包德高

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110006)

1 概 況

某引水隧洞由進(jìn)水口(巖塞口)、有壓隧洞、檢修豎井、調(diào)壓井、出口電站及供水支線組成，主洞全長約100km。巖塞口位于水源地水庫庫內(nèi)右側(cè)山體，巖塞口中心點(diǎn)高程為208m，水庫運(yùn)行水位多在230m-248m，對應(yīng)巖塞扣上部水深約為26m-44m。巖塞口是整個引水隧洞的咽喉部位，其空間地理信息數(shù)據(jù)是后續(xù)工序開展的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)問題，將直接影響設(shè)計質(zhì)量和工程執(zhí)行力度，還會產(chǎn)生難以估量的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。常規(guī)的水下測量可通過GPS技術(shù)配合常規(guī)的測深系統(tǒng)來完成，但巖塞口整體的復(fù)雜環(huán)境，從洞口到主洞起點(diǎn)長度約14m，采用常規(guī)水下測量方法無法完成任務(wù)，由此引進(jìn)多波束測深系統(tǒng)和三維聲吶掃描系統(tǒng)。

圖1 水下巖塞整體設(shè)計三維圖

2 技術(shù)路線

多波束測深系統(tǒng)是高度集成了數(shù)字化傳感器技術(shù)、現(xiàn)代信號處理技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、高性能計算機(jī)技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)和其他相關(guān)高新技術(shù)等多種技術(shù)[1-2]，一種將多傳感器復(fù)雜組合在一起的水下作業(yè)系統(tǒng),能夠精準(zhǔn)、快速地獲得沿航線一定有效寬度內(nèi)水下物體目標(biāo)的形狀、高低、大小變化和水底地形的三維特征。外業(yè)水下測量數(shù)據(jù)采集工作效率高，屬于面測量形式，寬覆蓋，基本能做到無遺漏。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛、較先進(jìn)的水下地形測量系統(tǒng)[3]。

聲吶是利用聲波對水中的所有目標(biāo)進(jìn)行定位、探測和通信的水中電子設(shè)備，是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最有效，也是目前水中作業(yè)最重要的一種設(shè)備。作業(yè)時通過聲吶頭向水中發(fā)射固定頻率的聲波，每發(fā)射一次聲脈沖，即可形成一個掃描扇，通過云臺在豎直方向和水平方向的轉(zhuǎn)動，可實(shí)現(xiàn)大范圍掃描。聲波在水中傳播到達(dá)物體表面后反射，聲吶頭接收到反射聲波傳播的時間和回波強(qiáng)度值等聲音信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再將電信號傳輸至聲納控制單元，聲吶控制單元采用專業(yè)的聲吶操作處理軟件把聲吶頭掃描到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，最終形成水下物體表面模型。

三維聲吶掃描系統(tǒng)類似于三維激光掃描體統(tǒng)，不僅可獲得水下目標(biāo)距離、垂直和水平三維空間信息數(shù)據(jù)的同時，還可以提供掃描區(qū)域的整體三維模型。在水下介質(zhì)中具有高分辨率、實(shí)時快速、高精度、吸收率較小、傳播距離較遠(yuǎn)、全方位、三維和自動識別等特點(diǎn)。不容易受到細(xì)小的水體雜質(zhì)的干擾，也不依賴外部光源，即適用于水下條件較好的作業(yè)環(huán)境，也適用于昏暗、渾濁的水下作業(yè)環(huán)境，有著廣泛的應(yīng)用前景。

多波束測深系統(tǒng)必須固定在測量船上與GPS設(shè)備進(jìn)行連接，通過安裝校準(zhǔn)分析，準(zhǔn)確獲得船舶橫搖、縱傾和艏搖及時延等校準(zhǔn)參數(shù)，校準(zhǔn)后可獲得符合精度要求的絕對位置空間數(shù)據(jù)，但由于水下巖塞的特殊性，多波束測深系統(tǒng)的作業(yè)范圍無法對巖塞口內(nèi)部全覆蓋。

較多波束測深系統(tǒng)，三維聲吶掃描系統(tǒng)可全方位工作，但不能提供三維模型的絕對空間位置。而且三維聲吶掃儀必須裝載到三腳架上放置在固定點(diǎn)位或安裝在水下機(jī)器人上進(jìn)行掃描作業(yè)。

