專利名稱：運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行河道測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種河道測量技術(shù)，特別是涉及一種以地效應(yīng)飛行器為測量平臺，結(jié)合使用航拍相機(jī)、RTK測量裝置、多波束測深儀及流速剖面儀進(jìn)行河道測量的河道測量方法。
背景技術(shù)：
按我國《水道觀測規(guī)范》，河道測量分為水上地形測量、水下地形測量以及河道各點(diǎn)水流流速測量。水上地形測量需測量河道兩岸邊沿堤壩、土坡的平面位置及高度。水下地形測量需對河床地理分布及水文環(huán)境進(jìn)行測量，并利用測量數(shù)據(jù)繪制水下地形圖，在圖中還需標(biāo)示出河道各斷面最深點(diǎn)連線，即深泓線和河道各斷面水流流速最快點(diǎn)連線，即中泓線。河道深泓線通過連接各河道斷面中最深點(diǎn)得到；而河道中泓線的繪制，則要依據(jù)河道各斷面水流流速的測量數(shù)據(jù)，找出河道各斷面流速最大點(diǎn)。傳統(tǒng)河道測量方法分為兩種人工測量及船舶搭載多波束測深儀進(jìn)行測量。人工測量首先需選取河道測量橫斷面，再在河道橫斷面平均選定斷面點(diǎn)，人到達(dá)斷面點(diǎn)用測深桿或測深錘測量該處河道深度。該方法耗費(fèi)人力多且效率低下。而船舶搭載多波束測深儀測量雖自動化程度高，但其使用經(jīng)濟(jì)費(fèi)用高，且在河道邊沿及淺水河道進(jìn)行測量時存在擱淺的危險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對上述傳統(tǒng)河道測量方法存在的問題，提供一種以地效應(yīng)飛行器為測量平臺，結(jié)合使用航拍相機(jī)、RTK測量裝置、多波束測深儀及流速剖面儀進(jìn)行河道測量的河道測量方法，其目的在于運(yùn)用本方法進(jìn)行河道測量工作時，只需運(yùn)用較少的人力資源及有限的人工操作，并且測量成本低于傳統(tǒng)測量方法，適用范圍較傳統(tǒng)測量方法廣泛。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的首先用地效應(yīng)飛行器搭載航拍相機(jī)進(jìn)行航空拍攝； 運(yùn)用拍攝所得河道位置信息對地效應(yīng)飛行器測量軌跡進(jìn)行規(guī)劃；運(yùn)用地效應(yīng)飛行器搭載多波束測深儀、RTK測量裝置及流速剖面儀進(jìn)行河道水下地形測量；對航拍所得數(shù)據(jù)、多波束測深儀測量數(shù)據(jù)及流速剖面儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到河道水上水下地形的三維圖像、河道深泓線及中泓線；其具體方法如下(I)航拍控制點(diǎn)布設(shè)首先從待測河道的衛(wèi)星地圖上獲取河道的粗略地理位置及地形信息，對航拍過程進(jìn)行規(guī)劃；將航拍河道進(jìn)行分段，使每一段河道被正向航帶及反向航帶兩條航帶所覆蓋； 在正向航帶的起點(diǎn)、中點(diǎn)及終點(diǎn)分別布設(shè)控制點(diǎn)A、B、C,在反向航帶的起點(diǎn)、中點(diǎn)及終點(diǎn)分別布設(shè)控制點(diǎn)D、E、F;地面控制點(diǎn)布設(shè)完成后，運(yùn)用RTK測量裝置測量所布控制點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)的平面坐標(biāo)及高程；(2)地效應(yīng)飛行器航行路線布設(shè)
運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行航拍任務(wù)，其正向航行地效應(yīng)飛行器及反向航行地效應(yīng)飛行器所拍攝照片組成立體相對，立體相對旁向重疊度取為50% 60% ;該立體相對應(yīng)覆蓋待測河道橫斷面的河面寬度及河岸上的地面控制點(diǎn)，調(diào)整地效應(yīng)飛行器飛行高度以達(dá)到此目的；根據(jù)航拍攝影范圍及單幅相片尺寸選取航拍比例尺，記所選比例尺為I : m，則地效應(yīng)飛行器飛行高度為H = f Xm式中m為比例尺分母，f為航拍攝影機(jī)主距；地效應(yīng)飛行器于正向航帶及反向航帶中作往返飛行，地效應(yīng)飛行器飛行軌跡為從正向航帶起點(diǎn)處控制點(diǎn)A平面坐標(biāo)飛往終點(diǎn)處控制點(diǎn)C平面坐標(biāo)；返航軌跡為由反向航帶起點(diǎn)處控制點(diǎn)D平面坐標(biāo)飛往終點(diǎn)處控制點(diǎn)F平面坐標(biāo)；則地效應(yīng)飛行器航行軌跡表示為(X1, Y1, H) — (x2, J2, H) — (x3, y3, H) — (x4, y4, H)
