◎ 林斌 福建省港航勘察科技有限公司

1.引言

海洋測繪是研究海洋、江河等水域及毗鄰陸地區(qū)域各種幾何、物理、人文等地理空間信息采集、處理、表示、管理和應(yīng)用的科學與技術(shù)[1]，主要以海洋地球物理探測技術(shù)手段為主，海洋測繪發(fā)展歷程經(jīng)歷了模擬化、數(shù)字化初期階段，正向信息化、智能化新階段轉(zhuǎn)型[1]，提供的技術(shù)服務(wù)也向預(yù)測、決策等服務(wù)方向拓展。

我國海洋測繪技術(shù)研究的進展主要在衛(wèi)星測高、衛(wèi)星遙感反演、多元數(shù)據(jù)融合分析、機載LiDAR測量技術(shù)等方面有進一步完善和成熟。我國海洋測量平臺由單一的岸基、?；鶞y量平臺逐步向天基、空基和潛基平臺延伸，海洋裝備向無人化、智能化、便攜化和多功能化方向發(fā)展。

在“一帶一路”的引領(lǐng)下，水運工程發(fā)展迅速，為確保水運工程正常履行使用功能，需按一定的時間對其進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)檢測工作，以評估判斷該工程是否能繼續(xù)提供安全可靠的使用功能，其中水運工程水下部分的結(jié)構(gòu)處于隱蔽環(huán)境，檢測主要通過水下攝像、人工潛水探摸等方式進行[2]，數(shù)據(jù)結(jié)果受采集條件及人為影響因素較大，且無法判斷數(shù)據(jù)的可靠性。

隨著技術(shù)的進步，海洋測繪裝備不斷優(yōu)化升級，具有越來越多的優(yōu)勢和更多的應(yīng)用場景，利用海洋測繪技術(shù)手段對水運工程水下部分進行檢測，是一種更加客觀、可靠的方法，主要的技術(shù)為水下激光掃描成像、聲波掃描成像，其中激光的應(yīng)用環(huán)境相對嚴苛，受水體濁度影響較大，信號衰減嚴重，數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定，相反聲波具有較強的穿透能力，具有較廣的應(yīng)用場景。本文以Teledyne Blueview5000-1350三維全景聲吶系統(tǒng)為例，探討海洋測繪技術(shù)手段在水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用，主要檢測的內(nèi)容為水下結(jié)構(gòu)的外觀破損情況、地形沖淤情況，提供三維點云數(shù)據(jù)和相關(guān)的尺度、規(guī)模參數(shù)等。

2.Blueview5000-1350聲吶系統(tǒng)探測原理及系統(tǒng)組成

2.1 探測原理

Blueview5000-1350聲吶系統(tǒng)利用束控技術(shù)，可使聲吶探頭發(fā)射1.35MHz固定頻率和特定指向性的256個聲波波束，并且沿垂直方向均勻分布。聲波波束在水體中傳播到達物體表面時發(fā)生反向散射被聲吶探頭接收，根據(jù)發(fā)射及接收聲波的時間差?t及聲速來計算物體到探頭的距離S，滿足關(guān)系式：S=。

三維全景聲吶系統(tǒng)坐標示意圖如圖1所示，各“波束腳印”根據(jù)此坐標系可進行位置計算，例如點m的坐標計算公式為：

圖1 三維多波束掃描聲吶點云位置坐標示意圖

表1 Blueview 5000-1350聲吶系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

其中，α為波束俯仰角度，可根據(jù)探頭掃描時設(shè)置的俯仰角度及波束間的夾角計算得到各波束在某一時刻的俯仰角度；β為波束水平旋轉(zhuǎn)角度，可根據(jù)探頭云臺旋轉(zhuǎn)速度計算得到各波束在某一時刻的水平旋轉(zhuǎn)角度[3]。

因此，三維全景聲吶系統(tǒng)各個波束在每一時刻的“腳印”與探頭之間的相對位置關(guān)系已確定，即可獲得相對位置關(guān)系的三維點云數(shù)據(jù)圖像[4]。

2.2 系統(tǒng)組成

Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統(tǒng)主要由多波束掃描聲吶探頭、云臺、電纜、控制單元、電源、計算機等組成，水下作業(yè)時可選三角架、ROV及測量船等平臺上進行。聲吶探頭可通過技術(shù)人員對云臺的控制，實現(xiàn)探頭以45°、15°、-15°和-45°的俯仰角度進行旋轉(zhuǎn)掃描[5]，旋轉(zhuǎn)角度范圍為-180°～180°，在應(yīng)用過程中可根據(jù)工程實際情況，對這些參數(shù)進行選擇，以提高工作效率。

