多元技術(shù)聯(lián)合探測(cè)在甬江隧道沉管探測(cè)中的應(yīng)用探究

劉俊汀，韓 愈

(寧波上航測(cè)繪有限公司，浙江 寧波 315200)

0 引 言

甬江水底隧道位于浙江省寧波鎮(zhèn)海的甬江入海口，為單孔雙車道汽車隧道，全長1019m，其產(chǎn)水下段420m，是采用5節(jié)85m×11.9m的鋼筋混凝土大型沉管水底對(duì)接而成。修建在海相沉積，飽和流塑狀的黃色淤泥質(zhì)黏土的軟弱地基上。河道淤積嚴(yán)重，實(shí)測(cè)淤強(qiáng)為16cm/d。采用拋石回填基礎(chǔ)和專用的清淤設(shè)備，順利完成了工程，為我國在軟弱地基上修建沉管隧道積累了經(jīng)驗(yàn)。甬江水底隧道是我國第一條用“沉管法地基上的大型水底交通隧道。

1 多波束掃測(cè)

外業(yè)掃測(cè)中，需對(duì)換能器安裝偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)線選擇在測(cè)區(qū)有代表性(包含平坦及陡峭地形)區(qū)域，布設(shè)一條倒8字測(cè)線，半倒8字半徑約100m，往返掃測(cè)，直至水深控制軟件GUI將系統(tǒng)計(jì)算姿態(tài)參數(shù)(Roll、Pitch、Yaw)并對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行改正計(jì)算。

利用GPS-RTK定位測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行，連接好各設(shè)備間通訊線，完成各項(xiàng)設(shè)備工前調(diào)試，保證各項(xiàng)設(shè)備正常工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水深情況，測(cè)區(qū)沿東西方向布設(shè)主測(cè)計(jì)劃線，布線間距為10m，根據(jù)所測(cè)水深情況，滿足測(cè)量覆蓋率>20%來選擇合適測(cè)線，在測(cè)量區(qū)域進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)。作業(yè)船只按布設(shè)的測(cè)線上線，并根據(jù)電腦指示隨時(shí)修正航向并保持航速(船速≤4kn)。水深測(cè)量?jī)x器采用Norbit多波束測(cè)深系統(tǒng)，與利用GPS-RTK定位測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)連接，采用QINSY軟件對(duì)實(shí)施水深數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)采集。

外業(yè)實(shí)施測(cè)量過程中，使用表面聲速剖面儀測(cè)定探頭處聲速，將聲速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入多波束采集系統(tǒng)進(jìn)行水深的自動(dòng)改正。測(cè)量前后使用自容式聲速剖面儀在測(cè)區(qū)最大水深處采集聲速剖面數(shù)據(jù)，用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)水深改正[1]。

2 淺地層剖面探測(cè)

SES-2000標(biāo)準(zhǔn)型參量陣淺地層剖面儀為德國Innomar公司的產(chǎn)品，該系統(tǒng)采用差頻原理進(jìn)行淺地層剖面探測(cè)和精確水深測(cè)量，具有很高的分辨率(100KHz換能器束角僅為1.8°)，適合于淺地層精確探測(cè)。僅由一個(gè)工作站就能完成數(shù)據(jù)采集及后處理等全部工作，換能器小巧輕便，安裝快捷，是進(jìn)行淺地層剖面及高精度水深測(cè)量的最佳設(shè)備。

淺地層剖面儀換能器采用固定安裝方式，將淺地層剖面儀換能器部署在船舷，測(cè)量前對(duì)換能器的吃水和位置進(jìn)行了量測(cè)，將吃水深度在SESWIN數(shù)據(jù)采集軟件中進(jìn)行吃水改正，提高探測(cè)數(shù)據(jù)精度。

淺剖測(cè)量同時(shí)記錄水深數(shù)據(jù)和淺剖數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水下地形復(fù)雜，目標(biāo)海域水深情況，在保證測(cè)量區(qū)域的覆蓋程度和作業(yè)人員、設(shè)備的安全的前提下進(jìn)行淺剖探測(cè)作業(yè)。

淺剖作業(yè)過程中，測(cè)船航速保持穩(wěn)定，一般控制在3-4節(jié)。采集數(shù)據(jù)同時(shí)保存為*.ses和*.raw兩種格式，每條測(cè)線記錄一個(gè)文件。每天作業(yè)前，做好儀器的調(diào)試，校對(duì)儀器中各測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性，并做好記錄；作業(yè)過程中，值班人員做好作業(yè)過程值班記錄；作業(yè)結(jié)束后，做好數(shù)據(jù)整理、備份，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和回放。

3 三維激光掃測(cè)

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)能夠快速掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每秒獲取的點(diǎn)云數(shù)量達(dá)到百萬級(jí)以上，能完整和精細(xì)的表達(dá)出測(cè)量對(duì)象表面情況。

3.1 掃描站點(diǎn)布設(shè)

在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取階段，掃描站點(diǎn)的布設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量有很大影響。合理的布置掃描站點(diǎn)位置既可以減少工作量、減少數(shù)據(jù)冗余，又可以得到拼接精度高的整體點(diǎn)云模型。在保證掃描精度的情況下，在每個(gè)掃描站點(diǎn)位置應(yīng)能最大范圍地掃描到目標(biāo)場(chǎng)景，同時(shí)盡量確保每個(gè)掃描站點(diǎn)上無被遮擋區(qū)域[2]。

