AR+BIM+GIS技术的融合开发与应用

华陆韬

摘  要：文章将结合行业特点和技术发展趋势，分析增强现实（Augment Reality，AR）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）以及地理信息系统（Geographic Information System，GIS）三项技术的区别与联系，研究其在施工过程中的深度融合应用，并就其在跨界融合中的重要步骤和技术难点进行解析，从而为三者在施工安全管理中的应用提供新的思路。

关键词：AR;BIM;GIS;增强现实;轻量化

中图分类号：P208 文献标志码：A 文章编号：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

随着我国计算机网络信息技术的不断创新和发展，建筑信息模型（BIM）和地理信息系统（GIS）技术取得了飞速进步，并且在建筑、水利等相关行业得到了广泛应用[1]。近年来伴随着移动网络、平板电脑、智能手机的迅速普及与更新，增强现实（AR）技术逐渐进入人们的视野，这项技术应用前景与趋势受到广泛关注。同时，计算机技术高速化、多元化和智能化的发展，为相关行业提供了技术上的支撑，从而为AR+、BIM+、GIS+在施工安全管理中的应用提供了更多机遇和可能。

本文将以AR技术应用为切入点，融合BIM和GIS技术，为构建施工过程中可视化安全管理平台提供思路。围绕三者间的关系解析AR的三维注册与虚拟结合技术、BIM在AR系统中的轻量化处理以及AR系统中的GIS的坐标定位等重要流程和技术难点，并为相关问题的解决提供思路和方法。分析AR、BIM、GIS在施工中的融合应用，探索展望相关应用在行业的发展前景。

1 AR、BIM、GIS技术的区别与联系

增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种实时人机交互技术，是对虚拟信息和现实世界的融合[2]。AR技术主要包含虚拟现实融合、实时交互、三维注册三大特征。其中三维注册最为重要。三维注册强调虚拟对象和现实世界的对应关系，也叫三维匹配，是对现实环境空间的跟踪与定位。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术是一种建筑信息模型化的技术，它将工程项目全生命周期中不同阶段的工程信息、过程和资源集成到了一个模型中，方便被工程各参与方使用。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术是基于空间信息，通过地理角度分析法，获取多种空间地理位置信息的计算机技术系统，它为地理研究和地理决策提供相关依据。其基本功能是将表格型数据转换为地理图形显示，然后实现对显示结果进行浏览、操作与分析。

将携带数据信息的BIM模型与AR、GIS技术结合，利用AR的实时跟踪和三维注册技术将虚拟的BIM模型与真实世界“混合叠加”，实现同一画面的实时交互查询。同时结合GPS与GIS技术，引入空间信息，将BIM模型与现实世界的真实坐标匹配，保证AR跟踪与定位准确性与精确性。

在信息化高速发展的今天，传统的偏平化二维图纸在展现信息上内容繁杂，形式单一，尤其是在空间信息的表现上存在着很大的局限性，已经不足以满足施工现场的实际需求。基于AR、BIM、GIS技术的可视化系统能够有效解决这一难题，它能够形象直观地展示隐藏的内部管线，同时也能通过动画交互等手段，模拟演练施工过程中的安全问题，对施工现场进行实时指导。

2 AR技术解析

2.1 AR核心技术

当前增强现实技术分两种，一种是由Milgram P和Kishino F提出的：将真实环境与虚拟环境放置在两端，其中接近真实的叫增强现实（AR），接近虚拟的叫增强虚拟（VR），位于中间的叫混合现实（MR）;另一种是Azuma定义的：以虚实结合、实时交互、三维注册为特点，采用附加的图片、文字信息对现实环境的增强技术[3]。其中三维注册技术尤为重要，它可以通过摄像机的实时、准确的定位与跟踪获取三维空间信息来实现虚拟物体与真实世界的融合。

