船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)在跨海大橋中的應(yīng)用

摘要：船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)是近年來新發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，依托船舶載體，集成多種高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)水上水下一體化快速三維測(cè)量。針對(duì)跨海大橋水上水下測(cè)繪中橋體高大復(fù)雜、橋下測(cè)量存在遮擋及海上作業(yè)條件差、難度大等問題，本文以膠州灣跨海大橋?yàn)槔?，介紹了VSursW船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了跨海大橋水上水下一體化無縫測(cè)量，并進(jìn)行精度評(píng)定，完成水上水下成果整合，首次形成膠州灣跨海大橋完整水上水下三維數(shù)據(jù)，為船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用提供了經(jīng)典案例。

關(guān)鍵詞：船載一體化測(cè)量；水上水下一體化測(cè)量；三維測(cè)量；跨海大橋；膠州灣

中圖分類號(hào)：P208""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.10.010

引文格式：劉海濱，孫棟.船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)在跨海大橋中的應(yīng)用——以膠州灣跨海大橋?yàn)槔跩］.山東國(guó)土資源，2024，40（10）：7378. LIU Haibin， SUN Dong. Application of Shipborne underwater Integrated Measurement System in Cross-sea Bridge——Taking Jiaozhou Bay Cross-Sea Bridge as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（10）：7378.

作者簡(jiǎn)介：劉海濱（1972—），男，山東平度人，主要從事基礎(chǔ)測(cè)繪工作；Email：liuhaibin@shandong.cn" *通訊作者：孫棟（1988—），男，陜西寶雞人，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事海洋測(cè)繪和基礎(chǔ)測(cè)繪工作；Email：422920586@qq.com

收稿日期：20240822；修訂日期：20240828；編輯：曹麗麗

0" 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，跨海大橋成為陸地之間、陸地與島嶼之間、島嶼與島嶼之間的藍(lán)色紐帶，跨海大橋多坐落于海灣和海峽之間，全世界海灣和海峽的數(shù)量更是超過了1萬個(gè)，中國(guó)目前已經(jīng)建成的跨海大橋有港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、膠州灣跨海大橋等，還有一些正在規(guī)劃或建設(shè)中?？绾４髽虻慕ㄔO(shè)能夠促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化，縮短地區(qū)之間的交通時(shí)間和距離，加強(qiáng)區(qū)域之間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系和合作，促進(jìn)資源配置和產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，同時(shí)在推動(dòng)人文交流、提高城市競(jìng)爭(zhēng)力、展示國(guó)家工程技術(shù)實(shí)力等方面都具有重要意義［13］。

對(duì)跨海大橋進(jìn)行水上水下一體化數(shù)據(jù)采集，形成實(shí)景三維數(shù)字成果，建立數(shù)字化三維檔案，有助于對(duì)橋體進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)、評(píng)估工程質(zhì)量，方便對(duì)大橋全生命周期管理和決策。長(zhǎng)期三維測(cè)量數(shù)據(jù)積累可提高大橋的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和科學(xué)研究。傳統(tǒng)測(cè)量方法工作強(qiáng)度大，效率低，成果精度低，很難同時(shí)獲取水上水下數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代測(cè)繪手段一般是使用無人機(jī)、車載激光、RTK、全站儀等完成水上數(shù)據(jù)獲取，使用多波束測(cè)深儀完成水下數(shù)據(jù)獲取。這種水上、水下單獨(dú)獲取的數(shù)據(jù)的方式存在很多問題，如基準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)存在空白區(qū)等［45］。

船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)，以船舶為載體，集成了多波束測(cè)深系統(tǒng)、三維激光掃描系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、陸地基站系統(tǒng)等，通過統(tǒng)一各傳感器之間的時(shí)間同步、運(yùn)行工作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，形成一套完整的水上水下一體化測(cè)量方案。同時(shí)獲取水上水下數(shù)據(jù)，可統(tǒng)一測(cè)量基準(zhǔn)、提高工作效率、減少數(shù)據(jù)空白。

本文通過VSursW船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)在膠州灣跨海大橋中的實(shí)際應(yīng)用，證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水上水下一體化三維無縫測(cè)量，為后續(xù)相關(guān)應(yīng)用提供了經(jīng)典案例和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1" 船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)的組成和集成

1.1" 系統(tǒng)組成

VSursW船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要傳感器包括三維激光掃描儀（RIEGL VZ1000）、多波束測(cè)深儀（R2Sonic 2024）、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（SPANLCI）、GNSS接收機(jī)（PwrPak7）、數(shù)碼相機(jī)（D810）等，硬件系統(tǒng)還包括一體化平臺(tái)安裝支架，軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（VSursAquire GuidLineProject）、數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)（Inertial Explorer）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（VSursPROCESS）等。

