CN111189440B - 一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，它将空间信息模型进行全空间、全方位网格剖分，并进行所有节点和视角的模型图像特征提取，记入位置信息表；然后获取移动物体当前位置和视角下的实景图像，并进行实景图像特征提取，将提取的图像特征与位置信息表记录进行匹配检索，得到移动物体当前位置和视角信息。本发明利用工程建设竣工提供的空间信息模型可进行复杂室内建筑物的定位和导航，定位精度更高，建设成本低，导航更加立体、直观。本发明打破了室内、室外两种定位导航技术互相隔离的现状，统一数据源和统一技术实现了室内外定位导航的一体化应用。
Description
技术领域
本发明涉及定位导航技术领域，具体涉及一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法。
背景技术
随着GPS、北斗等卫星导航技术以及移动设备、无线通讯技术的快速发展，给公众出行带来了极大便利，一定程度上了解决了室内、室外定位导航需求，但室内、室外导航互相隔离，尚未形成室内外一体化应用的定位导航解决方案。室外定位导航地图如高德、百度等随着用户群的积累，紧跟城市的发展变化，地图内容不断得到更新，但在精确定位上受制于导航定位技术特点，易出现信号偏移和噪声干扰，出现导航方向错误等情况。室内定位导航目前主要应用于医院、综合商场、大型场馆等，室内地图由于各自建设，资源互不共享，目前未形成公众版室内地图服务。室内定位技术如Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波，其定位精度与建设成本投入存在高关联性，因此高精度的室内定位目前更多停留在理论层面，实际建设投入较少。
随着工程BIM和城市CIM技术的发展，工程竣工数字化移交并汇聚了大量三维可视化的空间信息模型，逐渐兴起数字孪生城市建设，虚拟世界与现实世界相互映射、同生共长，为发展室内外一体化公众版三维地图的推出提供了可能性，可以进一步丰富室外地图内容，弥补室内地图空白。此外，结合已有空间信息模型，将图像比对技术引入定位导航，可以有效节省室内定位硬件成本投入，提高室内定位和定向精度，解决室内外定位导航一体化问题。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种适合于室内外一体化应用的定位导航方法。其技术方案为：
一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将空间信息模型进行全空间、全方位网格剖分，并进行所有节点和视角的模型图像特征提取，记入位置信息表；
S2、获取移动物体当前位置和视角下的实景图像，并进行实景图像特征提取，将提取的图像特征与位置信息表记录进行匹配检索，得到移动物体当前位置和视角信息；
S3、利用移动物体当前位置、视角信息和目标位置信息，进行当前时刻的路径导航规划；
S4、循环重复S2、S3步骤，进行后续时刻的路径导航跟踪、调整，直至目标位置到达后终止。
优化的，在步骤S1中，理论上可以将空间信息模型进行无限剖分，实际会根据空间特征的显著程度、定位导航的约束条件和精度需求，在移动物体可能发生的位置和视角范围内进行有限精度的剖分，减少位置信息表中记录的数量，加快有效信息提取速度。
优化的，在步骤S1中，空间信息模型是由工程改造或新建完工时同步在电脑中生产的三维可视化模型，覆盖室内模型和室外模型。模型图像特征提取自空间信息模型中地形地貌、土建结构、机电设备、固定装饰对象反映在定位视角图像上的长期稳定特征，不包含空间内的人员、移动物体、植物生长的动态变化特征，确保位置信息表长期有效。
优化的，在步骤S1中，位置信息表由一一对应的模型图像、图像特征码、位置信息和角度信息的逐条记录组成。位置信息为空间信息模型中网格剖分节点的坐标信息，包括空间节点的地理坐标(经度、纬度)、离地高度和工程坐标(横坐标、纵坐标、标高或桩号、标高)。同时将地理坐标、离地高度、工程坐标转换成统一规则的位置编码，位置信息表记录该位置编码，以加快位置信息表检索效率。
优化的，在步骤S2中，实景图像特征提取与步骤S1的模型图像特征提取的规则相一致；通过特征匹配，确定相邻的多个位置和视角下的实景图像特征与模型图像特征的相似度，根据相似度数值计算移动物体当前位置和视角的唯一解。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、相对于主流的GPS、北斗等室外定位导航方式，本发明将空间信息模型与实时图像比对技术进行深入融合，解决了室外导航方向容易误匹配的问题。
2、相对于传统的WiFi、RFID技术下的二维平面或分楼层室内导航方案，本发明利用工程建设竣工提供的空间信息模型可进行复杂室内建筑物的定位和导航，定位精度更高，建设成本低，导航更加立体、直观。
3、打破了室内、室外两种定位导航技术互相隔离的现状，统一数据源和统一技术实现了室内外定位导航的一体化应用。
附图说明
图1是本发明的步骤示意图。
图2是本发明的空间信息模型网格剖分示意图。
图3是本发明的模型图像特征提取示意图。
图4是本发明的位置信息表示意图。
图5是本发明的室内外定位导航一体化示意图。
