多波束测深系统在水下整治建筑物的检测应用

耿智海，杨俊凯，颜惠庆，于峰

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

随着长江沿岸经济的不断发展，航运需求的不断增大，为整治长江航道，交通运输部于2015年6月开展了长江南京以下12.5 m深水航道二期工程。口岸直水道落成州段是二期工程的一个重点整治河段，2017年1月落成洲整治建筑物工程基本完成。深水航道及其整治建筑物的修建，使落成洲左右汊分流稳定，水流对落成洲的冲刷减小。整治建筑物经过水流冲击可能存在一定的水毁受损情况，进而威胁整治建筑物的整体稳定性。为了解落成洲整治建筑物附近地形变化及护底软体排排体状况，需对水下整治物进行定期检测，从而指导整治建筑物的维护工作。

常用的水下整治建筑物的检测方法有水下摄像、潜水探摸、单波束、侧扫声呐、超短基线定位、多波束等。水下摄像及潜水探摸都由人工实施，效果受水质、水流及风浪条件影响较大，大范围实施有难度，且存在一定的安全风险[1]。单波束测点密度低，不能反映整治建筑物完整的真实形态。侧扫声纳定位误差较大，难以满足整治建筑物定量检验精度要求。超短基线定位设备组成及使用较复杂，费用昂贵，一般在需要精确定位时使用。多波束测量有与单波束近似的测深精度，同时具有全覆盖优势，可以得到与侧扫声呐类似的地貌渲染图，便于掌握整治建筑物及周边整体地形地貌，对坝体局部冲刷、坍塌等也能反映，可应用于水下整治建筑物的检测[2-3]。为检测落成洲整治建筑物附近地形变化及护底软体排排体状况，采用RESON SeaBat T20-P多波束测深系统在整治建筑物坝头冲刷较为明显的区域进行水下地形扫测，获取了水下整治建筑物真实地貌图，实现了水下隐蔽工程检测的可视化与定量化，能有效指导水下整治建筑物维护工作。

1 多波束测深原理

RESON SeaBat T20-P多波束测深系统具有便携性、高性能等特点，其由200/400 kHz频率换能器、GNSS接收机、姿态传感器、声速剖面仪、表层声速仪、便携式声呐处理器、计算机及数据采集软件组成。如图1所示。传统的水深测量需要人工验潮，即在测量区域设立验潮站，测后对多波束数据进行潮位改正[4]，而本项目采用GNSS-RTK采集实时潮位信息。一方面多波束系统通过与GNSS流动站连接，在秒脉冲PPS技术的协同下自动同步接收并记录实时位置信息，其在提供精确的导航定位服务同时不再需要定位延迟校正。另一方面可以获取到实时的无验潮潮位信息，避免了测量水域范围超出了验潮站的有效作用范围或者因无法架设验潮站而不能获取实时验潮资料时等情况[5]。

图1 RESON SeaBat T20-P多波束测深系统组成Fig.1 The composition of RESON SeaBat T20-P multibeam sounding system

2 应用过程及分析

2.1 工程区域

二期工程落成洲整治建筑物位于扬中河段，主要整治建筑物包括：落成洲头部潜堤长1700 m，左汊丁坝LL2长500 m，右汊丁坝LR2长1 085 m。项目组于2018年5月（汛前）对落成洲LL2、LR2丁坝区域（前期监测发现冲刷较为明显）开展了多波束测量。测量区域如图2所示。

图2 测量区域示意图Fig.2 The schematic diagram of measuring zone

2.2 应用过程

多波束测深精度除了与仪器本身性能有关以外，还与定位、姿态仪等外围设备性能及校准情况紧密相关。为了保证测量精度，多波束测深系统严格按照以下流程进行：

1）测线布设。主测深线布设：多波束测深线布设成平行于整治建筑物轴线的走向，实时监测有效扫宽，确保侧向重叠不少于30%；单波束检查测深线布设：检查测深线垂直于主测深线均匀布设，并至少通过每一条主测深线1次，其总长不小于主测深线总长的5%。

2）多波束测深系统安装。多波束换能器采用舷外安装方式，固定在距测量船首1/3～1/2综合噪声较小处；建立船体坐标系，准确量取姿态传感器、GNSS天线、换能器在船体坐标系中的位置参数；位置参数量取时，读数至厘米，往返各1次，水平方向往返读数互差小于5 cm，竖直方向往返读数互差小于2 cm，2次读数在限差范围内时，取平均值作为量取结果。

