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如何高效地进行水下地形测绘-澳门永利网上娱乐

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如何高效地进行水下地形测绘
作者:    时间: 2018-10-11    浏览量:426

测量是研究地球的形状、大小和地面上各种物体的集合形状及其空间位置。和传统的地形测绘一样,水下地形测绘是为了获取水下地形的一种测量工作。



一、水下地形测绘简介

和传统地形测绘不同的是,水下地形测绘多一个水深的获取步骤,水下地形测量包括测点的平面位置和水深测量。平面位置主要采用GNSS 定位技术确定(可达到厘米级的实时定位),水深主要通过各种类型的单波束回声测深仪得到(一般高精度测深仪也可以达到厘米级的测量精度),由水面高程(水位)减去水深可得测点的水底高程。通过无数个测点的平面位置和水深位置的获取,水下地形即可被测量展现出来。下图为水下地形测绘示意图:


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1、RTK简单原理:

高精度的定位测量必须采用载波相位观测值,RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GNSS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不到一秒钟。北斗卫星的投入使用,使得GNSS接收机搜索到更多的共同解算卫星(至少4颗),甚至可以采用北斗单解算,更多的卫星可以使GNSS接收机工作更稳定。


2、单波束测深仪工作原理:

二十世纪二十年代第一次出现了回声探测仪,利用单波束回声测深仪对水下地形进行测量技术称之为常规测深技术。回声测深仪的出现,是人类探测水下世界的重大突破。其原理是通过换能器向水下发射声波,声波在水中传播,遇到水底后发生反射、透射和散射反射回来的回波,经换能器接收。根据声波在水中的传播速度(C)及往返的时间(T)计算水深。这个水深值只是换能器到水底的距离,通常用H3来表示。而在实际测量过程中,换能器是在水下一定深度,我们称这个深度为吃水深度改正值(吃水水深),用 H2表示。实际的水深值用H表示,那么实际水深H为:

H= H3 + H2

H3 =C*T/2

如上图所示RTK达到固定解以后可以设置输出包含位置信息的GPGGA数据,测深仪通过串口接收到含WGS84经纬度的位置信息再由坐标系参数转化成当地平面坐标下(xyh)的三维坐标,此时仪器获得的三维坐标是接收机相位中心的位置,通过设置天线至水面高(H1)和超声回声式测深仪测得水深值可以计算出RTK正下方水底的三维坐标(XYZ):

Z=h- H1 -H

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二、传统水下地形测绘作业方式:

传统的水下地形测绘的作业方式有以下三种方式:

人工手持RTK下水测量;

皮划艇搭载测深仪;

有人船侧边悬挂式。

三种方式适应不同的环境,也有着各式的优缺点。


1、人工手持RTK下水测量


传统水下地形测量,人工手持RTK下水测量


此种方式适合浅水区域水下地形测量,成本低(无需测深仪,无需其它辅助设备),机动性强。但人员的安全得不到保障,精度方面受人为影响较大,深水区域无法采用此种方式,一般不采用此种测量方法。


2、 皮划艇搭载测深仪


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 此种方式适合静水窄河测量。皮划艇相对来说,携带方便,下水前进行充气即可。适合中小静水河流水下地形测量,成本相对较低。因皮划艇较小,侧边比较圆润,测深仪难以稳定固定,且人员太多,相对船体太小,不是很安全。


3、有人船侧边悬挂式


传统水下测量,有人船侧边悬挂式 


有人船搭载测深仪进行水下地形测绘是被普遍采用的一种方式。有人船稳定、安全的优点被大众所青睐,悬挂测深仪的方式也较容易。但有人船无法在浅滩进行测量,同时有人船一般较大,灵活性差,这样就很难按照计划线进行测量,测量下来要么多了要么少了。而且每次要提前租船,费用也较高。无人船的出现恰恰是为了解决以上的诸多问题。


传统水下测量,有人船侧边悬挂式


三、新型水下地形测量方式——无人船

无人船用来进行水下地形测量已然被大众所接受,作为水下地形测绘方式的一种补充,在很大程度上替代了传统的作业方式。自13年无人船问世以来,经过多年技术的积累和发展,技术趋近成熟,船的航行已表现非常稳定,现无人船的发展逐步往智能方向靠拢。无人测量船以其轻便、小巧和高效等特点,深受测绘单位的喜爱。

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华微5号无人船和有人船同时在进行水下地形测量

 

华微3号无人船水下地形测量中

华微3号无人船水下地形测量中

华微5号无人船水下地形测量

华微5号无人船工作中


四、单波束测深仪测量成果展示

单波束测量一般要进行简单的后处理,将假水深或调整或删除,因单波束数据比较稀疏,需要借助第三方后处理软件,如CASS软件,输出水深断面高程图,清淤的项目一般还需要进行构建三角网,两次数据对比,算出方量。


单波束测深仪测量成果展示

单波束测量成果展示


五、水下地形测绘的发展趋势——多波束测深仪

多波束测深系统,又称为多波束测深仪、条带测深仪或多波束测深声呐等,最初的设计构想就是为了提高海底地形测量效率。与传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值相比,多波束探测能获得一个条带覆盖区域内数百上万个测量点的海底深度值,实现了从线测量到线测量的跨越,其技术进步的意义十分突出。


水下地形测绘的发展趋势——多波束测深仪

多波束测深仪原理图


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Norbit浅水集成多波束测深仪


Norbit多波束以其轻便的设计,深受浅水测量需求客户的欢迎。同时其iWBMS型号多波束换能器高度集成了IMU姿态模块、表面声速仪,甲板单元集成了高精度定位定向板卡,使得测量变得更加省时、省力。


Norbit浅水集成多波束测深仪 

Norbit浅水集成多波束测深仪 

有人船多波束的安装 

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无人船搭载多波束


六、多波束测深仪成果展示

与单波束回声测深仪相比,多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点,它把测深技术从点、线扩展到面,并进一步发展到立体测深和自动成图,特别适合进行大面积的海底地形探测。这种多波束测深系统使海底探测经历了一个革命性的变化,深刻地改变了海洋学领域的调查研究方式及最终成果的质量。多波束的测量从真正意义上达到了所见即所得。


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精细化测量 

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特征地物(桥墩)的扫测

  

无人测量船搭载的GNSS全球定位系统,不仅能为水下地形测量提供高精度的定位坐标,还可以为无人船提供自主导航的位置信息,让无人船真正脱离人的操作根据规划的线路到达指定位置完成相应任务。现在无人船除了在水下地形测绘行业成熟应用,搭载侧扫声呐在水下考古、沉船打捞,搭载ADCP在河流流场测量,搭载水质仪在水文、河长制中都得到广泛应用。


无人船搭载多波束+水面三维激光 

无人船搭载多波束+水面三维激光

 无人船搭载水质仪和测深仪 

 无人船搭载水质仪和测深仪

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