CN113254850B - 一种河道淤泥量监测计算方法 - Google Patents

一种河道淤泥量监测计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种河道淤泥量监测计算方法，包括以下步骤：S1：在待测河道的河道岸边安装基准站，并进行测线设计；S2：利用GPS RTK技术，获取基准站的探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程；S3：利用多波束测深技术对待测河道的水下地形进行精密测量，得到水下地形的三维模型；S4：在三维模型中，根据探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程计算河道淤泥量。本发明的河道淤泥监测计算方法有助于了解河道淤泥情况，有利于水污染监测及治理。相对于传统的河道淤泥监测计算方法，优势在于探测淤泥覆盖范围效果较好，且测量河道淤泥厚度和体积可达到较高的精度，对河道治理和污水治理有着十分重要的意义。

Description

一种河道淤泥量监测计算方法
技术领域
本发明属于河道监测技术领域，具体涉及一种河道淤泥量监测计算方法。
背景技术
随着社会经济发展和城市化加速进展，水流域河道淤泥堆积问题日益突出。淤泥堆积会导致河道水位上涨，对河道周围居民和建筑物等设施造成一定的危害。同时淤泥堆积对河道水环境造成了一定的污染，若河流的外来污染源被切断，河道淤泥中存在的污染物将释放出来造成河流的二次污染，因此针对河道淤泥量与淤泥厚度的监测和计算是目前国内外学者研究的热点与难题。施工前对淤泥厚度和淤泥量进行全覆盖监测及精确测量，有助于对工程进行针对性的作业，提高工作效率，节省成本。
目前，国内外关于河道淤泥厚度以及淤泥量大多采用测探仪进行测量获得，主要通过两次计算测量数据差值来得到淤泥厚度，从而进一步推算河道淤泥量，这种方法虽然可以简单快速地获取河道淤泥厚度值，但是推算出的河道淤泥量的数值精度较差。常用的河道淤泥厚度测量方法也有钻孔取样法、放射线探测法和淤泥采样器法等。其中钻孔取样法对淤泥有扰动，不易采集到原始的淤泥样本；淤泥采样器法对操作水平要求极高，且该方法属于单点监测，不适用于大面积水域；放射线探测法安全性差，容易造成二次污染。
发明内容
本发明的目的是为了解决河道淤泥监测的问题，提出了一种河道淤泥量监测计算方法。
本发明的技术方案是：一种河道淤泥量监测计算方法包括以下步骤：
S1：在待测河道的河道岸边安装基准站，并进行测线设计；
S2：利用GPS RTK技术，获取基准站的探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程；
S3：利用多波束测深技术对待测河道的水下地形进行精密测量，得到水下地形的三维模型；
S4：在三维模型中，根据探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程计算河道淤泥量。
本发明的有益效果是：本发明的河道淤泥监测计算方法有助于了解河道淤泥情况，有利于水污染监测及治理。相对于传统的河道淤泥监测计算方法，优势在于探测淤泥覆盖范围效果较好，且测量河道淤泥厚度和体积可达到较高的精度，对河道治理和污水治理有着十分重要的意义。
进一步地，步骤S1中，进行测线设计时，测线方向与水流方向相互垂直；若测线设计的测图比例尺为1:1000，则测点间距离为12m-15m，等高距为0.5m；若测线设计的测图比例尺为1:2000，则测点间距离为15m-20m，等高距为1m；若测线设计的测图比例尺为1:5000，则测点间距离为40m-80m，等高距为1m；若测线设计的测图比例尺为1:10000，则测点间距离为60m-100m，等高距为1m。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，测线布置是水下淤泥测量不可缺少的一个环节，测线设计应根据水流是否湍急而定的，从而保证水下地形复杂的区域获取的测量值具有较高的精度，更能反应出水下地形真实面貌。若部分区域的水下地形地势较为平坦，则测线的分布可以较为稀疏，测线间距离可以适当放宽；若水下地形地势较为陡峭，则测线的分布应呈紧密状态，测线间距离应紧凑。
进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
S21：利用GPS RTK技术获取基准站的探测处GPS天线相位中心的坐标；
S22：利用GPS RTK技术获取基准站的探测处GPS天线相位中心高程HGPS和GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离HG-T；
