曾思遠(yuǎn)，曹生榮，鄧 飛，嚴(yán) 鵬，李 爽

(1. 深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；3. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430072)

1 技術(shù)現(xiàn)狀與現(xiàn)實需求

由于城市的快速發(fā)展以及水資源的分布不均，各地興建了許多調(diào)水、引水工程來保證水資源的供給。其中，輸水隧洞作為最主要也是最重要的輸水建筑物，其能否穩(wěn)定運行將直接影響城市水資源供給的安全穩(wěn)定[1-2]。

為了掌握隧洞的運行狀態(tài)和安全狀態(tài)，保障輸水，隧洞的管養(yǎng)巡檢工作極其重要[3]。城市供水保障要求極高，隧洞檢修期一再壓縮，時間緊迫。目前大多數(shù)隧洞的管養(yǎng)巡檢仍然是以傳統(tǒng)模式為主，依靠目測或初級測量工具，存在以下一些問題：①傳統(tǒng)的人工巡檢/管理模式效率較低，費時費力，工作強度高；②巡檢效果與人員的素質(zhì)和工程經(jīng)驗等職業(yè)素養(yǎng)密切相關(guān)，容易出現(xiàn)較大誤差，準(zhǔn)確性難以保障；③諸多工程相關(guān)的設(shè)計資料、施工、運行監(jiān)測和管養(yǎng)巡檢資料都是以傳統(tǒng)的文字檔案儲存，其可讀性、可傳播性和共享性均較差，并且資料丟失了難以找回[4]。④傳統(tǒng)的資料檔案難以數(shù)字化，無法利用現(xiàn)代的信息技術(shù)/網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高工作效率。

由于輸水隧洞傳統(tǒng)管養(yǎng)巡檢模式存在著種種缺點，無法滿足現(xiàn)代化管理的需要。我們需跳出傳統(tǒng)模式的困境，有效提高數(shù)據(jù)資料的集成度、提高數(shù)據(jù)資料的可視化水平、優(yōu)化管理模式，因此，筆者進(jìn)行了基于“AR”的現(xiàn)代化輸水隧洞管養(yǎng)巡檢平臺的研究。

所建立的平臺具有以下特點：①快速、高效；②所建立的三維模型可以再現(xiàn)真實場景；③精度高；④自動實現(xiàn)對隧洞空間數(shù)據(jù)的快速處理，全自動識別相關(guān)缺陷；⑤工作人員使用手機拍照然后上傳相關(guān)信息，系統(tǒng)內(nèi)即可自動更新信息。該平臺解決了人工巡檢難度大、速度慢、危險系數(shù)高等缺陷；能識別肉眼難以分辨的細(xì)微裂紋等病害；能有效提高數(shù)據(jù)資料的集成度、提高數(shù)據(jù)資料的可視化水平；能實時掌握隧洞運行狀態(tài)，為管理部門提供決策支持變革傳統(tǒng)的巡檢管理模式。因此，該平臺的建立與應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 平臺體系與框架構(gòu)建

2.1 結(jié)構(gòu)體系

輸水隧洞管養(yǎng)巡檢智能AR平臺從結(jié)構(gòu)體系上分析，可以劃分為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)。圖1為平臺結(jié)構(gòu)體系簡圖。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)體系圖

2.2 平臺全流程解決方案

平臺全流程解決方案主要有三部分，分別為：數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)處理和二次開發(fā)。其流程圖如圖2所示。

圖2 平臺全流程解決方案圖

1)數(shù)據(jù)源。即平臺需要處理的圖像數(shù)據(jù)，主要有通過專業(yè)傾斜攝影測量車所采集的影像、巡檢人員智能手機拍照所得圖片和上傳的以往巡檢圖片資料等。

2)數(shù)據(jù)處理。即對上傳至系統(tǒng)的圖像資料進(jìn)行相應(yīng)的處理，以得到我們需要的成果。主要處理技術(shù)有三維全自動化建模系統(tǒng)(DP-Smart)、精細(xì)化建模系統(tǒng)(DP-Modeler)和增強現(xiàn)實系統(tǒng)(AR-Explorer)。

3)二次開發(fā)?；贏R開發(fā)面向用戶的輸水隧洞管養(yǎng)巡檢智能平臺，使其易于管理人員操作，優(yōu)化管理模式。

2.3 數(shù)據(jù)庫

平臺會將所有上傳的信息和經(jīng)過平臺處理的信息儲存在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)工作人員在平臺上執(zhí)行操作時，相關(guān)數(shù)據(jù)會自動從相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中調(diào)出，經(jīng)平臺處理后，會以工作人員選擇的形式展現(xiàn)，十分直觀。

