深水區(qū)大型構(gòu)件安裝水下測量定位技術(shù)

涂同珩，程茂林，楊秀禮

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040;3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

以長江南京以下12.5 m深水航道二期工程儀征水道整治工程為研究背景，針對水下大型預(yù)制構(gòu)件安裝過程中面臨的水深大、水下能見度低、整平精度要求高等技術(shù)難題，為保證安裝作業(yè)高精度、高效率地完成，對深水區(qū)大型構(gòu)件安裝水下測量定位技術(shù)進行研究。

工程施工地點位于世業(yè)洲西側(cè)，整治建筑物主要位于世業(yè)洲西側(cè)洲頭，由頭部潛堤、頭部潛堤南北側(cè)丁壩、右緣丁壩、左汊護底帶以及護岸組成(圖1)。儀征水道整治工程頭部潛堤、SL1丁壩、SL2丁壩和Y1丁壩均采用“拋石基床+梯形空心構(gòu)件”的混合堤結(jié)構(gòu)形式[1-2]。

基床整平完畢后，在其上部進行梯形空心構(gòu)件的精確安裝，空心構(gòu)件頂寬2.0 m，底寬6.0 m，高6.0 m，壁厚0.6 m，長4.94 m，安裝縫寬為60 mm(圖2)。單個構(gòu)件質(zhì)量為180 t，共安裝梯形空心構(gòu)件369個。

圖1 世業(yè)洲整治建筑物平面圖

圖2 梯形空心構(gòu)件安裝斷面圖(高程：m；尺寸：mm。下同)

本工程梯形空心構(gòu)件安裝基床沿軸線方向存在0.9%的坡降，構(gòu)件安裝設(shè)計縫寬為60 mm，允許偏差為±3 cm，安裝精度要求高。按照水位高程為3 m計算，采用大型起重船進行安裝時，構(gòu)件安裝最大水深達16.6 m，同時此區(qū)域最大流速超過2 m/s，且水流紊亂，構(gòu)件水下安裝難度大，給測量帶來較大困難，因此需要開發(fā)一套水下測量定位系統(tǒng)，以保證梯形空心構(gòu)件的安裝精度與效率。

根據(jù)梯形空心構(gòu)件的外形尺寸及安裝的精度要求，首先設(shè)計一款用于搭載測量設(shè)備的測量架，然后利用GPS、傾斜儀采集的數(shù)據(jù)及構(gòu)件的外形結(jié)構(gòu)尺寸，測量得到構(gòu)件相關(guān)定位數(shù)據(jù)，根據(jù)測量結(jié)果對構(gòu)件進行一次調(diào)整。最后根據(jù)水下采集得到的構(gòu)件安裝圖像，測量分析其間縫寬，根據(jù)分析結(jié)果對構(gòu)件進行二次精確調(diào)整。

1 專用測量架設(shè)計

針對工程施工區(qū)域的工況條件及梯形空心構(gòu)件安裝要求，為構(gòu)件水下安裝提供精確測量定位，設(shè)計了專用的測量架，用于安裝測量定位和檢測儀器。測量架布置在吊架的2組吊鉤之間，由1個基礎(chǔ)底座和安裝在兩側(cè)的測量桿組成，并采用4條鐵鏈與吊架相連，以保證測量架與空心構(gòu)件相對位置參數(shù)不受吊具受力變形的影響(圖3)。

圖3 專用吊具及測量架

測量架基礎(chǔ)底座通過底部的2根φ180 mm鋼管插銷安裝在梯形空心構(gòu)件頂部，空心構(gòu)件頂部預(yù)留φ200 mm孔洞，底座上安裝1臺水下傾斜儀，2根測量桿伸出水面，頂部各安裝1臺GPS天線。

為減小水流引起測量桿晃動產(chǎn)生的測量誤差，測量桿采用φ200 mm的鍍鋅鋼管制作，同時增加斜撐以提高測量桿剛度，并將測量桿通過2道橫撐連接，使測量架形成整體。測量桿設(shè)置成2節(jié)，通過法蘭連接，水深較淺時可拆除1節(jié)，減小測量桿自由端長度。