2.3 探測方式

Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統(tǒng)的探測方式可分為固定式和走航式[6]。目前應(yīng)用最多的是固定式探測，主要用搭載平臺固定聲吶探頭，投放至指定位置后進行掃描，該方法相對簡單，搭載平臺可根據(jù)項目情況進行定制修改，靈活性較高，缺點是數(shù)據(jù)質(zhì)量受平臺的影響較大，如平臺傾倒、滑動、抖動等因素。

走航式探測需與姿態(tài)傳感器、Teledyne PDS軟件聯(lián)合使用，探頭采用支架固定安裝于測量船上進行走航測量，該方法涉及的硬件、軟件設(shè)備較多，現(xiàn)場使用相對復(fù)雜，且受限于聲吶探頭的有效測量距離為30米以內(nèi)，對測量船的航行要求較為嚴苛。優(yōu)點是該方法數(shù)據(jù)質(zhì)量相對穩(wěn)定，且采用走航式探測，作業(yè)效率相對較高。

3.實際應(yīng)用

本文以某地沿海陸島交通碼頭、內(nèi)河橋梁水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測的項目為例，探討了Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統(tǒng)的適用性及實際使用過程中需要注意的問題，具體應(yīng)用詳見如下。

3.1 沿海陸島交通碼頭水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測

本案例是對陸島交通碼頭水下部分的外觀及沖刷情況進行檢測，為碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，檢測目標為碼頭基床是否存在沖刷、淘空、滑坡等現(xiàn)象；沉箱前趾及箱體、護底塊破損、沉降、淘空情況。根據(jù)檢測發(fā)現(xiàn)的問題進行尺度和規(guī)模描述，并與工程竣工驗收資料等對比分析，為整體碼頭結(jié)構(gòu)修護提供依據(jù)。

本次檢測作業(yè)方式是將三維全景聲吶探頭固定安裝于三角支架上，通過測量船進行定點投放掃描，采用45°、15°、-15°和-45°的俯仰角度進行旋轉(zhuǎn)掃描拼接，獲取了碼頭水下部分的外觀及沖刷情況的檢測數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示。

圖2 碼頭前沿沖刷坑

根據(jù)上述檢測結(jié)果可以得出，通過三維全景聲吶系統(tǒng)可以較好的獲取碼頭水下隱蔽工程的外觀破損情況及沖刷情況，獲取的數(shù)據(jù)可以比較立體、直觀地對目標部位進行分析，并可以定量描述沖刷及外表破損程度，更好地為碼頭后期的加固改造方案提供客觀詳實的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 橋梁水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測

本次檢測橋梁為石拱橋，建設(shè)年代稍久，缺乏相關(guān)的檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為保證橋梁的通行安全，現(xiàn)需對橋梁進行水下基礎(chǔ)的檢測。本次檢測的目標為橋墩水下部分的外觀破損情況檢測，橋墩底部結(jié)構(gòu)是否有沖刷、淘空現(xiàn)象，若存在需提供尺度、規(guī)模等參數(shù)。

本次作業(yè)方式采用定點投放式，針對橋梁橋墩的結(jié)構(gòu)及形狀，布設(shè)相應(yīng)掃描站位，確保相鄰站位有共同的靶體及部分重合區(qū)域用于數(shù)據(jù)拼接，由于內(nèi)河水深較淺且站位距離橋墩較近，本次探頭以45°、15°和-15°的球形掃描方式（見圖4所示），對目標體進行檢測。布設(shè)站位滿足對目標體360°覆蓋。

圖4 橋墩檢測掃描示意圖

本次檢測是針對橋梁水下部分的樁柱、橋墩進行外觀檢測，明確外觀是否有破損、底部有無淘空等影響橋梁安全的因素存在。為了對橋梁樁柱、橋墩水下結(jié)構(gòu)部分進行360°覆蓋，每個橋墩或承重樁柱需布設(shè)4個站位，相鄰兩個站位之間的掃測數(shù)據(jù)滿足大于10%的重疊數(shù)據(jù)及共同的靶體，以便將不同站位掃測數(shù)據(jù)拼接成一個完整的檢測體。

檢測處理后的典型數(shù)據(jù)如圖6所示，從圖中可以看出橋墩整體結(jié)構(gòu)完整、底部墩臺輪廓完整清晰、未見破損、橋墩迎流方向附近有一定程度的沖刷現(xiàn)象，但橋墩根部未發(fā)現(xiàn)淘空。

