高精度三维实景室内外一体化定位方法及装置与流程

本发明涉及通信导航定位和位置服务技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描仪和GPS信号的三维实景室内外一体化定位方法，有利于提高室内定位精度，实现室内三维实景可视化。

背景技术：

传统的室外定位系统为基于卫星的定位。目前广泛应用的卫星定位系统主要有GPS系统、我国自主研发的北斗卫星导航系统和俄罗斯的GLONASS系统。在室外卫星定位系统中，GNSS接收机模块接收四颗以上卫星的信号，通过伪距定位方式或者载波相位实现终端定位。然而，北斗、GPS等定位系统是利用卫星信号测距原理来进行定位的，楼房及密布的高层建筑物会对信号产生遮挡，在室内场景中，无法用于定位。但是在公共场所人员管理、灾害搜救、安防预警等方面知道人员在室内的位置信息又是十分必要的，因此需要寻找出同时能在室内和室外场景中应用的合理有效的定位方法。

超宽带(UWB)定位技术属于无线定位的一种。无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法，即定位算法。UWB使用TDOA(到达时间差定位)算法。通常，UWB定位系统设定几个定位参考点(根据实际需要)，以接收待测点(数量上百)发出的高斯脉冲信号。为了避免信号发生碰撞，每个待测点都有自己的代码序列。当一个高斯脉冲中代码序列被参考点收到时，它将在一个时间整合相关器内与当前产生的一个对照序列作比较。当收到信号的位移与对照信号相吻合，即出现一个相关高峰信号。这样就容易判断是否收到正确的代码序列。处理接收到的脉冲序列得到接收时间，从而利用TDOA算法计算得到待测点的坐标。然而，现有的UWB室内定位系统仍存在以下技术缺陷：1)定位精度仍不能达到较高的标准；2)定位结果呈现于二维地图上，无法展示实际建筑物内部的具体细节。

激光雷达运用三维激光扫描技术，通过位置、距离、角度等观测数据直接快速地获得高精度的三维空间坐标信息和数字表面模型，从而实现地表信息的快速提取和三维场景的重建。然而，采集的点云数据虽然包含着室内各点的位置信息，但这些位置信息均是在扫描仪坐标系下的位置坐标，无法实际应用于室内定位。因此本发明将三维激光扫描仪与UWB室内定位系统获取的定位坐标相结合，引入GPS坐标，经过坐标转换获取较精确的地理坐标。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出了一种基于三维激光扫描仪和GPS信号的三维实景室内外一体化定位方法，实现高精度的室内外定位一体化和三维实景模型重建，以克服现有技术缺陷。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种高精度三维实景室内外一体化定位方法，该方法包括：

步骤1：室外环境下，通过GPS卫星导航系统的载波相位差分实时获取测站载波相位数据，求差解算坐标实现室外空间的目标定位，输出为GPS卫星导航信号定位结果；

步骤2：室内环境下，在室内选取GPS坐标可测得几个基准点，基准点处放置GPS接收机；于基准点处使用激光三维扫描仪对室内场景表面进行扫描，以扫描点为坐标原点建立扫描仪坐标系，获取室内场景在扫描仪坐标系下的三维坐标信息，称点云数据，对点云数据赋色，得到彩色点云数据；

步骤3：以所述基准点为坐标原点建立平台坐标系，根据此平台坐标系和扫描仪坐标系之间的关系，构建坐标转换模型，将彩色点云数据统一到平台坐标系，获取坐标；

步骤4：使用超宽带室内定位系统对目标物进行定位，获取目标物坐标，将所述平台坐标系已经获取的坐标与超宽带室内定位系统自带坐标系结合，采用已构建的坐标转换模型作进一步坐标转换，得到室内目标物在平台坐标系下的坐标，完成满足精度要求的室内目标定位，其定位精度达到分米级；

步骤5：利用步骤2的彩色点云数据对其作三角网平面重构，并将该彩色点云数据及地理坐标数据融合，完成色彩信息融合和纹理映射贴图，构建可视化的室内全要素三维实景模型，实现所述高精度三维实景室内外一体化定位。

所述基准点为坐标原点建立平台坐标系是：选取GPS可测的基准点作为扫描仪的探测点，此基准点处利用GPS接收机可获得GPS信号，得到精确的经纬度和高程信息，基准点坐标为(B₁,L₁,H₁)，(B₂,L₂,H₂)，(B₃,L₃,H₃)……，以基准点为坐标原点建立平台坐标系。

