厘米级AR定位驱动建筑全流程数字化变革

文|以见科技CTO蒋童

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现状

——建筑施工、运维现场，对室内外的定位诉求一直存在

 

建筑与市政工程生命周期中，土建施工阶段作业环境和精度需求非常特殊，往往测绘水平要达到厘米级或者毫米级，所以对硬件设备定位准确度要求高，全站仪与RTK为这个场景下的主流定位设备。在建筑物安装工程阶段和建设完成后的运维阶段，室内外定位需求仍然存在，但定位精度要求稍显宽裕，激光测量与有源信号辅助定位等方法，在办公室、家庭、工厂等室内场景得到了广泛应用，而GPS等室外定位方法，覆盖面积广、信号稳定，基本能满足人们在室外的日常定位需求。

 

 

随着建筑数字化转型的产业趋势，以及各类应用与功能对于建筑室内外定位数据的获取与接入，一套行之有效的建筑与市政工程室内外定位技术与解决方案成为一个强烈需求。如Trimble、Hexagon、Topcon等大型集团公司已经有着成熟的软硬件解决方案，包括以见在内的许多初创公司也在探索新的行之有效的技术手段，来提供定位能力，提升BIM数据和AR可视化的价值。

 

当下解决方案的弊端

 

UWB、蓝牙、WIFI等有源传感器定位方法：

   

要使用UWB技术、蓝牙技术、WIFI技术等有源传感器给一个空间做室内定位，必须要预先在该空间安装好定位基站。以UWB为例，基站通过UWB信号和定位标签进行通信，实现标签的定位功能。待定位的人员、设备上须佩戴室内定位标签。标签发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位。环境中的基站实时通过网络原始数据发送给定位引擎 (可能位于本地服务器或云端)。定位引擎运行定位算法，实时计算出带定位标签的坐标位置。定位引擎计算出的标签坐标，并在PC/平板/手机等显示终端上呈现。

    

采用这种有源传感器定位方法，UWB的精度一般可达10厘米，但定位范围最小；蓝牙、WIFI的定位范围较大，但精度一般只可达1~5米，很难满足工程需求或运维需求。更繁琐的是，前期加装有源传感器硬件，以及进行通信调试和解算优化，需要很大的成本投入和时间投入，这一步骤在建筑工程施工阶段很难实现，因此，有源传感器定位方案较难满足建筑施工场景的室内定位诉求。

UWB定位方法示意图

 

Lighthouse定位：

 

Lighthouse定位系统亦常常出现在AR/VR应用场景中。Lighthouse定位系统需要事先放置定位点设备，也就是定位器，一般两个以上，摆放在房间对称的两个位置。这两个定位器会发射出激光、红外线、可见光等，来覆盖两个定位器之间的空间，并建立三维位置信息，通过三角定位的方法确定AR/MR眼镜或头显佩戴者的位置和移动方向。

  

这种定位方式当然有优点，在精度上算得上是目前主流定位中最精准的定位方式之一，并且稳定性很好。因此非常适合进行预设空间场景的定位，如家庭娱乐、游戏行业的应用。它也存在扩展性，如可以通过增加定位器的数量，来扩大可移动定位的范围。

  

但缺点也显而易见，首先是设置并不方便。因为要做到Outside-in定位，就得提前架设好Lighthouse定位基站，然而架设基站得需要一定的空间和时间和现场条件，在建筑施工和运维场景中，空间大，环境多变，持续稳定性也较差。其次，采用Outside-in技术的定位一般需要头戴显示器，即适合AR/MR眼镜或头显，它们相对昂贵，目前的硬件体验也很难支持施工和运维场景的可视化应用，我们看到行业内有一些企业进行了一些探索，但在当下我们认为不具备可实施性和高ROI。

  

GPS定位与北斗卫星定位：

   

我们比较广泛知道的、在个人设备上用的也普遍的，就是在室外可以用GPS定位或北斗卫星定位。目前，GPS与北斗室外定位精度可达3~10米，基本满足了人们在室外场景中对位置服务的需求。如人员搜索、位置查找、交通管理、行车导航、行走路线规划等…虽然其覆盖面积广、信号稳定，但其精度较低，同时受天气、建筑、位置等的影响，此精度范围很难满足建筑与市政工程的场景需求，因此需要进行针对性的优化。

  

以见的创新方案

 

融合二维码初始定位和SLAM持续定位的室内定位方案： 

  

以见综合考虑了建筑工程室内的典型环境、移动设备高效便捷可行的操作方法与策略、以及在相应定位精度下使用BIM+AR技术可服务的建筑生命周期不同场景需求。采取了以移动设备后置摄像头进行单目视觉惯性里程计（VIO）计算为核心的方法，结合二维码识别进行初始定位与坐标匹配，综合单目摄像头、LiDAR和移动设备内置的陀螺仪、加速度传感器进行小范围场景内SLAM技术定位方案。