式中(Xpy1)為正向航帶起點(diǎn)處控制點(diǎn)A的平面坐標(biāo)，(x2,y2)為正向航帶終點(diǎn)處控制點(diǎn)C的平面坐標(biāo)，(x3, y3)為反向航帶起點(diǎn)處控制點(diǎn)D平面坐標(biāo)，(x4, y4)為反向航帶終點(diǎn)處控制點(diǎn)F的平面坐標(biāo)，H為地效應(yīng)飛行器飛行高程；(3)地效應(yīng)飛行器飛行控制地效應(yīng)飛行器控制器對地效應(yīng)飛行器進(jìn)行航向及航行速度控制；航向控制于地面站輸入地效應(yīng)飛行器飛行路徑，即前向路徑瓦及返航路徑麗，則地效應(yīng)飛行器預(yù)定航跡上每一點(diǎn)坐標(biāo)通過計(jì)算求得；地效應(yīng)飛行器上搭載RTK測量裝置， RTK測量裝置實(shí)時地給出地效應(yīng)飛行器的位置信息；通過對地效應(yīng)飛行器位置信息的解算，得到地效應(yīng)飛行器的航向信息、當(dāng)前位置與預(yù)定軌跡偏差信息、速度信息；地效應(yīng)飛行器控制系統(tǒng)根據(jù)位置偏差及航向偏差對地效應(yīng)飛行器舵機(jī)進(jìn)行控制，糾正地效應(yīng)飛行器航向使地效應(yīng)飛行器按預(yù)定航跡飛行，且與預(yù)定航跡的位置誤差保持在一定范圍內(nèi)；地效應(yīng)飛行器與預(yù)定軌跡存在偏差時拍攝所得圖像，通過對航拍相片內(nèi)控制點(diǎn)坐標(biāo)和控制點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程相對比，進(jìn)而進(jìn)行修正，使由位置偏差及姿態(tài)偏差引入的拍攝誤差得到有效的補(bǔ)償；速度控制地效應(yīng)飛行器控制系統(tǒng)控制地效應(yīng)飛行器按恒定速度飛行；控制系統(tǒng)通過對地效應(yīng)飛行器位置信息的解算，得到地效應(yīng)飛行器的速度信息；通過與預(yù)定恒定速度進(jìn)行比較，求得當(dāng)前地效應(yīng)飛行器速度與預(yù)定速度的差值；控制器根據(jù)速度差值對地效應(yīng)飛行器螺旋槳進(jìn)行控制，使地效應(yīng)飛行器按恒定速度飛行；進(jìn)而得到航拍相機(jī)快門曝光時間間隔為t = lxXm/[ (l-px% ) υ ]式中t為航拍像機(jī)快門曝光時間間隔，Ix為航拍相片相幅邊長，m為航拍比例尺分母，Px%為航拍航向重疊度，U為地效應(yīng)飛行器飛行速度；(4)航空拍攝及航拍圖像處理航拍過程中航拍相機(jī)固定于相機(jī)穩(wěn)定云臺；相機(jī)穩(wěn)定云臺始終保持航拍相機(jī)攝影方向與大地水平面垂直；地效應(yīng)飛行器航拍任務(wù)完成后，對航拍所得圖像進(jìn)行圖像合成、 解算及誤差補(bǔ)償處理，得到1、拍攝河道上每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及河道表面地形圖；2、通過對航拍相片中立體相對的解算，得到河道兩側(cè)土坎、堤壩等建筑物上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程;(5)地效應(yīng)飛行器測量路徑布設(shè)將得到的待測河道表面地形圖及河道位置信息導(dǎo)入地效應(yīng)飛行器地面站中進(jìn)行測量路徑布設(shè)；在地面站待測河道表面地形圖中運(yùn)用一組折線對河道沿岸進(jìn)行逼近，該組折線即為地效應(yīng)飛行器測量航跡；多波束測深儀向水中發(fā)射測深波束，該波束聲波扇面角固定，多波束測深儀測深時向水中發(fā)射的聲波，聲波扇面在河床上形成痕跡的總寬度為L = 2h X tan ( θ /2)式中L為聲波扇面在河床上痕跡的寬度，h為河道水深，Θ為多波束測深儀發(fā)射聲波扇面角；由上式知，L與h成正比，布設(shè)地效應(yīng)飛行器測量路徑時應(yīng)先估算河道各點(diǎn)深度，布設(shè)路徑應(yīng)由兩岸至河流中心逐漸稀疏；、(6)河道水下地形測量及水流流速測量控制系統(tǒng)控制地效應(yīng)飛行器在待測河道表面按測量路徑航行，其控制過程與步驟
