多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下整治建筑物的檢測(cè)應(yīng)用

耿智海，楊俊凱，顏惠慶，于峰

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

隨著長(zhǎng)江沿岸經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，航運(yùn)需求的不斷增大，為整治長(zhǎng)江航道，交通運(yùn)輸部于2015年6月開展了長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道二期工程。口岸直水道落成州段是二期工程的一個(gè)重點(diǎn)整治河段，2017年1月落成洲整治建筑物工程基本完成。深水航道及其整治建筑物的修建，使落成洲左右汊分流穩(wěn)定，水流對(duì)落成洲的沖刷減小。整治建筑物經(jīng)過水流沖擊可能存在一定的水毀受損情況，進(jìn)而威脅整治建筑物的整體穩(wěn)定性。為了解落成洲整治建筑物附近地形變化及護(hù)底軟體排排體狀況，需對(duì)水下整治物進(jìn)行定期檢測(cè)，從而指導(dǎo)整治建筑物的維護(hù)工作。

常用的水下整治建筑物的檢測(cè)方法有水下攝像、潛水探摸、單波束、側(cè)掃聲吶、超短基線定位、多波束等。水下攝像及潛水探摸都由人工實(shí)施，效果受水質(zhì)、水流及風(fēng)浪條件影響較大，大范圍實(shí)施有難度，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。單波束測(cè)點(diǎn)密度低，不能反映整治建筑物完整的真實(shí)形態(tài)。側(cè)掃聲納定位誤差較大，難以滿足整治建筑物定量檢驗(yàn)精度要求。超短基線定位設(shè)備組成及使用較復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，一般在需要精確定位時(shí)使用。多波束測(cè)量有與單波束近似的測(cè)深精度，同時(shí)具有全覆蓋優(yōu)勢(shì)，可以得到與側(cè)掃聲吶類似的地貌渲染圖，便于掌握整治建筑物及周邊整體地形地貌，對(duì)壩體局部沖刷、坍塌等也能反映，可應(yīng)用于水下整治建筑物的檢測(cè)[2-3]。為檢測(cè)落成洲整治建筑物附近地形變化及護(hù)底軟體排排體狀況，采用RESON SeaBat T20-P多波束測(cè)深系統(tǒng)在整治建筑物壩頭沖刷較為明顯的區(qū)域進(jìn)行水下地形掃測(cè)，獲取了水下整治建筑物真實(shí)地貌圖，實(shí)現(xiàn)了水下隱蔽工程檢測(cè)的可視化與定量化，能有效指導(dǎo)水下整治建筑物維護(hù)工作。

1 多波束測(cè)深原理

RESON SeaBat T20-P多波束測(cè)深系統(tǒng)具有便攜性、高性能等特點(diǎn)，其由200/400 kHz頻率換能器、GNSS接收機(jī)、姿態(tài)傳感器、聲速剖面儀、表層聲速儀、便攜式聲吶處理器、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集軟件組成。如圖1所示。傳統(tǒng)的水深測(cè)量需要人工驗(yàn)潮，即在測(cè)量區(qū)域設(shè)立驗(yàn)潮站，測(cè)后對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正[4]，而本項(xiàng)目采用GNSS-RTK采集實(shí)時(shí)潮位信息。一方面多波束系統(tǒng)通過與GNSS流動(dòng)站連接，在秒脈沖PPS技術(shù)的協(xié)同下自動(dòng)同步接收并記錄實(shí)時(shí)位置信息，其在提供精確的導(dǎo)航定位服務(wù)同時(shí)不再需要定位延遲校正。另一方面可以獲取到實(shí)時(shí)的無驗(yàn)潮潮位信息，避免了測(cè)量水域范圍超出了驗(yàn)潮站的有效作用范圍或者因無法架設(shè)驗(yàn)潮站而不能獲取實(shí)時(shí)驗(yàn)潮資料時(shí)等情況[5]。

圖1 RESON SeaBat T20-P多波束測(cè)深系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of RESON SeaBat T20-P multibeam sounding system

2 應(yīng)用過程及分析

2.1 工程區(qū)域

二期工程落成洲整治建筑物位于揚(yáng)中河段，主要整治建筑物包括：落成洲頭部潛堤長(zhǎng)1700 m，左汊丁壩LL2長(zhǎng)500 m，右汊丁壩LR2長(zhǎng)1 085 m。項(xiàng)目組于2018年5月（汛前）對(duì)落成洲LL2、LR2丁壩區(qū)域（前期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)沖刷較為明顯）開展了多波束測(cè)量。測(cè)量區(qū)域如圖2所示。

