多元技術聯合探測在甬江隧道沉管探測中的應用探究

劉俊汀，韓 愈

(寧波上航測繪有限公司，浙江 寧波 315200)

0 引 言

甬江水底隧道位于浙江省寧波鎮海的甬江入海口，為單孔雙車道汽車隧道，全長1019m，其產水下段420m，是采用5節85m×11.9m的鋼筋混凝土大型沉管水底對接而成。修建在海相沉積，飽和流塑狀的黃色淤泥質黏土的軟弱地基上。河道淤積嚴重，實測淤強為16cm/d。采用拋石回填基礎和專用的清淤設備，順利完成了工程，為我國在軟弱地基上修建沉管隧道積累了經驗。甬江水底隧道是我國第一條用“沉管法地基上的大型水底交通隧道。

1 多波束掃測

外業掃測中，需對換能器安裝偏差進行校準。校準線選擇在測區有代表性(包含平坦及陡峭地形)區域，布設一條倒8字測線，半倒8字半徑約100m，往返掃測，直至水深控制軟件GUI將系統計算姿態參數(Roll、Pitch、Yaw)并對測深數據進行改正計算。

利用GPS-RTK定位測量自動化系統進行，連接好各設備間通訊線，完成各項設備工前調試，保證各項設備正常工作。根據現場水深情況，測區沿東西方向布設主測計劃線，布線間距為10m，根據所測水深情況，滿足測量覆蓋率>20%來選擇合適測線，在測量區域進行全覆蓋掃測。作業船只按布設的測線上線，并根據電腦指示隨時修正航向并保持航速(船速≤4kn)。水深測量儀器采用Norbit多波束測深系統，與利用GPS-RTK定位測量自動化系統連接，采用QINSY軟件對實施水深數據、定位數據的同步實時采集。

外業實施測量過程中，使用表面聲速剖面儀測定探頭處聲速，將聲速數據實時輸入多波束采集系統進行水深的自動改正。測量前后使用自容式聲速剖面儀在測區最大水深處采集聲速剖面數據，用于內業數據水深改正[1]。

2 淺地層剖面探測

SES-2000標準型參量陣淺地層剖面儀為德國Innomar公司的產品，該系統采用差頻原理進行淺地層剖面探測和精確水深測量，具有很高的分辨率(100KHz換能器束角僅為1.8°)，適合于淺地層精確探測。僅由一個工作站就能完成數據采集及后處理等全部工作，換能器小巧輕便，安裝快捷，是進行淺地層剖面及高精度水深測量的最佳設備。

淺地層剖面儀換能器采用固定安裝方式，將淺地層剖面儀換能器部署在船舷，測量前對換能器的吃水和位置進行了量測，將吃水深度在SESWIN數據采集軟件中進行吃水改正，提高探測數據精度。

淺剖測量同時記錄水深數據和淺剖數據。根據現場水下地形復雜，目標海域水深情況，在保證測量區域的覆蓋程度和作業人員、設備的安全的前提下進行淺剖探測作業。

淺剖作業過程中，測船航速保持穩定，一般控制在3-4節。采集數據同時保存為*.ses和*.raw兩種格式，每條測線記錄一個文件。每天作業前，做好儀器的調試，校對儀器中各測量參數的準確性，并做好記錄；作業過程中，值班人員做好作業過程值班記錄；作業結束后，做好數據整理、備份，并進行數據預處理和回放。

3 三維激光掃測

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠快速掃描物體表面的三維點云數據，每秒獲取的點云數量達到百萬級以上，能完整和精細的表達出測量對象表面情況。

3.1 掃描站點布設

在現場數據獲取階段，掃描站點的布設對數據質量有很大影響。合理的布置掃描站點位置既可以減少工作量、減少數據冗余，又可以得到拼接精度高的整體點云模型。在保證掃描精度的情況下，在每個掃描站點位置應能最大范圍地掃描到目標場景，同時盡量確保每個掃描站點上無被遮擋區域[2]。

