橋梁橋墩區(qū)水下地形測量方法初探

黃海炯 戴永洪 邵永生

【摘 要】橋梁橋墩區(qū)水下地形測量是水域地形測量中的難點，本文論述了三種常用的測量方法，具體闡述了其采用的主要設(shè)備、作業(yè)流程，初步探討了各自的優(yōu)點和不足。

【關(guān)鍵詞】橋墩區(qū)；水下地形測量；交會法；坐標(biāo)跟蹤法；GPS多波束側(cè)掃法

1.概述

橋梁橋墩區(qū)河床的變化情況是橋梁安全運行的重要指標(biāo)之一。為保證橋梁的運行安全，需定期對其橋墩區(qū)的水下地形進行測量，分析其河床的沖淤變化情況，為橋梁維護提供依據(jù)。橋墩區(qū)一般水流湍急，流向紊亂，測量作業(yè)困難而危險，并且頂空由于橋身遮擋，無法接收GPS信號，所以其水下地形測量方法比較獨特。國內(nèi)外目前主要采用三種辦法，按其定位方式不同，分為交會法、坐標(biāo)跟蹤法與GPS多波束側(cè)掃法。

2.測量方法

2.1交會法

所采用的主要設(shè)備有回聲儀及多臺經(jīng)緯儀（或者全站儀）。

主要作業(yè)流程為：

1）測線布設(shè)。平行于水流方向布設(shè)測線，測線間距按照測圖比例尺而定（如圖1 LN1、LN2……LNN），作業(yè)時由測量人員在橋面上游側(cè)垂下帶標(biāo)記的標(biāo)桿為測船沿測線測量導(dǎo)航。

2）交會作業(yè)。水下測量時，如圖1，由1、2、3、4各站點觀測人員在水下定標(biāo)時同時觀測船上標(biāo)桿，記錄人員記錄下測點號和角度，即完成外業(yè)觀測。

圖1交會法測量橋墩區(qū)水下地形示意圖

3）內(nèi)業(yè)測點展繪。外業(yè)記錄的數(shù)據(jù)通過前方交會計算成坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時把水深數(shù)據(jù)通過測時水位換算成測點高程數(shù)據(jù)，展繪上圖。

4）生成地形圖，進行沖淤計算，撰寫報告。

交會法的優(yōu)缺點：優(yōu)點是所需設(shè)備相對簡單，工序簡單容易實現(xiàn)和推廣；缺點是所需作業(yè)人員眾多，內(nèi)業(yè)計算量大。

2.2 坐標(biāo)跟蹤法

所采用的主要設(shè)備有回聲儀、360°全向棱鏡及多臺全站儀。

主要作業(yè)流程為：

1）測線布設(shè)。測線布設(shè)方法與交會法相同。

2）坐標(biāo)跟蹤測量。水下測量時，如圖，由1、2、3、4各站點觀測人員在水下定標(biāo)時同時用全站儀觀測船上360°全向棱鏡，全站儀采用跟蹤測量模式，采集的坐標(biāo)存入內(nèi)存。

3）內(nèi)業(yè)測點展繪。從全站儀里面導(dǎo)出測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，把水深數(shù)據(jù)通過測時水位換算成測點高程數(shù)據(jù)，把兩者數(shù)據(jù)通過約定的斷面號與測點號合并成一個完整的三維坐標(biāo)，然后展繪上圖。

4）生成地形圖，進行沖淤計算，撰寫報告。

交會法的優(yōu)缺點：優(yōu)點是所需作業(yè)人員相對減少，作業(yè)效率更高，并且能夠?qū)崟r得到測點坐標(biāo)，精度有所改進；缺點需進行多站點采集的數(shù)據(jù)取均值，內(nèi)業(yè)計算量大，同時受全站儀測距的影響，所測橋梁水域跨度一般需小于2000米。

2.3 GPS多波束側(cè)掃法

這是隨著測繪科技手段日益發(fā)展產(chǎn)生的新技術(shù)，所采用的主要設(shè)備有多波束測深儀、GPS接收機、姿態(tài)傳感系統(tǒng)（羅經(jīng)、姿態(tài)儀等）。

工作原理：多波束水下地形測量系統(tǒng)是由聲學(xué)儀器、GPS、姿態(tài)及航艏數(shù)字傳感器、計算機及功能強大的軟件組成的高技術(shù)設(shè)備，多波束換能器每次可以接收幾十束或上百束聲波，由于聲波是以一個較大的開角（如90°～153°）向水下發(fā)射的，那么每發(fā)出一個聲波，便可在垂直于航線上得到一個為2～9倍于水深的水下地形資料（如圖2所示）.當(dāng)測船連續(xù)航行時，便可得到一個寬帶的水下地形資料.基于以上原理，在測量橋墩區(qū)水下測量時，測船在橋梁外側(cè)運行，充分利用多波束測深系統(tǒng)的大開角測量數(shù)據(jù)來提取橋墩區(qū)水下測量數(shù)據(jù)。