圖2 測(cè)量區(qū)域示意圖Fig.2 The schematic diagram of measuring zone

2.2 應(yīng)用過程

多波束測(cè)深精度除了與儀器本身性能有關(guān)以外，還與定位、姿態(tài)儀等外圍設(shè)備性能及校準(zhǔn)情況緊密相關(guān)。為了保證測(cè)量精度，多波束測(cè)深系統(tǒng)嚴(yán)格按照以下流程進(jìn)行：

1）測(cè)線布設(shè)。主測(cè)深線布設(shè)：多波束測(cè)深線布設(shè)成平行于整治建筑物軸線的走向，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有效掃寬，確保側(cè)向重疊不少于30%；單波束檢查測(cè)深線布設(shè)：檢查測(cè)深線垂直于主測(cè)深線均勻布設(shè)，并至少通過每一條主測(cè)深線1次，其總長(zhǎng)不小于主測(cè)深線總長(zhǎng)的5%。

2）多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝。多波束換能器采用舷外安裝方式，固定在距測(cè)量船首1/3～1/2綜合噪聲較小處；建立船體坐標(biāo)系，準(zhǔn)確量取姿態(tài)傳感器、GNSS天線、換能器在船體坐標(biāo)系中的位置參數(shù)；位置參數(shù)量取時(shí)，讀數(shù)至厘米，往返各1次，水平方向往返讀數(shù)互差小于5 cm，豎直方向往返讀數(shù)互差小于2 cm，2次讀數(shù)在限差范圍內(nèi)時(shí)，取平均值作為量取結(jié)果。

3）多波束測(cè)深系統(tǒng)校準(zhǔn)。由于多波束換能器與姿態(tài)傳感器每次安裝的相對(duì)位置不同，按文獻(xiàn)[6]要求，多波束測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)量前需進(jìn)行橫搖、縱搖、艏向校準(zhǔn)。因此在正式測(cè)量前選擇平均水深不小于對(duì)應(yīng)測(cè)段的最大水深，布設(shè)2條平行測(cè)線，測(cè)線間重合不少于50%。橫搖校準(zhǔn)：選擇在平坦的水域沿同一條測(cè)線往返同速測(cè)量；縱搖校準(zhǔn)：選擇在有坡度的水域沿同一條測(cè)線往返同速測(cè)量；艏向校準(zhǔn)：選擇在有坡度的水域沿平行線同速同向測(cè)量。每種姿態(tài)校準(zhǔn)參數(shù)選擇3組以上的測(cè)量數(shù)據(jù)，由2人分別計(jì)算，取平均值作為最終校準(zhǔn)結(jié)果，參數(shù)一經(jīng)確定，測(cè)量過程中不能隨意修改。本次測(cè)量校準(zhǔn)后橫搖值為2.39，縱搖值為-2.33，艏向值為3.13。

4）十字交叉比對(duì)。經(jīng)過橫搖偏差、縱搖偏差和艏向偏差測(cè)定與校準(zhǔn)后，對(duì)其綜合測(cè)深誤差進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試區(qū)域選擇在水深≥測(cè)區(qū)內(nèi)的最大水深、水下地形平坦的水域按正交方向分別布設(shè)多波束測(cè)深線進(jìn)行測(cè)量，并比對(duì)重疊部分的水深，本次水深比對(duì)不符值的點(diǎn)數(shù)均在要求范圍之內(nèi)。

5）多波束數(shù)據(jù)處理。檢查多波束測(cè)深系統(tǒng)改正數(shù)、靜吃水和動(dòng)吃水以及校準(zhǔn)情況等；向PDS2000軟件內(nèi)導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)、聲速、姿態(tài)數(shù)據(jù)檢查，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常、水深漏空、測(cè)深信號(hào)質(zhì)量差等不符合測(cè)量精度要求的情況。利用PDS2000進(jìn)行水深數(shù)據(jù)編輯，聲速剖面改正和潮位改正，聲速改正文件采用MiniSVP聲速剖面儀測(cè)量聲速數(shù)據(jù)，潮位數(shù)據(jù)采用GNSSRTK潮位，按10 min間隔取潮位數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)區(qū)水下地形的變化趨勢(shì)及相鄰重疊水深情況，采用人機(jī)交互方式對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、編輯、剔除假水深信號(hào)。最后，對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，格網(wǎng)邊長(zhǎng)不大于0.5 m，且在格網(wǎng)內(nèi)取平均水深，形成最終整治建筑物真實(shí)地貌圖，實(shí)現(xiàn)了水下整治建筑物的可視化。最后為配合水下整治建筑物定量化分析，提交大比例尺水下地形圖。

