深水區大型構件安裝水下測量定位技術

涂同珩，程茂林，楊秀禮

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040;3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，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，針對水下大型預制構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難題，為保證安裝作業高精度、高效率地完成，對深水區大型構件安裝水下測量定位技術進行研究。

工程施工地點位于世業洲西側，整治建筑物主要位于世業洲西側洲頭，由頭部潛堤、頭部潛堤南北側丁壩、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+梯形空心構件”的混合堤結構形式[1-2]。

基床整平完畢后，在其上部進行梯形空心構件的精確安裝，空心構件頂寬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)。單個構件質量為180 t，共安裝梯形空心構件369個。

圖1 世業洲整治建筑物平面圖

圖2 梯形空心構件安裝斷面圖(高程：m；尺寸：mm。下同)

本工程梯形空心構件安裝基床沿軸線方向存在0.9%的坡降，構件安裝設計縫寬為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，構件安裝最大水深達16.6 m，同時此區域最大流速超過2 m/s，且水流紊亂，構件水下安裝難度大，給測量帶來較大困難，因此需要開發一套水下測量定位系統，以保證梯形空心構件的安裝精度與效率。

根據梯形空心構件的外形尺寸及安裝的精度要求，首先設計一款用于搭載測量設備的測量架，然后利用GPS、傾斜儀采集的數據及構件的外形結構尺寸，測量得到構件相關定位數據，根據測量結果對構件進行一次調整。最后根據水下采集得到的構件安裝圖像，測量分析其間縫寬，根據分析結果對構件進行二次精確調整。

1 專用測量架設計

針對工程施工區域的工況條件及梯形空心構件安裝要求，為構件水下安裝提供精確測量定位，設計了專用的測量架，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個基礎底座和安裝在兩側的測量桿組成，并采用4條鐵鏈與吊架相連，以保證測量架與空心構件相對位置參數不受吊具受力變形的影響(圖3)。

圖3 專用吊具及測量架

測量架基礎底座通過底部的2根φ180 mm鋼管插銷安裝在梯形空心構件頂部，空心構件頂部預留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。測量桿設置成2節，通過法蘭連接，水深較淺時可拆除1節，減小測量桿自由端長度。

測量架下游側安裝2臺帶有清水箱的水下攝像機。傾斜儀與GPS定位系統組成方位數據采集系統，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件實際位置與設計位置的偏差情況，并通過對水下攝像機采集圖像進行分析計算，得到空心構件與上一構件的縫寬、錯牙等數據，對測量定位系統進行校核。

2 基于GPS和傾斜儀的測量系統

2.1 技術路線

該測量系統采用專用定位軟件接收GPS和傾斜儀傳遞的數據，通過軟件界面實時顯示構件的水平度、平面位置、高程及相鄰構件間錯牙、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件的水下方位，指導船位移調整構件位置，實現深水、大流速等復雜施工環境下的實時精確測量，提高安裝精度。

2.2 系統組成

系統由數據采集設備、數據通訊設備和軟件3個部分組成。系統硬件設備的通訊交互關系如圖4所示。

1)數據采集設備。RTK GPS 2臺，用于接收GPS實時定位數據，確定空心構件的位置；傾斜儀1臺，用于測量空心構件的傾斜姿態。

2)數據通訊設備。串口服務器1臺，接收GPS與傾斜儀數據，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備，用于在多個設備間傳遞數據。

3)軟件。空心構件測量定位系統軟件由3個主要模塊組成，其中顯示模塊是軟件系統的主顯示監控模塊，承擔對定位數據的處理、顯示與存檔功能；項目管理模塊用于項目參數管理；串口通訊模塊用于數據通訊。該軟件可實時監控位置偏差、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件與相鄰構件之間的間距、錯牙等參數。

