建筑物模型室内导航定位的方法范文

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摘要：针对现行的三维建筑模型像一个黑盒子，因为不透视所以看不见建筑物的内部结构，不能进行室内导航定位等问题，在研究Revit和AutoCAD建立三维建筑模型技术的基础之上，设计了通过增强现实技术使三维建筑模型可“透视化”，它可以将所见到的建筑物透明化，将建筑物室内结构展现在眼前、并且对室内构筑物进行精确定位。经过对建模方法的比较，选择Revit模型为实验模型。由于Revit模型无法将大量的属性信息与真实的地理环境信息相互融合，通过增强现实技术，不仅将三维模型的优势体现出来，而且还和地理环境信息得到了融合。采用“先整体，后局部”的方式将三维模型信息运用到室内导航定位中，从而形成室内导航地图。通过实验的验证结果，三维建筑物模型不仅能运用于室外，而且也适用于室内，所展示的室内导航就是三维实体模型的内部构造，所以说通过三维建筑模型进行室内导航定位是可行的。

关键词：透明三维;建筑物;室内;导航定位;增强现实;Revit

1引言

“透明三维建筑物”可以理解为运用现代信息技术对三维建筑模型精细化的技术，透过建筑物的表面模型显示出室内结构和构筑物的模型。所谓的精细化是指不仅只对建筑物模型的表面建成精细化模型，而且还要对建筑物的内部所有的构筑物进行精细化显示。目前，随着计算机技术的不断发展，三维建模技术也得到巨大的发展，建模技术也由一变多，包括AutoCAD三维建模、三维激光扫描建模、倾斜摄影测量建模等[1]。无论从模型的外观上还是模型的精度都得到了很大提高，但是这些三维模型只是“黑盒子”模型，无法表达建筑物内部结构以及室内构筑物特征，减少了在室内导航、应急救援等方面的应用性。为此，本文通过对Revit三维模型AutoCAD三维模型的分析比较，设计采用Revit三维建筑模型，Revit三维建筑模型具有可视化、参数化、模拟性、信息完备性、一体化性的五大特点。由于Revit三维建筑模型的交互性较差和图形处理与计算需要高配置的图形处理器，所以将Revit三维建筑模型在Revit云平台[2]中进行图形处理与计算，再由终端设备读取云平台中的图形数据。本文通过建立透明三维建筑模型来探究室内定位导航技术的应用。

2三维建筑模型

三维建筑模型是对建筑物的多边形表达，作为点与其他信息的几何数据，能够直观地表现物体的空间信息。现阶段常用的三维模型有Revit模型、AutoCAD模型等。（1）AutoCAD模型（见图1）：AutoCAD支持三种类型的三维模型：线框模型、表面模型和实体模型[3-4]。线框模型是由描述三维对象的点和线组成的，它不具有表面和内部实体信息，它仅能体现物体的轮廓框架，其可视性较差。曲面模型是由一系列有链接顺序的棱边围成的表面，再有表面的集合来定义三维物体。实体模型则是实实在在的物体，它除了包含线框模型和曲面模型的所有特点，还具备实物的一切特性。（2）Revit模型（见图2）：Revit是欧特克公司的一款基于BIM（建筑信息模型，BuildingInformationModeling）[5]的三维参数建筑设计软件，它是以三维建筑物基本构建为基础，可以直接对建筑物的结构框架进行建模，能够高速率高效率地进行三维建筑物模型的制作。Revit有比较出色的渲染效果，可以为创建的三维建筑物提供真实生动的建筑物实体展示。Revit三维模型可以从平面、立面、剖面以及三维视图进行多视图三维设备建模，同时拥有多重尺寸进行精确定位，从而搭建起精确的整体模型。而AutoCAD三维模型只能在单一视图进行构件定位，从单一视图到三维视图，然后才能生成三维模型[6]。AutoCAD三维建筑模型没有三维实体纹理信息，这也就是该模型的弊端，虽然能够快速进行模型构建，但是缺少模型的精细程度。Revit三维模型因为可以显示出在不同的视图中的联动性，所以才能在BIM过程中提供协调一致的数据信息流程[7]。主要是在修改三维模型时，在其他相关视图都会进行自动更新，同时构件在修改、移动位置时会自动出现尺寸变更提示，可以方便进行模型重新定位。最为重要的是在保证建立模型的过程中使参数一致性。在修改AutoCAD三维模型时必须在平面视图进行更新，然后要手动进行立面、剖面的修改，无法直接从三维模型进行其他视图的自动更新[8-9]。基于此，本文提出并设计了以Revit建筑模型显示室内结构、定位的模型。