平臺主要使用的數(shù)據(jù)庫有：①資料庫：存有工程設(shè)計資料、施工記錄、驗收記錄、竣工圖、補強加固記錄和管養(yǎng)巡檢記錄等，在建模及工作人員查看以往資料時調(diào)用；②料性能庫：存有包括各類巖體、混凝土、型鋼和碳纖維布等材料的各項性能指標(biāo)，所有指標(biāo)均從相應(yīng)規(guī)范中獲??；③像庫：存有在全面管養(yǎng)巡檢時所拍攝的超高清影像、對于局部不清晰處的特寫影像和工作人員智能手機拍攝的局部影像等，在平臺建模、識別缺陷、缺陷發(fā)展追蹤時調(diào)用；④維模型庫：存有各期經(jīng)過DP-Smart和DP-Modeler處理后建立的三維實景模型，在工作人員“漫游”、識別缺陷和動態(tài)對比時調(diào)用；⑤陷庫：存有完備的輸水隧洞存在的各類缺陷及其相關(guān)形態(tài)，在執(zhí)行與缺陷有關(guān)操作時調(diào)用；⑥斷標(biāo)準(zhǔn)庫：存有圖像識別的判斷標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行缺陷識別和動態(tài)對比時調(diào)用；⑦算模型與參數(shù)庫:存有計算缺陷的幾何參數(shù)的各類模型與計算參數(shù)，在進(jìn)行缺陷識別時調(diào)用。

2.4 功能

針對傳統(tǒng)的輸水隧洞管養(yǎng)巡檢模式存在的問題，筆者基于增強現(xiàn)實技術(shù)，應(yīng)用DP-Smart和DP-Modeler，完成該平臺的構(gòu)建。平臺具有的主要功能有：

1)三維全景建模?；跀z影測量和計算機視覺算法，支持密集點云生成，全自動生成高精度實景三維模型，并且可以兼容多種數(shù)據(jù)源?；贏R，通過對輸水隧洞內(nèi)部實景信息的多角度采集，精細(xì)化、高精度建模后，可以很好地再現(xiàn)隧洞內(nèi)部的實況，使得工作人員無需下到隧洞里也能全面掌握隧洞內(nèi)的情況。

2)信息與資料的綜合與集成。將包括輸水隧洞設(shè)計資料、施工、運行維護資料等上傳至云端數(shù)據(jù)庫保存，當(dāng)需要查詢相關(guān)信息時只需在平臺內(nèi)輸入關(guān)鍵字便可快速找到想要的資料，并且支持各類信息的對比查看。

3)缺陷自動檢測。保存各類缺陷的相關(guān)參數(shù)及對應(yīng)圖片，建立缺陷庫，當(dāng)傾斜攝影測量車或是工作人員上傳圖片時，平臺將自動識別相應(yīng)的缺陷并標(biāo)注分類，最終會對所有類型的缺陷信息進(jìn)行統(tǒng)計匯總，并以圖表的形式對缺陷情況進(jìn)行展現(xiàn)，工作人員可以按照缺陷類型或者時間進(jìn)行查詢，可以很好地掌握隧洞缺陷的概況及變化情況。進(jìn)一步的發(fā)展，是對相應(yīng)的缺陷進(jìn)行識別，將檢測出缺陷的長度、寬度等相關(guān)數(shù)據(jù)，例如裂縫的長度、寬度和深度，襯砌混凝土脫落的體積等。

4)專家遠(yuǎn)程聯(lián)合會診巡查。通過與相關(guān)專家在平臺上進(jìn)行對接，各專家首先可以通過平臺對于隧洞內(nèi)部的實景再現(xiàn)，對隧洞的運行情況有個初步判斷，然后可以直接查閱隧洞設(shè)計資料和缺陷數(shù)據(jù)等來對隧洞運行情況進(jìn)行進(jìn)一步診斷，且診斷記錄會自動以文字、圖表等形式保存，便于后續(xù)查看。

3 主要技術(shù)實現(xiàn)

3.1 技術(shù)路線

通過增強現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建集成環(huán)境；通過傾斜攝影測量技術(shù)對輸水隧洞內(nèi)部全景多角度、高精度的成像；再通過三維全自動化建模系統(tǒng)完成隧洞內(nèi)三維模型的建立，再通過精細(xì)化建模系統(tǒng)對所建立模型進(jìn)行精細(xì)化處理使模型更符合實際情況；最后再利用人工智能分析引擎通過對不同時間節(jié)點模型的對比分析，實現(xiàn)大范圍、高精度、快速的隧洞缺陷巡查及發(fā)現(xiàn)、記錄和報警。

