Multi-source Survey Data Management and 3D Visualization of Submarine Cable Engineering

本研究主要针对海底电缆工程中包括建设期勘察数据、运维期检测数据进行管理。由于海底电缆工程路由区域环境勘察时，通常在不同建设阶段、不同水深、不同保护措施，采用不同的技术手段，也将因此产生多源勘察原始数据，包括海缆路由环境数据：如海底地形数据、海底地貌数据、水深数据、海底底质数据、水文流速数据、海缆交越数据；还包括海缆本体数据：如埋深数据、海缆裸露数据、海缆悬空数据、风险点数据；在运维期，通常也会对海缆保护设施进行检测，如产生抛石坝检测数据。通过对这些数据的叠加，可以更直观而形象地反映海底电缆路由及海缆的状态^[5-6]。

1）海底地形水深数据。三维海底场景的构建是海缆工程数据三维可视化的基础^[7]。海底地形测量通常采用单波束测深仪和多波束测深仪，对海底电缆区域进行水深测量，获得精密水下三维地形图。在浅水区多波束无法覆盖的地方，可采用数字双频测深仪采集水深数据，形成如图1所示的高精度水下地形图。

Figure  1.  Multi-beam three-dimensional seabed topographic map

2）海底地貌数据。海底地貌数据采集通常采用侧扫声呐技术手段，获取的数据可以作为抛石坝保护分析、海底电缆铸铁套管分析、海底其他地物（如渔民临时所放捕鱼网具，如虾笼、网绳、浮标等）分析的依据来源，成果数据如图2所示。

Figure  2.  Side scan map of the sea floor

3）海底地质数据。利用声波在不同的介质中其传播速度显著不同的原理，由于海底不同分界面内岩层的密度不同，那么声波在通过不同分界面时的反射系数也截然不同。从而在接收到的反射信号中携带了海底介质的地质信息，通过专业数据处理，最后输出的数据成果可直观的了解海底沉积物的属性。成果如图3所示。

Figure  3.  Shallow stratigraphic profile (part)

4）水文数据。通常为了获取海缆的水文环境，会选择测海底电缆路由区水流速度，并可在此基础上进行海底电缆或其保护设施受力分析。

5）海缆走向及交越数据。海缆走向和交越点数据主要是利用海洋磁力仪进行磁异常探测，准确对管道、电缆及泥下障碍物进行探测与定位，而产生的数据，通常格式为MAG。需要了解设计的海底电缆与其他海底管道（如海底石油输送管道、海底光缆通信线）的交叉位置。以预防海底电缆施工期间对其他已建海底管道线路的破坏。

6）海缆埋深数据。利用浅（中）地层剖面仪，当海底存在海底电缆时，因为海底电缆的材料性质和海底电缆周围介质的性质差异巨大，所以当进行物理探测工作时浅（中）地层剖面仪在海底电缆的上方垂直经过。如图4所示，从探测的浅剖数据成果图来看，则为一条抛物线，进行连续拖曳式迂回测量后，在浅地层剖面仪的测量结果上找到每个抛物线点连接起来就可以描述海缆的路由。待专业物探检测工作人员识别出海底电缆之后，如果还需获取海底电缆的埋深信息，需找到抛物线顶点，即海底电缆所处的空间位置，此抛物线顶点高程与相应位置海底高程之差即为海底电缆的埋深。

Figure  4.  Shallow stratigraphic profile

7）海缆裸露悬空数据。海缆裸露悬空的检测方法与海缆埋深检测方法一致，在海缆埋深检测结果中，当获取的埋深数据为0时，代表该段海缆处于裸露状态，而当海缆的埋深数据为负值时，代表该段海缆处于悬空状态。此外，辅助地形地貌检测和ROV摄像，以直观的方式判别海缆是完全裸露、部分裸露还是处于裸露临界状态。

针对数据共享的需求、多尺度数据挖掘分析的需求以及海底电缆地理情况统计分析需求^[8]，需要对多元数据进行融合。数据融合是将多仪器的数据和信息加以组合，有效地整合并形成统一坐标系针中对同一检测对象的空间异构数据库，使得能够综合有效地表达该检测对象的环境及本体信息^[9]。将多源数据统一管理和展示，必须将这些数据进行录入，并对海缆路由进行模拟。数据融合技术在本系统的使用包括以下两方面：

