大型构筑物水下检测多源数据处理及可视化系统设计与实现∗

姜 艳 段安民 肖雪露

（1.中国人民解放军91404部队 秦皇岛 066000）（2.中国船舶集团有限公司第七二二研究所 武汉 430200）

1 引言

港珠澳大桥是我国国家工程，随着信息化建设的高速发展，相关部门高度重视桥梁安全监控［1］，十分关注智慧监测领域的可视化展示［2］，同时经过不断发展与建设，桥基智慧监测在整体的工作建设中上取得了很大的进步，在相关设施不断完善的进行中，对于桥基环境智慧监测部分积累了大量的基础数据，而如何有效整合、充分运用数据，提升监管和决策的精准度、有效性和科学性，是当前桥梁安全智慧监测工作的迫切需求。

在全国大数据时代的背景下，数据成为最宝贵的信息资产，可视化作为大数据产业链的最后一公里，是让漫长复杂的大数据建设可见，让数据真正可知可感的最后一环，有效地帮助用户实现“驾驭数据、洞悉价值”。而目前现状是，桥梁水下检测普遍存在“看不见、摸不到”，水下多源数据融合与展示平台空白，亟需提出一种基于大型构筑物水下检测多源数据处理及三维可视化系统。

本文基于先进的大数据处理［3］和可视化［4］技术，开发基于大数据管理平台的大型构筑物水下检测多源数据处理及可视化系统，充分整合、挖掘用户现有数据资源，并将各项关键数据进行综合展现，实现：1）海量原始数据和处理数据、结构化和非结构化数据的分布式存储和安全高效调用；2）桥基基础环境监测数据自动处理；3）桥基基础监测数据的融合和二维、三维可视化展示，数据统计、分析和预警，最大化辅助监控，提高研判效率；4）结合港珠澳大桥周边环境三维重建，支持对声学探测数据融合后的点云数据进行VR 展示，将大桥所处地理环境进行三维重建和渲染，叠加显示桥梁数据、水流数据等，实现人机交互操作查看。

2 系统总体设计

2.1 系统组成

大型水下构筑物及周边环境大数据处理及可视化系统由水下检测大数据管理平台子系统、水下检测多源数据处理子系统和水下构筑物及周边环境三维可视化子系统组成，如图1所示。

图1 大型构筑物水下检测多源数据处理及可视化系统组成

通过对水下检测大数据管理平台的开发，围绕环境监测数据处理和融合展示的关键技术问题，进行研究和技术突破，构建大型构筑物水下检测多源数据处理及可视化系统，具体设计如下：

1）水下检测大数据管理平台子系统：实现海量原始数据和处理后数据、结构化和非结构化数据的分布式存储和高效调用，实现在多用户高并发情况下的数据稳定性要求及数据安全要求［5］。

2）水下检测多源数据处理子系统：处理桥基环境监测的多波束、侧扫声呐、浅地层剖面等数据，对多波束数据获取其点云数据，侧扫声呐获取海底影像二值图，浅地层剖面数据获取地层剖面信息、地质结构信息等，实现多波束、侧扫、浅剖探测数据的融合处理，能够形成连续、整体、直观、多维图像，根据用户的需要进行多维展示，根据用户需要进行模型标准化。

3）水下构筑物及周边环境三维可视化子系统：开发桥基环境监测数据的融合及三维展示系统［6～7］，实现统计分析数据以及结合桥梁和桥墩相关标准的预警功能；结合港珠澳大桥周边环境三维重建，支持对多波束、侧扫、浅剖监测数据融合后的点云数据进行VR 展示；将港珠澳大桥所处地理环境进行三维重建和渲染，叠加显示桥梁数据、水流数据等，实现人机交互实时查看和监控。

2.2 系统开发思路

本系统首先对数据需求调研与分析，建立大数据管理Hadoop 管理平台，实现对桥梁自身数据、桥基基础环境监测数据、文档视频等异构数据、VR资源数据和用户管理等数据的标准化和统一管理，从而进行系统架构设计、系统平台开发，完成系统部署与测试；最后，系统开发思路如图2所示。