圖2 多波束帶寬與水深關(guān)系

主要作業(yè)流程為：

1）測線布設(shè)。測線布設(shè)一般在室內(nèi)完成，測線布設(shè)方向一般平行于橋梁縱向，一般橋上下游各布設(shè)一條，距離橋外側(cè)的距離兼顧橋面對GPS信號影響程度及測量帶寬對橋墩區(qū)水域的覆蓋情況，同時保證上下游測線覆蓋范圍有一定的重合區(qū)域。如圖3中LN1和LN2為設(shè)計測線。

圖3 GPS多波束側(cè)掃法測量橋墩區(qū)水下地形示意圖

2）系統(tǒng)標(biāo)定。多波束水深測量系統(tǒng)是一套多傳感器系統(tǒng)，因而，各傳感器時間同步性、傳感器安裝位置、傳感器本身的安裝角度及偏差對測量精度均會產(chǎn)生影響，因此在正式測量前需要對這些偏差進行校正。校正的依據(jù)是通過標(biāo)定試驗，確定偏差校正參數(shù)，輸入后處理軟件以對測量數(shù)據(jù)進行校正。系統(tǒng)的標(biāo)定有四種，分別是時延（Latency）、縱偏（Pitch）、艏偏（Yaw）和橫偏（Roll）標(biāo)定。

（a）時延標(biāo)定

時延標(biāo)定的目的就是對各種傳感器與多波束傳感器（聲納頭）的時間同步性進行檢測，標(biāo)定結(jié)果輸入數(shù)據(jù)處理軟件，對測量數(shù)據(jù)進行校正。時延主要對GPS而言。標(biāo)定方法：在斜坡上，走一線二次同向，二次航速相差一倍。

（b）縱偏標(biāo)定

縱偏標(biāo)定是對多波束傳感器的安裝縱偏進行檢測，標(biāo)定方法：在斜坡上，走一線二次反向，二次同速。

（c）艏偏標(biāo)定

艏偏標(biāo)定是對多波束傳感器的安裝艏偏進行檢測，標(biāo)定方法：在陡坎上，走平行的二條線，反向，同速。

（d）橫偏標(biāo)定

橫偏標(biāo)定是對多波束傳感器的安裝橫偏進行檢測，標(biāo)定方法：在平坦的地形上，走一線二次反向，同速。

3）水下地形外業(yè)測量。水下測量時，如圖3，測船通過導(dǎo)航軟件按照測線LN1和LN2進行測量作業(yè)，數(shù)據(jù)通過RS232端口存入計算機存儲器中。

4）數(shù)據(jù)處理。外業(yè)工作結(jié)束后，即可利用專用軟件進行數(shù)據(jù)的處理與成圖。如果后處理量不大，可在現(xiàn)場成圖。一般軟件可生成測深數(shù)據(jù)圖、水深等值線圖、三維數(shù)字地形模型（DTM）圖、彩色水深圖、彩色地形陰影圖等。

5）對同一測區(qū)不同測次進行比較以及進行沖淤計算，撰寫報告。

GPS多波束側(cè)掃法的優(yōu)缺點：GPS多波束側(cè)掃法以其全覆蓋、無遺漏的測量方式，在效率、精度、分辯率與水下地形成圖質(zhì)量上有了大幅度提高，整個系統(tǒng)從外業(yè)到內(nèi)業(yè)全過程真正實現(xiàn)了自動化、智能化和數(shù)字化，徹底改變了傳統(tǒng)的水下測量技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是對大江大河長跨度的橋梁橋墩區(qū)水域地形測量有得天獨厚的優(yōu)勢。缺點是設(shè)備成本十分高昂，整套系統(tǒng)價值幾百萬，推廣不易，另外測量帶寬受水深的制約，當(dāng)水域過淺，則無法保證數(shù)據(jù)全覆蓋。

3.結(jié)束語

橋梁橋墩區(qū)水下地形測量是一個水域地形測量常見問題，以上闡述的三種方法在實際生產(chǎn)中運用較多。每種方法都有其優(yōu)點和局限性，在實際運用中要結(jié)合工程實際及本單位的設(shè)備情況選擇。

參考文獻：

[1]趙建虎，張紅梅；水下地形測量技術(shù)探討[J]；測繪信息與工程；1999年04期.

[2]周軍根；水下地形測量技術(shù)方案的探討[J]；四川測繪；2003年03期.