海洋測繪技術手段在水下隱蔽工程結構檢測中的應用
——以水下三維全景聲吶為例

◎ 林斌 福建省港航勘察科技有限公司

1.引言

海洋測繪是研究海洋、江河等水域及毗鄰陸地區域各種幾何、物理、人文等地理空間信息采集、處理、表示、管理和應用的科學與技術[1]，主要以海洋地球物理探測技術手段為主，海洋測繪發展歷程經歷了模擬化、數字化初期階段，正向信息化、智能化新階段轉型[1]，提供的技術服務也向預測、決策等服務方向拓展。

我國海洋測繪技術研究的進展主要在衛星測高、衛星遙感反演、多元數據融合分析、機載LiDAR測量技術等方面有進一步完善和成熟。我國海洋測量平臺由單一的岸基、海基測量平臺逐步向天基、空基和潛基平臺延伸，海洋裝備向無人化、智能化、便攜化和多功能化方向發展。

在“一帶一路”的引領下，水運工程發展迅速，為確保水運工程正常履行使用功能，需按一定的時間對其進行相應的結構檢測工作，以評估判斷該工程是否能繼續提供安全可靠的使用功能，其中水運工程水下部分的結構處于隱蔽環境，檢測主要通過水下攝像、人工潛水探摸等方式進行[2]，數據結果受采集條件及人為影響因素較大，且無法判斷數據的可靠性。

隨著技術的進步，海洋測繪裝備不斷優化升級，具有越來越多的優勢和更多的應用場景，利用海洋測繪技術手段對水運工程水下部分進行檢測，是一種更加客觀、可靠的方法，主要的技術為水下激光掃描成像、聲波掃描成像，其中激光的應用環境相對嚴苛，受水體濁度影響較大，信號衰減嚴重，數據質量不穩定，相反聲波具有較強的穿透能力，具有較廣的應用場景。本文以Teledyne Blueview5000-1350三維全景聲吶系統為例，探討海洋測繪技術手段在水下隱蔽工程結構檢測中的應用，主要檢測的內容為水下結構的外觀破損情況、地形沖淤情況，提供三維點云數據和相關的尺度、規模參數等。

2.Blueview5000-1350聲吶系統探測原理及系統組成

2.1 探測原理

Blueview5000-1350聲吶系統利用束控技術，可使聲吶探頭發射1.35MHz固定頻率和特定指向性的256個聲波波束，并且沿垂直方向均勻分布。聲波波束在水體中傳播到達物體表面時發生反向散射被聲吶探頭接收，根據發射及接收聲波的時間差?t及聲速來計算物體到探頭的距離S，滿足關系式：S=。

三維全景聲吶系統坐標示意圖如圖1所示，各“波束腳印”根據此坐標系可進行位置計算，例如點m的坐標計算公式為：

圖1 三維多波束掃描聲吶點云位置坐標示意圖

表1 Blueview 5000-1350聲吶系統技術參數

其中，α為波束俯仰角度，可根據探頭掃描時設置的俯仰角度及波束間的夾角計算得到各波束在某一時刻的俯仰角度；β為波束水平旋轉角度，可根據探頭云臺旋轉速度計算得到各波束在某一時刻的水平旋轉角度[3]。

因此，三維全景聲吶系統各個波束在每一時刻的“腳印”與探頭之間的相對位置關系已確定，即可獲得相對位置關系的三維點云數據圖像[4]。

2.2 系統組成

Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統主要由多波束掃描聲吶探頭、云臺、電纜、控制單元、電源、計算機等組成，水下作業時可選三角架、ROV及測量船等平臺上進行。聲吶探頭可通過技術人員對云臺的控制，實現探頭以45°、15°、-15°和-45°的俯仰角度進行旋轉掃描[5]，旋轉角度范圍為-180°～180°，在應用過程中可根據工程實際情況，對這些參數進行選擇，以提高工作效率。

