CN112378376B - 一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，所述传感阵列至少包括两条交叉的传感阵列带，每条传感阵列带均为直线，传感阵列带上分设有若干传感器，各个传感器间隔设置，在以两条传感阵列带的交叉点为圆心的若干不同直径的同心圆上设置多个所述测斜仪，至少在每条传感阵列带的最外端设置一个测斜仪，每个同心圆上设置的测斜仪数量相同，在远离所述交叉点一定距离处还设置有一个作为基准点的测斜仪，以交叉点作为原点建立笛卡尔坐标系，交叉点和基准点连线作为笛卡尔坐标系的一个轴向。本发明将两套系统各自采集的海底变形数据进行相互校准，两套系统相互独立，又可互为补充、校准，可有效提高海底变形监测的可靠性。

Description

一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法

技术领域

本发明涉及海底变形监测技术领域，具体涉及一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法。

背景技术

天然气水合物是未来非常具有潜力的新型绿色能源之一，但天然气水合物也具有极强的环境灾害效应，当其赋存区稳定环境遭到破坏，海底沉积物中的水合物就会分解并在很短时间内大规模排放甲烷气体，进而引发一系列严重的环境问题，如海底沉降及滑坡等。因此，对于水合物的开采，必须对开采区域的海底变形情况进行监测，以保证海洋天然气水合物资源的绿色环保开发。

现有的海底地形监测主要存在以下几种方法：

(1)基于三分量式伺服加速度传感器。监测过程中将传感器置于耐压容器之中，通过探杆布放于海底，利用加速度传感器将所测加速度值进行二次积分得到位移，从而得到地形的沉降量。

(2)基于水压传感器的监测方法。将水压传感器放置于海底表面，该传感器可以记录所处水深处的水压数值。当海底发生变形时，水压传感器的位置亦会随着海底发生变化，其记录的压力会有异常的改变(如果设备所在区域发生隆起/下沉，则其距海表面距离减小/增加，测得的水压数值会减小/增大)，前后测量的压力差就是海底地形隆起或沉降的量。此方法可以通过水压值的变化直观的观测海底的沉降，但是此方法需要消除潮位差的影响(受潮汐影响周期性涨落的水位称潮位)，测量精度有限。

(3)基于高精度测斜仪的监测方法。利用高精度测斜仪测量地层及地表微量形变产生的相对于垂直方向的角度变化来描述变形区域的程度及范围，已经在陆域边坡、滑坡、水力压裂监测及火山变形研究等领域得到了成功应用。此方法的应用目前多限于陆地，有研究者尝试将其应用于海底，但尚处于试验阶段。

但现有这些的监测方法，存在海底地形监测精度有限的缺陷，并且难以对监测结果进行有效的验证。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的提供一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其能够解决海底变形监测的精确度及可靠性的问题。

实现本发明的目的的技术方案为：一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，所述传感阵列至少包括两条交叉的传感阵列带，每条传感阵列带均为直线，传感阵列带上分设有若干传感器，各个传感器等间隔设置，

在以两条传感阵列带的交叉点为圆心的若干不同直径的同心圆上设置多个所述测斜仪，至少在每条传感阵列带的最外端设置一个测斜仪，每个同心圆上设置的测斜仪数量相同，

在远离所述交叉点一定距离处还设置有一个作为基准点的测斜仪，以交叉点作为原点建立笛卡尔坐标系，交叉点和基准点连线作为笛卡尔坐标系的一个轴向，

根据各个测斜仪与原点的实际距离和方位确定出各个测斜仪在笛卡尔坐标系上的坐标，以传感器阵列带最外端的测斜仪的坐标作为对应传感阵列带的坐标，

根据传感阵列带采集的具有位置信息的海底地形变化数据进行拟合得到海底地形三维曲面，记为曲面A，

根据测斜仪采集到的具有位置信息的海底地形变化数据得到海底地形曲面，记为曲面B，

以处于相同布放位置的传感阵列带和测斜仪为基准，将曲面A和曲面B进行叠加，判断两个曲面是否吻合，若是，则以曲面A或曲面B作为最终海底地形变化的结果，若否，则传感阵列带所在的区域的海底变形信息以曲面A为准，其余位置的海底变形信息以曲面B为准。

进一步地，各个所述传感器等间隔设置在传感阵列带上。

进一步地，所述传感阵列包括多组传感阵列带，每组传感阵列带包括两个十字交叉的传感阵列带，各组传感阵列带不相互重合。

进一步地，任意两条所述传感阵列带交叉且不重合。

进一步地，所述传感器为MEMS传感器。

进一步地，所述原点为位于海底的监测目标点或经评估后认为的海底沉降风险最大点处。

进一步地，所述测斜仪在不同直径的同心圆上均按相同圆心角等间隔布置。

进一步地，还包括在远离所述交叉点一定距离处还设置有一个作为基准点的测斜仪，以使得基准点位于不受水合物开采影响区域之外。

进一步地，还包括确定出所述基准点的坐标，从而确定出各个测斜仪和传感阵列带相对于基准点的相对位置，根据相对位置，根据相对位置，使得传感阵列带能够采集到具有位置信息的海底地形变化数据和使得测斜仪能够采集到具有位置信息的海底地形变化数据。

