深圳大学田霖副研究员：沉管隧道管节对接水下摄影测量定位方法 |《测绘学报》2024年53卷第9期

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田霖,1,2, 李清泉2,3,4, 马华川2, 薛彪2, 管明雷2,5, 张德津,2,3

1.深圳大学物理与光电工程学院，广东　深圳　518060

2.广东省城市空间信息工程重点实验室，广东　深圳　518060

3.深圳大学建筑与城市规划学院，广东　深圳　518060

4.深圳市人工智能与数字经济广东省实验室，广东　深圳　518060

5.深圳职业技术学院人工智能学院，广东　深圳　518055

利用卫星测量塔将水下定位转换为水上定位是国内外沉管隧道管节定位的主要方法。然而，测量塔变形和管节变形的耦合影响定位精度，且无法适应大水深安装对接。本文提出了一种水下主动光源编码合作靶标摄影测量管节对接定位方法，利用主动光源增加光学作用距离，抑制后向散射，靶标编码克服悬浮颗粒、浮游生物影响。结合透射光分离成像和折射率作为未知参数的测量平差，克服水体浑浊和折射率诱导的光学畸变对水下摄影测量的影响。通过在待沉管节对接端两侧顶部安装摄影测量系统，已沉管节对应位置安装合作靶标并贯通测量确定其在施工坐标系的位置和姿态，通过后方交会计算得到待沉管节在施工坐标系的位置，与需要沉放到的理论位置对比，生成待沉管节位姿调整信息辅助对接。深中通道和大连湾沉管隧道工程应用表明，管节对接线形精度达到2 cm和100 m，为未来大水深沉管隧道建设提供关键技术支撑。

基金项目

深圳市科技计划技术攻关项目(JSGG20220831103800001)(JCYJ20220818095816035)(KQTD20200909113951005); 珠江人才计划(2021JC02G046); 深圳大学科研团队培育项目(2023JCT003)

作者简介

田霖（1987—），男，博士，副研究员，研究方向为水下测量与定位。E-mail：tianlin.hust@live.com

通讯作者: 张德津　E-mail：djzhang@szu.edu.cm

本文引用格式

田霖, 李清泉, 马华川, 薛彪, 管明雷, 张德津. 沉管隧道管节对接水下摄影测量定位方法[J]. 测绘学报, 2024, 53(9): 1671-1678 doi:10.11947/j.AGCS.2024.20240030

TIAN Lin, LI Qingquan, MA Huachuan, XUE Biao, GUAN Minglei, ZHANG Dejin. Underwater photogrammetry positioning of immersed tunnel element interfacing[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(9): 1671-1678 doi:10.11947/j.AGCS.2024.20240030

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http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/1001-1595-2024-09-1671.shtml

沉管隧道建设通常从两岸或人工岛向中间进行沉放，管节精密对接是确保隧道线形准确的关键。国内外均采用在管节顶面两端安装高出水面的卫星测量塔，将水下定位转为水上定位方法，实现管节安装定位[1-3]。然而，通过对水深超过10 m的管节浮运、沉放、对接过程的实际监测结果分析发现，测量塔和管节耦合形变对沉管安装精度影响不可忽视[4]。此外，测量塔安装拆卸周期长、成本高。深中通道和大连湾沉管隧道最终接头采用管内顶进节段合龙技术[5]，对接段预制在最后一个管节中，也无法安装测量塔。同时，测量塔变形随水深增加而变大，根本无法适应大水深条件安装定位，未来琼州海峡等大型工程面临巨大挑战。

管节安装定位包括浮运、沉放和对接定位3个阶段。在无测量塔的情况下，浮运时管节露出水面，可利用卫星定位[3]；沉放过程的目标是将管节精确沉放到基床对接区域，精度达20 cm以内即可，可采用水声定位[6-7]；对接定位精度要求高，将空气介质中成熟的摄影测量技术应用于水下，理论上可实现毫米级定位[8-10]。