(3)相同；多波束測深儀的換能器與地效應(yīng)飛行器進(jìn)行固連；多波束測深儀換能器聲波發(fā)射陣平行于地效應(yīng)飛行器艏艉線布設(shè)，聲波接收陣則垂直于地效應(yīng)飛行器艏艉線布設(shè)；換能器發(fā)射陣呈兩側(cè)對稱，向正下方發(fā)射沿船縱向2° X沿船橫向44°的扇形脈沖聲波；換能器接收陣在束控方向上接收方式與發(fā)射陣正好相反，以沿船縱向20° X沿船橫向2°的16 個接收波束角接收來自水底照射扇區(qū)的回波；接收指向性和發(fā)射指向性疊加后，形成沿船橫向、兩側(cè)對稱的16個2° X2°的波束，該波束于河道底部對應(yīng)區(qū)域即為波束腳印16 ;多波束測深儀記錄換能器發(fā)射聲信號和接收聲信號的時間差，則得到換能器與波束腳印間距離S = ct/2式中C為水流中平均聲速，t為換能器發(fā)射聲波與接收聲波的時間差，S為波束腳印與換能器間的距離；通過計(jì)算得到波束腳印與換能器相對位置；地效應(yīng)飛行器搭載的 RTK測量裝置實(shí)時地給出地效應(yīng)飛行器在WGS-84坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及高程；RTK測量裝置天線與地效應(yīng)飛行器固連，則RTK測量裝置接收天線與多波束測深儀換能器相對位置為固定值；通過換算得到任一波束腳印于WGS-84坐標(biāo)系中的平面位置及高程；多波束測深儀的記錄裝置記錄測得的每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程；流速剖面儀也固定于地效應(yīng)飛行器船體下方，流速剖面儀探頭浸入水中一定深度；流速剖面儀利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理對河流流速進(jìn)行測量；多普勒效應(yīng)原理即聲源接近時，觀察者所檢測到的聲調(diào)比原來的高，聲源離開時，聲調(diào)則比原來的低；流速剖面儀是通過按一定規(guī)律排列的4個聲波換能器向水體中發(fā)射聲納脈沖波，然后接收來自水體中浮游生物、泥沙小顆粒等反散射體的反散射信號，按照反散射信號的多普勒頻移計(jì)算出流速；(7)數(shù)據(jù)處理運(yùn)用多波束測深儀的處理軟件對多波束測深儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；多波束測深儀測量數(shù)據(jù)為河床上每一點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及高程；通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將每一點(diǎn)于WGS-84坐標(biāo)系中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)系中坐標(biāo)；通過每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，軟件繪制出河道水下三維地形圖；通過處理航拍圖像，得到河道水上建筑物各點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程，繪制河道水上三維地形圖；連接河道水下三維地形圖中各斷面中最深點(diǎn)，得到河道深泓線；將流速剖面儀測量數(shù)據(jù)與河道地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到河道斷面中每一點(diǎn)的流速信息， 連接每一斷面中流速最快點(diǎn)，得到河道中泓線。本發(fā)明具有適用范圍廣泛、節(jié)約人力資源、測量成本低廉、自動化程度高、河道地形數(shù)字化成圖的特點(diǎn)。


圖I表示地效應(yīng)飛行器航拍航帶控制點(diǎn)布設(shè)示意圖。圖2表示執(zhí)行航拍任務(wù)的地效應(yīng)飛行器與河道表面相對位置示意圖。圖3表示地效應(yīng)飛行器河道水下地形測量路徑布設(shè)示意圖。圖4表示用多波束測深儀進(jìn)行水底地形測量示意圖。圖5表示運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行河道測量的過程示意圖。 圖中序號說明I···正向航帶、2···反向航帶、3···控制點(diǎn)A、4···控制點(diǎn)B、5···控制點(diǎn)C、6···控制點(diǎn)D、 7…控制點(diǎn)E、8…控制點(diǎn)F、9…正向航行地效應(yīng)飛行器、10···反向航行地效應(yīng)飛行器、11··· 地面控制點(diǎn)、12···待測河道橫斷面、13···待測河道、14···地效應(yīng)飛行器測量航跡、15···待測河道表面、16···波束腳印、17···多波束測深儀測深波束、18···地面站、19···航拍相機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。(I)航拍控制點(diǎn)布設(shè)首先從待測河道的衛(wèi)星地圖上獲取河道的粗略地理位置及地形信息，對航拍過程進(jìn)行規(guī)劃。