航道整治工程掃測技術(shù)和方法探討

李 勇，洪 劍，朱春春

（中交第二航務工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

在航道檢測方法中，一般采用單波束測量、多波束測量、硬式掃床、軟式掃床等方法[1-4]。單波束測量通常只能反映測點所在位置的地形情況，由于測點之間存在間距，無法滿足全覆蓋檢測的要求。隨著多波束技術(shù)的出現(xiàn)，水深測量實現(xiàn)了從“點—線”測量到“線—面”測量的跨越，但本質(zhì)上多波束掃測點之間依然存在間隔，無法做到絕對意義上的全覆蓋，因此在一些航道整治項目中，仍然使用傳統(tǒng)的硬式掃床和軟式掃床法[5]。各種掃測技術(shù)均存在不同的適用條件，如何改進航道整治掃測工作一直是專業(yè)技術(shù)人員研究的課題。

1 航道工程主要掃測技術(shù)分析

目前，根據(jù)各種航道掃測技術(shù)特點，在海港航道和沙床質(zhì)航道中多波束掃測使用最為廣泛，在山區(qū)航道中硬式掃床使用最為普遍，兩種方法各有優(yōu)缺點。

1.1 多波束掃測技術(shù)

多波束掃測是采用多波束形成技術(shù)，在垂直于船行方向的鉛垂面內(nèi)，生成具有一定扇面開角的若干個波束，并按照一定的模式進行發(fā)射和接收獲取測點水深，每個波束獲得的測點隨測船航行組合成一條帶狀水深區(qū)域，從而實現(xiàn)水下地形的掃測。

多波束掃測優(yōu)點突出，主要表現(xiàn)在：

1）能夠高效獲取水下地形數(shù)據(jù)，對一些微小的地形變化也能夠反映出來；

2）根據(jù)多波束掃測數(shù)據(jù)，可以生成不同比例尺的地形圖、電子航道圖、剖面圖等；

3）分不同測次進行掃測，可以比較同一區(qū)域的變化，或進行施工方量測算；

4）適合水下隨機障礙物的探測，通過三維建模，可直觀顯示水下障礙物情況，指導施工作業(yè)。

但多波束也有一些不足之處：

1）多波束技術(shù)受波束角分辨率和測區(qū)水深的影響，多波束的掃測點之間依然存在間隔，對水下豎向細微障礙物（如鋼筋）無法保證100%掃測；

2）為保證掃測覆蓋效果，同一區(qū)域需采用不同測線多次掃測，才能保證掃測區(qū)域獲得足夠密度的數(shù)據(jù)，導致掃測工作量增大；

3）多波束掃測寬度與水深關(guān)系緊密，在淺水區(qū)全覆蓋掃測時，工作效率大大降低，且設(shè)備昂貴存在安全和經(jīng)濟風險；

4）水下若存在雜草或雜物時，多波束掃測可能反應過度靈敏，進而造成水下地形誤判。

因此，在使用多波束掃測時，應考慮測區(qū)是否有水草、水深大小等因素影響，建議大于5 米再考慮使用多波束掃測，以充分發(fā)揮其作業(yè)效率，保證設(shè)備安全。

1.2 硬式掃床技術(shù)

硬式掃床又稱定深掃床，其基本工作原理是將掃床架底部掃桿下放到船舶底部一定深度，通過船舶行進過程中是否發(fā)生水下障礙物碰撞，來判斷施工區(qū)域是否存在淺點。

該方法的優(yōu)點體現(xiàn)在：

1）沒有盲區(qū)，實現(xiàn)了特定深度（高度）面真正意義上的100 %掃測，確保掃測過的區(qū)域沒有遺漏淺點；

2）原理簡單，掃測可靠性強，可以直觀反映水下地形是否滿足底部高程設(shè)計的要求。

該方法缺點也很明顯：1）不能測定水底點的高程，只能作為一種定性檢測方法；

2）整體上操作復雜，通常要多人協(xié)同配合作業(yè)，掃床支架的安裝和調(diào)節(jié)繁瑣，甚至要借助吊機等外部機械設(shè)備才能完成；

3）工作效率較低，且作業(yè)過程中存在一定安全風險。

硬式掃床通常用于土質(zhì)較硬的疏浚工程或炸礁工程，適合于小范圍的工程檢測，且由于掃架容易受到水流的沖擊影響，因此更適用于掃測水深相對較淺的航道工程。

2 綜合掃測方法設(shè)計

2.1 技術(shù)思路

基于前述分析的多波束掃測和硬式掃床兩種方法各有優(yōu)缺點，為保證航道整治施工進度和質(zhì)量，結(jié)合三維地形技術(shù)和項目需求，提出如下技術(shù)思路：

