CN106097443B - 城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法,包括基于ALS点云数据城市空间模型构建；室内三维场景系统与纹理数据库构建；室内外一体化场景构建与模型结构优化；基于Google Earth与SketchUp平台的三维模型与信息集成；选用QR Code二维码设计锚点；构建锚点—用户距离模型；自适应室内外定位切换。优点：通过利用ALS点云数据建立城市室外一体化模型，运用建模系统在Google Earth平台上构建和集成精准的室内外空间场景，结合WiFi与二维码技术开展室内外空间自适应导航服务，实现城市室内外一体化三维场景模型的构建和室内外的实时定位，定位精度高，提供空间定位信息。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法，属于信号与信息处理领域。
背景技术
随着城市化进程加剧和城市空间的不断扩大，人们在室内的活动增多且对室内三维场景构建、室内外空间定位与导航的需求不断增加。因此，对大型图书馆、商业中心、地下室、车库等相对复杂的室内环境，高质量的室内外三维场景构建与空间导航服务尤为重要。精准的三维场景模型与室内外空间导航是数字城市的重要组成部分，三维模型运用于导航服务中，可增强模型的真实感与可读性，从而更好的满足用户的定位需求，对城市化的顺利进行具有重要意义。
现有的三维建模方法大致可分为三类：基于几何造型的建模、基于图像绘制建模和基于几何与图像的混合建模。基于几何造型的建模立体感强但往往逼真程度不高并且大多采用建模系统依图而建的方法，对于大型城市而言工作量太大，效率太低；而基于图像绘制的建模方法比较逼真但场景交互手段非常有限，满足不了许多应用领域的需求。目前我国GPS（Global Positioning System，全球定位系统）与基站的室内外定位方法逐渐得到普及。GPS定位技术是基于多个卫星不间断发送自身星历参数和时间信息到接收机，经计算求出接收机位置三维方向与运动速度和时间信息，其能够精准定位的前提是，用户位于能接受卫星信号的开阔室外环境；基站定位技术是利用基站对手机距离的测算来确定手机位置，精度很大程度依靠基站的密度，有时精度极低。故亟需一种适用于室内外空间定位与导航的方法。同时，现有的电子导航地图利用GPS可为用户提供地图等资源信息，也可对用户进行实时定位并替用户做出最佳路径选择，但很少有三维场景的显示，真实感弱，可读性差，使用户不能做出正确的选择。因此，本发明的目的在于结合WiFi室内外定位方法与二维码测距空间导航技术的实现空间自适应导航，解决所存在的问题。同时将三维模型运用于定位服务中能使用户迅速读懂地图信息，从而提高决策效率。
发明内容
本发明提出的是一种城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法,其目的是克服现有技术所存在的上述缺陷。
采用基于几何与图像的混合建模的方式将利用ALS点云数据建立城市表面模型与运用建模系统构建室内场景两种建模方式结合起来建立城市室内外一体化模型并使之经过分层场景渲染，很好地解决了传统模型逼真度不高以及无场景交互两方面的问题，在不失模型精确性的前提下，大大提高了建模效率;此外，对建模系统的开发以及纹理数据库的创建使系统更加适用于城市建筑物的室内建模，从而大大减少了建模工作量;模型建成后，本发明把优化后的城市室内外一体化三维模型集成至GoogleEarth平台，以方便实现定位。
本发明的技术解决方案：城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法，包括以下步骤：
(1)基于ALS点云数据城市空间模型构建；
(2)室内三维场景系统与纹理数据库构建；
(3)室内外一体化场景构建与模型结构优化；
(4)基于Google Earth与SketchUp平台的三维模型与信息集成；
(5)选用QR Code二维码设计锚点；
(6)构建锚点—用户距离模型；
(7)自适应室内外定位切换。
本发明的有益效果：针对目前建模方法逼真程度低、工作量大、自动化效果差、没有场景交互；现有的二维电子导航地图直观性差、无法完全适用室内外空间导航、室内三维空间服务技术支撑薄弱、行业信息化水平不平衡、实际应用水平低、质量不统一等问题，此次基于几何和图像的混合建模（Image Based Modeling & Rendering，IMBR）技术室内三维场景构建与运用Wi-Fi、二维码进行室内外一体化空间导航的方法开展有益探索和尝试，能使得读者迅速读懂地图信息，提高决策效率，取得了较好的成效。
附图说明
附图1是城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法的工艺流程图。
