深中通道碎石基础整平多波束测量技术.pdf

第43卷第3期2023年5月引文格式：历昌，王兴，郝建录.深中通道碎石基础整平多波束测量技术J.海洋测绘，2 0 2 3,43(3）：16-2 0.D01:10.3969/j.issn.1671-3044.2023.03.004海洋测绘HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol.43,No.3May.,2023深中通道碎石基础整平多波束测量技术历昌1.2,3,王兴1,2,3,郝建录1,2,3（1.交通运输部天津水运工程科学研究所天津30 0 456；2.天津水运工程勘察设计院有限公司天津30 0 456；3.天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津30 0 456）摘要：为解决沉管隧道及相关水下大型结构物施工对测深精度远高于传统水深测量规范的相关要求问题，以深中通道碎石基础整平限差要求40 mm为例,分析了多波束测深系统的误差来源及理论测深精度,提出了削弱各误差项的方法,并结合实际工程进行了验证。通过对多次管节碎石基础的扫测结果表明,采用该套经优化处理的多波束测深系统能够满足该项目的高精度要求，提出的若干方法可为后续相关对测深精度要求较高的水下工程项目提供参考。关键词：多波束水深测量；沉管隧道碎石基础整平；测量误差分析；内符合精度评估；外符合精度评估中图分类号：P229.51 引 言沉管隧道的基础是管节顺利沉放的关键及前题。深中通道沉管隧道项目对于碎石基础的整平限差要求极高（40 mm）,是继港珠澳大桥沉管隧道项目以来的又一高精度挑战，由于深中通道所处的地理位置、水深及水文条件等各方面因素影响,使得其碎石基础整平及验收较港珠澳大桥具备了更高的难度。目前国内有很多学者对多波束测深系统进行了分析讨论：黄辰虎分析了多波束水深测量误差源，并给出了成果质量评定的建议 ；田勋综合分析了多波束测深系统各误差传播影响规律2 ；肖波对多波束测深质量评价方法进行了分析3；陆秀平探讨了多波束测深成果的精度评估方法4；肖付民进行了表层声速对多波束测深影响的研究,对自容式验潮仪的观测影响因素进行了分析讨论5 史青法对多波束边缘波束的精度进行了分析与评估6 ;张志伟分析了多波束换能器安装偏差对海底地形测量的影响7 ;张彦昌对多波束安装校准中各参数的关联性进行了分析8 。上述学者对于传统多波束测深进行了系统性的归纳及总结,代表了国内多波束测深技术的前沿水平,可为普通精度要求的多波束测量提供可靠的技术指导及思路，但尚未见有系统论述能够实现此工程高精度（40 mm）的测量方法。国内相关规范标收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 5；修回日期：2 0 2 3-0 2-0 7基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（TKS20200301;TKS20220104）。作者简介：历昌（19 8 7-）,男，天津人，工程师，主要从事海洋工程勘察及测绘工作。文献标志码：B文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 16-0 5准、多波束测深系统技术要求及国际海道测量组织IHO（i n t e r n a t i o n a l h y d r o g r a p h i c o r g a n i z a t i o n）制定的标准并未明确具体的测量精度指标,如IHO只是给出了一个换算深度精度的计算公式,该公式融合了水深误差常数、水深相关误差总和的综合影响,以水深30 m为例,测深精度要求约为0.33m,该项目的精度要求较IHO特级提高了近10 倍。鉴于此,为解决该项目的高精度要求，对国内外的研究现状进行整理和归纳总结，对多波束测深系统的误差种类及误差来源进行详细分析，从外业测量及施测方法提出优化及创新，以削弱及减小各误差源的影响，并对该测量系统进行精度评估，通过单点声纳、全站仪光学测量等方法验证其测深精度，确保此套多波束测深系统满足本项目施工精度要求。2多波束测深系统误差源分析多波束测深系统由多波束测深仪及其他辅助设备组成 。多波束测深仪包括发射换能器、接收换能器、甲板单元、处理计算机等；辅助设备主要包括CPS定位系统、姿态传感器、罗经、声速辅助设备（表面声速探头、声速剖面仪）、潮位设备等。多波束测深系统的误差主要分为三大部分，分别为系统误差、随机误差和粗差。系统误差具有可重复性、单向性和可预测性的特点；随机误差的大小和方向不固定,绝对值无法预估,但通过不断测量后,其正第3期负误差可互相抵消，误差平均值逐渐向零趋近,该误差具有抵偿性和有界性；粗差的主要特点：产生可能性属小概率事件，数值可信度低，不可被采用。