案例|“CT”一扫， 水下地形一览无遗！多波束为魔都“沪”航

千里江堤作为上海四道防汛防线之一，对其防汛墙安全防控管理是堤防管理部门的一项重要工作。上海对防汛墙开展的“两查”工作（日常巡查及专项检查）有效防控了防汛墙发生失稳的风险。其中专项检查采用周期监测等专业技术手段为防汛墙安全防控提供坚实的技术支撑，采用多波束测量系统进行跨河桥梁墩、台影响范围内的河底及防汛墙前地形扫测，采集的数据较单波束更为精细和直观。该技术也将更多地运用于未来水下地形的测量，研究其作为防汛墙安全防控方面技术手段的适应性具有重要意义。

一、项目背景

上海的跨河桥梁建设数量逐渐增多，同时桥梁墩、台及上下游防汛墙的冲刷问题也日益严重。此外，上海地区的堤防大都位于软土地区，易受地质条件、水文条件、气候条件、人为因素等的影响而发生滑塌。滑塌的发生对防洪及人民生命财产的安全都会产生极大的影响，对滑塌的堤防进行修复抢险也耗费大量的人力物力。多波束作为一种先进的测量技术，可为跨河桥梁墩、台对上下游河床冲刷及防汛墙影响研究提供有力的技术支撑。

二、痛点分析

传统多波束测深系统，所需测量船只船体较大、测深设备装卸复杂，故测量船搭载多波束方式适用于水深、开阔水域，一般用于海域测量及湖面测量。桥墩、台上下游水面变窄，通航船只集中，搭载测深仪的大型测量船，灵活性不足，航行受干扰严重，测量的便捷性及精确性受到较大影响。

三、实施方案

多波束测深系统根据其搭载平台不同分为测量船搭载式及无人船便携式。本案例区域水深相对较浅，过往船只较多。综合考虑后采用无人船便携式，使用中海达最新研发的iBeam 8140P多波束测深系统集成搭载于中海达iBoat BS15无人测量船。该方案较传统测量船搭载多波束测深系统的方式具有体积小、集成度高、操作便利、安全高效、精度高、稳定性好、经济等优势。

▲无人船便携式

▲测量船搭载式

四、作业过程

1.外业数据采集

1） 测线布设

在测量范围内存在通航船只和阻水构筑物（桥墩、台），水下地形呈中间深，两岸浅，采用垂直于河道布设测线，覆盖整个测区；垂直于测线布设检查线。为保证数据的准确性，多波束扫测条带重叠度不低于50%。

2）多波束校准

多波束校准主要为船体姿态校准与测量深度校准。姿态校准包含横摇、纵摇和艏摇。

3）航速确定

拦路港受潮汐影响流向、流速紊乱，来往船只较多，船行波对无人船的航行稳定存在一定干扰，为保证无人船航行安全及多波束采集数据的精准。综合各种因素，本次数据采集过程中无人船航速控制为2m/s。

4）数据采集

运用中海达自主研发的Hi-MAX多波束采集后处理软件实时控制数据采集。在行船转弯、掉头以及受船行波等影响导致多波束测深系统姿态不稳时停止数据采集。同时施测技术人员根据软件显示实时水下情况，调整增益参数。多波束测量控制界面如下图。

▲多波束测量软件控制界面图

2.数据后处理及成图

通过中海达自主研发的Hi-MAX 多波束采集后处理软件，对测量数据进行如下处理：

1）新建项目导入测线：需要处理的数据导入Hi-MAX多波束采集后处理软件。

2）参数设置：检查并校准参数。将设置的参数计算波束点地理位置。

3）潮位改正：选择无验潮改正。

4）声速改正：选择单剖面声速改正模式。

5）数据融合：测线应用所设置参数进行声线跟踪，重新计算波束点位置。

6）数据编辑：查看横摇、纵摇、涌浪、航向、航迹数据，如果有异常数据，利用传感器数据的编辑功能处理异常数据。

7）成果导出：导出处理过的波束点云数据。

五、成果展示

本案例进行沪昆线跨拦路港桥上下游100米范围内水下地形及跨河桥墩、桥台、防汛墙结构的扫测，获取了两个研究点位的多波束测量数据。测量面积85421㎡，形成0.1m*0.1m密度三维点880万点。

数据的后期采用ArcGis软件进行处理、展示与分析。首先，采用该软件对本次测量数据处理转换生成TIN三维数据。其次，采用ArcSene软件对研究点位的桥梁墩、桥台、防汛墙按其空间位置制作实体灰体模型，后将TIN数据、灰体模型以及收集到的dwg数字线划图数据进行多源数据叠加，可直观形象展示研究区域的地物地貌情况。叠加图如下：

▲沪昆线跨拦路港桥多源数据叠加图

▲沪昆线跨拦路港桥多源数据叠加图

▲沪昆线跨拦路港桥等深线图

▲沪昆线跨拦路港桥边坡坡度图

六、项目总结

1.多波束的适用性

通过本案例分析，无人船多波束测深系统采集数据精度较高，能够满足水上建构筑物及河床冲刷分析的需求。

2.跨河桥梁墩台对河道河床冲刷影响

通过对本案例实测数据分析可得，跨河桥梁墩台对其上下游河道河床冲刷产生影响，一般会于跨河桥梁处形成冲刷泓沟，上游临近桥梁及桥梁下游一定距离范围内河床冲刷明显。

3.桥梁墩台对其本身与防汛墙的影响

通过对本案例实测数据分析可得，跨河桥梁的桥墩、桥台及上下游防汛墙附近河床边坡明显变陡，增加了桥墩、桥台及上下游防汛墙基础淘刷失稳的风险。

审核编辑 黄宇