具体实施方式
城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法，包括如下步骤：
(1)基于ALS点云数据城市空间模型构建；
(2)室内三维场景系统与纹理数据库构建；
(3)室内外一体化场景构建与模型结构优化；
(4)基于Google Earth与SketchUp平台的三维模型与信息集成；
(5)选用QR Code二维码设计锚点；
(6)构建锚点—用户距离模型；
(7)自适应室内外定位切换。
所述步骤（1）基于ALS点云数据城市空间模型构建：利用阈值限定算法和高斯滤波算法剔除点云高程异常点和噪声点，对点云进行滤波平滑、数据配准和坐标转换，提取特征信息，构建矢量三维表面模型。
所述步骤（2）室内三维场景系统与纹理数据库构建：利用SketchUp构建室内外三维景观模型，创建纹理数据库，实现模型-纹理映射服务。
所述步骤（3）室内外一体化场景构建与模型结构优化：利用分形算法优化模型结构，运用层次细节模型分层渲染三维场景，继而利用SketchUp设计模型漫游系统的体系结构。
所述步骤（4）中基于Google Earth与SketchUp平台的三维模型与信息集成：通过Google Earth中获取地形卫图，基于WGS-84坐标系建立地形模型，集成Google Earth与SketchUp平台的三维场景信息，完成二者的地理配准与无缝拼接。
所述步骤（5）选用QR Code二维码设计锚点：以WGS-84坐标系为基准，对锚点物理位置与朝向信息，建立秒点探测模式。
所述步骤（6）构建锚点—用户距离模型：建立摄像头模型，消除智能终端透镜所造成的径向误差和因机械过程导致的切向误差，确定锚点真实朝向，在QR Code的探测模式和对齐模式的支持下，计算锚点-终端之间的距离。
所述步骤（7）自适应室内外定位切换：预设室外坐标与建筑物底部中心位置的距离判断阈值，根据距离阈值判别室内、外空间场景，启动室内、外定位模式。
实施例，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请书所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法:
（1）基于ALS点云数据城市空间模型构建101，利用值限定算法来剔除异常点：，其中，如果或者，则或者，其中，与是估算出的数据点高程值的最大与最小值；Y是数据点集,消除由于仪器问题、湖面镜面反射以及高空飞行物等引起的点云高程异常；利用高斯滤波算法（为连续点集，若符合，则认为是较为明显的噪声点，应予以去除）找到点集中的明显噪声点并予以去除；利用四邻域滤波平滑算法完成点云数据的滤波平滑：
其中，为已分配到二维数组内存单元中的数据值；i和j分别为它的行数与列数；s为总列数,为了减少测量误差，消除异常点，滤除噪声干扰，点云数据必须经过以上三部分的误差改正,数据预处理后，利用NICP（Nearest Iterative Closest Points）算法完成点云的数据配准，使各个视角得到的点集合并到一个统一的坐标系（WGS-84）下，形成一个完整的数据点云；运用最小二乘线性内插进行道路、植被等地物特征的分层提取；初步完成矢量城市三维表面模型的建立;
（2）室内三维场景系统与纹理数据库构建102，运用SketchUp来构建城市室内三维景观,利用SketchUp系统平台预留的 SketchUp Ruby API对SketchUp进行二次开发，编写一系列有关城市室内外景观三维建模的插件，并对功能类似的插件进行系统的归类、合并，以便于提高建模效率,将一些室内基础设施的实体模型构建成组合体以减少模型冗余度，提高建模效率。同时，搜集城市卫片并对之进行裁剪、压缩等处理，利用建模系统的扩展模块创建纹理数据库，以便建模时的纹理映射，增加模型的逼真程度;
（3）城市室内外一体化场景构建与模型优化103，在基于ALS点云数据城市空间模型构建101中所建立的城市外观模型的基础上，运用室内三维场景系统与纹理数据库构建102中定义的插件以及SketchUp中的其他工具建立室内模型并运用纹理数据库中的图片纹理对模型进行纹理映射,由于贴图纹理使模型数据量增大，建模速度减慢，在不影响模型逼真程度的情况下，要对图片数据进行压缩,同时，运用LOD技术对模型进行分层渲染并利用迭代函数系统（Iterated Function System，IFS）与随机中点迭代法（Random MidpointDisplacement）分形算法分别对植被、屋顶等进行模型优化以减少模型冗余度进而加快渲染速度；最后利用SketchUp设计模型漫游系统的体系结构并将模型制作成动画的形式，最终完成城市三维场景的构建;
