基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法技术

本发明专利技术公开了一种基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法，包括虚拟模型和平台的准备、虚拟与施工现场坐标的转换与匹配、施工现场坐标高程实时展示与信息放置、虚拟模型的施工现场定位、施工现场的距离量测、虚拟施工辅助线的施工现场绘制、虚拟模型位置信息的存储与共享。本发明专利技术优点在于将移动增强现实技术应用于工程现场施工中，实现将虚拟模型按原设计尺寸准确放置在施工现场，提前展现工程完工后的形象，在工程施工开挖放线、坐标和高程查询、精确距离量测等各方面，起到辅助现场施工作业、加快各方对工程的理解，达到加快施工进度、节省工程施工投资目的。

【技术实现步骤摘要】
基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法
本专利技术涉及增强现实
，尤其是涉及基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法。
技术介绍
增强现实(英文：AugmentedReality，简称AR)，是一种在现实场景中叠加虚拟文字、图像、三维模型的可视化技术。随着智能手机、Ipad（笔记本电脑、平板电脑）等移动终端设备性能的提升，以及相关空间感知技术的完善，增强现实技术逐步从PC端走向移动端，从叠加简单图片、文字的二维增强现实走向感知现实三维空间，并能够在现实空间上准确放置三维虚拟模型的三维增强现实。目前，移动增强现实技术只应用在游戏和一些公共辅助服务上，且多是二维增强现实技术的应用，人们试图将移动增强现实技术与建筑信息模型(英文：BuildingInformationModeling，缩写：BIM)相结合应用于工程现场施工，但目前尚未见诸有关工程现场施工应用移动三维增强现实技术的报道。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法，实现辅助现场施工、加快施工进度、节省投资。为实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：本专利技术所述基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法，包括虚拟模型和平台的准备、虚拟与施工现场坐标的转换与匹配、施工现场坐标高程实时展示与信息放置、虚拟模型的施工现场定位、施工现场的距离量测、虚拟施工辅助线的施工现场绘制、虚拟模型位置信息的存储与共享；所述虚拟模型和平台的准备方法为：通过将采用三维设计软件如Microstation构建的完整工程三维设计模型，以DAE格式导出到Mac系统的Scenekit三维引擎中，并采用Xcode9.0以上版本的开发工具基于Arkit接口开发系统，并安装在移动终端设备上，完成虚拟模型的准备和现场放置；所述虚拟与施工现场坐标的转换与匹配方法，按照下述步骤进行：步骤1、建立基于Arkit接口开发的应用系统，即：当移动终端设备在应用启动时自动建立一个虚拟坐标系，所述虚拟坐标系以应用开启时所述移动终端设备的相机所在位置为原点，以移动终端设备左右方向为X轴、以竖直方向为Y轴、以前后方向为Z轴；步骤2、通过将带有桩点现场坐标信息的二维码贴在施工现场两个桩点上；步骤3、将移动终端设备置于作为坐标原点的第一个所述桩点正上方近距扫描其上的二维码，获得该桩点的现场坐标系的现场坐标，并同步获取移动终端设备此时在虚拟坐标系中的虚拟坐标；通过对比该现场坐标与该虚拟坐标，修正虚拟坐标系的坐标原点位置；步骤4、在方向修正方面，通过扫描第二个所述桩点上的二维码，获取第二个桩点的所述现场坐标系的现场坐标，和此时移动终端设备在虚拟坐标系中的虚拟坐标，然后通过几何计算获得该虚拟坐标X轴指向东西向需要旋转的角度，并对该虚拟坐标X轴进行相应角度的旋转，将虚拟坐标Z轴反转180度，从而最终完成虚拟坐标与现场坐标的匹配；所述施工现场坐标高程实时展示与信息放置方法为：通过ARKit接口以每秒30次的频率获得所述移动终端设备的实时所述虚拟坐标，经坐标转换后，相应以每秒30次的频率获得移动终端设备在施工现场的现场坐标，然后通过构建label控件实时显示所述现场坐标信息；将现场坐标信息放置在施工现场的方法为：通过SceneKit接口在指定位置构建一个球模型和一个文字模型，并放置在施工现场中，文字的内容即为移动终端设备实时坐标的X,Y,Z值；所述虚拟模型的施工现场定位方法为：按真实尺寸设置虚拟模型大小，将移动终端设备置于所述虚拟模型的基点现场坐标位置后放置虚拟模型，并通过在移动终端设备屏幕上的手势旋转操作，即双触点旋转操作，对虚拟模型进行沿Z轴方向即竖直方向的旋转，使虚拟模型定位到施工现场的施工场