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Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionsbestimmungsvorrichtung, die unabhängig von satellitengestützten Navigationssystemen arbeiten kann, sowie auf eine Erdoberflächenmodell-Datenbank, die insbesondere in dieser Vorrichtung verwendbar ist.
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Stand der Technik
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Positionsbestimmung auf Basis von Geo-Daten wird in vielen Bereichen (Automobil, Fernerkundung, Geo-Marketing, Tourismus, Gaming, Infrastrukturplanung, Logistik etc.) benötigt. Hinzu kommt häufig der Bedarf an zusätzlicher Umgebungsinformation z. B. für eCommerce-Zwecke.
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In der Regel kommt hier heute Kartenmaterial verschiedener Anbieter zum Einsatz, das entweder aus Satellitendaten (z. B. Google, Apple, etc.) oder terrestrischen Vermessungsdaten (Drawings von Vermessungsämtern etc.) gewonnen wurde. Durch Überlagerung von Satelliten-Daten mit terrestrisch erstellten Kartendaten werden Höheninformationen oder zusätzliche „Taggings” (Objektklassifizierung) in das Kartenmaterial eingebracht.
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Die Positionierung basiert auf GPS bzw. zur Verbesserung der Genauigkeit DGPS mittels GNSS-Antennen. Hochqualitative Systeme, welche die Phasenverschiebung der Trägerwelle auswerten, erreichen hier eine Genauigkeit von wenigen Millimetern was sehr häufig weit über die Genauigkeit/Auflösung der Kartendaten hinaus geht.
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Probleme mit diesen Verfahren sind, dass es...
- 1. ...keine Alternative mit vergleichbarer Genauigkeit zur Positionierung gibt. D. h. sollte das DGPS System aus beliebigem Grund ausfallen oder nicht erreichbar sein, fällt die Positionierung auf das satellitengestützte GPS System zurück, das m. H. von Korrekturdaten auf max. 1–3 m genau ist – also zu ungenau für viele Anwendungsfälle.
- 2. ...Umgebungsinformationen z. B. für e-Commerce Zwecke sehr aufwändig in die Karten (meist von Hand) eingefügt werden müssen. Diese werden jedoch für die Positionierung gar nicht verwendet/angewandt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde eine Positionsbestimmungsvorrichtung entwickelt. Diese Vorrichtung umfasst eine Umgebungs-Erfassungsvorrichtung zur Erfassung der geographischen Umgebung der Vorrichtung und zur Speicherung der erfassten Umgebung in einem Umgebungs-Speicher.
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Die Umgebungs-Erfassungsvorrichtung kann beispielsweise eine Kamera sein, die auf für das menschliche Auge sichtbares Licht und/oder auf elektromagnetische Strahlung aus anderen Frequenzbereichen, wie beispielsweise Infrarot, Ultraviolett oder Terahertz-Strahlung, sensitiv ist. Alternativ oder auch in Kombination hierzu können beispielsweise auch ein Laserscanner, ein oder mehrere Ultraschallsensoren und/oder ein oder mehrere Radarerfassungsgeräte verwendet werden. Die Umgebungs-Erfassungsvorrichtung kann die Umgebung beispielsweise als zwei- oder dreidimensionales Modell erfassen. Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann die Umgebung auch beispielsweise in der Form erkannter Objekte und/oder Landmarken erfasst werden. Durch die Bildung des Modells können die von der Erfassungsvorrichtung erfassten Rohdaten mehr oder weniger stark abstrahiert und dadurch auch komprimiert werden.
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Der Umgebungsbild-Speicher ist räumlich nicht an die Umgebungsbild-Erfassungsvorrichtung gebunden. Er kann mit dieser Erfassungsvorrichtung in einer Einheit integriert sein, aber auch an anderer Stelle in dem Fahrzeug, das die Positionsbestimmungsvorrichtung trägt, angeordnet sein oder sich beispielweise außerhalb des Fahrzeugs in einer Cloud befinden.
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Die Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst weiterhin einen Erdoberflächenmodell-Speicher zur Speicherung eines geographischen Modells der Erdoberfläche. Dieses geographische Modell kann beispielsweise ein zwei- oder dreidimensionales Modell, und/oder eine Menge von Objekten oder Landmarken, die jeweils bestimmten Orten zugeordnet sind, sein. Analog zur im Umgebungs-Speicher gespeicherten Umgebung kann also auch das geographische Modell der Erdoberfläche von den Rohdaten, die durch Bildaufnahme, Abtastung oder sonstige Weise unmittelbar von der Erdoberfläche gewonnen wurden, in vielfältiger Weise abstrahiert und somit auch komprimiert werden.
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Es ist nun eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der erfassten Umgebung mit dem Erdoberflächenmodell vorgesehen. Wenn diese Vergleichseinrichtung die erfasste Umgebung in dem Erdoberflächenmodell mittels des Vergleichs erkennt, bestimmt sie im nächsten Schritt Positionsinformation des Erdoberflächenmodellabschnitts in dem Erdoberflächenmodell, an dem die erfasste Umgebung in dem Erdoberflächenmodell erkannt wird.