所述根据平台坐标系和扫描仪坐标系之间的关系，构建坐标转换模型，具体包括以下步骤：

步骤21：室内GPS信号可测点即基准点经纬度坐标为：A₁(B₁,L₁,H₁)，A₂(B₂,L₂,H₂)，A₃(B₃,L₃,H₃)……；

步骤22：将室内GPS可测的基准点的经纬度坐标和高程转换为平面直角坐标，世界大地测量系统84(WGS 84)椭球的任意一点的大地经纬度(B,L)和大地高(H)是与其三维直角坐标(X,Y,Z)等价的表达形式，其变换关系：

X＝(N+H)cosBcosL

Y＝(N+H)cosBsinL

Z＝[N(1-e²)+H]sinB

式中，N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球的第一偏心率，

a、b为椭球的长短半轴，长半轴a＝6378140±5(m)短半轴b＝6356755.2882m；

其逆变换式为

获取了平台坐标系原点的空间坐标，基准点在此坐标系内平面直角坐标为A₁(x₁,y₁,z₁)，A₂(x₂,y₂,z₂)，A₃(x₃,y₃,z₃)……；

步骤23：利用激光三维扫描仪，获取室内场景表面的坐标信息，其中室内定位基站中心的坐标，用作坐标转换的公共点；扫描仪坐标系下，基准点坐标为L₁(x_L1,y_L1,z_L1)，L₂(x_L2,y_L2,z_L2)，L₃(x_L3,y_L3,z_L3)……定位基站中心坐标为B_r1(x_r1,y_r1,z_r1)，B_r2(x_r2,y_r2,z_r2)，B_r3(x_r3,y_r3,z_r3)……；

基站中心与基准点L_i相对坐标矢量为(Δx_i,Δy_i,Δz_i)，其中Δx_i＝x_ri-x_Li,Δy_i＝y_ri-y_Li,Δz_i＝z_ri-z_Li根据矢量关系得基站中心点在平台坐标系下的坐标为：B_i′(x_i,y_i,z_i)；

步骤24：根据公共点在两坐标系下的关系求取坐标转换参数；

步骤25：采用布尔沙模型，进行扫描仪坐标系向平台坐标系的转换，两坐标系为O-XYZ和O′-X′Y′Z′，r₀为O相对O′的位置向量，dX₀,dY₀,dZ₀,为平移参数，θ_X,θ_Y,θ_Z为三个轴不平行而产生的尤拉角，m为尺度不一致而产生的尺度改正：

式中T_X，T_Y，T_Z为两个坐标系的旋转矩阵：

将两坐标系原点平移至已知联测点的重心位置，重新确立空间直角坐标系,使坐标点均匀分布其中,再求解七参数,得到过渡的布尔沙模型,求解重心化坐标系下的坐标,然后再平移换算到目标坐标系；构建的模型如下：

式中X_重心，Y_重心，Z_重心是目标坐标系下公共点的重心坐标。

一种高精度三维实景室内外一体化定位装置，该装置包括：

室外GPS卫星定位模块，通过GPS卫星导航系统的载波相位差分实时获取测站载波相位数据，求差解算坐标实现室外空间的定位，输出为GPS卫星导航信号定位结果；

室内UWB定位模块，使用TDOA(到达时间差定位)算法进行室内空间的定位，输出目标物体的UWB定位坐标；

室内场景重建模块，分别连接室外GPS卫星定位模块及室内UWB定位模块；室内场景重建模块包括激光三维扫描仪、三维模型建立模块和数据处理模块，三维激光扫描仪用于获取密集的室内建筑彩色点云数据并输出给三维模型建立模块和数据处理模块；三维模型建立模块利用彩色点云数据和数据处理模块中的地理坐标数据进行三角网平面重构、色彩信息融合和纹理贴图，输出实景三维模型；数据处理模块对输入的彩色点云数据、GPS卫星导航信号定位结果以及目标物体的UWB定位坐标进行坐标转换处理，结合实景三维模型输出最终定位结果；

电子地图显示模块，连接室内场景重建模块，电子地图显示模块中的高分辨率显示屏通过以平面二维地图和三维建筑实景模型形式显示定位结果，完善用户体验。

所述电子地图显示模块将定位结果通过二维平面地图形式或三维实景地图形式反馈给用户，二维平面地图显示所述室内外融合的地理信息数据，包括GPS坐标系下的经纬度坐标；三维实景地图显示所述室内外融合的地理信息数据，包括GPS坐标系下的经纬度坐标和高程信息。

