基于模型尺度調(diào)整算法的水下沖刷數(shù)據(jù)處理

呂 驥，程武偉，樊劍甲

(浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種全覆蓋式聲吶測(cè)深系統(tǒng)，能夠精確、快速地測(cè)出沿航線(xiàn)一定寬度內(nèi)的水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，從而描繪出水下地形地貌的精細(xì)特征[1]。在水利水電和新能源勘測(cè)工程中，多波束探測(cè)已成為一種成熟、有效的技術(shù)手段，它對(duì)上游庫(kù)區(qū)水下地形的掃測(cè)成果可用于水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核、壩前淤積和沖刷監(jiān)測(cè)、上游邊坡滑坡體監(jiān)測(cè)等；對(duì)壩后消力池過(guò)流面和下游河床的水下地形掃測(cè)成果可用于消力池(含底板、尾坎、導(dǎo)墻和圍堰等)的沖蝕缺陷檢測(cè)和下游臨近河床沖坑檢測(cè)[2-4]

處理多波束數(shù)據(jù)的流程：①對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，即對(duì)每條測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)逐段進(jìn)行人工編輯，去除粗差；②采用專(zhuān)用軟件整合定位數(shù)據(jù)，形成水下地形高程數(shù)據(jù)；③通過(guò)GIS軟件合成基于數(shù)字高程模型(DEM)的水下地形圖用于展示和提取特征參數(shù)[5]。理論上，多波束測(cè)量數(shù)據(jù)具有多源性的誤差，這是由于多波束探測(cè)系統(tǒng)包含了導(dǎo)航定位傳感器、姿態(tài)傳感器、聲速傳感器和聲吶傳感器等多源傳感器。除了傳感器數(shù)據(jù)誤差導(dǎo)致的多波束數(shù)字高程模型精度偏差，在數(shù)字高程模型中提取特征參數(shù)時(shí)，還存在多波束數(shù)據(jù)顯示隱藏問(wèn)題。這是由于采用軟件對(duì)多波束數(shù)字高程模型制圖過(guò)程時(shí)，面對(duì)區(qū)域周邊數(shù)據(jù)相對(duì)中心區(qū)域多1～2個(gè)數(shù)量級(jí)及以上的地形深度變化差異，可能出現(xiàn)中心區(qū)域內(nèi)小尺度數(shù)值變化的缺陷異常被周邊大深度變化數(shù)據(jù)掩蓋的情況，如果用單一模型尺度展示數(shù)字高程模型，會(huì)導(dǎo)致該特征區(qū)域數(shù)據(jù)被顯示隱藏，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析出現(xiàn)誤判斷。

本文針對(duì)此類(lèi)多波束數(shù)據(jù)顯示隱藏的問(wèn)題，闡述一種利用區(qū)塊坐標(biāo)、區(qū)域隔離和數(shù)據(jù)色譜法的模型尺度調(diào)整算法，以期能有效解決多波束數(shù)據(jù)顯示隱藏的問(wèn)題。

1 理論基礎(chǔ)

多波束測(cè)深系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)多波束，是通過(guò)聲波發(fā)射與接收換能器陣進(jìn)行聲波廣角度定向發(fā)射和接收，在與航向垂直的垂面內(nèi)形成條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，可精確、快速地測(cè)繪沿航線(xiàn)一定寬度條帶內(nèi)水下地形，根據(jù)水下地形變化判別分析沖刷、沖蝕、變形、淤積等各種缺陷情況。

1.1 數(shù)據(jù)建模

多波束測(cè)量原理是根據(jù)一系列已知角度測(cè)量聲波的來(lái)回時(shí)間差，算出每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的斜距，再根據(jù)這個(gè)斜距和每個(gè)波束的固定角度計(jì)算該點(diǎn)的水深[6]，通過(guò)多波束探頭沿著測(cè)線(xiàn)不間斷地發(fā)射和接收聲吶回波信號(hào)，獲得不同點(diǎn)的水深值，形成海量的水深數(shù)據(jù)。一般多波束后處理軟件為了構(gòu)建高質(zhì)量格網(wǎng)數(shù)字水深模型，多采用局部插值方法[7-8]；此類(lèi)插值方法一般指采用自然鄰點(diǎn)插值(natural neighbour interpolation，NNI)的傳統(tǒng)NNI算法和基于局部動(dòng)態(tài)最優(yōu)的NNI算法等[9]。

