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        多波束測深技術(shù)在長江某水廠取水管現(xiàn)狀檢查中的應(yīng)用

        2019-12-21 01:49:20
        長江科學(xué)院院報 2019年12期
        關(guān)鍵詞:測線波束分辨率

        (長江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所,武漢 430010)

        1 研究背景

        目前,水下建筑物現(xiàn)狀檢查的主要技術(shù)有潛水摸查、水下視頻錄像、單波束測深技術(shù)、多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶和雙頻聲吶識別技術(shù)等[1]。潛水摸查和水下視頻錄像需要在水質(zhì)清晰、流緩的水域中,進(jìn)行接觸式作業(yè)。

        單波束測深技術(shù)通過布設(shè)斷面、設(shè)置采樣點間距,進(jìn)行逐點測量,采用內(nèi)插的方式生成等值線,反映水下地形[2]。單波束測深技術(shù)測深精度低、采集數(shù)據(jù)量少、分辨率低,無法全面客觀地反映水下建筑物的現(xiàn)狀。

        側(cè)掃聲吶和雙頻聲吶識別技術(shù)都是利用聲學(xué)原理進(jìn)行聲吶成像,得到影像數(shù)據(jù),通過人工判讀,確定缺陷信息[3]。得到的缺陷信息帶有人工的主觀性,而且沒有位置信息,無法進(jìn)行定量分析。

        多波束測深技術(shù)可在一個條帶內(nèi)得到上百個測深點,能高效地得到高精度、高分辨率的水下地形數(shù)據(jù)[4-6]。與潛水摸查和水下視頻錄像相比,對水質(zhì)清晰度和流速沒有要求,而且不需要接觸水下建筑物,降低安全隱患。與單波束測深技術(shù)相比,水底三維地形圖的水深值更加密集、精度更高[7]。與聲吶技術(shù)相比,多波束測深技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的位置信息,可以進(jìn)行定量分析。通過對多波束測量得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理和三維建模,可以精確、全面、動態(tài)地反映水底微地形地貌,獲得高清晰度水底影像。

        2 多波束測深系統(tǒng)探測能力

        2.1 系統(tǒng)組成

        多波束測深系統(tǒng)一般由多波束測深儀、外圍輔助傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[8]。本文采用Kongsberg EM2040C(雙探頭)多波束測深儀,整個多波束測深系統(tǒng)的設(shè)備組成見表1。

        表1 多波束測深系統(tǒng)組成

        Kongsberg EM2040C(雙探頭)多波束測深系統(tǒng)各模塊連接見圖1。Kongsberg EM2040C(雙探頭)水下多波束測深儀主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

        圖1 Kongsberg EM2040C多波束測深系統(tǒng)模塊連接

        2.2 探測能力

        多波束測深系統(tǒng)的探測能力由分辨率決定,分辨率是指系統(tǒng)在波束邊緣所能夠分辨的最小距離[9]。分辨率分縱向分辨率和橫向分辨率,由EM2040C發(fā)射波束的垂直波束角和水平波束角所決定。

        表2 EM2040C多波束測深儀主要技術(shù)指標(biāo)

        圖2 縱向分辨率示意圖

        縱向分辨率指平行于航跡方向上邊緣波束能夠分辨的最小距離(見圖2),計算公式為

        tan(α/2) 。

        (1)

        式中:H為水深;φ為多波束測深系統(tǒng)縱向接收波束角度;α為多波束測深系統(tǒng)縱向接收波束最小角度。

        EM2040C的縱向接收波束寬度為27°,縱向接收波束最小角度為1.0°,20 m水深的縱向分辨率為0.359 m。

        圖3 橫向分辨率示意圖

        橫向分辨率指垂直于航跡方向上邊緣波束能夠分辨的最小距離(見圖3),計算公式為

        Δx=H·[tan(φ/2)-tan(φ/2-θ)] 。(2)

        式中:φ為多波束系統(tǒng)橫

        向發(fā)射波束角度;θ為多波束系統(tǒng)橫向發(fā)射波束最小角度。

        EM2040C的橫向發(fā)射角度一般設(shè)置為100°,橫向發(fā)射波束最小角度為1°,20 m水深的橫向分辨率為0.828 m。

        3 自適應(yīng)濾波算法

        利用多波束測深技術(shù)進(jìn)行水下地形和斷面測量時,通常采用趨勢面濾波法、限幅濾波法和中位值濾波法等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的濾波方法過分要求數(shù)據(jù)平滑,會造成水底微地形或局部突變數(shù)據(jù)被剔除[10-11]。利用多波束測深技術(shù)進(jìn)行水下建筑物現(xiàn)狀檢查,水底突變數(shù)據(jù)通常代表水下建筑物變形特征點,為了避免變化水深點被不合理刪除,本文采用自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        首先,根據(jù)水下突變邊界點與其鄰域地形連續(xù)性不一致的特點,將水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分段,每段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理。本文采用的自適應(yīng)濾波方法原理見圖4。選擇一個具有一定高度和長度的圓柱體過濾器,并根據(jù)圓柱體長度內(nèi)的平均值對數(shù)據(jù)進(jìn)行步進(jìn)處理,所有位于圓柱體外部的水深值將會被刪除。在對原始較粗糙的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時,圓柱體過濾器選擇較小的長度和較大的高度,剔除較大的噪點(圖4(a));然后選擇較大的長度和較小的高度圓柱體過濾器對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加精細(xì)的處理,剔除較小的噪點(圖4(b))。

