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        多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用研究

        2021-08-31 08:04:32麻定很
        經(jīng)緯天地 2021年3期
        關(guān)鍵詞:測量實驗方法

        麻定很

        (珠海市測繪院,廣東 珠海 519015)

        0.引言

        當(dāng)前世界各國都致力于建設(shè)各種水運工程,包括水下鉆探、海底輸油管道、海底電纜等。在這些工程中,測量水下地形是一個基礎(chǔ)的步驟。在深水港構(gòu)建、沿海深水岸線開發(fā)時,同樣需要細(xì)致、全面、高精度的水下地形圖[1]。可以說測量水下地形對于航海業(yè)以及多種行業(yè)來說都是不可或缺的一步。在這些行業(yè)的發(fā)展中,對測量水下地形的詳細(xì)性與精度也提出越來越高的要求。多波束測深系統(tǒng)的發(fā)展源頭是單頻測深系統(tǒng),是一種分辨率高、精度高、效率高的新型測量技術(shù)。相較于單波束測深儀,其具備自動化成圖、數(shù)字化記錄、高精度、高速度、大范圍等優(yōu)勢,近年來應(yīng)用的范圍越來越廣[2]。因此,在水下地形測量中對多波束測深系統(tǒng)進行應(yīng)用。

        對于多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用,國外目前整體研究已經(jīng)較為成熟,很多系列化多波束測深系統(tǒng)產(chǎn)品相繼問世,并掌握了水下地形測量中多波束測深系統(tǒng)的成熟應(yīng)用技術(shù)。目前國外應(yīng)用比較廣泛的一種方法是結(jié)合CORS的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法。國內(nèi)對于多波束測深系統(tǒng)進行開發(fā)與研究是從八十年代開始的,目前自主研發(fā)的產(chǎn)品仍然較少,對其應(yīng)用的研究也是在近幾年才取得了一定成果。有學(xué)者在研究中提出一種結(jié)合差分GPS技術(shù)的應(yīng)用方法,獲得廣泛應(yīng)用。對于目前應(yīng)用較多的這些方法,由于存在測量精度較低的問題,因此設(shè)計一種新的應(yīng)用方法。

        1.設(shè)計應(yīng)用方法

        1.1 準(zhǔn)備工作

        在進行測量之前,需要做好兩方面的準(zhǔn)備工作,一方面是測量技術(shù)書的編寫;另一方面是做好質(zhì)量控制措施。

        測量技術(shù)書的編寫具體包括編寫以下幾方面的要求:首先是測量精度等級方面的要求。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具體(如表1所示):

        表1 測量精度等級方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

        定位技術(shù)方面的要求具體如下:定位誤差的范圍需要控制在相鄰兩個波束間的距離以內(nèi)。

        測深技術(shù)方面的要求具體如下:需要對各個誤差源、天氣狀況、海況等提出具體要求[3]。

        測線布設(shè)與覆蓋要求具體如下:需要根據(jù)測區(qū)的實際水文狀況進行測線布設(shè)與覆蓋要求的制訂。

        其中,四種等級測區(qū)的具體掃幅寬度要求具體(如圖1所示):

        圖1 四種等級測區(qū)的具體掃幅寬度

        質(zhì)量控制措施具體包括在安裝設(shè)備之前,實施多波束測深系統(tǒng)的穩(wěn)定性實驗,共進行8h,當(dāng)精度符合要求后,自檢聲速剖面儀、光纖羅經(jīng),確保數(shù)據(jù)均符合要求。檢驗GPS設(shè)備,保障技術(shù)指標(biāo)均符合要求。以及審議測線布設(shè)方案等。

        1.2 安裝設(shè)備

        首先安裝多波束測深系統(tǒng)的探頭支架,在安裝中,固定支架使船體和支架成為一個整體,讓探頭的接收和發(fā)射位置能夠更好地反映船體姿態(tài)。盡量垂直固定探頭的支桿,使發(fā)射探頭與船中央軸線保持平行。

        通過ZJCORS實施平面定位。對于未覆蓋通訊信號以及信號較為弱小的地區(qū),對CORS臨時控制網(wǎng)進行構(gòu)建來實施平面定位。

        羅經(jīng)在安裝時在右側(cè)船艙中固定,方向朝著船艏,確保工作平臺、探頭、羅經(jīng)的姿態(tài)一致。

        利用線纜將多波束測深系統(tǒng)的各部分連接成整體,包括后處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運動傳感器、光纖羅經(jīng)、GPS設(shè)備、處理器等[4]。

