GeoSwath Plus在高樁碼頭樁基基礎監(jiān)測中的應用

雷力軍，別偉平，王 頔

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

GeoSwath Plus在高樁碼頭樁基基礎監(jiān)測中的應用

雷力軍，別偉平，王 頔

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

本文主要介紹了GeoSwath Plus相干多波束系統(tǒng)的工作原理、技術參數(shù)，并將其應用在高樁碼頭樁基基礎監(jiān)測中，系統(tǒng)的介紹了其具體操作流程，生成三維地形地貌圖，在地形圖中清楚地顯示水深相對高差厘米級的地形起伏，能較為清楚地顯示各種水工建筑對于高樁碼頭不同形式改造的痕跡。在實際應用中展示出了GeoSwath Plus相干多波束系統(tǒng)較其他常規(guī)多波束系統(tǒng)的高精度優(yōu)勢，為GeoSwath Plus相干多波束系統(tǒng)在基礎監(jiān)測中的應用提供參考借鑒。

GeoSwath Plus；相干多波束系統(tǒng)；水深測量；高樁碼頭監(jiān)測

引 言

近年來，隨著現(xiàn)代技術飛速發(fā)展，多波束探測技術作為一種高效率的海底地形測量技術在國內(nèi)海洋基礎勘測中逐漸發(fā)展成熟[1～3]。該技術由聲學技術、計算機技術、導航定位技術和數(shù)字化傳感器技術等多種技術高度集成，通過多組陣和廣角度發(fā)射與接收，形成條幅高度水深數(shù)據(jù)。多波束探測系統(tǒng)按照工作原理可分為2種：1）電子多波束測深系統(tǒng)，基于特定角度下，測量反射信號的往返時間獲取不同角度的水深數(shù)據(jù)；2）相干多波束測深系統(tǒng)，基于特定時間下，測量反射回波信號的角度獲取斜距或角度測量的結果[4]。GeoSwath Plus（多波束測深系統(tǒng)）即為相干多波束測深系統(tǒng)，其基于相位測量技術的系統(tǒng)較常規(guī)波束形成的多波束系統(tǒng)，在角度分辨率方面具有巨大的優(yōu)勢。基于其淺水高分辨水下地形測量的特點，在某工程項目中，選取GeoSwath Plus（多波束測深系統(tǒng)）開展高樁碼頭樁基基礎監(jiān)測。

1 工作原理及技術參數(shù)

GeoSwath Plus是GeoAcoustics公司集合水下聲納技術和換能器技術、數(shù)字信號處理（DSP）技術為淺水高分辨水下地形測量開發(fā)的基于 PC的、輕便型多波束條帶測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)射接收處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及實時處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)和外圍輔助設備組成（圖1）。GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)共配備2個換能器陣，呈V型結構，每個換能器由1個發(fā)射單元（或陣列）和4個接收單元組成，發(fā)射單元（或陣列）產(chǎn)生極窄的扇形聲學波束短脈沖，接收元件測量特定時間下聲吶脈沖的返回角度。利用電子技術計算垂面上的相位變化，通過相位，確定反射（散射）聲波的接收角度和返回脈沖的用時，根據(jù)不同接收換能器信號間的時間差（相位差）計算得到信號的角度，從而得到斜距或角度的測量結果[5～6]。其技術參數(shù)如表1所示。

圖1 GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)組成示意

表1 GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)參數(shù)

2 高樁碼頭樁基基礎監(jiān)測

2.1 項目概況

某港區(qū)水下地形測量工作，為了查明由于碼頭及引橋等水工建筑物的建設施工對樁基基礎所在處的泥面的沖刷程度，采用GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)進行水下地形測量。測量面積約0.6 km2，測區(qū)為不規(guī)則形長條形航道（圖2）。

圖2 研究區(qū)示意

2.2 設備安裝與參數(shù)校準

2.2.1 GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)安裝

GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)安裝測量船上。多波束測深儀的聲納換能器安裝在測量船的左舷；GPS定位儀的天線盤安裝在聲納換能器安裝桿的頂端；TSS Meridian電羅經(jīng)安裝在測量船的中軸線附近，TSS DMS-05三維運動傳感器安裝在廠家提供的V型架固定位置與聲納換能器成為一體；多波束系統(tǒng)安裝以聲納換能器安裝桿與海水面交點作為參考原點建立船體坐標系，定義船艏方向為X軸正方向，左側船舷方向為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，量取各傳感器相對于參考原點的位置，往返各量一次，取其中值。求得各傳感器相對位置均值如表2所示。

