基于AR技術(shù)的地震勘探現(xiàn)場實景導(dǎo)航技術(shù)及其應(yīng)用研究

摘 要：在地震勘探現(xiàn)場，為保證地震勘探原始資料的質(zhì)量，及時獲取激發(fā)后的地層數(shù)據(jù)，需要提前將節(jié)點、檢波點等儀器放置在激發(fā)炮點的周圍用以收集地震波信息，此種操作即為放樣作業(yè)。文中運用AR技術(shù)解決傳統(tǒng)放樣作業(yè)中難以實現(xiàn)復(fù)雜場景下無樁號節(jié)點放樣的問題?；陬^戴式AR設(shè)備，通過對高精度定位坐標傳輸通信技術(shù)、北斗差分和AR頭顯融合技術(shù)、基于多目標點視覺定位追蹤測量技術(shù)等進行研究，研發(fā)出了一套AR智能高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)。在地震隊中進行了實際應(yīng)用，任務(wù)數(shù)據(jù)載入流暢，視覺定位精度達到分米級，能夠有效完成導(dǎo)航任務(wù)，滿足現(xiàn)場獲取目標作業(yè)點的放樣需求。該研究有效解決了物探采集場景復(fù)雜勘探地形下的放樣問題，改變了地震隊的傳統(tǒng)施工模式，引領(lǐng)地震勘探從人工有線勘探向智能無線節(jié)點方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：AR導(dǎo)航；無樁號節(jié)點放樣；地震勘探；增強現(xiàn)實；高精度定位；視覺定位

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.036

0 引 言

在目前傳統(tǒng)的地震勘探作業(yè)中，測量和放線工序仍大多依賴人工完成，先由測量人員依據(jù)工程布置圖及測量技術(shù)交底進行炮點和檢波點的測量放樣工作，采用不同的顏色對炮點和檢波點進行標識，方便鉆井隊伍與放線隊伍區(qū)分；繼而放線人員也需要依據(jù)工程布置圖、檢波點測量標識以及放線技術(shù)交底進行放線工作，即鋪設(shè)一系列的檢波器來接收從地下地層反射回來的地震波。在這一過程中，往往需要耗費大量的人力成本；同時由于測量人員需要在設(shè)計坐標點位插入旗子或撒油漆進行位置標識，因此對環(huán)境也會造成一定影響；若標識物丟失或發(fā)生位置偏移，還會影響后續(xù)放樣的精度和數(shù)據(jù)準確度。

近年來新興的增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality， AR）具有能將虛擬影像和現(xiàn)實環(huán)境融為一體的技術(shù)特征，可以通過佩戴頭戴式設(shè)備或使用智能手機，看到疊加有虛擬影像的物理世界。通過將導(dǎo)航信息、放樣點位添加到用戶視圖中，增強現(xiàn)實技術(shù)可以為用戶提供在野外環(huán)境中定位和導(dǎo)航所需的信息。因此對于在新的復(fù)雜環(huán)境中找到目標和路線十分有幫助。借助這一獨特的技術(shù)特征，增強現(xiàn)實技術(shù)有潛力勝任野外環(huán)境的導(dǎo)航任務(wù)并提升個人的尋路表現(xiàn)[1]。

本研究基于“夢鏡”頭戴式設(shè)備開發(fā)出AR智能高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，擴展了“夢鏡”在野外導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，進一步豐富增強現(xiàn)實的使用功能和應(yīng)用場景，并且積累該方面的研發(fā)經(jīng)驗，在行業(yè)內(nèi)具有一定的實踐指導(dǎo)意義，為后續(xù)研究提供了重要參考。