測量架下游側(cè)安裝2臺帶有清水箱的水下攝像機。傾斜儀與GPS定位系統(tǒng)組成方位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接至浮吊船上的控制電腦中，通過控制軟件實時顯示梯形空心構(gòu)件實際位置與設(shè)計位置的偏差情況，并通過對水下攝像機采集圖像進行分析計算，得到空心構(gòu)件與上一構(gòu)件的縫寬、錯牙等數(shù)據(jù)，對測量定位系統(tǒng)進行校核。

2 基于GPS和傾斜儀的測量系統(tǒng)

2.1 技術(shù)路線

該測量系統(tǒng)采用專用定位軟件接收GPS和傾斜儀傳遞的數(shù)據(jù)，通過軟件界面實時顯示構(gòu)件的水平度、平面位置、高程及相鄰構(gòu)件間錯牙、縫寬和軸線偏差等各項測量項目，從而可通過電腦屏幕直觀地掌握梯形構(gòu)件的水下方位，指導(dǎo)船位移調(diào)整構(gòu)件位置，實現(xiàn)深水、大流速等復(fù)雜施工環(huán)境下的實時精確測量，提高安裝精度。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備和軟件3個部分組成。系統(tǒng)硬件設(shè)備的通訊交互關(guān)系如圖4所示。

1)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。RTK GPS 2臺，用于接收GPS實時定位數(shù)據(jù)，確定空心構(gòu)件的位置；傾斜儀1臺，用于測量空心構(gòu)件的傾斜姿態(tài)。

2)數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。串口服務(wù)器1臺，接收GPS與傾斜儀數(shù)據(jù)，通過無線AP傳輸給電腦，供軟件使用；無線AP 2臺，為遠距離無線通訊設(shè)備，用于在多個設(shè)備間傳遞數(shù)據(jù)。

3)軟件?？招臉?gòu)件測量定位系統(tǒng)軟件由3個主要模塊組成，其中顯示模塊是軟件系統(tǒng)的主顯示監(jiān)控模塊，承擔(dān)對定位數(shù)據(jù)的處理、顯示與存檔功能；項目管理模塊用于項目參數(shù)管理；串口通訊模塊用于數(shù)據(jù)通訊。該軟件可實時監(jiān)控位置偏差、方位角偏差和二維傾角偏差，同時還能顯示正在安裝的空心構(gòu)件與相鄰構(gòu)件之間的間距、錯牙等參數(shù)。

圖4 測控系統(tǒng)設(shè)備連接

2.3 系統(tǒng)配置

2.3.1通訊模塊配置

按照圖4所示設(shè)備連接關(guān)系建立硬件系統(tǒng)，GPS和傾斜儀數(shù)據(jù)通過串口服務(wù)器接收，利用無線AP發(fā)送出去。主控電腦通過1根網(wǎng)線和無線AP連接，接收數(shù)據(jù)。

主控電腦要正常接收數(shù)據(jù)還需要激活電腦端的端口，使串口服務(wù)器的4個接口映射到電腦上。

本系統(tǒng)需要確定的是空心構(gòu)件的位置，因此需要測量GPS的安裝位置和空心構(gòu)件的相對關(guān)系。坐標原點位于空心構(gòu)件的中心，高程面為空心構(gòu)件的上表面。GPS的平面坐標和高程都從該點起算。坐標計算好后，輸入到軟件中。

另外，直接接收的GPS數(shù)據(jù)是WGS84坐標系下的經(jīng)緯度坐標，使用之前須轉(zhuǎn)換到當前工程中使用的坐標系中，所以需要輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.3.2導(dǎo)入施工圖

軟件運行需要的圖紙包括空心構(gòu)件外形框、安裝位置設(shè)計圖以及周圍地理環(huán)境背景圖等，可在CAD中繪制好后直接加載到測控軟件中。

2.3.3設(shè)置施工區(qū)域和構(gòu)件尺寸參數(shù)

安裝設(shè)計圖導(dǎo)入后，還需要輸入該區(qū)域相關(guān)參數(shù)，包括軸線端點坐標和高程、里程起點位置和起點里程。軸線端點坐標為具有同一坡度的堤軸線兩端端點坐標，高程即為設(shè)計高程；里程起點位置為空心構(gòu)件安裝區(qū)域的里程起算點坐標；起點里程為第1個框輸入起算點的里程。

