桥梁桥墩区水下地形测量方法初探

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【摘 要】桥梁桥墩区水下地形测量是水域地形测量中的难点，本文论述了三种常用的测量方法，具体阐述了其采用的主要设备、作业流程，初步探讨了各自的优点和不足。

【关键词】桥墩区；水下地形测量；交会法；坐标跟踪法；GPS多波束侧扫法

1.概述

桥梁桥墩区河床的变化情况是桥梁安全运行的重要指标之一。为保证桥梁的运行安全，需定期对其桥墩区的水下地形进行测量，分析其河床的冲淤变化情况，为桥梁维护提供依据。桥墩区一般水流湍急，流向紊乱，测量作业困难而危险，并且顶空由于桥身遮挡，无法接收GPS信号，所以其水下地形测量方法比较独特。国内外目前主要采用三种办法，按其定位方式不同，分为交会法、坐标跟踪法与GPS多波束侧扫法。

2.测量方法

2.1交会法

所采用的主要设备有回声仪及多台经纬仪（或者全站仪）。

主要作业流程为：

1）测线布设。平行于水流方向布设测线，测线间距按照测图比例尺而定（如图1 LN1、LN2……LNN），作业时由测量人员在桥面上游侧垂下带标记的标杆为测船沿测线测量导航。

2）交会作业。水下测量时，如图1，由1、2、3、4各站点观测人员在水下定标时同时观测船上标杆，记录人员记录下测点号和角度，即完成外业观测。

图1交会法测量桥墩区水下地形示意图

3）内业测点展绘。外业记录的数据通过前方交会计算成坐标数据，同时把水深数据通过测时水位换算成测点高程数据，展绘上图。

4）生成地形图，进行冲淤计算，撰写报告。

交会法的优缺点：优点是所需设备相对简单，工序简单容易实现和推广；缺点是所需作业人员众多，内业计算量大。

2.2 坐标跟踪法

所采用的主要设备有回声仪、360°全向棱镜及多台全站仪。

主要作业流程为：

1）测线布设。测线布设方法与交会法相同。

2）坐标跟踪测量。水下测量时，如图，由1、2、3、4各站点观测人员在水下定标时同时用全站仪观测船上360°全向棱镜，全站仪采用跟踪测量模式，采集的坐标存入内存。

3）内业测点展绘。从全站仪里面导出测点坐标数据，把水深数据通过测时水位换算成测点高程数据，把两者数据通过约定的断面号与测点号合并成一个完整的三维坐标，然后展绘上图。

4）生成地形图，进行冲淤计算，撰写报告。

交会法的优缺点：优点是所需作业人员相对减少，作业效率更高，并且能够实时得到测点坐标，精度有所改进；缺点需进行多站点采集的数据取均值，内业计算量大，同时受全站仪测距的影响，所测桥梁水域跨度一般需小于2000米。

2.3 GPS多波束侧扫法

这是随着测绘科技手段日益发展产生的新技术，所采用的主要设备有多波束测深仪、GPS接收机、姿态传感系统（罗经、姿态仪等）。

工作原理：多波束水下地形测量系统是由声学仪器、GPS、姿态及航艏数字传感器、计算机及功能强大的软件组成的高技术设备，多波束换能器每次可以接收几十束或上百束声波，由于声波是以一个较大的开角（如90°～153°）向水下发射的，那么每发出一个声波，便可在垂直于航线上得到一个为2～9倍于水深的水下地形资料（如图2所示）.当测船连续航行时，便可得到一个宽带的水下地形资料.基于以上原理，在测量桥墩区水下测量时，测船在桥梁外侧运行，充分利用多波束测深系统的大开角测量数据来提取桥墩区水下测量数据。

图2 多波束带宽与水深关系

主要作业流程为：

1）测线布设。测线布设一般在室内完成，测线布设方向一般平行于桥梁纵向，一般桥上下游各布设一条，距离桥外侧的距离兼顾桥面对GPS信号影响程度及测量带宽对桥墩区水域的覆盖情况，同时保证上下游测线覆盖范围有一定的重合区域。如图3中LN1和LN2为设计测线。

图3 GPS多波束侧扫法测量桥墩区水下地形示意图

2）系统标定。多波束水深测量系统是一套多传感器系统，因而，各传感器时间同步性、传感器安装位置、传感器本身的安装角度及偏差对测量精度均会产生影响，因此在正式测量前需要对这些偏差进行校正。校正的依据是通过标定试验，确定偏差校正参数，输入后处理软件以对测量数据进行校正。系统的标定有四种，分别是时延（Latency）、纵偏（Pitch）、艏偏（Yaw）和横偏（Roll）标定。

（a）时延标定

时延标定的目的就是对各种传感器与多波束传感器（声纳头）的时间同步性进行检测，标定结果输入数据处理软件，对测量数据进行校正。时延主要对GPS而言。标定方法：在斜坡上，走一线二次同向，二次航速相差一倍。

（b）纵偏标定

纵偏标定是对多波束传感器的安装纵偏进行检测，标定方法：在斜坡上，走一线二次反向，二次同速。

（c）艏偏标定

艏偏标定是对多波束传感器的安装艏偏进行检测，标定方法：在陡坎上，走平行的二条线，反向，同速。

（d）横偏标定

横偏标定是对多波束传感器的安装横偏进行检测，标定方法：在平坦的地形上，走一线二次反向，同速。

3）水下地形外业测量。水下测量时，如图3，测船通过导航软件按照测线LN1和LN2进行测量作业，数据通过RS232端口存入计算机存储器中。

4）数据处理。外业工作结束后，即可利用专用软件进行数据的处理与成图。如果后处理量不大，可在现场成图。一般软件可生成测深数据图、水深等值线图、三维数字地形模型（DTM）图、彩色水深图、彩色地形阴影图等。

5）对同一测区不同测次进行比较以及进行冲淤计算，撰写报告。

GPS多波束侧扫法的优缺点：GPS多波束侧扫法以其全覆盖、无遗漏的测量方式，在效率、精度、分辩率与水下地形成图质量上有了大幅度提高，整个系统从外业到内业全过程真正实现了自动化、智能化和数字化，彻底改变了传统的水下测量技术，具有广阔的应用前景，特别是对大江大河长跨度的桥梁桥墩区水域地形测量有得天独厚的优势。缺点是设备成本十分高昂，整套系统价值几百万，推广不易，另外测量带宽受水深的制约，当水域过浅，则无法保证数据全覆盖。

3.结束语

桥梁桥墩区水下地形测量是一个水域地形测量常见问题，以上阐述的三种方法在实际生产中运用较多。每种方法都有其优点和局限性，在实际运用中要结合工程实际及本单位的设备情况选择。

参考文献：

[1]赵建虎，张红梅；水下地形测量技术探讨[J]；测绘信息与工程；1999年04期.

[2]周军根；水下地形测量技术方案的探讨[J]；四川测绘；2003年03期.