1 現(xiàn)有AR導(dǎo)航技術(shù)分析

1.1 增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)是一種將虛擬信息疊加于現(xiàn)實場景的技術(shù)。通過圖像識別、三維建模、物體跟蹤、智能交互等多種技術(shù)手段，將虛擬的文字、圖像、模型等信息疊加在真實環(huán)境中呈現(xiàn)，實現(xiàn)對真實世界的“增強”。隨著科技的發(fā)展，AR技術(shù)日趨成熟，無論是軟件還是硬件都得到了快速發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域的運維檢修、故障診斷、培訓(xùn)指導(dǎo)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1.2 差分定位技術(shù)

單GPS系統(tǒng)提供的定位精度優(yōu)于25 m，而為得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技術(shù)，將一臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測[3]。根據(jù)基準站已知精密坐標與GPS接收機計算出的坐標，計算出真實坐標與GPS定位得到的坐標的改正數(shù)，并由基準站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也會接收到基準站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進行改正，從而提高定位

精度[4]。

1.3 可穿戴技術(shù)

可穿戴技術(shù)是20世紀60年代由麻省理工學(xué)院媒體實驗室提出的。這類技術(shù)通過傳感器、無線通信、多媒體等技術(shù)嵌入穿戴設(shè)備，支持與用戶的密切交互。AR眼鏡是可穿戴技術(shù)的典型應(yīng)用，在工業(yè)、教育、文化、娛樂等各領(lǐng)域均有落地場景案例。當(dāng)前主流智能眼鏡發(fā)展現(xiàn)狀如圖1所示。

1.4 全語音控制技術(shù)

隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進步以及移動互聯(lián)網(wǎng)的快速普及，計算機技術(shù)被廣泛地運用到了社會的各個領(lǐng)域，隨之而來的則是海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。其中，語音數(shù)據(jù)越來越受到人們的重視。語音識別是一門交叉學(xué)科。近二十年來。語音識別技術(shù)取得了顯著進步，開始從實驗室走向市場。預(yù)計未來10年內(nèi)，語音識別技術(shù)將進入工業(yè)、家電、通信、汽車電子、醫(yī)療、家庭服務(wù)、消費電子產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。語音識別聽寫機在一些領(lǐng)域的應(yīng)用被美國新聞界評為1997年計算機發(fā)展十件大事之一[5]?！皦翮R”AR智能頭盔支持全語音交互，能夠在90 dB工業(yè)噪音環(huán)境中實現(xiàn)精準語音識別；還支持旋鈕交互，方便在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下使用。

2 AR高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)方案

2.1 整體架構(gòu)

首先本方案要實現(xiàn)高精度定位，僅依賴手機或AR眼鏡自身的GPS定位能力是遠遠不夠的，這里通過昆侖北斗定位手持機PH03-P設(shè)備賦予手機或AR眼鏡高精度定位能力，定位精度最高可達厘米級。前端通過手機或AR眼鏡的攝像頭、陀螺儀等傳感器采集自身朝向和位置信息，結(jié)合高精度GPS定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維空間坐標，然后實時渲染路線指引和三維場景，實現(xiàn)AR高精度定位導(dǎo)航功能。AR高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2 技術(shù)方案

AR智能高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)的核心算法是位置與距離推算技術(shù)。在完成GPS和空間定位后，需要根據(jù)手機或AR眼鏡的位置進行實時的路線指引和渲染，這里使用了基于傳感器的位置推算技術(shù)，通過讀取手機上的傳感器信息，推算出對應(yīng)的位置[6]。

慣性傳感器包括加速度計和陀螺儀，通常還會與磁力計組合使用[7]。每個傳感器均具有3個自由度。陀螺儀用于測量角速度，反映移動設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運動情況；加速度計用于測量線性加速度，即測量施加給移動設(shè)備的加速度讀數(shù)。前者基于慣性原理，后者基于力平衡原理。磁力計通過感知磁場的變化，推理出用戶當(dāng)前的朝向。根據(jù)手機或AR眼鏡當(dāng)前的GPS坐標與目標點的GPS坐標可推算出與目標點的粗略距離。這些傳感器可以在沒有外部數(shù)據(jù)的情況下確定移動設(shè)備的位置與目標點的粗略距離，該技術(shù)主要包括計步、步長估計、方向估計和目標點距離計算部分，如圖3

