船載水上水下一體化測量系統在跨海大橋中的應用

摘要：船載水上水下一體化測量系統是近年來新發展的一項技術，依托船舶載體，集成多種高精度傳感器，實現水上水下一體化快速三維測量。針對跨海大橋水上水下測繪中橋體高大復雜、橋下測量存在遮擋及海上作業條件差、難度大等問題，本文以膠州灣跨海大橋為例，介紹了VSursW船載水上水下一體化測量系統，成功實現了跨海大橋水上水下一體化無縫測量，并進行精度評定，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據，為船載水上水下一體化測量系統在實際中的應用提供了經典案例。

關鍵詞：船載一體化測量；水上水下一體化測量；三維測量；跨海大橋；膠州灣

中圖分類號：P208""" 文獻標識碼：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量系統在跨海大橋中的應用——以膠州灣跨海大橋為例［J］.山東國土資源，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.

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

收稿日期：20240822；修訂日期：20240828；編輯：曹麗麗

0" 引言

隨著全球經濟一體化進程的加快，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量更是超過了1萬個，中國目前已經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，還有一些正在規劃或建設中。跨海大橋的建設能夠促進區域經濟一體化，縮短地區之間的交通時間和距離，加強區域之間的經濟聯系和合作，促進資源配置和產業協同發展，同時在推動人文交流、提高城市競爭力、展示國家工程技術實力等方面都具有重要意義［13］。

對跨海大橋進行水上水下一體化數據采集，形成實景三維數字成果，建立數字化三維檔案，有助于對橋體進行健康監測、評估工程質量，方便對大橋全生命周期管理和決策。長期三維測量數據積累可提高大橋的風險預警和科學研究。傳統測量方法工作強度大，效率低，成果精度低，很難同時獲取水上水下數據。現代測繪手段一般是使用無人機、車載激光、RTK、全站儀等完成水上數據獲取，使用多波束測深儀完成水下數據獲取。這種水上、水下單獨獲取的數據的方式存在很多問題，如基準不統一、數據存在空白區等［45］。

船載水上水下一體化測量系統，以船舶為載體，集成了多波束測深系統、三維激光掃描系統、組合導航系統、陸地基站系統等，通過統一各傳感器之間的時間同步、運行工作、數據存儲，形成一套完整的水上水下一體化測量方案。同時獲取水上水下數據，可統一測量基準、提高工作效率、減少數據空白。

本文通過VSursW船載水上水下一體化測量系統在膠州灣跨海大橋中的實際應用，證明該系統可實現水上水下一體化三維無縫測量，為后續相關應用提供了經典案例和寶貴經驗。

1" 船載水上水下一體化測量系統的組成和集成

1.1" 系統組成

VSursW船載水上水下一體化測量系統包括硬件系統和軟件系統，硬件系統主要傳感器包括三維激光掃描儀（RIEGL VZ1000）、多波束測深儀（R2Sonic 2024）、組合導航系統（SPANLCI）、GNSS接收機（PwrPak7）、數碼相機（D810）等，硬件系統還包括一體化平臺安裝支架，軟件系統包括數據采集系統（VSursAquire GuidLineProject）、數據解析系統（Inertial Explorer）、數據處理系統（VSursPROCESS）等。

硬件系統中三維激光掃描儀（RIEGL VZ1000）掃描距離最遠可達1400m，在自然目標反射率≥20%時，有效測量距離為700m，垂直掃描角度范圍為100°（40°～60°），用于獲取水上高分辨率、高精度點云數據；多波束測深儀（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據；組合導航系統（SPANLCI）將高精度GNSS定位與慣性測量單元（IMU）通過緊耦合的方式組合在一起，用于提供位置、姿態等信息；GNSS接收機包括基準站和流動站，流動站在移動過程中實時接收衛星信號并記錄數據，基準站通過持續接收衛星信號確定自身精確位置，提供可靠基準，為后續動態后處理差分（PPK）提供數據；數碼相機（D810）采集高分辨率照片，用于真彩點云的制作［78］。系統主要傳感器技術指標如表1所示。

1.2" 系統集成

VSursW船載水上水下一體化測量系統中各傳感器通過一體化平臺安裝支架連接成為統一整體，使用同步控制器為多波束測深儀、三維激光掃描儀、數碼相機提供時間同步信號，為同步采集數據提供統一時間基準［9］。系統集成及組合情況見圖1。

為保證水上水下數據無縫街邊，一體化平臺安裝支架末端與多波束測深儀連接的連接桿采用彎頭設計，彎頭角度與垂直方向成30°，提高了水下數據采集的單側覆蓋面。

2" 膠州灣跨海大橋水上水下一體化測量

2.1" 船載水上水下一體化測量技術流程和基本原理

VSursW船載水上水下一體化測量主要技術流程有基準站架設、設備安裝組合、數據采集、數據解算解析、生成點云數據及形成數據成果（圖2）。建立基準站，人工架設基站和現有CORS站均可作為基準站。組合并安裝測量系統，利用測量船進行水上激光掃描、數字相片獲取和水下多波束水深數據采集，組合導航系統記錄定位定姿（POS）數據。測量結束，通過數據解析系統Inertial Explorer軟件緊組合解算出POS數據，利用POS數據通過時間同步文件進而解析激光掃描數據、多波束數據和數字照片。解析后的三維數據生成點云數據，通過濾波去噪等處理，根據需要形成所需數字成果。

