水下測量系統(tǒng)在預制構(gòu)件安裝定位中的研發(fā)與應用

徐立軍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司， 遼寧 沈陽 110006)

在工程測量領域，水下測量為一重要分支，其主要用于江河湖海等水域環(huán)境條件下的地形地貌測量，包括測定平面位置與高程等，并最終獲得水下地形圖、等深線圖等，用于水下工程建設或相關(guān)活動的開展[1-4]。在水下測量的技術(shù)手段方面，相關(guān)學者已有較多的研究成果，例如：楊少愚等[5]、寧新龍[6]關(guān)注無人船在水下測量中的工藝原理、技術(shù)特點以及流程優(yōu)化等方面；陳齊[7]則在通過無人機航測獲得密集點云數(shù)據(jù)的基礎上，提出了高精度DEM的構(gòu)建方法；陳遠明等[8]開發(fā)了一套水下攝影測量系統(tǒng)，并將其應用于拖曳試驗，驗證了其可靠的測量精度。本文在前人研究的基礎上，以某深水航道整治工程為依托，通過研發(fā)一種專用測量架，并在其上設置基于GPS和傾斜儀的測量系統(tǒng)以及基于水下圖像的測量系統(tǒng)，通過兩種測量系統(tǒng)的先后應用，依次進行粗調(diào)整和精調(diào)整，從而有效地實現(xiàn)了深水區(qū)域的大型預制梯形空心構(gòu)件的高精度安裝。

1 工程概況

南京某深水航道整治工程需要在近13m水深位處安裝大型預制構(gòu)件，但施工中面臨著一系列的安裝難題，比如水下可見度低、安裝精度要求高、安裝區(qū)域水深等，亟須采取針對性的水下定位技術(shù)保證預制構(gòu)件安裝的精度和效率。工程主要包括頭部潛堤、右緣丁壩、南北側(cè)丁壩、左汊護底帶以及護岸等，其中頭部潛堤與部分丁壩的結(jié)構(gòu)型式設計為混合堤，即由預制梯形構(gòu)件與拋石基床共同組成。梯形構(gòu)件為空心形式，單件質(zhì)量為180t，具體尺寸為：頂、底寬度分別為2.0m、6.0m，高6m，壁厚60cm，長度為4.94m。其在整平基床之后進行安裝，構(gòu)件間安裝間隙為60cm。本工程共需要安裝梯形構(gòu)件369個，安裝斷面見圖1。

圖1 航道中預制構(gòu)件安裝斷面

本工程中的預制構(gòu)件安裝須考慮基床縱向0.9%的坡降，安裝時水流速度2m/s以上，采用傳統(tǒng)起重船吊裝時，安裝位置最大深度近17m，精度控制難度非常大。因此，傳統(tǒng)的測量定位方法無法滿足要求，需要新的水下測量裝置，以保證構(gòu)件安裝滿足±3cm的允許偏差。

2 新型測量架的設計

考慮本工程的實際安裝難度，專門設計了用于安裝定位儀器的測量架。該測量架主要包括兩邊的測量桿以及基礎底座，其布置在吊架的2組吊鉤之間并通過4條鐵鏈相連，從而使預制構(gòu)件與測量架之間的相對位置不受外界因素影響，測量架構(gòu)造見圖2。

圖2 專用測量架構(gòu)造

梯形構(gòu)件頂部預留有直徑2cm的孔洞，用于通過2根直徑18cm的鋼插銷，以與測量架基礎底座連接固定。測量架底座上布置一臺水下雙軸傾斜儀。伸出水面的2根測量桿頂部各布置一臺GPS天線。測量桿直徑20cm，采用鍍鋅鋼管制作而成，避免水流沖撞引起晃動。測量桿之間連接有2道橫撐，使之形成整體。同時，在水深處測量時，測量桿設置為2節(jié)，而在水淺處測量時，則可單獨使用1節(jié)。測量桿節(jié)間使用法蘭連接固定。位于下游側(cè)的測量架設置有兩臺水下攝像機(帶有清水箱)。方位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括GPS定位系統(tǒng)和傾斜儀，與浮吊上的主控電腦相連，可實時顯示待安裝構(gòu)件的實際位置偏差情況，并對水下攝像機獲取的圖像進行計算分析，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，如待安裝構(gòu)件與前面已安裝完構(gòu)件之間的錯牙、縫寬等，并校核定位測量系統(tǒng)。