进一步地，还包括在将所述传感阵列带和测斜仪布放完成后，利用ROV拍摄初始布放图像，以及拍摄回收时的回收布放图像，对初始布放图像和回收布放图像进行对比，根据对比结果更新海底变形信息，得到最终的海底变形信息。

本发明的有益效果为：本发明通过两个相互独立的传感阵列和测斜仪的组网方式，对各自采集的海底变化数据进行相互校准和补充，两套系统相互独立，又可互为补充、校准，可有效提高海底变形监测的可靠性。

附图说明

图1为传感阵列和测斜仪布放的结构示意图；

图2为基于图1中传感阵列和测斜仪布放后建立的笛卡尔坐标系的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方案，对本发明做进一步描述。

如图1和图2所示，一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，所述传感阵列至少包括两条交叉的传感阵列带，每条传感阵列带均为直线，传感阵列带上分设有若干传感器，各个传感器按等间隔设置，例如每隔1米设置一个传感器，传感器可以选择MEMS传感器或其他传感器。若只有两条交叉的传感阵列带，可以将两条传感阵列带设置成十字交叉方式，也即相互垂直；当有更多条(3条以上)传感阵列带时，需要保持任意两条传感阵列交叉不重合，或者是由多组十字交叉的传感阵列带构成，每组传感阵列带包括两个十字交叉的传感阵列带，各组传感阵列带不相互重合。

作为其中一种实施方式，所述传感器可选用MEMS传感器，例如，采用MEMS 9轴姿态传感器。MEMS传感器具有加速度计、陀螺仪和磁力仪，可以实现对海底变形数据的长期同步采集。

在实际使用时，各条传感阵列的交叉点正好位于监测目标点，也即交叉点和需要监测的井位所在的海底区域的中心点刚好重合，更具体地，该中心点即是监测目标点所在海底位置，或者是前期评估后认为海底沉降风险最大点处。传感器阵列的布放和后续姿态、位置调整，均可通过作业型ROV完成。

基于传感阵列带采集到的数据可以拟合出海底的三维地形，可以高精度反映海底的真实地形变化情况，但受限于直线阵列的排列方式，导致海底表面采样点数及覆盖面积受限，对直线阵列之外的海底变形监测精度不高。

在以所述交叉点为圆心的若干不同直径的同心圆上设置多个所述测斜仪，至少在每条传感阵列带的最外端设置一个测斜仪，每个同心圆上设置的测斜仪数量相同，测斜仪在不同直径的同心圆上均按相同圆心角等间隔布置。同心圆的直径大小可以根据实际需要进行调整，例如，距圆心(监测目标点)5m、10m和20m分别设置一个同心圆。如图1所示，设置了3个不同直径(半径)的同心圆上，各个同心圆上分布设置有相同数量的测斜仪，在相异的同心圆上按照相同圆心角等间隔设置测斜仪。测斜仪可以测量出互相正交的两个水平方向上的倾斜角度(即倾角)变化，以及通过测斜仪内的惯性姿态测量仪还可以测量出倾斜方位角，从而得到较为完整的海底倾斜信息，即可得到海底倾斜场的变化。从而能够长时间在固定测位(测量位置点)上完成海底变形的连续监测工作。

在远离所述交叉点一定距离处还设置有一个作为基准点的测斜仪，并记为基准点测斜仪，以使得基准点位于不受水合物开采影响区域之外。例如，距离交叉点(监测目标点)100米处设置一个基准点。

基于测斜仪采集到的数据具有更多的采样点和覆盖面积，有效填充传感阵列带覆盖不到的海底区域，能够得到高精度的海底二维地形变化情况。

将传感阵列和测斜仪布设完成后，以交叉点和基准点连线作为x轴正向方向建立笛卡尔坐标系，交叉点作为笛卡尔坐标系的原点，以及定义出x轴、y轴和z轴，例如，以正东(即交叉点和基准点连线)、正北和垂直海底向上方向分别作为x轴、y轴和z轴。根据各个测斜仪与原点的实际距离和方位确定出各个测斜仪在笛卡尔坐标系上的坐标，以传感器阵列带最外端的测斜仪的坐标作为对应传感阵列带的坐标。根据测斜仪和传感阵列带的坐标确定出测斜仪和传感阵列带的相对位置，以及确定出基准点的坐标，从而确定出各个测斜仪和传感阵列带相对于基准点的相对位置。图2是建立笛卡尔坐标系的示意图，X(E)表示x轴正向方向，y(N)表示y轴正向，z表示垂直方向。