硬件系統(tǒng)中三維激光掃描儀（RIEGL VZ1000）掃描距離最遠(yuǎn)可達(dá)1400m，在自然目標(biāo)反射率≥20%時(shí)，有效測(cè)量距離為700m，垂直掃描角度范圍為100°（40°～60°），用于獲取水上高分辨率、高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)；多波束測(cè)深儀（R2Sonic 2024）最大量程500m，可選條帶寬度為10°～160°，用于獲取水下地形數(shù)據(jù)；組合導(dǎo)航系統(tǒng)（SPANLCI）將高精度GNSS定位與慣性測(cè)量單元（IMU）通過緊耦合的方式組合在一起，用于提供位置、姿態(tài)等信息；GNSS接收機(jī)包括基準(zhǔn)站和流動(dòng)站，流動(dòng)站在移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)并記錄數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站通過持續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)確定自身精確位置，提供可靠基準(zhǔn)，為后續(xù)動(dòng)態(tài)后處理差分（PPK）提供數(shù)據(jù)；數(shù)碼相機(jī)（D810）采集高分辨率照片，用于真彩點(diǎn)云的制作［78］。系統(tǒng)主要傳感器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2" 系統(tǒng)集成

VSursW船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)中各傳感器通過一體化平臺(tái)安裝支架連接成為統(tǒng)一整體，使用同步控制器為多波束測(cè)深儀、三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)提供時(shí)間同步信號(hào)，為同步采集數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)［9］。系統(tǒng)集成及組合情況見圖1。

為保證水上水下數(shù)據(jù)無縫街邊，一體化平臺(tái)安裝支架末端與多波束測(cè)深儀連接的連接桿采用彎頭設(shè)計(jì)，彎頭角度與垂直方向成30°，提高了水下數(shù)據(jù)采集的單側(cè)覆蓋面。

2" 膠州灣跨海大橋水上水下一體化測(cè)量

2.1" 船載水上水下一體化測(cè)量技術(shù)流程和基本原理

VSursW船載水上水下一體化測(cè)量主要技術(shù)流程有基準(zhǔn)站架設(shè)、設(shè)備安裝組合、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解算解析、生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)及形成數(shù)據(jù)成果（圖2）。建立基準(zhǔn)站，人工架設(shè)基站和現(xiàn)有CORS站均可作為基準(zhǔn)站。組合并安裝測(cè)量系統(tǒng)，利用測(cè)量船進(jìn)行水上激光掃描、數(shù)字相片獲取和水下多波束水深數(shù)據(jù)采集，組合導(dǎo)航系統(tǒng)記錄定位定姿（POS）數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)束，通過數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)Inertial Explorer軟件緊組合解算出POS數(shù)據(jù)，利用POS數(shù)據(jù)通過時(shí)間同步文件進(jìn)而解析激光掃描數(shù)據(jù)、多波束數(shù)據(jù)和數(shù)字照片。解析后的三維數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過濾波去噪等處理，根據(jù)需要形成所需數(shù)字成果。

激光測(cè)距采用源點(diǎn)激光掃描目標(biāo)，獲取掃描系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離和位置，（RIEGL VZ1000）掃描儀屬于脈沖測(cè)距，脈沖測(cè)距原理是利用光傳播速度，記錄測(cè)距光束往返時(shí)間，獲得距離值［6］。距離計(jì)算公式見式（1）：

L=12c t （1）

式中：L—距離（m），c—真空中光波傳播速度（m/s），t—時(shí)間（s）。

多波束測(cè)深是利用發(fā)射換能器基陣以一定頻率發(fā)射沿航跡方向開角窄而垂直航跡方向開角寬的波束，形成一個(gè)扇形聲傳播區(qū)，多個(gè)接收波束橫跨與船龍骨垂直的發(fā)射扇區(qū)，利用接收換能器陣列接收反射回來的窄帶回波（圖3）［8］。多波束水深值計(jì)算可由式2表示：

D=12 c t·cos θ + ΔDc + ΔDt （2）

式中：D—水深（m），c—聲波傳播速度（m/s），t—時(shí)間（s），θ—波束入射角，ΔDc—吃水改正數(shù)，ΔDt—潮位改正數(shù)。

2.2" 現(xiàn)狀分析

膠州灣跨海大橋橫跨膠州灣，線路全長(zhǎng)約42.23km，橋梁全長(zhǎng)約31.63km，其中包括滄口航道橋、紅島航道橋、大沽河航道橋3個(gè)跨度大的斜拉橋、懸索橋，中接紅島互通立交，黃島東樞紐立交，向北延申紅島連接線和膠州連接線（圖4）。

該大橋跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海上作業(yè)受環(huán)境影響大，因此其進(jìn)行水上水下一體化三維測(cè)量存在難點(diǎn)和問題。

