大型構筑物水下檢測多源數據處理及可視化系統設計與實現?

姜 艷 段安民 肖雪露

（1.中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066000）（2.中國船舶集團有限公司第七二二研究所 武漢 430200）

1 引言

港珠澳大橋是我國國家工程，隨著信息化建設的高速發展，相關部門高度重視橋梁安全監控［1］，十分關注智慧監測領域的可視化展示［2］，同時經過不斷發展與建設，橋基智慧監測在整體的工作建設中上取得了很大的進步，在相關設施不斷完善的進行中，對于橋基環境智慧監測部分積累了大量的基礎數據，而如何有效整合、充分運用數據，提升監管和決策的精準度、有效性和科學性，是當前橋梁安全智慧監測工作的迫切需求。

在全國大數據時代的背景下，數據成為最寶貴的信息資產，可視化作為大數據產業鏈的最后一公里，是讓漫長復雜的大數據建設可見，讓數據真正可知可感的最后一環，有效地幫助用戶實現“駕馭數據、洞悉價值”。而目前現狀是，橋梁水下檢測普遍存在“看不見、摸不到”，水下多源數據融合與展示平臺空白，亟需提出一種基于大型構筑物水下檢測多源數據處理及三維可視化系統。

本文基于先進的大數據處理［3］和可視化［4］技術，開發基于大數據管理平臺的大型構筑物水下檢測多源數據處理及可視化系統，充分整合、挖掘用戶現有數據資源，并將各項關鍵數據進行綜合展現，實現：1）海量原始數據和處理數據、結構化和非結構化數據的分布式存儲和安全高效調用；2）橋基基礎環境監測數據自動處理；3）橋基基礎監測數據的融合和二維、三維可視化展示，數據統計、分析和預警，最大化輔助監控，提高研判效率；4）結合港珠澳大橋周邊環境三維重建，支持對聲學探測數據融合后的點云數據進行VR 展示，將大橋所處地理環境進行三維重建和渲染，疊加顯示橋梁數據、水流數據等，實現人機交互操作查看。

2 系統總體設計

2.1 系統組成

大型水下構筑物及周邊環境大數據處理及可視化系統由水下檢測大數據管理平臺子系統、水下檢測多源數據處理子系統和水下構筑物及周邊環境三維可視化子系統組成，如圖1所示。

圖1 大型構筑物水下檢測多源數據處理及可視化系統組成

通過對水下檢測大數據管理平臺的開發，圍繞環境監測數據處理和融合展示的關鍵技術問題，進行研究和技術突破，構建大型構筑物水下檢測多源數據處理及可視化系統，具體設計如下：

1）水下檢測大數據管理平臺子系統：實現海量原始數據和處理后數據、結構化和非結構化數據的分布式存儲和高效調用，實現在多用戶高并發情況下的數據穩定性要求及數據安全要求［5］。

2）水下檢測多源數據處理子系統：處理橋基環境監測的多波束、側掃聲吶、淺地層剖面等數據，對多波束數據獲取其點云數據，側掃聲吶獲取海底影像二值圖，淺地層剖面數據獲取地層剖面信息、地質結構信息等，實現多波束、側掃、淺剖探測數據的融合處理，能夠形成連續、整體、直觀、多維圖像，根據用戶的需要進行多維展示，根據用戶需要進行模型標準化。

3）水下構筑物及周邊環境三維可視化子系統：開發橋基環境監測數據的融合及三維展示系統［6～7］，實現統計分析數據以及結合橋梁和橋墩相關標準的預警功能；結合港珠澳大橋周邊環境三維重建，支持對多波束、側掃、淺剖監測數據融合后的點云數據進行VR 展示；將港珠澳大橋所處地理環境進行三維重建和渲染，疊加顯示橋梁數據、水流數據等，實現人機交互實時查看和監控。

2.2 系統開發思路

本系統首先對數據需求調研與分析，建立大數據管理Hadoop 管理平臺，實現對橋梁自身數據、橋基基礎環境監測數據、文檔視頻等異構數據、VR資源數據和用戶管理等數據的標準化和統一管理，從而進行系統架構設計、系統平臺開發，完成系統部署與測試；最后，系統開發思路如圖2所示。

