趙亞峰

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

巖塞口是輸水工程的咽喉部位，其空間地理信息數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)問題，將直接影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和執(zhí)行力度，還會(huì)產(chǎn)生難以估量的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此研究水下巖塞高精度空間地理信息獲取，對于輸水工程提前竣工，提前發(fā)揮工程效益起了重要作用。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對水下信息的需求越來越高，一方面希望更加清晰的呈現(xiàn)復(fù)雜多樣的水下地形地貌細(xì)節(jié)，另一方面希望單位時(shí)間內(nèi)獲得更多的測量結(jié)果。因此，如何進(jìn)一步提高水下測深設(shè)備的測量精度和效率成為當(dāng)前急需面對與解決的難點(diǎn)。早期的測深手段包括測深桿、測深錘、單波束測深，而多波束測深儀的誕生則把水下測深技術(shù)從“點(diǎn)-線”測量時(shí)代帶入了“線-面”測量時(shí)代，從而使水下地形地貌信息進(jìn)入了高效精細(xì)化測量階段。為高質(zhì)量完成水下巖塞高精度地理信息的獲取，本文采用GPS RTK技術(shù)、多波束測深技術(shù)、水下機(jī)器人ROV技術(shù)、三維成像聲吶掃描技術(shù)來完成本工程巖塞口測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，通過多元函數(shù)慮差法和水下高程控制網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理。

1 水下測量技術(shù)

1.1 水下地形地貌獲取方法研究

水下地形獲取方法主要通過定位和測深來完成。定位可采用衛(wèi)星定位，測深的方法主要包括單波束測深系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、機(jī)載激光測深系統(tǒng)等。單波束測深系統(tǒng)是“線”的測量模式，操作簡單，成本較低，但成果精度低；機(jī)載激光測深系統(tǒng)可以快速提供覆蓋水下的地形數(shù)據(jù)，但受水質(zhì)影響較大，由于激光腳點(diǎn)密度較小，不能最大程度還原水下真實(shí)地形，而且成本較高；多波束測深系統(tǒng)是“面”的測量形式，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，成果精度高，相對成本較低。

1.2 水下工程環(huán)境探測方法研究

水下工程環(huán)境探測可通過潛水員攜帶探測設(shè)備和水下機(jī)器人來完成，因水下環(huán)境復(fù)雜、不明的情況等，作業(yè)任務(wù)會(huì)受到極大的限制，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)性。針對復(fù)雜未知環(huán)境，水下機(jī)器人優(yōu)勢明顯。水下機(jī)器人分兩種，一種是有纜水下機(jī)器人即“遙控式水下機(jī)器人ROV”，其特點(diǎn)：動(dòng)力充足、作業(yè)時(shí)間不受限制，輕巧、靈活性高，環(huán)境適應(yīng)性好，工作高效，通訊穩(wěn)定；第二種是無纜水下機(jī)器人即"自治式水下機(jī)器人AUV，其特點(diǎn)：自主性和靈活性更高，水下運(yùn)行時(shí)間短、活動(dòng)范圍有限、通訊和智能化要求高。

1.3 水下三維模型的獲取方法研究

水下三維模型可通過多波速技術(shù)或者三維成像掃描技術(shù)來完成，由于巖塞口的特殊性，多波束技術(shù)的作業(yè)范圍無法對巖塞口內(nèi)部全覆蓋。與多波束技術(shù)相比，三維成像掃描技術(shù)數(shù)據(jù)分辨率更高，可提供非常優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，全方位工作。但不能提供三維模型的絕對空間位置?？赏ㄟ^融合多波速數(shù)據(jù)與三維成像掃描數(shù)據(jù)，即解決了空間位置問題，又可形成巖塞口整體的三維模型。

1.4 數(shù)據(jù)精細(xì)處理方法研究

數(shù)據(jù)采集精度可通過自動(dòng)化程度高、標(biāo)稱精度高的儀器設(shè)備來完成，為提高水下測量成果質(zhì)量可從數(shù)據(jù)處理方法入手。首先對數(shù)據(jù)拼接融合的誤差問題、數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量控制方法進(jìn)行分析，基于目前誤差處理方法，對數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后建立水下高程控制網(wǎng)對拼接、融合數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。

2 巖塞口地形圖測量

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

地形圖外業(yè)數(shù)據(jù)采集要通過兩部分來完成，分別是陸地部分和水下部分。陸地部分采用Leica TS30全站儀無棱鏡技術(shù)來完成，按1∶100精度施測，施測地面點(diǎn)間距離一般不大于3m。地形變化較大的地方進(jìn)行加密測量，地形較平坦的點(diǎn)間距離可加大。水下部分采用GPS RTK技術(shù)、Sonic 2024多波束測深儀與其匹配的Octans高精度姿態(tài)傳感器使用多波束采集軟件Qinsy進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共計(jì)記錄9條測線。

2.2 數(shù)據(jù)處理

多波束數(shù)據(jù)處理采用cairs，數(shù)據(jù)經(jīng)過安裝姿態(tài)改正、噪點(diǎn)刪除、潮位改正、聲速改正、數(shù)據(jù)合并、生成表面、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出等步驟生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)使用南方CASS9.0標(biāo)準(zhǔn)化軟件成圖，地形圖等高距為0.2m，高程注記0.01m。處理后的水下地形如圖1所示。概略成圖后，對現(xiàn)場進(jìn)行巡視檢查，對地形有異議的，明確后進(jìn)行了修正。同時(shí)對已知數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查，精度滿足規(guī)范要求。