（4）基于Google Earth平台的三维模型集成104，利用SketchUp中Google模块分区域在Google Earth中获取地形卫图并建立连续起伏的地形模型,对城市室内外一体化场景构建与模型优化103模型中点状地物进行简单的空间地理配准；对于面状和带状地物，建立地形三角网以及模型底座三角网,以TIN数据块网格为单位，在地形三角网和模型底座三角网之间进行裁剪运算，从而计算出地物与其所在地形之间的高度差,根据高度差将地物实体向下延伸，直到模型所覆盖的地形区域最低处。运用Delaunay三角剖分法对模型底座重新构网,最终使城市室内外一体化场景构建与模型优化103模型中的各类地物（点状地物、面状地物）分别完成与地形模型的配准以及无缝拼接,利用SketchUp建模平台的模型发布功能以及Google Earth平台的三维模型导入接口将拼接好的三维场景模型发布到GoogleEarth服务器并填写相关属性，利用RGB色彩空间调整模型纹理的色调（Hue）、饱和度（Saturation）以及强度（Intensity），同时利用对象嵌套将图片与城市室内外一体化场景矢量模型组合起来集成于Google Earth平台的3D图层，使模型看起来更加逼真;
（5）选用QR Code二维码设计锚点105根据国标GB/T 18284-2000的字符表以WGS-84坐标为基准对锚点物理位置与朝向信息进行编码；通过位流填充形成由一个或多个不同模式段组成的二进制的位流序列，序列末尾添加终止符，分为每8bit一字；运用掩模技术实现锚点色块均匀化，对块与掩模图形对应，逐个进行异或（XOR）操作，使得锚点块状图像个性化，为快速定位提供保障；运用同心正方形三次叠加建立锚点探测模式；运用米字形模版匹配，减小光照不均匀、拍摄倾角过大、图像污损遮挡等问题；输入灰度处理后的图像运用Otsu算法二值化，解算出最大置信度;
（6）锚点与用户之间距离模型建立106，提取选用QR Code二维码设计锚点105中设计出的锚点，建立摄像头模型，以小孔成像原理考虑现实成像点与理想点微米级误差，运用公式：
其中，，表示成像平面中心于光轴偏移量；，表示摄像头物理焦距长度与成像平面每一单元长度的乘积，求出内外部参数；同时考虑到大多数智能手机采用凸透镜做镜头导致畸变向量对投影到数学模型产生影响，运用校正方程式：消除透镜形状产生的径向误差，其中，，，为摄像头径向畸变参数；运用校正方程：，消除因机械过程导致的切向误差，其中，，为切向畸变参数；在WGS-84坐标系中运用仿射变换矩阵：确实锚点真实朝向，其中，R为摄像头外部参数矩阵，a为位移向量；运用QR Code的三个FIP（Finder Pattern，探测模式）与N个对齐模式(Alignment Pattern)的辅助下，姿态还原二维码图像；运用线性函数，计算锚点与摄像头之间的距离，构建出距离模型，其中，s为待标定缩放参数，a为锚点边长;
（7）自适应室内外定位切换107，运用欧式空间距离公式：
将距离计算简化为点、线、面间距离计算与路径长度计算，点（X 1，Y 1）与点（X 2，Y 2）间距离运用欧式空间距离公式；点与线段间距离，计算垂距或采用算法筛选最短间距；点与折线之间距离采用分段计算，将折线分化为不同线段计算最短距离集合；点与面间距离算法与点与线相似；线与线间距离运用其中一条线端点到另外一条线距离集合，取出最小集合；线与面参考线与线；面与面间距离参考线与面；路径长度计算运用计算路径上所有相邻两点间线段距离进行累加，最后根据欧式空间距离求解公式求得路径长度。设定室外坐标与建筑物出口底部中点坐标位置的距离判断阈值；当初始坐标位于室外，使用GPS（GlobalPositioning System，全球定位系统）获得高精度室外坐标；重复计算当前位置与室内区域初始点间距离，与距离判断阈值比较，根据结果选择算法；即将走进室内范围时，开始室内定位。当初始坐标位于室内，使用上述室内定位方法获取室内坐标；当终端坐标靠近建筑物出口底部中点坐标位置的时候，重新获取当前位置室内坐标，与距离判断阈值比较，根据结果选择算法；即将走出室内范围时，自动切换为室外定位模式。
上述实施例，仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请书所附权利要求所限定的范围。
Claims (1)
1.城市室内外一体化三维场景构建与空间自适应导航方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)基于ALS点云数据城市空间模型构建；
(2)室内三维场景系统与纹理数据库构建；
(3)室内外一体化场景构建与模型结构优化；
(4)基于Google Earth与SketchUp平台的三维模型与信息集成；
(5)选用QR Code二维码设计锚点；
(6)构建锚点—用户距离模型；