2.3 水毀狀況分析

根據(jù)整治建筑物水下地貌圖，如圖3所示，可以看出左汊丁壩LL2整治建筑物整體保存完整，水下軟體排基本未受水流沖擊而破損；而右汊丁壩LR2附近受水流的持續(xù)沖刷形成了3個(gè)明顯的沖刷坑，如圖3（b）方框內(nèi)所示，其中1號(hào)、2號(hào)沖刷坑的形成導(dǎo)致了水下軟體排邊緣呈現(xiàn)出一定的水毀現(xiàn)象，但排體主體結(jié)構(gòu)仍保持完整，未威脅到丁壩穩(wěn)定性，而3號(hào)沖刷坑已經(jīng)侵入軟體排主體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致排體坍塌，隨即提出了對(duì)損壞的排體進(jìn)行加固維護(hù)的建議。

圖3 水下地貌圖Fig.3 The geomorphologic map of underwater

2.4 精度分析

為實(shí)現(xiàn)水下整治建筑物的定量分析，需保證多波束測(cè)深精度，因此，項(xiàng)目組為驗(yàn)證多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量精度，同期對(duì)整治建筑物開展了單波束測(cè)深，將同一點(diǎn)單波束與多波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。檢查線與主測(cè)線百分比大于5%，主測(cè)線與檢查線共相交205個(gè)點(diǎn)。其主測(cè)線與檢查線水深比對(duì)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中所規(guī)定的測(cè)深精度，在水深小于30 m的水域測(cè)深精度應(yīng)滿足“特等”要求，即，式中：Δ為測(cè)深極限誤差；a=0.25 m為系統(tǒng)誤差；b=0.007 5為測(cè)深比例誤差系數(shù)；D為水深，m。多波束與單波束水深極限誤差為ε=±Δ。根據(jù)文獻(xiàn)[6]多波束測(cè)深精度計(jì)算公式，以平均水深10 m為例，其多波束測(cè)深誤差為26 cm，與單波束比對(duì)的極限誤差為37 cm，且結(jié)合表1統(tǒng)計(jì)的水深互差信息，可知多波束與單波束測(cè)深不符值的點(diǎn)數(shù)不超過總點(diǎn)數(shù)的15%，因此，認(rèn)為此次多波束測(cè)深精度滿足文獻(xiàn)[6]中規(guī)定的限差要求。

表1 主測(cè)線與檢查線水深比對(duì)統(tǒng)計(jì)表Table 1 The comparison of water depth between main and detection lines

在水深互差統(tǒng)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)在坡度較大處的兩者差值明顯較大，說明地形變化越劇烈，兩種方法的水深差異越大。分析原因?yàn)樵诘匦巫兓瘎×覅^(qū)域定位精度、測(cè)船姿態(tài)及波束角影響對(duì)測(cè)深的影響較大。

3 結(jié)語

為檢測(cè)落成洲整治建筑物水毀情況，采用RESON SeaBat T20-P多波束測(cè)深系統(tǒng)結(jié)合GNSSRTK實(shí)時(shí)定位技術(shù)對(duì)水下整治建筑物進(jìn)行了掃測(cè)，獲取了水下整治建筑物真實(shí)地貌圖，實(shí)現(xiàn)了隱蔽工程檢測(cè)的可視化與定量化。主要結(jié)論如下：

1）通過單波束與多波束水深互差的統(tǒng)計(jì)分析，兩種方法的水深差異滿足規(guī)范要求，證明利用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下整治建筑物檢測(cè)的方法是可行的，能夠保證檢測(cè)精度。

2）多波束較傳統(tǒng)單波束斷面檢測(cè)方法，因其具有高數(shù)據(jù)密度的特性，可獲取到更多的信息量，更容易發(fā)現(xiàn)局部沖刷與坍塌等安全隱患，從多波束地貌圖還可以直觀地看出排體邊緣線及相鄰排體之間的搭界情況，可更好地指導(dǎo)水下整治建筑物維護(hù)工作。