地經(jīng)緯度(B,L)和大地高(H)是與其三維直角坐標(X,Y,Z)等價的表達形式，其變換關系：

X＝(N+H)cosBcosL

Y＝(N+H)cosBsinL

Z＝[N(1-e²]+H]sinB

式中，N為橢球面卯酉圈的曲率半徑，e為橢球的第一偏心率，

a、b為橢球的長短半軸，長半軸a＝6378140±5(m)短半軸b＝6356755.2882m；

其逆變換式為

獲取了平臺坐標系原點的空間坐標，基準點在此坐標系內(nèi)平面直角坐標為A₁(x₁,y₁,z₁)，A₂(x₂,y₂,z₂)，A₃(x₃,y₃,z₃)……；

ⅲ)利用激光三維掃描儀，獲取室內(nèi)場景表面的坐標信息，其中室內(nèi)定位基站中心的坐標，用作坐標轉(zhuǎn)換的公共點；掃描儀坐標系下，基準點坐標為L₁(x_L1,y_L1,z_L1)，L₂(x_L2,y_L2,z_L2)，L₃(x_L3,y_L3,z_L3)……定位基站中心坐標為B_r1(x_r1,y_r1,z_r1)，B_r2(x_r2,y_r2,z_r2)，B_r3(x_r3,y_r3,z_r3)……；

基站中心與基準點L_i相對坐標矢量為(Δx_i,Δy_i,Δz_i)，其中Δx_i＝x_ri-x_Li,Δy_i＝y(tǒng)_ri-y_Li,Δz_i＝z_ri-z_Li根據(jù)矢量關系得基站中心點在平臺坐標系下的坐標為：B_i′(x_i,y_i,z_i)；

ⅳ)根據(jù)公共點在兩坐標系下的關系求取坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)；

ⅴ)采用布爾沙模型，進行掃描儀坐標系向平臺坐標系的轉(zhuǎn)換，兩坐標系為O-XYZ和O′-X′Y′Z′，r₀為O相對O′的位置向量，dX₀,dY₀,dZ₀,為平移參數(shù)，θ_X,θ_Y,θ_Z為三個軸不平行而產(chǎn)生的尤拉角，m為尺度不一致而產(chǎn)生的尺度改正：

式中T_X，T_Y，T_Z為兩個坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣：

經(jīng)典的布爾沙-沃爾夫存在坐標本身的誤差和轉(zhuǎn)換模型的誤差。

本發(fā)明方法采用改進的布爾沙-沃爾夫模型，將兩坐標系原點平移至已知聯(lián)測點的重心位置，重新確立空間直角坐標系,使坐標點均勻分布其中,再求解七參數(shù),得到過渡的布爾沙模型,求解重心化坐標系下的坐標,然后再平移換算到目標坐標系；構建的模型如下：

式中X_重心，Y_重心，Z_重心是目標坐標系下公共點的重心坐標。

本發(fā)明方法所述UWB室內(nèi)定位按照如下步驟實現(xiàn)：

ⅰ)選取一定數(shù)量的基準點作為UWB室內(nèi)定位的基站位置點，基準點選取標準：基準點處可接收到一定強度的GPS衛(wèi)星信號，基準點可被三維激光掃描儀精確掃描；

ⅱ)所述UWB室內(nèi)定位終端在同一目標位置接收UWB基站發(fā)送的極窄脈沖信號；

ⅲ)所述UWB室內(nèi)定位終端采用TDOA演示測距定位算法，由信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位；其中：

測距定位算法與GPS接收機偽距定位解算過程一樣，對于一個定位終端，同時接收四個或以上的定位基站發(fā)射的信號時，定位方程可表示為：

進一步的，獲得UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位結果，坐標表示為：

B₁(x_u1,y_u1,z_u1)，B₂(x_u2,y_u2,z_u2)，B₃(x_u3,y_u3,z_u3)……

此結果為超寬帶室內(nèi)定位的相對局部坐標。

進一步的，用相似的坐標轉(zhuǎn)換模型可將上述UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)得到的定位結果B₁(x_u1,y_u1,z_u1)，B₂(x_u2,y_u2,z_u2)，B₃(x_u3,y_u3,z_u3)……向平臺坐標系轉(zhuǎn)換，得到最終定位結果R₁(x_r1,y_r1,Z_r1)，R₂(x_r2,y_r2,z_r2)，R₃(x_r3,y_r3,z_r3)……，實現(xiàn)室內(nèi)外定位的一體化。

步驟S14所述三維實景模型重建，具體按照如下步驟實現(xiàn)：

ⅰ)利用彩色相片對點云數(shù)據(jù)進行高精度賦色，獲取彩色點云數(shù)據(jù)；

ⅱ)對彩色點云數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)重構，將點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成面數(shù)據(jù)，形成初步三維模型；

ⅲ)利用彩色照片獲取的紋理對三維模型進行紋理映射貼圖，構建可視化的室內(nèi)全要素三維實景模型。

參閱圖2，本發(fā)明高精度三維實景室內(nèi)外一體化定位裝置包括：

室外GPS衛(wèi)星定位模塊1，通過GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的載波相位差分實時獲取測站載波相位數(shù)據(jù)，求差解算坐標實現(xiàn)室外空間的定位，輸出為GPS衛(wèi)星導航信號定位結果；

室內(nèi)UWB定位模塊2，使用TDOA(到達時間差定位)算法進行室內(nèi)空間的定位，輸出目標物體的UWB定位坐標；

室內(nèi)場景重建模塊3，分別連接室外GPS衛(wèi)星定位模塊1及室內(nèi)UWB定位模塊2；室內(nèi)場景重建模塊3包括激光三維掃描儀31、三維模型建立模塊33和數(shù)據(jù)處理模塊32，三維激光掃描儀31用于獲取密集的室內(nèi)建筑彩色點云數(shù)據(jù)并輸出給三維模型建立模塊33和數(shù)據(jù)處理模塊32；三維模型建立模塊33利用彩色點云數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊中的地理坐標數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)平面重構、色彩信息融合和紋理貼圖，輸出實景三維模型；數(shù)據(jù)處理模塊32對輸入的彩色點云數(shù)據(jù)、GPS衛(wèi)星導航信號定位結果以及目標物體的UWB定位坐標進行坐標轉(zhuǎn)換處理，結合實景三維模型輸出最終定位結果；

電子地圖顯示模塊4，連接室內(nèi)場景重建模塊3，電子地圖顯示模塊4中的高分辨率顯示屏通過以平面二維地圖和三維建筑實景模型形式顯示定位結果，完善用戶體驗。

本發(fā)明裝置的電子地圖顯示模塊4將定位結果通過二維平面地圖形式或三維實景地圖形式反饋給用戶，二維平面地圖顯示所述室內(nèi)外融合的地理信息數(shù)據(jù)，包括GPS坐標系下的經(jīng)緯度坐標；三維實景地圖顯示所述室內(nèi)外融合的地理信息數(shù)據(jù)，包括GPS坐標系下的經(jīng)緯度坐標和高程信息。