景中；所述施工现场的距离量测方法为：包括以移动终端设备屏幕触点位置量测，和以移动终端设备屏幕触点射线与施工现场平面交点位置量测两种方法；当以移动终端设备屏幕触点位置量测施工现场尺寸时，实时获取移动终端设备测量起止点屏幕触点位置坐标信息，然后通过距离公式得到测量结果；当以移动终端设备屏幕触点射线与施工现场平面交点位置量测施工现场尺寸时，实时获取移动终端设备测量起止点屏幕触点位置，并以该屏幕触点位置垂直屏幕发射射线与移动终端设备检测到的施工现场平面相交，以两次的交点坐标计算量测距离；所述虚拟施工辅助线的施工现场绘制方法为：以施工辅助线的控制点坐标为依据，采用两种方式绘制虚拟施工辅助线，分别为：一、以移动终端设备屏幕触点位置的方式绘制悬空的三维施工辅助线；二、以移动终端设备屏幕触点射线与施工现场平面交点的方式绘制贴地的施工辅助线；上述两种虚拟施工辅助线的绘制均采用Scenekit提供的基础模型构建功能构建线模型，并放置在相应的施工现场位置上；所述虚拟模型位置信息的存储与共享方法为：通过保存放置在施工现场中模型的ID、模型的基点位置、模型沿Z轴即竖直方向的旋转角度信息到后台数据库，其他用户采取相同的二维码扫描方式匹配坐标后，通过获取所述后台数据库的模型信息，系统自动以同样位置和角度放置同一个模型到施工现场的场景中，从而实现虚拟模型位置信息的存储与共享。本专利技术优点在于将移动增强现实技术应用于工程现场施工中，实现将虚拟模型按原设计尺寸准确放置在施工现场，提前展现工程完工后的形象，在工程施工开挖放线、坐标和高程查询、精确距离量测等各方面，起到辅助现场施工作业、加快各方对工程的理解，达到加快施工进度、节省工程施工投资目的。附图说明图1是本专利技术的应用流程图。图2是本专利技术所述虚拟坐标系与现场坐标系转换与匹配的流程图。图3是本专利技术所述虚拟坐标系与现场坐标系转换的原理图。图4是本专利技术所述将放置在施工现场中的虚拟模型信息进行存储和共享的原理框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。如图1-4所示，本专利技术所述基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法，包括虚拟模型和平台的准备、虚拟与施工现场坐标的转换与匹配、施工现场坐标高程实时展示与信息放置、虚拟模型的施工现场定位、施工现场的距离量测、虚拟施工辅助线的施工现场绘制、虚拟模型位置信息的存储与共享；虚拟模型和平台的准备方法为：通过将采用三维设计软件如Microstation构建的完整工程三维设计模型，以DAE格式导出到Mac系统的Scenekit三维引擎中，并采用Xcode9.0以上版本的开发工具基于Arkit接口(集成在Xcode9.0以上开发工具上)开发系统，并安装在IOS11.0以上版本的移动终端设备上，完成虚拟模型的准备和现场放置。要想将虚拟模型准确放置在施工现场中，必须实现虚拟坐标与现场坐标的转换与匹配。这是因为工程施工现场往往采用基于固定桩点的现场坐标系，该坐标系以某固定桩点为坐标原点，以东西方向为X轴，以南北方向为Y轴，以竖直方向为Z轴。通过将工程三维设计模型导入到Scenekit等三维引擎中后，采用Arkit等移动增强现实接口开发工程移动增强现实应用系统，如图2所示，即：当移动终端设备在应用启动时自动建立一个虚拟坐标系，所述虚拟坐标系以应用开启时所述移动终端设备的相机所在位置为原点，以移动终本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法，其特征在于：包括虚拟模型和平台的准备、虚拟与施工现场坐标的转换与匹配、施工现场坐标高程实时展示与信息放置、虚拟模型的施工现场定位、施工现场的距离量测、虚拟施工辅助线的施工现场绘制、虚拟模型位置信息的存储与共享；所述虚拟模型和平台的准备方法为：通过将采用三维设计软件如Microstation构建的完整工程三维设计模型，以DAE格式导出到Mac系统的Scenekit三维引擎中，并采用Xcode9.0以上版本的开发工具基于Arkit接口开发系统，并安装在移动终端设备上，完成虚拟模型的准备和现场放置；所述虚拟与施工现场坐标的转换与匹配方法，按照下述步骤进行：步骤1、建立基于Arkit接口开发的应用系统，即：当移动终端设备在应用启动时自动建立一个虚拟坐标系，所述虚拟坐标系以应用开启时所述移动终端设备的相机所在位置为原点，以移动终端设备左右方向为X轴、以竖直方向为Y轴、以前后方向为Z轴；步骤2、通过将带有桩点现场坐标信息的二维码贴在施工现场两个桩点上；步骤3、将移动终端设备置于作为坐标原点的第一个所述桩点正上方近距扫描其上的二维码，获得该桩点现场坐标系的现场坐标，并同步获取移动终端设备此时在虚拟坐标系中的虚拟坐标；通过对比该现场坐标与虚拟坐标，修正虚拟坐标系的坐标原点位置；步骤4、