3 基于傾斜儀與GPS的測量系統(tǒng)

3.1 技術(shù)原理

基于傾斜儀與GPS的測量系統(tǒng)通過專用軟件收集傾斜儀與GPS的數(shù)據(jù)，并將構(gòu)件的平面位置、高程及其與相鄰構(gòu)件間的縫寬、錯牙、軸線偏差等實時顯示于控制界面上，指導操作人員正確調(diào)整構(gòu)件姿態(tài)，保證水下安裝的誤差不超過允許值。通過直觀把握待安裝構(gòu)件的水下狀態(tài)，從而實現(xiàn)水流快、深水、能見度低等不利工況下的高精度安裝。

3.2 系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)通信設備、軟件以及數(shù)據(jù)采集設備構(gòu)成了該系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)通信設備主要包括串口服務器及兩臺無線AP，用于接收數(shù)據(jù)并傳輸給電腦，可將數(shù)據(jù)在多個設備間傳遞。系統(tǒng)軟件包括顯示模塊、項目管理模塊以及通信模塊，可對構(gòu)件位置、傾角以及方位角等參數(shù)進行監(jiān)控。顯示模塊的功能主要為構(gòu)件測量數(shù)據(jù)的顯示、存儲與處理；項目管理模塊的功能是管理項目的各種參數(shù)等；串口通信模塊承擔數(shù)據(jù)通信功能。數(shù)據(jù)采集設備包括兩臺RTK GPS以及一臺傾斜儀，分別用于構(gòu)件位置定位以及傾斜姿態(tài)測量。

3.3 運行配置

3.3.1 模塊配置

將各設備按要求連接起來組建硬件系統(tǒng)，見圖3。由串口服務器對設備采集的數(shù)據(jù)進行接收，再通過無線AP發(fā)送。利用一根網(wǎng)線將無線AP與主控電腦連接，以接收數(shù)據(jù)。主控電腦在接收相關(guān)數(shù)據(jù)的同時，也應激活電腦端端口，使服務器的4個接口映射至電腦。GPS的坐標原點與高程面分別為預制構(gòu)件的中心與構(gòu)件上表面，在軟件中輸入計算好的坐標，從而測量出預制構(gòu)件與GPS安裝位置的相對關(guān)系。同時，輸入對應的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將WGS84坐標系下的GPS接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到目前工程的坐標系中，以保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

圖3 測控設備的模塊配置

3.3.2 施工圖導入

在CAD軟件中畫出預制構(gòu)件的安裝位置圖、構(gòu)件外框圖以及地理背景圖等，再將各圖紙加載到控制軟件中。

3.3.3 構(gòu)件尺寸與施工區(qū)域設置

在導入施工圖之后，同時輸入該區(qū)域的里程起點與位置、軸線端點高程及坐標等參數(shù)。其中，里程起點與位置分別為構(gòu)件安裝區(qū)域的起算點里程及坐標，軸線端點為同一坡度的堤軸線兩端。

此外，為正確定位構(gòu)件位置，還需要輸入構(gòu)件的上下表面尺寸，以獲得四角的特征點坐標值、夾具在構(gòu)件上的位置以及構(gòu)件安裝方向等。考慮實際中的制作誤差或放置誤差，應具體測量出夾具到構(gòu)件邊緣的實際邊距，以保證符合實際情況。

4 基于水下圖像的測量系統(tǒng)

為對預制構(gòu)件的安裝情況進行更精確的調(diào)整，將兩套水下攝像裝置安裝在吊具鉤腿上，采集水下安裝處的相關(guān)圖像，再經(jīng)電腦端進行圖像分析，確定構(gòu)件位置信息。水下攝像機設計有清水裝置，以避免深水處混濁水體的影響。

4.1 構(gòu)件安裝調(diào)整流程

基于水下圖像測量系統(tǒng)的預制構(gòu)件安裝調(diào)整流程見圖4。

圖4 構(gòu)件安裝調(diào)整流程

4.2 水下圖像測量的關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 采集圖像

為獲得高質(zhì)量的水下安裝圖像，采用分辨率為720×576的攝像機，可每次在視頻中自動獲得一幀圖像用于分析處理。在整體構(gòu)件安裝方案中，水下圖像獲取是關(guān)鍵的一環(huán)，需在施工現(xiàn)場復雜的深水環(huán)境中保證所采集圖像的清晰度。在實際操作中，為避免水下泥沙、弱光照環(huán)境的不利影響，在攝像機前額外配備了清水箱。

