CN110617803A - 一种用于水下地形测量中的水深检校方法 - Google Patents

一种用于水下地形测量中的水深检校方法 Download PDF

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张�林
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Abstract

本发明揭示了一种用于水下地形测量中的水深检校方法，水深检校方法基于实时记录定位信号和水深信号并实时刷新测船位置的水下导航软件，对数据进行滞后改正的原理是按比测求出的延迟值dt，首先将原始采集数据中的所有差分信号段的时间延迟后，按每个定位标志后最早遇见的回深时间和水深，作为该点的定位时间和水深，然后在延迟后的信号时间中查找，看该定位时间介于哪两个信号时间中，最后按时间内插法求出定位坐标。本发明能够将错误的水深快速标出，无误的水深一目了然，从而实现每条断面水深的快速浏览和改正，提高工作效率。

Description

一种用于水下地形测量中的水深检校方法
技术领域
本发明涉及水下地形测量领域。
背景技术
水下地形测量是工程测量中的一种特定测量，通过测量江、湖、河、海水底点的平面位置和高程，用以绘制水下地形图的测绘工作，包括测深点定位、水深测量、水位观测和绘图等工序。
当前最常用的经典模式为：GPS RTD进行测深点定位，回深仪测量水深，HypackMax或Haida软件导航并同步采集数据，验潮站进行水位观测(近海围垦区、跌水河道等水位无线性变化的区域可采用RTK无验潮模式)，将采集的水下地形数据处理后，成图软件自动绘制出水下地形图并打印出图。
水深测量既测定水底点至水面的高度的测量工作，是水下地形测量的中心环节。其技术手段由原始的测单点(测深杆、测深砣)发展为测线(单频、双频回深仪)直至测面(多波束测深系统)。
多波束测深系统虽具有测量范围大、速度快、精度高、记录数字化及成图自动化的优点；但受测区水深、设备安装调试、数据后处理时间及任务大小的制约，性价比不高。双频单波束回深仪仍是目前最常用的水深测量设备。
目前大多数测深仪采用机械记录针式或热敏记录方式输出打印模拟信号，同时输出数字化信号。虽然回深测深的原理很简单，但水中的情况却很复杂。水草、紊流、风浪甚至鱼群都会对回波形成短暂的干扰，造成输出的数字化回深信号短暂跳跃，如同GPS信号的失锁。
规范中规定，水深数据的校核是指将采集到的数据转换成需要的格式文本后，将文本中的水深数据与测深仪的模拟记录进行100％校对。一般以数字记录为准，但数字记录和模拟记录差异较大时(H＜20m,△h＝0.2m；H≥20m,△h＝0.01H)，以模拟记录读数改正。一天作业下来，回深数据点数一般都有数千点，进行100％校对，是一项费时费工的枯燥活，然而目前缺少一种快速检校的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种既能快速标出错误的水深区域，高效准确完成水深数据校对的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于水下地形测量中的水深检校方法，水深检校方法基于实时记录定位信号和水深信号并实时刷新测船位置的水下导航软件，所述导航软件获取的数据包括：
差分信号段：信号标志、信号时间、信号位置；
定位信息段：定位标志、定位时间、定位点号；
回深信息段：回深标志、回深时间、水深；
所述水深检校方法包括以下步骤：
1)将待检校水深数据中所有差分信号段的时间延迟，将差分信号段的信号时间加上延迟值dt；
2)待检校水深数据中每个定位标志后最早遇见的回深时间和水深，作为定位标志的定位时间和水深；
3)然后在延迟后的信号时间中查找，获得该定位时间介于哪两个信号时间之间，则通过时间内插法求得定位坐标；
4)则3)中的定位坐标为测量点，该测量点的水深为2)中获得水深。
所述水深检校方法开始时，按照设定航线行驶，以定位信息后遇见的第一组水深作为该点的水深，若该水深值失锁，则处理出错误水深。
所述水深检校方法中，航线由连续的测量点构成，测量频率为0.05-0.15秒/次。
所述水深检校方法中，测量船速为2-4m/s。
所述水深检校方法中，每个测量点至少测量两次，并预设误差值A，如本次值与上次值较差≤A，则本次值有效，如本次值与上次值较差＞A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。
将每个测量点数据记录并存储，并将测量的数据与待检校水深数据比较，用特殊的标记表示待检校水深数中有误的水深数据。
本发明能够将错误的水深快速标出，无误的水深一目了然，从而实现每条断面水深的快速浏览和改正，提高工作效率。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为通过本发明检校方法获得的水深数据；
图2为Hapyck原始数据。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
水下导航软件是实时记录定位信号和水深信号，实时刷新测船位置，按设计线航行，同步进行数据采集与处理的软件，以Hypack Max为例。
Hapyck软件采集的原始数据(*.dat)的结构主要由五段循环组成：差分信号XY段(POS)、定位信息段(FIX)、回深信息段(EC1)、质量信息段(QUA)和差分信号BL段(RAW)。前三段每段的结构为(图2)：
差分信号段：信号标志(POS)，信号时间(POStimer)，信号位置(POSX，POSY)；
定位信息段：定位标志(FIX)，定位时间(FIXtimer)，定位点号(FIXhd)；
回深信息段：回深标志(EC1)，回深时间(ECtimer)，水深(Deteph)。