（1）大橋超長(zhǎng)跨度。由于船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)后處理差分技術(shù)進(jìn)行定位數(shù)據(jù)處理，為保證測(cè)量精度，基準(zhǔn)站架設(shè)位置與流動(dòng)站之間距離最好不大于15km，選擇合適位置架設(shè)基準(zhǔn)站有助于解決大橋跨度長(zhǎng)的問題。

（2）大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜。膠州灣跨海大橋包括3個(gè)航道橋和兩個(gè)互通立交。航道橋索塔高度超過100m，為保證水上數(shù)據(jù)采集完整，需要將測(cè)量船調(diào)整到合適的距離進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取?；ネ⒔诲e(cuò)綜復(fù)雜，在橋下穿行測(cè)量時(shí)間過長(zhǎng)往往會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)站衛(wèi)星信號(hào)弱，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)精度差，通過后續(xù)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行校準(zhǔn)處理，同時(shí)互通立交橋墩較多，測(cè)量船穿行測(cè)量需要與橋墩保持一定的安全距離［1011］。

（3）數(shù)據(jù)完整采集問題。測(cè)量船順著大橋方向進(jìn)行測(cè)量，單次測(cè)量無法同時(shí)完整覆蓋水上水下部分，同時(shí)順著大橋方向進(jìn)行測(cè)量無法獲取橋梁基礎(chǔ)沿橋方向前后兩側(cè)水下數(shù)據(jù)；大橋橋梁寬度約40m，受橋梁遮擋信號(hào)的影響，基于RTK定位的水下地形測(cè)量無法獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，橋梁正下方海域水下地形數(shù)據(jù)處于空白區(qū)，通過船載水下彎管多波束測(cè)量可以填補(bǔ)這塊空白區(qū)數(shù)據(jù)；大橋梁部底面是無人機(jī)、車載掃描無法獲取數(shù)據(jù)的部位，需要船載激光掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

（4）個(gè)別區(qū)域無法測(cè)量。膠州灣跨海大橋位于近岸淺海位置，大橋東西兩側(cè)和連接線北側(cè)水深較淺，測(cè)量船無法駛?cè)?，?huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，需要后續(xù)無人機(jī)在低潮時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充。

（5）海上作業(yè)環(huán)境較差。測(cè)量船進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為保證水上水下數(shù)據(jù)無縫拼接，測(cè)量船需要與大橋保持相對(duì)較近的距離，但海水在橋墩處會(huì)形成局部水流加速區(qū)域，測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)增大，需要測(cè)量船時(shí)刻保持專注。

2.3" 方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)膠州灣跨海大橋現(xiàn)狀測(cè)量分析，對(duì)測(cè)量方案進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。針對(duì)大橋跨度大，保證基準(zhǔn)站覆蓋范圍，在大橋兩側(cè)分別選取基準(zhǔn)站點(diǎn)，同時(shí)架設(shè)兩臺(tái)基準(zhǔn)站，可保證基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間距離處于高精度定位范圍。針對(duì)大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將整個(gè)跨海大橋分為三部分進(jìn)行測(cè)量，普通大橋部分、航道橋部分、互通立交部分，保證數(shù)據(jù)采集完整，普通大橋部分測(cè)量船需在近處和遠(yuǎn)處進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)采集，航道橋部分測(cè)量船需在近處、較遠(yuǎn)處和遠(yuǎn)處進(jìn)行三次數(shù)據(jù)采集，互通立交部分較為復(fù)雜，需要提前布設(shè)航線，確保各個(gè)匝道數(shù)據(jù)完整（圖4）。針對(duì)數(shù)據(jù)完整性問題，順橋方向前后兩側(cè)橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失問題，測(cè)量船可沿垂直橋梁前進(jìn)方向進(jìn)行來回穿行測(cè)量，待大橋全部完成測(cè)量后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對(duì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的位置進(jìn)行補(bǔ)測(cè)［1213］。

2.4" 數(shù)據(jù)獲取和處理

測(cè)前準(zhǔn)備，布設(shè)臨時(shí)驗(yàn)潮站，架設(shè)基準(zhǔn)站，連接設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，固定好測(cè)量船后使用RTK對(duì)流動(dòng)站定位進(jìn)行平面對(duì)比，使用比對(duì)盤或測(cè)深錘進(jìn)行多波束測(cè)深儀測(cè)量水深進(jìn)行對(duì)比。測(cè)量前需要測(cè)量船進(jìn)行15～20min的機(jī)動(dòng)，測(cè)量后同樣需要進(jìn)行機(jī)動(dòng)，用于設(shè)備校準(zhǔn)和初始化設(shè)置，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。在提前選好的位置進(jìn)行換能器安裝偏差的檢校，主要是橫搖偏差、縱搖偏差和艏搖偏差［14］。測(cè)量時(shí)進(jìn)行聲速剖面測(cè)量，用于聲速改正。按照提前設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行水上水下一體化測(cè)量獲取數(shù)據(jù)［15］。

