CN114018293B - 多波束测深系统的精度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下测绘仪器计量技术领域，尤其涉及一种多波束测深系统的精度检测方法，包括：(1)安装比测板；(2)确定比测板和贯通点的相对位置关系；(3)获取扫测数据；(4)计算比测板的测量坐标系理论坐标与理论高程；(5)中误差计算求取精度；该多波束测深系统的精度检测方法，多波束测深系统的精度检测方法，直观的测量多波束测深系统实际的扫测精度；通过对系统进行强制改正，有效的提高多波束测深系统的扫测精度。

Description

多波束测深系统的精度检测方法
技术领域
本发明涉及水下测绘仪器计量技术领域，尤其涉及一种多波束测深系统的精度检测方法。
背景技术
利用多波束测深系统对沉管隧道基床整平结果进行检测，是沉管隧道安装工程中至关重要的一环。沉管隧道基床铺设整平要求精度误差±4cm，而多波束测深系统扫测规范极限误差为±34cm，远低于基床整平要求精度要求。
目前，对多波束测深系统在施工过程中的实际精度还缺乏相应的检测手段。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种过程简便、精度高的多波束测深系统的精度检测方法。
本发明提供一种多波束测深系统的精度检测方法，包括如下步骤：
(1)安装比测板：在沉管的顶部安装比测板；
(2)确定比测板和贯通点的相对位置关系：
使用全站型电子测距仪采集比测板的施工坐标系坐标及施工高程、沉管内贯通点的施工坐标及施工高程，从而解算出比测板与沉管内贯通点g的相对位置关系；
(3)获取扫测数据和沉管内贯通点的测量坐标及测量高程：
沉管安装后，使用多波束测深系统，对沉管进行扫测，获取扫测数据，得到扫测范围内的测量坐标和测量高程；
(4)计算比测板的测量坐标系理论坐标与理论高程：
根据坐标转换公式、步骤(3)中所述管内贯通点的测量坐标，计算比测板在测量坐标系中的理论坐标；
根据步骤(3)所得贯通点的测量高程、步骤(2)中确定的比测板和贯通点的相对位置关系计算得到比测板的理论高程；
(5)中误差计算：
根据所述步骤(4)获取的比测板的测量坐标系的理论坐标，筛选出步骤 (3)中所述比侧板上的多波束扫测数据，将扫测数据的测量高程与比测板的理论测量高程进行中误差计算，求取多波束测深系统的精度：
式中，m为中误差；
Δ为真误差，Δ＝Hi-hi,其中,Hi为多波束扫测高程数值；hi为步骤 (4)计算所得比测板理论高程；
n为选取的多波束扫测数据的数量。
本技术方案的多波束测深系统的精度检测方法，直观的测量多波束测深系统实际的扫测精度；通过对系统进行强制改正，有效的提高多波束测深系统的扫测精度。
在本申请的一些实施例中，为了便于计算，步骤(2)中所述的施工坐标系，以沉管端部一点作为坐标原点，以沉管的轴线方向为A轴，以沉管的宽度方向为B轴，高度方向为h轴。
在本申请的一些实施例中，步骤(3)获取扫测数据的同时，根据国家大地测量坐标的控制点坐标获取所述沉管内贯通点的测量坐标及测量高程。
在本申请的一些实施例中，步骤(4)所述的坐标转换公式为：
式中，比测板上任一点的施工坐标为(Ai，Bi),对应的理论测量坐标为 (xi，yi)；
(xA0,yA0)为施工坐标系的坐标原点在测量坐标系中的坐标，该坐标为施工方在施工前给出；
a为施工坐标系和测量坐标系的坐标轴夹角。
在本申请的一些实施例中，在步骤(4)之前，先根据贯通点g的施工坐标、测量坐标、以及所述坐标转换公式，获取施工坐标系与测量坐标系的坐标轴夹角α，如下：
