水下测量系统在预制构件安装定位中的研发与应用

徐立军

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司， 辽宁 沈阳 110006)

在工程测量领域，水下测量为一重要分支，其主要用于江河湖海等水域环境条件下的地形地貌测量，包括测定平面位置与高程等，并最终获得水下地形图、等深线图等，用于水下工程建设或相关活动的开展[1-4]。在水下测量的技术手段方面，相关学者已有较多的研究成果，例如：杨少愚等[5]、宁新龙[6]关注无人船在水下测量中的工艺原理、技术特点以及流程优化等方面；
陈齐[7]则在通过无人机航测获得密集点云数据的基础上，提出了高精度DEM的构建方法；
陈远明等[8]开发了一套水下摄影测量系统，并将其应用于拖曳试验，验证了其可靠的测量精度。本文在前人研究的基础上，以某深水航道整治工程为依托，通过研发一种专用测量架，并在其上设置基于GPS和倾斜仪的测量系统以及基于水下图像的测量系统，通过两种测量系统的先后应用，依次进行粗调整和精调整，从而有效地实现了深水区域的大型预制梯形空心构件的高精度安装。

南京某深水航道整治工程需要在近13m水深位处安装大型预制构件，但施工中面临着一系列的安装难题，比如水下可见度低、安装精度要求高、安装区域水深等，亟须采取针对性的水下定位技术保证预制构件安装的精度和效率。工程主要包括头部潜堤、右缘丁坝、南北侧丁坝、左汊护底带以及护岸等，其中头部潜堤与部分丁坝的结构型式设计为混合堤，即由预制梯形构件与抛石基床共同组成。梯形构件为空心形式，单件质量为180t，具体尺寸为：顶、底宽度分别为2.0m、6.0m，高6m，壁厚60cm，长度为4.94m。其在整平基床之后进行安装，构件间安装间隙为60cm。本工程共需要安装梯形构件369个，安装断面见图1。

图1 航道中预制构件安装断面

本工程中的预制构件安装须考虑基床纵向0.9%的坡降，安装时水流速度2m/s以上，采用传统起重船吊装时，安装位置最大深度近17m，精度控制难度非常大。因此，传统的测量定位方法无法满足要求，需要新的水下测量装置，以保证构件安装满足±3cm的允许偏差。

考虑本工程的实际安装难度，专门设计了用于安装定位仪器的测量架。该测量架主要包括两边的测量杆以及基础底座，其布置在吊架的2组吊钩之间并通过4条铁链相连，从而使预制构件与测量架之间的相对位置不受外界因素影响，测量架构造见图2。

图2 专用测量架构造

梯形构件顶部预留有直径2cm的孔洞，用于通过2根直径18cm的钢插销，以与测量架基础底座连接固定。测量架底座上布置一台水下双轴倾斜仪。伸出水面的2根测量杆顶部各布置一台GPS天线。测量杆直径20cm，采用镀锌钢管制作而成，避免水流冲撞引起晃动。测量杆之间连接有2道横撑，使之形成整体。同时，在水深处测量时，测量杆设置为2节，而在水浅处测量时，则可单独使用1节。测量杆节间使用法兰连接固定。位于下游侧的测量架设置有两台水下摄像机(带有清水箱)。方位数据采集系统包括GPS定位系统和倾斜仪，与浮吊上的主控电脑相连，可实时显示待安装构件的实际位置偏差情况，并对水下摄像机获取的图像进行计算分析，获得相关数据，如待安装构件与前面已安装完构件之间的错牙、缝宽等，并校核定位测量系统。

3.1 技术原理

基于倾斜仪与GPS的测量系统通过专用软件收集倾斜仪与GPS的数据，并将构件的平面位置、高程及其与相邻构件间的缝宽、错牙、轴线偏差等实时显示于控制界面上，指导操作人员正确调整构件姿态，保证水下安装的误差不超过允许值。通过直观把握待安装构件的水下状态，从而实现水流快、深水、能见度低等不利工况下的高精度安装。

3.2 系统组成

数据通信设备、软件以及数据采集设备构成了该系统。其中，数据通信设备主要包括串口服务器及两台无线AP，用于接收数据并传输给电脑，可将数据在多个设备间传递。系统软件包括显示模块、项目管理模块以及通信模块，可对构件位置、倾角以及方位角等参数进行监控。显示模块的功能主要为构件测量数据的显示、存储与处理；
项目管理模块的功能是管理项目的各种参数等；
串口通信模块承担数据通信功能。数据采集设备包括两台RTK GPS以及一台倾斜仪，分别用于构件位置定位以及倾斜姿态测量。

3.3 运行配置

3.3.1 模块配置

将各设备按要求连接起来组建硬件系统，见图3。由串口服务器对设备采集的数据进行接收，再通过无线AP发送。利用一根网线将无线AP与主控电脑连接，以接收数据。主控电脑在接收相关数据的同时，也应激活电脑端端口，使服务器的4个接口映射至电脑。GPS的坐标原点与高程面分别为预制构件的中心与构件上表面，在软件中输入计算好的坐标，从而测量出预制构件与GPS安装位置的相对关系。同时，输入对应的转换系数，将WGS84坐标系下的GPS接收数据转换到目前工程的坐标系中，以保证数据统一。