圖2 系統開發思路

3 關鍵實現技術

3.1 水下檢測大數據管理平臺構建

水下檢測大數據管理平臺硬件由一個主控節點、6 個數據節點組成，主控節點負責調度，數據節點負責數據存儲和運算，另外依據用戶的屏幕情況和數據規模，規劃可視化渲染工作站兩臺，以支撐可視化系統運行、圖像渲染輸出和交互控制。

在數據庫設計方面，建立橋基環境監測數據數據庫，包含有多波束、側掃聲吶、淺地層剖面、水下機器人監測等數據；建立海洋環境監測數據數據庫，調用現有橋梁環境在線監測數據，如風、浪、流、溫度、鹽度等數據，開發相應API接口，獲取數據并存儲在本平臺的數據庫中；建立文檔數據庫，包含文檔元數據信息、存儲路徑等，便于系統查看和下載編輯等操作；建立VR 三維數據庫，包含VR 場景模型數據、渲染參數表等用于存儲VR 使用過程中需使用改的資源數據。結構化數據、非結構化數據及半結構化數據以不同的存儲模型存儲在數據庫中，通過開發特定用途的API 數據接口，安全調用數據庫中的相應的數據進行進一步操作。

3.2 水下檢測多源數據處理技術

在港珠澳大橋伶仃洋海洋環境下橋島隧周邊水下地形、地層狀態采集過程中，由于儀器自身噪聲、海況因素、聲吶參數設置不合理或者使用了較大誤差的聲速剖面，導致測量數據不可避免地存在假信號（噪聲），造成虛假地形，從而使檢測的地形、地層與真實的海底存在差異；為提高水下地形、地層檢測精度，必須消除這些假地形信號，對實施采集的檢測數據進行編輯或者校正，剔除假信號，恢復保留真實信息，為后續人機交互成圖做好必要準備，主要包括多波束數據數據后處理、淺地層剖面儀數據后處理、側掃聲吶數據后處理和多源數據融合處理。

目前國外有相對成熟的多波束數據、淺地層剖面儀數據、側掃聲吶數據后處理軟件，但無論國內還是國外均沒有多波束、淺剖、側掃以及水下機器人監測數據的融合處理軟件，這使得橋基水下監測相互獨立，給用戶帶來極大不便，本系統自主研發多源數據融合處理軟件，接入多波束數據、淺地層剖面儀數據、側掃聲吶數據后處理、水下機器人監測數據結果，實現橋島隧水下多類信息數據融合，形成橋島隧及其周圍環境的整體、多維數據融合結果，供三維可視化使用，主要由數據導入、多源數據解析、數據融合以及特征提取組成，如圖3所示。

圖3 組成框圖

1）數據導入

從數據管理功能中的統一存儲區域劃分的目錄中選擇相關的已經導入的成果數據文件，包括多波束、淺地層剖面儀、側掃聲吶經過后處理的成果數據，BIM 三維模型數據，以及水下機器人的探測數據及影像成果數據，經過數據讀取暫存為備用數據，供后續的多源數據解析、三維整體模型構建做準備。

2）多源數據解析

分別對導入的多波束成果數據、淺剖成果數據、側掃成果數據、影像數據以及BIM 模型數據進行解析以及信息提取。即多波束成果數據、淺剖成果數據以及側掃成果數據據解析出點云信息，影像數據需要解析出經緯度、級別等信息并轉換為統一模型中的坐標信息以及網格信息，BIM 模型解析出立體幾何圖形信息、紋理、貼圖、材質等信息。

3）數據融合

將影像數據、多波束后處理數據、淺剖后處理數據、側掃后處理數據提取出的數據進行融合處理，首先將多波束后處理數據和側掃后處理數據融合，利用多波束聲吶圖像與側掃聲吶影像的匹配實現對側掃聲吶圖像位置不準的校正，進而實現多波束水下地形數據與地貌數據的融合，在此基礎上，與淺剖后處理數據進行垂直和水平基準的統一，并通過三角化后的多波束數據與淺剖數據求交，得到淺剖數據的實際深度值，然后對數字地表模型［8］和三維地質模型［9］進行融合建模，實現多波束后處理數據、淺剖后處理數據融合，同時基于統一坐標系，將水下機器人獲取到橋基表觀聲/光影像數據、橋墩BIM 模型與融合后的地形、地層、地貌數據進行三維疊加，形成統一的海底地形數據、海底地層數據、地貌、橋島隧模型數據及表觀聲/光影像數據。

