CN113759387A - 一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法 - Google Patents

一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，包括如下步骤：采用激光雷达获取堤顶波面的三维坐标点云；对三维坐标点云进行滤波处理；计算防浪建筑物的堤顶压强和堤顶波峰处的流速分布；基于获取的堤顶压强和堤顶波峰处的流速分布，计算防浪建筑物堤顶流量；根据防浪建筑物堤顶流量，计算获得防浪建筑物堤顶总越浪量。本发明可以实时获取防浪建筑物堤顶的流量和总越浪量，不但测量精度高，而且可以反映整个越浪过程，为实验室和现场的越浪量分析提供了切实可行的方法。

Description

一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法
技术领域
本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法。
背景技术
越浪量是防浪建筑物设计的重要参数，对防浪建筑物堤身稳定和堤顶安全具有重要影响。流量和总越浪量是反映越浪量的重要参数，流量是指单位时间通过堤顶的水量，总越浪量是一段时间内通过海堤的总水量。
目前，越浪量的测量主要有两种方法。第一种方法是通过收纳越浪水体计算越浪量，另一种方法是通过视频和图像处理技术。第一种方法测量较为准确，但是这种方法不能反映越浪过程。第二种方法虽然能反映越浪过程，但是图像和视频的处理难度较大，并且越浪量测量误差较大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于三维激光雷达的珊瑚礁海岸防浪建筑物越浪量测量方法，可以实时获取防浪建筑物堤顶的流量和总越浪量，不但测量精度高，而且可以反映整个越浪过程，为实验室和现场的越浪量分析提供了切实可行的方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，包括如下步骤：
S1：采用激光雷达获取堤顶波面的三维坐标点云；
S2：对三维坐标点云进行滤波处理；
S3：计算防浪建筑物的堤顶压强和堤顶波峰处的流速分布；
S4：基于获取的堤顶压强和堤顶波峰处的流速分布，计算防浪建筑物堤顶流量；
S5：根据防浪建筑物堤顶流量，计算获得防浪建筑物堤顶总越浪量。
进一步地，所述步骤S1中激光雷达布置于堤顶上方，所述激光雷达内置有GPS和惯性导航系统。能够获取世界标准时间和激光雷达偏转角。三维激光雷达可以实时获取堤顶波面的三维坐标点云、时间戳和反射强度信息。
所述防浪建筑物的堤顶压强主要是用于分析建筑物受力，能够更好地进行越浪量分析。
进一步地，所述步骤S2中滤波处理的具体方法为：
A1：采用直通滤波器提取堤顶范围内波面的三维坐标点云；
A2：采用半径滤波器去除波面三维坐标点云中的离群点；
A3：对每一帧的波面数据进行插值；
A4：采用移动平均滤波器对波形做平滑处理。
进一步地，所述步骤S2中直通滤波器在水平方向上设置有坐标阈值，水平方向的坐标阈值范围等于防浪建筑物所在位置的水平坐标范围。
进一步地，所述步骤S2中所述半径滤波器设定有滤波半径和半径范围内点数的阈值，其中，滤波半径的取值和半径范围内点数阈值的取值与防浪建筑物堤顶三维坐标点云的采样数有关。其主要目的是去除离群点，滤波半径取值和点数阈值通过经验调试，选取滤波效果较好时的参数。
进一步地，所述步骤S3中防浪建筑物的堤顶压强的计算方法为：P＝ρgz，其中：ρ是水体密度；z是波面高度(波面高程与堤顶高程之差)；P是压强，用于防浪建筑物的受力分析。
进一步地，所述步骤S3中防浪建筑物的堤顶波峰处的流速分布的计算方法为：
通过单位时间内波峰移动的水平距离得到波峰处的速度，由流速沿水深的对数分布式获取到堤顶波峰处的流速分布。
进一步地，所述步骤S3中流速沿水深的对数分布式为：
Figure BDA0003240982750000021
式中：κ＝0.4是卡门常数；z是计算点位置距防浪建筑物顶部的高度；
Figure BDA0003240982750000022
是速度零点高度，△是防浪建筑物的表面粗糙度；u是任意水深处的流速；u*是摩阻流速，摩阻流速可基于流速沿水深的对数分布式和波面流速计算得到。
进一步地，所述步骤S4中防浪建筑物堤顶流量的计算方法为：
Figure BDA0003240982750000023
其中，q是通过防浪建筑物堤顶的流量；n是这一时刻波峰线上坐标点的数量；zj是沿岸方向上第j个波峰处的波面高度(波面高程与堤顶高程之差)；uj是沿岸方向上第j个波峰处的流速；Δyj是第j个波峰处所对应的波面宽度。
进一步地，所述步骤S5中防浪建筑物堤顶总越浪量的计算方法为：
Figure BDA0003240982750000031
其中，Q是堤顶总越浪量；qi是i时刻的堤顶流量；Δti是i时刻与前一时刻的时间差。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、通过三维激光雷达直接获取防浪建筑物堤顶的波形数据，数据集具有高精度和高分辨率的特性，保证了测量精度。
2、对三维坐标点云进行了滤波处理，能够去除数据集中的噪声点，提升测量精度。
3、能够实时获取堤顶的流量和总越浪量，可以反映整个越浪过程。
4、本发明方法的整个测量过程实现了无接触测量，可以保护测量仪器的安全，同时保证测量结果不受波浪作用力的影响。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明具体实施例的模型实验布置图；
图3是堤顶流量计算方法简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种基于三维激光雷达的珊瑚礁海岸防浪建筑物越浪量测量方法，如图1所示，其包括如下步骤：
S1：采用激光雷达获取堤顶波面的三维坐标点云：
如图2所示，激光雷达布置在堤顶上方，内置有GPS和惯性导航系统，获取世界标准时间和激光雷达偏转角。三维激光雷达可以实时获取堤顶波面的三维坐标点云、时间戳和反射强度信息。
S2：对三维坐标点云进行滤波处理：
A1：采用直通滤波器提取堤顶所在范围内波面的三维坐标点云，其中，直通滤波器需要在水平方向上设置阈值范围，水平方向的阈值范围等于海堤位置的水平坐标范围。
A2：采用半径滤波器去除波面三维坐标点云中的离群点，半径滤波器需要设定滤波半径和半径范围内其他点个数的阈值，其中，滤波半径的取值和半径范围内其他点个数阈值的取值与堤顶三维坐标点云的采样数有关。
A3：对每一帧的波面数据进行插值；
A4：采用移动平均滤波器对波形做平滑处理。
S3：计算防浪建筑物的堤顶压强和堤顶波峰处的流速分布：
防浪建筑物的堤顶压强的计算方法为：P＝ρgz，其中：ρ是水体密度；z是波面高度(波面高程与堤顶高程之差)；P是压强，用于防浪建筑物的受力分析。
防浪建筑物的堤顶波峰处的流速分布的计算方法为：
通过单位时间内波峰移动的水平距离得到波峰处的速度，由流速沿水深的对数分布式获取到堤顶波峰处的流速分布。
流速沿水深的对数分布式为：
Figure BDA0003240982750000041
式中：κ＝0.4是卡门常数；z是计算点位置距防浪建筑物顶部的高度；
Figure BDA0003240982750000042
是速度零点高度，△是防浪建筑物的表面粗糙度；u是任意水深处的流速；u*是摩阻流速，摩阻流速可基于流速沿水深的对数分布式和波面流速计算得到。
S4：基于获取的堤顶压强和堤顶波峰处的流速分布，计算防浪建筑物堤顶流量：
如图3所示，防浪建筑物堤顶流量的计算方法为：
Figure BDA0003240982750000043
其中，q是通过防浪建筑物堤顶的流量；n是这一时刻波峰线上坐标点的数量；zj是沿岸方向上第j个波峰处的波面高度(波面高程与堤顶高程之差)；uj是沿岸方向上第j个波峰处的流速；Δyj是第j个波峰处所对应的波面宽度。
S5：根据防浪建筑物堤顶流量，计算获得防浪建筑物堤顶总越浪量：
防浪建筑物堤顶总越浪量的计算方法为：
Figure BDA0003240982750000044
其中，Q是堤顶总越浪量；qi是i时刻的堤顶流量；Δti是i时刻与前一时刻的时间差。