Hapyck软件进行数据处理，并同时进行滞后改正的原理是按比测求出的延迟值dt，首先将原始采集数据中的所有差分信号段的时间延迟后(即XPOStimer＝POStimer+dt)，按每个定位标志(FIX)后最早遇见的回深时间(ECtimer)和水深(Deteph)，作为该点的定位时间和水深，然后在延迟后的信号时间(XPOStimer)中查找，看该定位时间介于哪两个信号时间中，最后按时间内插法求出定位坐标。
假设定位点K点后的最早遇见的回深时间为ECtimerK，水深为ECHK，查找该时间介于延迟后的信号时间XPOStimeri和XPOStimeri+1间，对应的信号坐标为POSXi、POSYi和POSXi+1、POSYi+1，定位点K的坐标滞后改正的公式可表示如下：
XK＝POSXi×(1－P)+POSXi+1×P
YK＝POSYi×(1－P)+POSYi+1×P
HK＝ECHK
式中时间内插系数P＝Abs(ECtimer－XPOStimeri)÷Abs(XPOStimeri+1－XPOStimeri)。
Hapyck软件数据处理中是以定位信息后遇见的第一组水深作为改点的水深，若该水深值失锁，则处理出错误水深。重要的是每条测线按设计的距离或时间，采集的测点可能只有数十个，但记录下的数字化水深值却多得多，为用区域拟合水深校核测点提供了可能。
回深仪测量的模拟信号在图形上是一条连续的不规则曲线，Hapyck原始数据记录的水深值是该曲线的时间函数值。一般为0.1秒记录1次(与测深仪的频率相关)，取定位点K前后n次对称水深(ECHk-n ECHk-n+1…ECHk…ECHk+1ECHk+n)2n+1个数值的一小段曲线，其绝大多数都可近似的看作一段直线。由数学知识可知：直线段中点值(定位水深ECHK)约等于曲线时间函数的数学平均值(区域拟合水深)。即
n的选择同船速和水深数字化频率有关，一般取经验值。正常测量船速为3m/s左右，水深数字化频率为0.1s/次。n选取1～5点，即定位点K前后0.3m～1.5m区间的曲线较为合适。程序中可自己设计，控制不大于5，经多次试验，建议n＝3
实际水体中的情况复杂多变，短暂产生回波干扰的情况很普遍，首先须进行水深数据的滤波。
数据滤波的方法有限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、滑动平均滤波法及前四种方法两两结合组成如：中位值平均滤波法、限幅平均滤波法等。程序采用限幅滤波法。
限幅滤波法，又称程序判断滤波法。程序具体方法为：首先预读每条测线开始的水深E0，根据经验判断，确定两次水深允许的最大偏差值(设为A)。
每次检测到新值时判断：
如本次值与上次值较差≤A，则本次值有效。
如本次值与上次值较差＞A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。
该方法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。
本人参考Hypack软件滞后改正的原理、方法，用Visual Basic 6.0设计了GPS数据处理软件，来进行水下地形测量原始数据的滞后处理和回深快速检校，同时解决了GPS数据与成图软件要求数据之间格式转换的问题。
如图1所示，倒数第三列数据为数字化水深。两相比较，超过检校限差的加+号表示，这样水深数据校核时就可做到有的放矢，快速校核带+号的数据即可，提高工作效率。
需要注意的是，区域拟合水深只是提供了一种快速校核的方法，不代表加+号的数据点水深一定有误(如该点前后的区域回深曲线为∪型、∩型、W型、M型，区域拟合水深就偏大或偏小)；而不带加+号的数据一般是正确的，除了浅滩水草区域或浑浊水体，有明显的二次，甚至三次回波，造成数字化水深与区域拟合水深错误的相似，须特别注意。
实际应用表明，该方法简单有效，极大地节约了劳动时间，提高了工作效率。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于水下地形测量中的水深检校方法，水深检校方法基于实时记录定位信号和水深信号并实时刷新测船位置的水下导航软件，所述导航软件获取的数据包括：
差分信号段：信号标志、信号时间、信号位置；
定位信息段：定位标志、定位时间、定位点号；
回深信息段：回深标志、回深时间、水深；
其特征在于，所述水深检校方法包括以下步骤：
1)将待检校水深数据中所有差分信号段的时间延迟，将差分信号段的信号时间加上延迟值dt；
2)待检校水深数据中每个定位标志后最早遇见的回深时间和水深，作为定位标志的定位时间和水深；
3)然后在延迟后的信号时间中查找，获得该定位时间介于哪两个信号时间之间，则通过时间内插法求得定位坐标；
4)则3)中的定位坐标为测量点，该测量点的水深为2)中获得水深。
2.根据权利要求1所述的水深检校方法，其特征在于：所述水深检校方法开始时，按照设定航线行驶，以定位信息后遇见的第一组水深作为该点的水深，若该水深值失锁，则处理出错误水深。
3.根据权利要求2所述的水深检校方法，其特征在于：所述水深检校方法中，航线由连续的测量点构成，测量频率为0.05-0.15秒/次。
4.根据权利要求3所述的水深检校方法，其特征在于：所述水深检校方法中，测量船速为2-4m/s。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的水深检校方法，其特征在于：所述水深检校方法中，每个测量点至少测量两次，并预设误差值A，如本次值与上次值较差≤A，则本次值有效，如本次值与上次值较差＞A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。
6.根据权利要求5所述的水深检校方法，其特征在于：将每个测量点数据记录并存储，并将测量的数据与待检校水深数据比较，用特殊的标记表示待检校水深数中有误的水深数据。
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