图6是本发明的移动物体当前位置和视角计算示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本发明实施例提供的一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，包括如下步骤：
S1、将空间信息模型进行全空间、全方位网格剖分，并进行所有节点和视角的模型图像特征提取，记入位置信息表；
S2、获取移动物体(可以是手机、平板、头盔、车载摄像头等)当前位置和视角下的实景图像，并进行实景图像特征提取，将提取的图像特征与位置信息表记录进行匹配检索，得到移动物体当前位置和视角信息；
S3、利用移动物体当前位置、视角信息和目标位置信息，进行当前时刻的路径导航规划(如图5所示)；
S4、循环重复S2、S3步骤，进行后续时刻的路径导航跟踪、调整，直至目标位置到达后终止。
本发明提供了一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，结合空间信息模型和实时图像比对技术，以弥补单一定位导航方式无法满足公众多源的出行需求，解决室外导航方向容易误匹配、室内定位导航精度低等问题。
以下为具体实施例：
优化上述方案，在步骤S1中，理论上可以将空间信息模型进行无限剖分，实际会根据空间特征的显著程度、定位导航的约束条件和精度需求，在移动物体可能发生的位置和视角范围内进行有限精度的剖分(如图2所示)，减少位置信息表中记录的数量，加快有效信息提取速度。
优化上述方案，在步骤S1中，空间信息模型是由工程改造或新建完工时同步在电脑中生产的三维可视化模型，覆盖室内模型和室外模型，是建设方工程竣工数字化移交的信息资料。模型图像特征提取自空间信息模型中地形地貌、土建结构、机电设备、固定装饰对象反映在定位视角图像上的长期稳定特征(如图3所示)，不包含空间内的人员、移动物体、植物生长的动态变化特征，确保位置信息表长期有效。
优化上述方案，在步骤S1中，位置信息表由一一对应的模型图像、图像特征码、位置信息和角度信息的逐条记录组成(如图4所示)。位置信息为空间信息模型中网格剖分节点的坐标信息，包括空间节点的地理坐标(经度、纬度)、离地高度和工程坐标(横坐标、纵坐标、标高或桩号、标高)。同时将地理坐标、离地高度、工程坐标转换成统一规则的位置编码，位置信息记录该位置编码，以加快位置信息表检索效率。
优化上述方案，在步骤S2中，实景图像特征提取与步骤S1的模型图像特征提取的规则相一致，仅识别提取地形地貌、土建结构、机电设备、固定装饰对象反映在实景图像上的长期稳定特征(如图3所示)；通过特征匹配，确定相邻的多个位置和视角下的实景图像特征与模型图像特征的相似度，根据相似度数值计算移动物体当前位置和视角的唯一解(如图6所示)。
本发明提供了一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，解决了室外定位导航方向不准确、室内定位导航定位精度低等问题，为构建一体化的室内外导航解决方案提供了具体实施方法，在未来新区建设实践中具有显著的技术效益和社会效益。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将空间信息模型进行全空间、全方位网格剖分，并进行所有节点和视角的模型图像特征提取，记入位置信息表；
S2、获取移动物体当前位置和视角下的实景图像，并进行实景图像特征提取，将提取的图像特征与位置信息表记录进行匹配检索，得到移动物体当前位置和视角信息；
S3、利用移动物体当前位置、视角信息和目标位置信息，进行当前时刻的路径导航规划；
S4、循环重复S2、S3步骤，进行后续时刻的路径导航跟踪、调整，直至目标位置到达后终止；
步骤S2中，实景图像特征提取与步骤S1的模型图像特征提取的规则相一致；通过特征匹配，确定相邻的多个位置和视角下的实景图像特征与模型图像特征的相似度，根据相似度数值计算移动物体当前位置和视角的唯一解。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，其特征在于：在步骤S1中，根据空间特征的显著程度、定位导航的约束条件和精度需求，在移动物体可能发生的位置和视角范围内进行有限精度的剖分，减少位置信息表中记录的数量，加快有效信息提取速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，其特征在于：在步骤S1中，空间信息模型是由工程改造或新建完工时同步在电脑中生产的三维可视化模型，覆盖室内模型和室外模型，室内模型和室外模型的图像特征提取自空间信息模型中地形地貌、土建结构、机电设备、固定装饰对象反映在定位视角图像上的长期稳定特征，不包含空间内的人员、移动物体、植物生长的动态变化特征，确保位置信息表长期有效。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间信息模型与实时图像比对的定位导航方法，其特征在于：在步骤S1中，位置信息表由一一对应的模型图像、图像特征码、位置信息和角度信息的逐条记录组成；位置信息为空间信息模型中网格剖分节点的坐标信息，包括网格剖分节点的地理坐标、离地高度和工程坐标，并且，将地理坐标、离地高度、工程坐标转换成统一规则的位置编码，位置信息表记录该位置编码，以加快位置信息表检索效率。
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