基于三维激光扫描技术的室内外无缝导航应用研究

摘要

随着科技的不断发展和创新，为满足人们的需求建立起了许多大型的建筑物，如机场、大型超市、图书馆、还有地下停车场等。由于这些复杂的室内环境，人们对室内外定位导航技术的需求更加迫切。随之产生了定位导航技术。在室外，可利用GPS定位技术进行定位导航，而在室内，由于GPS卫星信号受到建筑物的阻挡，GPS接收机无法接收到数据，导致GPS技术无法在室内进行精准的定位导航。因此，产生了室内定位导航技术。
　　红外线定位导航技术属于室内定位导航技术之一，它是通过布置在室内的各个相关传感器感应红外射线，进行定位。由于红外射线不能够穿透障碍物，所以红外线定位技术只能将传输信号进行视距传播，使得导航距离缩短，而无法进行精准的定位导航。超声波定位技术，主要是通过对声音的传播，接收和反应信号，从而确定目标物的位置，其定位精度高。但该定位方法成本高，且容易受外界的干扰性较大。射频识别定位技术，通过对接收到的信号进行双向通信，采用无线电信号的方式，进行定位。其定位精度可达厘米级，由于射频识别技术定位距离短，在实际应用中，不具有普遍性，而且其没有标准的用户使用安全规则。超宽带定位技术，是通过接收和发送窄脉冲进行传输数据，从而确定目标物的具体位置，达到定位的目的，其定位精度较好。无线局域网络定位技术，是通过合理的设置相关的网络节点，进行接收和发送信号，进行定位导航。除了上述定位导航技术，还有一些定位导航技术还处于初级研究阶段，如计算机视觉等定位技术。
　　本论文结合三维激光扫描技术，对室内外定位导航技术进行研究。三维激光扫描技术能够在一秒内采集数千个空间点信息，解决了传统测量技术中采集空间信息效率低的问题。三维激光扫描技术能够在较短的时间内，较为完整的获得目标物的空间信息，有的采样速率可达5000点/秒，如此高的采速率，在测绘领域是一个重大的突破。在采集空间信息之前，引入控制点、设站，完成目标物地理信息的采集。
　　本文利用GPS接收机合理的采集室外控制点，GPS接受机采用RTK（Real Time Kinematic）的测量方式，也即实时动态差分法的测量方式。此测量方式的特点在于能够实时的提供站点所在位置的空间信息，而且精度可达毫米级。利用全站仪，采用“后方交会”或者“已知后视点”方法，采集室内基准站信息。在此，利用全站仪“引入”室内所需定位导航的空间点云信息，为三维激光扫描仪基站的设立做准备。通过利用 GPS接受机和全站仪采集控制点信息，建立室内外导航所需空间坐标系统。最后，空间坐标系统建立完成后，合理的设立室内外三维激光扫描仪站点，采集相关室内外空间信息。信息采集过程中，实时将数据传输至系统中，经过点云数据预处理，完成定位导航背景，实现室内外无缝定位导航。在以后的定位导航应用中，如果是相同的定位导航背景，则系统无需再进行对目标物的扫描，可直接进行定位导航。
　　采用三维扫描技术得到的空间数据数据是庞大的，点云数据经过预处理后，在配准过程中，经典的ICP算法配准时迭代时间长，而且容易陷入局部最优的问题，因此本文提出了一种快速的空间点云数据配准方法（PCA-ICP），该方法利用主成分分析法寻找最优的空间配准转换参数，避免了ICP算法为寻找最优解而陷入局部最优的问题，且提高了配准速度。使用 PCA-ICP算法对某一建筑物室内外空间点云数据进行配准，实验结果表明，此方法迭代时间短于经典ICP算法，是一种可行的点云配准方法。

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第一章 引言

1.1研究背景

1.2研究目的和意义

1.3国内外相关研究现状

1.4主要研究内容

1.5 章节安排

第二章 三维激光扫描技术与定位导航

2.1三维激光扫描仪分类

2.2三维激光扫描仪原理

2.3室内导航技术与原理

2.4 本章小结

第三章 室内外无缝导航系统的设计与构建

3.1系统结构与工作原理

3.2室内外无缝导航数据库

3.3室内外无缝定位导航数据处理流程

3.5 本章小结

第四章 基于三维激光扫描技术的室内外无缝导航空间数据处理方法

4.1空间数据预处理

4.2 精确配准

4.3 本章小结

第五章 室内外无缝导航原型系统

5.1 原型系统数据采集过程

5.2 原型系统点云配准过程

5.3 原型系统定位导航过程

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究成果

6.2研究展望

参考文献

附录

研究生期间取得的科研成果

研究生期间参与的科研项目

致谢