水下成像法在水下鋪排施工動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

摘 要：目前，我國沿海地區(qū)圈圍造地工程日趨增多，水下鋪排施工是造地工程的基礎(chǔ)。水下鋪排施工質(zhì)量檢測是目前的難點，因為傳統(tǒng)檢測方法是依靠潛水員進(jìn)行檢查，而用肉眼無法看到水下施工的質(zhì)量情況，施工單位、監(jiān)理單位、設(shè)計和業(yè)主單位難以判斷施工質(zhì)量，而且沒有可追溯性資料成果。因此，本文提出將水下成像法應(yīng)用在水下鋪排施工質(zhì)量檢測中。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的聲學(xué)透鏡技術(shù)，能在黑暗中、混水中生成幾乎等同影像質(zhì)量的圖像。同時，該系統(tǒng)具有顯示功能、記錄功能、定位功能、量測功能及三維展示功能，適合在水下排布鋪設(shè)、水下工程裂縫檢測、水下碎石包及各類水下棱體的成像中推廣使用。

關(guān)鍵詞：水下鋪排；識別聲納法；識別聲納實時成像系統(tǒng)；側(cè)掃聲吶

中圖分類號：U655.4；TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0123-03

Application of Underwater Imaging Method in Dynamic

Monitoring of Underwater Laying Construction

XU Qiang

（Shanghai Shenyuan Geotechnical Engineering Co.， Ltd.，Shanghai 200011）

Abstract： At present， the area of reclamation in coastal areas of our country is increasing day by day， and the construction of underwater drainage is the foundation of land reclamation. Underwater laying construction quality inspection is difficult at present， because the traditional detection method is to rely on the diver inspection， with the naked eye can not see the quality of underwater construction， construction units， supervision units， design and owners of units is difficult to judge the quality of construction， and there is no traceability data. Therefore， this paper put forward the application of underwater imaging method to the quality inspection of underwater laying. This system uses advanced acoustic lens technology， in the dark， mixed water to produce almost the same image quality image， while the system has a display function， recording function， positioning function， measurement function and three-dimensional display function， which is suitable for underwater layout laying， underwater engineering crack detection， underwater gravel bag and all kinds of underwater prism imaging.

Keywords： underwater laying；identification sonar；identification of sonar real-time imaging system；side scan sonar

目前，隨著圈圍造地工程逐步向深水發(fā)展，在水下鋪排施工中，我國沿海大部分水體透明度差，而且水下施工具有隱蔽性，施工區(qū)域環(huán)境復(fù)雜、水體渾濁，導(dǎo)致水下施工質(zhì)量檢測困難，用肉眼無法看到水下施工的質(zhì)量情況，施工單位難以直觀地驗證施工質(zhì)量，僅能依靠潛水員檢查。監(jiān)理單位主要通過工序過程控制，大致判斷施工的質(zhì)量情況，設(shè)計和業(yè)主單位難以直接監(jiān)管施工質(zhì)量，而且沒有可追溯性資料成果。水下鋪排施工的效果直接影響工程質(zhì)量，如何做到及時檢測、及時整改，并且留下客觀記錄，是一個迫切需要解決的問題，日益受到業(yè)主單位的重視。

例如，長興潛堤后方灘涂圈圍工程堤線施工區(qū)域標(biāo)高低于-7m，水深超過10m。由于該區(qū)域河床表層地質(zhì)復(fù)雜，水文條件惡劣，基床需要進(jìn)行護底加固。在前期護底鋪設(shè)軟體排的過程中，傳統(tǒng)的鋪排施工定位采用人工吊錘或浮球的形式，工作效率低，定位不準(zhǔn)，無法采集相關(guān)鋪排位置的數(shù)據(jù)和實用的影像信息。在深水區(qū)、大流速、水體渾濁度高等惡劣工況下進(jìn)行鋪排作業(yè)，經(jīng)常會出現(xiàn)縮排、卷排等情況。同時，相鄰排體的搭接寬度是后續(xù)施工及運營管理期的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接關(guān)系到堤身的安全。