2.3 探測方式

Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統的探測方式可分為固定式和走航式[6]。目前應用最多的是固定式探測，主要用搭載平臺固定聲吶探頭，投放至指定位置后進行掃描，該方法相對簡單，搭載平臺可根據項目情況進行定制修改，靈活性較高，缺點是數據質量受平臺的影響較大，如平臺傾倒、滑動、抖動等因素。

走航式探測需與姿態傳感器、Teledyne PDS軟件聯合使用，探頭采用支架固定安裝于測量船上進行走航測量，該方法涉及的硬件、軟件設備較多，現場使用相對復雜，且受限于聲吶探頭的有效測量距離為30米以內，對測量船的航行要求較為嚴苛。優點是該方法數據質量相對穩定，且采用走航式探測，作業效率相對較高。

3.實際應用

本文以某地沿海陸島交通碼頭、內河橋梁水下隱蔽工程結構檢測的項目為例，探討了Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統的適用性及實際使用過程中需要注意的問題，具體應用詳見如下。

3.1 沿海陸島交通碼頭水下隱蔽工程結構檢測

本案例是對陸島交通碼頭水下部分的外觀及沖刷情況進行檢測，為碼頭結構的整體穩定性提供基礎數據。本碼頭采用重力式沉箱結構，檢測目標為碼頭基床是否存在沖刷、淘空、滑坡等現象；沉箱前趾及箱體、護底塊破損、沉降、淘空情況。根據檢測發現的問題進行尺度和規模描述，并與工程竣工驗收資料等對比分析，為整體碼頭結構修護提供依據。

本次檢測作業方式是將三維全景聲吶探頭固定安裝于三角支架上，通過測量船進行定點投放掃描，采用45°、15°、-15°和-45°的俯仰角度進行旋轉掃描拼接，獲取了碼頭水下部分的外觀及沖刷情況的檢測數據，如圖2、圖3所示。

圖2 碼頭前沿沖刷坑

根據上述檢測結果可以得出，通過三維全景聲吶系統可以較好的獲取碼頭水下隱蔽工程的外觀破損情況及沖刷情況，獲取的數據可以比較立體、直觀地對目標部位進行分析，并可以定量描述沖刷及外表破損程度，更好地為碼頭后期的加固改造方案提供客觀詳實的數據支撐。

3.2 橋梁水下隱蔽工程結構檢測

本次檢測橋梁為石拱橋，建設年代稍久，缺乏相關的檢測基礎數據，為保證橋梁的通行安全，現需對橋梁進行水下基礎的檢測。本次檢測的目標為橋墩水下部分的外觀破損情況檢測，橋墩底部結構是否有沖刷、淘空現象，若存在需提供尺度、規模等參數。

本次作業方式采用定點投放式，針對橋梁橋墩的結構及形狀，布設相應掃描站位，確保相鄰站位有共同的靶體及部分重合區域用于數據拼接，由于內河水深較淺且站位距離橋墩較近，本次探頭以45°、15°和-15°的球形掃描方式（見圖4所示），對目標體進行檢測。布設站位滿足對目標體360°覆蓋。

圖4 橋墩檢測掃描示意圖

本次檢測是針對橋梁水下部分的樁柱、橋墩進行外觀檢測，明確外觀是否有破損、底部有無淘空等影響橋梁安全的因素存在。為了對橋梁樁柱、橋墩水下結構部分進行360°覆蓋，每個橋墩或承重樁柱需布設4個站位，相鄰兩個站位之間的掃測數據滿足大于10%的重疊數據及共同的靶體，以便將不同站位掃測數據拼接成一個完整的檢測體。

