CN111350214B - 多波束水下钢管桩桩位测量方法 - Google Patents

Abstract

一种多波束水下钢管桩桩位测量方法，该方法采用多波束测深仪、罗经运动传感器、GPS进行水下钢管桩桩位测量，通过测线布设、设备安装、参数测量三个步骤，得到满足精度要求的桩体倾斜参数、顶面中心平面和高程坐标以及四桩导管架间平面距离，实现了钢管桩桩位的测量。该方法能够提高水下测量检验的效率，大幅度降低水深、波浪、流速、能见度等因素对水下测量检验的影响，同时提高水下检验的效率、简化测量检验的过程、确保测量精度满足要求、降低施工测量成本。

Description

多波束水下钢管桩桩位测量方法

技术领域

本发明涉及水下钢管桩桩位测量技术领域，特别涉及一种多波束水下钢管桩桩位测量方法。

背景技术

随着海上风电等海上工程的大规模发展，钢管桩作为海上建筑物的桩基机构应用愈发普及。海上工程钢管桩沉桩至海床深处，作为海上工程建筑物的基础支撑，其长度大多能达到七十米及以上，顶端大都淹没在海平面十米以下海水中，无法直接观测，陆地上常用的检测方法大都不能实际应用，因此，研究一种能够适用于深海海水中钢管桩桩位复测的检测方法尤为重要。

目前，大多数海上工程中，水下钢管桩各桩桩位测量采用的都是在沉桩过程中桩体未入水前进行坐标监测，而入水后则再无法进行较精准的桩位测量，与此同时，桩顶标高的测量也大都是通过测量沉桩锤帽从而间接推算出的；而各桩间的相对位置，则是使用潜水员水下测量的方法，即在两钢管桩桩顶几何中心处各安排一名潜水员，手持细钢丝进行测量，钢丝两端均有拉力计保证两端拉力相同，通过测量钢丝长度从而确定两钢管桩的桩间距，但此方法需考虑桩顶几何中心如何确定及水下涌流对钢丝绳的影响等问题，具有精度不高及不确定性较大的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种测量精度较高、有效提高功效、保障施工质量及安全的多波束水下钢管桩桩位测量方法。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种多波束水下钢管桩桩位测量方法，该方法采用多波束测深仪、罗经运动传感器、GPS进行水下钢管桩桩位测量，其步骤如下：

（1）测线布设

测线布置选用以下两种方式中的任意一种：

第一种：测线以桩为中心布置成#字形；

第二种：测线以桩为中心布置成圆形；

（2）设备安装

将多波束测深仪安装于作业船舶的右舷，将罗经运动传感器安装于作业船舶的左舷侧，将GPS安装于作业船舶的右舷靠船尾处；

（3）参数测量

将多波束测深仪的接收器与水面的交点设置为测量水深的参考点；测量时的船体坐标系以参考点为原点，船头朝向为Y轴，垂直船头朝向为X轴，原点向上为Z轴；

测量的参数包括多波束测深仪的接收器的安装参数、多波束测深仪的换能器的安装参数、GPS的安装参数、当前Ping的时间、纬度、经度、船速、航向、与前面ping的间距、波束数，船体的姿态，潮位数据、表层声速值、水深、开角；

根据测量的参数处理得到测线WGS84坐标、1980西安坐标、北京54坐标，然后以桩体几何参数为约束，利用点云数据构建拟合模型，借助最小二乘解算模型；以构建的桩体模型为参考，采用统计滤波方法，消除远离桩体的异常点云，实现点云数据滤波，重复上述工作，反复迭代，得到满足精度要求的桩体倾斜参数、顶面中心平面和高程坐标以及四桩导管架间平面距离。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来实现的，对于以上所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，该测量方法还包括精度评定方法，精度评定方法选用以下两种方式中的任意一种：

（1）柱面建模和柱顶平面建模：利用总体最小二乘的原理，对柱面点云数据和柱顶数据分别进行拟合，柱面中轴线与柱顶平面相；交求得桩顶中心坐标，通过多条独立测线处理的结果进行精度评定；

（2）柱顶圆建模：对分割出的柱顶点云数据进行圆建模，求得柱顶圆心坐标，通过多条独立测线处理的结果进行精度评定。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来实现的，对于以上所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，该测量方法还包括数据准确性的判断方法，具体过程为，通过采用RTK实际测量水下沉桩桩顶标高值与该测量方法处理后相对应的正常高值做差值比较，若满足规范规定要求，则表示合格。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来实现的，对于以上所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，正式作业前要进行参数校正，参数校正包括纵倾偏差、横摇偏差、艏向偏差；

