海洋测量技术在输水隧洞进水口检测中的应用_周小蓉.pdf

测绘通报年第期引 文 格 式：周 小 蓉，沈 永 芳，程 琢，等海 洋 测 量 技 术 在 输 水 隧 洞 进 水 口 检 测 中 的 应 用 测 绘 通 报，（）：-：-海洋测量技术在输水隧洞进水口检测中的应用周 小 蓉，沈 永 芳，程琢，王 兆 卫，张 德 官（广 州 市 中 心 区 交 通 项 目 管 理 中 心，广 东 广 州；上 海 交 大 海 科 检 测 技 术 有 限 公 司，上 海；上 海 交 通 大 学 船 舶 海 洋 与 建 筑 工 程 学 院，上 海）摘 要：本 文 以 某 输 水 隧 洞 进 水 口 岩 塞 爆 破 后 水 下 检 测 为 例，综 合 利 用 多 波 束 声 呐、水 下 机 器 人、彩 色 图 像 声 呐 等 声 学 和 光 学 相 结合 的 海 洋 测 量 技 术，获 得 高 精 度、全 覆 盖、高 时 效 性 的 输 水 隧 洞 进 水 口 测 量 数 据。检 测 结 果 显 示：多 波 束 声 呐 水 下 地 形 测 量 地 形 分辨 率 达.，实 现 输 水 隧 洞 进 水 口 岩 塞 爆 破 后 的 形 状、尺 寸、平 面 位 置、高 程 及 洞 口 周 围 边 坡 高 精 度 检 测；水 下 机 器 人 深 入 隐 蔽复 杂 的 隧 洞 水 底 环 境，搭 载 的 彩 色 图 像 声 呐 剖 面 扇 扫 可 拟 合 隧 洞 进 水 口 岩 塞 段、锁 口 段 和 集 渣 坑 断 面，高 清 水 下 摄 像 呈 现 了 爆 破后 洞 身 衬 砌 质 量 和 集 渣 坑 内 块 石 堆 积 状 况。本 文 综 合 利 用 海 洋 测 量 技 术，实 现 了 复 杂 环 境 水 下 隧 洞 的 安 全、高 效、全 覆 盖 检 测，其技 术 手 段 可 为 相 关 水 下 工 程 测 量 提 供 借 鉴。关 键 词：海 洋 测 量；水 下 检 测；输 水 隧 洞；多 波 束 声 呐；水 下 机 器 人中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，；，）：，-，-.，-，：；-；随 着 国 家 对 江 河 湖 海 水 域 资 源 的 大 力 开 发 利用 及 传 感 器、卫 星 定 位、计 算 机 等 技 术 的 发 展，海 洋测 量 新 技 术 新 方 法 均 取 得 了 显 著 的 进 展。单 波束 声 呐、多 波 束 声 呐、图 像 声 呐、无 人 水 下 机 器 人 等仪 器 设 备 广 泛 应 用 于 海 洋、内 河、水 利 水 电 工 程 水下 测 量 领 域-。声 学 测 量 在 水 下 测 距 上 具 有 明 显优 势。单 波 束 声 呐 测 量 一 个 点 的 水 深 值，随 着 船 体移 动，点 连 成 线。利 用 单 波 束 测 深 无 法 达 到 全 覆 盖测 量，线 与 线 之 间 的 空 隙 采 用 插 值 算 法，构 建 数 字水 深 模 型，单 波 束 在 较 浅 水 域 测 深 具 有 优 势。与单 波 束 测 深 相 比，多 波 束 测 深 测 量 范 围 大、速 度 快、精 度 高，可 实 现 水 下 地 形 全 覆 盖 测 量-。但 多 波束 测 深 系 统 相 对 复 杂，设 备 安 装 要 求 较 高。近 年来，智 能 水 下 机 器 人 探 测 技 术 逐 步 引 入 到 海 洋 测 量中。智 能 水 下 机 器 人 作 为 一 个 复 杂 的 系 统，集 成 了人 工 智 能、水 下 目 标 的 探 测 和 识 别、数 据 融 合、智 能收 稿 日 期：-；修 回 日 期：-基 金 项 目：广 州 市 科 研 项 目（）-）；上 海 市 自 然 科 学 基 金（）作 者 简 介：周 小 蓉（），女，硕 士，高 级 工 程 师，主 要 从 事 市 政 道 路、交 通 工 程 研 究 和 管 理。