圖6 橋梁水下橋墩

3.3 實際應(yīng)用中的問題

從上述兩個應(yīng)用案例可以看出，三維全景聲吶系統(tǒng)在水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測項目中可以獲得較好的效果，檢測的結(jié)果可以直觀、立體地展示出來，對外觀破損及沖刷淘空地程度提供定量分析，使結(jié)構(gòu)檢測的結(jié)果更加客觀、豐富，有利于制定最優(yōu)的后期解決方案。同時，三維全景聲吶系統(tǒng)在應(yīng)用過程中也存在一些問題，具體如下所述。

3.3.1 固定探頭支架的要求

1）支架高度要求。本次檢測的橋梁屬于內(nèi)河橋梁，水深相對較淺，一般3～4m最淺處僅2.3m左右，由于儀器探頭安裝于三角支架上，因此要求支架與探頭的總高度要小于水深深度，保證探頭沒入水中才能進行檢測。

2）支架開角要求。Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統(tǒng)掃描距離最大為30m，本次內(nèi)河泥沙含量較大、水體渾濁，為保證掃描數(shù)據(jù)的效果，需保持探頭距目標體距離為5～10m，橋墩附近區(qū)域地形一般坡度都比較大、地形傾斜嚴重，為了保證儀器掃描過程中探頭穩(wěn)定且不發(fā)生傾倒，需要三角支架的支桿開角盡量呈鈍角，可提高檢測站位布設(shè)的成功性。

3）支架穩(wěn)定性要求。在水體流速較大的情況下，三角支架若穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生傾倒或抖動，導(dǎo)致檢測工作無法開展或檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳。

3.3.2 準確識別虛假數(shù)據(jù)的要求

本次檢測的內(nèi)河橋梁水深較淺，當聲吶探頭采用仰角45°進行掃測時，聲波波束遇到水面時會發(fā)生較強的反射，反射后的聲波遇到目標體或河床時發(fā)生反向散射，反向散射聲波被聲吶探頭接收后，會按照聲波波束單路徑傳播的算法進行計算，進而生成虛假的三維點云數(shù)據(jù)，虛假點云數(shù)據(jù)與真實點云數(shù)據(jù)關(guān)于河面呈“鏡像關(guān)系”，圖7為本次實際檢測的虛假反射三維全景聲吶點云數(shù)據(jù)圖像，從圖中可以看出，橋墩底部墩臺與橋墩上部呈“鏡像關(guān)系”，正是由于虛假反射造成的，在實際處理數(shù)據(jù)時要準確地將虛假數(shù)據(jù)識別出來，避免發(fā)生錯誤。

圖7 檢測數(shù)據(jù)中的虛假反射圖像

4.結(jié)論建議與未來展望

4.1 結(jié)論建議

本次利用Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統(tǒng)對沿海陸島交通碼頭、內(nèi)河橋梁水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測，可以給出如下結(jié)論及建議：

（1）三維全景聲吶系統(tǒng)，可以在豎直平面內(nèi)多個角度對目標體進行掃測，通過合理布設(shè)測站對目標體在水平平面內(nèi)進行360°覆蓋掃測，是沿海陸島交通碼頭、內(nèi)河橋梁水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測的重要技術(shù)手段，可以滿足檢測的實際要求；

（2）根據(jù)檢測目標體周圍的水深地形、作業(yè)條件等，合理選擇作業(yè)方式，根據(jù)實際情況定制安裝聲吶探頭的三角支架或其他形式可以滿足作業(yè)需求的支架；

（3）根據(jù)三維全景聲吶系統(tǒng)的探測原理，應(yīng)能準確判斷出噪聲信息和虛假反射信息，保證處理拼接后的三維點云數(shù)據(jù)真實可靠，滿足檢測要求；

（4）在水深地形條件受限的環(huán)境下，定點檢測會產(chǎn)生檢測盲區(qū)時，可以考慮采用走航式的作業(yè)方式；對于水下結(jié)構(gòu)有平臺等凸出結(jié)構(gòu)時，探頭安裝高度過低時會產(chǎn)生檢測盲區(qū)可以考慮將探頭倒置安裝進行檢測。

4.2 未來展望

（1）目前Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統(tǒng)主要以三角架定點投放測量方式進行，對于管道等特殊項目需搭載ROV平臺，對于小型探測項目成本難以承受，若降低ROV的成本門檻，將會在更多的場景下應(yīng)用。

（2）充分利用海洋測繪技術(shù)手段的優(yōu)勢，加強在水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用，可以雙向促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，加強多專業(yè)融合。