由于河道的帶狀地形，將航拍河道進(jìn)行分段，使每一段河道被正向航帶I及反向航帶2兩條航帶所覆蓋，即地效應(yīng)飛行器在進(jìn)行一段河道的測量時，往返飛行一次即可完成拍攝任務(wù)。于正向航帶I的起點(diǎn)、中點(diǎn)及終點(diǎn)分別布設(shè)控制點(diǎn)A3、B4、C5，于反向航帶2 的起點(diǎn)、中點(diǎn)及終點(diǎn)分別布設(shè)控制點(diǎn)D6、E7、F8。地面控制點(diǎn)布設(shè)完成后，運(yùn)用RTK測量裝置測量所布控制點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)的平面坐標(biāo)及高程。(2)地效應(yīng)飛行器航行路線布設(shè)航空攝影測量使用的航攝相片，要求沿航線飛行方向兩相鄰相片上對所攝地面有一定的重疊影像，這種重疊影像部分稱為航向重疊度。對于區(qū)域攝影，即面積航空攝影，要求兩相鄰航帶相片之間也有一定的影像重疊，這種重疊影像部分稱為旁向重疊度。相片重疊度是以相幅邊長的百分?jǐn)?shù)表示，即航向重疊度Px%= Px/lxX100%(I)旁向重疊度Py%= Py/lyX100%(2)式中、、仁表示相幅的邊長；Px、Py表示航向和旁向重疊影像部分的邊長。一般情況下，航向重疊度應(yīng)保持在60% 65%，旁向重疊度應(yīng)保持在15% 30%。河道測量所需要數(shù)據(jù)僅為河道及河道兩側(cè)的窄帶部分，可提高航拍的旁向重疊度。本發(fā)明中旁向重疊度取為50% 60%。運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行航拍任務(wù)時，要保證河道被旁向重疊區(qū)域所覆蓋，即正向航行地效應(yīng)飛行器9及反向航行地效應(yīng)飛行器10所拍攝照片組成立體相對，該立體相對要覆蓋待測河道橫斷面12的河面寬度及河岸上的地面控制點(diǎn)11，調(diào)整地效應(yīng)飛行器飛行高度以達(dá)到此目的。記航拍所選比例尺為I : m，則地效應(yīng)飛行器飛行高度為H = f Xm(3)式中m為比例尺分母，f為航拍攝影機(jī)主距。地效應(yīng)飛行器于正向航帶I及反向航帶2中作往返飛行，地效應(yīng)飛行器飛行軌跡為從正向航帶I起點(diǎn)處控制點(diǎn)A3平面坐標(biāo)飛往終點(diǎn)處控制點(diǎn)C5平面坐標(biāo)；返航軌跡為由反向航帶2起點(diǎn)處控制點(diǎn)D6平面坐標(biāo)飛往終點(diǎn)處控制點(diǎn)F8平面坐標(biāo)。則地效應(yīng)飛行器飛行軌跡可表示為(X1, Y1, H) — (x2, J2, H) — (x3, y3, H) — (x4, y4, H) (4)式中Jx1, Y1)為正向航帶I起點(diǎn)處控制點(diǎn)A3的平面坐標(biāo)，(x2, y2)為正向航帶I終點(diǎn)處控制點(diǎn)C5的平面坐標(biāo)，(x3, y3)為反向航帶2起點(diǎn)處控制點(diǎn)D6的平面坐標(biāo)，(x4, y4)為反向航帶2終點(diǎn)處控制點(diǎn)F8的平面坐標(biāo)，H為地效應(yīng)飛行器飛行高程。(3)地效應(yīng)飛行器飛行控制地效應(yīng)飛行器控制器對地效應(yīng)飛行器進(jìn)行航向及航行速度控制。航向控制在地面站輸入地效應(yīng)飛行器飛行路徑，即前向路徑:SU.及返航路徑麗,則地效應(yīng)飛行器預(yù)定航跡上每一點(diǎn)坐標(biāo)通過計(jì)算求得。地效應(yīng)飛行器上搭載RTK測量裝置，RTK測量裝置實(shí)時地給出地效應(yīng)飛行器的位置信息。通過對地效應(yīng)飛行器位置信息的解算，得到地效應(yīng)飛行器的航向信息、當(dāng)前位置與預(yù)定軌跡偏差信息、速度信息。地效應(yīng)飛行器控制系統(tǒng)根據(jù)位置偏差及航向偏差對地效應(yīng)飛行器舵機(jī)進(jìn)行控制，糾正地效應(yīng)飛行器航向使地效應(yīng)飛行器按預(yù)定航跡飛行，且與預(yù)定航跡的位置誤差保持在一定范圍內(nèi)。需要說明的是，當(dāng)控制系統(tǒng)將地效應(yīng)飛行器與預(yù)定航跡偏差控制在小范圍內(nèi)時，存在的偏差是不影響航拍測量精度的。地效應(yīng)飛行器與預(yù)定軌跡存在偏差時拍攝所得圖像，通過對航拍相片內(nèi)控制點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程和控制點(diǎn)真實(shí)平面坐標(biāo)及高程相對比，進(jìn)而進(jìn)行修正，使由位置偏差及姿態(tài)偏差引入的拍攝誤差得到有效的補(bǔ)償。