CN108413926A - 用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，该方法包含：步骤1，将三维扫描声呐安装固定在遥控无人潜水器上；步骤2，确定采集数据的测点位置以及测点数量；步骤3，遥控无人潜水器搭载三维扫描声呐，航行到各个测点进行三维扫描成像，获取水下地形的形态；步骤4，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并收集点云图数据；步骤5，通过船载多波束系统进行多波束点云图数据的收集；步骤6，将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。本发明提供的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，能够弥补多波束扫测的数据空白，解决东海地区海上风电场的水下地形检测问题，获取高精度的淤泥高程数据。

Description

用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法
技术领域
本发明涉及一种海上风电场群桩桩基淤泥的测量方法，具体地，涉及一种用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法。
背景技术
海上风电场所处的环境条件十分复杂，风、浪、流等气象水文要素对风电机组基础产生的影响不容忽视。尤其在海上风电机组基础建设后，潮流和波浪引起的水体运动会受到显著的影响，导致水流挟沙能力的提高。如果底床是易受侵蚀的，那么在机组基础局部会形成冲刷坑，这种冲刷坑会影响基础的稳定性。
在海岸工程中，潮流多为往复流或者旋转流，波浪要素也并非长期不变，对于潮间带海域的局部冲刷深度来说，由于水深较浅，并且露滩时间较长，波浪、海流对于桩基冲刷时间相对较短。
现有有效的检测方法是利用船载多波束系统和GPS-RTK定位技术对于水下地形进行检测，并获取高精度的淤泥高程数据。
由于我国东海地区的风电机组基础采用高桩混凝土承台群桩方案，每个承台下设置多根钢管桩，钢管桩采用斜桩，在承台底部均匀布置。由于承台设置多根斜桩，底部覆盖水下地形由于结构物遮挡，多波束检测信号无法到达，造成桩基水下地形检测的不完整。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于海上风电场水下地形的测量方法，解决东海地区海上风电场的水下地形检测问题，并获取高精度的淤泥高程数据，为机组基础的稳定性分析提供数据支撑。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的方法包含：步骤1，将三维扫描声呐安装固定在遥控无人潜水器上；遥控无人潜水器(Remote Operational Vehicle，ROV)又可称为水下机器人；三维扫描声呐的型号优选为市售的三维扫描声呐BV5000；步骤2，确定采集数据的测点位置以及测点数量；步骤3，遥控无人潜水器搭载三维扫描声呐，航行到各个测点进行三维扫描成像，获取水下地形的形态；步骤4，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并收集点云图数据；步骤5，通过船载多波束系统进行多波束点云图数据的收集；步骤6，将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的步骤2中确定的测点包含位于海上风电场群桩的桩基间的内部测点，以及位于桩基外侧的若干外部测点。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的内部测点位于桩基间的中心位置，所述的外部测点在桩基间的中心位置两侧的相对于桩基间的中心位置对称，且所有外部测点相对于桩基间的中心位置在平面内沿360°分布均匀。外部测点的数量优选为4个。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的外部测点与其临近桩基之间的距离为2～10米，优选为4米。三维扫描声呐BV5000最优的扫描范围是在2～10米(理论范围是1-30米)。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的步骤3包含通过三维扫描声呐在外部测点处分别扫描获取桩基周围的河床水下情况。比如，在距桩基4米处检测，可获取桩基周围3米的河床水下情况。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的步骤3中还包含通过三维扫描声呐在内部测点进行360°球形扫描，获取墩台底部河床和桩基内部的形态。在此之前，需要根据现场条件确认ROV可潜入桩基间内部测点的位置。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的步骤4中，三维扫描声呐所得的多个测点的点云图数据根据特征点进行拼接处理，拼接时至少要有3个重合特征区域能一一对齐，这样拼接出的图像才能提高质量，减少冗余；为保证检测时没有出现遗漏，数据拼接时保证相邻点云图有20％的数据重叠率。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的步骤5通过船载多波束系统和GPS-RTK(Global Positioning System，全球定位系统-RealTime Kinematic，实时动态)定位技术对于水下地形进行检测，并获取高精度的淤泥高程数据。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的船载多波束系统包含架设在岸边固定的已知控制点上的RTK基准站1套以及安装在工作船甲板上的RTK流动站3套；所述的船载多波束系统以工作船为载体，在工作船上紧密固定安装水下发射/接收换能器、表面声速探头、固定罗经，三维运动传感器以及RTK流动站，各项安装务必确保与船体紧密连接一致。RTK基准站设有GPS接收机，用于接收GPS卫星信号，同时可根据控制点已知坐标来计算差分改正值，然后利用无线电台将差分数据传送给RTK流动站。每个RTK流动站分别设有GPS接收机，各自接收GPS卫星信号，同时利用内置无线接收电台，接收基准站送来的差分改正数据。
