基于多波束檢測(cè)技術(shù)的橋梁橋墩水下測(cè)量方法

彭國(guó)超

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

橋梁施工過(guò)程中，橋梁橋墩水下測(cè)量結(jié)果是橋梁安全穩(wěn)定的關(guān)鍵，橋墩也是后續(xù)橋梁養(yǎng)護(hù)的重要部位[1]?？紤]到當(dāng)前大部分河流水質(zhì)渾濁，且流速較大，難以獲取準(zhǔn)確的水下測(cè)量結(jié)果[2]，為了解決這一問(wèn)題，多種水下測(cè)量方法涌現(xiàn)出來(lái)。文獻(xiàn)[3]考慮到光線在水下環(huán)境中的折射特點(diǎn)，提出基于線結(jié)構(gòu)光陣列的水下測(cè)量方法。根據(jù)光路折射原理構(gòu)建水下雙目折射模型。結(jié)合外極線匹配策略獲取水下特征點(diǎn)，得到水下測(cè)量三維顯示圖。但是，該方法測(cè)量結(jié)果誤差較大。文獻(xiàn)[4]根據(jù)水下橋梁墩臺(tái)主要檢測(cè)內(nèi)容，將水下測(cè)量歸納為外觀檢查、地形地貌和無(wú)損檢測(cè)。結(jié)合當(dāng)前檢測(cè)設(shè)備發(fā)展水平將上述檢測(cè)內(nèi)容劃分為一般、專(zhuān)項(xiàng)兩個(gè)檢測(cè)單元部分，對(duì)每一檢測(cè)單元設(shè)置獨(dú)立的測(cè)量方法。但是，該方法測(cè)量效率較低。文獻(xiàn)[5]依托光平面約束算法，設(shè)計(jì)一種新的測(cè)量模型。分析投射光線在光平面以及水下折射的區(qū)別，采用陸上標(biāo)定的方式校準(zhǔn)測(cè)量模型，結(jié)合中心旋轉(zhuǎn)編碼光模式解析水下投影，獲取水下測(cè)量結(jié)果。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可知，該方法測(cè)量精度較低。本文以降低水下測(cè)量偏差為目標(biāo)，提出一種以多波束檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的測(cè)量方法。通過(guò)多波束設(shè)備安裝與標(biāo)定，結(jié)合三維聲吶成像原理，獲取水下測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理后，生成水下三維測(cè)量顯示圖。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明，多波束水下測(cè)量偏差低于0.3m，滿足橋梁橋墩施工測(cè)量要求。

1 基于多波束檢測(cè)技術(shù)的橋梁橋墩水下測(cè)量方法設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)設(shè)備安裝與標(biāo)定

多波束檢測(cè)設(shè)備的安裝是水下測(cè)量的基礎(chǔ)，在測(cè)船的合適位置安裝換能器和其他測(cè)量?jī)x器[6]。其中，水下探頭是關(guān)鍵測(cè)量?jī)x器之一，水下探頭的安裝位置應(yīng)在龍骨或船舷附近，并在水下探頭周?chē)贾眠\(yùn)動(dòng)傳感器(見(jiàn)圖1)。

圖1 多波束設(shè)備安裝示意圖

按照?qǐng)D1完成設(shè)備安裝，之后按照不同設(shè)備之間的距離獲取多波束設(shè)備的相對(duì)位置。為了確保測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性，針對(duì)多波束設(shè)備的安裝誤差進(jìn)行校正。其中，光纖羅經(jīng)、GPS和姿態(tài)傳感器的校正，均依靠SIS軟件得以實(shí)現(xiàn)。而水下探頭的標(biāo)定需要考慮多個(gè)方面，包括橫偏標(biāo)定、縱偏標(biāo)定與艏偏標(biāo)定，標(biāo)定之前三者靜態(tài)姿態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 橫偏、縱偏與艏偏示意圖

針對(duì)圖2(a)所示的橫偏問(wèn)題，測(cè)船通過(guò)在某一處平坦地形來(lái)回運(yùn)行進(jìn)行標(biāo)定，圖2(b)所示的縱偏標(biāo)定，需要在坡度地形完成。而圖2(c)所示的艏偏問(wèn)題，需要選取某一地形特征點(diǎn)，向特征點(diǎn)兩側(cè)延伸出標(biāo)定測(cè)線。

1.2 構(gòu)建多波束橋梁水下測(cè)量技術(shù)

