CN110544226A - 一种基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统，灌浆孔几何模型制作单元，摄像头视频及其位置信息采集单元，灌浆数据采集及处理单元，跟踪注册及交互展示单元；所述灌浆孔几何模型制作单元灌浆孔三维实体建模；所述摄像头视频及其位置信息采集单元通过固定在相机上的GNSS和IMU传感器，获取相机三维坐标和姿态信息，通过无线数传技术，将传感器数据传送到客户端；所述灌浆数据采集及处理单元通过数据整理和分析，将灌浆数据与灌浆孔三维实体模型动态关联，实现数据灌浆三维立体可视化；所述跟踪注册及交互展示单元通过相机三维坐标和姿态信息对虚拟相机中的灌浆孔模型进行注册，并和视频实时融合，呈现增强现实显示效果。
Description
技术领域
本发明属于水利水电施工领域，具体涉及一种基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统。
背景技术
水利工程在国民经济中占有重要地位，灌浆工程是水利工程施工中重要的一个组成部分。灌浆是将固化材料，如水泥、石灰或其他化学材料灌入基础下一定范围内的地基岩土中，以填塞岩土中的裂缝和孔隙，降低渗透性，提高岩体整体性、强度和刚度，是水工建筑物地基处理的主要措施，也是保证水利工程安全稳定运行的重要技术手段。
然而灌浆工程施工工艺复杂、施工强度高、灌浆数据量大给灌浆工程的施工管理带来了困难。如何对海量的灌浆信息数据进行分析处理并实时呈现在管理决策者眼前，使管理者掌控整个灌浆进度以及施工状态，直观有效的进行相关信息的查询和分析，保证施工过程高效有序进行是工程建设与管理亟待解决的难题。
自上世纪七十年代以来，国外某些工程开始采用计算机技术对灌浆进行数据采集，并在后续发展中实现了数据显示功能，典型系统为Computer.Aided.Grout.Evaluation.System。随着计算机技术及互联网技术的发展，针对灌浆数据进行记录和显示的软件也不断发展。在中国，中国水利水电基础工程局科学研究所与天津大学最先进行灌浆自动化的研究。1987第一台智能灌浆自动记录仪诞生促进了灌浆信息的采集，也引出了灌浆信息可视化的技术问题。缪志荣等人开发的GMS2006灌浆数据采集以及分析系统可以实现每个灌浆过程的监控，并可按规范要求自动生成灌浆施工报表及所有的统计报表和成果图。天津大学樊贵超等人提出了大坝基础帷幕灌浆实时灌浆监测和可视化分析系统，实现了数据实时采集、灌浆实时监测和动态报警、三维可视化分析和灌浆结果的统计分析等。天津大学李晓超等人建立了基于B/S结构的帷幕灌浆动态监控系统，实现了实时数据的图形展示、灌浆施工信息采集与集成、灌浆数据动态整理分析，并在苗尾工程进行应用。以上相关研究为灌浆可视化研究提供了基础，但目前研究在可视化展示仍存在以下不足：(1)灌浆可视化大都结合虚拟三维可视化模型进行展示，在三维场景中地形、地物等均采用静态信息，因而难以体现真实场景中地形、地物随时间的不断变化；(2)在建模过程中，为准确还原地形和其他空间对象，需要精细化划分网格，导致虚拟模型占用较多的系统资源，从而增加了计算机的负荷。增强现实技术AR作为可交互式虚实结合的新兴可视化技术可以有效解决以上问题。
发明内容
针对目前水电工程灌浆信息可视化展示存在的问题，本发明提供了一种基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统，通过大坝灌浆设计尺寸进行灌浆孔建模，通过全球导航卫星系统(GNSS)技术及惯性测量单元(IMU)实现对摄像头位置信息的确定，通过对灌浆数据的实时获取制作灌浆进度信息模型，通过控制终端实现灌浆信息的跟踪注册，从而实现灌浆信息的增强现实显示及交互，为水电工程灌浆管理提供可视化工具。
本发明旨在克服现有技术的不足，本发明提供的技术方案是:一种基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统，由以下单元组成：灌浆孔几何模型制作单元，摄像头视频及其位置信息采集单元，灌浆数据采集及处理单元，跟踪注册及交互展示单元。
所述灌浆孔几何模型制作单元通过大坝施工设计信息提取灌浆孔空间几何信息，如位置、深度、半径。并根据实际位置进行灌浆孔三维实体建模。
所述摄像头视频及其位置信息采集单元通过摄像头获取施工现场视频，并通过线路实时传递至控制中心。通过固定在相机上的GNSS和IMU传感器，获取相机三维坐标和姿态信息，通过无线数传技术，按照一定频率将传感器数据传送到客户端。
所述灌浆数据采集及处理单元通过灌浆记录仪器对灌浆的主要控制参数进行采集，如灌浆压力、灌浆流量、浆液的水灰比和抬动值。通过短距离无线网络和移动通信网络对灌浆数据进行实时传输。通过数据整理和分析，将灌浆数据与灌浆孔三维实体模型动态关联，实现数据灌浆三维立体可视化。
所述跟踪注册及交互展示单元通过相机三维坐标和姿态信息对虚拟相机中的灌浆孔模型进行注册，并和视频实时融合，呈现增强现实显示效果。可以通过交互进行灌浆信息查询。
有益效果
(1)基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统的可视化场景能够与施工现场保持同步并动态更新，能够将灌浆信息直接和施工现场相融合。在传统的三维环境可视化展示中，其周围的地形地物模型都是根据勘测和设计阶段的数据建立的，是静态的模型，不能随着施工的进行而实时更新，场景中枢纽区等地形地物面貌改变较大的区域会随着施工的进行和现场差距越来越大，而基于增强现实的可视化展示，则可以有效解决这个问题，以更直观、更直接的方式展示灌浆信息。