所示。

計步主要是通過檢測加速度計讀數(shù)的峰值點實現(xiàn)一個步數(shù)識別；步長估計是利用一步之內(nèi)的加速度計讀數(shù)，根據(jù)人的身高、步頻等特征擬合當(dāng)前一步的步長。在本系統(tǒng)中，步數(shù)和步長在實現(xiàn)實時距離顯示中起到了關(guān)鍵作用。方向估計利用加速度計和陀螺儀讀數(shù)，通過濾波和誤差優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的姿態(tài)估計，繼而獲取當(dāng)前一步的行走朝向。

目標點距離首先利用手機或AR眼鏡當(dāng)前的GPS坐標與目標點GPS坐標來進行粗略距離計算，通過該數(shù)據(jù)的實時更新并結(jié)合計步和步長來實現(xiàn)目標點精確距離的計算。

2.3 AR智能頭盔參數(shù)配置

“夢鏡”是全球首款搭載5G模組的防爆AR智能頭盔，同時搭載北斗定位和高性能國產(chǎn)AI芯片，可與標準安全帽完美適配。采用全球領(lǐng)先的雙目衍射光波導(dǎo)顯示方案，支持智能語音和手勢操控[8]，專為石油天然氣、煉油、石化、化工、冶金、電力等行業(yè)的一線作業(yè)人員設(shè)計，具備安全、防塵、防水、防爆等特點，可用于導(dǎo)航、巡檢、遠程專家協(xié)助、裝備設(shè)施檢維修、安全質(zhì)量檢查等工作，是利用AI、AR等新技術(shù)提升人員生產(chǎn)力水平的智能化產(chǎn)品，也是當(dāng)前全球領(lǐng)先的5G工業(yè)級AR產(chǎn)品。

防爆AR智能頭盔由標準安全帽、防爆AR智能模塊、遠程協(xié)作應(yīng)用系統(tǒng)三部分構(gòu)成。安全帽為標準的ABS防砸抗沖擊透氣型安全帽，是防爆AR智能模塊的載體；防爆AR智能模塊包含屏幕、高清攝像頭和副攝像頭、操作旋鈕、報警按鈕、安全帽卡扣、電池、降噪麥克風(fēng)、5G通信模組，能夠保證遠程通信和在線協(xié)作。遠程協(xié)作應(yīng)用系統(tǒng)是一款基于AR頭盔的遠程專家技術(shù)支持系統(tǒng)，可與遠程專家協(xié)同作業(yè)，通過現(xiàn)場人員第一視角實時看到現(xiàn)場狀況，并可實時通過語音、勾畫、文字信息等進行遠程指導(dǎo)；也可調(diào)取后臺資料信息，為佩戴者提供可視化的信息服務(wù)，徹底解放操作者的雙手，提高作業(yè)效率、實現(xiàn)信息互傳。主要產(chǎn)品參數(shù)如圖4

所示。

2.4 AR導(dǎo)航優(yōu)勢

（1）提高導(dǎo)航的準確性和可靠性

AR實景導(dǎo)航可以將導(dǎo)航信息與現(xiàn)實場景疊加在一起，讓用戶更加直觀地了解自己的位置和導(dǎo)航信息，從而降低誤導(dǎo)和迷路的可能性。從精度上考慮，AR導(dǎo)航是基于AI+AR技術(shù)的視覺目標點測量與追蹤技術(shù)，能夠降低人員移動帶來的誤差，達到很高的性能[9]。具體定位導(dǎo)航精度見表1所列。

