多波束測深技術(shù)在長江某水廠取水管現(xiàn)狀檢查中的應用

(長江科學院 工程安全與災害防治研究所，武漢 430010)

1 研究背景

目前，水下建筑物現(xiàn)狀檢查的主要技術(shù)有潛水摸查、水下視頻錄像、單波束測深技術(shù)、多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶和雙頻聲吶識別技術(shù)等[1]。潛水摸查和水下視頻錄像需要在水質(zhì)清晰、流緩的水域中，進行接觸式作業(yè)。

單波束測深技術(shù)通過布設斷面、設置采樣點間距，進行逐點測量，采用內(nèi)插的方式生成等值線，反映水下地形[2]。單波束測深技術(shù)測深精度低、采集數(shù)據(jù)量少、分辨率低，無法全面客觀地反映水下建筑物的現(xiàn)狀。

側(cè)掃聲吶和雙頻聲吶識別技術(shù)都是利用聲學原理進行聲吶成像，得到影像數(shù)據(jù)，通過人工判讀，確定缺陷信息[3]。得到的缺陷信息帶有人工的主觀性，而且沒有位置信息，無法進行定量分析。

多波束測深技術(shù)可在一個條帶內(nèi)得到上百個測深點，能高效地得到高精度、高分辨率的水下地形數(shù)據(jù)[4-6]。與潛水摸查和水下視頻錄像相比，對水質(zhì)清晰度和流速沒有要求，而且不需要接觸水下建筑物，降低安全隱患。與單波束測深技術(shù)相比，水底三維地形圖的水深值更加密集、精度更高[7]。與聲吶技術(shù)相比，多波束測深技術(shù)能夠提供準確的位置信息，可以進行定量分析。通過對多波束測量得到的點云數(shù)據(jù)進行精細處理和三維建模，可以精確、全面、動態(tài)地反映水底微地形地貌，獲得高清晰度水底影像。

2 多波束測深系統(tǒng)探測能力

2.1 系統(tǒng)組成

多波束測深系統(tǒng)一般由多波束測深儀、外圍輔助傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[8]。本文采用Kongsberg EM2040C(雙探頭)多波束測深儀，整個多波束測深系統(tǒng)的設備組成見表1。

表1 多波束測深系統(tǒng)組成

Kongsberg EM2040C(雙探頭)多波束測深系統(tǒng)各模塊連接見圖1。Kongsberg EM2040C(雙探頭)水下多波束測深儀主要技術(shù)指標見表2。

圖1 Kongsberg EM2040C多波束測深系統(tǒng)模塊連接

2.2 探測能力

多波束測深系統(tǒng)的探測能力由分辨率決定，分辨率是指系統(tǒng)在波束邊緣所能夠分辨的最小距離[9]。分辨率分縱向分辨率和橫向分辨率，由EM2040C發(fā)射波束的垂直波束角和水平波束角所決定。

表2 EM2040C多波束測深儀主要技術(shù)指標

圖2 縱向分辨率示意圖

縱向分辨率指平行于航跡方向上邊緣波束能夠分辨的最小距離(見圖2)，計算公式為

tan(α/2) 。

(1)

式中：H為水深；φ為多波束測深系統(tǒng)縱向接收波束角度；α為多波束測深系統(tǒng)縱向接收波束最小角度。

EM2040C的縱向接收波束寬度為27°，縱向接收波束最小角度為1.0°，20 m水深的縱向分辨率為0.359 m。

圖3 橫向分辨率示意圖

橫向分辨率指垂直于航跡方向上邊緣波束能夠分辨的最小距離(見圖3)，計算公式為

Δx=H·[tan(φ/2)-tan(φ/2-θ)] 。(2)

式中：φ為多波束系統(tǒng)橫

向發(fā)射波束角度；θ為多波束系統(tǒng)橫向發(fā)射波束最小角度。

EM2040C的橫向發(fā)射角度一般設置為100°，橫向發(fā)射波束最小角度為1°,20 m水深的橫向分辨率為0.828 m。

3 自適應濾波算法

利用多波束測深技術(shù)進行水下地形和斷面測量時，通常采用趨勢面濾波法、限幅濾波法和中位值濾波法等方法進行數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的濾波方法過分要求數(shù)據(jù)平滑，會造成水底微地形或局部突變數(shù)據(jù)被剔除[10-11]。利用多波束測深技術(shù)進行水下建筑物現(xiàn)狀檢查，水底突變數(shù)據(jù)通常代表水下建筑物變形特征點，為了避免變化水深點被不合理刪除，本文采用自適應濾波算法進行數(shù)據(jù)處理。

首先，根據(jù)水下突變邊界點與其鄰域地形連續(xù)性不一致的特點，將水下地形數(shù)據(jù)進行分段，每段數(shù)據(jù)分別進行自適應濾波處理。本文采用的自適應濾波方法原理見圖4。選擇一個具有一定高度和長度的圓柱體過濾器，并根據(jù)圓柱體長度內(nèi)的平均值對數(shù)據(jù)進行步進處理，所有位于圓柱體外部的水深值將會被刪除。在對原始較粗糙的數(shù)據(jù)進行處理時，圓柱體過濾器選擇較小的長度和較大的高度，剔除較大的噪點(圖4(a));然后選擇較大的長度和較小的高度圓柱體過濾器對數(shù)據(jù)進行更加精細的處理，剔除較小的噪點(圖4(b))。