        圖4 自適應(yīng)濾波

        該方法能夠有效地剔除多波束水深數(shù)據(jù)粗差,同時對特征變化點有效保留,提高了水下地形測量精度,準(zhǔn)確表達(dá)了水下建筑物變形特征。

        4 工程實例

        4.1 工程概況

        長江某水廠以長江為水源,布設(shè)上層和下層取水管各2根(直徑1 400 mm),取水口分別用6根鋼管樁(直徑840 mm)構(gòu)成的承臺進(jìn)行固定。2017年枯水期,因水位下降,上層取水口裸露出水面,被航行船舶碰撞,造成破損,且該水廠自2013年投入使用后,一直未對取水管現(xiàn)狀進(jìn)行檢查。為保證取水管道的正常運行,需要對水下取水管現(xiàn)狀進(jìn)行檢查,根據(jù)取水管破損現(xiàn)狀和位置確定加固和修復(fù)方案。

        圖5 測線布設(shè)

        4.2 測量實施

        4.2.1 測線布設(shè)

        取水管從岸邊向長江中間延伸,上層取水口距離岸邊約100 m,下層取水管距離岸邊約350 m。首先在測區(qū)范圍內(nèi)用多波束掃測得到取水管的位置,為了對取水管進(jìn)行精密測量和建模,與傳統(tǒng)多波束測線平行于水流方向布設(shè)方式不同,本次測量測線布設(shè)平行于取水管方向(垂直于水流方向)。本次測量一共布設(shè)6條測線,見圖5。取水管上方、左右各布設(shè)2條往返測線,左右方向布設(shè)測線是為了掃測鋼管樁和承臺,往返測線是為了數(shù)據(jù)處理時對缺陷進(jìn)行驗證。

        4.2.2 掃測寬度、波束角、船速選擇

        Kongsberg EM2040C(雙探頭)左右探頭分別可以調(diào)節(jié)最大掃測角度130°,中間重疊30°區(qū)域,因此最大可以達(dá)到200°開角的掃測寬度。雖然掃測寬度決定測量效率,但是對于水下建筑物現(xiàn)狀檢查,最重要的是獲取高分辨率的水下地形數(shù)據(jù)。多波束掃測得到的中央波束信號精度最高,根據(jù)測線布置的特點,6條測線掃測開角設(shè)置見表3。取水管上方測線利用中央波束得到高精度的點云數(shù)據(jù),對取水管現(xiàn)狀進(jìn)行檢查;左右測線根據(jù)航行方向調(diào)整左右探頭的發(fā)射開角,對鋼管樁和承臺現(xiàn)狀進(jìn)行檢查。

        表3 掃測角度設(shè)置

        波束角越小,探測水底地形特征就越細(xì)致。在進(jìn)行水下精細(xì)檢查中,應(yīng)盡可能選擇波束角小的多波束測深系統(tǒng),本次測量選擇1.0°×1.0°波束角,得到的數(shù)據(jù)能夠更加直觀細(xì)致地反映取水管破損現(xiàn)狀。

        在多波束全覆蓋掃測中,船速不宜過快。船速過快會在航向重疊的點云不密,分辨率不高,對掃測物體形成盲區(qū),遺漏缺陷。根據(jù)實際測量經(jīng)驗,建議船速控制在5節(jié)(1節(jié)=1.852 km/h)以內(nèi)[12]。

        圖6 上層取水管殘留情況

        4.3 結(jié)果分析

        通過對多波束測量的高精度、高分辨率水下點云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和三維建模,得到的結(jié)果能夠直觀、定量地反映取水管破殘現(xiàn)狀和破損位置。上層取水管殘留情況如圖6所示,下游(圖6左側(cè))方向取水管因碰撞已經(jīng)偏離原始位置,向上游(圖6右側(cè))方向擺動。在距離岸邊約30 m的位置,下游方向取水管已經(jīng)移動至上游方向取水管上部,上層2根取水管呈交叉狀態(tài)。

        上層承臺現(xiàn)狀如圖7所示,整個承臺向上游方向傾倒約90°,上層取水口方向朝上游方向。上層承臺6根鋼管樁均已傾斜,其中5號、6號鋼管樁已經(jīng)和承臺脫離。下層取水管有兩處斷裂,如圖8所示。

        圖7 上層承臺現(xiàn)狀

        圖8 下層取水管斷裂位置

        5 結(jié) 語

        目前多波束測深技術(shù)主要應(yīng)用于水下地形測量,繪制等深線和斷面圖。針對長江某水廠取水管的現(xiàn)狀檢查,所處位置水質(zhì)渾濁、流速較大,傳統(tǒng)潛水摸查和水下視頻錄像方式無法進(jìn)行。本文通過設(shè)計測線,合理選擇掃測角度、波束角,對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理和三維建模,直觀地展示了取水管破殘現(xiàn)狀和破損位置,為該水廠取水管加固和修復(fù)項目提供了全面的水下現(xiàn)狀信息,成功地將多波束測深技術(shù)應(yīng)用于水下建筑物現(xiàn)狀檢查和缺陷精密測量。

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