1）首先采用多波束掃測技術(shù)進行初步檢測，獲取航道施工后水深數(shù)據(jù)；

2）依據(jù)多波束掃測數(shù)據(jù)和三維地形技術(shù)建立模型，直觀顯示航道施工整治后水下地形情況；

3）根據(jù)三維地形模型判斷水下地形是否達到設(shè)計標高，對疑似區(qū)域進行綜合研判，是否需要繼續(xù)施工，若需進一步施工處理，則處理后再次利用多波束進行掃測，重復以上兩步；

4）若水下地形滿足要求，再實施硬式掃床進行最后檢測，確保航道施工質(zhì)量；

5）硬式掃床過程中若發(fā)現(xiàn)障礙點，則必須進行施工再處理，若未發(fā)現(xiàn)障礙點則航道整治達到要求。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)控制

依據(jù)前述技術(shù)思路，涉及到多波束掃測、三維建模和硬式掃床等技術(shù)方法，為提高綜合掃測方法的效率，需注意如下關(guān)鍵技術(shù)控制要點。

1）多波束掃測

多波束掃測技術(shù)關(guān)鍵之一是多波束儀器的選定：多波束系統(tǒng)選擇必須考慮其工作頻率、波束寬度、波束數(shù)量、分辨率以及測程，在滿足測程的基礎(chǔ)上，盡可能選擇波束數(shù)量多、分辨率高的多波束系統(tǒng)；受制于航道區(qū)域作業(yè)條件的限制，選定多波束儀器應便于安裝和使用。

多波束掃測技術(shù)關(guān)鍵之二是多波束掃測實施要點：多波束穩(wěn)固安裝，安裝好后選擇具有一定水下地形特征區(qū)域進行安裝校準，以獲取延時、橫搖、縱搖以及艏向偏差。在校準計算過程中，由于不同偏差之間可能互相產(chǎn)生影響，需要選擇不同記錄數(shù)據(jù)多次迭代計算，盡可能提高多波束校準參數(shù)的準確性。校準完后，可選擇地形特征明顯區(qū)域，進行多波束十字交叉檢驗，結(jié)果均滿足規(guī)范要求后方可進行掃測作業(yè)。多波束掃測前應提前布設(shè)掃測線，確保相鄰測線掃測寬度有一定的重合度。掃測過程中應同步觀測測區(qū)水位，并測定測區(qū)聲速剖面供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

2）三維建模

三維建模技術(shù)的關(guān)鍵之一是建模軟件的選擇：首先建模軟件的模型構(gòu)建方法應正確，保證建模精細程度高；其次具有通用性，其成果能被多方使用，能夠用于BIM 設(shè)計為宜；再次界面友好，功能齊全、操作方便。

三維建模技術(shù)的關(guān)鍵之二是模型的制作：首先在模型制作前，應對建模數(shù)據(jù)進行仔細檢查，確保所有建模數(shù)據(jù)來源質(zhì)量；其次應對中間環(huán)節(jié)進行檢查，確保模型的準確性，必要時進行編輯取舍；再次顏色渲染時應符合常規(guī)色彩設(shè)計原則，同時考慮淺點的突出性，保證三維模型的整體效果。

3）硬式掃床

硬式掃床技術(shù)關(guān)鍵之一是掃床架的設(shè)計與制作。硬式掃床架沒有統(tǒng)一的設(shè)備，通常根據(jù)不同的項目情況和檢測需求，研究不同的硬掃支架和作業(yè)方法。為了提高工作效率和保證掃測安全，結(jié)合項目條件和船舶情況，主要設(shè)計原則：一是掃床架采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，便于掃床架的安裝和拆卸；二是充分利用測船的設(shè)備，實現(xiàn)掃床架的機械化升降和收放等操作；三是利于進行掃床架入水深度的調(diào)節(jié)，提高掃床架的外業(yè)調(diào)節(jié)效率。圖1 所示為一種創(chuàng)新硬式掃床支架結(jié)構(gòu)圖。

圖1 硬式掃床支架結(jié)構(gòu)圖

硬式掃床技術(shù)關(guān)鍵之二是實施掃測及其判斷：掃床前，根據(jù)底部掃桿寬度和掃床區(qū)域情況進行測線設(shè)計，保證相鄰掃測面的旁向重合率；作業(yè)過程中，根據(jù)實時水位和航槽設(shè)計標高，換算底部掃桿的入水深度，掃測時必須保證掃架垂直，同時測量軟件記錄掃床軌跡；若遇淺點發(fā)生碰撞，掃架會發(fā)出聲響并劇烈抖動，此時應立刻記錄RTK 所測定的坐標信息，以便后續(xù)施工進一步處理；若檢測過程中無底部掃桿碰撞，則航道整治達到設(shè)計標高，質(zhì)量滿足要求；在硬式掃床過程中，水深越深，掃架受到的水流沖擊力越大，安全風險也更大，因此宜選擇低水期或小流速期進行硬式掃床作業(yè)，以保證硬式掃床的作業(yè)效率、質(zhì)量和安全。

