CN109269469A - 一种水下地形测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下地形测量装置及方法，装置包括三脚架及换能器，还包括滑尺杆及换能器连接杆，三脚架包括对中杆，第一升降杆及第二升降杆，第一升降杆的一端与对中杆的一端可活动的连接，第二升降杆的一端与对中杆的一端可活动的连接，滑尺杆的一端可活动的与对中杆的一端连接，换能器连接杆的一端通过第一连接环与滑尺杆转动连接，换能器连接杆的另一端通过第二连接环与对中杆的另一端转动连接，换能器设置在换能器连接杆另一端的底部；本发明通过滑尺杆控制方向，换能器连接杆控制测深信号入水角度达到测绘水下地形的目的；使水下地形测量工作从水上移至岸边，有效地解决了水下地形测量的安全和季节限制的问题。

Description

一种水下地形测量装置及方法

技术领域

本发明涉及地形测量技术领域，尤其是涉及一种水下地形测量装置及方法。

背景技术

传统的水下地形测量为了安全的需要，水下地形测量作业时间必须是在枯水季节进行，目前水下地形测量的常用方法有两种：

1.将测深仪固定在船上，并驾驶船只到需要测绘的水域按断面法或散点法进行测量；

2.钢绳断面法：在需要测量的区域每隔一定的距离在河面上架设一条钢绳，然后在钢绳上每隔一定的距离放下重锤测一个水深。

方法1的适用范围是水流相对平缓的区域，方法2的适用范围是河面宽度不大于100m，且两岸河滩可行人和具备架设钢绳的条件。

但是因为高山峡谷区河流湍急，两岸岸坡陡峭，无法满足水下地形测量的常用方法所要求具备的条件，所以常常会发生不能及时提交水下地形测量成果而使工程设计周期延长。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种水下地形测量装置及方法，解决了现有水下地形测量受环境影响无法及时进行测量的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

具体的，一种水下地形测量装置，包括三脚架及换能器，还包括滑尺杆及换能器连接杆，所述三脚架包括对中杆，第一升降杆及第二升降杆，所述第一升降杆的一端与所述对中杆的一端可活动的连接，所述第二升降杆的一端与所述对中杆的一端可活动的连接，所述滑尺杆的一端可活动的与所述对中杆的一端连接，所述换能器连接杆的一端通过第一连接环与滑尺杆转动连接，换能器连接杆的另一端通过第二连接环与对中杆的另一端转动连接，所述换能器设置在换能器连接杆另一端的底部。

进一步的，所述第一升降杆、第二升降杆及对中杆的另一端底部为锥形。

进一步的，所述装置还包括水准器，所述水准器固定设置在所述对中杆上。

进一步的，所述第一连接环和第二连接环均为旋转扣件。

进一步的，所述装置还包括加长连接杆，所述加长连接杆设置在所述对中杆另一端，并与所述对中杆螺纹连接。

进一步的，所述加长连接杆的底端为锥形。

具体的，一种水下地形测量方法，包括如下步骤：

建立坐标系，其中Y为横坐标，X为纵坐标，H为高程；

获取测站点A的坐标(X_A，Y_A，H_A)；

获取所述换能器连接杆与对中杆的夹角θ、换能器连接杆与对中杆连接点到换能器的距离d及换能器到测点P的距离S；

根据θ及所述换能器连接杆与对中杆连接点到测点P的距离S+d计算测站点A至测点P的水平距离D：

D＝(S+d)×sinθ；

计算测点P在纵坐标的值X：

X＝X_A+D×cosα；

D×cosα为X_A到测点P在纵坐标上的增量；

计算测点P在横坐标的值Y：

Y＝Y_A+D×sinα；

D×sinα为Y_A到测点P在横坐标的增量；

计算测点P的高程H：

H＝H_A+f-(S+d)×cosθ；

(S+d)×cosθ为所述换能器连接杆与对中杆连接点到测点P的高差；

α为滑尺杆的方位角，β为滑尺杆与对中杆的夹角，f为所述换能器连接杆与对中杆的连接点到对中杆另一端与地面接触处的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过三脚架对中整平，滑尺杆控制方向，换能器连接杆控制测深信号入水角度，通过摆动滑尺杆和调节换能器连接杆在滑尺杆上的位置达到测绘水下地形的目的；使水下地形测量工作从水上移至岸边，有效地解决了水下地形测量的安全和季节限制的问题，避免了因测量不及时而影响设计周期的情况发生。

附图说明

图1为本发明的一种水下地形测量装置结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的一种水下地形测量装置结构示意图；

