一种土石坝填筑施工过程中料界污染实时监控方法与流程

本发明属于水利水电工程施工领域，更具体的说，是涉及一种土石坝填筑施工过程中料界污染实时监控方法。

背景技术：

土石坝是水电工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。土石坝主要就地取材，节省了水泥、钢材等的用量，降低了材料供应和运输费用，具有显著的经济性；土石坝对各种河谷地形适应性强，对坝址处的地质条件要求低，具有广泛的适用性；同时，土石坝施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工。虽然土石坝应用广泛且优势明显，但由于土石坝施工工期紧和施工强度大，给坝体施工质量的控制带来了更大挑战。料界划分作为土石坝填筑施工过程中的关键一环，直接影响到坝体碾压施工质量。因此，怎样科学地对料界污染进行有效控制是土石坝填筑施工过程中的重要问题。

目前对土石坝料界污染的控制主要依靠现场施工管理人员的监督管理，这种管理方法对提高土石坝填筑施工质量发挥了积极作用。但该方法存在准确性低、主观性强、干扰性大、完整性差等明显不足，而且随着土石坝建设规模的不断提高,这种人工管理机制已满足不了现代化机械施工进度和质量的要求。

近年来，信息化监控技术的研发与应用为水电工程施工质量的控制提供了新的途径。黄声享等利用全球卫星定位技术、无线数据通讯技术以及计算机技术和数据处理与分析技术，结合碾压机械进行集成，研制了面板堆石坝填筑质量的GPS实时监控系统。钟登华等针对心墙堆石坝和碾压混凝土坝的各自施工特点,分别开发了心墙堆石坝和碾压混凝土坝的填筑施工过程实时监控系统。虽然信息化监控技术在水电工程施工质量管理领域的应用愈来愈广，但目前多用于对坝面碾压施工过程中的碾压轨迹、碾压速度、碾压遍数、压实厚度等碾压过程参数的监控，尚未用于监控料界污染。

综上所述，目前土石坝填筑施工中对料界污染监控常采用的人工常规控制手段受人为因素干扰大，管理粗放，难以满足现代化机械施工进度和质量的要求。其次，信息化监控技术在水电工程施工管理中的应用日渐成熟，但尚未用于对料界污染的监控。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有实时性、连续性、自动化、高精度等特点的土石坝填筑施工过程中料界污染实时监控方法，对土石坝的坝面铺料过程进行在线监测和反馈控制，使坝面料界污染始终处于真实受控状态，这对于实现工程建设精细化管理，确保施工质量具有重大意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种土石坝填筑施工过程中料界污染实时监控方法，包括以下步骤：

(1)利用照相机对坝面料界进行实时监测；

(2)解析实时监测数据，确定坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差；

(3)根据坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差，对现场施工进行动态调控；

(4)统计分析料界污染的监控成果。

所述步骤(1)利用照相机对坡面料界进行实时监测的具体过程为：在坝体两侧边坡上分别安装照相机，事先设定照相机技术参数，以固定时间间隔对坝面进行拍照得到坝面铺料情况图像，实时传输至服务器数据库。

所述步骤(2)解析实时监测数据的具体过程为：首先对照相机采集的坝面铺料情况图像进行预处理，包括图像的灰度变换和平滑处理，然后对图像进行轮廓提取与轮廓跟踪，通过对坝料颗粒粒径进行统计分析，确定坝面铺料实际分界线的位置坐标，得到坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差。

所述步骤(3)对现场施工进行动态调控的具体过程为：根据预先设定的控制标准，对坝面铺料实际分界线进行判断，若坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差超过预先设定的控制标准，则发出报警，指导人员做出现场反馈与控制措施，重复上述步骤(1)和(2)，持续进行监测。

所述步骤(4)统计分析料界污染的监控成果的具体过程为：对已完工作坝面的铺料分界情况进行统计，分别生成料界偏差情况图形报表及现场纠偏后料界分布情况图形报告，并用文字性语句说明受污染分区及面积，作为工程建设管理的辅助材料。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明集成了高分辨率成像技术、自动传输技术以及图像处理技术，对坝面铺料进行全天候、远程、实时监控，为料界污染动态控制提供可靠依据；在坝面填筑施工现场安装料界污染监控装置，对铺料界限控制情况进行高频度监测；应用高分辨率照相机对铺料情况进行拍照，将图像上传至服务器数据库并采用图像处理技术对坝料颗粒粒径进行统计分析，识别物料摊铺是否按照设计要求轮廓进行，如发现料界污染情况，立即发出报警，指导现场进行处理，确保铺料界限满足设计要求；为提高工程施工质量和实现工程建设精细化管理提供有力支持。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中无线网桥搭接结构示意图；

图3是本发明中分区料界污染判定流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

土石坝坝面填筑施工过程中的料界污染，直接影响到大坝的施工质量，如何对坝面填筑施工过程中的料界污染进行实时监控并有效控制已成为土石坝工程施工亟待解决的问题。本发明旨在保证铺料位置的准确性，避免由于人工监测的局限性造成料界污染而影响施工质量，集成高分辨率成像技术、自动传输技术和图像处理技术，提供一种土石坝填筑施工过程中料界污染实时监控方法，如图1所示，对坝面铺料进行全天候、远程、实时监控，具体包括以下步骤：