要想得到構(gòu)件邊緣的定位信息，還要輸入空心構(gòu)件上、下面的尺寸，以便計算特征點(四角)坐標，包括夾具到空心構(gòu)件邊距和空心構(gòu)件安裝方向。按照設(shè)計尺寸，夾具和構(gòu)件尺寸一樣，但考慮到實際制作誤差，或者放置誤差，兩側(cè)可能會有所偏移，故需要量測兩邊實際邊距。

3 基于水下圖像的測量系統(tǒng)

本系統(tǒng)先利用在吊具鉤腿上安裝的2套水下攝像系統(tǒng)，對水下安裝部位圖像進行采集，然后由終端計算機對圖像進行分析計算，得到精確的構(gòu)件方位信息，最后據(jù)此對構(gòu)件安裝位置進行進一步調(diào)整。為了減少渾濁水體對采集圖像清晰度的影響，水下攝像機須加裝清水裝置。

3.1 水下圖像測量方案

1)首先在梯形構(gòu)件頂部接近安裝邊界處標注標準刻度；

2)通過水下攝像機采集梯形構(gòu)件頂部的標準刻度和構(gòu)件間縫寬圖像；

3)在后方計算機上通過圖像處理與計算獲取構(gòu)件間縫寬數(shù)值；

4)進行梯形構(gòu)件的調(diào)整，循環(huán)上述各步，直至完成所有構(gòu)件的安裝。

圖5是水下圖像測量系統(tǒng)的處理流程，該流程中圖像處理的主要模塊如下。

1)水下圖像實時采集模塊。該模塊完成數(shù)據(jù)源的獲取。在實際操作過程中，攝像機被安裝在運送榀字梁的吊具上。

2)圖像預(yù)處理模塊。該模塊完成圖像從RGB圖像到二值圖像的轉(zhuǎn)化，即數(shù)據(jù)的初步處理。在實際處理過程中，需要對RGB圖像做灰度化和二值化處理，并進行去噪和圖像增強[3]。

3)信息輸出模塊。該模塊主要利用提取的特征計算出梯形構(gòu)件的對齊信息。

圖5 水下圖像測量系統(tǒng)流程

基于該測量方案的構(gòu)件安裝位置調(diào)整流程，如圖6所示。

圖6 基于水下圖像測量的構(gòu)件位置調(diào)整流程

3.2 水下圖像測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1圖像采集

水下安裝圖像的實時獲取是整體設(shè)計方案的第1步，通過這一環(huán)節(jié)獲取高質(zhì)量的圖像是保證測量精度的前提。而水下施工現(xiàn)場的特殊環(huán)境導(dǎo)致工程對圖像采集設(shè)備的分辨率提出較高的要求。為保證圖像獲取的實時性，系統(tǒng)采用可采集為D1格式(分辨率為720×576)的攝像機，每次處理自動從視頻中取出1幀圖像進行處理。在實際采集的過程中，通過在攝像機前加裝清水箱的方法克服水下一定深度處光線較弱、泥沙較多給圖像采集帶來的困難。

3.2.2圖像預(yù)處理

通過攝像機獲取水下安裝部位圖像后，須對其進行預(yù)處理。本系統(tǒng)圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)主要采用以下幾種方法：

1)圖像去噪。受水體環(huán)境的影響，采集圖像噪點較多，線條邊緣較為模糊，這會影響水下圖像測量的精度，因此系統(tǒng)采用中值濾波的方法平滑圖像中的邊界線條。中值濾波基于排序統(tǒng)計理論，是一種能有效抑制噪聲的非線性平滑濾波信號處理技術(shù)。中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像中一點的像素值用該點的一個鄰域中各點像素值的中值代替，使周圍的像素值接近真實值，從而消除孤立的噪聲點[4]。

2)圖像增強。除了會導(dǎo)致圖像噪點較多，水下環(huán)境還會降低圖像的對比度，這會影響特征提取的有效性，進而降低水下測量的精度。為進一步改善圖像質(zhì)量，系統(tǒng)對水下去噪后的圖像進行增強處理。圖像增強通過直方圖變換來調(diào)整對比度，使得圖像的測量目標和背景得以較好地區(qū)分開來。直方圖變換采用變換函數(shù)作用于圖像的概率密度函數(shù)，將直方圖變換成所期望的形式，再根據(jù)變換后的直方圖對圖像進行變換，從而增大圖像或者某一圖像值區(qū)間的反差。直方圖變換就是對水下灰度圖像的某一段灰度區(qū)域進行放大或者縮小，使得圖像特征更加突出，有利于提取特征[5-6]。