图3为本发明较佳实施例的一种水下地形测量方法流程图；

图4为本发明的较佳实施例的坐标示意图；

图5为本发明的较佳实施例的测量标识示意图。

附图标记说明：1-对中杆，21-第一升降杆，22-第二升降杆，3-换能器连接杆，4-滑尺杆，5-水准器，6-加长连接杆，7-换能器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，一种水下地形测量装置，包括三脚架及换能器7，还包括滑尺杆4及换能器连接杆3，三脚架包括对中杆1，第一升降杆21及第二升降杆22，第一升降杆21的一端与对中杆1的一端可活动的连接，第二升降杆22的一端与对中杆1的一端可活动的连接，第一升降杆21及第二升降杆22角度可调，通过角度调节实现对测量装置的调节，滑尺杆4的一端可活动的与对中杆1的一端连接，换能器连接杆3的一端通过第一连接环101与滑尺杆4转动连接，换能器连接杆3的另一端通过第二连接环102与对中杆1的另一端转动连接，本实施例中，第一连接环101和第二连接环102均为旋转扣件，通过旋转扣件连接，滑尺杆4及换能器连接杆3之间的相对位置可以灵活调节，换能器连接杆3与对中杆1的相对位置也能灵活调节，同时实现了换能器连接杆3及滑尺杆4的旋转调节，以便于满足对不同测点的检查需求，滑尺杆4上设置有刻度，最小刻度值为1mm，便于获取滑尺杆4与换能器连接杆3的连接点在滑尺杆4上的长度值，换能器7设置在换能器连接杆3另一端的底部，用于获取换能器7到测点的距离。

进一步的，第一升降杆21、第二升降杆22及对中杆1的另一端底部为锥形，便于作业时更好的固定本发明的测量装置。

进一步的，测量装置还包括水准器5，水准器5固定设置在对中杆1上，用于辅助调整本发明的测量装置的水平。

如图2所示，测量装置还包括加长连接杆6，当装置包括加长连接杆6时，对中杆1的底部不为锥形，且对中杆1为中空，内部设置有螺纹，加长连接杆6设置在对中杆1底部，加长连接杆6的一端设置有螺口，并与对中杆1螺纹连接，加长连接杆可以为一根连接杆或多根连接杆通过螺纹连接组成，加长连接杆6的底端为锥形，便于更好的固定测量装置。

作业时，通过水准器5判断测量装置是否水平，并通过调节第一升降杆21和第二升降杆22实现对测量装置的调平，通过调节换能器连接杆3在滑尺杆4上的位置及换能器连接杆3在对中杆1上的位置进行粗调，并通过调节换能器连接杆3的转动角度，使换能器对准测点。

如图3、图4及图5所示，一种水下地形测量方法，应用于一种水下地形测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

建立坐标系，其中Y为横坐标，X为纵坐标，H为高程；

获取测站点A的坐标X_A，Y_A，H_A，以测量装置在地面的投影中心点为测站点A；

获取换能器连接杆3与对中杆1的夹角θ、换能器连接杆3与对中杆1连接点到换能器7的距离d及换能器7到测点P的距离S；

根据θ及换能器连接杆3与对中杆1连接点到测点P的距离S+d计算测站点A至测点P的水平距离D：

D＝(S+d)×sin0(100)；

计算测点P在纵坐标的值X：

X＝X_A+D×cosα(200)；

D×cosα为X_A到测点P在纵坐标上的增量；

计算测点P在横坐标的值Y：

Y＝Y_A+D×sinα(300)；

D×sinα为Y_A到测点P在横坐标的增量；

计算测点P的高程H：

H＝H_A+f-(S+d)×cosθ(400)；

(S+d)×cosθ为换能器连接杆3与对中杆1连接点到测点P的高差；α为滑尺杆4的方位角，β为滑尺杆4与对中杆1的夹角，f为换能器连接杆3与对中杆1的连接点到对中杆1另一端与地面接触处的距离。