經(jīng)過對比分析，針對巖塞口的復(fù)雜環(huán)境，考慮集成GPS PPK技術(shù)、多波束測深系統(tǒng)和三維聲吶掃描系統(tǒng)，將多波速與三維聲吶掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過特征點(diǎn)匹配的方法進(jìn)行融合，這樣即解決了空間位置問題，又可形成水下塞口整體的三維模型，詳見下圖。

3 案例分析

3.1 三維模型獲取

1)洞口三維模型

通過GPS PPK技術(shù)、Sonic202多波束測深儀與其匹配的Octans高精度姿態(tài)傳感器使用多波束采集軟件Qinsy進(jìn)行多波束數(shù)據(jù)采集，共計記錄9條測線。隨后采用cairs軟件對多波束采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過安裝姿態(tài)改正、噪點(diǎn)刪除、潮位改正、聲速改正、數(shù)據(jù)合并、生成表面、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出等步驟生成測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)[8]，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成洞口三維模型。

圖2 技術(shù)路線

2)洞內(nèi)三維模型

由于洞內(nèi)可能有鋼筋裸露，采用水下機(jī)器人搭載三維聲吶進(jìn)行作業(yè)存在風(fēng)險，經(jīng)工作組討論，決定先采用船舷安裝的方式掃測，共計掃測3次，每次掃測30分鐘左右，經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，掃測數(shù)據(jù)未達(dá)到預(yù)期的效果。因此決定采取潛水員攜帶水下三維聲吶BV5000坐底觀測的方式進(jìn)行作業(yè)。由于水下巖塞位置的復(fù)雜條件，通過單點(diǎn)位固定掃描不能獲得全部內(nèi)部信息，所以選擇洞口和中間位置2個固定點(diǎn)進(jìn)行掃描測量，掃描一次大概需要30多分鐘，經(jīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤后收工。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用 Proscan數(shù)據(jù)采集軟件以及NaviModel Producer實(shí)測數(shù)據(jù)后處理軟件共同進(jìn)行，掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過噪音干擾預(yù)處理、各站實(shí)測數(shù)據(jù)合，形成洞內(nèi)的三維模型。

圖3 洞內(nèi)三維模型

3)整體三維模型

首先提取多波束與三維聲吶重疊區(qū)域的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)并對特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析，過濾掉匹配殘差較大的特征點(diǎn)后，進(jìn)行兩種不同格式的數(shù)據(jù)融合，形成整體的水下巖塞三維模型。

圖4 水下巖塞整體三維模型

3.2 精度評定

工作人員在整個測量過程中，執(zhí)行過程質(zhì)量控制措施。質(zhì)檢人員對測量成果應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，通過驗(yàn)收合格后才能交付使用。質(zhì)檢人員在鉆探人員的配合下，利用交叉專業(yè)的成果對三維模型成果質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收。共布設(shè)8個水下高程檢查點(diǎn)，高程檢查點(diǎn)在巖塞口洞口位置均勻分布。

表1 精度評定表

3.3 巖塞口契合度分析

為了驗(yàn)證水下巖塞爆破后現(xiàn)狀與設(shè)計的契合度，以整體的水下巖塞三維模型為基礎(chǔ)，以洞口為起點(diǎn)，垂直于洞軸線，向洞內(nèi)方向布設(shè)斷面，斷面間隔為0.2米。將斷面切面與水下巖塞三維模型相交所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)連接起來構(gòu)成斷面圖。通過實(shí)際斷面成果與設(shè)計斷面比較發(fā)現(xiàn)：除進(jìn)口底部左側(cè)凸出一長度為4m、寬度2m、高度1.5m的巖體外，其余部位成型較好，與設(shè)計成果契合度較高。滿足錐管和攔污柵的安置條件，可對欠挖部位不做處理，可直接節(jié)約處理欠挖部位所產(chǎn)生的生產(chǎn)成本約200萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖5 設(shè)計與實(shí)際斷面對比圖

4 結(jié) 論

文章集成GPS技術(shù)、多波束測深技術(shù)和三維聲吶掃描技術(shù)并應(yīng)用于水下巖塞口測量中，特別針對小范圍、靜水區(qū)域、水深<40m的測量環(huán)境，使水下空間地理信息成果大幅度提升。為今后類似工程、水庫大壩水下檢測、水下探測、水下精密測量等提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)，具有較高的應(yīng)用和推廣價值。隨著BIM技術(shù)的不斷普及，可以將文章研究的技術(shù)路線與BIM技術(shù)相結(jié)合，探索一套全新的三維協(xié)調(diào)設(shè)計路線，更好的服務(wù)于工程。