圖4 測控系統設備連接

2.3 系統配置

2.3.1通訊模塊配置

按照圖4所示設備連接關系建立硬件系統，GPS和傾斜儀數據通過串口服務器接收，利用無線AP發送出去。主控電腦通過1根網線和無線AP連接，接收數據。

主控電腦要正常接收數據還需要激活電腦端的端口，使串口服務器的4個接口映射到電腦上。

本系統需要確定的是空心構件的位置，因此需要測量GPS的安裝位置和空心構件的相對關系。坐標原點位于空心構件的中心，高程面為空心構件的上表面。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數據是WGS84坐標系下的經緯度坐標，使用之前須轉換到當前工程中使用的坐標系中，所以需要輸入相應的轉換參數。

2.3.2導入施工圖

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

2.3.3設置施工區域和構件尺寸參數

安裝設計圖導入后，還需要輸入該區域相關參數，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，高程即為設計高程；里程起點位置為空心構件安裝區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。

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

3 基于水下圖像的測量系統

本系統先利用在吊具鉤腿上安裝的2套水下攝像系統，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，得到精確的構件方位信息，最后據此對構件安裝位置進行進一步調整。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件頂部的標準刻度和構件間縫寬圖像；

3)在后方計算機上通過圖像處理與計算獲取構件間縫寬數值；

4)進行梯形構件的調整，循環上述各步，直至完成所有構件的安裝。

圖5是水下圖像測量系統的處理流程，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。該模塊完成數據源的獲取。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)圖像預處理模塊。該模塊完成圖像從RGB圖像到二值圖像的轉化，即數據的初步處理。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件的對齊信息。

圖5 水下圖像測量系統流程

基于該測量方案的構件安裝位置調整流程，如圖6所示。

圖6 基于水下圖像測量的構件位置調整流程

3.2 水下圖像測量系統關鍵技術

3.2.1圖像采集

水下安裝圖像的實時獲取是整體設計方案的第1步，通過這一環節獲取高質量的圖像是保證測量精度的前提。而水下施工現場的特殊環境導致工程對圖像采集設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圖像預處理

通過攝像機獲取水下安裝部位圖像后，須對其進行預處理。本系統圖像預處理環節主要采用以下幾種方法：

1)圖像去噪。受水體環境的影響，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。中值濾波的基本原理是把數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。除了會導致圖像噪點較多，水下環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量，系統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整對比度，使得圖像的測量目標和背景得以較好地區分開來。直方圖變換采用變換函數作用于圖像的概率密度函數，將直方圖變換成所期望的形式，再根據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的閾值選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閾值法，動態閾值法中比較常見的有OTSU法[7]。本系統采用固定閾值處理方法進行處理。

預處理包括RGB圖像轉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等步驟(圖7)。

圖7 水下圖像預處理步驟

RGB圖像轉灰度圖像采用整數法，算法公式如下：

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

(1)

式中：R為紅色階數，G為綠色階數，B為藍色階數。

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功能，一次調整即可滿足系統需求。

4 精度分析

空心構件水下測量定位系統主要由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，代入梯形空心構件和測量架的相對位置關系，通過計算得到測量定位系統的平面和高程測量誤差不超過±30 mm。

表1為本測量系統與全站儀對構件測量定位的精度對比結果。從表1可知，本測量定位系統的計算平面、高程數據與全站儀測量平面、高程數據的誤差均小于±30 mm。

表1 空心構件測量定位系統精度對比

在梯形空心構件安裝的典型施工過程中，現場人員根據測量定位軟件的指令進行安裝，構件著床穩定后使用陸上全站儀對構件進行測量。與全站儀測量結果相比，實際安裝過程中測量定位系統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據進行構件安裝粗調整以后，系統還采用計算機視覺方法對水下構件間縫寬進行測量，使測量定位精度進一步提高。

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

5 結語

1)深水區大型構件安裝水下測量定位技術在長江南京以下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用，解決了空心構件預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難題。

2)水下可視系統在GPS測量結果的基礎上，進一步提高了測量精度，并實現了構件安裝的可視化。同時，測控軟件實時顯示構件方位調整參數，指導船舶移位調整構件位置，進一步提高安裝精度。

3)在以后的類似應用場景中，可以針對工程需求優化水下可視化檢測技術，如將聲吶檢測技術集成到測控系統中。這種多技術的融合運用在豐富我國深水構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的技術進步。