多波束設(shè)備安裝和標(biāo)定完成后，通過(guò)發(fā)射換能器向橋梁橋墩水下測(cè)量區(qū)域發(fā)射多個(gè)波束[7]，且保證發(fā)射的扇形波束垂直于航道，再利用接收換能器得到測(cè)量區(qū)域反饋的波束信號(hào)[8]。重復(fù)多波束發(fā)射和接收，得到上百個(gè)窄波束，計(jì)算多波束檢測(cè)數(shù)據(jù)，以檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)明晰水下橋梁橋墩結(jié)構(gòu)。其中，多波束距離參數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中i——目標(biāo)反射點(diǎn)；

s——參考反射點(diǎn)；

a——反射點(diǎn)間距；

λ0——接收陣列到目標(biāo)區(qū)域垂直距離；

λi——接收陣列到目標(biāo)區(qū)域反射點(diǎn)距離。

多波束相位差參數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中μ——相位差；

ω——反射點(diǎn)位置；

w——信號(hào)波長(zhǎng)。

距離參數(shù)和相位差參數(shù)計(jì)算完成后，根據(jù)三維聲吶成像原理[9]，獲取水下測(cè)量結(jié)果。其中，發(fā)射/接收矩陣、運(yùn)動(dòng)傳感器等均屬于三維聲吶前端部分，發(fā)射接收單元和分析控制單元?jiǎng)t屬于聲吶后端部分。多波束三維聲吶成員原理見(jiàn)圖3。

圖3 多波束三維聲吶成像原理

利用EIVA 2012軟件采集多波束水下測(cè)量數(shù)據(jù)，為了提升多波束檢測(cè)有效覆蓋寬度，并確保測(cè)量數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多波束角和掃測(cè)角變化狀態(tài)。需要注意的是，橋梁橋墩測(cè)量過(guò)程中，需要按照測(cè)線調(diào)整測(cè)船的航向和航速。此外，水下測(cè)量作業(yè)實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)人工的方式觀察多波束掃測(cè)的覆蓋情況，對(duì)于航線偏移引起的水下測(cè)量區(qū)域覆蓋不全面，進(jìn)行多波束補(bǔ)測(cè)處理。

1.3 多波束測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

多波束測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)記錄每個(gè)波束的角度和傳播速度，確定波束行程(見(jiàn)圖4)。

圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)確定示意圖

根據(jù)波束往返時(shí)間和波束角，獲取測(cè)量區(qū)域的水深值和z軸方向深度值：

(3)

式中l(wèi)——波束；

f——波束往返所需時(shí)間；

ψ——聲波傳播速度；

φ——波束角；

γ——實(shí)測(cè)水深值；

Z——z軸方向深度值。

考慮到多波束數(shù)據(jù)采集過(guò)程中涉及船體坐標(biāo)和當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)兩個(gè)不同的坐標(biāo)系[10]。通常情況下，水下測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取是基于當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系選取的，受到船體姿態(tài)位置的影響，直接應(yīng)用該坐標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。結(jié)合該坐標(biāo)點(diǎn)在船體坐標(biāo)系內(nèi)所處位置，確定多波束監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置偏移量計(jì)算公式為

(4)

式中 ΔX，ΔY，ΔZ——測(cè)深點(diǎn)位置偏移量；

xl,yl,zl——采樣點(diǎn)位置坐標(biāo)；

B——船體航向；

C——縱搖；

D——橫搖。

考慮到GPS定位和多波束檢測(cè)的工作頻率存在較大差異，極易引起時(shí)間延遲現(xiàn)象。因此，需要進(jìn)行延遲改正。針對(duì)時(shí)間延遲造成的船體位置偏移量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

(5)

式中 Δf——延遲時(shí)間。

通過(guò)上述修正處理，確定水下測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)最終位置修正公式為

(6)

式中ζ0,β0——監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)；

ζ,β——監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終位置坐標(biāo)；

M——子午圈曲率半徑；

N——卯酉圈曲率半徑。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后，需要進(jìn)行多波束測(cè)量數(shù)據(jù)的濾波處理，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)野值、粗差的去除，確保多波束水下測(cè)量結(jié)果誤差降低。濾波處理之前建立數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定模式，確定多波束測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量閾值。之后，通過(guò)計(jì)算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)偏差，確定多波束橋梁橋墩水下測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性。根據(jù)被評(píng)估點(diǎn)和鄰域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，確定加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為

(7)