3)圖像二值化。二值圖像是一種特殊的灰度圖像，其像素不是黑就是白，在一定精度下，只有最小灰度值和最大灰度值，沒有中間灰度。將灰度圖像轉(zhuǎn)化成二值圖像的過程稱為圖像二值化，就是將28個亮度等級的灰度圖像通過適當?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。圖像二值化的方法有固定閾值法和動態(tài)閾值法，動態(tài)閾值法中比較常見的有OTSU法[7]。本系統(tǒng)采用固定閾值處理方法進行處理。

預(yù)處理包括RGB圖像轉(zhuǎn)灰度圖像并將其二值化、圖像去噪、圖像增強以及可能的二值圖像旋轉(zhuǎn)等步驟(圖7)。

圖7 水下圖像預(yù)處理步驟

RGB圖像轉(zhuǎn)灰度圖像采用整數(shù)法，算法公式如下：

Gray=( 299R+ 587G+ 114B+500)/1 000

(1)

式中：R為紅色階數(shù)，G為綠色階數(shù)，B為藍色階數(shù)。

灰度圖像二值化采用固定閾值處理方法，原因如下：1)OTSU法自動計算閾值效果不佳；2)特定的施工水域深度閾值變化不大，可以通過試驗確定，或在實際使用中提供可調(diào)功能，一次調(diào)整即可滿足系統(tǒng)需求。

4 精度分析

空心構(gòu)件水下測量定位系統(tǒng)主要由2臺天寶GPS和1臺水下雙軸傾斜儀組成。GPS測量平面誤差不超過±20 mm，高程誤差不超過±30 mm。傾斜儀精度不超過±0.01°，綜合GPS及水下傾斜儀的測量精度，代入梯形空心構(gòu)件和測量架的相對位置關(guān)系，通過計算得到測量定位系統(tǒng)的平面和高程測量誤差不超過±30 mm。

表1為本測量系統(tǒng)與全站儀對構(gòu)件測量定位的精度對比結(jié)果。從表1可知，本測量定位系統(tǒng)的計算平面、高程數(shù)據(jù)與全站儀測量平面、高程數(shù)據(jù)的誤差均小于±30 mm。

表1 空心構(gòu)件測量定位系統(tǒng)精度對比

在梯形空心構(gòu)件安裝的典型施工過程中，現(xiàn)場人員根據(jù)測量定位軟件的指令進行安裝，構(gòu)件著床穩(wěn)定后使用陸上全站儀對構(gòu)件進行測量。與全站儀測量結(jié)果相比，實際安裝過程中測量定位系統(tǒng)平面位置誤差不超過30 mm，高程誤差不超過50 mm。

在利用GPS和傾斜儀測量得到的定位數(shù)據(jù)進行構(gòu)件安裝粗調(diào)整以后，系統(tǒng)還采用計算機視覺方法對水下構(gòu)件間縫寬進行測量，使測量定位精度進一步提高。

綜上所述，測量定位系統(tǒng)的測量精度高，能夠滿足梯形空心構(gòu)件水下安裝的精度要求。

5 結(jié)語

1)深水區(qū)大型構(gòu)件安裝水下測量定位技術(shù)在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程儀征水道整治工程中得到成功應(yīng)用，解決了空心構(gòu)件預(yù)制安裝施工過程中面臨的水深大、水下能見度低、安裝精度要求高等技術(shù)難題。

2)水下可視系統(tǒng)在GPS測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步提高了測量精度，并實現(xiàn)了構(gòu)件安裝的可視化。同時，測控軟件實時顯示構(gòu)件方位調(diào)整參數(shù)，指導(dǎo)船舶移位調(diào)整構(gòu)件位置，進一步提高安裝精度。

3)在以后的類似應(yīng)用場景中，可以針對工程需求優(yōu)化水下可視化檢測技術(shù)，如將聲吶檢測技術(shù)集成到測控系統(tǒng)中。這種多技術(shù)的融合運用在豐富我國深水構(gòu)件混合堤施工工藝的同時，也將促進深水航道整治及深水防波堤等工程建設(shè)的技術(shù)進步。