粗差的产生无明显规律，偶然性较大，随机发生。多波束测深系统的误差根据不同来源可划分为表1所示10 的形式。粗差通常拥有较大的绝对值，数量很少，比较容易剔除，具体方法有人工交互式、趋势面滤波法、抗差M估计法以及基于不确定度的综合不确定度与水深估计CUBE（c o mb i n e d u n c e r t a i n t yand bathymetry estimator)算法等。系统误差在观测之中一直存在,且遵循某种规律。数据精度的影响因素主要是随机误差和系统误差。表1多波束测深系统测量误差分析表随机误差系统误差GPS安置偏差GPS定位误差平面GPS 数据时延换能器安置偏差潮位误差吃水（静动吃水）垂直声速剖面模型仪器性能（旁瓣干扰）量程环境测量参数滤波设置测量误差根据误差与深度的关系，又可以分为相对误差和绝对误差。相对误差反映了系统内部的精密度,与内符合精度相关；绝对误差反映了系统整体的精确度,与外符合精度相关。产生系统误差的原因众多，有仪器自身误差、仪器安装过程中和处理方法上产生的误差以及现场操作时产生的误差等。随机误差和粗差产生的原因一般包括仪器误差、操作误差、人员因素和操作条件误差等。3精度提升方法研究3.1传统方法及优化结合上文分析的多波束各项误差源及本工程实际，对传统测量方法进行改进、优化，以减小测量误差，具体实施方法如下：（1)G PS及其他传感器的偏移量可通过全站仪精确标定得到,较之传统的卷尺测量方法的厘米级别精度，该方法偏移量量取精度可以达到毫米级别。(2)GPS时延可通过1PPS时间同步来实现,通过1PPS秒脉冲+ZDA数据实现时间同步,对所有传感器数据打上相同的时间标签，从而消除时延引起的误差。（3)换能器安装偏差通过在符合要求的特征地形进行校准测线的测量，校正多波束各项参数。历昌，等：深中通道碎石基础整平多波束测量技术惯导失锁换能器抖动姿态测量表面声速测量声速面测量声学测量（振幅相位检测）噪音干扰底质类型水体环境17（4)潮位采用验潮仪设备采集，并进行空气气压及海水密度的改正1,同时在陆地设置自动验潮仪及人工水尺进行潮位观测及比对，施工现场距离两个潮位站最远均不超过1.5km。经实测数据的比对验证,本工程项目中采用该方法测量的潮位值精度要优于GPSRTK方法测量的潮位值。（5)测量船舶吃水包含静吃水、动吃水，静吃水通过在码头安装设备精确量取获得，动吃水主要包括常规水准仪法、RTK定位法及王宝文提出的静漂和顺水、顶水航行水深差值法来测定12(6)配备表面声速探头以实时获取换能器所在位置的声速值，作为波束导向；根据工程水域海水密度、温度等参数变化，增加测定声速剖面的频次,用于多波束数据后处理：现场实际作业过程中，每次基槽整平多波束扫测作业时间最长不超过3个小时，在测量开始前、测量结束后均完成1个声速剖面测量，为避免设备自身的误差带来的影响，碎石整平船在扫测期间采用不同型号的设备同步进行声速剖面测量,并在数据后处理中进行比对,选取合理的声速剖面，以消除声速剖面的误差影响。(7)为消除GPS定位偶然误差,采用双GPS系统备份，自架RTK基站容易受周围无线电设备的干扰，CORS系统若网络信号不稳定则会失锁，且POSMV设备基于惯性导航原理,在失锁后并不能第一时间进行位置修正。为此,在软件中设置合理的阈值,对GPS解算精度超过精度要求的数据予以剔除,并立即切换至辅助 GPS设备,确保GPS定位数据的准确性。（8)通过加装固定点、带紧钢丝缆、控制测量船航速、调整测线方向以避免横流等方式，来削弱换能器抖动(震动)引起的误差；在实际测量中，减小扫测开角,并调整频率,以减轻同频干扰6 ;基槽内海水相对浑浊，工区内存在清淤、抛石、整平等作业船舶,海水环境噪声大，扫测期间应尽量避免，扫测时错开施工窗口,为多波束提供一个较为“干净”的作业环境。(9)通过加强培训,增加实践来避免因误操作带来的人为干扰项：典型案例如门限滤波设置，若滤波强度小,则噪声相应增多,增加内业处理的工作量；若滤波强度大，则有效声学信息会被过滤掉，造成海底地形失真，影响测量成果 3.2创新方法及提升上文方法是对传统作业方法的总结与优化建议,为进一步提升多波束测深系统的绝对测深精度，提出如下创新方法。3.2.1工装化免校准传统多波束的安装方式基本上分为舫侧式安装18及船底式安装两种方式,其中侧式安装简易方便，但设备的稳固性一直是难点；船底式安装弥补了这一不足，但是保养维护较繁琐、成本较高。本文提出设备集成工装架方案，将多波束换能器、GPS定位天线及表面声速探头、姿态传感器等设备集成到统一工装架结构上,所有设备的相对关系准确固定,并通过在船体上加装限位，来控制多波束安装杆的绝对位置，保证每次设备安装位置相同。