表2 各傳感器相對位置均值

2.2.2 GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)校準

選擇在海底特征明顯區(qū)域進行。在選擇的區(qū)域內(nèi)布設3條測線，布線間距為設備覆蓋掃測寬度的1/2～2/3，如圖3所示。

圖3 校準測線分布示意

測量船以約5.5 kn的速度分別按1-2、4-3、5-6方向沿測線航行。測線1-2和4-3是校準右側聲納探頭（starboard）的Roll、Pitch和Yaw值，而測線4-3和5-6是校準左側聲納探頭（Port）的Roll、Pitch和Yaw值，經(jīng)過多組校準參數(shù)數(shù)據(jù)的求取與比對，取最優(yōu)組合參數(shù)對儀器進行設置然后進行數(shù)據(jù)后處理。

本次工程中GeoSwath Plus 聲納換能器安裝2次，固定后進行校準測試，校準測定均值結果如表3所示。

表3 校準測定均值結果

工程使用多波束測深系統(tǒng)已通過同步采集GPS的ZDA（Time and Date）數(shù)據(jù)和1 PPS（pulse per second）數(shù)據(jù)，多波束系統(tǒng)時間同步GPS內(nèi)部時鐘，因此多波束測深系統(tǒng)無GPS時間延遲改正。

2.3 水深測量

測區(qū)北高南低，棧橋接岸處地面高程為5 m，碼頭前沿高程約-11 m，等深線呈東西順岸分布。工程中使用的 GeoSwath Plus多波束測深儀的波束開角寬0.85°，最大掃測寬度為水深的10～12倍。為保證同一條斷面掃測寬度保持一致，相鄰斷面銜接不出現(xiàn)漏掃區(qū)域，斷面按東西向布設，單側掃測寬度按照4.0倍水深設置。測深作業(yè)時，使用GPS RTK接收機輸出導航和定位數(shù)據(jù)；使用GS+軟件采集GeoSwath Plus多波束測深數(shù)據(jù)，對預定測區(qū)進行了全覆蓋掃海測量。同時使用聲速儀進行了多波束換能器位置的表面聲速測定和測區(qū)聲速剖面的測定。

2.4 水深數(shù)據(jù)處理

使用GS+軟件中的“Calibration”功能，求取多波束系統(tǒng)的安裝校準參數(shù)數(shù)據(jù)。使用 GS+軟件對每條斷面多波束原始數(shù)據(jù)進行“Navigation”和“Attitude”編輯，進行潮汐改正、聲速改正、數(shù)據(jù)濾波（分為振幅濾波、范圍濾波、橫向濾波和縱向濾波 4種濾波模式），生成“Swath”文件，由“Swath”文件生成0.5 m×0.5 m網(wǎng)格的“Grid”文件，最后由“Grid”文件輸出ASCⅡ.XYZ格式的坐標文件，再經(jīng)數(shù)據(jù)抽稀，最終生成滿足繪圖水深圖要求的水深點數(shù)據(jù)文件。

2.5 GeoSwath Plus多波束相鄰條帶重疊比對

GeoSwath Plus多波束相鄰條帶數(shù)據(jù)采集重疊率達40 %，通過GS+軟件的“difference”功能計算相鄰條帶重疊數(shù)據(jù)的“Standard Deviation”（標準差），差值分布在±0.07～±0.25 m之間，水深符合情況良好。

