AR+BIM+GIS技術(shù)的融合開發(fā)與應(yīng)用

華陸韜

摘? 要：文章將結(jié)合行業(yè)特點和技術(shù)發(fā)展趨勢，分析增強(qiáng)現(xiàn)實（Augment Reality，AR）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）以及地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）三項技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，研究其在施工過程中的深度融合應(yīng)用，并就其在跨界融合中的重要步驟和技術(shù)難點進(jìn)行解析，從而為三者在施工安全管理中的應(yīng)用提供新的思路。

關(guān)鍵詞：AR;BIM;GIS;增強(qiáng)現(xiàn)實;輕量化

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）15-0019-03

Abstract： According to the characteristics of the industry and the development trend of technology， this paper analyzes the differences and relations of three technologies： Augmented Reality （AR）， Building Information Modeling （BIM） and Geographic Information system （GIS）， studies their deep integration application in the construction process， and analyzes their important steps and technical difficulties in cross-border integration， so as to provide new ideas for the application of the three in construction safety management.

Keywords： AR; BIM; GIS; augmented reality; lightweight

引言

隨著我國計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，建筑信息模型（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)取得了飛速進(jìn)步，并且在建筑、水利等相關(guān)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來伴隨著移動網(wǎng)絡(luò)、平板電腦、智能手機(jī)的迅速普及與更新，增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野，這項技術(shù)應(yīng)用前景與趨勢受到廣泛關(guān)注。同時，計算機(jī)技術(shù)高速化、多元化和智能化的發(fā)展，為相關(guān)行業(yè)提供了技術(shù)上的支撐，從而為AR+、BIM+、GIS+在施工安全管理中的應(yīng)用提供了更多機(jī)遇和可能。

本文將以AR技術(shù)應(yīng)用為切入點，融合BIM和GIS技術(shù)，為構(gòu)建施工過程中可視化安全管理平臺提供思路。圍繞三者間的關(guān)系解析AR的三維注冊與虛擬結(jié)合技術(shù)、BIM在AR系統(tǒng)中的輕量化處理以及AR系統(tǒng)中的GIS的坐標(biāo)定位等重要流程和技術(shù)難點，并為相關(guān)問題的解決提供思路和方法。分析AR、BIM、GIS在施工中的融合應(yīng)用，探索展望相關(guān)應(yīng)用在行業(yè)的發(fā)展前景。

1 AR、BIM、GIS技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)是一種實時人機(jī)交互技術(shù)，是對虛擬信息和現(xiàn)實世界的融合[2]。AR技術(shù)主要包含虛擬現(xiàn)實融合、實時交互、三維注冊三大特征。其中三維注冊最為重要。三維注冊強(qiáng)調(diào)虛擬對象和現(xiàn)實世界的對應(yīng)關(guān)系，也叫三維匹配，是對現(xiàn)實環(huán)境空間的跟蹤與定位。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是一種建筑信息模型化的技術(shù)，它將工程項目全生命周期中不同階段的工程信息、過程和資源集成到了一個模型中，方便被工程各參與方使用。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)是基于空間信息，通過地理角度分析法，獲取多種空間地理位置信息的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，它為地理研究和地理決策提供相關(guān)依據(jù)。其基本功能是將表格型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，然后實現(xiàn)對顯示結(jié)果進(jìn)行瀏覽、操作與分析。

將攜帶數(shù)據(jù)信息的BIM模型與AR、GIS技術(shù)結(jié)合，利用AR的實時跟蹤和三維注冊技術(shù)將虛擬的BIM模型與真實世界“混合疊加”，實現(xiàn)同一畫面的實時交互查詢。同時結(jié)合GPS與GIS技術(shù)，引入空間信息，將BIM模型與現(xiàn)實世界的真實坐標(biāo)匹配，保證AR跟蹤與定位準(zhǔn)確性與精確性。