一、利用照相机对坝面料界进行实时监测

在坝体两侧边坡的某已知位置(x，y，z)上分别安装固定高分辨率照相机，事先设定照相机技术参数，调整好并获取照相机的焦距h、仰角α、水平偏转角β及工作距离(观察物体时，镜头最后一面透镜顶点到被观察物体的距离)l，将以上技术参数录入到服务器数据库中。在施工过程中，以固定时间间隔(如每5分钟)对坝面进行自动拍照得到坝面铺料情况图像，并通过自主搭建的无线通讯网络实时传输至远程服务器数据库，作为分析判断物料摊铺是否按照设计要求轮廓进行的源数据，其中，源数据经加密计算后通过无线通讯网络传输至数据库服务器后由应用程序进行解析，存入数据库后由权限控制不得修改。数据无线传输过程中均为加密状态，确保了数据传输安全。作为通讯手段障碍情况发生的备用手段，前端硬件设置存储空间，此间数据可通过移动存储设备拷贝。源数据进入服务器后，由后台应用程序进行计算分析，得到相关铺料界限的计算结果，实现对于坝面铺料界限控制情况的高频度监测。

无线通讯网络的搭建：在坝体填筑过程中，分控站的选址一般距坝址较近，同时由于单位时间内传输的图像数量多且像素较高，需要较高的传输速率。通过AP(Access Point)模块搭建的无线网桥(Wireless Bridge)对图像进行传输，可以充分利用到无线网桥搭接简便及传输速率快的优点。无线网桥可以将位于相距几百米到几十千米之内不同的建筑或地点的两个或多个独立的网段联接起来，实现数据的互相传输，无线网桥搭接结构如图2所示。无线网桥搭接的网络的拓扑结构为无中心对等式(Peer to Peer)结构，在信道上的调制方式为直接序列扩频，可以实现任意两个站点的直接通信。为保证数据传输的实时性，增加断线重拨功能，并增加看门狗计时机制(watchdogtimer，WDT)，能对设备死机状况进行处理和恢复。

二、解析实时监测数据，确定坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差

在监控中心配置监控终端，分别通过有线或无线通讯网络，读取作业状态数据。首先对对高分辨率照相机采集的坝面铺料情况图像进行预处理，包括图像的灰度变换和平滑处理，然后对图像进行轮廓提取与轮廓跟踪，通过对坝料颗粒粒径进行统计分析，确定坝面铺料实际分界线的位置坐标，得到坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差。

(1)图像的灰度变换

灰度图像相对于彩色图像来说在光线较低的情况下清晰度高于彩色图像，因此为了适应不同的光线条件有必要把彩色的图像转换为灰度图像，这样既满足了处理需要又减少了信息运算量。

(2)图像的平滑处理

图像的平滑是一种实用的数字图像处理技术，主要目的是为了减少图像的噪声。图像的平滑处理方法包括空域法和频域法。频域法的计算速度快，但是比较复杂，为了保证实时性，一般采用空域法。对于铺料界限轮廓识别来说，最重要的是保持坝料颗粒物轮廓的清晰，同时应该能够去除高频噪声，而中值滤波(median filter)恰好符合这一条件。中值滤波器是一种非线性的滤波器，它能够很好地抑制脉冲干扰及图像扫描噪声，保护图像的边缘不变模糊。利用中值滤波进行图像的平滑处理保留了更多的关于图像的灰度信息，使图像边缘检测的质量得到了提高，因此能检测出图像边缘的更多细节。

(3)轮廓提取与轮廓跟踪

首先利用阈值分割方法把图像的灰度分成不同的等级，然后用设置最佳灰度阈值的方法确定有意义的区域或欲分割物体的边界。通过图像的阈值分割，获得了黑白二值图像，在此基础上进行轮廓提取与跟踪，其目的是获得图像的外部轮廓特征，为图像的形状分析做准备。

实时计算和监控的数据包括预处理的图像信息及图像位置信息。利用图像处理软件自动调取图像信息进行统计计算，通过对坝料颗粒粒径进行统计分析，确定坝面铺料分界线的位置坐标，并将坝面铺料分界线在图像中的位置坐标回传至服务器数据库，并可以在以坝面施工平面图为底图的可视化界面上进行展示，可直观显示出坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差。分区料界污染判定流程如图3所示。

针对夜间拍摄照片的情况，可以结合夜间照明系统提高坝面的亮度，以提高照片的清晰度；同时在对图像进行分析计算时，采用修正的Retinex算法，对坝面铺料情况图像进行后期处理，并根据暗原色先验原理求取深度值，提取深度值较大的区域，通过反射分量对该区域进行局部增强，提高远处场景和细节的局部可见度。为了在增强图像的同时，避免色彩失真，通过照射分量调高图像的全局对比度，该方法可有效提高恶劣天气(如雨天、雾天及光线较差等)情况下退化彩色图像清晰度。

三、根据确定坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差，对现场施工进行动态调控

根据预先设定的控制标准(如分析得到的坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差不超过10cm)，料界污染监控终端的应用程序对坝面铺料实际分界线进行实时分析判断是否符合设计要求，若坝面铺料实际分界线与坝面铺料设计分界线的偏差超过预先设定的控制标准，则说明坝面铺料界线发生污染，客户端则立即发出报警，指导相关人员做出现场反馈与控制措施，重复上述步骤，系统后台程序对这一过程进行持续监测，若发现未调整或未调整到位，则继续发出报警。

四、统计分析料界污染的监控成果。

在监控终端按照不同权限对已完工作坝面的铺料分界情况进行历史回顾统计，可按施工时段、不同区域、不同设备等条件进行过滤；同时，分别生成料界偏差情况图形报表及现场纠偏后料界分布情况图形报告，并用文字性语句说明受污染分区及面积，作为工程建设管理的辅助材料。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。