速度控制地效 應(yīng)飛行器控制系統(tǒng)控制地效應(yīng)飛行器按恒定速度飛行?？刂葡到y(tǒng)通過對地效應(yīng)飛行器位置信息的解算，得到地效應(yīng)飛行器的速度信息；通過與預(yù)定恒定速度進(jìn)行比較，求得當(dāng)前地效應(yīng)飛行器速度與預(yù)定速度的差值?？刂破鞲鶕?jù)速度差值對地效應(yīng)飛行器螺旋槳進(jìn)行控制，使地效應(yīng)飛行器按恒定速度飛行。進(jìn)而得到航拍相機(jī)快門曝光時間間隔為t = lxXm/[(l-px% ) υ ] (5)式中t為航拍攝像機(jī)快門曝光時間間隔，Ix為航拍相片相幅邊長，m為航拍比例尺分母，Px%為航拍航向重疊度，u為地效應(yīng)飛行器飛行速度。(4)航空拍攝及航拍圖像處理航拍過程中航拍相機(jī)19固定于相機(jī)穩(wěn)定云臺。相機(jī)穩(wěn)定云臺始終保持航拍相機(jī)攝影方向與大地水平面垂直，以提高航拍所得數(shù)據(jù)精度。地效應(yīng)飛行器航拍任務(wù)完成后，對航拍所得圖像進(jìn)行圖像合成、解算及誤差補(bǔ)償處理，得到1、拍攝河道上每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及河道表面地形圖；2、通過對航拍相片中立體相對的結(jié)算，得到河道兩側(cè)土坎、堤壩等建筑物上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程。
(5)地效應(yīng)飛行器測量路徑布設(shè)將得到的待測河道13表面地形圖及河道位置信息導(dǎo)入地效應(yīng)飛行器地面站18中進(jìn)行測量路徑布設(shè)。在地面站待測河道13表面地形圖中運(yùn)用一組折線對河道沿岸進(jìn)行逼近，該組折線即為地效應(yīng)飛行器測量航跡14。多波束測深儀向水中發(fā)射測深波束17，該波束聲波扇面角固定，多波束測深儀測深時向水中發(fā)射的聲波，該聲波扇面在河床上形成痕跡的總寬度為L = 2hX tan ( Θ/2) (6)式中L為聲波扇面在河床上痕跡的寬度，h為河道水深，Θ為多波束測深儀發(fā)射聲波扇面角。由上式知，L與h成正比，即隨著河道水深加深，多波束測量寬度增加。為減少重復(fù)的測量信息，布設(shè)地效應(yīng)飛行器測量路徑時應(yīng)先估算河道各點(diǎn)深度，布設(shè)路徑應(yīng)由兩岸至河流中心逐漸稀疏。(6)河道水下地形測量及水流流速測量控制系統(tǒng)控制地效應(yīng)飛行器在待測河道表面15按測量路徑航行，其控制過程與步驟(3)相同。正向、反響航行地效應(yīng)飛行器9、10具有水陸兩棲性，既可于空中飛行，也可以像船一樣在水中航行。本發(fā)明中，以地效應(yīng)飛行器作為測量平臺，搭載多波束測深儀、RTK測量裝置以及流速剖面儀對河道地形及水流流速進(jìn)行測量。多波束測深儀換能器與地效應(yīng)飛行器進(jìn)行固連。多波束測深儀換能器由聲波發(fā)射陣和聲波接收陣組成。換能器聲波發(fā)射陣平行于地效應(yīng)飛行器艏艉線布設(shè)，換能器聲波接收陣則垂直于地效應(yīng)飛行器艏艉線布設(shè)。換能器發(fā)射陣呈兩側(cè)對稱向正下方發(fā)射沿船縱向2° X沿船橫向44°的扇形脈沖聲波。換能器接收陣在束控方向上接收方式與發(fā)射陣正好相反，以沿船縱向20° X沿船橫向2°的16個接收波束角接收來自水底照射扇區(qū)的回波。接收指向性和發(fā)射指向性疊加后，形成沿船橫向、兩側(cè)對稱的16個2° X2°的波束，該波束于河道底部對應(yīng)區(qū)域即為波束腳印16。多波束測深儀記錄換能器發(fā)射聲信號和接收聲信號的時間差，得到換能器與波束腳印間距離S = ct/2(7)式中c為水流中平均聲速，t為換能器發(fā)射聲波與接收聲波的時間差，S為波束腳印與換能器間的距離。每一波束與垂直方向夾角固定，求出波束腳印與換能器相對位置；地效應(yīng)飛行器搭載的RTK測量裝置實(shí)時的給出地效應(yīng)飛行器在WGS-84坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及高程；RTK測量裝置天線與地效應(yīng)飛行器固連，則RTK測量裝置接收天線與多波束測深儀換能器相對位置為固定值；通過換算得到任一波束測量腳印于WGS-84坐標(biāo)系中的平面位置及高程。多波束測深儀的記錄裝置記錄測得的每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程。流速剖面儀也固定于地效應(yīng)飛行器船體下方，剖面儀探頭浸入水中一定深度。