基于水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)的水下滑坡監(jiān)測(cè)方法研究

魏榮灝，祝世華，徐 達(dá)，龔令平

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利水電工程管理協(xié)會(huì)，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017；4.衢州市信安湖管理中心，浙江 衢州 324000）

0 引 言

海塘和河道護(hù)堤作為重要的堤防工程，在抵御潮水侵蝕和保護(hù)沿線人民生產(chǎn)生活安全方面發(fā)揮著重要的作用。堤防工程在受到內(nèi)外作用力，如水蝕等作用下，容易產(chǎn)生滑坡。當(dāng)前，滑坡災(zāi)害成為全球范圍內(nèi)發(fā)生頻率最高、分布最廣、造成損失最重的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)和重大工程設(shè)施安全[1]，因此滑坡監(jiān)測(cè)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)；但當(dāng)前的研究主要集中于陸域邊坡的監(jiān)測(cè)和分析[2-5]，對(duì)水下邊坡滑坡的研究較少[6-7]。同時(shí)，水下滑坡一般難以通過(guò)人工目視巡堤檢查，常在水下基礎(chǔ)垮塌并導(dǎo)致岸堤部分失穩(wěn)后才能發(fā)現(xiàn)，具有較大的危害。綜上所述，研究水下滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)，有助于定期對(duì)堤防工程的水下部分進(jìn)行觀測(cè)并處置可能的失穩(wěn)區(qū)域。本文主要采用船載多波束測(cè)深系統(tǒng)和無(wú)人遙控潛水器（ROV）平臺(tái)，研究基于水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)的水下滑坡監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)滑坡體進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量分析。

1 水下滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)

水下滑坡監(jiān)測(cè)主要基于水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)，結(jié)合船載多波束測(cè)深系統(tǒng)和基于ROV的水下光學(xué)觀測(cè)技術(shù)。本節(jié)主要介紹水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)組成和水下滑坡監(jiān)測(cè)方法。

1.1 水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)

水下探測(cè)的主要手段有聲學(xué)、光學(xué)和重磁學(xué)等。聲學(xué)觀測(cè)仍是當(dāng)前水下探測(cè)使用的主要技術(shù)，常用的儀器設(shè)備有多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、淺地層剖面系統(tǒng)和ADCP等；光學(xué)觀測(cè)作為一種重要的輔助手段，可通過(guò)水下激光掃描和可見(jiàn)光成像等技術(shù)提供非常直觀的探測(cè)結(jié)果；海洋重力和磁力探測(cè)技術(shù)可獲取大量的物理場(chǎng)信息。

隨著科學(xué)技術(shù)和加工工藝的不斷進(jìn)步，以第五代多波束測(cè)深系統(tǒng)為代表的高分辨率、高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)解決了傳統(tǒng)多波束聲吶成像分辨率低，難以精細(xì)、清晰反映觀測(cè)物體現(xiàn)狀的問(wèn)題，在融合測(cè)深聲吶、三維圖像聲吶和組合導(dǎo)航等多種技術(shù)后，逐步形成水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于海底管道監(jiān)測(cè)、橋梁局部沖刷觀測(cè)和水下滑坡監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。

水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)可獲取水面、水體和水底的多種數(shù)據(jù)，包括：ADCP獲取水體的流速流向，多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取水底的地形，側(cè)掃聲吶獲取水底的地貌及障礙物分布，淺地層剖面儀和單（多）道地震儀獲取水底的地層分布，三維圖像聲吶和水下三維激光掃描儀獲取涉水構(gòu)筑物的水下精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，光學(xué)攝像頭獲取光學(xué)影像，海洋重力儀和磁力儀分別獲取重、磁數(shù)據(jù)。通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合可獲取探測(cè)區(qū)域的詳細(xì)信息，為了解探測(cè)區(qū)域現(xiàn)狀和后續(xù)開(kāi)發(fā)利用等提供全方位的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 水下滑坡監(jiān)測(cè)方法