基于此類(lèi)算法進(jìn)行空間索引數(shù)據(jù)建模時(shí)，多波束測(cè)深數(shù)據(jù)可處理為有限離散點(diǎn)集S，然后對(duì)后者進(jìn)行格網(wǎng)化組織，此時(shí)需要確定索引格網(wǎng)的行寬(Rspace)與列寬(Cspace)，然后對(duì)每一個(gè)離散點(diǎn)，按照其空間位置的分布，計(jì)算其空間索引坐標(biāo)[9]。對(duì)于任意離散點(diǎn)Pi(X,Y,Z)∈S，其空間索引坐標(biāo)值的計(jì)算公式為

(1)

式中：i、j分別為空間索引塊的行列號(hào)；Xmin、Ymin分別為有限離散集S在水平和垂直方向上的最小值[10]。

在空間索引數(shù)據(jù)建模的過(guò)程中，式(1)中涉及的索引格網(wǎng)行寬(Rspace)與列寬(Cspace)采用的是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)不同離散點(diǎn)集數(shù)據(jù)量存在自適應(yīng)估計(jì)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真的問(wèn)題[11-12]。通過(guò)相關(guān)軟件獲取的色譜圖和水下地形圖可用于分析水下沖刷、淘蝕情況，由于在沖刷和淘蝕區(qū)域局部形成急劇變化的水深值，在局部形成不同的離散點(diǎn)集數(shù)據(jù)量。這可導(dǎo)致式(1)中的索引格網(wǎng)行寬與列寬的參數(shù)值出現(xiàn)自適應(yīng)估計(jì)的問(wèn)題。尤其是處理某些特定沖坑區(qū)域的多波束數(shù)據(jù)時(shí)，例如壩后消力池底板沖槽和海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)沖坑周邊，其沖刷變化量對(duì)比周邊地形深度值變化可能有1～2個(gè)數(shù)量級(jí)差異，可出現(xiàn)特征參數(shù)數(shù)據(jù)被顯示隱藏的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理不完整，數(shù)據(jù)分析出現(xiàn)誤判斷。

1.2 數(shù)據(jù)處理算法

本文引入一種“模型尺度調(diào)整算法”，對(duì)多波束數(shù)據(jù)獲取的水下沖刷缺陷實(shí)施快速分類(lèi)和識(shí)別?！澳Ｐ统叨日{(diào)整算法”是一種利用區(qū)塊坐標(biāo)、區(qū)域隔離和數(shù)據(jù)色譜法對(duì)多波束數(shù)字高程模型的模型尺度進(jìn)行自我調(diào)整適應(yīng)的算法；基于該算法的數(shù)據(jù)挖掘方法能有效解決多波束數(shù)據(jù)顯示隱藏的問(wèn)題。此類(lèi)數(shù)據(jù)挖掘方法既可用于壩后消力池沖刷等特定區(qū)域的多波束數(shù)據(jù)處理，也可用于海上風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量眾多的樁基礎(chǔ)周邊小面積區(qū)域內(nèi)的沖刷監(jiān)測(cè)。

1.2.1區(qū)域隔離法

所謂區(qū)域隔離，就是將重點(diǎn)關(guān)注的水下地形區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)提取，并與周邊地形數(shù)據(jù)隔離，從而保證數(shù)字高程模型的尺度滿(mǎn)足水下沖刷檢測(cè)區(qū)域的顯示精度要求。本文提出2種區(qū)域隔離方法，第一類(lèi)為基于算法程序的自動(dòng)區(qū)域隔離法，第二類(lèi)為半人工的區(qū)域隔離法。