图2 系统开发思路

3 关键实现技术

3.1 水下检测大数据管理平台构建

水下检测大数据管理平台硬件由一个主控节点、6 个数据节点组成，主控节点负责调度，数据节点负责数据存储和运算，另外依据用户的屏幕情况和数据规模，规划可视化渲染工作站两台，以支撑可视化系统运行、图像渲染输出和交互控制。

在数据库设计方面，建立桥基环境监测数据数据库，包含有多波束、侧扫声呐、浅地层剖面、水下机器人监测等数据；建立海洋环境监测数据数据库，调用现有桥梁环境在线监测数据，如风、浪、流、温度、盐度等数据，开发相应API接口，获取数据并存储在本平台的数据库中；建立文档数据库，包含文档元数据信息、存储路径等，便于系统查看和下载编辑等操作；建立VR 三维数据库，包含VR 场景模型数据、渲染参数表等用于存储VR 使用过程中需使用改的资源数据。结构化数据、非结构化数据及半结构化数据以不同的存储模型存储在数据库中，通过开发特定用途的API 数据接口，安全调用数据库中的相应的数据进行进一步操作。

3.2 水下检测多源数据处理技术

在港珠澳大桥伶仃洋海洋环境下桥岛隧周边水下地形、地层状态采集过程中，由于仪器自身噪声、海况因素、声呐参数设置不合理或者使用了较大误差的声速剖面，导致测量数据不可避免地存在假信号（噪声），造成虚假地形，从而使检测的地形、地层与真实的海底存在差异；为提高水下地形、地层检测精度，必须消除这些假地形信号，对实施采集的检测数据进行编辑或者校正，剔除假信号，恢复保留真实信息，为后续人机交互成图做好必要准备，主要包括多波束数据数据后处理、浅地层剖面仪数据后处理、侧扫声呐数据后处理和多源数据融合处理。

目前国外有相对成熟的多波束数据、浅地层剖面仪数据、侧扫声呐数据后处理软件，但无论国内还是国外均没有多波束、浅剖、侧扫以及水下机器人监测数据的融合处理软件，这使得桥基水下监测相互独立，给用户带来极大不便，本系统自主研发多源数据融合处理软件，接入多波束数据、浅地层剖面仪数据、侧扫声呐数据后处理、水下机器人监测数据结果，实现桥岛隧水下多类信息数据融合，形成桥岛隧及其周围环境的整体、多维数据融合结果，供三维可视化使用，主要由数据导入、多源数据解析、数据融合以及特征提取组成，如图3所示。

图3 组成框图

1）数据导入

从数据管理功能中的统一存储区域划分的目录中选择相关的已经导入的成果数据文件，包括多波束、浅地层剖面仪、侧扫声呐经过后处理的成果数据，BIM 三维模型数据，以及水下机器人的探测数据及影像成果数据，经过数据读取暂存为备用数据，供后续的多源数据解析、三维整体模型构建做准备。

2）多源数据解析

分别对导入的多波束成果数据、浅剖成果数据、侧扫成果数据、影像数据以及BIM 模型数据进行解析以及信息提取。即多波束成果数据、浅剖成果数据以及侧扫成果数据据解析出点云信息，影像数据需要解析出经纬度、级别等信息并转换为统一模型中的坐标信息以及网格信息，BIM 模型解析出立体几何图形信息、纹理、贴图、材质等信息。

3）数据融合

将影像数据、多波束后处理数据、浅剖后处理数据、侧扫后处理数据提取出的数据进行融合处理，首先将多波束后处理数据和侧扫后处理数据融合，利用多波束声呐图像与侧扫声呐影像的匹配实现对侧扫声呐图像位置不准的校正，进而实现多波束水下地形数据与地貌数据的融合，在此基础上，与浅剖后处理数据进行垂直和水平基准的统一，并通过三角化后的多波束数据与浅剖数据求交，得到浅剖数据的实际深度值，然后对数字地表模型［8］和三维地质模型［9］进行融合建模，实现多波束后处理数据、浅剖后处理数据融合，同时基于统一坐标系，将水下机器人获取到桥基表观声/光影像数据、桥墩BIM 模型与融合后的地形、地层、地貌数据进行三维叠加，形成统一的海底地形数据、海底地层数据、地貌、桥岛隧模型数据及表观声/光影像数据。