由于海底电缆勘测数据种类繁多，包括属性数据和空间数据，也包括矢量数据和栅格数据，甚至还有视频数据。因此通过将这些松散的数据利用多源空间异构数据库进行统一集中式管理是解决问题的核心之一。但各种仪器所采集的数据原始格式通常不能直接导入到GIS系统之中，需要根据其信息内容特点，通过数据处理手段，得到与底层GIS平台所兼容的标准格式后，再将其录入到应用开发的系统之中。本研究制定了一套标准导入格式，如表1所列。

本文主要采用目前空间数据融合技术中的几何位置融合技术，对所有的海底电缆工程数据进行坐标匹配。在不同源数据集中找到表示同一地理实体的对象并抽取出来^[10]，并对其增加坐标这一属性。同时，需要对多源数据进行数据坐标变换，建立不同源点、线、图集之间的坐标映射关系，解决多源数据坐标信息不一致的问题，本研究中统一采用WGS84坐标系。

本系统采用C/S模式设计分为3层，即数据层、服务层和应用表示层,如图5所示。

Figure  5.  System logic architecture diagram

数据层封装了对数据库的操作，即对数据进行增、删、查、改等；本研究中主要是对海测数据、检测数据、成果数据等进行操作。应用服务层封装了对数据进行的逻辑运算，是生成并操作接收信息的业务规则和函数的集合。应用表示层即用户使用时的交互界面；本研究中主要提供了对单\多波束数据、侧扫声纳数据、埋深点、风险点、勘探点数据、多种图纸（地形图、测线布置图、剖面图、海洋开发活动区域图、影像图）、ROV视频、水文气象数据、交越展示、文档资料管理、投影转换、系统设置等功能。采用三层架构当数据库或者应用服务层的业务逻辑改变时，应用表示层并不需要改变，反之亦然，大大提高了系统模块的复用性，缩短开发周期，降低维护费用。

平台功能主要由基础空间数据管理、海底电缆工程勘测数据管理与可视化显示、图形三维建模与操作、数据导入导出等功能模块组成：

能够管理空间基础地理环境包括相关陆地及海洋地形地貌的DEM、DOM、分层矢量数据的维护和管理。

对海洋勘测各专业数据进行数据融合处理并提供相关的导入、编辑、可视化显示及查询浏览操作。辅助进行相关的判读与标绘。

每一条海底电缆的工程信息，以海缆的名字为主要识别ID进行命名组织。以属性表的形式展示其名称、电压等级、海缆厂家信息、规划时间、建设时间、竣工时间、管理单位、运维班组、海缆材质等信息。

针对地形地貌数据，直接利用二者进行叠加，形成虚拟三维场景。如图6所示：

Figure  6.  Pre-selected route side scan sonar data management and display

针对控制点、交越点、海上钻孔点等可以采用点+图片的形式叠加在三维球上进行展示。

针对海缆路由、测线、浅地层剖面等按照一定速度或方向采集的数据可以采用线+图片的形式叠加在三维球上如图7所示进行展示。

Figure  7.  Shallow section management and display

针对海洋生产区域图、海底面状况图等按照分区分色，宜采用面+图片形式叠加在三维球上如图8所示进行展示。

Figure  8.  Sea floor condition map management and display

能够对基础地理元素以及海洋勘测相关的设备设施进行三维建模并在三维场景中进行叠加显示。能够对钻探采集的岩体进行三维建模并展示在相应的钻探点位置。能够根据采集的DEM、水深、侧扫声呐数据叠加生成海底三维场景。

对各种数据能够定义一定的中间格式进行批量化导入，直接生成相关可视化基础数据及模型；提供一定格式的数据导出，方便进行存档以及再利用。

本文以舟山群岛新区所辖的舟山柔直岱山-衢山段海底电缆多源勘察数据为依托，介绍了海底电缆勘察及检测工程中多源数据的来源，同时介绍了数据融合技术在海底电缆工程数据管理及三维展示系统中的应用，研究了利用地理信息技术，设计并实现了一套海底电缆工程多源数据管理及三维展示系统，解决了对多源异构空间数据、属性数据、多媒体数据的统一存储、管理、解析和三维展示的问题，为海底电缆运维管理人员提供了辅助决策信息，提高了海底电缆工程相关资料的管理及展示的信息化水平。如何进行海底电缆路由区域海底地质层三维展示以及多源数据信息挖掘是下一步的研究重点。