-：通 信 作 者：沈 永 芳。-：年第期周 小 蓉，等：海 洋 测 量 技 术 在 输 水 隧 洞 进 水 口 检 测 中 的 应 用控 制 及 导 航 和 通 信 各 子 系 统，满 足 在 复 杂 水 下 空 间中 测 量 的 需 求-。水 下 工 程 具 有 隐 蔽 性 和 复 杂 性 特 点，工 程 施 工质 量 控 制 与 运 营 期 维 修 养 护 难 度 都 相 对 较 大，水 下地 形 测 量、结 构 物 外 观 检 测 及 缺 陷 识 别 技 术 越 来 越受 到 重 视-。输 水 隧 洞 是 一 种 在 山 体 中 或 地 下 开挖 的 封 闭 过 水 通 道，隧 洞 进 水 口 位 于 水 下，水 深 往往 较 深，水 下 检 测 对 于 保 证 工 程 施 工 质 量 和 运 营 期结 构 的 安 全 运 行 具 有 重 要 作 用。传 统 的 输 水 隧洞 水 下 检 测 方 法 依 靠 潜 水 员 手 持 水 下 摄 像 和 测 尺进 行 检 查 量 测，在 复 杂 的 水 下 环 境 中，这 种 检 测 方法 效 率 较 低 且 存 在 安 全 隐 患。安 全、高 效、准 确地 获 取 复 杂 水 下 工 程 结 构 的 实 际 状 态 是 水 下 检 测技 术 研 究 和 发 展 的 关 键 问 题。本 文 以 某 输 水 隧 洞 进 水 口 岩 塞 爆 破 后 水 下 检测 为 例，综 合 利 用 多 波 束 声 呐、水 下 机 器 人、彩 色图 像 声 呐 等 声 学 和 光 学 相 结 合 的 海 洋 测 量 技 术，获得 高 精 度、全 覆 盖、高 时 效 性 的 输 水 隧 洞 进 水 口 测量 数 据。利 用 多 波 束 声 呐 测 深 实 现 输 水 隧 洞 进 水口 岩 塞 爆 破 后 水 下 地 形 全 覆 盖 测 量，测 量 型 水 下 机器 人 搭 载 彩 色 图 像 声 呐 和 高 清 水 下 摄 像，深 入 隧 洞内，测 量 进 水 口 岩 塞 段、锁 口 段 和 集 渣 坑 断 面，并 呈现 爆 破 后 洞 身 衬 砌 质 量 和 集 渣 坑 内 块 石 堆 积 状 况。综 合 利 用 海 洋 测 量 技 术，以 期 实 现 复 杂 环 境 水 下 隧洞 的 安 全、高 效、全 覆 盖 检 测，为 相 关 水 下 工 程 测 量提 供 借 鉴。测 量 方 法 和 原 理.多波束测深系统多 波 束 声 呐 是 一 种 水 下 地 形 测 量 设 备，由 发 射基 阵、接 收 基 阵、表 面 声 速 仪、运 动 传 感 器、罗 经、声 速 剖 面 仪 和 数 据 采 集 与 处 理 计 算 机 组 成 多波 束 测 深 系 统，如 图（）所 示。其 中，发 射 基 阵发 出 声 脉 冲，脉 冲 在 水 中 传 播 并 被 水 底 物 体 反 射，反射 信 号 被 多 个 接 收 基 阵 接 收，表 面 声 速 仪 实 时 提 供表 面 声 速，罗 经 为 测 量 船 航 行 提 供 方 向，姿 态 仪 在 测量 过 程 中 改 正 船 体 姿 态，系 统 则 为 测 量 提 供 实时 定 位。定 位 与 水 深 测 量 同 步 进 行，获 取 实 时 测 深 点三 维 坐 标，声 速 剖 面 仪 在 后 期 改 正 水 体 剖 面 声 速。多 波 束 测 深 原 理 如 图（）所 示，相 对 于 单 波 束而 言 具 有 质 的 飞 跃，多 波 束 通 过 一 个即 可 完 成一 个 条 带 上 几 十、几 百 甚 至 上 千 个 点 的 水 深 精 确 测量，通 过 两 两 叠 加 后 形 成 一 定 数 量 的 波 束 脚 印。多 波 束 测 点 密 度 大、精 度 高、可 视 化 好，能 完 成 常 规 方法 难 以 胜 任 的 任 务，在 微 地 形 测 量 方 面 具 有 明 显优 势。图多 波 束 测 深 系 统 示 意 图.