摘要：文章將結(jié)合行業(yè)特點和技術(shù)發(fā)展趨勢，分析增強現(xiàn)實(AugmentReality，AR)、建筑信息模型(BuildingInformationModel-ing，BIM)以及地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，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;增強現(xiàn)實;輕量化

　　引言隨著我國計算機網(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、智能手機的迅速普及與更新，增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)逐漸進入人們的視野，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)用提供了更多機遇和可能。

　　科技論文投稿刊物：科技導報以發(fā)表國內(nèi)外科學技術(shù)各學科專業(yè)原創(chuàng)性學術(shù)論文為主，同時刊登階段性最新科研成果報告，以及國內(nèi)外重大科技新聞，快速、全方位、高密度、大容量地提供科技信息，力爭辦成一份有影響、有特色、有品位的高層次、高水平、高質(zhì)量學術(shù)期刊。

　　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。

　　1AR、BIM、GIS技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系

　　增強現(xiàn)實(AugmentedReality，AR)技術(shù)是一種實時人機交互技術(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(BuildingInformationModeling，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)(GeographicInformationSystem，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)實世界的真實坐標匹配，保證AR跟蹤與定位準確性與精確性。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。基于AR、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)場進行實時指導。

　　2AR技術(shù)解析

　　2.1AR核心技術(shù)

　　當前增強現(xiàn)實技術(shù)分兩種，一種是由MilgramP和KishinoF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現(xiàn)實(AR)，接近虛擬的叫增強虛擬(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，它可以通過攝像機的實時、準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)學算法的知識，無形中加大了開發(fā)人員的時間成本和學習成本。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)者簡單快速的達成目標。

　　市面上常見的SDK有很多，如：ARKit、ARCore、Vufo-ria、AR.js、A-Frame以及TARSDK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)(VisualIner-tialOdometry，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)。

　　2.3ARKit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)SceneUnderstanding(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(tǒng)將攝像頭的傳感器數(shù)據(jù)同CoreMotion數(shù)據(jù)進行融合，這兩種數(shù)據(jù)能夠準確地感知跟蹤設(shè)備在空間內(nèi)的運動，而且無需額外校準;另一方面能通過光學系統(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)境的光照強度，提高虛擬物體與環(huán)境融合渲染的真實性。

　　2.4ARKit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ARS-ession、ARSessionConfiguration、ARFrame、ARCamera等。

　　2.4.1ARSession

　　ARSession作為ARKit的核心，其主要負責增強現(xiàn)實過程中的大部分數(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)，并對攝像機捕獲的圖像信息進行分析，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AR-SKView對象來創(chuàng)建AR場景的話，場景中會自帶ARSes-sion。如果自建AR渲染，就需要手動創(chuàng)建并維持一個ARSession對象。

　　2.4.2ARSessionConfiguration

　　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ARWorldTrack-ingSessionConfiguration，與ARSessionConfiguration相比，其能夠精確追蹤空間坐標系三個軸的旋轉(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。

　　2.4.3ARFrame

　　ARFrame包括了兩部分信息：ARAnchor和ARCamer-a。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相機的位置和方向以及追蹤時間。

　　2.4.4ARCamera

　　ARCamera是捕捉現(xiàn)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(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。此外由于ARKit自身并不提供創(chuàng)建虛環(huán)境的引擎，通常可以采用其它的3D/2D引擎進行虛擬環(huán)境的構(gòu)建，常用的有SceneKit、OpenGL、Uity3D、UnrealEngine等，因為ARKit并沒有限制使用哪款引擎來構(gòu)建虛擬世界，因此很多的引擎都集成了ARKit的插件，例如Uity3D，其對ARKit的底層API接口進行了很好的封裝，相較ARKit的原生開發(fā)，開發(fā)門檻明顯降低，效率更高，渲染效果也更好。

　　另外Uity3D還具備豐富的插件庫、支持C#，javascript等多語言的開發(fā)環(huán)境、可視化的編輯界面以及跨平臺的相關(guān)功能等優(yōu)勢，為連接BIM模型、引入DEM空間數(shù)據(jù)、AR的GIS定位等提供了方式，是AR應(yīng)用開發(fā)推薦引擎。

　　3BIM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)無疑是一種負擔，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PARameteri-zation、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)化模型進行數(shù)據(jù)迭代。然后將迭代后的模型導入3Dmax中進行網(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)格模型進行減面優(yōu)化，該工具可按照設(shè)置在后臺導出若干不同LOD(LevelsofDetail)精度的模型文件，此方法在一定程度下模型細節(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。

　　4GIS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《PokémonGo》的增強現(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。

　　4.1AR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、Un-realEngine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信息，并且依托其完善的材質(zhì)燈光系統(tǒng)，達到逼真的渲染效果。

　　4.2AR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GPSLocation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(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。可構(gòu)建基塊，將地圖、搜索和導航等功能添加到何體AR系統(tǒng)中，使開發(fā)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(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(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。

　　參考文獻：

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

　　作者：華陸韜