利用Inertial Explorer軟件將GNSS數(shù)據(jù)和INS數(shù)據(jù)進(jìn)行緊組合結(jié)算獲取POS數(shù)據(jù)和heave值（升沉值）。使用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將POS數(shù)據(jù)、heave值、聲速數(shù)據(jù)、潮汐數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合處理，生成所需要的三維測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.5" 數(shù)據(jù)精度對(duì)比

三維測(cè)量數(shù)據(jù)包括水上激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和水下測(cè)深點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

由于受到客觀因素影響，人員無法登上大橋基礎(chǔ)承臺(tái)和受車輛影響橋面可能上下震動(dòng)，因此在每天測(cè)量前和測(cè)量后對(duì)同一位置近岸碼頭進(jìn)行激光掃測(cè)，驗(yàn)證水上激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選取特征點(diǎn)，采用RTK進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，對(duì)特征點(diǎn)水平和垂直進(jìn)行精度對(duì)比。選取岸邊護(hù)欄、燈桿、房角等特征點(diǎn)，累計(jì)共有60個(gè)點(diǎn)，通過對(duì)比水平和垂直差值，計(jì)算均中誤差，水平均方根誤差為0.08m，垂直均方根誤差為0.11m，誤差如圖5所示。

水下測(cè)深點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用單波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，選取平坦水域，將單波束測(cè)深數(shù)據(jù)作為檢查線與0.2m范圍內(nèi)的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比。選取單波束檢測(cè)線約1500個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精度比對(duì)，數(shù)據(jù)偏差小于0.1m的占82%，小于0.2m的占97%，小于0.3m達(dá)到100%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.081m，符合相關(guān)測(cè)量規(guī)范要求［16］。水下數(shù)據(jù)檢測(cè)差值離散情況見圖6。

2.6" 測(cè)量成果

通過現(xiàn)狀分析、研究設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)解析后，得到膠州灣跨海大橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖7）。

可以看出，除大橋東西兩側(cè)和連接線北側(cè)數(shù)據(jù)無法獲取，數(shù)據(jù)成果整體完整性比較高。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的互通立交和航道橋數(shù)據(jù)獲取完整性高，在關(guān)鍵部位可以完成水上水下的無縫拼接，同時(shí)彎管傾斜多波束水下測(cè)量很好的彌補(bǔ)了跨海大橋正下方水下地形數(shù)據(jù)的空白（圖8）［1718］。

3" 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了VSursW船載水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)的組成和技術(shù)流程，以膠州灣跨海大橋?yàn)槔鶕?jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析研究，制定合理設(shè)計(jì)方案，首次完成對(duì)整個(gè)膠州灣跨海大橋水上水下一體化數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)成果完整性較高。

（1）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水上水下一體化測(cè)量，克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的限制，提高了測(cè)量效率。

（2）膠州灣跨海大橋是山東省標(biāo)志性建筑之一。這次三維測(cè)量是首次較完整的對(duì)該工程進(jìn)行水上水下一體化數(shù)據(jù)獲取，這一經(jīng)典案例對(duì)其它跨海大橋三維測(cè)量提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（3）數(shù)據(jù)成果能夠清楚的反映出大橋各個(gè)部位的現(xiàn)狀，尤其可以看到橋梁基礎(chǔ)當(dāng)前受到海水沖刷狀況。長(zhǎng)期三維測(cè)量數(shù)據(jù)積累可提高大橋的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和科學(xué)研究。

（4）在膠州灣跨海大橋中的成功應(yīng)用為海島礁、海岸帶、海港區(qū)等相關(guān)近岸一體化測(cè)量開拓了思路。

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Application of Shipborne underwater Integrated Measurement System in Cross-sea Bridge——Taking Jiaozhou Bay Cross-Sea Bridge as an Example

LIU Hai Bin，SUN Dong

（Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract： Shipborne underwater integrated measurement system is a new technology developed in recent years， which relies on the ship carrier and integrates a variety of high-precision sensors to realize the integrated three-dimensional measurement of water and underwater. In view of tall and complex bridge body， occlusion in underwater survey， poor working conditions at sea and difficulty in underwater survey， taking Jiaozhou Bay Bridge as an example， VSurs-W shipborne integrated underwater survey system has been introduced. Combinomg with actual situation， the integrated underwater underwater survey system of the bridge has been successfully realized， and the accuracy has been assessed. The integration of the above and below water results is completed， and the advantages and disadvantages of the system in practical application have been illustrated. It will provide a classic case and opens up ideas for further application of the ship-borne above and below water integrated measurement system in practice.

Key words： On-board integrated measurement; integrated measurement above and below water; three-dimensional measurement; cross-sea bridge; Jiaozhou Bay