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Die weiterhin vorgesehene Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt schließlich auf Grundlage der bestimmten Positionsinformation die Position der Vorrichtung.
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Es wurde erkannt, dass zumindest in bewohnten, bebauten und/oder in sonstiger Weise vom Menschen kultivierten Gebieten eine erfasste Umgebung mit hoher Wahrscheinlichkeit eindeutig ist. Beispielsweise werden in einer Stadt keine zwei an zwei verschiedenen Orten, und/oder aus verschiedenen Perspektiven, aufgenommenen Bilder exakt gleich aussehen. Wird die Umgebung mittels des Vergleichs erkannt, liegt also die Position der Vorrichtung mit hoher Wahrscheinlichkeit eindeutig fest.
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In menschenleeren Gebieten, beispielsweise in der Wüste, im ewigen Eis oder auf hoher See, kann die Umgebung durchaus so arm an Objekten oder sonstigen Features sein, dass sie in einem großen Gebiet exakt gleich aussieht. Die Hauptanwendung der Positionsbestimmungsvorrichtung ist jedoch die Fahrzeug- bzw. Drohnennavigation. Hierfür sind nur diejenigen Gebiete der Erdoberfläche relevant, die für Fahrzeuge zugänglich sind oder die für Drohnenüberflüge relevant sind. Somit ist es für den praktischen Einsatz der Vorrichtung nicht von Belang, dass es auf der Erdoberfläche auch featurelose Gebiete gibt.
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Für den Einsatz in Fahrzeugen und Drohnen bietet die Positionsbestimmungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung den großen Vorteil, dass sie nicht zwingend auf das Funktionieren eines satellitengestützten Navigationssystems, wie beispielsweise GPS oder DGPS, angewiesen ist. Derartige zentralisierte Systeme können auf Grund technischer Probleme, Sabotage und/oder aus militärischen Gründen jederzeit ganz oder teilweise ausfallen. Speziell DGPS ist nicht nur auf das satellitengestützte GPS angewiesen, sondern auch auf einen zusätzlichen terrestrischen Sender, der eine weitere Fehlerquelle darstellt. Ohne die DGPS-Korrekturdaten fällt die Genauigkeit der Positionsbestimmung sofort auf die für GPS üblichen 1–3 Meter zurück, was insbesondere für autonomes Fahren, Fliegen und ähnliche Anwendungen viel zu ungenau ist. Die Positionsbestimmungs-Vorrichtung der Erfindung hingegen kann ein satellitengestütztes System zwar ergänzen. Sie kann also vorteilhaft zusätzlich ein GPS-System oder ein DGPS-System mit GNSS-Antennen umfassen. Sie kann aber auch völlig autark arbeiten.
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Es wurde weiterhin erkannt, dass durch die bei der Umwandlung der jeweils aufgenommenen Rohdaten in die Form, in der die Umgebung im Umgebungs-Speicher abgelegt wird, bzw. in die Form, in der das Modell der Erdoberfläche im Erdoberflächenmodell-Speicher abgelegt wird, stattfindende Abstraktion und Komprimierung der Vergleich zum Einen stark beschleunigt und zum Anderen auch unempfindlicher gegenüber zufälligen Veränderung der Umgebung gemacht werden kann. So ändern sich beispielsweise die geometrischen Formen eines Wahrzeichens nicht, wenn die Lichtfarben sich mit dem Sonnenstand ändern, und ein Stopp-Schild hat auch dann noch acht Ecken, wenn es verschneit ist.
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Vorteilhaft vergleicht die Vergleichseinrichtung Unterabschnitte der Umgebung mit dem Erdoberflächenmodell und versucht, den Unterabschnitt in dem Erdoberflächenmodell zu erkennen. Auf diese Weise kann der Vergleich deutlich beschleunigt werden, beispielsweise, indem das Gebiet, das die gesuchte Position enthält, schnell eingegrenzt wird.
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Das Erdoberflächenmodell kann die gesamte Erdoberfläche umfassen. Alternativ kann das Erdoberflächenmodell mehrere Erdoberflächenteilmodelle von unterschiedlichen Gebieten der Erde umfassen. Damit kann der Vergleich von vornherein auf die für die konkrete Anwendung tatsächlich relevanten Gebiete der Erde eingrenzt werden. Beispielsweise werden die weitaus meisten Fahrzeuge nur auf einem einzigen Kontinent, oder sogar nur in einem einzigen Land, gefahren. Weiterhin kann die Position auch zeitlich abgegrenzt bzw. plausibilisiert werden. Wird beispielsweise eine Position in einer Stadt erkannt, so wird sich das Fahrzeug in der nächsten Sekunde oder Minute höchstwahrscheinlich immer noch in dieser Stadt befinden und nicht etwa auf einem anderen Kontinent. Durch eine derartige Vorab-Eingrenzung wird der Vergleich spürbar beschleunigt und zugleich unempfindlicher gegen Ausreißer gemacht. Ein der Position der Vorrichtung entsprechendes Erdoberflächenmodell, oder auch mehrere Erdoberflächenmodelle, können beispielsweise mit einer entsprechend ausgebildeten Auswahleinrichtung auf Grund einer von einem GPS- oder DGPS-System ermittelten Position der Vorrichtung ausgewählt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung speichert daher der Umgebungs-Speicher die Umgebung als ein Punktwolkenmodell, als ein Umgebungs-Oberflächenmodell mit Meshes, als ein Umgebungs-Semantikobjektmodell mit semantischen Objekten oder als Umgebungs-Kantenmodell von Kanten und Linien in Form von verbundenen Koordinatenpunkten. Analog speichert der Erdoberflächenmodell-Speicher das Erdoberflächen-Modell als ein Punktwolkenmodell, als ein Erdoberflächenmodell mit Meshes, als ein Erdoberflächen-Semantikobjektmodell mit semantischen Objekten oder als Erdoberflächen-Kantenmodell von Kanten und Linien in Form von verbundenen, georeferenzierten Koordinatenpunkten. Die Vergleichseinrichtung vergleicht die jeweiligen Punktwolken, die jeweiligen Oberflächenmodelle, die jeweiligen Semanikobjektmodelle oder die jeweiligen Kantenmodelle.