S23：根据GPS天线相位中心高程HGPS和GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离HG-T，计算GPS天线相位中心的水下最低点高程Hi,i＝1,...,n，n表示地形点数量。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，利用GPS RTK技术，可以省去传统测量技术过于麻烦的工作量，省时省力，且该技术测量效率高，获取的水下地形测量值的精度可达厘米级。
进一步地，步骤S23中，GPS天线相位中心的水下最低点高程Hi的计算公式为：
Hi＝HGPS-HG-T-h
其中，HGPS表示GPS天线相位中心高程，HG-T表示GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离，h表示探测仪在探测处的水深高度。
进一步地，步骤S3中，利用多波束测深技术对待测河道的水下地形进行精密测量时，多波束测深线方向与等深线方向平行，多波束扫描带宽的重叠度保持在10％-15％。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，多波束测深技术具有高分辨率、全覆盖和精度高的特点，适用于河道和海底等水下地形精密测量。采用多波束测深技术对河道水下地形精密测量需要注意作业船的速度、扫测带宽度、测线重叠带宽度和测线位置布设等。同时多波束测深线方向应与等深线大致平行，同时为了保证侧量效果，应使得多波束扫描带宽的重叠度保持在10％-15％。多波束测深系统在安装过程中还要注意各传感器之间的校准、船艏向校准、测船坐标系建立以及横摇、纵摇等方面安装误差的校准。
进一步地，步骤S4包括以下子步骤：
S41：设置待测河道的水下淤泥量参考高程H；
S42：在三维模型中，选取待测河道中3个相邻地形点构成平面，其坐标分别为(x1,y1,H1)、(x2,y2,H2)和(x3,y3,H3)，其中，x1表示第一地形点的横坐标，y1表示第一地形点的纵坐标，H1表示第一地形点的实测高程，x2表示第二地形点的横坐标，y2表示第二地形点的纵坐标，H2表示第二地形点的实测高程，x3表示第三地形点的横坐标，y3表示第三地形点的纵坐标，H3表示第三地形点的实测高程；
S43：根据3个相邻地形点的坐标，计算平面的面积ΔS；
S44：根据平面的面积ΔS和水下淤泥量参考高程H计算该平面的河道淤泥量Δv；
S45：重复步骤S42-S44，得到待测河道的河道淤泥量V。
进一步地，步骤S43中，平面的面积ΔS的计算公式为：
Figure BDA0003064508730000041
其中，x1表示第一地形点的横坐标，x3表示第三地形点的横坐标，y2表示第二地形点的纵坐标，y1表示第一地形点的纵坐标。
进一步地，步骤S44中，该平面的河道淤泥量Δv的计算公式为：
Figure BDA0003064508730000042
其中，h1表示第一地形点的实测高程H1和参考高程H的差值，h2表示第二地形点的实测高程H2和参考高程H的差值，h3表示第三地形点的实测高程H3和参考高程H的差值，ΔS表示该平面的面积。
进一步地，步骤S45中，待测河道的河道淤泥量V的计算公式为：
Figure BDA0003064508730000051
其中，n表示待测河道内构成平面的三角形个数。
附图说明
图1为河道淤泥量监测计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种河道淤泥量监测计算方法，包括以下步骤：
S1：在待测河道的河道岸边安装基准站，并进行测线设计；
S2：利用GPS RTK技术，获取基准站的探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程；
S3：利用多波束测深技术对待测河道的水下地形进行精密测量，得到水下地形的三维模型；
S4：在三维模型中，根据探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程计算河道淤泥量。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S1中，进行测线设计时，测线方向与水流方向相互垂直；若测线设计的测图比例尺为1:1000，则测点间距离为12m-15m，等高距为0.5m；若测线设计的测图比例尺为1:2000，则测点间距离为15m-20m，等高距为1m；若测线设计的测图比例尺为1:5000，则测点间距离为40m-80m，等高距为1m；若测线设计的测图比例尺为1:10000，则测点间距离为60m-100m，等高距为1m。