纵倾偏差：利用水深变化较大水域的同线同速反向中央波束水深测量数据求取；

横摇偏差：利用海床教平坦水域同线同速反向的条带状水深断面测量数据求取；

艏向偏差：利用水深变化较大水域的异线同速反向的边缘波束水深测量数据求取。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来实现的，对于以上所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，多波束测深仪的接收器的安装参数包括多波束测深仪的接收器的横摇、纵倾、舶摇的旋转角度和位置参数；多波束测深仪的换能器的安装参数包括换能器的横摇、纵倾、舶摇的旋转角度和位置参数；GPS的安装参数包括GPS天线的位置参数。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来实现的，对于以上所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，该方法使用声速剖面仪对不同水深处的声速值进行测量。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来实现的，对于以上所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，所述多波束测深仪为SONIC 2024。

与现有技术相比，本发明采用了SONIC 2024多波束测深系统进行水下测量，其基本原理是依靠声波发射出去后碰到障碍物产生回波的接收时间及角度来进行水下探测的，测量精度较高，且无需潜水员下水，能够解决水下钢管桩无法较为精准测量各施工参数的问题，便于后续上部结构的制作及安装工作的顺利开展，带来的有益效果：

1、本发明的测量方法可实现钢管桩水下精准测量，利于后续导管架制作及安装工作；

2、本发明的测量方法使用方便快捷，减少施工步骤，缩短施工时间，提升施工工效，切有效的减少了安全风险及施工成本。

附图说明

图1是本发明的设备安装示意图；

图2是本发明的测线布设一；

图3是本发明的测线布设二；

图4是本发明对结果的精度判定数据图。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

参照图1-4，本发明方案用于测量外海水下钢管桩桩位参数，所需设备包括SONIC2024、声速剖面仪、罗经运动传感器Octans、GPS等；

１、测线布设

对测线布置有两种方式：

①测线以桩为中心布置成#字形，优点是测得的数据稳定；

②测线以桩为中心布置成圆形，优点是数据量大；

根据实际情况通过两种测线布置方式对比，选取最优方式进行测量；

２、设备安装

设备的安装工作主要包括SONIC2024、罗经运动传感器Octans及GPS等仪器的安装；

SONIC2024安装于作业船舶的右舷，将探头杆与水面的交点设置为测量水深的参考点；测量时的船体坐标系以参考点为原点，船头朝向为Y轴，垂直船头朝向为X轴，原点向上为Z轴；

3、参数校正

参数校正包括纵倾偏差、横摇偏差、艏向偏差等。于正式作业前，在测量作业水域内布设测线，进行参数校正；纵倾偏差一般适合于在有斜坡的地形进行，横摇偏差适合于在比较平坦的地形进行，艏向偏差适合存在起伏的地形进行，时间延迟一般选取同一条测线，采用不同的船速行进来获得实际数据；

纵倾偏差：利用水深变化较大水域的同线同速反向中央波束水深测量数据求取；

横摇偏差：利用海床教平坦水域同线同速反向的条带状水深断面测量数据求取；

艏向偏差：利用水深变化较大水域的异线同速反向的边缘波束水深测量数据求取。

多波束系统安装参数测量：主要指系统各个换能器的安装并精确测量相对位置，建立坐标系统，系统内部参数的正确设定首先要保证系统内部参数的精确测量。

系统的安装采用固定式安装，安装和系统参数的测量都必须在干船坞内进行；测量时采用高精度全站仪及光学小棱镜进行高精度测量。需要测量的技术参数包括：①MRU（姿态参考装置）的安装参数（包括MRU的横摇、纵倾、舶摇的旋转角度和位置参数）；②换能器的安装参数（包括换能器的横摇、纵倾、舶摇的旋转角度和位置参数）；③GPS定位系统的安装参数（包括天线的位置参数）。

多波束系统换能器的安装，要求非常严格，固定安装于船底的中部，与MRU位置在y方向非常接近。特殊情况可以安装在船的侧舷，安装过程中需要对多波束换能器进行实时的调平，并精确测量安装位置信息及参数，一经安装则一般不需要移动。

GPS定位系统的天线安装于船体主的高处，原则上应该为最高处，周围无遮挡，但在实际操作过程中，最高处一般无法实现安装与固定，故通常选择主的较高处，且周围无遮挡即可满足要求。如果条件允许，天线的安装可按照船舶轴线方向安装。