图3 测控设备的模块配置

3.3.2 施工图导入

在CAD软件中画出预制构件的安装位置图、构件外框图以及地理背景图等，再将各图纸加载到控制软件中。

3.3.3 构件尺寸与施工区域设置

在导入施工图之后，同时输入该区域的里程起点与位置、轴线端点高程及坐标等参数。其中，里程起点与位置分别为构件安装区域的起算点里程及坐标，轴线端点为同一坡度的堤轴线两端。

此外，为正确定位构件位置，还需要输入构件的上下表面尺寸，以获得四角的特征点坐标值、夹具在构件上的位置以及构件安装方向等。考虑实际中的制作误差或放置误差，应具体测量出夹具到构件边缘的实际边距，以保证符合实际情况。

为对预制构件的安装情况进行更精确的调整，将两套水下摄像装置安装在吊具钩腿上，采集水下安装处的相关图像，再经电脑端进行图像分析，确定构件位置信息。水下摄像机设计有清水装置，以避免深水处混浊水体的影响。

4.1 构件安装调整流程

基于水下图像测量系统的预制构件安装调整流程见图4。

图4 构件安装调整流程

4.2 水下图像测量的关键技术

4.2.1 采集图像

为获得高质量的水下安装图像，采用分辨率为720×576的摄像机，可每次在视频中自动获得一帧图像用于分析处理。在整体构件安装方案中，水下图像获取是关键的一环，需在施工现场复杂的深水环境中保证所采集图像的清晰度。在实际操作中，为避免水下泥沙、弱光照环境的不利影响，在摄像机前额外配备了清水箱。

4.2.2 图像预处理

图像预处理的基本流程见图5。

图5 图像预处理的基本流程

a.图像去噪。中值滤波是一种信号处理技术，主要针对的是非线性平滑滤波，其能有效控制噪声，通过用邻域各点的像素中值取代某特定点的像素值，使孤立的噪声点得到消除。构件安装时处于深水环境，图像采集后往往具有模糊的边缘，相关的噪点比较多，影响分析精度。因此，本工程拟将基于排序统计理论的中值滤波法用于图像处理，使图像的边缘平滑。

b.图像增强。深水环境不仅增多了图像中的噪点，且会使图像的对比度降低，影响图像中特征点的有效提取，使测量精度变低。因此，需对去噪之后的图像进行进一步的增强处理，以改进图片质量。本次采用直方图变换的形式，达到较好地区分背景与测量目标的目的。将图像的概率密度函数应用于变换函数，使期望形式的直方图得以呈现，然后再变换图像，从而使某图像或图像值区间的反差变大。综上所述，为使图像特征更为突出，便于提取，可通过直方图变换的方法，放大或缩小水下图像的某一灰度范围。

c.图像二值化。对于某图像，设其像素仅有黑白两色，且没有中间灰度，即只有最大或最小灰度值(在某特定精度下)，则此类特殊的灰度图像即为二值图像。图像二值化是指将原本的灰度图像通过处理，转变为二值图像的过程，即对灰度图像(28个亮度等级)进行阈值的合适选取，以获得二值化图像，且能将整体或局部的特征进行反映。

两台天宝GPS与一台水下双轴倾斜仪构成了本次设计应用的预制构件水下测量装置。GPS高程误差限值为±30mm，平面误差限值为±20mm。倾斜仪的误差限值为±0.01°。考虑预制构件与测量架的相对位置关系，结合上述误差限值，经计算，本次测量系统的高程与平面误差均不超过±30mm的限值。

为评定测量系统的精度，另通过传统的全站仪对构件安装定位进行测量，获得测量数据，并将两者的测量精度进行对比，见表1。由表1可以看出，该水下测量系统的高程与平面位置等数据相较于全站仪数据，其误差均不超过30mm的限值。

表1 预制构件水下测量系统与全站仪的数据对比

本工程先通过倾斜仪与GPS对预制构件的安装定位情况进行粗调整，此后再采用计算机水下图像测量的方式获得待安装构件与前面已安装构件之间的缝宽，并据此数据对待安装构件进行进一步的精调，从而提高了构件在水下测量定位的精度。

a.水下测量技术在本工程近13m水深区域的梯形预制构件安装中得到了成功应用，有效保证了构件安装精度，使航道整治工程面临的水下光线弱、深水、水流急、精度要求高等难题迎刃而解。

b.在GPS和倾斜仪粗定位的基础上，水下图像测量技术的可视化应用实现了构件的精调整，施工中可对构件位置进行软件界面的实时显示，据此调整方位参数指导船舶科学移位，保证构件的高精度安装。

c.在水下图像可视化技术方面，未来在类似工程工况下，可进一步优化检测技术，如在测量系统中增加声呐定位技术等。通过多种工艺手段的有机联合，可有效应对深水区域构件的安装难题，并促进类似深水航道整治工程施工技术进步。