水下机器人测量系统在 复 杂 多 变 的 水 下 环 境 中，水 下 机 器 人（简 称）探 测 更 具 优 势。常 用 于 水 下 环 境 观 察、检 测 和 施 工，作 为 各 种 传 感 器 的 载 体 平 台，为 传 感器 的 使 用 提 供 了 新 的 方 式-。本 文 以 自 主 研 制的 测 量 型为 载 体，其 外 观 和 搭 载 的 设 备 如 图所 示。核 心 部 件 是 水 下 推 进 器 和 水 下 摄 像 系 统，本体 有台 推 进 器，可 实 现 升 沉、进 退、回 转、横 滚 等 自由 度 灵 活 运 动，辅 以 导 航、测 深 和 结 构 物 外 观 扫 测。图观 察 型系 统 示 意 图测绘通报年第期测 量 型尺 寸 和 重 量 较 小，负 载 较 低，由 水面 设 备 和 水 下 设 备 两 部 分 组 成，通 过 脐 带 缆 连 接。其 中 水 面 设 备 包 括 甲 板 单 元、绞 缆 车、释 放 回 收 设备、电 源 及 导 航 与 数 据 采 集 系 统 等；水 下 设 备 主 要由 潜 器、成 像 系 统、水 下 定 位 跟 踪 系 统 等 部 分 组 成。通 过 脐 带 缆 提 供 动 力 电 源 及 通 信 功 能，具 有 不受 供 给 限 制、数 据 实 时 传 输 显 示、脐 带 缆 能 够 承 受一 定 抗 拉 强 度 等 优 点，多 用 于 常 规 检 测 作 业。测 量 系 统 校 准.多波束测深系统校正多 波 束 测 深 系 统 误 差 主 要 来 源 是 各 传 感 器 安装 偏 差 和 船 体 运 动 引 起 的 误 差。声 呐 基 阵（发 射 基阵 和 接 收 基 阵）的 安 装 无 法 保 证 与 水 平 面 保 持 平 行或 垂 直，存 在 横 向、纵 向 和 艏 向 安 装 偏 差，罗 经 零 点指 向 与 船 体 方 向 也 存 在 微 小 偏 差。在 水 面 测 量 作业 时，遇 到 风 浪、测 量 船 加 减 速 和 转 弯 等，船 体 姿 态会 发 生 较 大 改 变，从 而 引 起 船 体 运 动 误 差。另 外，定 位 与 多 波 束 测 深 之 间 存 在 时 延 误 差。通 过 采 集 水 下 平 坦 地 形 或 具 有 明 显 特 征 地 形区 域 数 据 进 行 传 感 器 安 装 偏 差 校 正。定 位 时 延 误差 可 采 用 秒 脉 冲 实 时 改 正。船 体 运 动 引 起 的 偏 差，包 括 罗 经 指 向、船 体 的 升 沉、横 摇、纵 摇，通 过 罗 经和 姿 态 传 感 器 实 时 改 正。多 波 束 测 深 系 统 误 差 误差 校 正 完 成 后 地 形 剖 面 如 图所 示，剔 除 不 规 则 的反 射 散 点，校 正 完 成 后 所 有 测 深 条 带 在 相 同 位 置 测点 均 是 重 合 的。图多 波 束 测 深 系 统 校 准 后 条 带.多波束系统测深精度对比多 波 束 测 深 系 统 经 校 准 后，还 应 对 系 统 的 综 合测 深 误 差 进 行 评 定，包 括 内 符 合 和 外 符 合 精 度 对比。内 符 合 精 度 对 比 方 法 是 选 择 水 深 大 于 或 等 于测 区 内 最 大 水 深、水 下 地 形 平 坦 水 域，按 正 交 方 向分 别 布 置 测 深 线 进 行 多 波 束 测 量，并 对 比 重 叠 部 分的 水 深，水 深 比 对 不 符 合 值 点 数 要 求 不 超 过 比 对 点数 的。外 符 合 精 度 对 比 是 采 用 单 波 束 声 呐 与 多 波 束声 呐 的 仪 器 对 比 方 法，单 波 束 声 呐 测 深 原 理 较 简单，声 呐 换 能 器 直 接 向 下 发 射 声 波，利 用 计 时 器 计算 声 波 传 递 时 间，从 而 计 算 出 换 能 器 到 水 底 深 度。选 择 水 深 大 于 或 等 于 测 区 内 最 大