在方向修正方面，通过扫描第二个所述桩点上的二维码，获取第二个桩点的所述现场坐标，和此时移动终端设备在虚拟坐标系中的虚拟坐标，然后通过几何计算获得该虚拟坐标X轴指向东西向需要旋转的角度，并对该虚拟坐标X轴进行相应角度的旋转，将虚拟坐标Z轴反转180度，从而最终完成虚拟坐标与现场坐标的匹配；所述施工现场坐标高程实时展示与信息放置方法为：通过ARKit接口以每秒30次的频率获得所述移动终端设备的实时所述虚拟坐标，经坐标转换后，相应以每秒30次的频率获得移动终端设备在施工现场的现场坐标，然后通过构建label控件实时显示所述现场坐标信息；将现场坐标信息放置在施工现场的方法为：通过SceneKit接口在指定位置构建一个球模型和一个文字模型，并放置在施工现场中，文字的内容即为移动终端设备实时坐标的X,Y,Z值；所述虚拟模型的施工现场定位方法为：按真实尺寸设置虚拟模型大小，将移动终端设备置于所述虚拟模型的基点现场坐标位置后放置虚拟模型，并通过在移动终端设备屏幕上的手势旋转操作，即双触点旋转操作，对虚拟模型进行沿Z轴方向即竖直方向的旋转，使虚拟模型定位到施工现场的施工场景中；所述施工现场的距离量测方法为：包括以移动终端设备屏幕触点位置量测，和以移动终端设备屏幕触点射线与施工现场平面交点位置量测两种方法；当以移动终端设备屏幕触点位置量测施工现场尺寸时，实时获取移动终端设备测量起止点屏幕触点位置坐标信息，然后通过距离公式得到测量结果；当以移动终端设备屏幕触点射线与施工现场平面交点位置量测施工现场尺寸时，实时获取移动终端设备测量起止点屏幕触点位置，并以该屏幕触点位置垂直屏幕发射射线与移动终端设备检测到的施工现场平面相交，以两次的交点坐标计算量测距离；所述虚拟施工辅助线的施工现场绘制方法为：以施工辅助线的控制点坐标为依据，采用两种方式绘制虚拟施工辅助线，分别为：一、以移动终端设备屏幕触点位置的方式绘制悬空的三维施工辅助线；二、以移动终端设备屏幕触点射线与施工现场平面交点的方式绘制贴地的施工辅助线；上述两种虚拟施工辅助线的绘制均采用Scenekit提供的基础模型构建功能构建线模型，并放置在相应的施工现场位置上；所述虚拟模型位置信息的存储与共享方法为：通过保存放置在施工现场中模型的ID、模型的基点位置、模型沿Z轴即竖直方向的旋转角度信息到后台数据库，其他用户采取相同的二维码扫描方式匹配坐标后，通过获取所述后台数据库的模型信息，系统自动以同样位置和角度放置同一个模型到施工现场的场景中，从而实现虚拟模型位置信息的存储与共享。...

【技术特征摘要】
1.一种基于移动增强现实技术和BIM的工程施工放样方法，其特征在于：包括虚拟模型和平台的准备、虚拟与施工现场坐标的转换与匹配、施工现场坐标高程实时展示与信息放置、虚拟模型的施工现场定位、施工现场的距离量测、虚拟施工辅助线的施工现场绘制、虚拟模型位置信息的存储与共享；所述虚拟模型和平台的准备方法为：通过将采用三维设计软件如Microstation构建的完整工程三维设计模型，以DAE格式导出到Mac系统的Scenekit三维引擎中，并采用Xcode9.0以上版本的开发工具基于Arkit接口开发系统，并安装在移动终端设备上，完成虚拟模型的准备和现场放置；所述虚拟与施工现场坐标的转换与匹配方法，按照下述步骤进行：步骤1、建立基于Arkit接口开发的应用系统，即：当移动终端设备在应用启动时自动建立一个虚拟坐标系，所述虚拟坐标系以应用开启时所述移动终端设备的相机所在位置为原点，以移动终端设备左右方向为X轴、以竖直方向为Y轴、以前后方向为Z轴；步骤2、通过将带有桩点现场坐标信息的二维码贴在施工现场两个桩点上；步骤3、将移动终端设备置于作为坐标原点的第一个所述桩点正上方近距扫描其上的二维码，获得该桩点现场坐标系的现场坐标，并同步获取移动终端设备此时在虚拟坐标系中的虚拟坐标；通过对比该现场坐标与虚拟坐标，修正虚拟坐标系的坐标原点位置；步骤4、在方向修正方面，通过扫描第二个所述桩点上的二维码，获取第二个桩点的所述现场坐标，和此时移动终端设备在虚拟坐标系中的虚拟坐标，然后通过几何计算获得该虚拟坐标X轴指向东西向需要旋转的角度，并对该虚拟坐标X轴进行相应角度的旋转，将虚拟坐标Z轴反转180度，从而最终完成虚拟坐标与现场坐标的匹配；所述施工现场坐标高程实时展示与信息放置方法为：通过ARKit接口以每秒30次的频率获得所述移动终端设备的实时所述虚拟坐标，经坐标转换后，相应以每秒30次的频率获得移动终端设备在施工现场的现场坐标，然后通过构...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈志刚，高英，马山玉，白勇，侯燕，李政鹏，曲晓宁，葛均建，尚银磊，刘建龙，
申请(专利权)人：河南省水利勘测设计研究有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41