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Meshes können insbesondere Netze aus Polygonen, wie beispielsweise Dreiecken, sein. Bei der Generierung der Modelle können insbesondere verschiedene Aufnahmen miteinander aggregiert und/oder plausibilisiert werden. Beispielsweise können die zwei oder mehr von einer Stereokamera aufgenommenen Bilder zu einem dreidimensionalen Modell verrechnet werden. Das Modell kann weiter zu einem True-Orthomosaik (TOM) verfeinert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung, die alternativ oder in Kombination zu der besagten Abstraktion von Rohdaten zu einem Modell zum Einsatz kommen kann, umfasst die Umgebungs-Erfassungsvorrichtung eine Umgebungs-Bildaufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines Umgebungsbilds der Umgebung der Vorrichtung. Der Umgebungs-Speicher speichert die Umgebung der Vorrichtung als Umgebungsbild. Der Erdoberflächenmodell-Speicher speichert das Modell der Erdoberfläche als ein Erdoberflächenmodellbild. Die Vergleichseinrichtung vergleicht das Umgebungsbild mit dem Erdoberflächenmodellbild. Wenn das Umgebungsbild in dem Erdoberflächenmodellbild mittels des Vergleichs erkannt wird, bestimmt die Vergleichseinrichtung die Positionsinformation des Erdoberflächenmodellbildabschnitts in dem Erdoberflächenmodellbild, an dem das Umgebungsbild in dem Erdoberflächenmodellbild erkannt wird. In dieser Ausgestaltung ist insbesondere weniger Rechenleistung für das Generieren des Erdoberflächenmodells erforderlich, da bildlich erfasste Information unmittelbar verwendbar ist und nicht zunächst veredelt werden muss. Dadurch kann das Erdoberflächenmodell insbesondere in schnellerer Frequenz aktualisiert werden. Dafür wird sowohl im Umgebungs-Speicher als auch im Erdoberflächenmodell-Speicher jeweils mehr Speicherkapazität benötigt. Weiterhin benötigt die Vergleichseinrichtung mehr Rechenleistung, da ihr die Aufgabe zufällt, bei einer Änderung des Umgebungsbildes zwischen einer zufälligen Änderung der Verhältnisse und einer Positionsänderung der Vorrichtung zu unterscheiden.
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Vorteilhaft speichert der Umgebungs-Speicher das Umgebungsbild als Umgebungsbild-Datensatz von Bildpunkten des Umgebungsbilds. Der Erdoberflächenmodell-Speicher speichert das Erdoberflächenmodell als einen Erdoberflächenmodellbild-Datensatz bestehend aus Erdoberflächenbildpunkten des Erdoberflächenmodellbilds und zugehöriger Positionsinformation. Die Vergleichseinrichtung vergleicht die Bildpunkte des Umgebungsbild-Datensatzes mit den Bildpunkten des Erdoberflächenmodellbild-Datensatzes und bestimmt die zugehörige Positionsinformation für Bildpunkte in dem Erdoberflächenmodell-Speicher, die mit den Bildpunkten des Umgebungsbilds übereinstimmen.
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Die Umgebungs-Bildaufnahmevorrichtung kann beispielsweise ein 2D-Umgebungsbild aufnehmen, so dass der Umgebungs-Speicher das 2D Umgebungsbild mit 2D-Punkten speichert, während der Erdoberflächenmodell-Speicher ein 2D-Erdoberflächenmodellbild mit 2D Punkten speichert. Alternativ kann die Umgebungs-Bildaufnahmevorrichtung beispielsweise ein 3D-Umgebungsbild aufnehmen, so dass der Umgebungs-Speicher das 3D Umgebungsbild mit 3D-Punkten speichert, während der Erdoberflächenmodell-Speicher ein 3D-Erdoberflächenmodellbild mit 3D Punkten speichert.
