AR+BIM+GIS技術的融合開發與應用

華陸韜

摘? 要：文章將結合行業特點和技術發展趨勢，分析增強現實（Augment Reality，AR）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）以及地理信息系統（Geographic Information System，GIS）三項技術的區別與聯系，研究其在施工過程中的深度融合應用，并就其在跨界融合中的重要步驟和技術難點進行解析，從而為三者在施工安全管理中的應用提供新的思路。

關鍵詞：AR;BIM;GIS;增強現實;輕量化

中圖分類號：P208 文獻標志碼：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

隨著我國計算機網絡信息技術的不斷創新和發展，建筑信息模型（BIM）和地理信息系統（GIS）技術取得了飛速進步，并且在建筑、水利等相關行業得到了廣泛應用[1]。近年來伴隨著移動網絡、平板電腦、智能手機的迅速普及與更新，增強現實（AR）技術逐漸進入人們的視野，這項技術應用前景與趨勢受到廣泛關注。同時，計算機技術高速化、多元化和智能化的發展，為相關行業提供了技術上的支撐，從而為AR+、BIM+、GIS+在施工安全管理中的應用提供了更多機遇和可能。

本文將以AR技術應用為切入點，融合BIM和GIS技術，為構建施工過程中可視化安全管理平臺提供思路。圍繞三者間的關系解析AR的三維注冊與虛擬結合技術、BIM在AR系統中的輕量化處理以及AR系統中的GIS的坐標定位等重要流程和技術難點，并為相關問題的解決提供思路和方法。分析AR、BIM、GIS在施工中的融合應用，探索展望相關應用在行業的發展前景。

1 AR、BIM、GIS技術的區別與聯系

增強現實（Augmented Reality，AR）技術是一種實時人機交互技術，是對虛擬信息和現實世界的融合[2]。AR技術主要包含虛擬現實融合、實時交互、三維注冊三大特征。其中三維注冊最為重要。三維注冊強調虛擬對象和現實世界的對應關系，也叫三維匹配，是對現實環境空間的跟蹤與定位。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術是一種建筑信息模型化的技術，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（Geographic Information System，GIS）技術是基于空間信息，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技術系統，它為地理研究和地理決策提供相關依據。其基本功能是將表格型數據轉換為地理圖形顯示，然后實現對顯示結果進行瀏覽、操作與分析。

將攜帶數據信息的BIM模型與AR、GIS技術結合，利用AR的實時跟蹤和三維注冊技術將虛擬的BIM模型與真實世界“混合疊加”，實現同一畫面的實時交互查詢。同時結合GPS與GIS技術，引入空間信息，將BIM模型與現實世界的真實坐標匹配，保證AR跟蹤與定位準確性與精確性。

在信息化高速發展的今天，傳統的偏平化二維圖紙在展現信息上內容繁雜，形式單一，尤其是在空間信息的表現上存在著很大的局限性，已經不足以滿足施工現場的實際需求。基于AR、BIM、GIS技術的可視化系統能夠有效解決這一難題，它能夠形象直觀地展示隱藏的內部管線，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，對施工現場進行實時指導。

2 AR技術解析

2.1 AR核心技術

當前增強現實技術分兩種，一種是由Milgram P和Kishino F提出的：將真實環境與虛擬環境放置在兩端，其中接近真實的叫增強現實（AR），接近虛擬的叫增強虛擬（VR），位于中間的叫混合現實（MR）;另一種是Azuma定義的：以虛實結合、實時交互、三維注冊為特點，采用附加的圖片、文字信息對現實環境的增強技術[3]。其中三維注冊技術尤為重要，它可以通過攝像機的實時、準確的定位與跟蹤獲取三維空間信息來實現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會涉及到一些較為復雜的數學算法的知識，無形中加大了開發人員的時間成本和學習成本。所以通常在開發一款AR產品前會選擇合適的SDK，SDK作為AR的開發引擎，能夠幫助開發者集成一些開發框架、API、操作平臺等，使開發者簡單快速的達成目標。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（Visual Inertial Odometry， VIO）來追蹤定位周圍的環境，所以SDK的優劣選擇更多的取決于硬件設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算法與傳感器結合校準的研究上投入了大量的時間，并將相關成果應用于其各類移動設備中，加之蘋果產品的廣大用戶群，ARKit逐漸成為一匹后來居上的黑馬。本文將以ARKit為例，解析AR應用開發的關鍵技術。