        接著構(gòu)建船體坐標(biāo)系統(tǒng),具體步驟如下:

        (1)保障各種系統(tǒng)設(shè)備均與船體保持一致的搖晃;

        (2)將水面與探頭支架交界中心點作為參考原點;

        (3)將Z軸方向整理為垂直向上方向,將Y軸方向整理為船航行方向,將X軸方向整理為船右舷方向。量取多波束探頭、GPS天線、羅經(jīng)的具體位置(相比參考原點來說)。具體量取方法為來回進行兩次量取后,取兩次測量的平均值作為最終測量值。

        然后對控制系統(tǒng)進行設(shè)置,并對多波束系統(tǒng)實施安裝校準(zhǔn)。

        1.3 測量水下地形

        利用多波束測深系統(tǒng)對現(xiàn)場進行測量,具體測量步驟包括:觀測水位、測量水深以及測量聲速剖面[5]。

        觀測水位的具體步驟如下:每隔5km對水位觀測點進行一次設(shè)置,與水文站的實際水位觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合,利用系統(tǒng)軟件實施水位修正。采用的方法為線性多站內(nèi)插法,最終獲取水下地形點的對應(yīng)高程測量數(shù)據(jù)。

        測量水深的具體步驟如下:首先實施測區(qū)邊界的測量,接著依據(jù)設(shè)定路線實施全覆蓋測量,并選擇適合進行壩前校準(zhǔn)的地區(qū)測量[6]。

        測量聲速剖面的具體步驟如下:(1)根據(jù)水深分色圖,將水深、聲速變化較大之處定為測量投擲點。對聲剖儀的實際下沉速度進行控制,緩慢進行其下放,避免儀器沉入淤泥中;(2)對儀器進行回收,在計算機中拷貝測量的數(shù)據(jù),利用聲速剖面軟件進行編輯,在處理數(shù)據(jù)時還需要修正聲線彎曲。

        1.4 解算測量數(shù)據(jù)

        根據(jù)測量得到的各通道采樣的原始數(shù)據(jù),計算聲線經(jīng)過的傳播時間與水平距離,采取迭代法對測量數(shù)據(jù)進行解算。

        為對多波束數(shù)據(jù)進行更準(zhǔn)確計算,共引入3種三維坐標(biāo)系,其中包括波浪、測船以及大地坐標(biāo)系。第一種坐標(biāo)系的示意圖具體(如圖2所示):

        圖2 補償器波浪坐標(biāo)系

        在圖2的坐標(biāo)系中,坐標(biāo)原點是傳感器中心。

        大地坐標(biāo)系使用的是海道測量中常用的1954。

        而測船坐標(biāo)系的軸向和圖1坐標(biāo)系是一致的,只是原點的設(shè)置是在船的一個定點上,通常選擇的是船的重心處。

        當(dāng)處于理想條件時,涌浪濾波器、聲基陣、GPS天線等測量設(shè)備與測量船會達(dá)到中心上的重合,但在實際情況中這種理想條件很難達(dá)成,因此首先需要修正測量數(shù)據(jù)。

        在坐標(biāo)系里,設(shè)聲基陣中心往下的深度為d。根據(jù)測量獲得R橫搖值、θ預(yù)成波束角、P縱搖值等原始數(shù)據(jù),如式(1)所示:

        式(1)中,c為聲速;r為行程;Tp為聲信號實際傳播時間。

        根據(jù)斯涅爾定律可得,如式(2)所示:

        式(2)中,c(z)為夾角處的聲速;c0為聲線出射處,夾角處聲速對應(yīng)值;α為水平坐標(biāo);α0為聲線出射處夾角對應(yīng)值。

        對聲線經(jīng)過的傳播時間與水平距離進行計算,如式(3)所示:

        式(3)中,x0為掠射角;t為聲線經(jīng)過的傳播時間;r′為水平距離。

        式(3)是關(guān)于掠射角與深度的積分式,難以直接通過時間獲得相關(guān)測量值,因此采取迭代法對其進行解算。

        對式(3)實施離散化處理:將聲速的層數(shù)設(shè)為層,傳播軌跡分別用n(z0),n(z1),…,n(z2),n(zn)來表示,則聲速剖面具體(如圖3所示):