根据传感阵列带采集的海底地形变化数据，基于几何递推的重构算法建立海底地形三维变形重构模型，其具体实现步骤可以采用公开号为CN107339969B的中国发明专利中具体实施例部分描述的方案，得到海底地形三维曲面，记为曲面A。

根据测斜仪采集到的海底地形变化数据，基于大地变形场数值分析方法，将多个监测点的记录数据内插和外推到整个监测区域，进而得到区域内海底倾斜场变化过程。再通过地球物理反演方法(常见方法如直接网格搜索法、模拟退火法等)对倾斜场进行反演，以获取海底各监测点位的水平位移及垂向沉降等海底变形信息。据此更新各监测点的坐标，沉降对应z轴方向的坐标，水平方向的位移对应x轴或y轴方向的坐标。根据更新后的具有坐标的海底变形信息采用插值或逼近方法实现海底地形曲面的拟合，拟合结果记为曲面B。

以处于相同布放位置的传感阵列带和测斜仪为基准，将曲面A和曲面B进行叠加，以观察两个曲面是否吻合。若两个曲面出现偏差，传感阵列带所在的区域的海底变形信息以曲面A为准，其余位置(即传感阵列带未覆盖到的区域)以曲面B为准，从而得到一个新的曲面C，能够更准确地反映出海底变形情况。若吻合，则以曲面A或曲面B作为最终反演海底地形变化的结果。

优选地，在将所述传感阵列带和测斜仪布放完成后，通过ROV拍摄初始布放图像，图像可以为照片或视频，以及完成采集后对传感阵列带和测斜仪回收时进行拍摄回收布放图像。根据初始布放图像和回收布放图像的前后对比，比较传感阵列带和/或测斜仪是否发生位置变化、倾覆或扭转等情况，若有，则在曲面C上将对应的监测点剔除，或根据设备前后的实际形态变化进行修正。

通过两个相互独立的传感阵列和测斜仪的组网方式，对各自采集的海底变化数据进行相互校准和补充，两套系统相互独立，又可互为补充、校准，可有效提高海底变形监测的可靠性。

本说明书所公开的实施例只是对本发明单方面特征的一个例证，本发明的保护范围不限于此实施例，其他任何功能等效的实施例均落入本发明的保护范围内。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，所述传感阵列至少包括两条交叉的传感阵列带，每条传感阵列带均为直线，传感阵列带上分设有若干传感器，各个传感器间隔设置，

在以两条传感阵列带的交叉点为圆心的若干不同直径的同心圆上设置多个所述测斜仪，至少在每条传感阵列带的最外端设置一个测斜仪，每个同心圆上设置的测斜仪数量相同，

在远离所述交叉点一定距离处还设置有一个作为基准点的测斜仪，以交叉点作为原点建立笛卡尔坐标系，交叉点和基准点连线作为笛卡尔坐标系的一个轴向，

根据各个测斜仪与原点的实际距离和方位确定出各个测斜仪在笛卡尔坐标系上的坐标，以传感器阵列带最外端的测斜仪的坐标作为对应传感阵列带的坐标，

根据传感阵列带采集的具有位置信息的海底地形变化数据进行拟合得到海底地形三维曲面，记为曲面A，

根据测斜仪采集到的具有位置信息的海底地形变化数据得到海底地形曲面，记为曲面B，

以处于相同布放位置的传感阵列带和测斜仪为基准，将曲面A和曲面B进行叠加，判断两个曲面是否吻合，若是，则以曲面A或曲面B作为最终海底地形变化的结果，若否，则传感阵列带所在的区域的海底变形信息以曲面A为准，其余位置的海底变形信息以曲面B为准。

2.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，各个所述传感器等间隔设置在传感阵列带上。

3.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，所述传感阵列包括多组传感阵列带，每组传感阵列带包括两个十字交叉的传感阵列带，各组传感阵列带不相互重合。

4.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，任意两条所述传感阵列带交叉且不重合。

5.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，所述传感器为MEMS传感器。

6.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，所述原点为位于海底的监测目标点或经评估后认为的海底沉降风险最大点处。

7.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，所述测斜仪在不同直径的同心圆上均按相同圆心角等间隔布置。

8.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，还包括在远离所述交叉点一定距离处还设置有一个作为基准点的测斜仪，以使得基准点位于不受水合物开采影响区域之外。

9.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，还包括确定出所述基准点的坐标，从而确定出各个测斜仪和传感阵列带相对于基准点的相对位置，根据相对位置，使得传感阵列带能够采集到具有位置信息的海底地形变化数据和使得测斜仪能够采集到具有位置信息的海底地形变化数据。

10.根据权利要求1所述的基于传感阵列和测斜仪的海底变形联合监测方法，其特征在于，还包括在将所述传感阵列带和测斜仪布放完成后，利用ROV拍摄初始布放图像，以及拍摄回收时的回收布放图像，对初始布放图像和回收布放图像进行对比，根据对比结果更新海底变形信息，得到最终的海底变形信息。

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