式中，贯通点g的施工坐标为(Ag，Bg),测量坐标为(xg，yg),
(xA0,yA0)为施工坐标系的坐标原点在测量坐标系中的坐标；
代入坐标公式后即可求取出施工坐标系与测量坐标系的坐标轴夹角a。
在本申请的一些实施例中，为便于后期计算，步骤(1)中，比测板为规则图形，比测板周围无突出物。
在本申请的一些实施例中，所述比测板为钢板或者pvc板。
基于上述技术方案，本发明实施例中的多波束测深系统的精度检测方法，多波束测深系统的精度检测方法，直观的测量多波束测深系统实际的扫测精度；通过对系统进行强制改正，有效的提高多波束测深系统的扫测精度；
还可通过多次使用此检测方法进行对比，可监测多波束测深系统在一段时间内的扫测精度变化，是否趋于稳定；
比测板形状规则，结构简单，便于加工制作，成本低，且便于后期计算。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的比测板的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的比测板的俯视图；
图3为本发明一个实施例的施工坐标系与测量坐标系的位置关系结构示意图；
图中，
10、比测板；11、支腿；12、中心点；13、第一顶点；14、第二顶点； 15、第三顶点；16、第四顶点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明一个实施例的多波束测深系统的精度检测方法，包括如下步骤：
(1)安装比测板10：在沉管的顶部焊接安装比测板；
(2)确定比测板10和贯通点g的相对位置关系：
沉管安装前，使用全站型电子测距仪采集比测板10施工坐标系坐标及施工高程、沉管内贯通点g的施工坐标及施工高程，从而解算出比测板10与沉管内贯通点g的相对位置关系；
(3)获取扫测数据：
沉管安装后，使用多波束测深系统，对沉管进行扫测，获取扫测数据,得到扫测范围内的测量坐标和测量高程；
(4)计算比测板10的测量坐标系理论坐标与理论高程：
根据坐标转换公式、步骤(3)中管内贯通点g的测量坐标，计算比测板 10在测量坐标系中的理论坐标；
根据步骤(3)所得贯通点g的测量高程、步骤(2)中确定的比测板10 和贯通点g的相对位置关系计算得到比测板10的理论高程；
(5)中误差计算：
根据所述步骤(4)获取的比测板10的测量坐标系的理论坐标，筛选出步骤(3)中比侧板10上的多波束扫测数据，将比测板10的扫测数据的测量高程与比测板的理论测量高程进行中误差计算，求取多波束测深系统的精度：
其中：m为中误差；
Δ为真误差，Δ＝Hi-hi,其中,Hi为多波束扫测高程数值；hi为步骤 (4)计算所得比测板理论高程；
n为选取的多波束扫测数据的数量。
其中，步骤(1)中关于比测板10，为方便安装、以及便于后期的计算，本实施例的比测板10，如图1-3所示，为正方形结构，边长1m，比测板10 与沉管之间设置有支腿11，支腿11的高度为0.5m，将比测板10焊接固定在沉管顶部，保证比测板10的板面水平，比测板10周围无突出物，以免影响测量精度。
步骤(2)通过比测板10上的特征点来确定比测板10和贯通点的相对位置关系，在本实施例中，比测板10为正方形，选取中心点以及四个顶点作为特征点确定与贯通点的相对位置关系，如图3所示。全站型电子测距仪测得比测板的施工坐标为：中心点12(A1，B1)、第一顶点13(A2，B2)、第二顶点14(A3，B3)和第三顶点15(A4，B4)、第四顶点16(A5，B5)；施工高程分别为：中心点12-(h1)、第一顶点13-(h2)、第二顶点14-(h3)、第三顶点15-(h4)、第四顶点16-(h5)；沉管内贯通点的施工坐标(Ag，Bg)及施工高程为-(hg)。因此将比测板10上各个控制点的A轴坐标、B轴坐标、施工高程，分别对应与贯通点g的A轴坐标、B轴坐标、施工高程相减，即可得到比测板10与贯通点g的相对位置关系。