式中e——評(píng)估點(diǎn)；

δ——加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差；

ε——鄰域內(nèi)測(cè)深點(diǎn)數(shù)；

v——監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

?v——權(quán)分布函數(shù)；

K——權(quán)分布半徑；

χ——加權(quán)平均值；

τ——監(jiān)測(cè)點(diǎn)到評(píng)估點(diǎn)的距離。

考慮到橋梁建設(shè)區(qū)域的水下地形較為平坦，所以在完成數(shù)據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置后，根據(jù)濾波結(jié)果剔除異常值，得到高質(zhì)量多波束測(cè)量數(shù)據(jù)。本文采用人工濾波的方式，通過(guò)主觀識(shí)別的方式，提取出數(shù)據(jù)記錄中與其他數(shù)據(jù)差異較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，將其去除。最后，由于測(cè)量數(shù)據(jù)按照ping方式進(jìn)行保存，通常狀態(tài)下每ping可以存儲(chǔ)數(shù)百個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)?？紤]到橋梁往往建設(shè)在地勢(shì)平坦的區(qū)域，該區(qū)域水體深度值往往處于同一條曲線，本文融合角度和弦高原則，實(shí)現(xiàn)多波束測(cè)量數(shù)據(jù)的抽稀處理。

1.4 生成水下橋墩三維顯示圖

多波束測(cè)量數(shù)據(jù)處理完成后，在同一平面坐標(biāo)系內(nèi)，獲取水下地形圖投影和監(jiān)測(cè)點(diǎn)投影。由于多波束測(cè)量數(shù)據(jù)采集結(jié)果是以大地坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的，利用Map GIS軟件獲取橋梁橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)水深點(diǎn)的平面坐標(biāo)。再結(jié)合墨卡托投影方式，得到水下橋梁橋墩測(cè)量投影圖。

為了加強(qiáng)水下測(cè)量結(jié)果的直觀性，本文采用Surfer軟件結(jié)合上述投影數(shù)據(jù)生成三維顯示圖。水下三維圖像的生成需要依托數(shù)字高程模型，采用一組有序數(shù)值陣列，描述水下地面高程。通過(guò)離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化模式，構(gòu)建水下橋梁橋墩?qǐng)D形和水下地形圖。這一過(guò)程中，采用Surfer軟件構(gòu)建中小離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的高效處理。根據(jù)多波束數(shù)據(jù)特點(diǎn)選取離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小，為了提升數(shù)據(jù)密度和數(shù)據(jù)分布均勻性，本文利用克里金插值法進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，獲取更加完整的空間數(shù)據(jù)。根據(jù)距離變量設(shè)置變差函數(shù)，將其作為加權(quán)插值計(jì)算所需的權(quán)值，促進(jìn)后續(xù)水下測(cè)量數(shù)據(jù)的空間曲面擬合?？臻g數(shù)據(jù)插值計(jì)算完成后，基于離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格輸出GRD規(guī)則格網(wǎng)，并形成以多波束檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維圖。

為了加強(qiáng)三維顯示圖的真實(shí)性，結(jié)合Map GIS軟件生成的水下地形地貌圖，利用DTM分析模塊得到平面等深線，將等深線疊加在三維地理底圖上方，生成比例為1∶50000的三維顯示圖。這一過(guò)程中需要注意的是，Surfer軟件內(nèi)的GRD文件無(wú)法直接在DTM分析模塊內(nèi)打開(kāi)，需要將其存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)化為GS Binary，才能進(jìn)行下一步處理。最后，將上述得到的所有地形圖放置于Surfer軟件內(nèi)，得到最終橋梁橋墩水下測(cè)量三維顯示圖。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

為驗(yàn)證文中研究的水下測(cè)量方法的可行性，將該方法應(yīng)用于福建省福清?？诖髽驊覞捕问┕ろ?xiàng)目中，驗(yàn)證所提方法的有效性。福清?？诖髽驒M跨龍江，屬于福清“縱一線”區(qū)域，橋梁預(yù)計(jì)建設(shè)長(zhǎng)度為240m。?？诖髽蚴┕み^(guò)程中，懸澆段施工是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，經(jīng)過(guò)了解，?？诖髽虿捎孟淞簰旎@懸澆的方式，設(shè)置箱梁的寬度和高度分別為43.6m、4m。考慮到掛籃自重較大，為了確保施工安全，對(duì)橋梁橋墩水下測(cè)量精度要求越來(lái)越高。為了更好地測(cè)量福清海口大橋橋梁橋墩的應(yīng)力變化，基于本文提出的測(cè)量方法，在主橋上布置7個(gè)測(cè)試斷面(見(jiàn)圖5)。

圖5 主橋測(cè)試斷面布置示意圖

針對(duì)圖5所示的測(cè)試斷面，應(yīng)用本文構(gòu)建的水下測(cè)量方法獲取懸澆段施工過(guò)程中主梁頂面標(biāo)高變化情況，為后續(xù)順利合龍創(chuàng)造良好環(huán)境。