（2）提高用戶的導(dǎo)航體驗

本研究基于北斗差分定位技術(shù)與AR顯示技術(shù)，通過融合和解析北斗高精度定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)野外放樣物理點的AR顯示和導(dǎo)航。AR智能高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)不但適用于有明確的路標或標識的城市道路或室內(nèi)區(qū)域，還可以在沙漠、戈壁、山地、草原、沼澤等不同地貌達到精準導(dǎo)航的目標。

（3）使用離線地圖操作更便捷

地震勘探環(huán)境通常在西部地區(qū)或是偏僻、網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不發(fā)達的地區(qū)，所以需要聯(lián)網(wǎng)的在線地圖使用起來多有不便，常會出現(xiàn)地圖加載不出來的問題。本研究中AR導(dǎo)航系統(tǒng)使用離線地圖+內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器部署更新的方式，更有利于用戶在網(wǎng)絡(luò)信號不佳的場景下應(yīng)用。

（4）擁有多終端的表現(xiàn)方式

AR導(dǎo)航系統(tǒng)支持Android操作系統(tǒng)，支持在“夢鏡”智能頭盔和智能手機上應(yīng)用，用戶可以根據(jù)對應(yīng)的需求選擇合適的終端和使用方式。

2.5 存在的問題

（1）終端需適配

AR導(dǎo)航是利用算法調(diào)用終端硬件，當(dāng)前的AR導(dǎo)航系統(tǒng)是基于“夢鏡”智能頭盔進行開發(fā)的，但目前市面上的智能頭盔品類繁多，使用的技術(shù)框架不一，無法一一適配開發(fā)。

（2）通用性需進一步提高

隨著AR技術(shù)日趨成熟，各行業(yè)都期望能夠應(yīng)用AR，但由于目前行業(yè)沒有通用的AR標準，應(yīng)用市場的AR程序參差不齊，每個行業(yè)都有其一成不變的流程，每個場景都有獨特的個性化要求，短時間內(nèi)將AR導(dǎo)航普遍應(yīng)用于不同行業(yè)的通用性能力需要進一步提升[10]。

3 應(yīng)用場景和效果

3.1 應(yīng)用場景

AR智能高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要被應(yīng)用于地震勘探野外采集作業(yè)現(xiàn)場的多目標點定位追蹤、任務(wù)點AR導(dǎo)航場景。地震采集現(xiàn)場通常位于灘淺海、山地、沙漠、戈壁、黃土塬等復(fù)雜地表，在一望無際的地面上行進由于沒有參照物，施工人員在尋找目標點位時很容易迷失方向；同時由于地理位置偏僻，地圖數(shù)據(jù)采集和更新不及時，普通的2D導(dǎo)航也派不上用場，且西部地區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不全面，常有在線地圖加載不成功的問題出現(xiàn)，耽誤項目進度，影響施工效率。

將AR導(dǎo)航系統(tǒng)集成到“夢鏡”智能頭盔中，為現(xiàn)場施工人員提供便捷的導(dǎo)航服務(wù)，解放雙手；或者直接使用手機安裝APP后，即可實現(xiàn)真實場景下的AR導(dǎo)航，同時配備語音提示，快速、便捷、精準的實景導(dǎo)航極大地提高了導(dǎo)航效率。導(dǎo)航流程如圖5所示。

3.2 應(yīng)用效果

（1）有效性

在實際應(yīng)用中，任務(wù)數(shù)據(jù)載入流暢，視覺定位精度達到分米級，能夠有效完成導(dǎo)航任務(wù)，可以滿足現(xiàn)場獲取目標作業(yè)點的放樣需求，刷新頻率大于20 Hz，AR頭顯在陽光下可視。

（2）實用性

在實用性方面，用戶能夠較好地掌握“夢鏡”智能頭盔在AR導(dǎo)航方面的應(yīng)用。經(jīng)過培訓(xùn)指導(dǎo)后，在施工過程中可以熟練使用該設(shè)備，使用過程中雙手能夠得到解放。