在圍堤基礎(chǔ)施工過程中，水下充填充砂袋是圍堤基礎(chǔ)的主要組成部分。充砂袋堆載后的質(zhì)量檢查，傳統(tǒng)上依靠潛水員探摸，難以探查充砂袋的全貌，無法客觀地反映充砂袋的堆載質(zhì)量與設(shè)計圖紙的偏差，迫切需要一種能夠精確測量、充分展示施工狀況的技術(shù)。另外，充砂袋堆載后，為了加快軟地基的固結(jié)速率，提高地基強度，經(jīng)常使用塑料排水板作為豎向排水通道，水下塑料排水板的分布形態(tài)是否滿足設(shè)計要求，監(jiān)管比較困難。如何獲取排水板直觀的分布形態(tài)并留下客觀的依據(jù)，是施工過程質(zhì)量監(jiān)管的一個難題。

總之，在水利、水運等相關(guān)行業(yè)，隨著新技術(shù)的發(fā)展，需要不斷更新傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)督檢測手段。

1 水下探測手段

目前，進(jìn)行水下探測的手段主要有水下成像法、水下三維測量和潛水員3種[1]，這3種方法的優(yōu)缺點比較如表1所示。

2 識別聲吶實時成像系統(tǒng)原理及相關(guān)功能

為了能在較渾濁的水體中獲得較好的圖像效果，上海申元巖土工程有限公司和上海相關(guān)大學(xué)院校開展科學(xué)合作研究，積極推動位于水下科技最前沿的識別聲吶實時成像系統(tǒng)在水下鋪排施工中的實際運用。

2.1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

高分辨率雙頻識別聲納DIDSON是美國華盛頓大學(xué)研發(fā)、Sound Metrics公司制造的高分辨率聲學(xué)攝像機。識別聲吶實時成像系統(tǒng)采用了先進(jìn)的聲學(xué)透鏡技術(shù)，是目前唯一運用聲頻“鏡頭”，能在黑暗中、渾水中生成幾乎等同影像質(zhì)量圖像的高清晰度聲吶系統(tǒng)[2]。

DIDSON可在水下1～40m對觀測目標(biāo)進(jìn)行自動聚焦，確保觀測范圍內(nèi)圖像清淅。DIDSON可在較渾濁的水中取得近似于光學(xué)攝像機的高清晰度圖像，且為實時成像。通過電腦可實時顯示水下物體的實際圖像，現(xiàn)場可以直接識別；根據(jù)需要可以記錄完整的攝像文件，電子文件可以在普通電腦上回放；可以進(jìn)行量測，能夠測量出物體的尺寸大小；配備GPS信號接口，通過GPS坐標(biāo)能實現(xiàn)精確定位和追溯；識別聲吶和云臺搭配能實現(xiàn)前后左后多角度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對水下構(gòu)造物不同角度的檢查[3]。

DIDSON通常利用支架安裝于船舷側(cè)，利用云臺的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對水下構(gòu)造物不同角度的檢查。DIDSON也可安裝在水下有纜機器人（ROV）上，進(jìn)一步增大探測的深度，靈活地對水下排體進(jìn)行視頻觀察，可同時獲得光學(xué)和聲學(xué)圖像。

2.2 相關(guān)功能

在水下排體鋪設(shè)中，主要應(yīng)用了識別聲吶實時成像系統(tǒng)的以下功能：①顯示功能，可實時顯示水下物體的圖像，現(xiàn)場可以清晰地識別水下物體，檢測破損結(jié)構(gòu)，并且能夠測量出水下物體的距離和大?。虎谟涗浌δ?，可以連續(xù)記錄水下排體的影像文件，一般用于小范圍的實時高清晰成像探測，如坡坎的施工效果、排體的搭接效果、海底管道探測，查看排體的破損程度等，是客觀的工程原始資料；③定位功能，通過GPS坐標(biāo)能實現(xiàn)排體或邊界的精確定位；④量測功能，通過軟件能對圖像上的物體量取尺寸大??；⑤三維展示功能，通過后續(xù)的軟件開發(fā)，使排布搭接狀況展示在堤軸線兩側(cè)的實際位置，突出立體表達(dá)效果。