  

用户开启一见®BIM+AR系列软件，使用图像识别和局部空间优化的方法，对二维码位置、模型位置和真实建筑物相对关系进行判别，而后户在使用移动设备时，移动设备背后的摄像头会随时捕捉环境的特征点，并通过光学映射和数学计算，建立起和移动设备绑定的，随时更新的相机坐标系。

 

 

随着用户在建筑环境中的走动，越来越多的环境特征点将被采集，并与真实世界坐标体系绑定，移动设备能够感知并捕捉到一个和真实建筑体量、位置、尺寸一致的特征点集束，并将屏幕上需要绘制出的虚拟的模型位置与这些特征点集束进行配准，达到移动设备的相机坐标系和真实世界坐标系位置关系一一对应的情况。

   

在一个标准的建筑空间中，以见通过领先的计算机视觉技术，对建筑的角点、边缘等纹理特征丰富的位置，捕捉并建立了半稠密的点云图，并将虚拟的BIM模型，通过特征匹配和坐标系对齐的方式，与真实建筑空间匹配，精度可以达到5厘米左右，在最新含有LiDAR的iOS设备上，精度可以达到1~3厘米。

 

融合RTK初始定位和SLAM持续定位的室外定位方案：

 

以见综合考虑了建筑工程与市政工程室外的典型环境、移动设备高效便捷可行的操作方法与策略、以及在相应定位精度下使用BIM+AR技术可服务的建筑、市政工程生命周期不同场景需求。采取了以移动设备后置摄像头进行单目视觉惯性里程计（VIO）计算为核心的方法，结合北斗定位实时动态技术（RTK）信息生成二维码进行初始定位与经纬度坐标匹配，综合单目摄像头、LiDAR和移动设备内置的陀螺仪、加速度传感器进行小范围场景内SLAM技术定位方案。

  

我们自主设计硬件与嵌入式软件，将树莓派、北斗RTK解算芯片、自主设计的电路板、墨水显示屏等硬件组装成大尺度环境室外实时定位硬件，可以与GIS结合并可实施生成高精度的室外定位信息与图案码，与一见®BIM+AR平台软件配合使用。使用北斗RTK（Real-Time Kinematic，实时动态）载波相位差分技术和卡尔曼滤波技术对大尺度室外环境下的定位进行厘米级优化。

 

以见科技自研的智能定位硬件设备

  

用户通过手持移动设备和一见AR智能定位设备，获得RTK给定的定位点GPS信息,并对RTK获得的定位点GPS信息进行处理,获得定位点在大地坐标系中的坐标;通过坐标转换算法，将大地坐标系转换为空间直角坐标系，达成空间直角坐标系与AR中世界坐标系的统一，而后在移动设备上，通过屏幕绘制与映射，完成AR图像在真实位置的叠加。

 

GPS动态测量

 

 

该技术能够实现增强现实场景(虚拟世界)与真实场景的高精度叠加，而且整个过程中可实现增强现实场景与真实世界的坐标实时同步，通过特征匹配和坐标系对齐的方式，与真实建筑空间匹配，精度可以达到5厘米左右。

 

 

多种算法统一坐标系（室内建筑三维坐标系和室外GIS坐标系）： 

 

BIM+AR技术领域，常常有不同坐标系的差别，在软件应用中如何统一这些坐标系，并建立一个标准的度量准则和尺度标准，成为了应用延拓的基础。

以见的算法团队和软件工程团队综合考量了以下多种坐标体系标准，包括：BIM建模软件的三维坐标系、原点与定位基点、左右手体系；AR相机在进行SLAM方法时建立的世界坐标系，以及如何实时更新的AR相机位置；使用游戏引擎进行三维数据加载和可视化时的三维坐标系、原点、左右手体系；GIS底图或应用中的球面坐标系、原点与经纬度转换等问题。

 

欧几里得变换

 

球面坐标系和直角坐标系变换

 

我们建立了多套基于四元数、欧拉角、旋转矩阵和旋转向量方法的坐标系转换体系，同时将其应用在一见AR系列软件软件内内置贴码工具、内置坐标对齐工具中，达到了多种定位信息的转换与坐标信息的统一，为未来应用中基于BIM空间位置和GIS系统进行功能设计提供了技术基础。

 

方案技术特性与优点

 

现场初始定位方式便捷高效： 

 

以见基于上述SLAM+RTK的室内外综合定位技术，提供软硬件综合解决方案，提供了建筑与市政工程、室内与室外便捷与统一的现场初始定位方法，为用户带来以下便捷：

 

⚫  无需在工程现场加装或配置硬件设备、有源传感器等，或进行预先调试

 

⚫  无需采购特定设备或辅助装置

 

⚫  可直接使用软件中预制的快速贴码和对齐、微调的工具

 

⚫  联动标准规格的纸质二维码打印，进行快速张贴

 