在本发明中，测线布置是水下淤泥测量不可缺少的一个环节，测线设计应根据水流是否湍急而定的，从而保证水下地形复杂的区域获取的测量值具有较高的精度，更能反应出水下地形真实面貌。若部分区域的水下地形地势较为平坦，则测线的分布可以较为稀疏，测线间距离可以适当放宽；若水下地形地势较为陡峭，则测线的分布应呈紧密状态，测线间距离应紧凑。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2包括以下子步骤：
S21：利用GPS RTK技术获取基准站的探测处GPS天线相位中心的坐标；
S22：利用GPS RTK技术获取基准站的探测处GPS天线相位中心高程HGPS和GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离HG-T；
S23：根据GPS天线相位中心高程HGPS和GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离HG-T，计算GPS天线相位中心的水下最低点高程Hi,i＝1,...,n，n表示地形点数量。
在本发明中，利用GPS RTK技术，可以省去传统测量技术过于麻烦的工作量，省时省力，且该技术测量效率高，获取的水下地形测量值的精度可达厘米级。
在本发明实施例中，如图1所示，GPS天线相位中心的水下最低点高程Hi的计算公式为：
Hi＝HGPS-HG-T-h
其中，HGPS表示GPS天线相位中心高程，HG-T表示GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离，h表示探测仪在探测处的水深高度。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S3中，利用多波束测深技术对待测河道的水下地形进行精密测量时，多波束测深线方向与等深线方向平行，多波束扫描带宽的重叠度保持在10％-15％。
在本发明中，多波束测深技术具有高分辨率、全覆盖和精度高的特点，适用于河道和海底等水下地形精密测量。采用多波束测深技术对河道水下地形精密测量需要注意作业船的速度、扫测带宽度、测线重叠带宽度和测线位置布设等。同时多波束测深线方向应与等深线大致平行，同时为了保证侧量效果，应使得多波束扫描带宽的重叠度保持在10％-15％。多波束测深系统在安装过程中还要注意各传感器之间的校准、船艏向校准、测船坐标系建立以及横摇、纵摇等方面安装误差的校准。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S4包括以下子步骤：
S41：设置待测河道的水下淤泥量参考高程H；
S42：在三维模型中，选取待测河道中3个相邻地形点构成平面，其坐标分别为(x1,y1,H1)、(x2,y2,H2)和(x3,y3,H3)，其中，x1表示第一地形点的横坐标，y1表示第一地形点的纵坐标，H1表示第一地形点的实测高程，x2表示第二地形点的横坐标，y2表示第二地形点的纵坐标，H2表示第二地形点的实测高程，x3表示第三地形点的横坐标，y3表示第三地形点的纵坐标，H3表示第三地形点的实测高程；
S43：根据3个相邻地形点的坐标，计算平面的面积ΔS；
S44：根据平面的面积ΔS和水下淤泥量参考高程H计算该平面的河道淤泥量Δv；
S45：重复步骤S42-S44，得到待测河道的河道淤泥量V。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S43中，平面的面积ΔS的计算公式为：
Figure BDA0003064508730000071
其中，x1表示第一地形点的横坐标，x3表示第三地形点的横坐标，y2表示第二地形点的纵坐标，y1表示第一地形点的纵坐标。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S44中，该平面的河道淤泥量Δv的计算公式为：
Figure BDA0003064508730000081
其中，h1表示第一地形点的实测高程H1和参考高程H的差值，h2表示第二地形点的实测高程H2和参考高程H的差值，h3表示第三地形点的实测高程H3和参考高程H的差值，ΔS表示该平面的面积。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S45中，待测河道的河道淤泥量V的计算公式为：
Figure BDA0003064508730000082
其中，n表示待测河道内构成平面的三角形个数。
本发明的工作原理及过程为：由于河道中不同区域的地形、深度、淤泥量和水流速是不同的，因此采用GPS RTK结合多波束测深系统对河道淤泥量进行监测。首先在河道岸边上精度较高的地方搭建基准站以及控制点，建立采用GPS RTK技术实时获取其天线相位中心精度厘米级的坐标和高度，对河道水下的地形进行测量，获得水底点位的高程值；然后采用多波束测探技术对河道水下地形进行精密测量，实现了河道水下地形的精密三维模型建立；最后计算出河道淤泥在不同时期的淤泥量以及水下淤泥的厚度。