檢測處理后的典型數據如圖6所示，從圖中可以看出橋墩整體結構完整、底部墩臺輪廓完整清晰、未見破損、橋墩迎流方向附近有一定程度的沖刷現象，但橋墩根部未發現淘空。

圖6 橋梁水下橋墩

3.3 實際應用中的問題

從上述兩個應用案例可以看出，三維全景聲吶系統在水下隱蔽工程結構檢測項目中可以獲得較好的效果，檢測的結果可以直觀、立體地展示出來，對外觀破損及沖刷淘空地程度提供定量分析，使結構檢測的結果更加客觀、豐富，有利于制定最優的后期解決方案。同時，三維全景聲吶系統在應用過程中也存在一些問題，具體如下所述。

3.3.1 固定探頭支架的要求

1）支架高度要求。本次檢測的橋梁屬于內河橋梁，水深相對較淺，一般3～4m最淺處僅2.3m左右，由于儀器探頭安裝于三角支架上，因此要求支架與探頭的總高度要小于水深深度，保證探頭沒入水中才能進行檢測。

2）支架開角要求。Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統掃描距離最大為30m，本次內河泥沙含量較大、水體渾濁，為保證掃描數據的效果，需保持探頭距目標體距離為5～10m，橋墩附近區域地形一般坡度都比較大、地形傾斜嚴重，為了保證儀器掃描過程中探頭穩定且不發生傾倒，需要三角支架的支桿開角盡量呈鈍角，可提高檢測站位布設的成功性。

3）支架穩定性要求。在水體流速較大的情況下，三角支架若穩定性不好，容易發生傾倒或抖動，導致檢測工作無法開展或檢測數據質量不佳。

3.3.2 準確識別虛假數據的要求

本次檢測的內河橋梁水深較淺，當聲吶探頭采用仰角45°進行掃測時，聲波波束遇到水面時會發生較強的反射，反射后的聲波遇到目標體或河床時發生反向散射，反向散射聲波被聲吶探頭接收后，會按照聲波波束單路徑傳播的算法進行計算，進而生成虛假的三維點云數據，虛假點云數據與真實點云數據關于河面呈“鏡像關系”，圖7為本次實際檢測的虛假反射三維全景聲吶點云數據圖像，從圖中可以看出，橋墩底部墩臺與橋墩上部呈“鏡像關系”，正是由于虛假反射造成的，在實際處理數據時要準確地將虛假數據識別出來，避免發生錯誤。

圖7 檢測數據中的虛假反射圖像

4.結論建議與未來展望

4.1 結論建議

本次利用Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統對沿海陸島交通碼頭、內河橋梁水下隱蔽工程結構檢測，可以給出如下結論及建議：

（1）三維全景聲吶系統，可以在豎直平面內多個角度對目標體進行掃測，通過合理布設測站對目標體在水平平面內進行360°覆蓋掃測，是沿海陸島交通碼頭、內河橋梁水下隱蔽工程結構檢測的重要技術手段，可以滿足檢測的實際要求；

（2）根據檢測目標體周圍的水深地形、作業條件等，合理選擇作業方式，根據實際情況定制安裝聲吶探頭的三角支架或其他形式可以滿足作業需求的支架；

（3）根據三維全景聲吶系統的探測原理，應能準確判斷出噪聲信息和虛假反射信息，保證處理拼接后的三維點云數據真實可靠，滿足檢測要求；

（4）在水深地形條件受限的環境下，定點檢測會產生檢測盲區時，可以考慮采用走航式的作業方式；對于水下結構有平臺等凸出結構時，探頭安裝高度過低時會產生檢測盲區可以考慮將探頭倒置安裝進行檢測。

4.2 未來展望

（1）目前Blueview 5000-1350三維全景聲吶系統主要以三角架定點投放測量方式進行，對于管道等特殊項目需搭載ROV平臺，對于小型探測項目成本難以承受，若降低ROV的成本門檻，將會在更多的場景下應用。

（2）充分利用海洋測繪技術手段的優勢，加強在水下隱蔽工程結構檢測中的應用，可以雙向促進相關技術的發展，加強多專業融合。