本发明具有以下有益效果：本发明提出的基于三维激光扫描仪和GPS信号的三维实景室内外一体化定位方法，在UWB(超宽带)室内定位的基础上，引入了三维激光扫描仪，利用点云数据高密度、高精度、带有地理信息的特点，有效结合了GPS信号与室内点云坐标，最终得到高精度且带有大地坐标的室内三维模型，大大提高了室内定位的精度，实现了室内外定位的一体化，并构建了可视化的室内三维场景，完善了用户体验。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明装置结构框图；

图3为本发明装置中室内场景重建模块结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的说明。

参阅图1，本发明方法步骤如下：

步骤S10：在室外环境下，通过GPS卫星导航系统的载波相位差分技术实时获取测站载波相位数据，求差解算坐标实现室外空间的定位，输出为GPS卫星导航信号定位结果；

步骤S11：在室内环境下，首先在室内选取GPS坐标可测的几个基准点，基准点处放置GPS接收机；于基准点处使用激光三维扫描仪对室内场景表面进行扫描，以扫描点为坐标原点建立扫描仪坐标系，获取室内场景在扫描仪坐标系下的三维坐标信息，也称点云数据，对点云数据赋色，得到彩色点云数据；

步骤S12：以所述基准点为坐标原点建立平台坐标系，根据此平台坐标系和扫描仪坐标系之间的关系，构建新的坐标转换模型，将激光点云统一到平台坐标系，获取坐标；其中，以基准点为坐标原点建立平台坐标系是：选取GPS可测的基准点作为扫描仪的探测点，此基准点处可获得GPS信号，得到精确的经纬度和高程信息，基准点坐标为(B₁,L₁,H₁)，(B₂,L₂,H₂)，(B₃,L₃,H₃)……以基准点为坐标原点建立平台坐标系；

步骤S13：使用超宽带室内定位系统对目标物进行定位，获取目标物坐标，将所述平台坐标系已经获取的坐标与超宽带室内定位系统自带坐标系结合，采用已构建的坐标转换模型作进一步坐标转换，得到室内目标物在平台坐标系下的坐标，完成了满足精度要求的室内目标定位，定位精度达到分米级；

步骤S14：利用彩色点云数据对其作三角网平面重构，并将该彩色点云数据及地理坐标数据融合，完成色彩信息融合和纹理映射贴图，构建可视化的室内全要素三维实景模型，实现所述高精度三维实景室内外一体化定位；

其中：

步骤S12所述根据平台坐标系和扫描仪坐标系之间的关系，构建坐标转换模型，具体包括以下步骤：

ⅰ)室内GPS信号可测点即基准点经纬度坐标为：A₁(B₁,L₁,H₁)，A₂(B₂,L₂,H₂)，A₃(B₃,L₃,H₃)……；

ⅱ)将室内GPS可测的基准点的经纬度坐标和高程转换为平面直角坐标，世界大地测量系统84(WGS 84)椭球的任意一点的大地经纬度(B,L)和大地高(H)是与其三维直角坐标(X,Y,Z)等价的表达形式，其变换关系：

X＝(N+H)cosBcosL

Y＝(N+H)cosBsinL

Z＝[N(1-e²]+H]sinB

式中，N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球的第一偏心率，

a、b为椭球的长短半轴，长半轴a＝6378140±5(m)短半轴b＝6356755.2882m；

其逆变换式为

获取了平台坐标系原点的空间坐标，基准点在此坐标系内平面直角坐标为A₁(x₁,y₁,z₁)，A₂(x₂,y₂,z₂)，A₃(x₃,y₃,z₃)……；

ⅲ)利用激光三维扫描仪，获取室内场景表面的坐标信息，其中室内定位基站中心的坐标，用作坐标转换的公共点；扫描仪坐标系下，基准点坐标为L₁(x_L1,y_L1,z_L1)，L₂(x_L2,y_L2,z_L2)，L₃(x_L3,y_L3,z_L3)……定位基站中心坐标为B_r1(x_r1,y_r1,z_r1)，B_r2(x_r2,y_r2,z_r2)，B_r3(x_r3,y_r3,z_r3)……；

基站中心与基准点L_i相对坐标矢量为(Δx_i,Δy_i,Δz_i)，其中Δx_i＝x_ri-x_Li,Δy_i＝y_ri-y_Li,Δz_i＝z_ri-z_Li根据矢量关系得基站中心点在平台坐标系下的坐标为：B_i′(x_i,y_i,z_i)；