该方法能够实现“免校准”测量，减小了归心改正误差及换能器校准偏差，大幅提升了作业效率及测深精度。3.2.2数字化吃水测量传统的吃水测量方法测量的精度有限，仅适用于常规扫海测量。本文提出压力传感器集成法，在多波束换能器旁加装压力传感器，来实时测量换能器的人水深度（吃水），根据液体压强公式反算得到实时吃水值，该吃水值已经融合了静吃水、动吃水的改正，减小了测量误差。3.2.3深度直接标定法鉴于多波束的测深误差来源多且不易控制10 ，为进一步提升精度，提出深度直接标定法。将各项经严格校正过的误差总量视为一个整体，通过与已知绝对深度（标高）目标物体的实际值进行比对，来标定多波束的绝对深度。对于已知绝对标高的特征物,将多波束的测量结果（声学方法）与全站仪的测量结果（光电方法)进行统计分析,得到多波束系统的改正常量：该。将上述所有的误差视作整体,是多波束测深精度的最终把控环节。需注意,该。虽是常量,但并非一个固定值，会随着每次的测量环境变化而发生变化。采用深中通道管节预制场内观测桩作为实验目标,观测桩顶部焊接一测量平台，平台具备轮廓明显、表面光滑等特点，预制场内布设有高等级平面、高程控制点，通过控制测量的方法精确测量平板的绝对标高。随后预制场船坞内注水，多波束测量船完成对测量平台的扫测。将多波束测量的标高与全站仪测量结果进行统计计算,将每次的改正常量。加入到后处理软件的改正值中。为消除因测量环境不同带来的影响,在E32管节及后续管节安装完毕之后，通过陆地暗埋段内进行控制测量的方法，测量求取已安装管节顶部关键点的绝对三维坐标，并以其高程值作为多波束测深值的标定基准,用于校正多波束测量的绝对深度。4精度评估及工程应用经深度直接标定后，对多波束测深系统进行精海洋测绘度评估，以验证此多波束测深系统整体精度。4.1理论精度评估工程采用的Teledyne Seabat T50-P多波束测深仪量程分辨率可以达到6 mm,根据多波束设备性能指标,结合设备分辨率,并结合施工区域的水深条件（2 4 2 7 m 之间）,脉宽取15s,可求得多波束的深度测量误差为：g=cT/2 cos=1.125(cm)式中,c为声速;T为脉宽;0 为波束发射角。姿态的误差表现为3种,即横摇Roll、纵摇Pitch及摇Yaw，Y a w 偏差仅影响平面精度，对测深影响几乎可以忽略。本项目测深精度的姿态误差主要包括Roll及Pitch造成的误差,以量程7 0 m计算,波束入射角采用45纵摇取10，姿态传感器的精度为0.01,计算得到船姿态对测深垂直方向的影响为：,=R tanor+R tangOp=1.437(cm)(2)式中,R为量程;为波束人射角;为纵摇;rp分别为姿态传感器的标称精度。声速引起的误差主要来源于设备系统误差和环境变化。环境变化很难通过一定的量值进行标定，系统误差可由下式计算得到：svp=(Dx100/1530)s=0.09(cm)式中,D为最大水深;s为标称精度0.0 5m/s。吃水引起的误差经数字化吃水测量改正后，误差按1cm计算；潮位按照压力传感器的量程精度，由液体压强公式H=P/pg，潮位误差按2 cm计算；偏移量量取采用全站仪观测方法，归心偏差改正误差按1 cm计算。根据误差传播定律,计算该多波束测深系统的理论测深精度为：Ae=V+AM+A,+A3+A+A+A,式中，AR为多波束量程垂直方向（测深）误差；M为姿态传感器引起的测深误差；。为声速剖面引起的测深误差；sv为表面声速引起的测深误差；，为潮位误差；。为归心改正误差；，为静吃水及动吃水综合误差,则计算结果为：e=3.0 56 c m4.2相对精度评估根据上述计算结果，此多波束测深系统自身精度是能够满足要求的，严格把控各个误差源的来源，可满足工程项目精度要求。相对评估即对多波束测深系统自身测量数据之间进行的精度评估，可以确定除系统偏差外的综合误差,是衡量多波束自身数据的精密度的有效方法。本次采用井字形校准13 方法,选择海底地形平坦区域，布设横纵交叉的4条测线，测线间距15m，测线重叠第43卷(1)(3)(4)第3期率不低于50%，选择海况良好的气象条件下进行校准，所有测线扫测设备的各项参数完全保持一致。将扫测的2 条主测线及2 条检查线重叠区域的水深数据进行差值统计，考虑到边缘波束数据质量会变差，影响比对精度,本次测量数据采用中央波束及两侧各30 的波束数据，对所有数据进行噪声剔除后，输出xyz文件，选取多次扫测数据进行差值统计,统计结果见图1。120001000080006000400020001.00.80.60.40.20.00.20.40.60.81.0不符值（m）图1多波束扫测数据内符合差值统计示意图经统计计算,本多波束符合精度平均值为1.2 cm，中误差为4.8 cm，偏差值呈正态分布,具有对称性。