        圖3 聲速剖面

        在圖3的聲速剖面中,各層間的深度間隔分別為Δz1,Δz2,…,Δzn那么對于第i層聲速剖面來說,如式(4)所示:

        式(4)中,ti為第i層聲速剖面的聲線傳播時間;ri′為第i層聲速剖面的聲線傳播水平距離。

        則如式(5)所示:

        通過式(5)即可進行測量參數(shù)的解算,具體包括水位、水深以及聲速剖面的解算。

        2.實際應(yīng)用

        2.1 研究區(qū)域

        對于設(shè)計的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法,利用其進行某處的實際水下地形測量。實際選取區(qū)域為某水電站處,通過該處的水下地形測量進行水電站斷面淤積分析以及庫容量計算。該水電站的斷面布置圖具體(如圖4所示):

        圖4 水電站的斷面布置圖

        2.2 實驗多波束測深系統(tǒng)選擇

        實驗中使用的多波束測深系統(tǒng)型號為Atlas Fansweep 20,該系統(tǒng)具體構(gòu)成設(shè)備為CTD輸出顯示設(shè)備、信號控制電子柜、探測器設(shè)備、電羅經(jīng)、信號處理電子柜、工作站硬件、運動傳感器、工作站軟件、聲速剖面儀軟件、聲速剖面儀硬件、接收換能器、發(fā)射換能器、定位系統(tǒng)等。

        2.3 實驗方法

        對設(shè)計的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法的性能進行測試,具體測試項目為水位、水深以及聲速剖面的測量精度。為使測試結(jié)果更有說服力,選擇現(xiàn)有的兩種應(yīng)用方法作為實驗中的對比項,進行性能測試對比實驗,豐富實驗結(jié)果。這兩種方法分別為結(jié)合CORS、結(jié)合差分GPS技術(shù)的應(yīng)用方法。深入分析3種應(yīng)用方法的性能測試實驗結(jié)果,獲取實驗結(jié)果。

        2.4 實驗結(jié)果

        2.4.1 水位測量精度實驗結(jié)果

        分別對設(shè)計的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法與結(jié)合CORS、結(jié)合差分GPS技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法的水位、水深以及聲速剖面的測量精度進行測試。首先是測試水位測量精度,利用Atlas Fansweep 20對實驗水電站處的水位進行測量,獲取3種方法的水位測量精度實驗數(shù)據(jù),具體(如表2所示):

        表2 3種方法的水位測量精度實驗數(shù)據(jù)

        在表2中,3種方法水位測量精度實驗數(shù)據(jù)表明:設(shè)計多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中應(yīng)用方法的平均水位測量精度最高可達(dá)92.3254%,能夠達(dá)到很高的水位測量精度,整體高于結(jié)合CORS、結(jié)合差分GPS技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法,實現(xiàn)了水位測量精度的提升。

        2.4.2 水深測量精度實驗結(jié)果

        接著測試3種方法的水深測量精度,具體實驗結(jié)果(如表3所示):

        表3 水深測量精度具體實驗結(jié)果

        根據(jù)表3的水深測量精度具體實驗結(jié)果,設(shè)計多波束測深系統(tǒng),在水下地形測量中應(yīng)用方法的平均水深測量精度最高可達(dá)95.3654%,整體水深測量精度最高,實現(xiàn)了水深測量精的提升。

        2.4.3 聲速剖面測量精度實驗結(jié)果

        最后測試3種方法的聲速剖面測量精度,所獲取的實驗數(shù)據(jù)具體(如表4所示):

        表4 聲速剖面測量精度實驗數(shù)據(jù)

        表4的聲速剖面測量精度實驗數(shù)據(jù)表明:設(shè)計的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法的聲速剖面測量精度整體高于其他2種應(yīng)用方法。

        綜上所述,設(shè)計的多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法實現(xiàn)了多方面測量精度的提升。

        3.結(jié)束語

        在對多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用方法進行研究的過程中,通過迭代法對測量數(shù)據(jù)進行解算,使測量結(jié)果更加精密。在研究過程中,盡管取得一定的研究成果,也存在很多疏漏,在今后的研究中,將會盡力消除這些疏漏,完善研究成果。

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