岩塞口空间地理信息获取方法研究与应用

包德高

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110006)

1 概 况

某引水隧洞由进水口(岩塞口)、有压隧洞、检修竖井、调压井、出口电站及供水支线组成，主洞全长约100km。岩塞口位于水源地水库库内右侧山体，岩塞口中心点高程为208m，水库运行水位多在230m-248m，对应岩塞扣上部水深约为26m-44m。岩塞口是整个引水隧洞的咽喉部位，其空间地理信息数据是后续工序开展的基础数据，一旦基础数据质量出现问题，将直接影响设计质量和工程执行力度，还会产生难以估量的经济损失和社会影响。常规的水下测量可通过GPS技术配合常规的测深系统来完成，但岩塞口整体的复杂环境，从洞口到主洞起点长度约14m，采用常规水下测量方法无法完成任务，由此引进多波束测深系统和三维声呐扫描系统。

图1 水下岩塞整体设计三维图

2 技术路线

多波束测深系统是高度集成了数字化传感器技术、现代信号处理技术、高精度导航定位技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术和其他相关高新技术等多种技术[1-2]，一种将多传感器复杂组合在一起的水下作业系统,能够精准、快速地获得沿航线一定有效宽度内水下物体目标的形状、高低、大小变化和水底地形的三维特征。外业水下测量数据采集工作效率高，属于面测量形式，宽覆盖，基本能做到无遗漏。是目前国内应用最广泛、较先进的水下地形测量系统[3]。

声呐是利用声波对水中的所有目标进行定位、探测和通信的水中电子设备，是水声学中应用最广泛、最有效，也是目前水中作业最重要的一种设备。作业时通过声呐头向水中发射固定频率的声波，每发射一次声脉冲，即可形成一个扫描扇，通过云台在竖直方向和水平方向的转动，可实现大范围扫描。声波在水中传播到达物体表面后反射，声呐头接收到反射声波传播的时间和回波强度值等声音信号，并将其转化为电信号，再将电信号传输至声纳控制单元，声呐控制单元采用专业的声呐操作处理软件把声呐头扫描到的数据信息进行处理，最终形成水下物体表面模型。

三维声呐扫描系统类似于三维激光扫描体统，不仅可获得水下目标距离、垂直和水平三维空间信息数据的同时，还可以提供扫描区域的整体三维模型。在水下介质中具有高分辨率、实时快速、高精度、吸收率较小、传播距离较远、全方位、三维和自动识别等特点。不容易受到细小的水体杂质的干扰，也不依赖外部光源，即适用于水下条件较好的作业环境，也适用于昏暗、浑浊的水下作业环境，有着广泛的应用前景。

多波束测深系统必须固定在测量船上与GPS设备进行连接，通过安装校准分析，准确获得船舶横摇、纵倾和艏摇及时延等校准参数，校准后可获得符合精度要求的绝对位置空间数据，但由于水下岩塞的特殊性，多波束测深系统的作业范围无法对岩塞口内部全覆盖。

较多波束测深系统，三维声呐扫描系统可全方位工作，但不能提供三维模型的绝对空间位置。而且三维声呐扫仪必须装载到三脚架上放置在固定点位或安装在水下机器人上进行扫描作业。

经过对比分析，针对岩塞口的复杂环境，考虑集成GPS PPK技术、多波束测深系统和三维声呐扫描系统，将多波速与三维声呐扫描获取的点云数据通过特征点匹配的方法进行融合，这样即解决了空间位置问题，又可形成水下塞口整体的三维模型，详见下图。

3 案例分析

3.1 三维模型获取

1)洞口三维模型

通过GPS PPK技术、Sonic202多波束测深仪与其匹配的Octans高精度姿态传感器使用多波束采集软件Qinsy进行多波束数据采集，共计记录9条测线。随后采用cairs软件对多波束采集的数据进行处理，数据经过安装姿态改正、噪点删除、潮位改正、声速改正、数据合并、生成表面、坐标转换、数据输出等步骤生成测区点云数据[8]，通过点云数据形成洞口三维模型。

图2 技术路线

2)洞内三维模型

由于洞内可能有钢筋裸露，采用水下机器人搭载三维声呐进行作业存在风险，经工作组讨论，决定先采用船舷安装的方式扫测，共计扫测3次，每次扫测30分钟左右，经现场数据分析，扫测数据未达到预期的效果。因此决定采取潜水员携带水下三维声呐BV5000坐底观测的方式进行作业。由于水下岩塞位置的复杂条件，通过单点位固定扫描不能获得全部内部信息，所以选择洞口和中间位置2个固定点进行扫描测量，扫描一次大概需要30多分钟，经确认数据无误后收工。内业数据处理采用 Proscan数据采集软件以及NaviModel Producer实测数据后处理软件共同进行，扫描的数据经过噪音干扰预处理、各站实测数据合，形成洞内的三维模型。

图3 洞内三维模型

3)整体三维模型

首先提取多波束与三维声呐重叠区域的特征点数据并对特征点数据进行匹配分析，过滤掉匹配残差较大的特征点后，进行两种不同格式的数据融合，形成整体的水下岩塞三维模型。

图4 水下岩塞整体三维模型

3.2 精度评定

工作人员在整个测量过程中，执行过程质量控制措施。质检人员对测量成果应进行质量验收，通过验收合格后才能交付使用。质检人员在钻探人员的配合下，利用交叉专业的成果对三维模型成果质量进行验收。共布设8个水下高程检查点，高程检查点在岩塞口洞口位置均匀分布。

表1 精度评定表

3.3 岩塞口契合度分析

为了验证水下岩塞爆破后现状与设计的契合度，以整体的水下岩塞三维模型为基础，以洞口为起点，垂直于洞轴线，向洞内方向布设断面，断面间隔为0.2米。将断面切面与水下岩塞三维模型相交所得的点云数据连接起来构成断面图。通过实际断面成果与设计断面比较发现：除进口底部左侧凸出一长度为4m、宽度2m、高度1.5m的岩体外，其余部位成型较好，与设计成果契合度较高。满足锥管和拦污栅的安置条件，可对欠挖部位不做处理，可直接节约处理欠挖部位所产生的生产成本约200万元，经济效益显著。

图5 设计与实际断面对比图

4 结 论

文章集成GPS技术、多波束测深技术和三维声呐扫描技术并应用于水下岩塞口测量中，特别针对小范围、静水区域、水深<40m的测量环境，使水下空间地理信息成果大幅度提升。为今后类似工程、水库大坝水下检测、水下探测、水下精密测量等提供了宝贵的经验和理论依据，具有较高的应用和推广价值。随着BIM技术的不断普及，可以将文章研究的技术路线与BIM技术相结合，探索一套全新的三维协调设计路线，更好的服务于工程。