4）特征提取

特征提取層能對地形、地層、地貌數據中特征點、特征區域進行提取，包括水平定位、高程信息等，并根據特征信息評估調整（平滑、編輯）融合數據，提高數據質量。

3.3 水下構筑物及周邊環境三維可視化技術

三維可視化系統采用目前先進的Unity3d［10～11］三維引擎為基礎進行開發，并且結合專業的動態海洋引擎完成橋梁現實場景模擬和橋墩周邊泥沙沖刷淤積情況查看。水流及泥沙淤積沖刷基于shad?er技術［12］進行可視化渲染，能夠完美地對其運動的狀態進行表現。系統接收水位和海洋網格數據等，能夠完美表現海浪的狀態（海平面、浪高、海面類型等）；三維可視化系統還可以接收二維GIS 平臺所提供的海面相關區域點云數據匹配相關的區域特性。

1）三維場景建模

場景地形和建筑物等實體三維模型采用3dmax 建模工具進行構建，通過現有橋梁數據和高程數據對三維場景地形進行建模，形成真實的地形模型；高程數據采用標準dem 格式，不能低于30m精度。地表三維實體模型通過3dmax 工具進行精確建模，包括建筑物、道路、植被等，最終格式為fbx格式。

2）三維場景渲染

系統采用shader 渲染技術對海洋環境進行真實模擬，能夠實現海洋的浪高、光線反射、折射、多級波浪效果。

3）數據融合疊加

海洋引擎通過特征范圍點陣位置、屬性、時間和其它數據共同計算，并且導入到海洋引擎中進行計算，通過圖形繪制算法對相關位置區域進行shader 渲染，最終疊加到海洋表面，形成不同的海面特效，表達不同的特征屬性。

4）三維數據場景發布

系統界面采用Unity 界面庫進行定制，包括系統設置、視角切換、功能配置、模式切換、圖層可見等。可以通過導出WebGL 的方式發布到web 端，可以直接在支持html5 標準的瀏覽器中運行，另外也可以導出Web Player。

5）人機交互操作

系統交互采用桌面式操作方式，通過鼠標和鍵盤外設對場景進行交互。操作者可以在場景中進行自由漫游，也可以根據系統默認設置的自定義視角進行多視角觀看。自定義視角包括俯視角、側視角、正視角、自定義視角等幾種方式。

4 系統實現與實例驗證

大型構筑物水下檢測多源數據處理及可視化系統整體界面如圖4 所示。用戶可以根據需要進行整體展示或者分項局部展示。

圖4 系統界面展示

圖5 橋梁整體結構

圖6 橋基環境細節展示

1）橋梁整體結構重建

結合橋梁建設施工圖及橋梁實景拍攝圖，一比一地模擬橋梁外觀及構造，為實現當橋基環境發生變化時對大橋整體所產生的影響提供直觀的視覺效果。

2）橋基環境細節展示

對橋基附近水流環境，土質環境進行監測，將多波束后處理水下地形數據進行接入并進行展示。

3）融合展示

通過港珠澳大橋周邊水下地形、地層實測，采集橋、島、隧水下相關地形、地層數據，進行融合展示，如圖7、圖8所示。

圖7 多波束與淺剖數據融合展示

圖8 實測地形數據（多波束數據）與GIS影像融合

圖9 橋墩周邊地形沖刷顯示

4）預警展示

用不同顏色表示橋基附近土質等高線，實時接入并顯示監測采集到的深度數據。當水流沖刷到一警戒值時，系統會進行預警提示。

5 結語

本文針對大型構筑物水下狀態大數據處理及三維可視化展示需求，通過對水下檢測大數據管理平臺的開發，圍繞環境監測數據處理和融合展示的關鍵技術問題，進行研究和技術突破，開發了港珠澳大橋水下檢測多源大數據處理及三維可視化展示系統，基于港珠澳大橋實測數據，驗證了系統數據融合和三維展示能力，本系統研發對港珠澳大橋日常的運營和管理起到了非常重要的作用，證明了基于多源時空大數據融合構建三維實景可視化模型的可行性，對于當前云環境下多源時空大數據集成技術的研究和多源時空大數據融合構建三維實景可視化模型具有引領性參考價值。