4.2.2 圖像預處理

圖像預處理的基本流程見圖5。

圖5 圖像預處理的基本流程

a.圖像去噪。中值濾波是一種信號處理技術(shù)，主要針對的是非線性平滑濾波，其能有效控制噪聲，通過用鄰域各點的像素中值取代某特定點的像素值，使孤立的噪聲點得到消除。構(gòu)件安裝時處于深水環(huán)境，圖像采集后往往具有模糊的邊緣，相關(guān)的噪點比較多，影響分析精度。因此，本工程擬將基于排序統(tǒng)計理論的中值濾波法用于圖像處理，使圖像的邊緣平滑。

b.圖像增強。深水環(huán)境不僅增多了圖像中的噪點，且會使圖像的對比度降低，影響圖像中特征點的有效提取，使測量精度變低。因此，需對去噪之后的圖像進行進一步的增強處理，以改進圖片質(zhì)量。本次采用直方圖變換的形式，達到較好地區(qū)分背景與測量目標的目的。將圖像的概率密度函數(shù)應用于變換函數(shù)，使期望形式的直方圖得以呈現(xiàn)，然后再變換圖像，從而使某圖像或圖像值區(qū)間的反差變大。綜上所述，為使圖像特征更為突出，便于提取，可通過直方圖變換的方法，放大或縮小水下圖像的某一灰度范圍。

c.圖像二值化。對于某圖像，設其像素僅有黑白兩色，且沒有中間灰度，即只有最大或最小灰度值(在某特定精度下)，則此類特殊的灰度圖像即為二值圖像。圖像二值化是指將原本的灰度圖像通過處理，轉(zhuǎn)變?yōu)槎祱D像的過程，即對灰度圖像(28個亮度等級)進行閾值的合適選取，以獲得二值化圖像，且能將整體或局部的特征進行反映。

5 測量精度分析

兩臺天寶GPS與一臺水下雙軸傾斜儀構(gòu)成了本次設計應用的預制構(gòu)件水下測量裝置。GPS高程誤差限值為±30mm，平面誤差限值為±20mm。傾斜儀的誤差限值為±0.01°?？紤]預制構(gòu)件與測量架的相對位置關(guān)系，結(jié)合上述誤差限值，經(jīng)計算，本次測量系統(tǒng)的高程與平面誤差均不超過±30mm的限值。

為評定測量系統(tǒng)的精度，另通過傳統(tǒng)的全站儀對構(gòu)件安裝定位進行測量，獲得測量數(shù)據(jù)，并將兩者的測量精度進行對比，見表1。由表1可以看出，該水下測量系統(tǒng)的高程與平面位置等數(shù)據(jù)相較于全站儀數(shù)據(jù)，其誤差均不超過30mm的限值。

表1 預制構(gòu)件水下測量系統(tǒng)與全站儀的數(shù)據(jù)對比

本工程先通過傾斜儀與GPS對預制構(gòu)件的安裝定位情況進行粗調(diào)整，此后再采用計算機水下圖像測量的方式獲得待安裝構(gòu)件與前面已安裝構(gòu)件之間的縫寬，并據(jù)此數(shù)據(jù)對待安裝構(gòu)件進行進一步的精調(diào)，從而提高了構(gòu)件在水下測量定位的精度。

6 結(jié) 語

a.水下測量技術(shù)在本工程近13m水深區(qū)域的梯形預制構(gòu)件安裝中得到了成功應用，有效保證了構(gòu)件安裝精度，使航道整治工程面臨的水下光線弱、深水、水流急、精度要求高等難題迎刃而解。

b.在GPS和傾斜儀粗定位的基礎上，水下圖像測量技術(shù)的可視化應用實現(xiàn)了構(gòu)件的精調(diào)整，施工中可對構(gòu)件位置進行軟件界面的實時顯示，據(jù)此調(diào)整方位參數(shù)指導船舶科學移位，保證構(gòu)件的高精度安裝。

c.在水下圖像可視化技術(shù)方面，未來在類似工程工況下，可進一步優(yōu)化檢測技術(shù)，如在測量系統(tǒng)中增加聲吶定位技術(shù)等。通過多種工藝手段的有機聯(lián)合，可有效應對深水區(qū)域構(gòu)件的安裝難題，并促進類似深水航道整治工程施工技術(shù)進步。