可量测影像实景导航关键技术研究

摘要

卫星导航和位置服务融合了信息业、制造业、服务业等多行业,也成为智能手机等终端设备的必备功能。随着移动互联网生态圈的形成,卫星导航定位和基于位置的服务(LBS)必将给互联网、无线通信、物联网、车联网带来日新月异的变化,改变日常生活方式。作为国家大力培育的战略性新兴产业,卫星导航与位置服务也是世界各国抢占未来竞争的战略制高点,正成为继互联网、移动通信之后的全球第三大信息技术和新的增长点。
　　快速发展和应用的移动互联网络时代,用户体验直接决定一个产品或应用模式的生存。在导航定位与位置服务中,用户需要在路径引导过程中采用更加接近人们空间交际的方式组织和表达路径信息,以直观、渐进、多模式的表达多源导航信息,提高导航认知的可视性、真实性和可靠性,提高导航位置服务用户体验。可量测实景影像综合了海量实景影像可视化和可量测定位的特点,为位置导航提供了一种全新数据源,一方面可以提高位置导航应用的体验和真实性,为导航提供了更多、更高分辨率和更精细的数据资源,另一方面,可量测实景影像具有严密的内、外方位元素,可基于可量测实景影像进行测量计算,通过可量测实景影像与实时影像、卫星定位数据和惯导数据的融合处理,为提高导航定位的精准性和可靠性奠定了基础。
　　本文着眼于来自车载移动道路测量的海量可量测影像在导航定位和实景位置导航可视化服务两方面的技术开展研究,将可量测影像与二维导航数字地图、卫星导航定位数据、CCD实时影像数据、惯导数据和里程数据有机融合,为实景导航位置服务提供一种基于可量测影像实景导航的新思路。本文主要开展了如下研究工作:
　　1)从空间认知入手,系统探讨了各种位置导航方法,提出了可量测影像实景导航概念和特点,分析了基于可量测影像的实景位置导航的必要性和可行性。研究了基于车载移动测量系统的可量测影像采集与更新技术,在此基础上提出了基于可量测影像的多源信息融合实景导航技术框架。
　　2)研究了基于可量测影像的多源信息融合实景导航数据模型。针对可量测影像实景导航数据的特点,提出了实景导航地图的概念模型,进一步研究了实景导航地图数据组织和高效检索显示方法。提出了二维导航数字地图的“多级四叉树+R树+LOD”的索引结构、可量测实景影像的动态分段索引结构和数据分层存储模型,实现了可量测实景影像与二维导航数字地图的有效融合,提高了数据检索效率,适应了可量测实景影像的多种应用模式。在此基础上研究了车道级路线导引与可量测实景影像相集成的实景导航表达方法。
　　3)在可量测影像实景导航定位方面,研究了基于可量测实景影像与实时影像匹配的导航定位方法。由于实时影像与可量测实景影像获取时具有不同的光照、视角,给影像匹配带来困难。本文提出了一种旋转尺度不变的SIFT特征进行两种影像的匹配,有效解决不同照度、不同视角下的两种影像匹配的关键问题。进一步提出了基于可量测实景影像匹配的车辆导航定位方法。通过可量测实景影像与实时影像匹配实验及定位实验验证了方法的合理性和有效性。
　　4)研究了可量测实景影像实时匹配定位结果与卫星定位/惯性导航/里程计等多源数据融合处理导航定位方法。在对IMU零偏温度特性分析基础上,提出了IMU零温补偿模型,并通过实验验证了模型的可靠性。进一步研究了可量测实景影像实时匹配定位与GPS、IMU和里程计数据的联邦 Kalman滤波导航计算方法,通过实际跑车实验验证了方法的有效性。
　　5)可量测影像实景导航原型构建与实验验证工作:以基于可量测实景影像的某型武器无依托发射导航系统原型为例,对可量测影像实景导航的技术体系、可量测影像实景导航的数据组织、实时匹配定位和融合处理导航计算等关键技术进行了试验与精度分析,验证本文提出的可量测影像实景导航方法的可行性和关键技术的有效性。

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图表清单

第一章 概述

1.1 研究背景和意义

1.2 基于可量测影像的实景导航方法

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究目标、研究思路和主要研究内容

1.5 本文的结构安排

第二章 基于可量测影像实景导航基础

2.1 地理空间认知及其特性

2.2 导航技术及其对比分析

2.3 一种新的空间认知导航数据——可量测实景影像产品

2.4 基于可量测影像的实景导航技术框架

2.5 本章小结

第三章 基于可量测影像的实景导航数据模型

3.1 导航数字地图（NDM）概述

3.2 实景导航地图的概念模型和数据组织需求

3.3 实景导航地图的索引结构

3.4 基于大文件的可量测实景影像数据分层组织模型

3.5 实景导航地图数据检索及可视化

3.6 基于可量测影像的车道级实景路线引导

3.7 本章小结

第四章 基于可量测实景影像的实时匹配导航方法

4.1 基于可量测影像的实景导航定位思路与技术框架

4.2 可量测实景影像SIFT特征提取和匹配算法

4.3 基于RANSAC的SIFT匹配抗差处理

4.4 基于RANSAC抗差的实时影像SIFT匹配实验分析

4.5 基于实时影像匹配的载体定位方法

4.6 本章小结

第五章 可量测实景影像与卫星定位/惯导融合导航方法

5.1 导航坐标系定义及其变换

5.2 惯性导航计算基本方程及误差方程

5.3 惯性测量单元（IMU）温度补偿模型

5.4基于可量测实景影像的联邦Kalman滤波导航模型

5.5 基于可量测影像实时匹配定位的多源信息融合联邦Kalman滤波实验

5.6 本章小结

第六章 基于可量测影像实景导航原型与实验分析

6.1 基于可量测影像无依托发射实景导航系统原型系统

6.2 基于无依托发射导航原型系统的可量测影像实景导航实验设计

6.3 可量测实景影像高效索引实验及分析

6.4 基于可量测实景影像定位实验及分析

6.5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