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        智能無人測量船在岷江龍溪口航電工程中的應(yīng)用

        2023-09-22 08:14:46閆小平李鴻賓韓喜明劉寶榮楊生福
        四川水泥 2023年9期
        關(guān)鍵詞:測量系統(tǒng)

        閆小平 李鴻賓 韓喜明 劉寶榮 楊生福

        (四川江源工程咨詢有限公司,四川 成都 610000)

        0 引言

        四川省內(nèi)有嘉陵江、岷江等大江大河,水運資源豐富,近年來內(nèi)河水運建設(shè)得到大力發(fā)展,岷江犍為、龍溪口等梯級航電樞紐正在全力推進建設(shè)。岷江龍溪口航電工程地處岷江中游段,山區(qū)河道水流湍急,河面寬窄不一,水位和流量變化幅度大,洪枯流量相差懸殊,其水文測量難度較大,且要求快速和精準。傳統(tǒng)的測量主要依靠手持儀器或固定儀器在機動船上測量,而由于機動船是人為操作,船只不能按照預設(shè)的航線準確測量,且人員勞動力高,操作要求高,不能全天候測流,同時,傳統(tǒng)的ADCP 測流載體存在效率低、淺灘難測、場景適應(yīng)性差、汛期測流危險系數(shù)大等眾多痛點問題。因此,傳統(tǒng)人工測量方式在作業(yè)效率、安全性及工作范圍,以及數(shù)字化應(yīng)用等方面已無法滿足現(xiàn)代水運建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的需求。

        智能無人測量船的出現(xiàn),為山區(qū)河流測量提供了全新的技術(shù)手段,該技術(shù)擁有高效、安全、便攜、運行成本低等特點,無人船搭載定位和聲吶設(shè)備進行水下地形測量已在眾多場景、項目中得到應(yīng)用。本文將對其在岷江龍溪口航電樞紐建設(shè)工程中的應(yīng)用實踐進行介紹。

        1 智能無人測量船系統(tǒng)介紹

        1.1 系統(tǒng)組成

        目前市面上主流的無人測量船系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。其中,控制系統(tǒng)主要包括:數(shù)據(jù)處理及顯示平臺、航行平臺、無線通信系統(tǒng)、遙控系統(tǒng);測量系統(tǒng)主要包括:全球定位系統(tǒng)GNSS、測深系統(tǒng)、陀螺儀及船上控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、姿態(tài)和慣性導航系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多種子系統(tǒng)組成[1],如圖1所示。

        圖1 無人測量船系統(tǒng)組成圖

        1.2 測量原理

        無人船測深系統(tǒng)工作原理如圖2 所示,由圖2 可知:待求點河堤三維坐標為(X,Y,H),船上GPS 接收機可測得精確坐標(x,y,h),可量得接收機至水面的高度h1,可量得測深儀換能器離水深h2,換能器至待求點河底距離可通過換能器發(fā)射和接收到波束回波的時間間隔t與聲波在水體中的傳播速度V計算,即h3=l/2tV,則可計算出待求點高程為:H=h-h1-D[2]。

        圖2 工作原理示意圖

        2 智能無人測量船在龍溪口航電樞紐中的應(yīng)用

        2.1 工程概況

        岷江(樂山~宜賓)河段為四川省重大件運輸?shù)闹匾ǖ溃航埾诤诫姌屑~工程位于岷江下游樂山市犍為縣境內(nèi),是岷江樂山至宜賓航電梯級開發(fā)的第4級。在建設(shè)期間,確保航道基本不斷航且通航安全,是龍溪口航電工程建設(shè)的首要任務(wù)。為確保任務(wù)實現(xiàn),首先需及時準確地測量出龍溪口航電樞紐工程區(qū)水面礙航障礙物及水下地形。為確保該任務(wù)高質(zhì)量、按期完成,開展施工期通航1∶1000 地形圖測繪工作,按業(yè)主劃定的測繪范圍(樞紐工程上下游共3.5km 的河段,其中樞紐壩軸線上游河道1.5km,下游河道2km,河道兩側(cè)延伸至高程不低于310.00m 處)進行測繪,測繪任務(wù)包括控制測量及陸地和水下帶狀地形測量。

        本次測量采用上海華測華微4號無人測量船,并搭載M9多普勒流速流向儀。

        2.2 測區(qū)分析和測前準備

        2.2.1 測區(qū)分析

        測區(qū)水深變化大,河岸大面積區(qū)域為淺灘,水深不足20cm,但局部水深可近10m;龍溪口樞紐區(qū)較為狹窄,水深20 余m,水流湍急;樞紐區(qū)上游河段外延彎曲支汊多,測量死角較多。

        2.2.2 測量準備

        (1)開展測區(qū)控制點的校準及結(jié)果驗證。根據(jù)測區(qū)范圍收集測區(qū)氣象資料和已有測量成果,在現(xiàn)場踏勘確定無人測量船下水路徑和RTK 基站架設(shè)場地;根據(jù)測區(qū)范圍、測量比例尺、現(xiàn)場礙航情況、水流速流向情況等,確定作業(yè)船的航行參數(shù)及測量參數(shù),擬定航行路線;設(shè)備安裝調(diào)試,布置測線及自動導航任務(wù)點的規(guī)劃。