2.3 ARKit基礎原理及特征解析

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（實時跟蹤捕捉環境信息，生成空間數據）。（2）Scene Understanding（識別當前場景，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系統將攝像頭的傳感器數據同Core Motion數據進行融合， 這兩種數據能夠準確地感知跟蹤設備在空間內的運動，而且無需額外校準;另一方面能通過光學系統檢測形成點云（特征點），尋找現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境中的光照量，為虛擬物體模擬適合環境的光照強度，提高虛擬物體與環境融合渲染的真實性。

2.4 ARKit的基礎應用解析

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AR系統的運作，主要有 ARSession、ARSessionConfiguration、ARFrame、ARCamera等。

2.4.1 ARSession

ARSession作為ARKit的核心，其主要負責增強現實過程中的大部分數據處理工作，它能實時不斷地從攝像頭獲取設備的運動數據，并對攝像機捕獲的圖像信息進行分析，通過整合會話結果在現實空間和AR虛擬世界之間建立對應的聯系。此外，每一個用ARKit實現的AR場景都需要單獨的ARSession對象。如采用ARSCNView或者ARSKView對象來創建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，用來維持現實空間和虛擬世界的空間坐標關系。但是其作為最基礎的運動追蹤，僅能對虛擬物體繞著三個軸向（x、y、z）進行旋轉觀察，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系三個軸的旋轉與平移，無論用戶旋轉或者移動設備來觀察，虛擬物體都會位于相對于現實空間的同一個位置，大大降低了設備移動時給AR體驗帶來的不穩定性。

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相機的位置和方向以及追蹤時間。

2.4.4 ARCamera

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

3 BIM模型的輕量化處理的關鍵技術

龐大體量的BIM模型對服務器及應用系統無疑是一種負擔，所以BIM模型輕量化編輯是AR系統對接和開發的前提和重難點。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行考慮，由于AR系統甚少用到群體大規模的模型元，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的方式來實現輕量化的結果。首先可以在Revit軟件中利用數據迭代工具對參數化模型進行數據迭代。然后將迭代后的模型導入3Dmax中進行網格化處理，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模型網格化后產生的冗余信息，通過3Dmax的模型優化工具，可在不破壞uv結構的情況下按設置的百分比對網格模型進行減面優化，該工具可按照設置在后臺導出若干不同LOD（Levels of Detail）精度的模型文件，此方法在一定程度下模型細節會有一定損失，但是對模型優化程度較高，幾乎支持所有格式的導出及轉換，同時保存完整的uv結構也為后期模型貼圖材質的編輯提供便利條件。另一種是可利用Draco等軟件對模型數據進行二次壓縮，但是此方法必須修改源碼，在大多數AR系統里，往往不能直接使用。

4 GIS技術在AR中的應用解析

2016年任天堂發布了一款名為《Pokémon Go》的增強現實游戲，首次將AR技術與GIS技術融合，它采集了現實世界中的地理位置等數據，把虛擬信息和現實世界的信息疊加，給用戶帶來一種身臨其境的感官體驗。在復雜多變的施工環境下，創建真實的地理數據與同步定位的AR系統能夠提升作業人員對環境的感知力，同時滿足現場設備的交互需求。

4.1 AR系統中的真實地形創建

AR系統中真實地形創建方式通常分為兩種：一種是利用外部導入的地形;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類文件數據網格化生成，但是前者的模型在導入引擎時，經過二次轉換并不能保留地形的真實地理坐標信息，且材質效果不佳，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信息，并且依托其完善的材質燈光系統，達到逼真的渲染效果。

4.2 AR系統的GPS定位

GPS定位服務，通過IOS和Android的原生開發都可以實現，但是與AR結合開發相對繁瑣，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坐標將其放置在現實地理空間中的，并且能很好地融合ARKit、Vuforia 等SDK的跟蹤數據來保障虛擬物體的同步定位。

除此之外，Unity3D還集成了一款強大的地圖開發插件Mapbox，它是基于移動和Web應用程序的位置數據平臺。可構建基塊，將地圖、搜索和導航等功能添加到何體AR系統中，使開發者更容易進行真實世界興趣點（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系統的開發提供服務與保障，是AR與GIS融合開發的推薦選擇。

5 結論

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

參考文獻：

[1]黃新波.談GIS技術與BIM理念的結合[J].智能建筑與城市信息，2016（10）：64-66.

[2]郭棟.增強現實技術概念及分析[J].中國科技術語，2014（z1）：139-140，143.

[3]王宇希，張鳳軍，劉越.增強現實技術研究現狀及發展趨勢[J].科技導報，2018，36（10）：75-83.