3 水下鋪排施工動態(tài)監(jiān)測的實施

水下鋪排開始，現(xiàn)場具備一定的作業(yè)面后即可實施監(jiān)測，對施工沒有任何干擾。監(jiān)測的及時性有保證，鋪設(shè)開始，監(jiān)測即可開始，排體鋪設(shè)全部完成后，監(jiān)測即可同步完成。

3.1 儀器的安裝與調(diào)試

識別聲納實時成像系統(tǒng)各部分同云臺連接起來，通過安裝支架固定在測量船上。檢查GPS天線和云臺的連接桿是否在一條豎線上，調(diào)試GPS定位系統(tǒng)和識別聲吶與電腦軟件的通信，保持順暢。

如果測區(qū)水深超過40m，可以搭載水下機器人（見圖1）實施拍攝作業(yè)。

3.2 云臺調(diào)節(jié)

根據(jù)排體施工定位資料和排體搭接的規(guī)律，通過視頻控制云臺的旋轉(zhuǎn)，使聲學(xué)鏡頭對準(zhǔn)排體搭接的邊界。

3.3 攝像記錄

探測到排體的邊界后，從排體頭開始即可沿著邊界行進(jìn)，直至所測區(qū)域排體檢測結(jié)束。聲吶會將圖像完整地記錄下來，同時GPS定位模塊會實時記錄圖像的定位信息，這樣便獲取了排體邊界的圖像和軌跡信息，包括縱向和橫向的圖像及軌跡信息。

3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過軟件的相關(guān)功能查找兩塊相鄰排體最小寬度，然后進(jìn)行測量，將多個邊界的最小搭接寬度統(tǒng)計后與設(shè)計的要求進(jìn)行對比，得出相關(guān)結(jié)論，提交項目相關(guān)單位。

4 實踐應(yīng)用

在南匯東灘促淤一期工程Ⅰ標(biāo)段進(jìn)行了水下試驗，取得了清晰的聯(lián)鎖排影像，得到現(xiàn)場監(jiān)理人員的認(rèn)可。部分?jǐn)?shù)據(jù)截圖如圖2所示。

5 側(cè)掃聲吶和識別聲吶的配合應(yīng)用

側(cè)掃聲吶是水下搜索、水下考察等的重要工具，適合大范圍的三維掃描，可獲得水下大范圍的地貌圖像，能夠直觀地看到拋石的總體情況以及排體在水底的總體鋪設(shè)情況，得到施工整體層面上的圖像資料，并記錄下相關(guān)位置信息，見圖3。

識別聲吶主要用于獲取小范圍的高分辨率圖像，側(cè)掃聲吶主要用于獲取水下工程整體的三維圖像[4]。他們是局部和整體的關(guān)系，也即“點”和“面”的關(guān)系。根據(jù)工程需要，可以兩種手段結(jié)合起來同時使用，相互補充。

6 結(jié)語

通過現(xiàn)場試驗表明，識別聲吶水下成像法在鋪排施工中的監(jiān)控應(yīng)用是完全可行的，能夠達(dá)到監(jiān)控水下鋪排施工質(zhì)量的目的，適合在水下排布鋪設(shè)、水下工程裂縫檢測、水下碎石包及各類水下棱體的成像中推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔捷，張保民.激光水下成像技術(shù)及其進(jìn)展[J].光電子技術(shù)，2006（2）：129-132.

[2]張利，孫傳東，何俊華.光源角度配置對水下成像圖像質(zhì)量影響的研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2010（4）：579-583.

[3]趙欣慰.水下成像與圖像增強及相關(guān)應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[4]袁婷.激光水下成像系統(tǒng)研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2013.