3.2 影像獲取

掃描前儀器內(nèi)置相機(jī)自動(dòng)連續(xù)拍攝掃描區(qū)域的全部影像，并保存影像數(shù)據(jù)到影像文件中。為后續(xù)點(diǎn)云賦色和紋理貼圖提供影像數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 多波束數(shù)據(jù)處理

本次測(cè)量的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用專業(yè)海道測(cè)量軟件Qimera軟件，最終輸出三維圖像和水下地形點(diǎn)坐標(biāo)及高程。具體流程如圖1所示。

將清理后的數(shù)據(jù)輸出到ASCII文件，生成數(shù)據(jù)。最終生成水下地形三維效果圖。

4.2 淺地層剖面數(shù)據(jù)處理

使用淺剖設(shè)備配備的Innomar ISE分析軟件處理淺剖數(shù)據(jù)，讀取定位點(diǎn)信息。淺地層剖面儀的數(shù)據(jù)經(jīng)后處理輸出圖像。根據(jù)模擬剖面記錄，判讀地層的基本情況，通過地質(zhì)剖面的地層斷裂和錯(cuò)位情況進(jìn)行分析判斷。

在Innomar ISE軟件工具欄中標(biāo)定出現(xiàn)其平面位置與其深度信息。

通過判讀，最后輸出泥面數(shù)據(jù)和巖層面數(shù)據(jù)，通過差值得出泥面厚度和拋石厚度信息。

最后將分層數(shù)據(jù)分別以“txt”導(dǎo)出，導(dǎo)出后將分層數(shù)據(jù)做差值，差值即為泥層厚度。

4.3 三維激光內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

4.3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)軟件主要采用Autodesk Recap軟件，具體步驟如下：

1)導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入的為固定格式點(diǎn)云文件。

2)選擇[添加文件]按鈕，彈出文件打開對(duì)話框，在數(shù)據(jù)目錄下選擇一個(gè)或多個(gè)文件，點(diǎn)擊確定后，所選擇的數(shù)據(jù)文件顯示到列表中。

4.3.2 點(diǎn)云拼接

對(duì)于在已知控制點(diǎn)上設(shè)站使用測(cè)站后視法和后方交會(huì)法采集的點(diǎn)云具有絕對(duì)坐標(biāo)不需要拼接，自由設(shè)站上掃描的點(diǎn)云需要使用標(biāo)靶拼接和形狀匹配法自動(dòng)拼接各站數(shù)據(jù)。

在Recap中使用自動(dòng)拼接模式拼接各站點(diǎn)云，軟件基于自身算法將重疊度較高的點(diǎn)云自動(dòng)拼接完成，如果相鄰站之間重疊度較低，則可能拼接失敗，此站獨(dú)立成組，待人工手動(dòng)拼接。對(duì)于無法自動(dòng)拼接的測(cè)站，采用手動(dòng)拼接模式拼接，在Recap測(cè)站拼接界面選擇選點(diǎn)工具，在左右兩側(cè)分別選擇同一特征點(diǎn)，特征點(diǎn)盡量選擇沒有凸起且不可移動(dòng)的物體表面，一共選擇三次，三次特征點(diǎn)需處于不同的平面上。

4.3.3 點(diǎn)云去噪與平滑

原始三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了大量的無關(guān)信息和粗差，即所謂的噪聲點(diǎn)。這些噪聲點(diǎn)產(chǎn)生原因是多方面的，如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)反射信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、局部的跳變數(shù)據(jù)、前景遮擋數(shù)據(jù)以及無回波信息的局部空洞(如激光穿透玻璃)等。噪聲的存在嚴(yán)重影響對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的理解和成圖。點(diǎn)云去噪包括軟件自動(dòng)過濾和人工去噪。本次作業(yè)中，為保證成果質(zhì)量，基本采用人工去噪的方式，在Recap中選中工具，圈選噪點(diǎn)部分刪除。

4.3.4 點(diǎn)云導(dǎo)出

將點(diǎn)云導(dǎo)出 E57 格式或者進(jìn)行切片后繪制剖面圖。

5 數(shù)據(jù)整合

根據(jù)需求，將多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)、淺地層剖面數(shù)據(jù)以及三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合，通過軟件處理將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道模型圖。

6 結(jié) 語

隧道監(jiān)測(cè)技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越廣泛，探測(cè)方法也越來越多樣化。本次應(yīng)用多波束系統(tǒng)、淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)以及三維激光掃描系統(tǒng)聯(lián)合探測(cè)方式，相比較單一測(cè)量方式所得到的效果顯然會(huì)更好。多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的水下三維效果圖，可以形象的展示出水下泥面情況，還可以獲得水下地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲得泥面高程數(shù)據(jù)；淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)可以探測(cè)到泥面以下的基巖層，獲得管道上方的泥面厚度，從而得出沉管頂部標(biāo)高；三維激光掃描可以獲得隧道內(nèi)部的點(diǎn)云，生成影像圖，清晰直觀的了解隧道內(nèi)部的高程情況以及沉管銜接位置。除此之外，多元技術(shù)聯(lián)合探測(cè)不僅可以更加直觀形象的反應(yīng)隧道的情況，而且，多次測(cè)量還能更加精準(zhǔn)的反應(yīng)隧道的變形情況和埋深變化情況。所以，多元技術(shù)聯(lián)合探測(cè)方法在隧道監(jiān)測(cè)方向上會(huì)是很好的突破，將會(huì)在隧道探測(cè)的方式上奠定基礎(chǔ)，也可以保證隧道探測(cè)結(jié)果的真實(shí)性，開展隧道監(jiān)測(cè)方向的新紀(jì)元[4-5]。