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Auch Mischformen sind möglich. Beispielsweise kann das Erdoberflächenmodell als Erdoberflächenmodellbild-Datensatz bestehend aus Erdoberflächenbildpunkten gespeichert sein, während aus dem Umgebungsbild ein abstrahiertes Modell generiert wird. Es kann dann beispielsweise nur der für die konkrete Anwendung relevante Teil des Erdoberflächenmodellbild-Datensatzes ebenfalls in ein abstrahiertes Modell umgewandelt und für den Vergleich mit dem Umgebungs-Modell herangezogen werden. Das Erdoberflächenmodellbild kann dann in schneller Folge aktualisiert und an alle in Benutzung befindlichen Vorrichtungen verteilt werden, und der Rechenaufwand für die Umwandlung des Erdoberflächenmodellbilds in ein abstraktes Modell wird ebenfalls auf diese Vorrichtungen verteilt.
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Das Erdoberflächenmodell kann beispielsweise eine digital verortete Abbildung der Erdoberfläche umfassen und/oder mit einer solchen Abbildung identisch sein. „Digital verortet” bedeutet, dass den Pixeln und/oder Voxeln der Bildinformation Ortskoordinaten auf der Erdoberfläche zugeordnet sind. Die Bildinformation kann vorteilhaft insbesondere auf Geo- oder Fernerkundungsdaten ermittelt durch Kameraüberflüge, insbesondere mit zusätzlicher Sensorik, wie beispielsweise Infrarot oder Multispektral-Sensorik, über die Erdoberfläche basieren. Die Abbildung kann insbesondere eine 3D-Abbildung sein.
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Das aufgenommene Umgebungsbild, und/oder die Abbildung der Erdoberfläche, können beispielsweise Digitalfotos in 2D oder 3D, Infrarot-Bilder, Hyperspektral-Bilder oder Wärmebilder oder jeweils überlagerte Bilder davon sein.
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Die für das Erdoberflächen-Modell aufgenommene Abbildung der Erdoberfläche muss nicht auf die Vogelperspektive beschränkt sein. Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann diese Abbildung auch von einem Flugzeug und/oder Satelliten aus aufgenommene Seitenansichten, sogenannte Oblique-Aufnahmen, umfassen.
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Luftaufnahmen und insbesondere Oblique-Aufnahmen bieten im Vergleich zu Satellitenaufnahmen den Vorteil, dass Objekte darin besser erkannt werden können, da insbesondere zusätzliche Tiefeninformation vorhanden ist. Im Vergleich zu terrestrischer Vermessung bieten aus Überflügen gewonnene Aufnahmen den Vorteil, dass eine Karte des „gesamten Gebiets” anstatt nur des an Straßen angrenzenden Gebiets entsteht. Dadurch steht deutlich mehr Information etwa für e-Commerce-Zwecke zur Verfügung.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Erdoberflächenmodell ein Orthomosaik-Modell und/oder ein digitales Digital-Elevation-Modell, DEM, Oberflächenmodell der Erdoberfläche. Ein solches Modell ist insbesondere herstellbar durch
- a) Aufnahme der Erdoberfläche mit Stereokameras mit äußerer und innerer Verortung;
- b) Matching der verschiedenen Bilder und Verbindung zu einer 3D-Welt;
- c) Erzeugung einer 3D Punktwolke als Tiefenbild, wobei
- d) jeder Bildpunkt des Oberflächenmodells eine 3D Koordinate umfasst;
- e) Erzeugung eines Oberflächenmodells durch Verbindung der 3D Punkte; und
- f) Texturierung des Oberflächenmodells.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine Objektinformationsschicht, die Objekte des Erdoberflächenmodells mit zugehöriger Objektbeschreibung und Positionsinformation speichert. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Objekt-Klassifizierungseinrichtung zur Klassifizierung und Erkennung von mindestens einem Objekt in der erfassten Umgebung der Vorrichtung. Die Vergleichseinrichtung umfasst eine Objektvergleichseinrichtung, wobei die Objektvergleichseinrichtung das Vergleichen der Umgebung mit dem Erdoberflächenmodell durch Vergleichen mindestens eines in der erfassten Umgebung durch die Objekt-Klassifizierungseinrichtung erkannten Objekts mit den in der Objektinformationsschicht gespeicherten Erdoberflächenmodell- Objekten vornimmt und Positionsinformation für übereinstimmende Objekte ermittelt. Die Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt die Position der Vorrichtung auf Grundlage der Positionsinformation der übereinstimmenden Objekte, und/oder auf der Grundlage zusätzlicher Positionsbestimmungskomponenten und/oder zeitlich vorgelagerter Positionsbestimmungsinformationen. Die zusätzliche Positionsbestimmungskomponente kann beispielsweise ein GPS- oder DGPS-System sein. Die Erkennung von Objekten kann insbesondere durch ein vorgegebenes Erkennungsverfahren erfolgen. Der Erdoberflächenmodell-Datensatz kann beispielsweise ein Erdoberflächenmodellbild mit ortsbezogenen Zusatz-Datensätzen, sogenannten Taggings, darstellen, wobei die Taggings die Objekte beschreiben und charakterisieren. Die Objektinformationsschicht kann beispielsweise als Datenbank realisiert sein.
