基于AR技術(shù)的地震勘探現(xiàn)場實(shí)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(shí)獲取激發(fā)后的地層數(shù)據(jù)，需要提前將節(jié)點(diǎn)、檢波點(diǎn)等儀器放置在激發(fā)炮點(diǎn)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(yùn)用AR技術(shù)解決傳統(tǒng)放樣作業(yè)中難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景下無樁號(hào)節(jié)點(diǎn)放樣的問題?；陬^戴式AR設(shè)備，通過對(duì)高精度定位坐標(biāo)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(biāo)點(diǎn)視覺定位追蹤測量技術(shù)等進(jìn)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(duì)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，任務(wù)數(shù)據(jù)載入流暢，視覺定位精度達(dá)到分米級(jí)，能夠有效完成導(dǎo)航任務(wù)，滿足現(xiàn)場獲取目標(biāo)作業(yè)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：AR導(dǎo)航；無樁號(hào)節(jié)點(diǎn)放樣；地震勘探；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；高精度定位；視覺定位

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)行炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的測量放樣工作，采用不同的顏色對(duì)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，方便鉆井隊(duì)伍與放線隊(duì)伍區(qū)分；繼而放線人員也需要依據(jù)工程布置圖、檢波點(diǎn)測量標(biāo)識(shí)以及放線技術(shù)交底進(jìn)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(fèi)大量的人力成本；同時(shí)由于測量人員需要在設(shè)計(jì)坐標(biāo)點(diǎn)位插入旗子或撒油漆進(jìn)行位置標(biāo)識(shí)，因此對(duì)環(huán)境也會(huì)造成一定影響；若標(biāo)識(shí)物丟失或發(fā)生位置偏移，還會(huì)影響后續(xù)放樣的精度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

近年來新興的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality， AR）具有能將虛擬影像和現(xiàn)實(shí)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(jī)，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(diǎn)位添加到用戶視圖中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(duì)于在新的復(fù)雜環(huán)境中找到目標(biāo)和路線十分有幫助。借助這一獨(dú)特的技術(shù)特征，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有潛力勝任野外環(huán)境的導(dǎo)航任務(wù)并提升個(gè)人的尋路表現(xiàn)[1]。

本研究基于“夢(mèng)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(kuò)展了“夢(mèng)鏡”在野外導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步豐富增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(yàn)，在行業(yè)內(nèi)具有一定的實(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將虛擬信息疊加于現(xiàn)實(shí)場景的技術(shù)。通過圖像識(shí)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(shí)環(huán)境中呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。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(yùn)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(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測[3]。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)與GPS接收機(jī)計(jì)算出的坐標(biāo)，計(jì)算出真實(shí)坐標(biāo)與GPS定位得到的坐標(biāo)的改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時(shí)，也會(huì)接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)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(jì)60年代由麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)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(jìn)步以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速普及，計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛地運(yùn)用到了社會(huì)的各個(gè)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(shí)別是一門交叉學(xué)科。近二十年來。語音識(shí)別技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，開始從實(shí)驗(yàn)室走向市場。預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)，語音識(shí)別技術(shù)將進(jìn)入工業(yè)、家電、通信、汽車電子、醫(yī)療、家庭服務(wù)、消費(fèi)電子產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。語音識(shí)別聽寫機(jī)在一些領(lǐng)域的應(yīng)用被美國新聞界評(píng)為1997年計(jì)算機(jī)發(fā)展十件大事之一[5]?！皦?mèng)鏡”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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)語音識(shí)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(shí)現(xiàn)高精度定位，僅依賴手機(jī)或AR眼鏡自身的GPS定位能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這里通過昆侖北斗定位手持機(jī)PH03-P設(shè)備賦予手機(jī)或AR眼鏡高精度定位能力，定位精度最高可達(dá)厘米級(jí)。前端通過手機(jī)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(biāo)，然后實(shí)時(shí)渲染路線指引和三維場景，實(shí)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(jī)或AR眼鏡的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)上的傳感器信息，推算出對(duì)應(yīng)的位置[6]。

慣性傳感器包括加速度計(jì)和陀螺儀，通常還會(huì)與磁力計(jì)組合使用[7]。每個(gè)傳感器均具有3個(gè)自由度。陀螺儀用于測量角速度，反映移動(dòng)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況；加速度計(jì)用于測量線性加速度，即測量施加給移動(dòng)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(jì)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(jī)或AR眼鏡當(dāng)前的GPS坐標(biāo)與目標(biāo)點(diǎn)的GPS坐標(biāo)可推算出與目標(biāo)點(diǎn)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(dòng)設(shè)備的位置與目標(biāo)點(diǎn)的粗略距離，該技術(shù)主要包括計(jì)步、步長估計(jì)、方向估計(jì)和目標(biāo)點(diǎn)距離計(jì)算部分，如圖3

所示。

計(jì)步主要是通過檢測加速度計(jì)讀數(shù)的峰值點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)步數(shù)識(shí)別；步長估計(jì)是利用一步之內(nèi)的加速度計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)距離顯示中起到了關(guān)鍵作用。方向估計(jì)利用加速度計(jì)和陀螺儀讀數(shù)，通過濾波和誤差優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的姿態(tài)估計(jì)，繼而獲取當(dāng)前一步的行走朝向。