应特别注意，在进行系统参数的设定时，要准确把握参数的正负值，否则就会出现较大的偏差。经过精确测量的系统参数设定后，需要在出海正式作业前进行多波束系统的偏差校准，包括横摇、纵倾、摇、时间延迟等。多波束系统内部参数的设定与校准，需要具备相对较高的专业知识水平及掌握精确测量的要点，经过精确测量的系统参数一经设定，则在海上试验时，则不需要做过多的改正工作，通常只需要做非常微小的改正即可达到测量精度的要求。故通常要求测量船在干船坞内或非常稳定的环境下进行系统参数的测量，当建立坐标系统后，所有测量参数均需在该坐标系统内进行测量；通常选择以船舶的重心点安装MRU，以MRU的顶面中心点为坐标原点建立坐标系统；系统测量参数经过测算后，将测量参数输入系统。需要引起注意的是，在参数输入时应非常重视正负值的区分，否则将会出现很大偏差。这就需要测量时认真分析，准确判断，最终才能很好的完成内部参数的设定。

多波束测深技术是海底地形测量的一种重要手段，它通过多种设备共同协作完成对地形的测量。每一种设备提供不同的功能采集不同的数据，总体框架是以内容和时间序列编排各个记录，采用qinsy采集软件获得了繁杂的海量数据。其中主要包括当前Ping的时间、纬度、经度、船速、航向、与前面ping的间距、波束数，船体的姿态，潮位数据、表层声速值、水深、开角等数据。将繁杂数据导入到caris内业处理软件中，对其进行相关各参数改正、去噪处理等操作，使之处理出易于理解、使用的简单化成果数据。

经改正后处理的测线WGS84坐标、1980西安坐标、北京54坐标；以桩体几何参数为约束，利用点云数据构建拟合模型，借助最小二乘解算模型；以构建的桩体模型为参考，采用统计滤波方法，消除远离桩体的异常点云，实现点云数据滤波。重复上述工作，反复迭代，得到满足精度要求的桩体倾斜参数、顶面中心平面和高程坐标以及四桩导管架间平面距离。

对多条独立测线处理的结果进行精度评定的方法：

方法一：柱面建模和柱顶平面建模。利用总体最小二乘的原理，对柱面点云数据和柱顶数据分别进行拟合，柱面中轴线与柱顶平面相；交求得桩顶中心坐标，通过多条独立测线处理的结果进行精度评定；

方法二：柱顶圆建模。对分割出的柱顶点云数据进行圆建模，求得柱顶圆心坐标，通过多条独立测线处理的结果进行精度评定。

判断数据准确性：通过采用RTK实际测量水下沉桩桩顶标高值与采用多波束内业处理软件处理后相对应的正常高值做差值比较，若满足规范规定要求，则表示合格；RTK指的是载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。

Sonic 2024：同时获得数十个相邻窄波束的回声测深系统，一般由窄波束回声测深设备和回声处理设备两大部分组成，主要用于海底地形测量、扫海测量和海上施工区域的测量。装在测量船上的多波束测深系统，每发射一个声脉冲，可以获得船下方的垂直深度，同时获得与船的航迹相垂直的面内的几十个水深值，从而实时绘出海底地貌图；通过船上计算机对各种数据的处理，可由绘图仪绘出等深线图，精确测定航行障碍物的位置、深度，实现了从"点-线"测量到"线-面"测量的跨越，大大提高了工作效率和施工精度。

声速剖面仪SVP：用于测量不同水深处的声速值，声速误差所引起的测深误差是多波束测深误差的主要因素之一，声速剖面的不稳定会引起多波束测深条带发生畸变的现象，导致多波束测深数据精度差甚至无法使用，为了获取高精度的测深数据，需对 QINSy软件中声速改正计算方法进行研究，以便在后处理中进行数据修正等；在多波束浅海测量过程中，SVP 误差可引起测深条带向上或向下对称弯曲现象，尤其表层声速误差对测深值影响较大，因此在多波束测量时要获取准确的 SVP，并建议配备且正确安装表面声速仪，以获取高精度的多波束水深数据。

罗经运动传感器Octans：OCTANS 光纤罗经和运动传感器是世界上唯一经 IMO认证的测量级罗经，内含3个光纤陀螺和3个加速度计，可以给出载体的六自由度运动姿态以及真北方位角；在任何情况下，均能实时提供精确可靠的运动姿态数据，能在任何海况下为各种船舶提供完美的实时升沉数据。在光纤陀螺中，没有任何的机械运动，取而代之的是光线在光纤线圈中转动；借助于三个辅助的加速度计，OCTANS从加电开始，在10分钟内即可以高达100 Hz的频率准确地输出罗经方位信息和三维运动姿态信息，实时测量船体的横摇、纵摇、升沉，起到了姿态实时记录作用。