全站型电子测距仪测量施工坐标前，需确定施工坐标系的坐标原点，在本实施例中，为了计算的方便，将沉管端部一点作为坐标原点，以沉管的轴线方向即长度方向为A轴，宽度方向为B轴，高度方向为h轴。
步骤(3)中,沉管安装后，使用多波束测深系统对沉管进行扫测，获得扫测范围内(包括比测板10)测量坐标和测量高程；根据国家大地测量坐标的控制点的坐标，以控制点为后视，通过二等水准测量，获取沉管内贯通点g 的测量坐标(xg,yg)和测量高程-(Hg)。
为了得到比测板10的理论测量坐标与理论测量高程，需要知道施工坐标系与测量坐标系的夹角α，如图3所示，根据坐标转换公式：
式中：比测板10上任一点的施工坐标为(Ai，Bi),对应的理论测量坐标为(xi，yi)；
(xA0,yA0)为施工坐标系的坐标原点在测量坐标系中的坐标，该坐标为施工方在施工前的设计图纸给出；
a为施工坐标系和测量坐标系的坐标轴夹角
由于步骤(3)中已经获得了贯通点的测量坐标(xg,yg)，步骤(2)中获得了贯通点g的施工坐标(Ag，Bg)，将其带入上述的坐标转换公式中，即可得到施工坐标系与测量坐标系的夹角α：
式中，代入管内贯通点g点施工坐标为(Ag，Bg)，测量坐标为(xg,yg),
(xA0,yA0)为施工坐标系原点在测量坐标系中的坐标，
获得两个坐标系坐标轴夹角a。
将步骤(1)中测得的比测板10上特征点的施工坐标，分别为：中心点 12(A1，B1)、第一顶点13(A2，B2)、第二顶点14(A3，B3)和第三顶点 15(A4，B4)、第四顶点16(A5，B5)，由于前面已经计算出两个坐标系之间的夹角α，带入上述的坐标转换公式，即可得到比测板10上特征点的理论测量坐标，为，中心点12(x1，y1)、第一顶点13(x2，y2)、第二顶点14(x3， y3)和第三顶点15(x4，y4)、第四顶点16(x5，y5)。
步骤(2)中确定的比测板10的特征点与贯通点g在高程方向上的相对位置关系为：-(hg-h1)、-(hg-h2)、-(hg-h3)、-(hg-h4)、-(hg-h5)，由于贯通点g的测量高程为-(Hg),计算得到比测板10在特征点处的理论高程分别为：中心点12为H1’＝-(Hg)+(hg-h1)；第一顶点13为H2’＝-(Hg)+(hg-h2)；第二顶点14为H3’＝-(Hg)+(hg-h3)；第三顶点15为H4’＝-(Hg)+(hg-h4)；第四顶点16为H5’＝-(Hg)+(hg-h5)；则比测板10的理论高程H’为：
步骤(3)中沉管安装后，用多波束测深系统对沉管进行扫测，根据步骤 (3)中获得的比测板上第一顶点13、第二顶点14和第三顶点15、第四顶点 16的理论测量坐标，确定出比测板10上的扫测数据范围，其数据范围为x 轴坐标位于(x2～x3)、(x2～x4)、(x3～x5)、(x4～x5)之间、且纵坐标位于(y2～y3)、(y2～y4)、(y3～y5)、(y4～y5)之间；选取出该范围内所有坐标点对应的测量高程Hi，将该数据带入中误差计算公式：
式中：m为中误差；
Δ为真误差，Δ＝Hi-H’,其中，Hi为多波束扫测高程数值；H’为步骤(4)计算所得比测板10的理论高程；
n为选取的多波束扫测数据的数量。
即可得到多波束测深系统的精度，本实施例中，经过实际工程验证，多波束测深系统的精度误差为±(1-2)cm，远远高于多波束测深系统扫测规范极限误差为±34cm，也高于沉管隧道基床铺设整平要求精度误差。