本发明的有益效果为：本发明的河道淤泥监测计算方法有助于了解河道淤泥情况，有利于水污染监测及治理。相对于传统的河道淤泥监测计算方法，优势在于探测淤泥覆盖范围效果较好，且测量河道淤泥厚度和体积可达到较高的精度，对河道治理和污水治理有着十分重要的意义。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种河道淤泥量监测计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在待测河道的河道岸边安装基准站，并进行测线设计；
S2：利用GPS RTK技术，获取基准站的探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程；
S3：利用多波束测深技术对待测河道的水下地形进行精密测量，得到水下地形的三维模型；
S4：在三维模型中，根据探测处GPS天线相位中心的坐标及水下最低点高程计算河道淤泥量；
所述步骤S4包括以下子步骤：
S41：设置待测河道的水下淤泥量参考高程H；
S42：在三维模型中，选取待测河道中3个相邻地形点构成平面，其坐标分别为(x1,y1,H1)、(x2,y2,H2)和(x3,y3,H3)，其中，x1表示第一地形点的横坐标，y1表示第一地形点的纵坐标，H1表示第一地形点的实测高程，x2表示第二地形点的横坐标，y2表示第二地形点的纵坐标，H2表示第二地形点的实测高程，x3表示第三地形点的横坐标，y3表示第三地形点的纵坐标，H3表示第三地形点的实测高程；
S43：根据3个相邻地形点的坐标，计算平面的面积ΔS；
S44：根据平面的面积ΔS和水下淤泥量参考高程H计算该平面的河道淤泥量Δv；
S45：重复步骤S42-S44，得到待测河道的河道淤泥量V；
所述步骤S43中，平面的面积ΔS的计算公式为：
Figure FDA0003497550200000011
其中，x1表示第一地形点的横坐标，x3表示第三地形点的横坐标，y2表示第二地形点的纵坐标，y1表示第一地形点的纵坐标；
所述步骤S44中，该平面的河道淤泥量Δv的计算公式为：
Figure FDA0003497550200000021
其中，h1表示第一地形点的实测高程H1和参考高程H的差值，h2表示第二地形点的实测高程H2和参考高程H的差值，h3表示第三地形点的实测高程H3和参考高程H的差值，ΔS表示该平面的面积；
所述步骤S45中，待测河道的河道淤泥量V的计算公式为：
Figure FDA0003497550200000022
其中，n表示待测河道内构成平面的三角形个数。
2.根据权利要求1所述的河道淤泥量监测计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，进行测线设计时，测线方向与水流方向相互垂直；若测线设计的测图比例尺为1:1000，则测点间距离为12m-15m，等高距为0.5m；若测线设计的测图比例尺为1:2000，则测点间距离为15m-20m，等高距为1m；若测线设计的测图比例尺为1:5000，则测点间距离为40m-80m，等高距为1m；若测线设计的测图比例尺为1:10000，则测点间距离为60m-100m，等高距为1m。
3.根据权利要求1所述的河道淤泥量监测计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
S21：利用GPS RTK技术获取基准站的探测处GPS天线相位中心的坐标；
S22：利用GPS RTK技术获取基准站的探测处GPS天线相位中心高程HGPS和GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离HG-T；
S23：根据GPS天线相位中心高程HGPS和GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离HG-T，计算GPS天线相位中心的水下最低点高程Hi,i＝1,…,n，n表示地形点数量。
4.根据权利要求3所述的河道淤泥量监测计算方法，其特征在于，所述步骤S23中，GPS天线相位中心的水下最低点高程Hi的计算公式为：
Hi＝HGPS-HG-T-h
其中，HGPS表示GPS天线相位中心高程，HG-T表示GPS天线相位中心到探测仪之间的垂直距离，h表示探测仪在探测处的水深高度。
5.根据权利要求1所述的河道淤泥量监测计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用多波束测深技术对待测河道的水下地形进行精密测量时，多波束测深线方向与等深线方向平行，多波束扫描带宽的重叠度保持在10％-15％。
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