本实施例还提供了一种精度分析方法，具体如下：

由上述，根据余弦定理有：

1.β角的精度分析

将式(500)全微分得到：

将式(700)转换为中误差形式得到：

令β＝45°，ma＝mb＝mc＝0.5mm，a＝2m，b＝c＝1.414m，则mβ＝89″。

2.θ角的精度分析

将式(600)全微分得到：

将式(800)转换为中误差形式得到：

令θ＝45°，m_a＝m_b＝m_c＝0.5mm，a＝2m，b＝c＝1.4142m，则m_θ＝89″；

令θ＝90°，m_a＝m_b＝m_c＝0.5mm，a＝b＝2m，c＝2.8284m，则m_θ＝103″；

令θ＝0°，m_a＝m_b＝m_c＝0.5mm，a＝b＝2m，c＝0m，则m_θ＝103″；

3.水平距离D的精度分析：

将式(100)全微分得到：

dD＝sinθ×d(S+d)+(S+d)×cosθdθ(1000)；

将式(1000)转换为中误差形式得到：

令S+d＝200m，θ＝90°，m_s+d＝0.30m，则m_D＝m_s+d＝0.30m；

令S+d＝200m，θ＝45°，m_s+d＝0.30m，则m_D＝0.22m。

4.坐标X、Y、H的精度分析：

同理，分别将式(200)、(300)及(400)转换为中误差形式得到：

令S+d＝200m，α＝θ＝45°，m_α＝120″，则m_x＝m_Y＝0.17m，m_H＝0.22m，测点P的平面点位中误差为m_P＝0.24m。

其中，da、db及dc分别为a、b及c的微小增量；m_a、m_b、m_c、m_β、m_θ、m_S+d、m_D、m_α、m_x、m_y、m_H及m_P分别表示a、b、c、β、θ、S+d、D、α、X、Y、H及测点P平面点位的中误差，mm为单位毫米，m为单位米。

根据NB/T35029-2014《水电工程测量规范》表3.0.5-3规定1∶500比例尺的平地、丘陵地水下地形图地物点平面位置中误差不得大于0.60m，山地、高山地不得大于0.80m；表3.0.5-4规定的平地、丘陵地水下地形图图幅等高线及注记点高程中误差不得大于0.50m，山地、高山地不得大于0.66m；通过本发明的测量装置及方法，能够在保证测量精度的前提下，有效地解决水下地形测量的水上作业安全和作业季节限制的问题。

Claims (7)

1.一种水下地形测量装置，包括三脚架及换能器(7)，其特征在于，还包括滑尺杆(4)及换能器连接杆(3)，所述三脚架包括对中杆(1)，第一升降杆(21)及第二升降杆(22)，所述第一升降杆(21)的一端与所述对中杆(1)的一端可活动的连接，所述第二升降杆(22)的一端与所述对中杆(1)的一端可活动的连接，所述滑尺杆(4)的一端可活动的与所述对中杆(1)的一端连接，所述换能器连接杆(3)的一端通过第一连接环(101)与滑尺杆(4)转动连接，换能器连接杆(3)的另一端通过第二连接环(102)与对中杆(1)的另一端转动连接，所述换能器(7)设置在换能器连接杆(3)另一端的底部。

2.根据权利要求1所述的一种水下地形测量装置，其特征在于，所述第一升降杆(21)、第二升降杆(22)及对中杆(1)的另一端底部为锥形。

3.根据权利要求1所述的一种水下地形测量装置，其特征在于，所述装置还包括水准器(5)，所述水准器(5)固定设置在所述对中杆(1)上。

4.根据权利要求1所述的一种水下地形测量装置，其特征在于，所述第一连接环(101)和第二连接环(102)均为旋转扣件。

5.根据权利要求1所述的一种水下地形测量装置，其特征在于，所述装置还包括加长连接杆(6)，所述加长连接杆(6)设置在所述对中杆(1)另一端，并与所述对中杆(1)螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的一种水下地形测量装置，其特征在于，所述加长连接杆(6)的底端为锥形。

7.一种水下地形测量方法，应用于如权利要求1-6任意一项所述的一种水下地形测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

建立坐标系，其中Y为横坐标，X为纵坐标，H为高程；

获取测站点A的坐标(X_A，Y_A，H_A)；

获取所述换能器连接杆(3)与对中杆(1)的夹角θ、换能器连接杆(3)与对中杆(1)连接点到换能器(7)的距离d及换能器(7)到测点P的距离S；

根据θ及所述换能器连接杆(3)与对中杆(1)连接点到测点P的距离S+d计算测站点A至测点P的水平距离D：

D＝(S+d)×sinθ(100)；

计算测点P在纵坐标的值X：

X＝X_A+D×cosα(200)；

D×cosα为X_A到测点P在纵坐标上的增量；

计算测点P在横坐标的值Y：

Y＝Y_A+D×sinα(300)；

D×sinα为Y_A到测点P在横坐标的增量；

计算测点P的高程H：

H＝H_A+f-(S+d)×cosθ(400)；

(S+d)×cosθ为所述换能器连接杆(3)与对中杆(1)连接点到测点P的高差；

α为滑尺杆(4)的方位角，β为滑尺杆(4)与对中杆(1)的夹角，f为所述换能器连接杆(3)与对中杆(1)的连接点到对中杆(1)另一端与地面接触处的距离。