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Dabei umfasst der Begriff der Objektinformationsschicht ausdrücklich auch, dass die Information über Objekte gleichsam als zusätzliche Schicht über ein Bild oder eine sonstige Anordnung von Punkten mit Ortskoordinaten gelegt werden kann. Dadurch müssen die Ortskoordinaten etwa von Bildpunkten nur einmal vorgehalten und nicht in zwei Datenbanken doppelt hinterlegt sein. Bei der Suche nach Objekten ist der eindeutige Bildpunkt mit seinen Weltkoordinaten sozusagen datenbankmäßig als (primärer) Schlüssel zu verstehen. Ein und derselbe Bildpunkt kann dann beispielsweise gleichzeitig zum Objekt „Straße” und zum Objekt „Mittelstreifen” gehören.
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Der Vergleich kann aber alternativ auch ganz ohne erkanntes Objekt funktionieren, indem beispielsweise zwei komplette Punktwolkenabschnitte miteinander verglichen werden. Es ist dann keine Klassifikation von Objekten notwendig, so dass insbesondere der Aufwand beim Aktualisieren des Erdoberflächen-Modells vermindert wird. Dafür wird für den Vergleich mehr Rechenleistung benötigt. Dies muss jedoch kein Nachteil sein. Es gibt viele Anwendungen, die zeitlich nicht kritisch sind. Weiterhin kann eine erhöhte Rechenleistung für den Vergleich auch online aus der Cloud bezogen werden.
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Die Abstraktion des Erdoberflächenmodells mittels individuell erkennbarer Objekte ist in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft. Sie ist stark komprimiert, benötigt also wenig Speicherplatz und wenig Bandbreite für mobile Datenübertragung. Weiterhin ist es deutlich einfacher und treffsicherer, mehrere unabhängige Objekte individuell wiederzuerkennen, als eine Umgebung in ihrer Gesamtheit im Erdoberflächenmodell wiederzuerkennen. Dementsprechend benötigt die Vergleichseinrichtung weniger Rechenleistung und arbeitet schneller. Wird beispielsweise ein bekanntes Wahrzeichen einer Stadt erkannt, ist das Gebiet, in dem sich die gesuchte Position der Vorrichtung befindet, sofort auf das entsprechende Stadtgebiet eingegrenzt. Die Objektinformationsschicht ist darüber hinaus besonders einfach erweiterbar und aktualisierbar. Hierfür sind keine erneuten Überflüge mit Flugzeugen oder Satelliten erforderlich; stattdessen können beispielsweise Benutzer selbst online neue Objekte zur Objektinformationsschicht beisteuern. Die Objektinformationsschicht ist also auch nicht darauf beschränkt, dass alle Objekte des Erdoberflächen-Modells automatisch erkannt und klassifiziert werden; stattdessen können die Objekte auch ganz oder teilweise manuell erkannt und klassifiziert werden.
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Beispielsweise kann eine in einem Fahrzeug verbaute Positionsbestimmungs-Vorrichtung sich mittels mobiler Sensorik umschauen. Die Vergleichseinrichtung erkennt dann beispielsweise einen Bordstein, ein Straßenschild, eine Hauswand mit Fenstern und eine Ampel. Durch den Abgleich mit der Objektinformationsschicht kann nicht nur die aktuelle Position des Fahrzeugs bestimmt werden, sondern sogar die Himmelsrichtung, in die das Fahrzeug gerade ausgerichtet ist. Dies funktioniert auch dann, wenn das Fahrzeug steht. Ein GPS- oder DGPS-System erkennt hingegen erst nach dem Losfahren die Ausrichtung des Fahrzeugs.
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Vorteilhaft vergleicht also die Objektvergleichseinrichtung mehrere Objekte der Umgebung auf Übereinstimmung mit Objekten in dem Erdoberflächenmodell vergleicht und erkennt diese dort. Die Positionsbestimmungseinrichtung bestimmt dann die Position der Vorrichtung auf Grundlage der Positionsinformation von mehreren übereinstimmenden Objekten. Selbstverständlich kann ergänzend auch ein Vergleich eines mehr oder weniger abstrahierten und/oder komprimierten Modells der Umgebung als Ganzes mit dem Erdoberflächenmodell erfolgen. Die Positionsbestimmung ist also nicht allein auf die Erkennung von Objekten angewiesen, sondern die Erkennung der Umgebung als Ganzes und die Erkennung von Objekten können sich idealerweise wechselseitig ergänzen.