(2)基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统无需建立地形和其他空间模型。传统的三维环境需建立庞大的地形模型，需要消耗大量的时间和资源。而基于增强现实的可视化展示不需要建立地形和其他空间模型，只需要建立用于信息储存的灌浆孔模型，节约系统制作时间和计算机资源。
附图说明
图1基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术和方法。以下实施例和附图用于说明本发明技术构成，但不是用来限定本发明的范围。
图1所示为基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统组成。
该系统由以下单元组成：灌浆孔几何模型制作单元，摄像头视频及其位置信息采集单元，灌浆数据采集及处理单元，跟踪注册及交互展示单元。
第一，灌浆孔几何模型制作单元通过大坝施工设计信息提取灌浆孔空间几何信息，并根据相关信息进行灌浆孔三维实体建模。其主要相关数据包括灌浆孔编号，灌浆孔段号、孔口坐标、混凝土覆盖厚度、段长、灌浆孔段长和、灌浆孔直径、灌浆孔方位角、灌浆孔倾角。通过计算每个灌浆孔每段的顶部中心点和底部中心点的坐标，利用相关函数进行模型构建，生成对应可视化灌浆孔几何模型，并将所建立的模型导入系统。
第二，摄像头视频及其位置信息采集单元通过摄像头获取施工现场视频，并通过线路实时传递至控制中心。通过固定在相机上的GNSS和IMU传感器，利用无线数传技术，按照一定频率将传感器数据传送到客户端，获取相机三维坐标和姿态信息。摄像头可通过自带的相机，实时采集施工现场的视频并通过图传技术传回至数据中心。固定在相机上的GNSS通过自带的卫星定位数据传输系统进行数据传输至数据中心。同时IMU传感器通过无线数传将数据同步传输至数据中心。
第三，灌浆数据采集及处理单元通过灌浆记录仪器对灌浆的主要控制参数进行采集。通过短距离无线网络和移动通信网络对灌浆数据进行实时传输。通过数据整理和分析，将灌浆数据与灌浆孔三维实体模型动态关联，实现数据灌浆三维立体可视化。灌浆数据采集及模型制作单元通过短距离无线网络和移动通信网络相结合的灌浆监控网络实时采集灌浆数据和成果数据，其中实时数据包括灌浆压力、流量、密度和抬动值，成果数据包括单位注灰量、透水率、注浆量等参数。通过Web上传技术实现设计信息、灌后检查信息、图片信息、灌浆孔几何属性信息的采集。Web上传技术是指根据用户的需求，对其上传的文件格式(Excel、Txt和JPG等)进行接口开发，用户只需上传满足接口要求的文件，即可实现数据从本地文件到数据库的动态存储。通过Unity WebGL插件实现模型数据在服务器终端的发布。通过几何模型脚本中预设的数据接口将灌浆数据与几何模型链接起来，实现灌浆数据信息实时动态三维建模。
第四，跟踪注册及交互展示单元通过相机三维坐标和姿态信息对虚拟相机中的灌浆孔模型进行注册，并和视频实时融合，呈现增强现实显示效果。可以通过交互进行灌浆信息进行查询。跟踪注册单元根据相机三维坐标和姿态信息在虚拟大坝空间中对摄像机位置进行跟踪。并通过虚拟相机得到对应角度观察的灌浆孔虚拟模型注册。虚拟模型通过和实时传输的视频流进行融合得到增强现实中现实的灌浆孔。交互展示单元可以通过鼠标和键盘与控制中心的电脑进行交互，查询显示不同灌浆信息。灌浆信息包括：灌浆孔几何信息和灌浆信息。几何信息包括灌浆孔编号，灌浆孔段号、孔口坐标、混凝土覆盖厚度、段长、灌浆孔段长和、灌浆孔直径、灌浆孔方位角、灌浆孔倾角。灌浆信息包括灌浆压力、流量、密度、抬动值、单位注灰量、透水率、注浆量。
Claims (2)
1.一种基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统，其特征在于，由以下单元组成：灌浆孔几何模型制作单元，摄像头视频及其位置信息采集单元，灌浆数据采集及处理单元，跟踪注册及交互展示单元；
所述灌浆孔几何模型制作单元通过大坝施工设计信息提取灌浆孔空间几何信息，如位置、深度、半径，并根据实际位置进行灌浆孔三维实体建模；
所述摄像头视频及其位置信息采集单元通过摄像头获取施工现场视频，并通过线路实时传递至控制中心；
通过固定在相机上的GNSS和IMU传感器，获取相机三维坐标和姿态信息，通过无线数传技术，将传感器数据传送到客户端；
所述灌浆数据采集及处理单元通过灌浆记录仪器对灌浆的主要控制参数进行采集，如灌浆压力、灌浆流量、浆液的水灰比和抬动值；
通过短距离无线网络和移动通信网络对灌浆数据进行实时传输。通过数据整理和分析，将灌浆数据与灌浆孔三维实体模型动态关联，实现数据灌浆三维立体可视化；
所述跟踪注册及交互展示单元通过相机三维坐标和姿态信息对虚拟相机中的灌浆孔模型进行注册，并和视频实时融合，呈现增强现实显示效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于增强现实技术的水电工程灌浆信息实时展示系统，其特征在于，通过交互进行灌浆信息查询。
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