3.2 重難點問題

由于輸水隧洞的特殊性，以及技術(shù)層面的高要求，要構(gòu)建輸水隧洞管養(yǎng)巡檢智能AR平臺，存在著以下難點：

1)輸水隧洞內(nèi)充滿水，無照明設(shè)備及通電條件，設(shè)備運行條件差。檢修期(放空期)通風(fēng)不良，濕度極大。

2)隧洞表面青苔、凹凸、裂紋、表面潮濕、混凝土掉塊等到處都是，毫無規(guī)律，環(huán)境極其復(fù)雜，對于攝影設(shè)備的要求極高?？v向坡降變化大，通行條件惡劣。

3)隧洞一般較長，在隧洞內(nèi)部通訊信號覆蓋難度大，在隧洞內(nèi)難以與外界進(jìn)行及時有效的信息傳輸。

4)為了保障供水，輸水隧洞一年一般只有20～30 d的停水檢修期，對于管養(yǎng)巡檢速度也提出了很高的要求。

5)如何在環(huán)境條件極差的隧洞內(nèi)部進(jìn)行快速有效的影像采集，并建立高精度的三維模型。

6)如何實現(xiàn)“漫游”，即使工作人員有身臨其境的感覺，能夠很直觀的觀察隧洞內(nèi)部情況。

7)如何準(zhǔn)確地識別隧洞襯砌的缺陷，例如裂縫、蜂窩麻面等；如何動態(tài)展示缺陷的擴展過程以便工作人員掌握實時情況。

3.3 主要技術(shù)措施

3.3.1 影像采集

在對隧洞進(jìn)行完整的內(nèi)部影像采集時，我們采用專用的攝影設(shè)備，包括有搬站式、移動推車式和智能巡檢機器人三種，所有設(shè)備均配有3～4個高像素的可旋轉(zhuǎn)攝像頭，可以從多角度對隧洞內(nèi)部進(jìn)行影像采集。其中移動推車式和智能巡檢機器人的檢測速度可達(dá)5～15 km/h，可以快速、全面、高精度地完成影像采集工作，使得巡檢工作速度與效率有巨大的提升。

在工作人員后期進(jìn)行巡檢時，若遇到新缺陷或是舊缺陷擴大，可以用隨身攜帶的智能手機拍照，或者用專用相機重點拍攝，后期上傳至平臺即可識別歸類，十分便捷。

3.3.2 高精度、精細(xì)化三維建模.

主要使用全自動三維建模軟件(DP-Smart)和精細(xì)化三維建模軟件(DP-Modeler)來有效地完成建模工作。

DP-Smart可以從多視影像，全自動生成高還原的三維模型。軟件基于攝影測量、計算機視覺與計算幾何算法，支持密集點云生成、構(gòu)建網(wǎng)格、自動紋理映射等操作，使得三維模型的建立十分迅速。軟件的處理流程如下：影像導(dǎo)入→生成密集點云→生成網(wǎng)格→自動紋理映射→輸出成果。

然而通過DP-Smart建立的三維模型，可能具有局部不清晰或是局部單元的不規(guī)則，這時便可通過DP-Modeler來處理建立的模型。

DP-Modeler支持地面影像、全景影像和激光點云等多數(shù)據(jù)源集成，并且通過其特有的攝影測量算法，可以進(jìn)行精細(xì)化單體建模以及修飾Mesh網(wǎng)格模型，有效地提高三維建模的精度及質(zhì)量。同時，還支持與AutoCAD聯(lián)動作業(yè)、支持超過一億像素的影像無縫調(diào)度、與3DS Max設(shè)計軟件聯(lián)機作業(yè)和三維模型局部修改等功能。

我們所攝得的影像資料經(jīng)過以上軟件的處理，便可以生成符合我們要求的三維實體模型。

3.3.3 增強現(xiàn)實

AR技術(shù)即增強現(xiàn)實技術(shù)，可以通過電腦直接疊加或投射畫面，可以讓使用者在真實場景下與畫面進(jìn)行有效的互動[5-6]，近年來已廣泛應(yīng)用于教學(xué)培訓(xùn)、醫(yī)療研究與解剖和工程維護等領(lǐng)域[7]。

