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摘要：針對現行的三維建筑模型像一個黑盒子，因為不透視所以看不見建筑物的內部結構，不能進行室內導航定位等問題，在研究Revit和AutoCAD建立三維建筑模型技術的基礎之上，設計了通過增強現實技術使三維建筑模型可“透視化”，它可以將所見到的建筑物透明化，將建筑物室內結構展現在眼前、并且對室內構筑物進行精確定位。經過對建模方法的比較，選擇Revit模型為實驗模型。由于Revit模型無法將大量的屬性信息與真實的地理環境信息相互融合，通過增強現實技術，不僅將三維模型的優勢體現出來，而且還和地理環境信息得到了融合。采用“先整體，后局部”的方式將三維模型信息運用到室內導航定位中，從而形成室內導航地圖。通過實驗的驗證結果，三維建筑物模型不僅能運用于室外，而且也適用于室內，所展示的室內導航就是三維實體模型的內部構造，所以說通過三維建筑模型進行室內導航定位是可行的。

關鍵詞：透明三維;建筑物;室內;導航定位;增強現實;Revit

1引言

“透明三維建筑物”可以理解為運用現代信息技術對三維建筑模型精細化的技術，透過建筑物的表面模型顯示出室內結構和構筑物的模型。所謂的精細化是指不僅只對建筑物模型的表面建成精細化模型，而且還要對建筑物的內部所有的構筑物進行精細化顯示。目前，隨著計算機技術的不斷發展，三維建模技術也得到巨大的發展，建模技術也由一變多，包括AutoCAD三維建模、三維激光掃描建模、傾斜攝影測量建模等[1]。無論從模型的外觀上還是模型的精度都得到了很大提高，但是這些三維模型只是“黑盒子”模型，無法表達建筑物內部結構以及室內構筑物特征，減少了在室內導航、應急救援等方面的應用性。為此，本文通過對Revit三維模型AutoCAD三維模型的分析比較，設計采用Revit三維建筑模型，Revit三維建筑模型具有可視化、參數化、模擬性、信息完備性、一體化性的五大特點。由于Revit三維建筑模型的交互性較差和圖形處理與計算需要高配置的圖形處理器，所以將Revit三維建筑模型在Revit云平臺[2]中進行圖形處理與計算，再由終端設備讀取云平臺中的圖形數據。本文通過建立透明三維建筑模型來探究室內定位導航技術的應用。

2三維建筑模型

三維建筑模型是對建筑物的多邊形表達，作為點與其他信息的幾何數據，能夠直觀地表現物體的空間信息。現階段常用的三維模型有Revit模型、AutoCAD模型等。（1）AutoCAD模型（見圖1）：AutoCAD支持三種類型的三維模型：線框模型、表面模型和實體模型[3-4]。線框模型是由描述三維對象的點和線組成的，它不具有表面和內部實體信息，它僅能體現物體的輪廓框架，其可視性較差。曲面模型是由一系列有鏈接順序的棱邊圍成的表面，再有表面的集合來定義三維物體。實體模型則是實實在在的物體，它除了包含線框模型和曲面模型的所有特點，還具備實物的一切特性。（2）Revit模型（見圖2）：Revit是歐特克公司的一款基于BIM（建筑信息模型，BuildingInformationModeling）[5]的三維參數建筑設計軟件，它是以三維建筑物基本構建為基礎，可以直接對建筑物的結構框架進行建模，能夠高速率高效率地進行三維建筑物模型的制作。Revit有比較出色的渲染效果，可以為創建的三維建筑物提供真實生動的建筑物實體展示。Revit三維模型可以從平面、立面、剖面以及三維視圖進行多視圖三維設備建模，同時擁有多重尺寸進行精確定位，從而搭建起精確的整體模型。而AutoCAD三維模型只能在單一視圖進行構件定位，從單一視圖到三維視圖，然后才能生成三維模型[6]。AutoCAD三維建筑模型沒有三維實體紋理信息，這也就是該模型的弊端，雖然能夠快速進行模型構建，但是缺少模型的精細程度。Revit三維模型因為可以顯示出在不同的視圖中的聯動性，所以才能在BIM過程中提供協調一致的數據信息流程[7]。主要是在修改三維模型時，在其他相關視圖都會進行自動更新，同時構件在修改、移動位置時會自動出現尺寸變更提示，可以方便進行模型重新定位。最為重要的是在保證建立模型的過程中使參數一致性。在修改AutoCAD三維模型時必須在平面視圖進行更新，然后要手動進行立面、剖面的修改，無法直接從三維模型進行其他視圖的自動更新[8-9]。基于此，本文提出并設計了以Revit建筑模型顯示室內結構、定位的模型。