步骤(1)中，比测板的形状也可以为圆形、长方形等其他规则形状，其规格尺寸也可根据实际情况制定。比测板可选用钢板或者pvc板，结构简单，便于加工制作，成本低。
本发明实施例中的多波束测深系统的精度检测方法，多波束测深系统的精度检测方法，直观的测量多波束测深系统实际的扫测精度；通过对系统进行强制改正，有效的提高多波束测深系统的扫测精度；
还可通过多次使用此检测方法进行对比，可监测多波束测深系统在一段时间内的扫测精度变化，是否趋于稳定。
最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种多波束测深系统的精度检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)安装比测板：在沉管的顶部安装比测板；
(2)确定比测板和贯通点的相对位置关系：
使用全站型电子测距仪采集比测板的施工坐标系坐标及施工高程、沉管内贯通点的施工坐标及施工高程，从而解算出比测板与沉管内贯通点g的相对位置关系；
(3)获取扫测数据和沉管内贯通点的测量坐标及测量高程：
沉管安装后，使用多波束测深系统，对沉管进行扫测，获取扫测数据，得到扫测范围内的测量坐标和测量高程；
(4)计算比测板的测量坐标系理论坐标与理论高程：
根据坐标转换公式、步骤(3)中所述管内贯通点的测量坐标，计算比测板在测量坐标系中的理论坐标；
根据步骤(3)所得贯通点的测量高程、步骤(2)中确定的比测板和贯通点的相对位置关系计算得到比测板的理论高程；
(5)中误差计算：
根据所述步骤(4)获取的比测板的测量坐标系的理论坐标，筛选出步骤(3)中所述比测板上的多波束扫测数据，将扫测数据的测量高程与比测板的理论测量高程进行中误差计算，求取多波束测深系统的精度：
式中，m为中误差；
Δ为真误差，Δ＝Hi-hi,其中,Hi为多波束扫测高程数值；hi为步骤(4)计算所得比测板理论高程；
n为选取的多波束扫测数据的数量。
2.根据权利要求1所述的多波束测深系统的精度检测方法，其特征在于，步骤(2)中所述的施工坐标系，以沉管端部一点作为坐标原点，以沉管的轴线方向为A轴，以沉管的宽度方向为B轴，高度方向为h轴。
3.根据权利要求2所述的多波束测深系统的精度检测方法，其特征在于，步骤(3)获取扫测数据的同时，根据国家大地测量坐标的控制点坐标获取所述沉管内贯通点的测量坐标及测量高程。
4.根据权利要求3所述的多波束测深系统的精度检测方法，其特征在于，步骤(4)所述的坐标转换公式为：
式中，比测板上任一点的施工坐标为(Ai，Bi),对应的理论测量坐标为(xi，yi),
(xA0,yA0)为施工坐标系的坐标原点在测量坐标系中的坐标，
α为施工坐标系和测量坐标系的坐标轴夹角。
5.根据权利要求4所述的多波束测深系统的精度检测方法，其特征在于，在步骤(4)之前，先根据贯通点g的施工坐标、测量坐标、以及所述坐标转换公式，获取施工坐标系与测量坐标系的坐标轴夹角α，如下：
式中，贯通点g的施工坐标为(Ag，Bg),测量坐标为(xg，yg),
(xA0,yA0)为施工坐标系的坐标原点在测量坐标系中的坐标；
代入坐标公式后即可求取出施工坐标系与测量坐标系的坐标轴夹角α。
6.根据权利要求1所述的多波束测深系统的精度检测方法，其特征在于，为便于后期计算，步骤(1)中，比测板为规则图形，比测板周围无突出物。
7.根据权利要求6所述的多波束测深系统的精度检测方法，其特征在于，所述比测板为钢板或者pvc板。
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