ⅳ)根据公共点在两坐标系下的关系求取坐标转换参数；

ⅴ)采用布尔沙模型，进行扫描仪坐标系向平台坐标系的转换，两坐标系为O-XYZ和O′-X′Y′Z′，r₀为O相对O′的位置向量，dX₀,dY₀,dZ₀,为平移参数，θ_X,θ_Y,θ_Z为三个轴不平行而产生的尤拉角，m为尺度不一致而产生的尺度改正：

式中T_X，T_Y，T_Z为两个坐标系的旋转矩阵：

经典的布尔沙-沃尔夫存在坐标本身的误差和转换模型的误差。

本发明方法采用改进的布尔沙-沃尔夫模型，将两坐标系原点平移至已知联测点的重心位置，重新确立空间直角坐标系,使坐标点均匀分布其中,再求解七参数,得到过渡的布尔沙模型,求解重心化坐标系下的坐标,然后再平移换算到目标坐标系；构建的模型如下：

式中X_重心，Y_重心，Z_重心是目标坐标系下公共点的重心坐标。

本发明方法所述UWB室内定位按照如下步骤实现：

ⅰ)选取一定数量的基准点作为UWB室内定位的基站位置点，基准点选取标准：基准点处可接收到一定强度的GPS卫星信号，基准点可被三维激光扫描仪精确扫描；

ⅱ)所述UWB室内定位终端在同一目标位置接收UWB基站发送的极窄脉冲信号；

ⅲ)所述UWB室内定位终端采用TDOA演示测距定位算法，由信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位；其中：

测距定位算法与GPS接收机伪距定位解算过程一样，对于一个定位终端，同时接收四个或以上的定位基站发射的信号时，定位方程可表示为：

进一步的，获得UWB室内定位系统的定位结果，坐标表示为：

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

此结果为超宽带室内定位的相对局部坐标。

进一步的，用相似的坐标转换模型可将上述UWB室内定位系统得到的定位结果B₁(x_u1,y_u1,z_u1)，B₂(x_u2,y_u2,z_u2)，B₃(x_u3,y_u3,z_u3)……向平台坐标系转换，得到最终定位结果R₁(x_r1,y_r1,Z_r1)，R₂(x_r2,y_r2,z_r2)，R₃(x_r3,y_r3,z_r3)……，实现室内外定位的一体化。

步骤S14所述三维实景模型重建，具体按照如下步骤实现：

ⅰ)利用彩色相片对点云数据进行高精度赋色，获取彩色点云数据；

ⅱ)对彩色点云数据进行三角网重构，将点数据转换成面数据，形成初步三维模型；

ⅲ)利用彩色照片获取的纹理对三维模型进行纹理映射贴图，构建可视化的室内全要素三维实景模型。

参阅图2，本发明高精度三维实景室内外一体化定位装置包括：

室外GPS卫星定位模块1，通过GPS卫星导航系统的载波相位差分实时获取测站载波相位数据，求差解算坐标实现室外空间的定位，输出为GPS卫星导航信号定位结果；

室内UWB定位模块2，使用TDOA(到达时间差定位)算法进行室内空间的定位，输出目标物体的UWB定位坐标；

室内场景重建模块3，分别连接室外GPS卫星定位模块1及室内UWB定位模块2；室内场景重建模块3包括激光三维扫描仪31、三维模型建立模块33和数据处理模块32，三维激光扫描仪31用于获取密集的室内建筑彩色点云数据并输出给三维模型建立模块33和数据处理模块32；三维模型建立模块33利用彩色点云数据和数据处理模块中的地理坐标数据进行三角网平面重构、色彩信息融合和纹理贴图，输出实景三维模型；数据处理模块32对输入的彩色点云数据、GPS卫星导航信号定位结果以及目标物体的UWB定位坐标进行坐标转换处理，结合实景三维模型输出最终定位结果；

电子地图显示模块4，连接室内场景重建模块3，电子地图显示模块4中的高分辨率显示屏通过以平面二维地图和三维建筑实景模型形式显示定位结果，完善用户体验。

本发明装置的电子地图显示模块4将定位结果通过二维平面地图形式或三维实景地图形式反馈给用户，二维平面地图显示所述室内外融合的地理信息数据，包括GPS坐标系下的经纬度坐标；三维实景地图显示所述室内外融合的地理信息数据，包括GPS坐标系下的经纬度坐标和高程信息。