然而，工程环境下水体浑浊，且存在折射率诱导的光学畸变，此种场景下的光学成像[11-12]和摄影测量解算[13]存在挑战，长期以来难以有效克服。传统水下摄影测量通常采用图像增强方法，通过弱信号的增强，改善图像视觉特征。该方法本质上是一个熵增过程，信息不会增加只会减少，不会平白无故地获得额外的信息。而时间信息门选通[14]、单光子成像[15]和偏振成像[16]等光电技术，能够从本质上改善光线传输过程，筛选出未经散射的光子，改善成像质量。在均匀、静态、弱散射等介质中，该技术表现良好；但随机、动态、强散射等复杂场景下其性能受限制。

本文提出主动光源编码合作靶标水下摄影测量管节对接定位方法，利用主动光源增加光学作用距离，抑制后向散射，靶标编码克服悬浮颗粒、浮游生物影响。结合透射光分离成像和折射率当未知参数的测量平差，克服水体浑浊和折射率诱导的光学畸变对水下摄影测量的影响。在已沉管节对接端顶面两侧安装主动光源编码合作靶标，通过贯通测量获得靶标在施工坐标系的位置和姿态，在待沉管节对应位置安装摄影测量设备，并确定两设备定位点连线与管节中轴线的夹角作为理论值，对接中，实时计算摄影测量设备在施工坐标系的位置确定水下管节位置，计算其连线与待沉管节需要存放到的理论中轴线的实际夹角，基于实际夹角与理论值生成待沉管节位姿调整信息反馈给对接执行系统，实现了免测量塔的管节对接定位。主要贡献包括：①提出基于主动光源编码合作靶标的摄影测量方法，并结合透射光分离成像和折射率当未知参数的测量平差，克服水体浑浊和折射率诱导的光学畸变对水下摄影测量的影响；②提出水下主动光源合作靶标摄影测量管节对接定位方法，为大水深沉管隧道安装卫星、水声、光学分级无缝定位提供支撑，实现海底沉管隧道免测量塔安装定位。

1　管节对接定位原理

管节的安装从出入口开始向中间逐步进行，每安装一个管节后会进行贯通测量，计算出下一个待沉管节的理论位置，并得到待沉管节的中轴线理论位置(图1蓝色虚线)，记为L'(x0,y0,α0)。对接过程中，中轴线实际位置(图1蓝色实线)记为L(x,y,α)。管节对接的角偏差为中轴线L'和L的单位方向矢量点积的函数

(1)

图1

图1   管节对接水下摄影测量定位方法

Fig.1   Underwater photogrammetry positioning of immersed turnel element interfacing

管节对接的轴偏差为管节上任意点(x0,y0)至实际中轴线的距离

(2)

管节首端偏差取首端的理论位置和实际位置，尾端偏差取尾端的理论位置和实际位置。

水下摄影测量系统通过在对接端建立长基线B实现对接定位。通过贯通测量和安装标定得到施工坐标系下合作靶标上控制点的坐标Ti(x,y,z)，通过摄影测量解算像心点的坐标Pi(x,y,z)，并拟合水平投影下摄影测量长基线B(x,y,φ)。基线B和中轴线L的夹角∠αφ0由管节坐标系标定得到，与中轴线L'的夹角∠αφ由施工坐标系下摄影测量解算

(3)

对接的角偏差Δθ=∠αφ-∠αφ0，基线上任意点理论值(x0,y0)至实际基线B的距离为

(4)

对接端左端轴偏差取左端相机像心的理论位置和实际位置，对接端右端轴偏差取右端相机像心的理论位置和实际位置，整体轴偏差取二者均值。

在对接过程中，定位系统持续监测管节的位置和姿态，计算管节中轴线角偏差Δθ和轴向偏差Δd。控制系统根据计算结果调整缆绳，使管节对准中轴线，并向已沉管节靠拢。重复上述步骤，使待沉管节逐步沿预设中轴线接近已沉管节。当管节接近目标位置时，使用带有锤形拉钩的拉合千斤顶和水力压接，将管节拉向已沉管节。整个对接过程中，摄影测量定位系统实时监控各项数据，确保对接过程的安全和稳定。同时，辅助设备如水下机器人、潜水员等也是必不可少的，以确保对接过程的顺利进行。对接完成后，将对收集到的数据进行处理和分析，以便后续工程实施和优化。