（3）使用效率

在使用效率方面，放線作業(yè)中可以直接使用AR導(dǎo)航進行操作，不必再提前在放樣點設(shè)置標識，因此省掉了測量工序的工作量，提高了施工效率。

3.3 AR高精度導(dǎo)航在地震隊中的應(yīng)用

如圖6和圖7所示，首先用戶通過AR頭盔或智能手機啟動APP，填寫用戶名和密碼即可登錄系統(tǒng)；然后依次選擇項目、任務(wù)和炮點；最后進入AR導(dǎo)航系統(tǒng)界面，系統(tǒng)會指引用戶前往目標點，并顯示實時距離。當(dāng)與目標點接近時可看到高識別度的樁號和三維物體，到達目標點后上傳坐標信息到監(jiān)控管理系統(tǒng)，如圖8～圖10所示。

與路徑指引 與3D物體顯示

4 結(jié) 語

本研究以AR導(dǎo)航為背景，旨在利用增強現(xiàn)實技術(shù)解決地震勘探采集作業(yè)中的現(xiàn)場尋路問題。基于“夢鏡”智能頭盔，采用北斗差分定位技術(shù)與AR顯示技術(shù)融合的方式，實現(xiàn)物理點的AR顯示和導(dǎo)航，研發(fā)了一套AR智能高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)軟件。

研究明確了AR智能導(dǎo)航系統(tǒng)所應(yīng)具備的主體框架、關(guān)鍵功能和實際效果，證明了在野外環(huán)境使用AR導(dǎo)航的可行性。在測試中發(fā)現(xiàn)，較先前的人工尋找物理點的方式，AR導(dǎo)航系統(tǒng)在尋路表現(xiàn)方面效果提升顯著，能夠有效地解決野外導(dǎo)航出現(xiàn)的問題，幫助用戶更為快速地獲取定位到目標物理點的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)高效導(dǎo)航。項目組未來會繼續(xù)升級拓展該導(dǎo)航軟件，將應(yīng)用擴展到更多的場景中去。

注：本文通訊作者為宋晨陽。

參考文獻

[1]劉睿麒. 增強現(xiàn)實導(dǎo)航技術(shù)對室內(nèi)尋路表現(xiàn)的影響研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2020.

[2]魏瑞，粟鵬，丁閆，等.視覺定位技術(shù)在天然氣集輸場站巡檢的應(yīng)用研究[J].長江信息通信，2023，36（5）：135-139.

[3]趙亮，馮軍帥，王天喜，等. GPS授時與衛(wèi)星定位技術(shù)在太陽跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2011，29（5）：387-389.

[4]吳進良，沈港，彭忠誠，等.計算機輔助工程技術(shù)在公路勘測中的運用[J].公路交通技術(shù)，2004，20（6）：5-7.

[5]喬兵，吳慶林，陰玉梅.語音識別算法的VC++實現(xiàn)[J].光機電信息，2011，28（4）：50-55.

[6]張京禮.基于GPS的公路路線測量系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009，6（22）：82.

[7]滕曉強. 基于移動群智感知的室內(nèi)路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙：國防科技大學(xué)，2018.

[8]李葉.收官2021 中國設(shè)計成績單[J].設(shè)計，2021，34（22）：22-40.

[9]蔣佳蘋，周瑩，耿霏. AR導(dǎo)航在室內(nèi)場景應(yīng)用方案探討[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2022，65（10）：76-82.

[10]范志超. 基于AR的室內(nèi)實景導(dǎo)航系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 深圳：深圳大學(xué)，2017.

收稿日期：2023-09-04 修回日期：2023-10-09

作者簡介：陳 威（1991—），男，湖北荊州人，工程師，主要研究方向為工程技術(shù)。

宋晨陽（1991—），女，河北保定人，工程師，主要研究方向為工程技術(shù)。

袁 偉（1982—），男，湖北麻城人，助理工程師，主要研究方向為物探信息化。

張敦鍵（1987—），男，山西太原人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為人工智能應(yīng)用。