1.2.1.1基于算法程序的自動(dòng)區(qū)域隔離法

該類(lèi)方法根據(jù)已知中心坐標(biāo)值和區(qū)域半徑，采用風(fēng)機(jī)沖刷算法程序自動(dòng)提取經(jīng)過(guò)潮位改正和去噪點(diǎn)處理的多波束特定格式數(shù)據(jù)，即帶有高程值的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。這類(lèi)方法能高效處理海上風(fēng)電場(chǎng)樁基礎(chǔ)周邊沖刷數(shù)據(jù)。

首先，每個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)擁有風(fēng)機(jī)數(shù)量少則幾十個(gè)，多則上百個(gè)；而且樁基礎(chǔ)類(lèi)型也有單樁、高樁承臺(tái)、復(fù)合筒和升壓站等多種。其次，每種樁基類(lèi)型的基礎(chǔ)周邊沖刷檢查范圍是固定的，例如單樁基礎(chǔ)為距中心坐標(biāo)點(diǎn)17～50 m，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)為20～50 m，復(fù)合筒基礎(chǔ)為36～100 m，升壓站是40～100 m。所以采用這種算法程序可避免大量重復(fù)的人工計(jì)算工作量，并減少人為錯(cuò)誤。

具體的做法是先將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)中心坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)提取并建立定位表格文件，然后將多波束特定格式數(shù)據(jù)和定位表格文件代入風(fēng)機(jī)沖刷算法程序中。采用專(zhuān)用的數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)，合理范圍篩選、數(shù)值計(jì)算，對(duì)不同半徑范圍內(nèi)的高程情況、沖淤方量、數(shù)值演變等情況進(jìn)行運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)。

1.2.1.2半人工的區(qū)域隔離法

對(duì)水電站和內(nèi)陸河道的水下地形區(qū)域進(jìn)行多波束檢測(cè)作業(yè)，由于區(qū)域內(nèi)無(wú)中心點(diǎn)坐標(biāo)，只能從岸邊控制點(diǎn)坐標(biāo)系引點(diǎn)，獲得區(qū)塊坐標(biāo)。在水電站作業(yè)區(qū)，壩前上游庫(kù)區(qū)屬于上游區(qū)塊坐標(biāo)，壩后下游過(guò)流面和河床屬于下游區(qū)塊坐標(biāo)。針對(duì)壩后消力池區(qū)域的多波束數(shù)據(jù)處理，考慮各電站區(qū)塊具體尺寸參數(shù)不同，采取人工從下游區(qū)塊坐標(biāo)內(nèi)定位消力池的邊界區(qū)域效率最高，因而定義為半人工的區(qū)域隔離法。

處理這種類(lèi)型的多波束數(shù)據(jù)，半人工的區(qū)域隔離方法可以精確定位區(qū)塊坐標(biāo)內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域，并減少算法程序中煩瑣的獲取并輸入?yún)^(qū)塊尺寸參數(shù)，反而能提高多波束數(shù)據(jù)處理工作效率。

1.2.2數(shù)據(jù)色譜法

根據(jù)多波束數(shù)據(jù)的高程值和平面坐標(biāo)，可以建立基于高程值的三維數(shù)據(jù)色譜圖。在完成區(qū)域隔離后，通過(guò)人工調(diào)整所選數(shù)據(jù)的高程范圍，或在批處理程序中提前設(shè)定高程范圍。這種調(diào)整數(shù)據(jù)色譜對(duì)應(yīng)的高程值，進(jìn)而調(diào)整數(shù)字高程模型尺度的方法，能夠獲取三維數(shù)據(jù)色譜圖上不同精度的沖蝕范圍和深度，從而解決多波束數(shù)據(jù)隱藏問(wèn)題。