4.3绝对精度评估根据相对精度评估结果,多波束测深系统自身能够满足40 mm的要求,若能使多波束绝对测深值更加接近真值，便可解决碎石整平绝对标高的要求。绝对精度评估即选取一个（或多个)待测目标物的测量真值,采用多次测量的方法，求取测量值与真值的差值,查看其分布情况。碎石整平工作由安装在整平船上的整平架来完成。整平架声纳因其工作原理，绝对精度要优于多波束的绝对精度,可以作为多波束绝对精度评估的手段之一。在碎石基础整平过程中，通过整平架上安装的特制声纳设备,对碎石面高度进行实时监测,用以指导整平施工作业，控制整平料斗下料速度及小车行进速度,确保与设计标高差值在40 mm之内14,该方法的优点在于误差来源少，绝对精度要优于多波束，能够确保料斗口中心位置的绝对标高满足要求,可作为检验多波束数据的一种技术手段。整平作业开始时，即实时记录监测数据，整平作业结束后,将整平监测数据导出,通过Hypack软件 TIN模块的差值计算功能,得到多波束数据与监测数据的差值图，见图2。经数据比对分析,多波束数据与整平架数据最大差值为+6 cm,最小差值0 cm,平均值为1.3cm,且偏差值分布具有对称性。差值小于2 cm的数据占比达到9 0%以上，可以认为多波束数据准确、可靠。经过传统测量方式的优化及创新方法的提历昌，等：深中通道碎石基础整平多波束测量技术形为已安装E28管节）。9000T8000700060005000400030002000100000.06 0.040.020.000.020.040.06不符值（m）图2 多波束扫测数据与整平架监测数据差值统计示意图图3深中通道E27沉管碎石基础多波束扫测三维地形示意图4.4工程应用成果验证沉管在预制场内，经过一次标定、二次标定等标定测量后,可以获得管内、管外各控制点及特征点的相对关系。待某管节完成沉放安装作业后,采用多波束对已安装管节进行扫测作业,获取管节顶部特征点的水下地形图（标高）。沉管沉放安装完毕后，进行管内贯通测量,通过管内控制点及标定结果，求取沉管的实际坡度(纵倾值)及管节的端竖向偏差。统计深中通道沉管隧道的E31E27管节贯通测量结果及多波束测量结果的偏差值，见表2。表2 管节碎石基床多波束扫测、贯通测量与设计值比对表管节测量参数设计坡度(%)贯通崩端偏差(mm)测量舵端偏差(mm)结果坡度(%)多波束崩端偏差(mm)扫测舰端偏差(mm)结果坡度(%)各测量贯通与设计差结果多波束与设计差差值贯通与多波束差-0.0010.014-0.006由表2 可得知,E31E27管节的端竖向偏差（5c m）、端竖向偏差（5cm）均满足设计要求，19出,并结合整平架方法进行比对,验证了此多波束测深系统的绝对测深精度。结果表明，该套多波束测深系统的绝对测深精度可以满足工程施工要求，能够作为相关高精度多波束测深项目的参考依据。图3为深中通道沉管隧道E27管节碎石整平完成后的多波束水下三维地形图（右侧突元地E31E270.8300.8300.830+18.0-10.2-6.5-5.4-10.5-3.2-23.6+8.8-3.2-6.6-0.8470.841-0.8180.720-0.128+20.8+15.4-1.8+1.015.7+21.2-1.0-1.40.8460.8560.8120.729-0.1230.0170.011-0.0120.0160.0250.018E30E290.722-0.130+8.9+3.50.003-0.0020.0070.0030.0100.005E2820管节实际坡度（纵倾值）与设计坡度（纵倾值)差值在限差范围之内，已安装管节各项精度指标均满足设计要求。5结束语以深中通道沉管隧道项目为背景，对多波束测深系统进行了误差分析，提出了一系列优化方法以提高多波束绝对测深精度，经过实际验证，满足了该工程的高精度要求。但由于高精度是以相对降低作业效率为代价，若进行大区域测量则会相应增加作业时间,后续将就如何将多波束高精度及高效率相结合作进一步研究。此外,由于 GPS RTK 三维多波束水深测量方法较之验潮站方式要更加便捷高效，但GPS RTK失锁将直接影响测深绝对精度,如何通过算法实现消除该失锁或惯导漂移带来的影响，也是后续研究的重点内容。随着国内外大型水下结构物建设工程的日益增多,多波束测深系统在工程中也发挥着不可或缺的重要作用。本文提供的思路和方法，可为类似的沉管隧道项目及相关大型水下结构物的施工提供可靠的参考依据。参考文献：1黄辰虎,陆秀平,欧阳永忠，等多波束水深测量误差源分析与成果质量评定J海洋测绘，2 0 14,34（2）：1-6.Multibeam measurement technology for gravel foundation leveling(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,Tianjin 300456,China;2.Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China;3.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin 300456,China)Abstract:As a response to the high accuracy requirements for depth measurement in construction of immersedtube tunnel and related underwater large-scale structures,which far exceed the standards of traditionalhydrographic surveys,this paper analyzes the sources of error and theoretical accuracy of multibeam depthmeasurement system taking the example of the 40mm leveling limit requirement for the gravel foundation ofthe Shenzhen-Zhongshan Link immersed tube tunnel.Furthermore,proposes numerous methods to reduce thevarious sources of error and validates it via engineering practices.The results of multiple surveys of gravelfoundations show that the optimized multibeam depth measurement system can meet the high accuracyrequirements of this project.The proposed methods can provide reference for subsequent underwater engineeringprojects with high accuracy requirements for depth measurement.Key words:multibeam depth measurement;gravel foundation leveling of immersed tunnel;measurement erroranalysis;internal coincidence accuracy evaluation;external coincidence accuracy evaluation海洋测绘2田勋，肖付民，朱小辰，等多波束测深系统各误差的传播影响规律分析J海洋测绘,2 0 11,31(1)：2 3-2 7.3肖波，盛堰，刘胜旋。多波束测深质量评价方法分析J.海洋测绘，2 0 13，33(3)：56-58.4陆秀平,黄谟涛，翟国君，等多波束测深数据处理关键技术研究进展与展望J海洋测绘，2 0 16，36(4):1-6,11.5肖付民,黄毅,张永厚，等表层声速误差对多波束测深数据的影响分析J海洋测绘，2 0 2 1，41（1)：27-30.6史青法多波束测量边缘波束测深精度分析与评估J.海洋测绘，2 0 18，38(6)：2 5-2 8，36.7张志伟，暴景阳，肖付民多波束换能器安装偏差对海底地形测量的影响J海洋测绘，2 0 16，36（1)：51-54.8张彦昌，张博多波束安装校准中各参数关联性分析J.海洋测绘，2 0 10,30(1)：53-55,58.9李家彪,王小波,华祖根，等多波束勘测原理技术与方法M北京：海洋出版社，19 9 9.10 李家彪,郑玉龙,王小波，等多波束测深及影响精度的主要因素J海洋测绘，2 0 0 1，2 1（1)：2 6-32.【11】黄辰虎,陆秀平，管明雷，等海底地形测量成果的质量检核评估（三）：自容式压力验潮仪数据的精密处理J海洋测绘，2 0 17，37(5)：11-16.【12 王宝文,李永奎换能器动态吃水改正数测定及精度分析J海洋测绘，2 0 2 1，41(5)：6 1-6 4.13赵建虎,刘经男.多波束测深及图像数据处理M.武汉：武汉大学出版社，2 0 0 8.14王崇明,孔维达,雷鹏，等.沉管隧道碎石基础整平监测技术研究J水道港口，2 0 2 0，41（2）：2 44-2 48.in Shenzhen-Zhongshan LinkLI Changl.3,WANG Xingl 2.3,HAO Janlu.3第43卷