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Eine Übereinstimmung von Objekten der Umgebung und Objekten des Erdoberflächenmodells kann insbesondere durch Vergleichen von normierten Daten der Objekte der Umgebung und der Objekte des Erdoberflächenmodells bestimmt werden. Beispielsweise können die Objekte auf eine Einheitsgröße normiert sein. Die Normierung verringert zum Einen den benötigten Speicherplatz und erhöht zum Anderen die Resistenz gegen Erkennungsfehler durch zufällige Veränderungen in der Umgebung. Alternativ oder auch in Kombination kann die Objektvergleichseinrichtung ein Objekt der Umgebung in Relation zu anderen erkannten Objekten erkennen und bestimmen. Die meisten Umgebungen werden erst dadurch einzigartig und eindeutig, dass dort mehrere generische Objekte in einer ganz bestimmten Anordnung zueinander vorhanden sind. So mögen beispielsweise drei Verkehrsschilder für sich genommen millionenfach auf der Welt vorkommen, in Kombination miteinander und mit einer Litfasssäule aber nur einmal.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Die Objekte können beispielsweise einen Bordstein, ein Straßenschild, eine Hauswand mit Fenstern, eine Ampel, eine Tankstelle, eine Autobahnauffahrt, eine Autobahnausfahrt, einen Fußgängerübergang, einen Bahnübergang, einen Aussichtspunkt, eine Straßenkurve, eine Landmarke, eine Sehenswürdigkeit, eine steil ansteigende Straße oder eine steil abfallenden Straße, eine Kreuzung, einen Parkplatz, eine Straßenmarkierung, eine Leitplanke, einen Baum, eine Pflanze, eine Brücke, einen Bus, einen Zug oder eine Haltstelle umfassen. Für den Drohnenflug können noch weitere von oben sichtbare Objekte hinzukommen, wie beispielsweise Schornsteine, Dächer oder Dachterrassen.
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Nicht nur Anordnungen separat erkannter Objekte sehen anders aus, wenn sie aus verschiedenen Richtungen betrachtet werden. Auch eine als Ganzes erfasste und ggfs. zu einem Modell abstrahierte Umgebung sieht anders aus, wenn sie aus einer anderen Richtung betrachtet wird. Allgemein umfasst die Vorrichtung daher in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Ausrichtungs-Bestimmungseinrichtung, die auf Grundlage des von der Vergleichseinrichtung vorgenommenen Vergleichs eine geographische Ausrichtung der Vorrichtung bestimmt. Dies ist insbesondere für Fahrzeuge vorteilhaft, wenn vor dem Losfahren die Himmelsrichtung, in der das Fahrzeug ausgerichtet ist, nicht bekannt ist.
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Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf eine Erdoberflächenmodell-Datenbank. Diese Datenbank umfasst ein Punktwolkenmodell, ein Erdoberflächenmodell mit Meshes, ein Erdoberflächen-Semantikobjektmodell mit semantischen Objekten und/oder ein Erdoberflächen-Kantenmodell von Kanten und Linien in Form von verbundenen Koordinatenpunkten. Dabei ist das Modell jeweils aus mindestens einer digital verorteten Abbildung der Erdoberfläche generiert. Eine Datenbank in den beanspruchten Formaten ist besonders stark abstrahiert und somit auch komprimiert. Die Datenbank umfasst vorteilhaft ferner eine Objektinformationsschicht, die Objekte des Erdoberflächenmodells mit zugehöriger Objektbeschreibung und Positionsinformation speichert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung, bzw. der Erdoberflächenmodell-Datenbank, umfassen die Objekte einen Bordstein, ein Straßenschild, eine Hauswand mit Fenstern, eine Ampel, eine Tankstelle, eine Autobahnauffahrt, eine Autobahnausfahrt, einen Fußgängerübergang, einen Bahnübergang, einen Aussichtspunkt, eine Straßenkurve, eine Landmarke, eine Sehenswürdigkeit, eine steil ansteigende Straße oder eine steil abfallenden Straße, eine Kreuzung, einen Parkplatz, eine Straßenmarkierung, eine Leitplanke, einen Baum, eine Pflanze, eine Brücke, einen Bus, einen Zug und/oder eine Haltstelle. Dies sind diejenigen Objekte, die zum Einen bei einem Überflug mit einem Flugzeug oder Satelliten aus der Vogelperspektive, zum Anderen aber auch aus einer seitlichen Perspektive von einem Fahrzeug aus gesehen besonders gut zu erkennen sind. Insbesondere ist die Zuordnung eines aus der Fahrzeug-Perspektive erkannten Objekts zu einem aus der Vogelperspektive erfassten Objekt in der Objektinformationsschicht rechentechnisch einfach und mit guter Treffsicherheit möglich.
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Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Positionsbestimmungsverfahren zum Bestimmen der geographischen Position einer Vorrichtung mit Hilfe einer Umgebungs-Erfassungsvorrichtung. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Erfassen der geographischen Umgebung der Vorrichtung mit der Umgebungs-Erfassungsvorrichtung und Speichern der erfassten Umgebung in einem Umgebungs-Speicher,
- b) Speichern eines Erdoberflächenmodells in einem Erdoberflächenmodell-Speicher;
- c) Vergleichen, mittels einer Vergleichseinrichtung, der erfassten Umgebung mit dem Erdoberflächenmodell und, wenn die Umgebung in dem Erdoberflächenmodell mittels des Vergleichs erkannt wird, Bestimmen von Positionsinformation des Erdoberflächenabschnitts in dem Erdoberflächenmodell, an dem die erfasste Umgebung in dem Erdoberflächenmodell erkannt wird; und
- d) Bestimmen, mittels einer Positionsbestimmungseinrichtung, der Position der Vorrichtung auf Grundlage der bestimmten Positionsinformation.