3室內三維定位技術的探究

隨著互聯網、計算機技術、測繪技術等關鍵技術的飛速發展，室內定位向著多技術互補融合的方向發展。通過多技術融合互補的方式彌補某一項定位技術的劣勢。目前室外定位技術已經有較為成熟的解決方案，但是在室內環境下，目前尚無比較成熟的技術，根本原因是室內定位存在環境復雜、定位面積小、直達波路徑嚴重缺失、多徑傳播嚴重、定位環境易發生改變等特點[10-11]。采用“終端設備—云端數據”的定位框架。由于三維建筑物模型結構復雜、包含的模型信息量大，要顯示出全部的三維信息是有一定困難的。基于三維建筑物模型中的導航定位需要定位方式進行分部定位。首先是對建筑物的整體粗定位，再對建筑物室內進行精準導航定位。（1）建筑物整體粗定位。增強現實（AugmentedReality，簡稱AR技術）技術，是從虛擬現實技術的基礎發展起來的新技術，也被稱為混合現實技術。增強現實是通過計算機提供的信息增加用戶對現實世界感知的技術，將虛擬的信息應用到真實世界，從而實現對現實的增強[12-14]。增強現實在定位導航的應用，是和地理坐標的結合，而AR帶來的實景與真實感將會大大增強識別準確度[15]。增強現實為用戶構建一個更加真實的信息世界。由終端設備AR鏡頭通過捕捉三維建筑物的特征標簽與Revit云中的三維模型數據進行匹配計算，以確定建筑物在云端的三維模型數據。并以此數據鎖定，忽略其他次要模型數據，已達到減少終端設備顯示數據加載不全、負荷過大等問題。通過ARToolKit軟件在實體建筑物選取若干個特征點上放置并儲存相同標簽以區別不同的建筑物。如圖3所示，展示了一款用于ARToolKit標簽制作的軟件[16]。使用時，需要用攝像頭捕捉實物標簽，此時，在終端所顯示的是一個獨立的帶有全屬性的三維建筑物模型。（2）室內精確導航，在對建筑物的大致定位的基礎上，通過對移動端顯示出的目標三維模型進行“手動漫游”等操作完成室內導航。由于三維模型是完整的、帶有屬性信息的實體模型，而且內部結構也進行單體化構建，模型內部每一個構件都有相應的屬性信息。用戶通過特定的“入口”或者漫游的方式進入到三維模型內部的任意地點，移動端顯示出真實建筑物內部場景，選用搜索程序找到用戶想要去的地點或者是想要看到的場景，通過云端路徑分析計算，以箭頭導航的方式指引用戶到達目的地，完成對室內導航。這種室內導航的方式有著其他導航方式無法比擬的優點，不存在對信號、室內空間的影響，它限制于三維模型的真實度和精細度，三維模型制作的精細度越高，移動端所顯示的導航顯示效果越真實。對室內構件的精確定位。使用ARToolKit軟件在不同類的構筑物的屬性數據上放置不同類的特征標簽，通過AR鏡頭捕捉特征標簽或者搜索構件名稱，就會顯示出在整個建筑物內相同構件的數量、具體位置等實用信息，以及顯示到達最近的距離和路徑分析結果。它的特點是快速的顯示出構件在樓層里的分布情況，限制與云端數據的更新速度，要保證云端模型數據與真實建筑物相一致，才不會導致對構件的定位信息出現錯誤問題。

4室內三維定位技術的實現

按照上述的導航定位的方法，以存在在Revit云端的教學樓數據模型為樣本，對教學樓的安全通道和消防栓進行導航定位。首先，先對教學樓進行粗定位，用AR鏡頭設備對準教學樓，使設備準確地捕捉到放置在教學樓上的特殊標簽，重復捕捉不同的特殊標簽，保證所顯示的三維模型是在Revit云中與實際建筑物相對應的模型，此時完成對教學樓的粗定位。然后，對模型進行滑動、放大等操作進入到模型的內部。手動漫游可以顯示出在三維模型內部移動的視覺效果。通過搜索安全通道，在云端的路徑分析計算，會對距離最近的安全通道進行指向標注。如圖所示，圖4為第一視角對安全通道的導航的效果圖，也可以改變三維模型的角度來選擇其他視角顯示導航的效果圖。通過捕捉消防栓的特殊標簽，顯示出在整座建筑物內部的消防栓的具體位置等信息。如圖所示，圖5是多視角顯示的消防栓的定位效果圖。

5結束語

隨著人們對導航定位服務需求不斷增加，導航定位技術也呈現出多元化的現象。本文是把增強現實技術和三維建模技術應用到室內外導航定位中。目前，應用較為廣泛的導航地圖多數為二維平面導航定位地圖，通過增強現實技術，把二維導航地圖與三維Revit模型無縫對接，充分發揮三維模型在視覺和信息應用的優勢，使得Revit模型中的大量信息得到充分展示。這樣就解決了三維建筑模型的“透明化”的問題，增加了三維建筑物模型在室內的應用。使用三維模型代替二維導航地圖是地圖導航定位的一個趨勢。本文只是做了三維模型在室內外導航定位應用的初步探討，但是由于帶有建筑信息的三維模型的建立過于復雜，模型更新周期較長，無法廣泛的應用于市場，這是三維模型較二維模型的劣勢，所以下一步是探討如何快速地搭建三維模型或者是以大量的“黑盒子”三維模型直接或間接的轉化為帶有建筑信息的三維實體模型。還有就是Revit云的權限問題，如何加強開放的云端數據安全管理的問題。

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作者：楊永崇 張俊 單位：西安科技大學測繪科學與技術學院