在信息化高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的偏平化二維圖紙在展現(xiàn)信息上內(nèi)容繁雜，形式單一，尤其是在空間信息的表現(xiàn)上存在著很大的局限性，已經(jīng)不足以滿足施工現(xiàn)場的實際需求?；贏R、BIM、GIS技術(shù)的可視化系統(tǒng)能夠有效解決這一難題，它能夠形象直觀地展示隱藏的內(nèi)部管線，同時也能通過動畫交互等手段，模擬演練施工過程中的安全問題，對施工現(xiàn)場進(jìn)行實時指導(dǎo)。

2 AR技術(shù)解析

2.1 AR核心技術(shù)

當(dāng)前增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)分兩種，一種是由Milgram P和Kishino F提出的：將真實環(huán)境與虛擬環(huán)境放置在兩端，其中接近真實的叫增強(qiáng)現(xiàn)實（AR），接近虛擬的叫增強(qiáng)虛擬（VR），位于中間的叫混合現(xiàn)實（MR）;另一種是Azuma定義的：以虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊為特點，采用附加的圖片、文字信息對現(xiàn)實環(huán)境的增強(qiáng)技術(shù)[3]。其中三維注冊技術(shù)尤為重要，它可以通過攝像機(jī)的實時、準(zhǔn)確的定位與跟蹤獲取三維空間信息來實現(xiàn)虛擬物體與真實世界的融合。

2.2 常見的AR SDK

由于從底層算法開始開發(fā)會涉及到一些較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法的知識，無形中加大了開發(fā)人員的時間成本和學(xué)習(xí)成本。所以通常在開發(fā)一款A(yù)R產(chǎn)品前會選擇合適的SDK，SDK作為AR的開發(fā)引擎，能夠幫助開發(fā)者集成一些開發(fā)框架、API、操作平臺等，使開發(fā)者簡單快速的達(dá)成目標(biāo)。市面上常見的SDK有很多，如：ARKit、ARCore、Vuforia、AR.js、A-Frame以及TAR SDK等。其中大部分的SDK工作原理基本相同，都是采用視覺慣性系統(tǒng)（Visual Inertial Odometry， VIO）來追蹤定位周圍的環(huán)境，所以SDK的優(yōu)劣選擇更多的取決于硬件設(shè)備的支持度和用戶使用的廣泛度。例如HoloLens的頭顯追蹤器性能很高，但是由于價格高昂且攜帶不便等原因，硬件市場并不廣泛。在這方面，蘋果的ARKit雖然起步較晚，但是在VIO算法與傳感器結(jié)合校準(zhǔn)的研究上投入了大量的時間，并將相關(guān)成果應(yīng)用于其各類移動設(shè)備中，加之蘋果產(chǎn)品的廣大用戶群，ARKit逐漸成為一匹后來居上的黑馬。本文將以ARKit為例，解析AR應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 ARKit基礎(chǔ)原理及特征解析

ARKit是2017年6月蘋果公司在IOS11中新增的AR框架，其工作原理主要包括：（1）tacking（實時跟蹤捕捉環(huán)境信息，生成空間數(shù)據(jù)）。（2）Scene Understanding（識別當(dāng)前場景，尋找放置虛擬對象的空間位置）。（3）Rendering（虛擬物體與真實世界的渲染融合）。ARKit一方面可以使用VIO系統(tǒng)將攝像頭的傳感器數(shù)據(jù)同Core Motion數(shù)據(jù)進(jìn)行融合， 這兩種數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地感知跟蹤設(shè)備在空間內(nèi)的運動，而且無需額外校準(zhǔn);另一方面能通過光學(xué)系統(tǒng)檢測形成點云（特征點），尋找現(xiàn)實空間中的水平面來放置虛擬物體，同時還可以通過攝像頭傳感器評估環(huán)境中的光照量，為虛擬物體模擬適合環(huán)境的光照強(qiáng)度，提高虛擬物體與環(huán)境融合渲染的真實性。

2.4 ARKit的基礎(chǔ)應(yīng)用解析

ARKit定義了一套較為簡單且使用方便的API，通過API中多個類的組合來實現(xiàn)AR系統(tǒng)的運作，主要有 ARSession、ARSessionConfiguration、ARFrame、ARCamera等。