2.2 測(cè)量準(zhǔn)備

本次以SeaBat 8101多波束檢測(cè)設(shè)備為核心，建立水下測(cè)深系統(tǒng)，作為實(shí)例應(yīng)用的基礎(chǔ)。多波束系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 多波束系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

橋墩水下測(cè)量所需的多波束檢測(cè)設(shè)備主要包括水下探頭、甲板單元處理器等基本配置，以及DGPS光纖羅經(jīng)等不同類(lèi)型的選件配置。最后，結(jié)合后處理設(shè)備完成橋梁水下檢測(cè)。

福建省福清?？诖髽驊覞捕问┕?，需要以高精度水下橋梁橋墩測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)，為了降低水下測(cè)量誤差，針對(duì)水位站布設(shè)、坐標(biāo)控制系統(tǒng)和多波束校準(zhǔn)進(jìn)行一系列測(cè)量準(zhǔn)備。在主橋測(cè)試斷面合理布置多個(gè)臨時(shí)水位站，實(shí)現(xiàn)水下測(cè)量范圍的全方位覆蓋，且設(shè)置每隔5min讀取一次水位數(shù)據(jù)。然后，設(shè)置合理的高程控制、平面控制系統(tǒng)，再進(jìn)行多波束校正，獲取高精度測(cè)量數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備工作結(jié)束后，設(shè)計(jì)測(cè)設(shè)線路(見(jiàn)圖6)。

圖6 測(cè)設(shè)線路布置

根據(jù)圖6所示的測(cè)設(shè)路線，獲取多波束檢測(cè)數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)獲取橋梁橋墩水下測(cè)量結(jié)果。

2.3 測(cè)量結(jié)果分析

利用Neptune軟件處理上述采集數(shù)據(jù)，按照本文所提出的測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)凈化和濾波，并進(jìn)一步分析深度數(shù)據(jù)。依托統(tǒng)計(jì)規(guī)則凈化多波束數(shù)據(jù)，再通過(guò)人工編輯的方式，獲取最終測(cè)深數(shù)據(jù)，利用Surfer軟件生成水下測(cè)量三維顯示圖(見(jiàn)圖7)。

圖7 多波束水下測(cè)量三維圖

根據(jù)圖7所示的多波束水下測(cè)量三維圖，結(jié)合多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)福建省福清?？诖髽虻闹鞫崭浇哟矃^(qū)域產(chǎn)生了沖刷問(wèn)題，形成以橋墩為中心的圓形沖刷坑。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，該沖刷坑的半徑和寬度分別為7m、5m。并且，福建省福清海口大橋引橋部分橋墩周?chē)渤霈F(xiàn)了多個(gè)沖刷坑，這部分沖刷坑的最大深度僅為2m，通過(guò)上述水下測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的可行性，以此為基礎(chǔ)調(diào)整懸澆段施工方案。

為了直觀呈現(xiàn)出本文所提方法的優(yōu)越性，在福清海口大橋主橋測(cè)試斷面設(shè)置24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用單波束測(cè)聲儀設(shè)置1條檢查線。經(jīng)過(guò)數(shù)次鑒定可知，單波束測(cè)深儀屬于高精度測(cè)深儀器，本次應(yīng)用可以將單波束測(cè)量結(jié)果看作真實(shí)測(cè)量值，對(duì)比本文方法的測(cè)量結(jié)果和單波束測(cè)深儀輸出結(jié)果，得到多波束測(cè)深值偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表2)。

根據(jù)表2的測(cè)量偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)方法應(yīng)用后，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水下測(cè)量偏差均低于0.3m，其中偏差低于0.1m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最多，占比達(dá)到79.17%。

表2 多波束水下測(cè)量偏差統(tǒng)計(jì)

誤差段在0.1～0.2m范圍內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)占比為12.5%。綜上所述，本文提出的水下測(cè)量方法滿足橋梁橋墩施工測(cè)量要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著水下測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，多波束檢測(cè)技術(shù)成為主流檢測(cè)技術(shù)之一，具有三維成像和掃測(cè)范圍大的優(yōu)勢(shì)。文中應(yīng)用該技術(shù)構(gòu)建一種橋梁橋墩水下測(cè)量新方法，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用可知，該方法可以準(zhǔn)確描述水下河床沖刷情況，成為保證橋梁施工安全的基礎(chǔ)。考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出現(xiàn)的各種情況，未來(lái)可以設(shè)置多波束檢測(cè)設(shè)備最大限度靠近橋樁，確保水下測(cè)量結(jié)果的精度提升。