流速剖面儀利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理對河流流速進(jìn)行測量。多普勒效應(yīng)原理即聲源接近時，觀察者所檢測到的聲調(diào)比原來的高；聲源離開時，聲調(diào)則比原來的低。流速剖面儀是通過按一定規(guī)律排列的4個聲波換能器向水體中發(fā)射聲納脈沖波,然后接收來自水體中浮游生物、泥沙小顆粒等反散射體的反散射信號，按照反散射信號的多普勒頻移計(jì)算出水流流速。(7)數(shù)據(jù)處理運(yùn)用多波束測深儀的處理軟件對多波束測深儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。多波束測深儀測量數(shù)據(jù)為河床上每一點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及高程。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將每一點(diǎn)于WGS-84坐標(biāo)系中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)系中坐標(biāo)。通過每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，軟件繪制出河道水下三維地形圖；通過處理航拍圖像，得到河道水上建筑物各點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程，繪制河道水上三維地形圖；連接河道水下三維地形圖 中各斷面中最深點(diǎn)，得到河道深泓線；將流速剖面儀測量數(shù)據(jù)與河道地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到河道斷面中每一點(diǎn)的流速信息，連接每一斷面中流速最快點(diǎn)，得到河道中泓線。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行河道測量的方法，其特征在于所述河道測量方法步驟為首先用地效應(yīng)飛行器搭載航拍相機(jī)進(jìn)行航空拍攝；運(yùn)用拍攝所得河道位置信息對地效應(yīng)飛行器測量軌跡進(jìn)行規(guī)劃；運(yùn)用地效應(yīng)飛行器搭載多波束測深儀、RTK測量裝置及流速剖面儀進(jìn)行河道水下地形測量；對航拍所得數(shù)據(jù)、多波束測深儀測量數(shù)據(jù)及流速剖面儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到河道水上水下地形的三維圖像、河道深泓線及中泓線；其具體方法如下(1)航拍控制點(diǎn)布設(shè)首先從待測河道的衛(wèi)星地圖上獲取河道的粗略地理位置及地形信息，對航拍過程進(jìn)行規(guī)劃；將航拍河道進(jìn)行分段，使每一段河道被正向航帶(I)及反向航帶(2)兩條航帶所覆蓋；在正向航帶⑴的起點(diǎn)、中點(diǎn)及終點(diǎn)分別布設(shè)控制點(diǎn)八』、((3、4、5)，在反向航帶⑵的起點(diǎn)、中點(diǎn)及終點(diǎn)分別布設(shè)控制點(diǎn)D、E、F(6、7、8)；地面控制點(diǎn)布設(shè)完成后，運(yùn)用RTK測量裝置測量所布控制點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)的平面坐標(biāo)及高程；(2)地效應(yīng)飛行器航行路線布設(shè)運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行航拍任務(wù)，其正向航行地效應(yīng)飛行器(9)及反向航行地效應(yīng)飛行器(10)所拍攝照片組 成立體相對，立體相對旁向重疊度取為50% 60%;該立體相對應(yīng)覆蓋待測河道橫斷面(12)的河面寬度及河岸上的地面控制點(diǎn)(11)，調(diào)整地效應(yīng)飛行器飛行高度以達(dá)到此目的；根據(jù)航拍攝影范圍及單幅相片尺寸選取航拍比例尺，記所選比例尺為I : m，則地效應(yīng)飛行器飛行高度為H = f Xm(I)式中m為比例尺分母，f為航拍攝影機(jī)主距；地效應(yīng)飛行器于正向航帶(I)及反向航帶(2)中作往返飛行，地效應(yīng)飛行器飛行軌跡為從正向航帶(I)起點(diǎn)處控制點(diǎn)A(3)平面坐標(biāo)飛往終點(diǎn)處控制點(diǎn)C(5)平面坐標(biāo)；返航軌跡為由反向航帶(2)起點(diǎn)處控制點(diǎn)D(6)平面坐標(biāo)飛往終點(diǎn)處控制點(diǎn)F(8)平面坐標(biāo)；則地效應(yīng)飛行器航行軌跡表示為(X1, y1； H) — (x2, J2, H) — (x3, y3, H) — (x4, y4, H) (2)式中I(Xpy1)為正向航帶⑴起點(diǎn)處控制點(diǎn)A(3)的平面坐標(biāo)，(x2,y2)為正向航帶(I) 