3室内三维定位技术的探究

随着互联网、计算机技术、测绘技术等关键技术的飞速发展，室内定位向着多技术互补融合的方向发展。通过多技术融合互补的方式弥补某一项定位技术的劣势。目前室外定位技术已经有较为成熟的解决方案，但是在室内环境下，目前尚无比较成熟的技术，根本原因是室内定位存在环境复杂、定位面积小、直达波路径严重缺失、多径传播严重、定位环境易发生改变等特点[10-11]。采用“终端设备—云端数据”的定位框架。由于三维建筑物模型结构复杂、包含的模型信息量大，要显示出全部的三维信息是有一定困难的。基于三维建筑物模型中的导航定位需要定位方式进行分部定位。首先是对建筑物的整体粗定位，再对建筑物室内进行精准导航定位。（1）建筑物整体粗定位。增强现实（AugmentedReality，简称AR技术）技术，是从虚拟现实技术的基础发展起来的新技术，也被称为混合现实技术。增强现实是通过计算机提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，从而实现对现实的增强[12-14]。增强现实在定位导航的应用，是和地理坐标的结合，而AR带来的实景与真实感将会大大增强识别准确度[15]。增强现实为用户构建一个更加真实的信息世界。由终端设备AR镜头通过捕捉三维建筑物的特征标签与Revit云中的三维模型数据进行匹配计算，以确定建筑物在云端的三维模型数据。并以此数据锁定，忽略其他次要模型数据，已达到减少终端设备显示数据加载不全、负荷过大等问题。通过ARToolKit软件在实体建筑物选取若干个特征点上放置并储存相同标签以区别不同的建筑物。如图3所示，展示了一款用于ARToolKit标签制作的软件[16]。使用时，需要用摄像头捕捉实物标签，此时，在终端所显示的是一个独立的带有全属性的三维建筑物模型。（2）室内精确导航，在对建筑物的大致定位的基础上，通过对移动端显示出的目标三维模型进行“手动漫游”等操作完成室内导航。由于三维模型是完整的、带有属性信息的实体模型，而且内部结构也进行单体化构建，模型内部每一个构件都有相应的属性信息。用户通过特定的“入口”或者漫游的方式进入到三维模型内部的任意地点，移动端显示出真实建筑物内部场景，选用搜索程序找到用户想要去的地点或者是想要看到的场景，通过云端路径分析计算，以箭头导航的方式指引用户到达目的地，完成对室内导航。这种室内导航的方式有着其他导航方式无法比拟的优点，不存在对信号、室内空间的影响，它限制于三维模型的真实度和精细度，三维模型制作的精细度越高，移动端所显示的导航显示效果越真实。对室内构件的精确定位。使用ARToolKit软件在不同类的构筑物的属性数据上放置不同类的特征标签，通过AR镜头捕捉特征标签或者搜索构件名称，就会显示出在整个建筑物内相同构件的数量、具体位置等实用信息，以及显示到达最近的距离和路径分析结果。它的特点是快速的显示出构件在楼层里的分布情况，限制与云端数据的更新速度，要保证云端模型数据与真实建筑物相一致，才不会导致对构件的定位信息出现错误问题。

4室内三维定位技术的实现

按照上述的导航定位的方法，以存在在Revit云端的教学楼数据模型为样本，对教学楼的安全通道和消防栓进行导航定位。首先，先对教学楼进行粗定位，用AR镜头设备对准教学楼，使设备准确地捕捉到放置在教学楼上的特殊标签，重复捕捉不同的特殊标签，保证所显示的三维模型是在Revit云中与实际建筑物相对应的模型，此时完成对教学楼的粗定位。然后，对模型进行滑动、放大等操作进入到模型的内部。手动漫游可以显示出在三维模型内部移动的视觉效果。通过搜索安全通道，在云端的路径分析计算，会对距离最近的安全通道进行指向标注。如图所示，图4为第一视角对安全通道的导航的效果图，也可以改变三维模型的角度来选择其他视角显示导航的效果图。通过捕捉消防栓的特殊标签，显示出在整座建筑物内部的消防栓的具体位置等信息。如图所示，图5是多视角显示的消防栓的定位效果图。

5结束语

随着人们对导航定位服务需求不断增加，导航定位技术也呈现出多元化的现象。本文是把增强现实技术和三维建模技术应用到室内外导航定位中。目前，应用较为广泛的导航地图多数为二维平面导航定位地图，通过增强现实技术，把二维导航地图与三维Revit模型无缝对接，充分发挥三维模型在视觉和信息应用的优势，使得Revit模型中的大量信息得到充分展示。这样就解决了三维建筑模型的“透明化”的问题，增加了三维建筑物模型在室内的应用。使用三维模型代替二维导航地图是地图导航定位的一个趋势。本文只是做了三维模型在室内外导航定位应用的初步探讨，但是由于带有建筑信息的三维模型的建立过于复杂，模型更新周期较长，无法广泛的应用于市场，这是三维模型较二维模型的劣势，所以下一步是探讨如何快速地搭建三维模型或者是以大量的“黑盒子”三维模型直接或间接的转化为带有建筑信息的三维实体模型。还有就是Revit云的权限问题，如何加强开放的云端数据安全管理的问题。

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作者：杨永崇 张俊 单位：西安科技大学测绘科学与技术学院