Claims (10)

1.一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：采用激光雷达获取堤顶波面的三维坐标点云；
S2：对三维坐标点云进行滤波处理；
S3：计算防浪建筑物的堤顶压强和堤顶波峰处的流速分布；
S4：基于获取的堤顶波峰处的流速分布，计算防浪建筑物堤顶流量；
S5：根据防浪建筑物堤顶流量，计算获得防浪建筑物堤顶总越浪量。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S1中激光雷达布置于堤顶上方，所述激光雷达内置有GPS和惯性导航系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S2中滤波处理的具体方法为：
A1：采用直通滤波器提取堤顶范围内波面的三维坐标点云；
A2：采用半径滤波器去除波面三维坐标点云中的离群点；
A3：对每一帧的波面数据进行插值；
A4：采用移动平均滤波器对波形做平滑处理。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S2中直通滤波器在水平方向上设置有坐标阈值，水平方向的坐标阈值范围等于防浪建筑物所在位置的水平坐标范围。
5.根据权利要求3所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S2中所述半径滤波器设定有滤波半径和半径范围内点数的阈值，其中，滤波半径的取值和半径范围内点数阈值的取值与防浪建筑物堤顶三维坐标点云的采样数有关。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S3中防浪建筑物的堤顶压强的计算方法为：P＝ρgz，其中：ρ是水体密度；z是波面高度；P是压强，用于防浪建筑物的受力分析。
7.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S3中防浪建筑物的堤顶波峰处的流速分布的计算方法为：
通过单位时间内波峰移动的水平距离得到波峰处的速度，由流速沿水深的对数分布式获取到堤顶波峰处的流速分布。
8.根据权利要求7所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S3中流速沿水深的对数分布式为：
Figure FDA0003240982740000021
式中：κ是卡门常数；z是计算点位置距防浪建筑物顶部的高度；
Figure FDA0003240982740000022
是速度零点高度，△是防浪建筑物的表面粗糙度；u是任意水深处的流速；u*是摩阻流速，摩阻流速可基于流速沿水深的对数分布式和波面流速计算得到。
9.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S4中防浪建筑物堤顶流量的计算方法为：
Figure FDA0003240982740000023
其中，q是通过防浪建筑物堤顶的流量；n是这一时刻波峰线上坐标点的数量；zj是沿岸方向上第j个波峰处的波面高度；uj是沿岸方向上第j个波峰处的流速；Δyj是第j个波峰处所对应的波面宽度。
10.根据权利要求9所述的一种基于三维激光雷达的海岸防浪建筑物越浪量测量方法，其特征在于，所述步骤S5中防浪建筑物堤顶总越浪量的计算方法为：
Figure FDA0003240982740000024
其中，Q是堤顶总越浪量；qi是i时刻的堤顶流量；Δti是i时刻与前一时刻的时间差。
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