2.2 常见的AR SDK

由于从底层算法开始开发会涉及到一些较为复杂的数学算法的知识，无形中加大了开发人员的时间成本和学习成本。所以通常在开发一款AR产品前会选择合适的SDK，SDK作为AR的开发引擎，能够帮助开发者集成一些开发框架、API、操作平台等，使开发者简单快速的达成目标。市面上常见的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，都是采用视觉惯性系统（Visual Inertial Odometry， VIO）来追踪定位周围的环境，所以SDK的优劣选择更多的取决于硬件设备的支持度和用户使用的广泛度。例如HoloLens的头显追踪器性能很高，但是由于价格高昂且携带不便等原因，硬件市场并不广泛。在这方面，苹果的ARKit虽然起步较晚，但是在VIO算法与传感器结合校准的研究上投入了大量的时间，并将相关成果应用于其各类移动设备中，加之苹果产品的广大用户群，ARKit逐渐成为一匹后来居上的黑马。本文将以ARKit為例，解析AR应用开发的关键技术。

2.3 ARKit基础原理及特征解析

ARKit是2017年6月苹果公司在IOS11中新增的AR框架，其工作原理主要包括：（1）tacking（实时跟踪捕捉环境信息，生成空间数据）。（2）Scene Understanding（识别当前场景，寻找放置虚拟对象的空间位置）。（3）Rendering（虚拟物体与真实世界的渲染融合）。ARKit一方面可以使用VIO系统将摄像头的传感器数据同Core Motion数据进行融合， 这两种数据能够准确地感知跟踪设备在空间内的运动，而且无需额外校准;另一方面能通过光学系统检测形成点云（特征点），寻找现实空间中的水平面来放置虚拟物体，同时还可以通过摄像头传感器评估环境中的光照量，为虚拟物体模拟适合环境的光照强度，提高虚拟物体与环境融合渲染的真实性。

2.4 ARKit的基础应用解析

ARKit定义了一套较为简单且使用方便的API，通过API中多个类的组合来实现AR系统的运作，主要有 ARSession、ARSessionConfiguration、ARFrame、ARCamera等。

2.4.1 ARSession

ARSession作为ARKit的核心，其主要负责增强现实过程中的大部分数据处理工作，它能实时不断地从摄像头获取设备的运动数据，并对摄像机捕获的图像信息进行分析，通过整合会话结果在现实空间和AR虚拟世界之间建立对应的联系。此外，每一个用ARKit实现的AR场景都需要单独的ARSession对象。如采用ARSCNView或者ARSKView对象来创建AR场景的话，场景中会自带ARSession。如果自建AR渲染，就需要手动创建并维持一个ARSession对象。

2.4.2 ARSessionConfiguration

ARSessionConfiguration的作用是追踪物体的运动方向，用来维持现实空间和虚拟世界的空间坐标关系。但是其作为最基础的运动追踪，僅能对虚拟物体绕着三个轴向（x、y、z）进行旋转观察，不可平移，无法看到虚拟物体的背面和其它部分。此时通常使用它的子类ARWorldTrackingSessionConfiguration，与ARSessionConfiguration相比，其能够精确追踪空间坐标系三个轴的旋转与平移，无论用户旋转或者移动设备来观察，虚拟物体都会位于相对于现实空间的同一个位置，大大降低了设备移动时给AR体验带来的不稳定性。

2.4.3 ARFrame

ARFrame包括了两部分信息：ARAnchor和ARCamera。两者同样表示的是物体的位置和方向，区别在于ARAnchor一般指的是虚拟对象的3d锚点，ARFrame则表示的是AR相机的位置和方向以及追踪时间。

2.4.4 ARCamera

ARCamera是捕捉现实世界图像的相机，同时也作为3D虚拟世界的相机，它是虚拟世界通往现实世界的窗口，通常ARCamera捕获的图像是一个一个的ARFrame构成。