⚫  使用移动设备一扫便可进行初始定位

 

 

我们依托200+个商业项目案例，以及上千试用客户案例，积累了丰富的建筑工程现场服务经验，以见的客户成功工程师能够结合真实工地情况，搭配数种定位方案与AR显示与优化方案，完成软硬件定位功能对建筑工程现场一线的服务与优化，为客户提供便捷与高效的软硬件定位能力。

 

 

室内和室外定位精度与连续性的平衡：

 

以见的各条产品线在以下工程场景内密集使用AR定位与显示技术：

 

⚫ 建成前现场模拟

 

⚫ 承台开挖放线

 

⚫ 预埋管线验收

 

⚫ 土建预留孔洞施工复核

 

⚫ 钢结构安装复核

 

⚫ 机电管综安装指导、验收

 

⚫ 精装修指导、验收

 

⚫ 竣工后运维应用

 

具体场景中涉及使用AR定位技术

 

我们在这些场景中提供综合定位精度2~5厘米的功能，尤其平衡了在光照条件不佳、纹理情况不明显、现场环境杂乱多变等情况下，定位精度与连续性的取舍。

 

我们也在持续探索如何优化室内外定位精度，包括更新VIO算法，设备加装SLAM模组、优化AR扫码初始定位方式和连续定位方式，更新迭代一见AR智能定位设备版本等，最终希望室内外定位方法的精度和连续性能够满足建筑工程和市政工程的应用。

 

统一全局坐标体系便利后续功能应用：

 

在软件应用中统一各类坐标系，并建立一个标准的度量准则和尺度标准后，能为我们的软件带来一系列的技术优势。

 

GIS体系对接：

 

首先是与GIS体系的对接，我们的部分软件产品中具有与GIS底图叠加与配准的功能，可通过底图经纬度和模型经纬度将模型和底图叠加在一起，通过平移和旋转按钮微调模型在底图上的位置，使模型和底图的位置关系更加吻合，并为后续室外AR应用带来支持。

 

GIS底图叠加

 

 模型和底图叠加更精确，为室外AR应用带来支持

 

空间中工单与资料挂接：

 

在建筑施工，运维场景中，三维坐标系的统一提供了基于BIM模型的空间定位功能。我们可以在空间中挂接工单和各类资料，使工单与资料具有空间位置属性，让原本结构化的工单数据和资料数据与空间产生关联，实现基于空间的历史情况复原与追溯、资料查询与使用。

 

传感器位置关联：

 

在建筑工程和市政工程施工和运维场景中，我们会进行各类传感器数据的采集，在采集后需要将这些传感器数据与GIS系统或者BIM模型绑定，打通现场工程管理和远程运营管理的信息屏障。各类BA数据与IoT数据可以通过GIS坐标定位和BIM空间定位，在虚拟世界中复现数据源的相对位置，并在实际现场1:1查看与还原，楼宇运行情况和市政运维情况一目了然，大大降低信息传递的成本和壁垒，可以全程跟踪数据反应的问题的解决情况，达到基于空间和定位信息的数据治理。

 

定位技术在产品中的运用

 

一见®BIM+AR施工助手（室内定位和室外定位）

一见®BIM+AR运维助手（室内定位）

一见®BIM+AR市政平台（室外定位）

基于SLAM+RTK的室内外综合定位技术，目前系统内提供以下几种定位方法：

 

室内定位

• 二维码定位：二维码中包含模型的定位信息。通过App扫描现实环境中的二维码，即可展现场景中已准确定位的模型。

 

 

二维码定位

 

• 两点定位：依次选取模型中的两点和现实中的对应两点，建立虚拟模型和现实环境的映射，用于在视窗中准确的放置虚拟模型。

两点定位

室外定位

• RTK设备定位：在室外开敞环境，可以基于地理信息坐标定位的方式，利用以见科技自研的智能定位硬件设备，在室外任意位置通过RTK定位的方式，实现模型基于地理坐标的空间定位。

 

以见科技自主研发的RTK定位设备

 

赋能行业，创造价值

 

基于SLAM与RTK技术，以见在一见®BIM+AR系列软件和一见AR智能硬件中提供室内外厘米级定位方法与系统，并结合大量项目实践，提供完整的工程现场定位显示方案和实施流程，以精准定位和高效显示技术助力见所未建。

 

建筑工程与市政工程正面临前所未有的挑战，一方面，时代和社会的飞速发展正在激烈地改变AEC行业需要面对的外部物质世界；另一方面，传统的作业方式和手段因古老而面临诸多内部问题。以见以多样创新方案整合BIM数据、增强现实能力、室内外定位方法、物联网数据、人工智能技术，为解决这些问题提出了自己的思考与产品，新事物的发展往往会经历一个备受质疑、到探索再到被接受的阶段，我们由衷相信，更多技术将对建筑全生命周期范式带来拓展和变革。