上述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其中，所述的步骤6是通过同一个水下桩基的特征点将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。用三维扫描声呐BV5000扫测作业是对多波束检测的补充，由于结构物遮挡，船载多波束采集不到桩基内部地形数据。由于采样频率不同，三维扫描声呐BV5000的三维点云图数据比多波束获取的点云图数据精度要高，但是三维扫描声呐没有GPS进行定位，高程精度无法保证。因此，利用同一个水下桩基的特征点将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理，可以将多波束的高程精度转换到三维扫描声呐数据的高程中，从而在三维扫描声呐的点云图上保证所有特征点的高程精度。
本发明提供的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法具有以下优点：
本发明采用多波束结合水下机器人搭载三维扫描声呐对海上风电场的桩基水下地形检测的方法，并利用同一个水下桩基的特征点将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理，这样将多波束的高程精度转换到三维扫描声呐数据的高程中，从而在三维扫描声呐的点云图上保证所有特征点的高程精度的方案。
附图说明
图1为本发明的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法的三维扫描声呐的测点示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，包含：
步骤1，将三维扫描声呐安装固定在遥控无人潜水器上；遥控无人潜水器(RemoteOperational Vehicle，ROV)又可称为水下机器人；步骤2，确定采集数据的测点位置以及测点数量；步骤3，遥控无人潜水器搭载三维扫描声呐，航行到各个测点进行三维扫描成像，获取水下地形的形态；步骤4，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并收集点云图数据；步骤5，通过船载多波束系统进行多波束点云图数据的收集；步骤6，将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。
步骤2中确定的测点包含位于海上风电场群桩的桩基间的内部测点，以及位于桩基外侧的若干外部测点。内部测点位于桩基间的中心位置，在桩基间的中心位置两侧的外部测点相对于桩基间的中心位置对称，且所有外部测点相对于桩基间的中心位置在平面内沿360°分布均匀。外部测点与其临近桩基之间的距离为2～10米。
步骤3包含通过三维扫描声呐在外部测点处分别扫描获取桩基周围的河床水下情况。比如，在距桩基4米处检测，可获取桩基周围3米的河床水下情况。
步骤3中还包含通过三维扫描声呐在内部测点进行360°球形扫描，获取墩台底部河床和桩基内部的形态。
步骤4中，三维扫描声呐所得的多个测点的点云图数据根据特征点进行拼接处理，拼接时至少要有3个重合特征区域能一一对齐，数据拼接时保证相邻点云图有20％的数据重叠率。
步骤5通过船载多波束系统和GPS-RTK(Global Positioning System，全球定位系统-Real Time Kinematic，实时动态)定位技术对于水下地形进行检测，并获取高精度的淤泥高程数据。
船载多波束系统包含架设在岸边固定的已知控制点上的RTK基准站1套以及安装在工作船甲板上的RTK流动站3套；船载多波束系统以工作船为载体，在工作船上紧密固定安装水下发射/接收换能器、表面声速探头、固定罗经，三维运动传感器以及RTK流动站。
步骤6是通过同一个水下桩基的特征点将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。
下面结合实施例对本发明提供的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法做更进一步描述。
实施例1
一种用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，包含：
步骤1，将三维扫描声呐安装固定在遥控无人潜水器上；遥控无人潜水器又可称为水下机器人；三维扫描声呐的型号优选为市售的三维扫描声呐BV5000。
步骤2，确定采集数据的测点位置以及测点数量。
确定的测点包含位于海上风电场群桩的桩基间的内部测点，以及位于桩基外侧的若干外部测点。内部测点位于桩基间的中心位置，在桩基间的中心位置两侧的外部测点相对于桩基间的中心位置对称，且所有外部测点相对于桩基间的中心位置在平面内沿360°分布均匀。外部测点的数量优选为4个。外部测点与其临近桩基之间的距离为2～10米，优选为4米。三维扫描声呐BV5000最优的扫描范围是在2～10米(理论范围是1-30米)。参见图1所示，选取了4个外部测点，分别为A-D，一个内部测点E，图中多边形顶角处的圆形为桩基位置。
步骤3，遥控无人潜水器搭载三维扫描声呐，航行到各个测点进行三维扫描成像，获取水下地形的形态。