2.6 測量結果分析

將水深數(shù)據(jù)利用Surfer 9軟件生成的引橋及碼頭樁基處水下三維地形地貌圖進行對比分析，得出其樁基分布與三維地形地貌（圖4、圖5）。

圖4 樁基分布

圖5 三維地形地貌

對比分析可以發(fā)現(xiàn)，樁組YZ1和YZ2基礎處泥面無沖刷現(xiàn)象；樁組YZ3下形成直徑約15 m

的圓形沖坑，最低水深為-1.4 m；樁組YZ4下形成直徑約18 m的圓形沖坑，最低處水深為-1.3 m；樁組YZ5下形成直徑約25 m的橢圓形沖坑，最低處水深為-2.0 m；樁組YZ6下形成直接約13 m的圓形沖坑，最低處水深為-0.4 m；樁組YZ7下最低處水深為-2.4 m，周邊水深約為-1.5 m；樁組YZ8下最低處水深為-5.4 m，周邊水深約為-3.5 m；樁組YZ9下最低處水深為-7.3 m，周邊水深約為-5.5 m；樁組YZ10下最低處水深為-8.9 m，周邊水深約為-6.6 m；補償器墩6、補償器墩7和次固定墩7三個樁基間形成-10 m沖坑，最低處水深為-12.9 m；系纜墩1下最低處水深為-8.1 m，周邊水深約為-7.5 m；系纜墩2下最低處水深為-8.4 m，周邊水深約為-7.5 m；靠船墩1和靠船墩2之間形成-11 m等深線，最低處水深為-12.4 m；系纜墩3下最低處水深為-9.7 m，周邊水深約為-9.0 m；系纜墩 4下最低處水深為-11.2 m，周邊水深約為-9.5 m。

3 結 語

本工程采用GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)對測區(qū)進行了全覆蓋、無遺漏、高精度的掃海測量，對碼頭及引橋樁基基礎處泥面地形狀況有了一個比較全面掃測，為考察實際沖刷情況提供了詳實、可靠的基礎數(shù)據(jù)。GeoSwath Plus多波束測深系統(tǒng)在此工程中的應用在海底地形分辨率達到了厘米級，顯示出了其巨大的淺水高分辨水下地形測量優(yōu)勢，系統(tǒng)在經(jīng)過各種校準后，對水深變化在幾米到十幾米的高樁碼頭進行了測量，在局部地形圖中清楚地顯示了水深相對高差厘米級別的坑洼地形，直徑由幾米到二十幾米的近圓形地形起伏，清晰又直觀的顯示出了碼頭及引橋等水工建筑物的建設對與樁基基礎所在處的泥面造成沖刷現(xiàn)象。

[1]李珍,臺樹輝.條帶測深儀在小浪底泥沙淤積測驗中的應用[J].人民長江,2005,36(10):44-45.

[2]王志東.GeoSwath條帶測深儀原理探析及其應用[J].水運工程,2002,345(10):31-33.

[3]劉忠臣,周興華,陳義蘭,等.淺水多波束系統(tǒng)及其最新技術發(fā)展[J].海洋測繪,2005,25(6):67-70.

[4]GeoSwath Plus中潛水多波束條帶測深綜合測量系統(tǒng)技術文件[R].青島:青島海洋研究設備服務公司.

[5]劉東,王朝.兩種多波束系統(tǒng)差異對比分析[J].港工技術,2014,51(1):57-59.

[6]劉方蘭,肖波,羅偉東,等.GeoSwath多波束系統(tǒng)及其在航道測量中的應用[J].測繪工程,2009,18(4):49-54.

Application of GeoSwath Plus in Foundation Monitoring of Piled Berth Structure

Lei Lijun,Bie Weiping,Wang Di
(CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

An introduction is given to the operational principle and technical parameters of GeoSwath Plus coherent multi-beam system.The foundation of piled berth structure has been monitored by using the system,and the detailed operational process is described systematically.The system generates 3D terrain geomorphologic map which clearly shows the topographic relief with relative water-depth difference in the range of centimeter as well as the signs that piled berth structure is affected by various maritime structures.The practice shows the high-precision advantage of GeoSwath Plus coherent multi-beam system in comparison with other conventional multi-beam systems.The research results will provide a reference for the application of GeoSwath Plus coherent of multi-beam system in the foundation monitoring.

GeoSwath Plus; coherent multi-beam system; bathymetry; monitoring piled berth structure

TU473.1+6；U656.1+13

：A

：1004-9592（2016）06-0092-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160623

2016-04-25

雷力軍（1980-），男，工程師，主要從事工程測量方面工作。