GPS：全球卫星定位系统是基于空间无线电波传输的卫星导航定位系统，其系统具有全能性、全球性、全天候、连续性和即时性的精密三维导航及空间定位功能，同时拥有良好地抗干扰性和信息保密性；全球卫星空间定位技术的定位功能是依仗测量中的距离交会定点工作原理予以实现；它是一个中距离圆形轨道卫星定位系统，可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位和高精度的时间基准；给出每个测量点精确的坐标位置，然后通过坐标位置得到各个测量点的距离和空间位置。

为保证水深数据的精度，必须知道声纳头以及罗经和运动传感器的安装偏差roll,pitch,yaw offset，在做校正时需要在二种不同的海底地形上进行特定的测量，横摇的校正roll，在平坦地型的同一条测线上以相同船速，互相相反的航向各测量一次；纵摇的校正pitch，在特征地形的同一条测线上分别以相同船速，互相相反的航向各测量一次；艏摇的校正yaw，在特征地形两旁的二条测线上以相同船速，沿同一航向各测量一次，二条测线的间隔应等于最大条带宽；重复调整校准值，直到认为合适即可，点击stop即可保存到内业处理软件当中；校准后打开vessel config 可以在transducer1中看到校准后改正的值，改正的值可正、可负。

Claims (5)

1.一种多波束水下钢管桩桩位测量方法，其特征在于：该方法采用多波束测深仪、罗经运动传感器、GPS进行水下钢管桩桩位测量，其步骤如下：

（1）测线布设

测线布置选用以下两种方式中的任意一种：

第一种：测线以桩为中心布置成#字形；

第二种：测线以桩为中心布置成圆形；

（2）设备安装

将多波束测深仪安装于作业船舶的右舷，将罗经运动传感器安装于作业船舶的左舷侧，将GPS安装于作业船舶的右舷靠船尾处；

（3）参数测量

将多波束测深仪的接收器与水面的交点设置为测量水深的参考点；测量时的船体坐标系以参考点为原点，船头朝向为Y轴，垂直船头朝向为X轴，原点向上为Z轴；

测量的参数包括多波束测深仪的接收器的安装参数、多波束测深仪的换能器的安装参数、GPS的安装参数、当前Ping的时间、纬度、经度、船速、航向、与前面ping的间距、波束数，船体的姿态，潮位数据、表层声速值、水深、开角；

根据测量的参数处理得到测线WGS84坐标、1980西安坐标、北京54坐标，然后以桩体几何参数为约束，利用点云数据构建拟合模型，借助最小二乘解算模型；以构建的桩体模型为参考，采用统计滤波方法，消除远离桩体的异常点云，实现点云数据滤波，重复上述工作，反复迭代，得到满足精度要求的桩体倾斜参数、顶面中心平面和高程坐标以及四桩导管架间平面距离；

该测量方法还包括精度评定方法，精度评定方法选用以下两种方式中的任意一种：

（1）柱面建模和柱顶平面建模：利用总体最小二乘的原理，对柱面点云数据和柱顶数据分别进行拟合，柱面中轴线与柱顶平面相；交求得桩顶中心坐标，通过多条独立测线处理的结果进行精度评定；

（2）柱顶圆建模：对分割出的柱顶点云数据进行圆建模，求得柱顶圆心坐标，通过多条独立测线处理的结果进行精度评定；

该测量方法还包括数据准确性的判断方法，具体过程为，通过采用RTK实际测量水下沉桩桩顶标高值与该测量方法处理后相对应的正常高值做差值比较，若满足规范规定要求，则表示合格。

2.根据权利要求1所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，其特征在于：正式作业前要进行参数校正，参数校正包括纵倾偏差、横摇偏差、艏向偏差；

纵倾偏差：利用水深变化较大水域的同线同速反向中央波束水深测量数据求取；

横摇偏差：利用海床教平坦水域同线同速反向的条带状水深断面测量数据求取；

艏向偏差：利用水深变化较大水域的异线同速反向的边缘波束水深测量数据求取。

3.根据权利要求1所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，其特征在于：多波束测深仪的接收器的安装参数包括多波束测深仪的接收器的横摇、纵倾、舶摇的旋转角度和位置参数；多波束测深仪的换能器的安装参数包括换能器的横摇、纵倾、舶摇的旋转角度和位置参数；GPS的安装参数包括GPS天线的位置参数。

4.根据权利要求1所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，其特征在于：该方法使用声速剖面仪对不同水深处的声速值进行测量。

5.根据权利要求1所述的多波束水下钢管桩桩位测量方法，其特征在于：所述多波束测深仪为SONIC 2024。

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