平臺采用的增強現(xiàn)實系統(tǒng)AR-Explorer支持在三維場景中融合傾斜攝影、移動測量、手持?jǐn)?shù)碼設(shè)備獲取的多源影像，全數(shù)據(jù)兼容，也支持在三維場景中加載傾斜三維模型、CAD模型等，并且可以將三維模型和影像等數(shù)據(jù)上傳到云端。

在建立輸水隧洞三維模型后，所攝隧洞內(nèi)部影像經(jīng)過AR-Explorer處理，與模型相融合，可以將實景再現(xiàn)，提升視覺效果，使得工作人員可以更直觀地掌握隧洞運行狀態(tài)。

3.3.4 圖像智能識別

通過開發(fā)專用圖像智能識別模塊，實現(xiàn)對隧洞襯砌混凝土缺陷及病害的自動/半自動識別，主要涉及特征提取、特征選擇和圖像識別。

特征提取的作用是從圖像像素中提取可以描述目標(biāo)特性的表達(dá)量，把不同目標(biāo)間的差異映射到低維的特征空間，從而有利于壓縮數(shù)據(jù)量、提高識別率。表面缺陷檢測通常提取的特征有紋理特征、幾何形狀特征、顏色特征、變換系數(shù)特征等，用這些多信息融合的特征向量來可靠地區(qū)分不同類型的缺陷；這些特征之間一般存在冗余信息，即并不能保證特征集是最優(yōu)的，好的特征集應(yīng)具備簡約性和魯棒性，為此，還需要進(jìn)一步從特征集中選擇更有利于分類的特征，即特征的選擇。圖像識別主要根據(jù)提取的特征集來訓(xùn)練分類器，使其對表面缺陷類型進(jìn)行正確的分類識別。

3.3.5 缺陷發(fā)展追蹤與動態(tài)對比

在每年的停水檢修期進(jìn)行全面的隧洞管養(yǎng)巡檢時，使用全景攝像設(shè)備對隧洞內(nèi)部進(jìn)行攝像，由于設(shè)備使用的超高像素攝像頭，能夠清晰地展現(xiàn)隧洞內(nèi)部實景，將影響資料上傳后，通過AR-Explorer，平臺能夠智能檢測識別隧洞的缺陷及其類別并做出相應(yīng)標(biāo)注，同時計算缺項的相關(guān)幾何參數(shù)。除此之外還可以對多期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，智能識別并計算同一處缺陷在不同時間節(jié)點的形狀、大小等信息，便于工作人員了解隧洞缺陷的動態(tài)發(fā)展?fàn)顩r[8]。

4 技術(shù)指標(biāo)

在本平臺內(nèi)，可實現(xiàn)對以下隧洞襯砌缺陷與病害的智能檢測，具體類型和檢測的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 可檢測的缺陷與病害類型及技術(shù)指標(biāo)表

5 結(jié) 語

本文從輸水隧洞管養(yǎng)巡檢模式實際情況出發(fā)，期望跳出傳統(tǒng)模式的困境，開發(fā)了輸水隧洞管養(yǎng)巡檢智能AR平臺，闡述了開發(fā)該平臺的目標(biāo)，并系統(tǒng)介紹了該平臺的優(yōu)勢、特點、結(jié)構(gòu)體系和功能。

本文利用DP-Smart、DP-Modeler以及AR-Explorer等技術(shù)來構(gòu)建平臺。相關(guān)技術(shù)目前已應(yīng)用于電力巡檢、橋梁管養(yǎng)巡檢和交通隧洞管養(yǎng)巡檢等領(lǐng)域，但在輸水隧洞管養(yǎng)巡檢中應(yīng)用較少。該平臺的開發(fā)，能夠解決以往管養(yǎng)巡檢效率低、費時費力、準(zhǔn)確性得不到保證等問題，大大提高管養(yǎng)巡檢的效率與準(zhǔn)確性。同時，以往資料多以文字、圖片等形式保存，不便于對比分析且易于丟失。該平臺的建立，可將所有數(shù)據(jù)上傳至云端保存，易于調(diào)用查看、分析且不會丟失。該平臺投入使用后，將為管理者的決策提供更為準(zhǔn)確的信息，這無疑會提升其管理水平，大大降低管理成本?？勺鳛閷崿F(xiàn)全生命周期管理，開展定期的安全鑒定，制定維護和大修計劃的基礎(chǔ)性工作，將有效延長設(shè)施使用壽命，提高資產(chǎn)價值。