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Vorteilhaft wird ein Umgebungsbild der geographischen Umgebung der Vorrichtung erfasst und in dem Umgebungs-Speicher die Umgebung der Vorrichtung als Umgebungsbild gespeichert. In dem Erdoberflächenmodell-Speicher wird das Modell der Erdoberfläche als ein Erdoberflächenmodellbild gespeichert. Mittels der Vergleichseinrichtung wird das Umgebungsbild mit dem Erdoberflächenmodellbild verglichen. Wenn das Umgebungsbild in dem Erdoberflächenmodellbild mittels des Vergleichs erkannt wird, wird die Positionsinformation des Erdoberflächenmodellbildabschnitts in dem Erdoberflächenmodellbild, an dem das Umgebungsbild in dem Erdoberflächenmodellbild erkannt wird, ermittelt. Letztlich wird also mit Hilfe der Weltkoordinaten, mit denen das Erdoberflächenmodellbild georeferenziert ist, die Positionsinformation des Umgebungsbildes ermittelt.
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Das Umgebungsbild kann beispielsweise als Umgebungsbild-Datensatz von Bildpunkten gespeichert werden. Das Erdoberflächenmodellbild wird passend hierzu als ein Erdoberflächenmodellbild-Datensatz bestehend aus Erdoberflächenbildpunkten des Erdoberflächenmodellbilds und zugehöriger Positionsinformation gespeichert. Mit Hilfe der Vergleichseinrichtung werden die Bildpunkte des Umgebungsbild-Datensatzes mit den Bildpunkten des Erdoberflächenmodellbild-Datensatzes verglichen. Die zugehörige Positionsinformation wird für Bildpunkte des Erdoberflächenmodellbilds ermittelt, die mit den Bildpunkten des Umgebungsbilds übereinstimmen. Statt der Bildpunkte können auch komplette Modelle der Umgebung, etwa Abstandsmodelle, Oberflächenmodelle oder Objektmodelle, mit korrespondieren Teilen des Erdoberflächen-Modells verglichen werden.
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Vorteilhaft wird ein 2D- oder 3D-Umgebungsbild mit 2D- oder 3D-Punkten aufgenommen, und/oder der Erdoberflächenmodell-Speicher speichert 2D- oder 3D-Erdoberflächenmodell-Bildpunkte.
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Vorteilhaft werden zwecks Beschleunigung der Erkennung Unterabschnitte des Umgebungsbilds mit dem Erdoberflächenmodellbild verglichen, und es wird versucht, den Unterabschnitt in dem Erdoberflächenmodellbild zu erkennen.
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Vorteilhaft ist eine Objektinformationsschicht vorgesehen, die Objekte des Erdoberflächenmodells mit zugehöriger Positionsinformation speichert. Weiterhin sind die folgenden Schritte vorgesehen:
- f) Klassifizieren und Erkennen, mithilfe einer Objekt-Klassifizierungseinrichtung, von Objekten in der Umgebung der Vorrichtung;
- g) Vergleichen, mithilfe einer Objektvergleichseinrichtung der Vergleichseinrichtung, mindestens eines in der Umgebung der Vorrichtung erkannten Umgebungsobjekts mit den in der Objektinformationsschicht gespeicherten Erdoberflächenmodell- Objekten und Bestimmen von Positionsinformation für übereinstimmende Objekte, und
- h) Bestimmen, mithilfe der Positionsbestimmungseinrichtung, der Position der Vorrichtung auf Grundlage der Positionsinformation der übereinstimmenden Objekte.
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Vorteilhaft werden mehrere Objekte der Umgebung auf Übereinstimmung mit Objekten in dem Erdoberflächenmodell verglichen. Wenn diese dort erkannt werden, wird die Position auf Grundlage der Positionsinformation von mehreren übereinstimmenden Objekten bestimmt.
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Vorteilhaft wird ferner auf Grundlage des von der Vergleichseinrichtung vorgenommenen Vergleichs die Ausrichtung der Vorrichtung bestimmt.
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Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein von einem Computer lesbares Medium und/oder auf ein Programmelement, welches Programmbefehle enthält, die dann, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, diesen zur Ausführung der in der Beschreibung der Positionsbestimmungsvorrichtung, und/oder in der Beschreibung des Positionsbestimmungsverfahrens, angegebenen Schritte veranlasst.
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Im Entstehungsprozess der Geo-Daten entstehen zusätzliche Informationen, die nicht nur für die Zwecke der Positionsbestimmung verwendet, sondern auch für e-Commerce weiterverwendet werden können. Beispielsweise kann die Vorrichtung mit erkannten Empfängern oder Sendern um die bestimmte Position herum ohne Umweg kommunizieren, etwa eine Tankstelle mit einem Fahrzeug.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
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1: Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1.
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2: Erzeugung eines Erdoberflächenmodells 31 mit Stereokameras 372, 373.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 gemäß der Erfindung in Aktion. Auf der Erdoberfläche 31a befinden sich in der Umgebung 1a der Vorrichtung 1 drei reale Objekte: ein Haus 361, eine Straße 362 und ein Baum 363. Die Umgebungs-Erfassungsvorrichtung erfasst die Umgebung 1a in einer abstrahierten und komprimierten Form 21 und legt die so erfasste Umgebung 21 in einem Umgebungs-Speicher 22 ab. In der erfassten Umgebung 21 hat die in die Objekt-Erfassungsvorrichtung 2 integrierte Objekt-Klassifizierungseinrichtung 23 drei erkannte Objekte 261, 262 und 263 vermerkt, die zu den realen Objekten 361, 362 und 363 korrespondieren. Alternativ können die erkannten Objekte 261, 262 und 263 auch separat und/oder im Nachhinein durch direkten Zugriff auf den Umgebungs-Speicher 22 vermerkt werden.