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

L=12c t （1）

式中：L—距離（m），c—真空中光波傳播速度（m/s），t—時間（s）。

多波束測深是利用發射換能器基陣以一定頻率發射沿航跡方向開角窄而垂直航跡方向開角寬的波束，形成一個扇形聲傳播區，多個接收波束橫跨與船龍骨垂直的發射扇區，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—時間（s），θ—波束入射角，ΔDc—吃水改正數，ΔDt—潮位改正數。

2.2" 現狀分析

膠州灣跨海大橋橫跨膠州灣，線路全長約42.23km，橋梁全長約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、結構復雜，海上作業受環境影響大，因此其進行水上水下一體化三維測量存在難點和問題。

（1）大橋超長跨度。由于船載水上水下一體化測量系統采用動態后處理差分技術進行定位數據處理，為保證測量精度，基準站架設位置與流動站之間距離最好不大于15km，選擇合適位置架設基準站有助于解決大橋跨度長的問題。

（2）大橋結構復雜。膠州灣跨海大橋包括3個航道橋和兩個互通立交。航道橋索塔高度超過100m，為保證水上數據采集完整，需要將測量船調整到合適的距離進行數據獲取。互通立交錯綜復雜，在橋下穿行測量時間過長往往會導致流動站衛星信號弱，進而導致測量數據精度差，通過后續數據分析，進行校準處理，同時互通立交橋墩較多，測量船穿行測量需要與橋墩保持一定的安全距離［1011］。

（3）數據完整采集問題。測量船順著大橋方向進行測量，單次測量無法同時完整覆蓋水上水下部分，同時順著大橋方向進行測量無法獲取橋梁基礎沿橋方向前后兩側水下數據；大橋橋梁寬度約40m，受橋梁遮擋信號的影響，基于RTK定位的水下地形測量無法獲取準確數據，橋梁正下方海域水下地形數據處于空白區，通過船載水下彎管多波束測量可以填補這塊空白區數據；大橋梁部底面是無人機、車載掃描無法獲取數據的部位，需要船載激光掃描進行數據獲取。

（4）個別區域無法測量。膠州灣跨海大橋位于近岸淺海位置，大橋東西兩側和連接線北側水深較淺，測量船無法駛入，會導致數據缺失，需要后續無人機在低潮時段進行數據補充。

（5）海上作業環境較差。測量船進行測量時，為保證水上水下數據無縫拼接，測量船需要與大橋保持相對較近的距離，但海水在橋墩處會形成局部水流加速區域，測量風險增大，需要測量船時刻保持專注。

2.3" 方案設計

通過對膠州灣跨海大橋現狀測量分析，對測量方案進行了研究設計。針對大橋跨度大，保證基準站覆蓋范圍，在大橋兩側分別選取基準站點，同時架設兩臺基準站，可保證基準站與流動站之間距離處于高精度定位范圍。針對大橋結構復雜，將整個跨海大橋分為三部分進行測量，普通大橋部分、航道橋部分、互通立交部分，保證數據采集完整，普通大橋部分測量船需在近處和遠處進行兩次數據采集，航道橋部分測量船需在近處、較遠處和遠處進行三次數據采集，互通立交部分較為復雜，需要提前布設航線，確保各個匝道數據完整（圖4）。針對數據完整性問題，順橋方向前后兩側橋梁基礎數據缺失問題，測量船可沿垂直橋梁前進方向進行來回穿行測量，待大橋全部完成測量后，對數據進行解析，對出現數據缺失的位置進行補測［1213］。

2.4" 數據獲取和處理

測前準備，布設臨時驗潮站，架設基準站，連接設備并進行調試，固定好測量船后使用RTK對流動站定位進行平面對比，使用比對盤或測深錘進行多波束測深儀測量水深進行對比。測量前需要測量船進行15～20min的機動，測量后同樣需要進行機動，用于設備校準和初始化設置，確保測量的準確性和可靠性。在提前選好的位置進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］。測量時進行聲速剖面測量，用于聲速改正。按照提前設計的方案進行水上水下一體化測量獲取數據［15］。

利用Inertial Explorer軟件將GNSS數據和INS數據進行緊組合結算獲取POS數據和heave值（升沉值）。使用數據處理系統，將POS數據、heave值、聲速數據、潮汐數據、水深數據、激光掃描數據等進行綜合處理，生成所需要的三維測量數據。