3.2 影像獲取

掃描前儀器內置相機自動連續拍攝掃描區域的全部影像，并保存影像數據到影像文件中。為后續點云賦色和紋理貼圖提供影像數據。

4 數據處理與分析

4.1 多波束數據處理

本次測量的內業數據處理采用專業海道測量軟件Qimera軟件，最終輸出三維圖像和水下地形點坐標及高程。具體流程如圖1所示。

將清理后的數據輸出到ASCII文件，生成數據。最終生成水下地形三維效果圖。

4.2 淺地層剖面數據處理

使用淺剖設備配備的Innomar ISE分析軟件處理淺剖數據，讀取定位點信息。淺地層剖面儀的數據經后處理輸出圖像。根據模擬剖面記錄，判讀地層的基本情況，通過地質剖面的地層斷裂和錯位情況進行分析判斷。

在Innomar ISE軟件工具欄中標定出現其平面位置與其深度信息。

通過判讀，最后輸出泥面數據和巖層面數據，通過差值得出泥面厚度和拋石厚度信息。

最后將分層數據分別以“txt”導出，導出后將分層數據做差值，差值即為泥層厚度。

4.3 三維激光內業點云數據處理

4.3.1 數據導入

點云數據內業軟件主要采用Autodesk Recap軟件，具體步驟如下：

1)導入點云數據導入的為固定格式點云文件。

2)選擇[添加文件]按鈕，彈出文件打開對話框，在數據目錄下選擇一個或多個文件，點擊確定后，所選擇的數據文件顯示到列表中。

4.3.2 點云拼接

對于在已知控制點上設站使用測站后視法和后方交會法采集的點云具有絕對坐標不需要拼接，自由設站上掃描的點云需要使用標靶拼接和形狀匹配法自動拼接各站數據。

在Recap中使用自動拼接模式拼接各站點云，軟件基于自身算法將重疊度較高的點云自動拼接完成，如果相鄰站之間重疊度較低，則可能拼接失敗，此站獨立成組，待人工手動拼接。對于無法自動拼接的測站，采用手動拼接模式拼接，在Recap測站拼接界面選擇選點工具，在左右兩側分別選擇同一特征點，特征點盡量選擇沒有凸起且不可移動的物體表面，一共選擇三次，三次特征點需處于不同的平面上。

4.3.3 點云去噪與平滑

原始三維激光點云數據包含了大量的無關信息和粗差，即所謂的噪聲點。這些噪聲點產生原因是多方面的，如運動目標反射信號產生的數據、局部的跳變數據、前景遮擋數據以及無回波信息的局部空洞(如激光穿透玻璃)等。噪聲的存在嚴重影響對點云數據的理解和成圖。點云去噪包括軟件自動過濾和人工去噪。本次作業中，為保證成果質量，基本采用人工去噪的方式，在Recap中選中工具，圈選噪點部分刪除。

4.3.4 點云導出

將點云導出 E57 格式或者進行切片后繪制剖面圖。

5 數據整合

根據需求，將多波束點云數據、淺地層剖面數據以及三維激光掃描點云數據整合，通過軟件處理將點云數據生成隧道模型圖。

6 結 語

隧道監測技術隨著科學技術的發展越來越廣泛，探測方法也越來越多樣化。本次應用多波束系統、淺地層剖面探測系統以及三維激光掃描系統聯合探測方式，相比較單一測量方式所得到的效果顯然會更好。多波束點云數據生成的水下三維效果圖，可以形象的展示出水下泥面情況，還可以獲得水下地形的點云數據，獲得泥面高程數據；淺地層剖面探測系統可以探測到泥面以下的基巖層，獲得管道上方的泥面厚度，從而得出沉管頂部標高；三維激光掃描可以獲得隧道內部的點云，生成影像圖，清晰直觀的了解隧道內部的高程情況以及沉管銜接位置。除此之外，多元技術聯合探測不僅可以更加直觀形象的反應隧道的情況，而且，多次測量還能更加精準的反應隧道的變形情況和埋深變化情況。所以，多元技術聯合探測方法在隧道監測方向上會是很好的突破，將會在隧道探測的方式上奠定基礎，也可以保證隧道探測結果的真實性，開展隧道監測方向的新紀元[4-5]。