3 項目應用

3.1 項目概況

長江航道三峽大壩至葛洲壩兩壩間某工程航道整治內(nèi)容包括若干個炸礁區(qū)，掃床范圍為炸礁基線至河心側(cè)邊線外約5 m。由于為庫區(qū)航道，炸礁后水深受庫區(qū)水位影響，部分時間段掃床區(qū)域水深達9 m，給航道檢測工作帶來很大難度，本項目采用了多波束測量+三維建模技術(shù)+硬式掃床的綜合掃測方法。

3.2 實施情況

多波束掃測采用海卓高分辨率多波束測深系統(tǒng)，為減小系統(tǒng)安裝對掃測結(jié)果的影響，專門定制金屬架，掃測線按順岸方向布設(shè)，旁向重疊度大于70 %，同時增加掃測次數(shù)，以提高多波束掃測的云數(shù)據(jù)量。圖2 為多波束掃測數(shù)據(jù)采集界面。

圖2 多波束掃測數(shù)據(jù)采集界面

掃測完成后，采用專業(yè)軟件進行多波束數(shù)據(jù)處理，并進行三維地形建模。本項目對6 個施工區(qū)域，共進行了4 測次的多波束掃測，多次指導施工。

為確保航道整治工程質(zhì)量，在多波束檢測通過后，再采用硬式掃床方式進行最終檢測。硬式掃床作業(yè)船舶長約28 m，寬約5 m，檢測過程中在測區(qū)設(shè)立水尺進行水位測量，通過水位減去設(shè)計水底標高調(diào)節(jié)掃桿入水深度，使用RTK 進行導航，實時記錄掃測軌跡線，圖3 所示為硬式掃床作業(yè)圖。

圖3 硬式掃床作業(yè)圖

本項目在多波束掃測通過后，采用硬式掃床方法對幾個施工區(qū)檢測均順利通過，顯著地提高了硬式掃床的通過率和安全性，保證了航道整治的工程質(zhì)量。

3.3 應用效果分析

通過本項目的實際應用，采用綜合掃測方法，效果顯著。

1）測繪成果多樣化

首先在施工過程中多次依據(jù)多波束掃測數(shù)據(jù)進行三維建模，并進行顏色渲染，可直觀展示水下地形情況。如圖4 為所示，將高于設(shè)計標高的數(shù)據(jù)用特殊顏色（紅色）顯示，可很快發(fā)現(xiàn)淺點所在位置、分布大小等情況，同時對淺點以外區(qū)域的地形情況也能準確掌握，便于建設(shè)單位、設(shè)計人員和施工人員科學決策、指導施工。

圖4 三維地形模型渲染圖

其次硬式掃床軌跡線圖可以為工程驗收提供依據(jù)，多波束掃測數(shù)據(jù)可生成水深圖、竣工地形圖等多樣化成果。

2）工作效率顯著提高

首先本項目對硬式掃床設(shè)備進行了優(yōu)化設(shè)計和制作，在工作效率上與使用傳統(tǒng)設(shè)備進行各環(huán)節(jié)耗時對比，本項目硬式掃床外業(yè)效率提高35 %以上，取得良好效果。

其次本項目對同區(qū)域的掃測，多波束掃測所耗時間僅為硬式掃床的1/3，采用多波束掃測作為航道施工初檢，利用多波束掃測數(shù)據(jù)建立三維地形模型，模型精度滿足設(shè)計要求后再采用硬式掃床方法進行檢測，該技術(shù)路線大大減少了硬式掃床作業(yè)次數(shù)和安全隱患，總體工作效率顯著提高。

4 結(jié)語

1）多波束掃測作為一種先進的測深技術(shù)，應用于航道整治工程檢測時，其作業(yè)效率較高，成果豐富，通過三維建模可直觀顯示水下地形情況，快速查找淺點，指導航道施工作業(yè)；

2）硬式掃床技術(shù)作為一種直觀有效的航道掃測方法，在全覆蓋方面有其獨特的優(yōu)勢，本文設(shè)計的掃床架和掃測方法有利于降本增效，在一定的水深范圍內(nèi)，可以快速、安全、有效的開展硬式掃床，具有100 %全覆蓋；

3）本文提出的多波束掃測、三維建模和硬式掃床相結(jié)合的綜合方法，可實現(xiàn)檢測技術(shù)的優(yōu)勢互補，提高航道整治檢測的整體效率，降低安全風險，并能夠提供更加豐富的檢測成果。