通过三维扫描声呐在外部测点处分别扫描获取桩基周围的河床水下情况。比如，在距桩基4米处检测，可获取桩基周围3米的河床水下情况。
再通过三维扫描声呐在内部测点进行360°球形扫描，获取墩台底部河床和桩基内部的形态。在此之前，需要根据现场条件确认ROV可潜入桩基间内部测点的位置。
步骤4，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并收集点云图数据。
三维扫描声呐所得的多个测点的点云图数据根据特征点进行拼接处理，拼接时至少要有3个重合特征区域能一一对齐，这样拼接出的图像才能提高质量，减少冗余；为保证检测时没有出现遗漏，数据拼接时保证相邻点云图有20％的数据重叠率。
步骤5，通过船载多波束系统进行多波束点云图数据的收集。
通过船载多波束系统和GPS-RTK定位技术对于水下地形进行检测，并获取高精度的淤泥高程数据。
船载多波束系统包含架设在岸边固定的已知控制点上的RTK基准站1套以及安装在工作船甲板上的RTK流动站3套；船载多波束系统以工作船为载体，在工作船上紧密固定安装水下发射/接收换能器、表面声速探头、固定罗经，三维运动传感器以及RTK流动站，各项安装务必确保与船体紧密连接一致。RTK基准站设有GPS接收机，用于接收GPS卫星信号，同时可根据控制点已知坐标来计算差分改正值，然后利用无线电台将差分数据传送给RTK流动站。每个RTK流动站分别设有GPS接收机，各自接收GPS卫星信号，同时利用内置无线接收电台，接收基准站送来的差分改正数据。
步骤6，将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。
通过同一个水下桩基的特征点将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。
因为结构物遮挡，船载多波束采集不到桩基内部地形数据。由于采样频率不同，三维扫描声呐BV5000的三维点云图数据比多波束获取的点云图数据精度要高，但是三维扫描声呐没有GPS进行定位，高程精度无法保证。因此，利用同一个水下桩基的特征点将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理，可以将多波束的高程精度转换到三维扫描声呐数据的高程中，从而在三维扫描声呐的点云图上保证所有特征点的高程精度。
本发明提供的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法是用三维扫描声呐BV5000扫测作业是对多波束检测的补充，能够解决东海地区海上风电场的水下地形检测问题，并获取高精度的淤泥高程数据，为机组基础的稳定性分析提供数据支撑。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，将三维扫描声呐安装固定在遥控无人潜水器上；
步骤2，确定采集数据的测点位置以及测点数量；
步骤3，遥控无人潜水器搭载三维扫描声呐，航行到各个测点进行三维扫描成像，获取水下地形的形态；
步骤4，检测作业完成后，回收遥控无人潜水器并收集点云图数据；
步骤5，通过船载多波束系统进行多波束点云图数据的收集；
步骤6，将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。
2.如权利要求1所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的步骤2中确定的测点包含位于海上风电场群桩的桩基间的内部测点，以及位于桩基外侧的若干外部测点。
3.如权利要求2所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的内部测点位于桩基间的中心位置，所述的外部测点相对于桩基间的中心位置对称且分布均匀。
4.如权利要求3所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的外部测点与其临近桩基之间的距离为2～10米。
5.如权利要求1所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的步骤3包含通过三维扫描声呐在外部测点处分别扫描获取桩基周围的河床水下情况。
6.如权利要求5所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的步骤3中还包含通过三维扫描声呐在内部测点进行360°球形扫描，获取墩台底部河床和桩基内部的形态。
7.如权利要求1所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的步骤4中，三维扫描声呐所得的多个测点的点云图数据根据特征点进行拼接处理，拼接时至少有3个重合特征区域对齐，数据拼接时保证相邻点云图有20％的数据重叠率。
8.如权利要求1所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的步骤5通过船载多波束系统和GPS-RTK定位技术对于水下地形进行检测，并获取高精度的淤泥高程数据。
9.如权利要求8所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的船载多波束系统包含架设在岸边控制点上的RTK基准站1套以及安装在工作船甲板上的RTK流动站3套；所述的船载多波束系统以工作船为载体，在工作船上紧密固定安装水下发射/接收换能器、表面声速探头、固定罗经，三维运动传感器以及RTK流动站。
10.如权利要求1所述的用于海上风电场群桩桩基水下地形高程高精度测量的方法，其特征在于，所述的步骤6是通过同一个水下桩基的特征点将三维扫描声呐和多波束点云图数据进行重合处理。
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