3）多波束测深系统校准。由于多波束换能器与姿态传感器每次安装的相对位置不同，按文献[6]要求，多波束测深系统在测量前需进行横摇、纵摇、艏向校准。因此在正式测量前选择平均水深不小于对应测段的最大水深，布设2条平行测线，测线间重合不少于50%。橫摇校准：选择在平坦的水域沿同一条测线往返同速测量；纵摇校准：选择在有坡度的水域沿同一条测线往返同速测量；艏向校准：选择在有坡度的水域沿平行线同速同向测量。每种姿态校准参数选择3组以上的测量数据，由2人分别计算，取平均值作为最终校准结果，参数一经确定，测量过程中不能随意修改。本次测量校准后横摇值为2.39，纵摇值为-2.33，艏向值为3.13。

4）十字交叉比对。经过横摇偏差、纵摇偏差和艏向偏差测定与校准后，对其综合测深误差进行测定，测试区域选择在水深≥测区内的最大水深、水下地形平坦的水域按正交方向分别布设多波束测深线进行测量，并比对重叠部分的水深，本次水深比对不符值的点数均在要求范围之内。

5）多波束数据处理。检查多波束测深系统改正数、静吃水和动吃水以及校准情况等；向PDS2000软件内导入原始数据，进行系统参数、声速、姿态数据检查，未发现数据异常、水深漏空、测深信号质量差等不符合测量精度要求的情况。利用PDS2000进行水深数据编辑，声速剖面改正和潮位改正，声速改正文件采用MiniSVP声速剖面仪测量声速数据，潮位数据采用GNSSRTK潮位，按10 min间隔取潮位数据。根据测区水下地形的变化趋势及相邻重叠水深情况，采用人机交互方式对水深数据进行判断、编辑、剔除假水深信号。最后，对多波束数据进行网格化处理，格网边长不大于0.5 m，且在格网内取平均水深，形成最终整治建筑物真实地貌图，实现了水下整治建筑物的可视化。最后为配合水下整治建筑物定量化分析，提交大比例尺水下地形图。

2.3 水毁状况分析

根据整治建筑物水下地貌图，如图3所示，可以看出左汊丁坝LL2整治建筑物整体保存完整，水下软体排基本未受水流冲击而破损；而右汊丁坝LR2附近受水流的持续冲刷形成了3个明显的冲刷坑，如图3（b）方框内所示，其中1号、2号冲刷坑的形成导致了水下软体排边缘呈现出一定的水毁现象，但排体主体结构仍保持完整，未威胁到丁坝稳定性，而3号冲刷坑已经侵入软体排主体结构，导致排体坍塌，随即提出了对损坏的排体进行加固维护的建议。

图3 水下地貌图Fig.3 The geomorphologic map of underwater

2.4 精度分析

为实现水下整治建筑物的定量分析，需保证多波束测深精度，因此，项目组为验证多波束测深系统的测量精度，同期对整治建筑物开展了单波束测深，将同一点单波束与多波束测深数据进行对比分析。检查线与主测线百分比大于5%，主测线与检查线共相交205个点。其主测线与检查线水深比对统计如表1所示。

根据文献[6]中所规定的测深精度，在水深小于30 m的水域测深精度应满足“特等”要求，即，式中：Δ为测深极限误差；a=0.25 m为系统误差；b=0.007 5为测深比例误差系数；D为水深，m。多波束与单波束水深极限误差为ε=±Δ。根据文献[6]多波束测深精度计算公式，以平均水深10 m为例，其多波束测深误差为26 cm，与单波束比对的极限误差为37 cm，且结合表1统计的水深互差信息，可知多波束与单波束测深不符值的点数不超过总点数的15%，因此，认为此次多波束测深精度满足文献[6]中规定的限差要求。

表1 主测线与检查线水深比对统计表Table 1 The comparison of water depth between main and detection lines

在水深互差统计的过程中发现在坡度较大处的两者差值明显较大，说明地形变化越剧烈，两种方法的水深差异越大。分析原因为在地形变化剧烈区域定位精度、测船姿态及波束角影响对测深的影响较大。

3 结语

为检测落成洲整治建筑物水毁情况，采用RESON SeaBat T20-P多波束测深系统结合GNSSRTK实时定位技术对水下整治建筑物进行了扫测，获取了水下整治建筑物真实地貌图，实现了隐蔽工程检测的可视化与定量化。主要结论如下：

1）通过单波束与多波束水深互差的统计分析，两种方法的水深差异满足规范要求，证明利用多波束测深系统进行水下整治建筑物检测的方法是可行的，能够保证检测精度。

2）多波束较传统单波束断面检测方法，因其具有高数据密度的特性，可获取到更多的信息量，更容易发现局部冲刷与坍塌等安全隐患，从多波束地貌图还可以直观地看出排体边缘线及相邻排体之间的搭界情况，可更好地指导水下整治建筑物维护工作。