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Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Erdoberflächenmodell-Speicher 3, der ein geographisches Modell 31 der Erdoberfläche 31a an die Vergleichseinrichtung 4 auszugeben vermag. Weiterhin ist eine Objektinformationsschicht 6 vorgesehen, die Objekte 61–63 des Erdoberflächenmodells 31 mit zugehöriger Objektbeschreibung und Positionsinformation speichert.
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Die Vergleichsvorrichtung 4 ist hier durch eine Objektvergleichseinrichtung 42 speziell dazu ausgebildet, die durch die Objekt-Klassifizierungseinrichtung 23 erkannten Objekte 261, 262, 263 durch Abgleich mit der Objektinformationsschicht 6 als die Objekte 61, 62, 63 des Erdoberflächenmodells 31 wiederzuerkennen. Die hieraus resultierende Positionsinformation 41 wird an die Positionsbestimmungseinrichtung 5 weitergeleitet, welche ergänzend zusätzliche Positionsinformation 41a aus dem satellitengestützten GPS, und/oder aus zeitlich vorgelagerten erkannten Positionsinformationen, heranzieht. Selbstverständlich ist es nicht zwingend, zusätzliche Positionsinformation 41a heranzuziehen. Sind beispielsweise alle Punkte im Erdoberflächenmodell-Speicher 3 schon mit Weltkoordinaten verortet, so kann die Positionsinformation 41 direkt von der Vergleichsvorrichtung 4 aus dem Erdoberflächenmodell-Speicher 3 extrahiert werden.
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Die Positionsbestimmungseinrichtung 5 liefert als Endergebnis die gesuchte Position 51 der Vorrichtung 1, sowie auch die mittels einer zusätzlichen Ausrichtungs-Bestimmungseinrichtung 52 festgestellte geographische Ausrichtung 53 der Vorrichtung 1.
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2 verdeutlicht den Entstehungsprozess des in der Vorrichtung 1 enthaltenen Erdoberflächenmodells 31. In einem ersten Schritt 371 wird der Abschnitt der Erdoberfläche 31a, der die realen Objekte 361, 362 und 363 enthält, von zwei Stereokameras 372 und 373 aufgenommen. Diese liefern Bilder 374 bzw. 375, welche durch Matching 376 in eine 3D-Information 377 überführt werden. Diese 3D-Welt wird in eine 3D Punktwolke 378 überführt, also in ein Bild, welches Tiefeninformation enthält.
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Für sich nicht zu schnell verändernde Gebiete auf der Erdoberfläche kann an Stelle zweier Stereokameras 372 und 373 auch eine einzige Stereokamera verwendet werden, die zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, beispielsweise eine Sekunde später, teilweise überlappende Fotos ein und desselben Gebiets aufnimmt.
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Durch Verbindung 379 der Punkte a–f der Punktwolke 378 entsteht das Oberflächenmodell 31. Dabei ist der Punkt f verdeckt; daher ist der Punkt f anders als die Punkte a–e durch einen nicht ausgefüllten Kreis dargestellt, und die Verbindungen zum Punkt f sind gepunktet eingezeichnet. Mit der abschließenden Texturierung 380 entsteht aus den diskreten Punkten a–f ein ausgefülltes dreidimensionales Bild.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionsbestimmungsvorrichtung
- 1a
- Umgebung der Vorrichtung 1
- 2
- Umgebungs-Erfassungsvorrichtung
- 3
- Erdoberflächenmodell-Speicher
- 4
- Vergleichseinrichtung
- 5
- Positionsbestimmungseinrichtung
- 6
- Objektinformationsschicht
- 21
- erfasste Form der Umgebung 1a
- 22
- Umgebungs-Speicher
- 23
- Objekt-Klassifizierungseinrichtung
- 31
- geographisches Modell der Erdoberfläche 31a
- 31a
- Erdoberfläche
- 41
- Positionsinformation aus Vergleich in Vergleichseinrichtung 4
- 41a
- zusätzliche Positionsinformation aus anderer Quelle
- 42
- Objektvergleichseinrichtung
- 51
- ermittelte Position der Vorrichtung 1
- 61–63
- Objekte in geographischem Modell 31
- 261–263
- in erfasster Umgebung 21 erkannte Objekte
- 361–363
- reale Objekte
- 371
- Aufnahme der Erdoberfläche 31a
- 372, 373
- Stereokameras
- 374, 375
- Bilder der Stereokameras 372, 373
- 376
- Matching der Bilder 374, 375
- 377
- durch Matching 376 gebildete 3D-Welt bzw. 3D-Information
- 378
- 3D Punktwolke
- 379
- Verbindung der diskreten Punkte a–f
- 380
- Texturierung des Oberflächenmodells 31
- a–f
- diskrete Punkte in Punktwolke 378