2.5" 數據精度對比

三維測量數據包括水上激光點云數據和水下測深點云數據。

由于受到客觀因素影響，人員無法登上大橋基礎承臺和受車輛影響橋面可能上下震動，因此在每天測量前和測量后對同一位置近岸碼頭進行激光掃測，驗證水上激光點云數據，選取特征點，采用RTK進行測量驗證，對特征點水平和垂直進行精度對比。選取岸邊護欄、燈桿、房角等特征點，累計共有60個點，通過對比水平和垂直差值，計算均中誤差，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。

水下測深點云數據使用單波束測深數據進行驗證，選取平坦水域，將單波束測深數據作為檢查線與0.2m范圍內的多波束測深數據進行精度對比。選取單波束檢測線約1500個點進行精度比對，數據偏差小于0.1m的占82%，小于0.2m的占97%，小于0.3m達到100%，標準差為0.081m，符合相關測量規范要求［16］。水下數據檢測差值離散情況見圖6。

2.6" 測量成果

通過現狀分析、研究設計、數據獲取和數據解析后，得到膠州灣跨海大橋的點云數據（圖7）。

可以看出，除大橋東西兩側和連接線北側數據無法獲取，數據成果整體完整性比較高。在結構復雜的互通立交和航道橋數據獲取完整性高，在關鍵部位可以完成水上水下的無縫拼接，同時彎管傾斜多波束水下測量很好的彌補了跨海大橋正下方水下地形數據的空白（圖8）［1718］。

3" 結論

本文詳細介紹了VSursW船載水上水下一體化測量系統的組成和技術流程，以膠州灣跨海大橋為例，根據實際情況進行分析研究，制定合理設計方案，首次完成對整個膠州灣跨海大橋水上水下一體化數據獲取，數據質量較好，數據成果完整性較高。

（1）該系統實現了水上水下一體化測量，克服了傳統測量技術的限制，提高了測量效率。

（2）膠州灣跨海大橋是山東省標志性建筑之一。這次三維測量是首次較完整的對該工程進行水上水下一體化數據獲取，這一經典案例對其它跨海大橋三維測量提供了寶貴經驗。

（3）數據成果能夠清楚的反映出大橋各個部位的現狀，尤其可以看到橋梁基礎當前受到海水沖刷狀況。長期三維測量數據積累可提高大橋的風險預警和科學研究。

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

參考文獻：

［1］" 陸秀平，黃謨濤，翟國君，等．多波束測深數據處理關鍵技術研究進展與展望［J］.海洋測繪，2016，36（4）：16.

［2］" 劉強，翟國君，盧秀山．船載多傳感器一體化測量技術與應用［J］.測繪通報，2019（10）：127132.

［3］" 趙建虎，歐陽永忠，王愛學．海底地形測量技術現狀及發展趨勢［J］.測繪學報，2017，46（10）：17861794.

［4］" 邊志剛，王冬．船載水上水下一體化綜合測量系統技術與應用［J］.港工技術，2017，54（1）：109112.

［5］" 余建偉，劉守軍．中海達船載水上水下一體化三維移動測量系統［J］.測繪通報，2013（7）：119120.

［6］" 卜憲海.基于激光點云約束的多波束低掠射波束幾何改正［D］.青島：山東科技大學，2017：115.

［7］" 宿殿鵬，陽凡林，石波，等．船載多傳感器綜合測量系統點云實時顯示技術［J］.海洋測繪，2015，6（35）：2932.

［8］" 陽凡林，李家彪，吳自銀，等．淺水多波束勘測數據精細處理方法［J］.測繪學報，2008，37（4）：444450.

［9］" 牛沖.基于CORSRTK無驗潮的海岸帶水下地形測量精度分析［J］.海洋測繪，2021，41（6）：3639.

［10］" 張曉慶，胡輝輝，王治中，等．水上水下一體化三維河道場景構建與展示［J］.測繪通報，2020（12）：118121.

［11］" 帥晨甫.水上水下一體化測繪關鍵技術研究［D］.上海：上海海洋大學，2020：115.

［12］" 王宵雷，溫旭，解全波，等．基于無人船的水陸一體化測量技術研究與應用［J］.地理空間信息，2022，20（7）：9497.

［13］" 許成義，孫棟，張金營，等．基于無人船測量系統的水下地形測量研究與應用［J］.山東國土資源，2023，39（2）：5055.

［14］" 商建偉．基于GNSS的單波束測深系統在大中型水庫水下地形測量中的應用［J］.山東國土資源，2022，83（1）：6569.

［15］" 張倩許，梅賽，石波，等．船載水上水下一體化測量技術與應用以舟山冊子島為例［J］.海洋地質前言，2019，35（9）：6975.

［16］" 李鵬，林杰，李歡.空地一體化地形測量［J］.測繪通報，2018（2）：160163.

［17］" 陳科，王沖，聞平，等.利用多傳感器集成和數據融合實現水上水下一體化測繪［J］.測繪通報，2017（3）：7679.

［18］" 羅茵.船載水上水下一體化測量的應用［J］.海洋與漁業，2018（6）：5152.

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