水下滑坡發(fā)生后，需要掌握滑坡范圍，同時(shí)定位崩塌塊體，了解崩塌塊體的分布和狀態(tài)，為后續(xù)的滑坡修復(fù)工作提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。常規(guī)的人工岸堤巡視僅能檢查陸域部分；單波束測(cè)深技術(shù)則僅能獲取斷面的局部數(shù)據(jù)，難以獲取崩塌塊體的詳實(shí)信息；側(cè)掃聲吶雖能獲取水下護(hù)坡的高分辨率聲圖數(shù)據(jù)，但二維聲圖在準(zhǔn)確量取崩塌塊體高度時(shí)存在一定困難。以Sonic 2024為代表的第五代多波束測(cè)深系統(tǒng)[8]，具有1 024個(gè)波束點(diǎn)、60 kHz高帶寬、170~450 kHz可變聲波頻率、10°~160°可旋轉(zhuǎn)可變觀測(cè)角度等特征，可對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行高密度、高精度、高分辨率、全覆蓋觀測(cè)，獲取滑坡區(qū)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)及地形數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用ROV搭載的光學(xué)攝像頭和三維圖像聲吶等多種傳感器可對(duì)崩塌塊體進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，獲取高清影像和可量測(cè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)蛙人探摸存在較大安全隱患和無(wú)法精確定量描述滑坡尺寸等問(wèn)題。

2 實(shí)際監(jiān)測(cè)案例

由于臺(tái)風(fēng)過(guò)境，某河道受上游水庫(kù)泄洪影響水位暴漲。在巡視中發(fā)現(xiàn)，護(hù)堤經(jīng)大流量洪水沖刷后，部分岸堤已經(jīng)出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，需要確認(rèn)水下堤防的現(xiàn)狀信息，探明是否存在崩塌以及水下滑坡的范圍，為應(yīng)急搶險(xiǎn)和后續(xù)長(zhǎng)效治理提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

2.1 監(jiān)測(cè)流程

水下滑坡監(jiān)測(cè)主要采用船載多波束測(cè)深系統(tǒng)和基于ROV平臺(tái)的水下光學(xué)攝像、三維圖像聲吶。校核控制成果后，首先，在船舶上安裝多波束測(cè)深系統(tǒng)，沿河道對(duì)護(hù)坡兩側(cè)水下區(qū)域進(jìn)行全覆蓋地形測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理后快速查明疑似水下滑坡區(qū)域并明確滑坡范圍等信息。其次，采用搭載光學(xué)成像系統(tǒng)和三維圖像聲吶的ROV對(duì)初步探明的水下滑坡區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，根據(jù)水體清澈度和后續(xù)整治工作的需要，確定采用光學(xué)（聲學(xué)）精細(xì)監(jiān)測(cè)方法獲取崩塌區(qū)域信息。最后，分析獲取數(shù)據(jù)，明確水下滑坡的具體位置，計(jì)算滑坡面積、滑坡塊體尺寸等邊坡整治工作所需的信息。監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)流程圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 多波束測(cè)深

本次監(jiān)測(cè)采用Sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)結(jié)合Applanix POS MV組合導(dǎo)航系統(tǒng)。測(cè)量前對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)分為2個(gè)部分：①校準(zhǔn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS天線與IMU之間的相對(duì)位置關(guān)系；②校準(zhǔn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)之間的相對(duì)姿態(tài)關(guān)系，即常見(jiàn)的橫搖、縱搖和艏向的安裝偏差。由于組合導(dǎo)航系統(tǒng)與多波束測(cè)深聲吶之間采用1PPS（Pulse Per Second，秒脈沖）系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，因此無(wú)需進(jìn)行時(shí)延校準(zhǔn)工作。所有校準(zhǔn)工作完成后，可以沿河道兩側(cè)對(duì)水下護(hù)坡進(jìn)行掃測(cè)。掃測(cè)時(shí)選用UHD（Ultra High Definition，超高清）模式，并根據(jù)水質(zhì)實(shí)際情況選取可用范圍內(nèi)的最高聲學(xué)頻率以獲取高分辨率的數(shù)據(jù)。同時(shí)由于護(hù)坡附近水深一般較淺，表面聲速與水體中的聲速存在較大的區(qū)別，如果按照常規(guī)的1 h間隔進(jìn)行采樣，可能會(huì)由于聲速改正不足導(dǎo)致出現(xiàn)“笑臉”或者“哭臉”的問(wèn)題，需要增加聲速剖面采樣頻次。