終點(diǎn)處控制點(diǎn)C(5)的平面坐標(biāo)，(x3，y3)為反向航帶(2)起點(diǎn)處控制點(diǎn)D(6)平面坐標(biāo)，(x4, y4)為反向航帶(2)終點(diǎn)處控制點(diǎn)F(S)的平面坐標(biāo)，H為地效應(yīng)飛行器飛行高程；(3)地效應(yīng)飛行器飛行控制地效應(yīng)飛行器控制器對地效應(yīng)飛行器進(jìn)行航向及航行速度控制；航向控制于地面站(18)輸入地效應(yīng)飛行器飛行路徑，即前向路徑及返航路徑SF， 則地效應(yīng)飛行器預(yù)定航跡上每一點(diǎn)坐標(biāo)通過計(jì)算求得；地效應(yīng)飛行器上搭載RTK測量裝置，RTK測量裝置實(shí)時地給出地效應(yīng)飛行器的位置信息；通過對地效應(yīng)飛行器位置信息的解算，得到地效應(yīng)飛行器的航向信息、當(dāng)前位置與預(yù)定軌跡偏差信息、速度信息；地效應(yīng)飛行器控制系統(tǒng)根據(jù)位置偏差及航向偏差對地效應(yīng)飛行器舵機(jī)進(jìn)行控制，糾正地效應(yīng)飛行器航向使地效應(yīng)飛行器按預(yù)定航跡飛行，且與預(yù)定航跡的位置誤差保持在一定范圍內(nèi)；地效應(yīng)飛行器與預(yù)定軌跡存在偏差時拍攝所得圖像，通過對航拍相片內(nèi)控制點(diǎn)坐標(biāo)和控制點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程相對比，進(jìn)而進(jìn)行修正，使由位置偏差及姿態(tài)偏差引入的拍攝誤差得到有效的補(bǔ)償；速度控制地效應(yīng)飛行器控制系統(tǒng)控制地效應(yīng)飛行器按恒定速度飛行；控制系統(tǒng)通過對地效應(yīng)飛行器位置信息的解算，得到地效應(yīng)飛行器的速度信息；通過與預(yù)定恒定速度進(jìn)行比較，求得當(dāng)前地效應(yīng)飛行器速度與預(yù)定速度的差值；控制器根據(jù)速度差值對地效應(yīng)飛行器螺旋槳進(jìn)行控制，使地效應(yīng)飛行器按恒定速度飛行；進(jìn)而得到航拍相機(jī)快門曝光時間間隔為t = lxXm/[(l-px% ) υ ] (3)式中t為航拍攝像機(jī)快門曝光時間間隔，^為航拍相片相幅邊長，m為航拍比例尺分母，Px%為航拍航向重疊度，u為地效應(yīng)飛行器飛行速度；(4)航空拍攝及航拍圖像處理航拍過程中航拍相機(jī)(19)固定于相機(jī)穩(wěn)定z 臺；相機(jī)穩(wěn)定z 臺始終保持航拍相機(jī)攝影方向與大地水平面垂直；地效應(yīng)飛行器航拍任務(wù)完成后，對航拍所得圖像進(jìn)行圖像合成、 解算及誤差補(bǔ)償處理，得到1、拍攝河道上每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及河道表面地形 圖2、通過對航拍相片中立體相對的解算，得到河道兩側(cè)土坎、堤壩等建筑物上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程;(5)地效應(yīng)飛行器測量路徑布設(shè)將得到的待測河道(13)表面地形圖及河道位置信息導(dǎo)入地效應(yīng)飛行器地面站(18) 中進(jìn)行測量路徑布設(shè)；在地面站待測河道(13)表面地形圖中運(yùn)用一組折線對河道沿岸進(jìn)行逼近，該組折線即為地效應(yīng)飛行器測量航跡(14);多波束測深儀向水中發(fā)射測深波束(17),該波束扇面角固定，多波束測深儀測深時向水中發(fā)射的聲波，聲波扇面在河床上形成痕跡的總寬度為L = 2h X tan ( θ /2)(4)式中L為聲波扇面在河床上痕跡的寬度，h為河道水深，Θ為多波束測深儀發(fā)射聲波扇面角；由上式知，L與h成正比，布設(shè)地效應(yīng)飛行器測量路徑時應(yīng)先估算河道各點(diǎn)深度，布設(shè)路徑應(yīng)由兩岸至河流中心逐漸稀疏；(6)河道水下地形測量及水流流速測量控制系統(tǒng)控制地效應(yīng)飛行器在待測河道表面(15)按測量路徑航行，其控制過程與步驟(3)相同；多波束測深儀的換能器與地效應(yīng)飛行器進(jìn)行固連；多波束測深儀換能器聲波發(fā)射陣平行于地效應(yīng)飛行器艏艉線布設(shè)，聲波接收陣則垂直于地效應(yīng)飛行器艏艉線布設(shè)； 換能器發(fā)射陣呈兩側(cè)對稱，向正下方發(fā)射沿船縱向2。