1.2.3挖掘方法流程

基于模型尺度調(diào)整算法的第二類(lèi)數(shù)據(jù)挖掘方法，采用半人工的區(qū)域隔離法和數(shù)據(jù)色譜法等計(jì)算手段，適合水電站作業(yè)區(qū)域的多波束數(shù)據(jù)處理應(yīng)用案例。相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理步驟歸納如下：①由于壩前和壩后的水位高程相差很大，多波束數(shù)據(jù)可分為壩前部分的多波束水下地形成果和壩后的多波束水下地形成果。②壩后的多波束數(shù)據(jù)在CARIS處理軟件中以“.grd”文件格式輸出，保存后的文件導(dǎo)入GIS制圖軟件，例如Global Mapper軟件中，也可導(dǎo)入Autodesk Recap軟件中。③在相關(guān)軟件中，根據(jù)消力池底板流向剖面圖顯示的高程范圍，人工調(diào)整數(shù)字高程模型的高程范圍，并逐步調(diào)整高程范圍的最大和最小值，使之滿(mǎn)足消力池沖刷區(qū)域的顯示要求。

2 典型案例驗(yàn)證

某水電站為混凝土重力壩，溢流壩采用戽流式消能工，一期、二期溢流壩采用同一形式的消力池，護(hù)坦頂部頂高程64.5 m，池底平段長(zhǎng)22 m，全長(zhǎng)29 m，下游河床有淺灘和碎石出露。水下檢查內(nèi)容包括壩后消力池底板和尾坎的缺陷區(qū)域和水下障礙物，以及臨近下游河床的沖刷坑情況。壩后部分的水下地形掃測(cè)成果是通過(guò)無(wú)人船搭載多波束檢測(cè)獲得(圖1)，左岸1號(hào)和2號(hào)弧門(mén)后消力池底板局部的水流向剖面見(jiàn)圖2。通過(guò)水下機(jī)器人搭載圖像聲吶和高清攝像對(duì)消力池底板進(jìn)行“己”字形水下巡檢，獲取在2號(hào)消力池底板的沖刷區(qū)域，如圖3所示。多波束數(shù)據(jù)常規(guī)處理后獲得的水下地形成果無(wú)法核實(shí)水下攝像和圖像聲吶顯示的沖蝕缺陷。

圖1 壩后水下地形等高線(xiàn)

圖2 壩后消力池底板順?biāo)飨蚱拭?/p>

圖3 壩后2號(hào)消力池底板水下攝像和聲吶圖像顯示沖刷區(qū)域

由圖2可知，1號(hào)和2號(hào)消力池底板的高程范圍為64.5～64.7 m，落差約0.2 m；而臨近河床有一個(gè)沖刷坑，最深在57 m，與周邊河床的落差約7 m。由于2個(gè)落差有1個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，導(dǎo)致水下地形圖出現(xiàn)無(wú)法核實(shí)1號(hào)和2號(hào)消力池底板沖蝕缺陷的現(xiàn)象，定義為“多波束數(shù)據(jù)隱藏問(wèn)題”。

本案例中，由于出現(xiàn)多波束數(shù)據(jù)隱藏問(wèn)題，不能在水下地形圖中直觀分析消力池底板沖蝕情況，造成與前期潛水員探摸到底部沖蝕的成果不一致，后期需要采用水下機(jī)器人對(duì)消力池底部全部區(qū)域進(jìn)行水下巡檢，先檢測(cè)出消力池沖蝕區(qū)域的范圍和深度，再進(jìn)行多波束數(shù)據(jù)的二次處理驗(yàn)證。案例說(shuō)明，如果能預(yù)先了解多波束數(shù)據(jù)隱藏問(wèn)題的形成條件，并能合理應(yīng)對(duì)處理，可有效降低水下作業(yè)時(shí)間和項(xiàng)目作業(yè)成本。

2.1 壩后消力池沖刷檢測(cè)

對(duì)多波束采集的消力池底板數(shù)據(jù)的第一次處理中含有多波束數(shù)據(jù)隱藏問(wèn)題，如圖4所示，導(dǎo)致消力池底板沖蝕0.5 m內(nèi)的高差沒(méi)有顯示出來(lái)。有的案例在分析中指明了存在0.2 m的高差，但在三維圖像中沒(méi)有明確標(biāo)識(shí)出來(lái)[13]。