2　水下摄影测量对接定位

在水下工程环境中，摄影测量面临两大主要挑战：清晰成像与精确测量。近海岸水体的高泥沙含量、高流速及施工对水体的扰动等因素影响光线传播，导致水下成像质量不佳且作用距离有限。需要通过主动光源合作靶标和透射光分离成像技术，捕捉合作靶标控制点信息。

2.1　合作靶标检测

主动光源合作靶标指由防水发光二极管(LED)构成的合作靶标。主动光源能够供出色的对比度、均匀的光强分布和锐利的边缘，为透射光分离成像提供了必要的约束条件。主动光源合作目标将双光程简化为单光程，既增加了工作距离，又避免了照明光引起的前向散射问题。

主动光源合作靶标的成像是从主动光源出发直线进入相机的透射光Itran和发生散射间接进入相机的散射光Iscat的线性叠加

(5)

式中，Iobj是合作靶标自身光强分布；λ为透射光衰减因子；散射光强分布Iscat满足方程[17]

(6)

式中，Rcam(z)为场景中任一点到探测器之间的距离；θ是光波在散射介质中的散射角；b为介质的散射系数；c为散射光衰减因子。

如图2(a)所示，透射光分离成像技术利用了主动光源合作靶标自身的光强分布Iobj已知，且光学传播路径接近(λ近似为常数)的特性，通过光学图像分解并增强λ·Iobj分量，实现深浑水体环境下合作靶标的清晰成像。基于合作靶标光强分布构型和上一次有效位姿，计算并预测合作靶标成像Iobj。使用带通滤波器将图像分解为不同成分

(7)

式中，I0为光学图像；In是其不同频带下的分量。计算Iobj和In的相似度σn，并调整图像中各成分的比例生成新的图像Inew

(8)

图2

图2   透射光分离合作靶标检测

Fig.2   Transmission light separation imaging cooperative target recognition

基于增强后的图像Inew，通过百分比阈值分割和zhou算子[18-19]检测标志点中心，百分比阈值取合作靶标成像预测值中合作靶标的占比。结合摄影测量后方交会重新计算相机像位姿，并重新预测合作靶标成像Iobj。重复这个过程直到过拟合，过拟合定义为λ开始减少。

水下图像增强的核心在于通过增强弱信号或抑制强信号，以优化图像视觉特征。目前，传统方法和深度学习方法本质上属于高频信号增强(图2(b))或对比度优化(图2(c))方法。这些方法并不适用于实际工程环境等复杂场景，因为此时检测目标是具有不确定性的弱信号，难以通过预设模型或数据驱动精确识别并针对性增强检测目标。通过主动光源、合作靶标及透射光分离成像技术，可以准确勾勒和针对性增强感兴趣的图像信息，从而实现高质量成像。

2.2　水下摄影测量定位与修正

在空气中，物体所发出的光线沿直线传播，并在进入相机后交汇于相机焦点。在水下成像时，光线在观察窗处发生折射后，才会进入相机交汇于相机焦点。不同位置的物点在光轴上相交于不同的位置，这些焦点可以视为未产生折射的等效焦距fe，满足方程式(9)[20-22]

(9)

式中，(X,Y,Z)、(u,v)为等效前的目标点的世界坐标和像方坐标；(u0,v0)为图像中心；(X0,Y0)为像心坐标；Ze和Re为等效之后的结果，它们满足方程

(10)