X沿船橫向44°的扇形脈沖聲波； 換能器接收陣在束控方向上接收方式與發(fā)射陣正好相反，以沿船縱向20° X沿船橫向2° 的16個接收波束角接收來自水底照射扇區(qū)的回波；接收指向性和發(fā)射指向性疊加后，形成沿船橫向、兩側(cè)對稱的16個2° X2°的波束，該波束于河道底部對應(yīng)區(qū)域即為波束腳印(16);多波束測深儀記錄換能器發(fā)射聲信號和接收聲信號的時間差，則得到換能器與波束腳印間距離S = ct/2(5)式中c為水流中平均聲速，t為換能器發(fā)射聲波與接收聲波的時間差，S為波束腳印與換能器間的距離；通過計(jì)算得到波束腳印與換能器相對位置；地效應(yīng)飛行器搭載的RTK 測量裝置實(shí)時地給出地效應(yīng)飛行器在WGS-84坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及高程；RTK測量裝置天線與地效應(yīng)飛行器固連，則RTK測量裝置接收天線與多波束測深儀換能器相對位置為固定值；通過換算得到任一波束測量腳印于WGS-84坐標(biāo)系中的平面位置及高程；多波束測深儀的記錄裝置記錄測得的每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程；流速剖面儀也固定于地效應(yīng)飛行器船體下方，流速剖面儀探頭浸入水中一定深度；流速剖面儀利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理對河流流速進(jìn)行測量；多普勒效應(yīng)原理即聲源接近時， 觀察者所檢測到的聲調(diào)比原來的高，聲源離開時，聲調(diào)則比原來的低；流速剖面儀是通過按一定規(guī)律排列的4個聲波換能器向水體中發(fā)射聲納脈沖波,然后接收來自水體中浮游生物、泥沙小顆粒等反散射體的反散射信號，按照反散射信號的多普勒頻移計(jì)算出流速；(7)數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用多波束測深儀的處理軟件對多波束測深儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；多波束測深儀測量數(shù)據(jù)為河床上每一點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及高程；通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將每一點(diǎn)于 WGS-84坐標(biāo)系中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)系中坐標(biāo)；通過每一點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，軟件繪制出河道水下三維地形圖；通過處理航拍圖像，得到河道水上建筑物各點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程， 繪制河道水上三維地形圖；連接河道水下三維地形圖中各斷面中最深點(diǎn)，得到河道深泓線； 將流速剖面儀測量數(shù)據(jù)與河道地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到河道斷面中每一點(diǎn)的流速信息，連接每一斷面中流速最快點(diǎn)，得到河道中泓線。
全文摘要
運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行河道測量的方法屬于河道測量技術(shù)；本發(fā)明首先運(yùn)用地效應(yīng)飛行器進(jìn)行航空拍攝；運(yùn)用拍攝所得河道位置信息對地效應(yīng)飛行器測量軌跡進(jìn)行規(guī)劃；運(yùn)用地效應(yīng)飛行器搭載多波束測深儀、RTK測量裝置及流速剖面儀進(jìn)行河道測量；對航拍所得數(shù)據(jù)、多波束測深儀測量數(shù)據(jù)及流速剖面儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到河道水上水下三維地形圖、河道深泓線及中泓線；本發(fā)明具有測量成本低、自動化程度高、適用范圍廣、河道地形數(shù)字化成圖的特點(diǎn)。
文檔編號G01C13/00GK102692217SQ201210203430
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者于玖成, 何云豐, 何昆鵬, 曹延哲, 王庭軍, 王福超, 管練武, 詹俊妮, 郭凱文, 韓繼濤 申請人:黑龍江省博凱科技開發(fā)有限公司