圖4 自適應濾波

該方法能夠有效地剔除多波束水深數(shù)據(jù)粗差，同時對特征變化點有效保留，提高了水下地形測量精度，準確表達了水下建筑物變形特征。

4 工程實例

4.1 工程概況

長江某水廠以長江為水源，布設上層和下層取水管各2根(直徑1 400 mm)，取水口分別用6根鋼管樁(直徑840 mm)構(gòu)成的承臺進行固定。2017年枯水期，因水位下降，上層取水口裸露出水面，被航行船舶碰撞，造成破損，且該水廠自2013年投入使用后，一直未對取水管現(xiàn)狀進行檢查。為保證取水管道的正常運行，需要對水下取水管現(xiàn)狀進行檢查，根據(jù)取水管破損現(xiàn)狀和位置確定加固和修復方案。

圖5 測線布設

4.2 測量實施

4.2.1 測線布設

取水管從岸邊向長江中間延伸，上層取水口距離岸邊約100 m，下層取水管距離岸邊約350 m。首先在測區(qū)范圍內(nèi)用多波束掃測得到取水管的位置，為了對取水管進行精密測量和建模，與傳統(tǒng)多波束測線平行于水流方向布設方式不同，本次測量測線布設平行于取水管方向(垂直于水流方向)。本次測量一共布設6條測線，見圖5。取水管上方、左右各布設2條往返測線，左右方向布設測線是為了掃測鋼管樁和承臺，往返測線是為了數(shù)據(jù)處理時對缺陷進行驗證。

4.2.2 掃測寬度、波束角、船速選擇

Kongsberg EM2040C(雙探頭)左右探頭分別可以調(diào)節(jié)最大掃測角度130°，中間重疊30°區(qū)域，因此最大可以達到200°開角的掃測寬度。雖然掃測寬度決定測量效率，但是對于水下建筑物現(xiàn)狀檢查，最重要的是獲取高分辨率的水下地形數(shù)據(jù)。多波束掃測得到的中央波束信號精度最高，根據(jù)測線布置的特點，6條測線掃測開角設置見表3。取水管上方測線利用中央波束得到高精度的點云數(shù)據(jù)，對取水管現(xiàn)狀進行檢查；左右測線根據(jù)航行方向調(diào)整左右探頭的發(fā)射開角，對鋼管樁和承臺現(xiàn)狀進行檢查。

表3 掃測角度設置

波束角越小，探測水底地形特征就越細致。在進行水下精細檢查中，應盡可能選擇波束角小的多波束測深系統(tǒng)，本次測量選擇1.0°×1.0°波束角，得到的數(shù)據(jù)能夠更加直觀細致地反映取水管破損現(xiàn)狀。

在多波束全覆蓋掃測中，船速不宜過快。船速過快會在航向重疊的點云不密，分辨率不高，對掃測物體形成盲區(qū)，遺漏缺陷。根據(jù)實際測量經(jīng)驗，建議船速控制在5節(jié)(1節(jié)=1.852 km/h)以內(nèi)[12]。

圖6 上層取水管殘留情況

4.3 結(jié)果分析

通過對多波束測量的高精度、高分辨率水下點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和三維建模，得到的結(jié)果能夠直觀、定量地反映取水管破殘現(xiàn)狀和破損位置。上層取水管殘留情況如圖6所示，下游(圖6左側(cè))方向取水管因碰撞已經(jīng)偏離原始位置，向上游(圖6右側(cè))方向擺動。在距離岸邊約30 m的位置，下游方向取水管已經(jīng)移動至上游方向取水管上部，上層2根取水管呈交叉狀態(tài)。

上層承臺現(xiàn)狀如圖7所示，整個承臺向上游方向傾倒約90°，上層取水口方向朝上游方向。上層承臺6根鋼管樁均已傾斜，其中5號、6號鋼管樁已經(jīng)和承臺脫離。下層取水管有兩處斷裂，如圖8所示。

圖7 上層承臺現(xiàn)狀

圖8 下層取水管斷裂位置

5 結(jié) 語

目前多波束測深技術(shù)主要應用于水下地形測量，繪制等深線和斷面圖。針對長江某水廠取水管的現(xiàn)狀檢查，所處位置水質(zhì)渾濁、流速較大，傳統(tǒng)潛水摸查和水下視頻錄像方式無法進行。本文通過設計測線，合理選擇掃測角度、波束角，對點云數(shù)據(jù)進行精細處理和三維建模，直觀地展示了取水管破殘現(xiàn)狀和破損位置，為該水廠取水管加固和修復項目提供了全面的水下現(xiàn)狀信息，成功地將多波束測深技術(shù)應用于水下建筑物現(xiàn)狀檢查和缺陷精密測量。