式中，n为水体折射率；f为空气中相机的焦距；d为光心到折射面的距离。

根据上述方程，传统水下摄影测量需要额外预先标定水体折射率n，以及光心到折射面的距离d。通过等效焦距建立图像坐标系和世界坐标系的投影方程，并建立摄影测量共线方程，进而建立观察误差方程，进行平差解算。然而，工程水体具有浑浊、随机和动态的特性，不满足光学标定的条件。一旦折射率与期望值不同，会导致等效焦距产生误差Δfe，从而导致图像出现桶型或枕型失真，进而影响测量精度。

解决等效焦距误差Δfe的途径有两条：①在建立水下摄影测量误差观测方程时，将水体折射率n和定位结果(Xw,Yw,Zw)一同作为待估参数(未知参数)，然后由最小二乘法组成法方程，进而完成测量解算。这种方法的优点是实时性强，但当单张图像上折射率产生的图像畸变误差远小于控制点中心提取误差时精度较低。②基于折射率的图像畸变作为一种系统性误差，具有累积效应的特点。通过精心设计合作靶标的构型，在连续图像帧之间实施图像错位后的局部光束平差处理。当图像中因等效焦距误差Δfe而产生轻微的桶形或枕形畸变时，此类误差会在连续的图像帧之间逐渐累积。这种方法精度较高，但通常需要数分钟的累积观测数据，实时性较低。实际工程环境下，这两种方法以如图3所示方法联合，对折射率漂移产生的系统性误差进行修正。

图3

图3   水下测量折射率修正

Fig.3   Underwater measurement refraction correction

2.3　管节对接定位参数计算

施工坐标系下，安装在管节对接端左右侧相机摄影测量定位结果分别为Pa(Xa,Ya,Za)和Pb(Xb,Yb,Zb)，则PaPb所在基线的方向矢量在水平方向投影，满足方程

(11)

管节预设中轴线方向矢量记为C=(Xc,Yc)，两者之间夹角∠αφ满足方程

(12)

此时，管节对接的角偏差Δθ=∠αφ-∠αφ0，其中，∠αφ0为管节坐标系下摄影测量基线和管节中轴线的实测夹角。此时，管节两端测量相机轴向偏差Δda,b，取管节坐标系下Pa和Pb沿管节轴向偏差的平均值。测控体系据计算结果调整缆绳，使管节方向对准中轴线。

3　试验与验证

摄影测量系统的安装基座控制点位于对接端，如图4(a)所示。常规管节测量相机在管顶两侧各布设一组。技术验证过程中，测量设备布设在最终接头推出段端面。理论上，两组系统即可完成测量；4组系统可提供数据冗余及相互校验。在管节预制后，布设测量设备的安装基座，通过控制网标定安装基座控制点、设备控制点、设备轴线等测量参数，并将标定坐标系转换至管节坐标系，实现安装标定。

图4

图4   水下摄影测量系统

Fig.4   Underwater photogrammetry system

3.1　设备标定

试验使用水下摄影测量系统包括测量相机和合作靶标，如图4(b)、(c)所示。其中，测量相机分辨率为2592×2048像素，测量基线为20 cm；主动光源直径为10 mm，间距为20 cm。双目系统内参外参使用12×9(35 mm)标定板进行标定，为了验证测量精度，在6个典型距离下，使用测量系统观测棋盘格角点，并与全站仪测量结果进行比对，结果如图5(a)、(b)所示。经过参数优化和反复确认，保证摄影测量各向定位精度在3 m范围内优于1.5 mm, 1 m范围内优于0.5 mm，关键横向定位精度始终优于0.5 mm。确认系统在全站仪坐标系精度满足测量需求后(图5(c))，标定基座控制点、设备控制点、设备轴线等测量参数。