目標(biāo)點(diǎn)距離首先利用手機(jī)或AR眼鏡當(dāng)前的GPS坐標(biāo)與目標(biāo)點(diǎn)GPS坐標(biāo)來進(jìn)行粗略距離計(jì)算，通過該數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新并結(jié)合計(jì)步和步長來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)精確距離的計(jì)算。

2.3 AR智能頭盔參數(shù)配置

“夢(mèng)鏡”是全球首款搭載5G模組的防爆AR智能頭盔，同時(shí)搭載北斗定位和高性能國產(chǎn)AI芯片，可與標(biāo)準(zhǔn)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(jì)，具備安全、防塵、防水、防爆等特點(diǎn)，可用于導(dǎo)航、巡檢、遠(yuǎn)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(jí)AR產(chǎn)品。

防爆AR智能頭盔由標(biāo)準(zhǔn)安全帽、防爆AR智能模塊、遠(yuǎn)程協(xié)作應(yīng)用系統(tǒng)三部分構(gòu)成。安全帽為標(biāo)準(zhǔn)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(bào)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(yuǎn)程通信和在線協(xié)作。遠(yuǎn)程協(xié)作應(yīng)用系統(tǒng)是一款基于AR頭盔的遠(yuǎn)程專家技術(shù)支持系統(tǒng)，可與遠(yuǎn)程專家協(xié)同作業(yè)，通過現(xiàn)場人員第一視角實(shí)時(shí)看到現(xiàn)場狀況，并可實(shí)時(shí)通過語音、勾畫、文字信息等進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)；也可調(diào)取后臺(tái)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(shí)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(zhǔn)確性和可靠性

AR實(shí)景導(dǎo)航可以將導(dǎo)航信息與現(xiàn)實(shí)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(biāo)點(diǎn)測量與追蹤技術(shù)，能夠降低人員移動(dòng)帶來的誤差，達(dá)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(yàn)

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(shí)現(xiàn)野外放樣物理點(diǎn)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(biāo)或標(biāo)識(shí)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(dá)到精準(zhǔn)導(dǎo)航的目標(biāo)。

（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(hào)覆蓋不發(fā)達(dá)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(huì)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(hào)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(mèng)鏡”智能頭盔和智能手機(jī)上應(yīng)用，用戶可以根據(jù)對(duì)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(mèng)鏡”智能頭盔進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用市場的AR程序參差不齊，每個(gè)行業(yè)都有其一成不變的流程，每個(gè)場景都有獨(dú)特的個(gè)性化要求，短時(shí)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(jìn)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(biāo)點(diǎn)定位追蹤、任務(wù)點(diǎn)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(jìn)由于沒有參照物，施工人員在尋找目標(biāo)點(diǎn)位時(shí)很容易迷失方向；同時(shí)由于地理位置偏僻，地圖數(shù)據(jù)采集和更新不及時(shí)，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(hào)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(xiàng)目進(jìn)度，影響施工效率。

將AR導(dǎo)航系統(tǒng)集成到“夢(mèng)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(jī)安裝APP后，即可實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景下的AR導(dǎo)航，同時(shí)配備語音提示，快速、便捷、精準(zhǔn)的實(shí)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(shí)際應(yīng)用中，任務(wù)數(shù)據(jù)載入流暢，視覺定位精度達(dá)到分米級(jí)，能夠有效完成導(dǎo)航任務(wù)，可以滿足現(xiàn)場獲取目標(biāo)作業(yè)點(diǎn)的放樣需求，刷新頻率大于20 Hz，AR頭顯在陽光下可視。

（2）實(shí)用性

在實(shí)用性方面，用戶能夠較好地掌握“夢(mèng)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(jìn)行操作，不必再提前在放樣點(diǎn)設(shè)置標(biāo)識(shí)，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(duì)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(jī)啟動(dòng)APP，填寫用戶名和密碼即可登錄系統(tǒng)；然后依次選擇項(xiàng)目、任務(wù)和炮點(diǎn)；最后進(jìn)入AR導(dǎo)航系統(tǒng)界面，系統(tǒng)會(huì)指引用戶前往目標(biāo)點(diǎn)，并顯示實(shí)時(shí)距離。當(dāng)與目標(biāo)點(diǎn)接近時(shí)可看到高識(shí)別度的樁號(hào)和三維物體，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后上傳坐標(biāo)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(mèng)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(shí)現(xiàn)物理點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(biāo)物理點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高效導(dǎo)航。項(xiàng)目組未來會(huì)繼續(xù)升級(jí)拓展該導(dǎo)航軟件，將應(yīng)用擴(kuò)展到更多的場景中去。

注：本文通訊作者為宋晨陽。

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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?yàn)楣こ碳夹g(shù)。

宋晨陽（1991—），女，河北保定人，工程師，主要研究方向?yàn)楣こ碳夹g(shù)。

袁 偉（1982—），男，湖北麻城人，助理工程師，主要研究方向?yàn)槲锾叫畔⒒?/p>

張敦鍵（1987—），男，山西太原人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄軕?yīng)用。