千里江堤作為上海四道防汛防線之一，對其防汛墻安全防控管理是堤防管理部門的一項重要工作。上海對防汛墻開展的“兩查”工作（日常巡查及專項檢查）有效防控了防汛墻發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險。其中專項檢查采用周期監(jiān)測等專業(yè)技術(shù)手段為防汛墻安全防控提供堅實的技術(shù)支撐，采用多波束測量系統(tǒng)進(jìn)行跨河橋梁墩、臺影響范圍內(nèi)的河底及防汛墻前地形掃測，采集的數(shù)據(jù)較單波束更為精細(xì)和直觀。該技術(shù)也將更多地運用于未來水下地形的測量，研究其作為防汛墻安全防控方面技術(shù)手段的適應(yīng)性具有重要意義。

一、項目背景

上海的跨河橋梁建設(shè)數(shù)量逐漸增多，同時橋梁墩、臺及上下游防汛墻的沖刷問題也日益嚴(yán)重。此外，上海地區(qū)的堤防大都位于軟土地區(qū)，易受地質(zhì)條件、水文條件、氣候條件、人為因素等的影響而發(fā)生滑塌。滑塌的發(fā)生對防洪及人民生命財產(chǎn)的安全都會產(chǎn)生極大的影響，對滑塌的堤防進(jìn)行修復(fù)搶險也耗費大量的人力物力。多波束作為一種先進(jìn)的測量技術(shù)，可為跨河橋梁墩、臺對上下游河床沖刷及防汛墻影響研究提供有力的技術(shù)支撐。

二、痛點分析

傳統(tǒng)多波束測深系統(tǒng)，所需測量船只船體較大、測深設(shè)備裝卸復(fù)雜，故測量船搭載多波束方式適用于水深、開闊水域，一般用于海域測量及湖面測量。橋墩、臺上下游水面變窄，通航船只集中，搭載測深儀的大型測量船，靈活性不足，航行受干擾嚴(yán)重，測量的便捷性及精確性受到較大影響。

三、實施方案

多波束測深系統(tǒng)根據(jù)其搭載平臺不同分為測量船搭載式及無人船便攜式。本案例區(qū)域水深相對較淺，過往船只較多。綜合考慮后采用無人船便攜式，使用中海達(dá)最新研發(fā)的iBeam 8140P多波束測深系統(tǒng)集成搭載于中海達(dá)iBoat BS15無人測量船。該方案較傳統(tǒng)測量船搭載多波束測深系統(tǒng)的方式具有體積小、集成度高、操作便利、安全高效、精度高、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢。

▲無人船便攜式

▲測量船搭載式

四、作業(yè)過程

1.外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1） 測線布設(shè)

在測量范圍內(nèi)存在通航船只和阻水構(gòu)筑物（橋墩、臺），水下地形呈中間深，兩岸淺，采用垂直于河道布設(shè)測線，覆蓋整個測區(qū)；垂直于測線布設(shè)檢查線。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，多波束掃測條帶重疊度不低于50%。

2）多波束校準(zhǔn)

多波束校準(zhǔn)主要為船體姿態(tài)校準(zhǔn)與測量深度校準(zhǔn)。姿態(tài)校準(zhǔn)包含橫搖、縱搖和艏搖。

3）航速確定

攔路港受潮汐影響流向、流速紊亂，來往船只較多，船行波對無人船的航行穩(wěn)定存在一定干擾，為保證無人船航行安全及多波束采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)。綜合各種因素，本次數(shù)據(jù)采集過程中無人船航速控制為2m/s。

4）數(shù)據(jù)采集

運用中海達(dá)自主研發(fā)的Hi-MAX多波束采集后處理軟件實時控制數(shù)據(jù)采集。在行船轉(zhuǎn)彎、掉頭以及受船行波等影響導(dǎo)致多波束測深系統(tǒng)姿態(tài)不穩(wěn)時停止數(shù)據(jù)采集。同時施測技術(shù)人員根據(jù)軟件顯示實時水下情況，調(diào)整增益參數(shù)。多波束測量控制界面如下圖。

▲多波束測量軟件控制界面圖

2.數(shù)據(jù)后處理及成圖

通過中海達(dá)自主研發(fā)的Hi-MAX 多波束采集后處理軟件，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

1）新建項目導(dǎo)入測線：需要處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hi-MAX多波束采集后處理軟件。

2）參數(shù)設(shè)置：檢查并校準(zhǔn)參數(shù)。將設(shè)置的參數(shù)計算波束點地理位置。

3）潮位改正：選擇無驗潮改正。

4）聲速改正：選擇單剖面聲速改正模式。

5）數(shù)據(jù)融合：測線應(yīng)用所設(shè)置參數(shù)進(jìn)行聲線跟蹤，重新計算波束點位置。

6）數(shù)據(jù)編輯：查看橫搖、縱搖、涌浪、航向、航跡數(shù)據(jù)，如果有異常數(shù)據(jù)，利用傳感器數(shù)據(jù)的編輯功能處理異常數(shù)據(jù)。

7）成果導(dǎo)出：導(dǎo)出處理過的波束點云數(shù)據(jù)。

五、成果展示

本案例進(jìn)行滬昆線跨攔路港橋上下游100米范圍內(nèi)水下地形及跨河橋墩、橋臺、防汛墻結(jié)構(gòu)的掃測，獲取了兩個研究點位的多波束測量數(shù)據(jù)。測量面積85421㎡，形成0.1m*0.1m密度三維點880萬點。

數(shù)據(jù)的后期采用ArcGis軟件進(jìn)行處理、展示與分析。首先，采用該軟件對本次測量數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換生成TIN三維數(shù)據(jù)。其次，采用ArcSene軟件對研究點位的橋梁墩、橋臺、防汛墻按其空間位置制作實體灰體模型，后將TIN數(shù)據(jù)、灰體模型以及收集到的dwg數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)疊加，可直觀形象展示研究區(qū)域的地物地貌情況。疊加圖如下：

▲滬昆線跨攔路港橋多源數(shù)據(jù)疊加圖

▲滬昆線跨攔路港橋多源數(shù)據(jù)疊加圖

▲滬昆線跨攔路港橋等深線圖

▲滬昆線跨攔路港橋邊坡坡度圖

六、項目總結(jié)

1.多波束的適用性

通過本案例分析，無人船多波束測深系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)精度較高，能夠滿足水上建構(gòu)筑物及河床沖刷分析的需求。

2.跨河橋梁墩臺對河道河床沖刷影響

通過對本案例實測數(shù)據(jù)分析可得，跨河橋梁墩臺對其上下游河道河床沖刷產(chǎn)生影響，一般會于跨河橋梁處形成沖刷泓溝，上游臨近橋梁及橋梁下游一定距離范圍內(nèi)河床沖刷明顯。

3.橋梁墩臺對其本身與防汛墻的影響

通過對本案例實測數(shù)據(jù)分析可得，跨河橋梁的橋墩、橋臺及上下游防汛墻附近河床邊坡明顯變陡，增加了橋墩、橋臺及上下游防汛墻基礎(chǔ)淘刷失穩(wěn)的風(fēng)險。

審核編輯 黃宇