图5

图5   测量系统标定结果

Fig.5   Results of measurement system calibration

3.2　船坞试验

船坞试验旨在验证系统实际定位精度，同时完成系统软硬件性能的优化，为此在干坞内分别进行空气中和水下的模拟试验。如图6(a)所示，在待安装沉管管节对接端安装测量相机，合作靶标安装在专门为试验设立的立柱上，共布设两组测量设备。试验过程中管节向前推出1.7 m模拟对接过程，期间采用全站仪进行比对观测，实时计算管节位移量和实时位置，换算到管节顶端布设的检测点。

图6

图6   船坞试验验证

Fig.6   Dock test verification

坞内灌水前进行的试验，管节前移7次，共前移1.7 m, 3个检测点位于管节顶部。测量结果见表1，系统测量结果与独立控制网真值比对，纵向平均差为0.6 mm，标准差为2.7 mm，横向平均差为3.2 mm，标准差为1.9 mm；船坞灌水后进行水下模拟实际施工场景进行试验，纵向平均差为1.1 mm，标准差为2.5 mm，横向平均差为2.9 mm，标准差为1.5 mm。

表1   水上/水下对接模拟试验定位精度

Tab.1  Positioning accuracy of water/underwater simulation test

测量差值	坐标值	前进100 mm			前进200 mm			前进500 mm
		101	102	103	201	202	203	301	302	303
水上测量差值/mm	ΔX	－0.9	－1.2	1.3	－1.4	－1.9	1.1	－2.0	－2.1	2.9
	ΔY	－1.7	－1.2	0.6	－2.2	－2.1	0.4	－2.2	－2.1	0.7
	ΔZ	－2.0	－2.4	2.3	－2.8	－3.0	2.3	－2.7	－2.8	2.8
水下测量差值/mm	ΔX	－0.8	－1.4	－1.0	1.3	－0.4	－0.2	2.7	0.6	0.2
	ΔY	－3.4	－3.9	－4.6	－3.4	－4.0	－4.3	－3.3	－3.8	－4.2
	ΔZ	－2.6	－2.2	－2.0	－4.6	－4.3	－4.5	－4.7	－4.1	－4.0

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3.3　工程验证

实际施工试验旨在验证沉管安装施工方法的可靠性和有效性，为后续大规模施工提供技术支持。试验基于深中通道沉管隧道E21管节安装作业，管节为165 m标准管节，重量8万吨，沉放约30 m。在待安装管节对接端安装测量相机，在已安装管节对接端安装合作靶标，共布设两组测量设备。在管节着床、拉合和水力压接等沉放对接的典型节段，管节对接定位结果如图7所示。

图7

图7   管节对接定位结果

Fig.7   Results of immersed tunnel element interfacing

如表2所示，试验结果显示系统的内符合误差，分别为0.301 mm和0.494 mm。该结论具有1 min内的读数误差作为指标，由于拉合过程较慢，1 min内横向和垂直位置相对稳定，因此以该时段内数据方差作为重复性误差。相较于测量塔定位和贯通测量的外符合误差，分别为5 mm和8 mm。

表2   管节对接定位精度分析

Tab.2  Analysis of element positioning accuracy

位置	左侧相机	右侧相机	测量塔定位	贯通测量
纵向	—	—	5	8
横向	0.301	0.494	7	3
垂直	1.169	1.264	—	—

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结果显示，本文所述方法在仪器坐标系下具有亚毫米级别的重复性，相较于测量塔和贯通测量，定位精度具备毫米级别的相关性。

4　结论

本文探讨了沉管隧道管节对接水下光学定位方法，研究了水下光学成像机制和摄影测量解算机制，实现了主动光源合作靶标摄影测量定位技术，通过深中通道和大连湾海底隧道实际工程试验，能满足管节对接毫米级定位需求，具有定位精度高、成本低和适应水深大等特点。随着海底沉管隧道建设对安全、工期、环境适应性的要求不断提高，水面卫星、水下声光协同的管节安装定位方法是未来发展趋势，特别是大水深工程建设发展，水下光学定位将是这些超级海洋工程水下精密定位的重要技术途径。

初审：张艳玲

复审：宋启凡

终审：金   君