巖塞口空間地理信息獲取方法研究與應用

包德高

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，沈陽 110006)

1 概 況

某引水隧洞由進水口(巖塞口)、有壓隧洞、檢修豎井、調壓井、出口電站及供水支線組成，主洞全長約100km。巖塞口位于水源地水庫庫內右側山體，巖塞口中心點高程為208m，水庫運行水位多在230m-248m，對應巖塞扣上部水深約為26m-44m。巖塞口是整個引水隧洞的咽喉部位，其空間地理信息數據是后續工序開展的基礎數據，一旦基礎數據質量出現問題，將直接影響設計質量和工程執行力度，還會產生難以估量的經濟損失和社會影響。常規的水下測量可通過GPS技術配合常規的測深系統來完成，但巖塞口整體的復雜環境，從洞口到主洞起點長度約14m，采用常規水下測量方法無法完成任務，由此引進多波束測深系統和三維聲吶掃描系統。

圖1 水下巖塞整體設計三維圖

2 技術路線

多波束測深系統是高度集成了數字化傳感器技術、現代信號處理技術、高精度導航定位技術、高性能計算機技術、高分辨顯示技術和其他相關高新技術等多種技術[1-2]，一種將多傳感器復雜組合在一起的水下作業系統,能夠精準、快速地獲得沿航線一定有效寬度內水下物體目標的形狀、高低、大小變化和水底地形的三維特征。外業水下測量數據采集工作效率高，屬于面測量形式，寬覆蓋，基本能做到無遺漏。是目前國內應用最廣泛、較先進的水下地形測量系統[3]。

聲吶是利用聲波對水中的所有目標進行定位、探測和通信的水中電子設備，是水聲學中應用最廣泛、最有效，也是目前水中作業最重要的一種設備。作業時通過聲吶頭向水中發射固定頻率的聲波，每發射一次聲脈沖，即可形成一個掃描扇，通過云臺在豎直方向和水平方向的轉動，可實現大范圍掃描。聲波在水中傳播到達物體表面后反射，聲吶頭接收到反射聲波傳播的時間和回波強度值等聲音信號，并將其轉化為電信號，再將電信號傳輸至聲納控制單元，聲吶控制單元采用專業的聲吶操作處理軟件把聲吶頭掃描到的數據信息進行處理，最終形成水下物體表面模型。

三維聲吶掃描系統類似于三維激光掃描體統，不僅可獲得水下目標距離、垂直和水平三維空間信息數據的同時，還可以提供掃描區域的整體三維模型。在水下介質中具有高分辨率、實時快速、高精度、吸收率較小、傳播距離較遠、全方位、三維和自動識別等特點。不容易受到細小的水體雜質的干擾，也不依賴外部光源，即適用于水下條件較好的作業環境，也適用于昏暗、渾濁的水下作業環境，有著廣泛的應用前景。

多波束測深系統必須固定在測量船上與GPS設備進行連接，通過安裝校準分析，準確獲得船舶橫搖、縱傾和艏搖及時延等校準參數，校準后可獲得符合精度要求的絕對位置空間數據，但由于水下巖塞的特殊性，多波束測深系統的作業范圍無法對巖塞口內部全覆蓋。

較多波束測深系統，三維聲吶掃描系統可全方位工作，但不能提供三維模型的絕對空間位置。而且三維聲吶掃儀必須裝載到三腳架上放置在固定點位或安裝在水下機器人上進行掃描作業。

經過對比分析，針對巖塞口的復雜環境，考慮集成GPS PPK技術、多波束測深系統和三維聲吶掃描系統，將多波速與三維聲吶掃描獲取的點云數據通過特征點匹配的方法進行融合，這樣即解決了空間位置問題，又可形成水下塞口整體的三維模型，詳見下圖。

3 案例分析

3.1 三維模型獲取

1)洞口三維模型

通過GPS PPK技術、Sonic202多波束測深儀與其匹配的Octans高精度姿態傳感器使用多波束采集軟件Qinsy進行多波束數據采集，共計記錄9條測線。隨后采用cairs軟件對多波束采集的數據進行處理，數據經過安裝姿態改正、噪點刪除、潮位改正、聲速改正、數據合并、生成表面、坐標轉換、數據輸出等步驟生成測區點云數據[8]，通過點云數據形成洞口三維模型。

圖2 技術路線

2)洞內三維模型

由于洞內可能有鋼筋裸露，采用水下機器人搭載三維聲吶進行作業存在風險，經工作組討論，決定先采用船舷安裝的方式掃測，共計掃測3次，每次掃測30分鐘左右，經現場數據分析，掃測數據未達到預期的效果。因此決定采取潛水員攜帶水下三維聲吶BV5000坐底觀測的方式進行作業。由于水下巖塞位置的復雜條件，通過單點位固定掃描不能獲得全部內部信息，所以選擇洞口和中間位置2個固定點進行掃描測量，掃描一次大概需要30多分鐘，經確認數據無誤后收工。內業數據處理采用 Proscan數據采集軟件以及NaviModel Producer實測數據后處理軟件共同進行，掃描的數據經過噪音干擾預處理、各站實測數據合，形成洞內的三維模型。

圖3 洞內三維模型

3)整體三維模型

首先提取多波束與三維聲吶重疊區域的特征點數據并對特征點數據進行匹配分析，過濾掉匹配殘差較大的特征點后，進行兩種不同格式的數據融合，形成整體的水下巖塞三維模型。

圖4 水下巖塞整體三維模型

3.2 精度評定

工作人員在整個測量過程中，執行過程質量控制措施。質檢人員對測量成果應進行質量驗收，通過驗收合格后才能交付使用。質檢人員在鉆探人員的配合下，利用交叉專業的成果對三維模型成果質量進行驗收。共布設8個水下高程檢查點，高程檢查點在巖塞口洞口位置均勻分布。

表1 精度評定表

3.3 巖塞口契合度分析

為了驗證水下巖塞爆破后現狀與設計的契合度，以整體的水下巖塞三維模型為基礎，以洞口為起點，垂直于洞軸線，向洞內方向布設斷面，斷面間隔為0.2米。將斷面切面與水下巖塞三維模型相交所得的點云數據連接起來構成斷面圖。通過實際斷面成果與設計斷面比較發現：除進口底部左側凸出一長度為4m、寬度2m、高度1.5m的巖體外，其余部位成型較好，與設計成果契合度較高。滿足錐管和攔污柵的安置條件，可對欠挖部位不做處理，可直接節約處理欠挖部位所產生的生產成本約200萬元，經濟效益顯著。

圖5 設計與實際斷面對比圖

4 結 論

文章集成GPS技術、多波束測深技術和三維聲吶掃描技術并應用于水下巖塞口測量中，特別針對小范圍、靜水區域、水深<40m的測量環境，使水下空間地理信息成果大幅度提升。為今后類似工程、水庫大壩水下檢測、水下探測、水下精密測量等提供了寶貴的經驗和理論依據，具有較高的應用和推廣價值。隨著BIM技術的不斷普及，可以將文章研究的技術路線與BIM技術相結合，探索一套全新的三維協調設計路線，更好的服務于工程。