4）特征提取

特征提取层能对地形、地层、地貌数据中特征点、特征区域进行提取，包括水平定位、高程信息等，并根据特征信息评估调整（平滑、编辑）融合数据，提高数据质量。

3.3 水下构筑物及周边环境三维可视化技术

三维可视化系统采用目前先进的Unity3d［10～11］三维引擎为基础进行开发，并且结合专业的动态海洋引擎完成桥梁现实场景模拟和桥墩周边泥沙冲刷淤积情况查看。水流及泥沙淤积冲刷基于shad⁃er技术［12］进行可视化渲染，能够完美地对其运动的状态进行表现。系统接收水位和海洋网格数据等，能够完美表现海浪的状态（海平面、浪高、海面类型等）；三维可视化系统还可以接收二维GIS 平台所提供的海面相关区域点云数据匹配相关的区域特性。

1）三维场景建模

场景地形和建筑物等实体三维模型采用3dmax 建模工具进行构建，通过现有桥梁数据和高程数据对三维场景地形进行建模，形成真实的地形模型；高程数据采用标准dem 格式，不能低于30m精度。地表三维实体模型通过3dmax 工具进行精确建模，包括建筑物、道路、植被等，最终格式为fbx格式。

2）三维场景渲染

系统采用shader 渲染技术对海洋环境进行真实模拟，能够实现海洋的浪高、光线反射、折射、多级波浪效果。

3）数据融合叠加

海洋引擎通过特征范围点阵位置、属性、时间和其它数据共同计算，并且导入到海洋引擎中进行计算，通过图形绘制算法对相关位置区域进行shader 渲染，最终叠加到海洋表面，形成不同的海面特效，表达不同的特征属性。

4）三维数据场景发布

系统界面采用Unity 界面库进行定制，包括系统设置、视角切换、功能配置、模式切换、图层可见等。可以通过导出WebGL 的方式发布到web 端，可以直接在支持html5 标准的浏览器中运行，另外也可以导出Web Player。

5）人机交互操作

系统交互采用桌面式操作方式，通过鼠标和键盘外设对场景进行交互。操作者可以在场景中进行自由漫游，也可以根据系统默认设置的自定义视角进行多视角观看。自定义视角包括俯视角、侧视角、正视角、自定义视角等几种方式。

4 系统实现与实例验证

大型构筑物水下检测多源数据处理及可视化系统整体界面如图4 所示。用户可以根据需要进行整体展示或者分项局部展示。

图4 系统界面展示

图5 桥梁整体结构

图6 桥基环境细节展示

1）桥梁整体结构重建

结合桥梁建设施工图及桥梁实景拍摄图，一比一地模拟桥梁外观及构造，为实现当桥基环境发生变化时对大桥整体所产生的影响提供直观的视觉效果。

2）桥基环境细节展示

对桥基附近水流环境，土质环境进行监测，将多波束后处理水下地形数据进行接入并进行展示。

3）融合展示

通过港珠澳大桥周边水下地形、地层实测，采集桥、岛、隧水下相关地形、地层数据，进行融合展示，如图7、图8所示。

图7 多波束与浅剖数据融合展示

图8 实测地形数据（多波束数据）与GIS影像融合

图9 桥墩周边地形冲刷显示

4）预警展示

用不同颜色表示桥基附近土质等高线，实时接入并显示监测采集到的深度数据。当水流冲刷到一警戒值时，系统会进行预警提示。

5 结语

本文针对大型构筑物水下状态大数据处理及三维可视化展示需求，通过对水下检测大数据管理平台的开发，围绕环境监测数据处理和融合展示的关键技术问题，进行研究和技术突破，开发了港珠澳大桥水下检测多源大数据处理及三维可视化展示系统，基于港珠澳大桥实测数据，验证了系统数据融合和三维展示能力，本系统研发对港珠澳大桥日常的运营和管理起到了非常重要的作用，证明了基于多源时空大数据融合构建三维实景可视化模型的可行性，对于当前云环境下多源时空大数据集成技术的研究和多源时空大数据融合构建三维实景可视化模型具有引领性参考价值。