2.4.1 ARSession

ARSession作為ARKit的核心，其主要負(fù)責(zé)增強(qiáng)現(xiàn)實過程中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作，它能實時不斷地從攝像頭獲取設(shè)備的運動數(shù)據(jù)，并對攝像機(jī)捕獲的圖像信息進(jìn)行分析，通過整合會話結(jié)果在現(xiàn)實空間和AR虛擬世界之間建立對應(yīng)的聯(lián)系。此外，每一個用ARKit實現(xiàn)的AR場景都需要單獨的ARSession對象。如采用ARSCNView或者ARSKView對象來創(chuàng)建AR場景的話，場景中會自帶ARSession。如果自建AR渲染，就需要手動創(chuàng)建并維持一個ARSession對象。

2.4.2 ARSessionConfiguration

ARSessionConfiguration的作用是追蹤物體的運動方向，用來維持現(xiàn)實空間和虛擬世界的空間坐標(biāo)關(guān)系。但是其作為最基礎(chǔ)的運動追蹤，僅能對虛擬物體繞著三個軸向（x、y、z）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察，不可平移，無法看到虛擬物體的背面和其它部分。此時通常使用它的子類ARWorldTrackingSessionConfiguration，與ARSessionConfiguration相比，其能夠精確追蹤空間坐標(biāo)系三個軸的旋轉(zhuǎn)與平移，無論用戶旋轉(zhuǎn)或者移動設(shè)備來觀察，虛擬物體都會位于相對于現(xiàn)實空間的同一個位置，大大降低了設(shè)備移動時給AR體驗帶來的不穩(wěn)定性。

2.4.3 ARFrame

ARFrame包括了兩部分信息：ARAnchor和ARCamera。兩者同樣表示的是物體的位置和方向，區(qū)別在于ARAnchor一般指的是虛擬對象的3d錨點，ARFrame則表示的是AR相機(jī)的位置和方向以及追蹤時間。

2.4.4 ARCamera

ARCamera是捕捉現(xiàn)實世界圖像的相機(jī)，同時也作為3D虛擬世界的相機(jī)，它是虛擬世界通往現(xiàn)實世界的窗口，通常ARCamera捕獲的圖像是一個一個的ARFrame構(gòu)成。

3 BIM模型的輕量化處理的關(guān)鍵技術(shù)

龐大體量的BIM模型對服務(wù)器及應(yīng)用系統(tǒng)無疑是一種負(fù)擔(dān)，所以BIM模型輕量化編輯是AR系統(tǒng)對接和開發(fā)的前提和重難點。BIM模型的輕量化通常從群體模型元和單一模型元兩個層面進(jìn)行考慮，由于AR系統(tǒng)甚少用到群體大規(guī)模的模型元，因此對其方法本文暫不論述，只從單個模型元的輕量化處理進(jìn)行解析。單模型元的輕量化處理第一種方法是利用Revit和3Dmax等軟件中PARameterization、LOD的方式來實現(xiàn)輕量化的結(jié)果。首先可以在Revit軟件中利用數(shù)據(jù)迭代工具對參數(shù)化模型進(jìn)行數(shù)據(jù)迭代。然后將迭代后的模型導(dǎo)入3Dmax中進(jìn)行網(wǎng)格化處理，利用skyline 的max腳本清除模型中離散點及空物體可以減少一部分BIM模型網(wǎng)格化后產(chǎn)生的冗余信息，通過3Dmax的模型優(yōu)化工具，可在不破壞uv結(jié)構(gòu)的情況下按設(shè)置的百分比對網(wǎng)格模型進(jìn)行減面優(yōu)化，該工具可按照設(shè)置在后臺導(dǎo)出若干不同LOD（Levels of Detail）精度的模型文件，此方法在一定程度下模型細(xì)節(jié)會有一定損失，但是對模型優(yōu)化程度較高，幾乎支持所有格式的導(dǎo)出及轉(zhuǎn)換，同時保存完整的uv結(jié)構(gòu)也為后期模型貼圖材質(zhì)的編輯提供便利條件。另一種是可利用Draco等軟件對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行二次壓縮，但是此方法必須修改源碼，在大多數(shù)AR系統(tǒng)里，往往不能直接使用。