3 BIM模型的轻量化处理的关键技术

庞大体量的BIM模型对服务器及应用系统无疑是一种负担，所以BIM模型轻量化编辑是AR系统对接和开发的前提和重难点。BIM模型的轻量化通常从群体模型元和单一模型元两个层面进行考虑，由于AR系统甚少用到群体大规模的模型元，因此对其方法本文暂不论述，只从单个模型元的轻量化处理进行解析。单模型元的轻量化处理第一种方法是利用Revit和3Dmax等软件中PARameterization、LOD的方式来实现轻量化的结果。首先可以在Revit软件中利用数据迭代工具对参数化模型进行数据迭代。然后将迭代后的模型导入3Dmax中进行网格化处理，利用skyline 的max脚本清除模型中离散点及空物体可以减少一部分BIM模型网格化后产生的冗余信息，通过3Dmax的模型优化工具，可在不破坏uv结构的情况下按设置的百分比对网格模型进行减面优化，该工具可按照设置在后台导出若干不同LOD（Levels of Detail）精度的模型文件，此方法在一定程度下模型细节会有一定损失，但是对模型优化程度较高，几乎支持所有格式的导出及转换，同时保存完整的uv结构也为后期模型贴图材质的编辑提供便利条件。另一种是可利用Draco等软件对模型数据进行二次压缩，但是此方法必须修改源码，在大多数AR系统里，往往不能直接使用。

4 GIS技术在AR中的应用解析

2016年任天堂发布了一款名为《Pokémon Go》的增强现实游戏，首次将AR技术与GIS技术融合，它采集了现实世界中的地理位置等数据，把虚拟信息和现实世界的信息叠加，给用户带来一种身临其境的感官体验。在复杂多变的施工环境下，创建真实的地理数据与同步定位的AR系统能够提升作业人员对环境的感知力，同时满足现场设备的交互需求。

4.1 AR系统中的真实地形创建

AR系统中真实地形创建方式通常分为两种：一种是利用外部导入的地形;另一种则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等游戏类引擎两者都支持。所以在地形的创建和AR的融合上Unity3D依然是首选。虽然两种方式的原理都是利用DEM、Shapefile类文件数据网格化生成，但是前者的模型在导入引擎时，经过二次转换并不能保留地形的真实地理坐标信息，且材质效果不佳，模型缺乏可编辑性;相反，用Unity3D的自带工具生成的地形能够保存原始地理坐标信息，并且依托其完善的材质灯光系统，达到逼真的渲染效果。

4.2 AR系统的GPS定位

GPS定位服务，通过IOS和Android的原生开发都可以实现，但是与AR结合开发相对繁琐，Unity3D的GPS Location的插件提供了一套较好的解决方案，它能够通过AR虚拟物体的GPS坐标将其放置在现实地理空间中的，并且能很好地融合ARKit、Vuforia 等SDK的跟踪数据来保障虚拟物体的同步定位。

除此之外，Unity3D还集成了一款强大的地图开发插件Mapbox，它是基于移动和Web应用程序的位置数据平台。可构建基块，将地图、搜索和导航等功能添加到何体AR系统中，使开发者更容易进行真实世界兴趣点（POI）的定位，同时它还包含了对ARKit、ARCore的接口连接与功能支持，也为AR系统的开发提供服务与保障，是AR与GIS融合开发的推荐选择。

5 结论

基于本文对AR、BIM、GIS技术应用特点的概述和分析及应用实例，AR与BIM模型、GIS技术结合的可视化系统，可以实现同一画面的实时交互查询和BIM模型与现实世界的真实坐标匹配，确保AR跟踪与定位准确性与精确性，从而在辅助施工作业可以取得良好的效果。通过对AR，GIS，BIM轻量化处理等关键技术的解析，得到了关键技术的取向及应用推荐，为三项技术在可视化系统体系构建提供了可行性的方案，可作为同类型应用体系构建的参考。同时可以预见，随着计算机技术的不断发展，算力算法的不断提升，相关技术在行业的应用升级发展的潜力充分，前景十分广阔。

参考文献：

[1]黄新波.谈GIS技术与BIM理念的结合[J].智能建筑与城市信息，2016（10）：64-66.

[2]郭栋.增强现实技术概念及分析[J].中国科技术语，2014（z1）：139-140，143.

[3]王宇希，张凤军，刘越.增强现实技术研究现状及发展趋势[J].科技导报，2018，36（10）：75-83.