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原文传递打桩定位理论及其关键技术研究

论文题名：	打桩定位理论及其关键技术研究
关键词：	打桩定位;定位理论;定位模型;贯入度;智能全站仪;传感器;桩位;相机;无线电台;观测;测距仪;坐标;定位方法;打桩工程;测量;智能型;最短距离;自动提取;图像;解决方案
摘要：	在海上打桩工程中，传统的桩位定位方法是利用两至三台经纬仪，根据视线交会的方式进行定位，存在效率低，精度不高等缺点。目前也有学者提出利用全站仪打桩定位的方法，但也存在观测量较多，实用性较弱的问题。基于多传感器集成的GPS RTK打桩定位方法在不少重大工程中得到了成功的应用，是远海打桩工程的首选方法，但没有解决好方桩定位以及贯入度提取等问题。本文对打桩定位理论及其关键技术进行了研究，总结了目前海上打桩工程中桩位定位使用的方法，分析了它们的定位特点以及不足之处，利用多种传感器以及它们之间的集成提出了新的打桩定位方法，同时对碰桩，贯入度自动提取等关键问题也给出了相应的解决方案，本文所用到的传感器包括智能型全站仪、无线电台、GPS、CCD相机、测距仪以及倾斜仪。　　智能型全站仪带有操作系统，客户可以根据测量需求定制相应的解决方案，本文基于智能型全站仪提出了观测桩侧任意一方向与桩身任意一点的桩位标准定位模型，以及观测相同竖直角平面内桩侧一方向与桩身一点坐标的简易定位模型，并在基于WinCE的拓普康GPT-7502上进行了实现，同时利用无线电台，将观测结果发送到船上，并利用一个PDA接收系统显示定位结果，指导打桩船的移动，本方法集成了智能全站仪与无线电台传感器，具有观测量少，实用性高的特点。　　桩位定位是典型的非接触式测量，因此本文考虑了根据摄影测量理论，利用一个CCD相机以及一个测距仪实现桩位中心船固坐标的定位模型。先利用Robert边缘检测算子和Hough变换，实时处理CCD相机采集的图像，提取桩边缘直线。再利用CCD相机的内外方位元素，测距仪坐标及其量测值，根据不同的打桩类型(斜打与直打)，建立求解桩中心坐标的数学模型，最后利用桩中心初值和牛顿下山法解算并获取设计高程面内的桩中心工程坐标。对定位模型进行了单次以及连续定位测试，对结果进行了分析并讨论了测试过程中遇到的问题以及解决方法，本定位模型集成了CCD相机、测距仪、GPS以及两个倾斜仪传感器。　　桩位在设计阶段，一般不会出现碰桩情况，但由于一些客观原因，如潮流、风向以及定位精度等，实际沉桩结果与设计值不相符。本文讨论了如何利用实际沉桩数据对碰桩进行有效预警，讨论了两桩最短距离及其中误差的计算，提高了碰桩预警值的可靠性，并利用OpenGL实现了桩位的三维建模与显示。同时针对桩打完以后，由于船舶碰撞引起的碰桩，讨论了新型防撞工艺的放样实现，即基于GPS RTK的锚锭块放样方法，分别介绍了此方法的原理、实例以及软件实现。　　桩的贯入度指的是在一定数量的锤击下，桩的下沉量。目前贯入度主要根据人工目视桩身的刻度线，估算下沉量，并根据锤击的次数得到。本文利用CCD相机传感器，及其拍摄的锤击前后的图像，通过SIFT算法提取，并匹配前后图像的公共特征点，根据相同特征点间的像素距离，以及每个像素点的实际长度，经过异常点剔除后，计算得到贯入度。本文还详细介绍了SIFT算法的实现过程，讨论了能够观测到桩两条边缘情况下贯入度自动提取，以及不能观测到桩边缘情况下，将桩架作为参考目标时的影响。　　本文的主要创新点在于：　　 (1)针对智能全站仪打桩，提出了一方向一点法的标准与简易定位模型，利用EVC对定位模型进行了机载观测系统的实现，并通过无线电台实现岸侧与打桩船的通讯。　　 (2)根据摄影测量理论，利用一个CCD相机与一个测距仪实现了桩位船固坐标的实时获取。　　 (3)根据实际沉桩数据以及误差传播定律，得到两桩之间的最短距离及其中误差，实现了碰桩的可靠预警。　　 (4)利用SIFT算法，通过对锤击前后CCD相机拍摄图像的处理，提取桩的贯入度。
作者：	谢义林
专业：	地图制图学与地理信息工程；测绘科学与技术
导师：	姚连璧
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文