(7)自适应室内外定位切换；
所述步骤（1）基于ALS点云数据城市空间模型构建：利用阈值限定算法和高斯滤波算法剔除点云高程异常点和噪声点，对点云进行滤波平滑、数据配准和坐标转换，提取特征信息，构建矢量三维表面模型；
所述步骤（2）室内三维场景系统与纹理数据库构建：利用SketchUp构建室内外三维景观模型，创建纹理数据库，实现模型-纹理映射服务；
所述步骤（3）室内外一体化场景构建与模型结构优化：利用分形算法优化模型结构，运用层次细节模型分层渲染三维场景，继而利用SketchUp设计模型漫游系统的体系结构；
所述步骤（4）中基于Google Earth与SketchUp平台的三维模型与信息集成：通过Google Earth中获取地形卫图，基于WGS-84坐标系建立地形模型，集成Google Earth与SketchUp平台的三维场景信息，完成二者的地理配准与无缝拼接；
所述步骤（5）选用QR Code二维码设计锚点：以WGS-84坐标系为基准，对锚点物理位置与朝向信息，建立锚 点探测模式；
所述步骤（6）构建锚点—用户距离模型：建立摄像头模型，消除智能终端透镜所造成的径向误差和因机械过程导致的切向误差，确定锚点真实朝向，在QR Code的探测模式和对齐模式的支持下，计算锚点-终端之间的距离；
所述步骤（7）自适应室内外定位切换：预设室外坐标与建筑物底部中心位置的距离判断阈值，根据距离阈值判别室内、外空间场景，启动室内、外定位模式。
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Legal Events
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Application publication date: 20161109 Assignee: Nanjing Tianfang Earth Circle Surveying and Mapping Technology Co.,Ltd. Assignor: Nanjing Forestry University Contract record no.: 2019320000272 Denomination of invention: Urban indoor and outdoor integration three-dimensional scene construction and space adaptive navigation method Granted publication date: 20190215 License type: Common License Record date: 20190726 Application publication date: 20161109 Assignee: Nanjing Yihaopu Software Technology Co.,Ltd. Assignor: Nanjing Forestry University Contract record no.: 2019320000271 Denomination of invention: Urban indoor and outdoor integration three-dimensional scene construction and space adaptive navigation method Granted publication date: 20190215 License type: Common License Record date: 20190726 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20161109 Assignee: NANJING CANYON INFORMATION TECHNOLOGY CO.,LTD. Assignor: Nanjing Forestry University Contract record no.: X2019320000016 Denomination of invention: Urban indoor and outdoor integration three-dimensional scene construction and space adaptive navigation method Granted publication date: 20190215 License type: Common License Record date: 20190809 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190215 |