        (2)測量前的注意和確認事項:①遙控器、電腦、無人船電池是否充電;②準備當?shù)氐淖鴺宿D(zhuǎn)換參數(shù);③軟件和無人船主控注冊碼是否過期,機載設(shè)備是否開機運行;④差分方式選擇電臺模式(準備RTK 基站)還是CORS模式(準備賬號);⑤測區(qū)的底圖或已規(guī)劃好的航線;⑥檢查無人船及配件是否齊全,外觀是否正常。

        2.3 無人測量船作業(yè)要點

        2.3.1 基站RTK架設(shè)和無人船下水

        根據(jù)踏勘確定的場地架設(shè)RTK基站及確定好的下水路徑實施無人測量船下水。下水前,船需經(jīng)以下檢查合格后方能下水。

        (1)測區(qū)概況,流速不大于3.5m/s,淺灘范圍,漂浮物情況等;

        (2)動力是否正常;

        (3)天線是否安裝妥當,通訊是否正常;

        (4)軟件是否注冊;

        (5)軟件是否報錯;

        (6)軟件是否接入正確數(shù)據(jù);

        (7)遙控器,無人船等設(shè)備電量是否充足;

        (8)坐標是否正確;

        (9)無人船的位置信息、船頭當前指向、船體姿態(tài)(俯仰、橫滾)與無人船實際指向與姿態(tài)是否一致。

        2.3.2 航行和數(shù)據(jù)采集

        (1)航行要求。①調(diào)查船盡量保持勻速、直線航行(圖3);②更換測線時,要盡量緩慢轉(zhuǎn)彎;③實際航線與計劃測線的偏離不大于測線間距的25%;④測量過程中測船前后左右擺動不宜過大,當風浪引起測深儀記錄上回聲線波形起伏值較大時、波浪超過 0.6m 時暫停測深作業(yè)[3]。

        圖3 航線規(guī)劃

        (2)數(shù)據(jù)采集。通過船體控制軟件采用自動模式使無人船自主航行至測區(qū),按照布設(shè)好的測線進行水深數(shù)據(jù)采集,如圖4所示。

        圖4 實時采集數(shù)據(jù)

        2.4 水深數(shù)據(jù)處理

        采用華測自主開發(fā)的HydroSurvey7 水深處理軟件進行數(shù)據(jù)處理(圖5)。對所有測線記錄水深數(shù)據(jù)進行校對,剔除水深粗差點,對波浪部分進行平滑處理。

        圖5 水深數(shù)據(jù)處理

        2.5 質(zhì)量檢查

        將處理過后的主測深線和檢查線測量成果進行就近點重合比對高程,如表1 所示。結(jié)果表明:無人測量船水下地形測量精度滿足《水運工程測量規(guī)范》要求。

        表1 測深檢查線與主測深線相交點比對結(jié)果

        3 無人船測量的優(yōu)勢與不足

        3.1 應(yīng)用優(yōu)勢

        通過本項目實踐,發(fā)現(xiàn)無人測量船相對于常規(guī)水上測量方式有著以下幾方面的應(yīng)用優(yōu)勢:

        (1)無須人員上船,測量人員安全性系數(shù)顯著提高。

        (2)吃水最淺僅10cm,相較常規(guī)測量方式,山區(qū)河流水域基本可實現(xiàn)全覆蓋。

        (3)能夠搭載多種水上測量儀器及其它設(shè)備,稍加改裝可以用于其他方面,做到一平臺多用途。

        (4)規(guī)劃航線后,智能化測量,測量效率高,所測數(shù)據(jù)成圖整齊美觀。

        (5)無人測量船嚴格按照規(guī)劃航線行駛,測量精度高。

        (6)使用成本低。

        (7)無噪音、無污染。

        (8)操作簡便,攜帶方便。

        3.2 存在的不足

        (1)無人測量船在大斷面測流時,對航線內(nèi)的障礙物發(fā)生擦掛,避障能力需要加強。

        (2)在水流流速大于3m/s情況下,續(xù)航能力不足。

        (3)自主航行和手動遙控距離偏短。

        (4)電池續(xù)航能力有待加強。

        (5)抗纏繞物能力不強。

        4 結(jié)束語

        通過智能無人測量船在龍溪口工程項目的應(yīng)用實踐可知,智能無人測量船相比傳統(tǒng)測量方式具有高效、安全、便攜、運行成本低等優(yōu)勢,同時采用無人測量船測量方式可以獲取更多類型的測繪成果,該技術(shù)及產(chǎn)品在庫區(qū)測量、湖泊測量以及適宜流速下的山區(qū)河道測量有著較高的應(yīng)用價值。無人測量船系統(tǒng)的出現(xiàn),為航運建設(shè)提供了全新的作業(yè)手段,對夯實水利高質(zhì)量發(fā)展起到積極的推動作用,在工程建設(shè)信息化和智能化要求越來越高的當下,其應(yīng)用前景廣闊。

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