采用模型尺度調(diào)整算法后，通過(guò)運(yùn)用區(qū)域隔離法和數(shù)據(jù)色譜法，把多波束數(shù)據(jù)隱藏問(wèn)題暴露出來(lái)。本案例對(duì)壩后消力池底板沖蝕低于0.2 m高差的位置和范圍就有明確標(biāo)識(shí)，也能和前期潛水員探摸攝像的成果吻合。多波束數(shù)據(jù)調(diào)整后效果見(jiàn)圖5。

圖5 壩后消力池底板沖蝕多波束處理效果

2.2 壩前鋪蓋表面變形檢測(cè)

采用多波束技術(shù)也可對(duì)面板堆石壩的結(jié)構(gòu)表面變形情況進(jìn)行檢測(cè)[14-16]。某水電站大壩上游面的水下鋪蓋平臺(tái)安排實(shí)施水下結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)，并找出疑似滲漏位置。通過(guò)無(wú)人船搭載多波束，獲取壩前鋪蓋平臺(tái)高精度水下地形數(shù)據(jù)，其中第一次的處理效果沒(méi)有運(yùn)用區(qū)域隔離和數(shù)據(jù)色譜法，無(wú)法明確平臺(tái)結(jié)構(gòu)表面變形情況，如圖6所示。

圖6 壩前380鋪蓋平臺(tái)第一次多波束處理效果

采用模型尺度調(diào)整算法后，在壩前鋪蓋平臺(tái)數(shù)據(jù)處理中的多波束數(shù)據(jù)隱藏問(wèn)題暴露出來(lái)，通過(guò)運(yùn)用區(qū)域隔離法和數(shù)據(jù)色譜法，獲得了鋪蓋平臺(tái)在377～380 m高差范圍內(nèi)的變形塌陷區(qū)域，對(duì)后續(xù)進(jìn)行疑似滲漏位置的分析提供了數(shù)據(jù)支撐，如圖7所示。

圖7 壩前鋪蓋平臺(tái)第二次多波束處理效果

2.3 應(yīng)用效果分析

基于模型尺度調(diào)整算法的第二類(lèi)數(shù)據(jù)挖掘方法，適合壩后消力池等需要對(duì)數(shù)字高程模型處理采用人工調(diào)整處理方案的應(yīng)用案例。類(lèi)似壩后消力池檢測(cè)區(qū)域的選取適合采用半人工區(qū)域隔離法，精確調(diào)整數(shù)字高程模型中的顯示色譜，完成對(duì)模型尺度的調(diào)整處理，從而解決形狀不規(guī)則區(qū)域或特定沖刷區(qū)域的多波束數(shù)據(jù)顯示隱藏問(wèn)題。

在壩后消力池沖刷檢測(cè)中，檢測(cè)區(qū)域的高差范圍為0.2 m，對(duì)應(yīng)處理前的最小高差1 m，處理的對(duì)比效果為1∶5。在壩前案例中，檢測(cè)區(qū)域的高差范圍為3 m，對(duì)應(yīng)處理前的最小高差10 m，處理的對(duì)比效果為1∶3.33?？梢?jiàn)，采用本文提到的模型尺度調(diào)整算法，可對(duì)多波束數(shù)據(jù)處理成果提高3～5倍的顯示效果，并解決多波束數(shù)據(jù)隱藏的問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析消力池過(guò)流面檢測(cè)的多波束數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的數(shù)字地形特征的顯示隱藏現(xiàn)象，提出了兩類(lèi)基于模型尺度調(diào)整算法的數(shù)據(jù)挖掘方法，其中第二類(lèi)數(shù)據(jù)挖掘方法已應(yīng)用于水電站水工建筑物水下沖刷檢測(cè)的多波束數(shù)據(jù)處理中。其中的模型尺度調(diào)整算法是一種利用區(qū)塊坐標(biāo)、區(qū)域隔離和數(shù)據(jù)色譜法的數(shù)據(jù)處理方法，可對(duì)多波束數(shù)據(jù)處理成果提高3～5倍的顯示效果，并解決多波束數(shù)據(jù)隱藏的問(wèn)題。