2.2.2 基于ROV的監(jiān)測(cè)

ROV作為一個(gè)良好的水下觀測(cè)平臺(tái)，可以搭載諸如光學(xué)攝像頭、三維圖像聲吶、水下激光掃描儀和超短基線等多種傳感器對(duì)水下物體進(jìn)行定量、定性分析。在水下滑坡監(jiān)測(cè)中，根據(jù)前期多種數(shù)據(jù)源的分析結(jié)果選取重點(diǎn)區(qū)域，采用ROV進(jìn)行詳細(xì)勘察。本次監(jiān)測(cè)根據(jù)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)，對(duì)滑坡區(qū)域使用搭載光學(xué)攝像頭的ROV進(jìn)行勘察，確定滑坡塊體的形態(tài)（見(jiàn)圖2）。

圖2 崩塌護(hù)坡圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于ROV平臺(tái)僅采集了影像數(shù)據(jù)，故主要對(duì)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?；贑ARIS HIPS &SIPS軟件的數(shù)據(jù)處理流程如下：首先新建一個(gè)船文件，然后依次導(dǎo)入各種測(cè)量數(shù)據(jù)，如多波束原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、聲速剖面數(shù)據(jù)、位置姿態(tài)數(shù)據(jù)和涌浪數(shù)據(jù)等，再根據(jù)校準(zhǔn)測(cè)線求解橫搖、縱搖和艏向的安裝偏差參數(shù)，更新船文件，重新合并計(jì)算所有的測(cè)線文件后進(jìn)行濾波，并根據(jù)水下滑坡的監(jiān)測(cè)需要輸出對(duì)應(yīng)成果。

2.4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)本次監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該河道共存在水下滑坡區(qū)域2處，其中1處見(jiàn)圖3。監(jiān)測(cè)結(jié)果可以清晰反映該處滑坡的形態(tài)特征：滑坡長(zhǎng)度約51.0 m，面積510 m2，護(hù)坡部分?jǐn)嗔?，其?塊長(zhǎng)約4.9 m，寬約4.2 m。分析處理后的數(shù)據(jù)可知，該處水下邊坡失穩(wěn)的原因可能是河道底部泥沙被大流量的洪流帶動(dòng)，導(dǎo)致護(hù)堤底部基礎(chǔ)受到侵蝕后承載力不足。

圖3 滑坡形態(tài)特征圖

3 結(jié) 論

水下滑坡是堤防工程的重要危害之一。受水體影響，水下結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀難以采用日常人工目視巡檢的方法，因此有必要研究快速、方便、高精度的監(jiān)測(cè)方法。本文主要對(duì)一種基于水下精細(xì)探測(cè)技術(shù)的水下滑坡監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究，實(shí)際案例中采用船載多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行大范圍滑坡監(jiān)測(cè)，對(duì)滑坡區(qū)域使用搭載光學(xué)攝像頭的ROV獲取崩塌區(qū)域的影像成果，可輸出包括水下地形圖、水下高分辨率三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、水下高清視頻和照片等多種成果。觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)后處理能清晰詳實(shí)地反映水下滑坡范圍、滑坡塊體的體積等各種屬性信息，為后續(xù)的修復(fù)整治工作提供強(qiáng)大的地理信息數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)該監(jiān)測(cè)方式可用于堤防工程的水下結(jié)構(gòu)日常監(jiān)測(cè)，為水下邊坡穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有較廣的應(yīng)用前景。