4 GIS技術(shù)在AR中的應(yīng)用解析

2016年任天堂發(fā)布了一款名為《Pokémon Go》的增強(qiáng)現(xiàn)實游戲，首次將AR技術(shù)與GIS技術(shù)融合，它采集了現(xiàn)實世界中的地理位置等數(shù)據(jù)，把虛擬信息和現(xiàn)實世界的信息疊加，給用戶帶來一種身臨其境的感官體驗。在復(fù)雜多變的施工環(huán)境下，創(chuàng)建真實的地理數(shù)據(jù)與同步定位的AR系統(tǒng)能夠提升作業(yè)人員對環(huán)境的感知力，同時滿足現(xiàn)場設(shè)備的交互需求。

4.1 AR系統(tǒng)中的真實地形創(chuàng)建

AR系統(tǒng)中真實地形創(chuàng)建方式通常分為兩種：一種是利用外部導(dǎo)入的地形;另一種則是引擎自己生成的地形。大部分AR引擎只支持前者，只有少部分如Unity3D、Unreal Engine等游戲類引擎兩者都支持。所以在地形的創(chuàng)建和AR的融合上Unity3D依然是首選。雖然兩種方式的原理都是利用DEM、Shapefile類文件數(shù)據(jù)網(wǎng)格化生成，但是前者的模型在導(dǎo)入引擎時，經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換并不能保留地形的真實地理坐標(biāo)信息，且材質(zhì)效果不佳，模型缺乏可編輯性;相反，用Unity3D的自帶工具生成的地形能夠保存原始地理坐標(biāo)信息，并且依托其完善的材質(zhì)燈光系統(tǒng)，達(dá)到逼真的渲染效果。

4.2 AR系統(tǒng)的GPS定位

GPS定位服務(wù)，通過IOS和Android的原生開發(fā)都可以實現(xiàn)，但是與AR結(jié)合開發(fā)相對繁瑣，Unity3D的GPS Location的插件提供了一套較好的解決方案，它能夠通過AR虛擬物體的GPS坐標(biāo)將其放置在現(xiàn)實地理空間中的，并且能很好地融合ARKit、Vuforia 等SDK的跟蹤數(shù)據(jù)來保障虛擬物體的同步定位。

除此之外，Unity3D還集成了一款強(qiáng)大的地圖開發(fā)插件Mapbox，它是基于移動和Web應(yīng)用程序的位置數(shù)據(jù)平臺?？蓸?gòu)建基塊，將地圖、搜索和導(dǎo)航等功能添加到何體AR系統(tǒng)中，使開發(fā)者更容易進(jìn)行真實世界興趣點（POI）的定位，同時它還包含了對ARKit、ARCore的接口連接與功能支持，也為AR系統(tǒng)的開發(fā)提供服務(wù)與保障，是AR與GIS融合開發(fā)的推薦選擇。

5 結(jié)論

基于本文對AR、BIM、GIS技術(shù)應(yīng)用特點的概述和分析及應(yīng)用實例，AR與BIM模型、GIS技術(shù)結(jié)合的可視化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)同一畫面的實時交互查詢和BIM模型與現(xiàn)實世界的真實坐標(biāo)匹配，確保AR跟蹤與定位準(zhǔn)確性與精確性，從而在輔助施工作業(yè)可以取得良好的效果。通過對AR，GIS，BIM輕量化處理等關(guān)鍵技術(shù)的解析，得到了關(guān)鍵技術(shù)的取向及應(yīng)用推薦，為三項技術(shù)在可視化系統(tǒng)體系構(gòu)建提供了可行性的方案，可作為同類型應(yīng)用體系構(gòu)建的參考。同時可以預(yù)見，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，算力算法的不斷提升，相關(guān)技術(shù)在行業(yè)的應(yīng)用升級發(fā)展的潛力充分，前景十分廣闊。

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