圖1 水下地形圖(局部)

3 水下巖塞工程環(huán)境探測與巡視

經(jīng)多波束掃測后，確認(rèn)巖塞口的具體位置，對水下巖塞進(jìn)行了檢測，拍攝視頻文件。由于水下情況相對復(fù)雜，水下機(jī)器人共計(jì)下潛2次。第一次下潛后對洞口頂部以及內(nèi)部水泥構(gòu)件進(jìn)行了檢測，由于遇到外露的鋼筋，為防止水下機(jī)器人的安全，經(jīng)小組研究，先行將水下機(jī)器人撤回，再安排第二次下潛。為防止線纜被鋼筋所纏，采取水下機(jī)器人直上直下的觀測方式，盡量避免水下機(jī)器人的平推等水平方向的運(yùn)動(dòng)，第二次下潛，主要對涵道壁進(jìn)行了觀測，并記錄相關(guān)視頻數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 水下視頻截圖

4 巖塞口高精度三維成像

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

由于水下存在多處鋼筋，三維聲吶共計(jì)掃測3次，每次掃測30min左右，共進(jìn)行了2個(gè)固定點(diǎn)掃測。三維聲吶內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用 Proscan數(shù)據(jù)采集軟件以及實(shí)測數(shù)據(jù)后處理軟件共同進(jìn)行，實(shí)測數(shù)據(jù)的處理主要包括：實(shí)測數(shù)據(jù)噪音干擾預(yù)處理、各站實(shí)測數(shù)據(jù)合并。最后，將多波束數(shù)據(jù)與BV5000三維聲吶采集數(shù)據(jù)合并，采用多元函數(shù)濾差法進(jìn)行人工干預(yù)，最后形成整體的水下三維模型圖，處理結(jié)果如圖3—5所示。

圖3 噪音干擾刪除

圖4 噪音干擾刪除后

圖5 多波束數(shù)據(jù)及BV5000數(shù)據(jù)融合

4.2 建立水下高程控制網(wǎng)

本次共布設(shè)23個(gè)水下高程控制點(diǎn)，在巖塞口位置進(jìn)行了加密。以“桓集隧道工程巖塞口施工控制網(wǎng)復(fù)測成果”為起算點(diǎn)，使用南方S86T 雙頻GPS接收機(jī)、50m可調(diào)鉆桿、鉆井平臺等設(shè)備，采用快速靜態(tài)的方式進(jìn)行測量作業(yè)，每個(gè)點(diǎn)測量時(shí)間均大于5min。內(nèi)業(yè)處理采用GPS網(wǎng)平差處理軟件CosaGPS V6.0進(jìn)行坐標(biāo)平差和高程擬合計(jì)算，解算出每個(gè)控制點(diǎn)的平面和高程，結(jié)果見表1。最后通過水下高程控制網(wǎng)對上述成果數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。

表1 水下高程控制網(wǎng)成果表

4.3 斷面測量

為了準(zhǔn)確反映洞內(nèi)欠挖、超挖情況，本次以整體的水下三維模型圖為基礎(chǔ)，起點(diǎn)垂直于洞軸線，向洞內(nèi)方向布設(shè)斷面，斷面間隔為0.2m。將斷面切面與水下三維模型圖相交所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)連接起來構(gòu)成斷面圖，如圖6所示。通過實(shí)際斷面成果與設(shè)計(jì)斷面比較，除進(jìn)口底部左側(cè)凸出一長4m、寬2m、高1.5m的巖體，其余部位成型較好。

圖6 巖塞進(jìn)水口斷面圖

4.4 精度評定

對巖塞口地形圖成果進(jìn)行了精度評定，評定方法采用外業(yè)散點(diǎn)法施測，選取的檢測點(diǎn)均勻分布、隨機(jī)選取明顯地物點(diǎn)。地形圖測量成果選取40個(gè)水下高程點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，檢測結(jié)果見表2，從評定結(jié)果可看出高程中誤差為0.08m。檢測結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表2 精度評定表

5 結(jié)論

(1)要獲得符合精度要求的水深數(shù)據(jù)，需要對多波束進(jìn)行安裝校準(zhǔn)分析，建議平坦區(qū)域同一條測線，以3節(jié)航速相反航向分別測量一次，而特征地形(斜坡或暗礁)上同一條測線，以3節(jié)航速相反航向各測量一次。

(2)為了提高水下測量點(diǎn)的精度，針對水深小于50m，測量范圍較小的區(qū)域，建議可建立水下高程控制網(wǎng)，高程控制點(diǎn)應(yīng)均勻分布，并在條帶拼接區(qū)域和數(shù)據(jù)融合區(qū)域進(jìn)行加密。

(3)為提高測圖的精度，建議采用中位參數(shù)的多元函數(shù)濾差法最大程度的對區(qū)域的特征點(diǎn)進(jìn)行提取，并可提高數(shù)據(jù)拼接、融合后的匹配異常值的檢測效率和精度。