CN114088064A - 一种水下纵横断面测量方法及系统 - Google Patents

一种水下纵横断面测量方法及系统 Download PDF

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刘国光
文述生
王江林
肖浩威
丁永祥
闫少霞
郝志刚
黄海锋
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Abstract

本发明涉及测绘技术领域，提出一种水下纵横断面测量方法及系统。其中包括以下步骤：获取跨河线路平曲线设计文件，生成无人船测量计划线；将无人船测量计划线传输到目标无人船的主控模块中；目标无人船的主控模块根据接收的无人船测量计划线对无人船的工作参数、采集条件进行调整更新；目标无人船上线并根通过其搭载的GNSS设备和测深仪分别进行四维采样和水深探测作业；将采集的GNSS数据进行坐标转换，将采集的水深数据进行吃水改正，然后将数据分别加上采集时间的标识后按照时序存储；目标无人船完成数据采集后，对投影坐标数据和水深数据进行校正，并计算水下高程数据，生成地形数据和/或水下纵横断面报表文件。

Description

一种水下纵横断面测量方法及系统
技术领域
本发明涉及测绘技术领域，更具体地，涉及一种水下纵横断面测量方法及系统。
背景技术
基于RTK应用于陆地纵横断面测绘的相关技术已经非常成熟，例如在铁路线路定测时，需对铁路的沿线进行线路的纵横断面测量。而陆地测量一般采用道路测量，将平曲线和竖曲线设计文件导入手簿中，通过外业实际测绘，获取断面点数据。
而在跨河线路中，同样需要对线路进行纵横断面测绘。水下地形测量就是在水下应用一定的测量仪器对地形进行的测量，一般通过确定三维坐标来实现测量。传统的水下纵横断面测量方法需要人工开船，并搭载GNSS定位设备及测深设备，获取水下地形点的三维坐标，但由于水流速影响，作业效率低下，数据质量很难保障。
发明内容
本发明为克服水下纵横断面测量存在数据精准度低、作业效率低的缺陷，提供一种水下纵横断面测量方法，以及一种水下纵横断面测量系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种水下纵横断面测量方法，包括以下步骤：
S1、获取跨河线路平曲线设计文件，根据跨河线路平曲线设计文件生成无人船测量计划线；
S2、将无人船测量计划线通过网络控制协议传输到目标无人船的主控模块中；
S3、目标无人船的主控模块根据接收的无人船测量计划线对无人船的工作参数、采集条件进行调整更新；目标无人船上线并根据更新的采集条件通过其搭载的GNSS设备和测深仪分别进行四维采样和水深探测作业；
S4、将采集的GNSS数据(B,L,H)转换为投影坐标数据(x,y,h)，将采集的水深数据进行吃水改正，然后将投影坐标数据和吃水改正后的水深数据分别加上采集时间的标识后按照时序存储；
S5、目标无人船完成数据采集后，对投影坐标数据和水深数据进行校正，并计算水下高程数据，生成地形数据和/或水下纵横断面报表文件。
作为优选方案，所述跨河线路平曲线设计文件中的设计参数包括道路名称、曲线形式、起点北坐标、起点终坐标、打桩方式、起点里程、终点里程和里程间隔。
作为优选方案，所述无人船测量计划线包括纵断面测量计划线和横断面测量计划线；所述横断面测量计划线中的参数包括横断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔、左偏距和右偏距，其中，横断面测量计划线中根据左偏距和右偏距设置的左偏距测量点、右偏距测量点与平曲线上的测量点处于同一直线上；所述纵断面测量计划线中的参数包括纵断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔和偏距。
作为优选方案，将采集的水深数据进行吃水改正处理的步骤包括：获取采集的水深数据H2，测量换能器与水面的距离H3，计算实际水深H1＝H2+H3。
作为优选方案，所述水深数据包括以二进制波形文件存储的波形数据以及根据所述波形数据计算得到的数字水深数据；所述投影坐标数据包括无人船上搭载的天线点的投影坐标(x,y,h)。
作为优选方案，所述S5步骤中，计算水下高程数据并生成地形数据的步骤包括：
将以二进制波形文件存储的波形数据与数字水深数据根据时序进行对齐及匹配，当存在数字水深数据与波形数据偏离或不符合波形数据的走向趋势，则识别为假水深，并丢弃该数据；
测量天线点距离水面的高度H4，计算天线点正下方水底的坐标Z＝h-H4-H1；
生成当前天线点正下方水底地形数据(x,y,Z)。
作为优选方案，所述S5步骤中，对所述投影坐标数据和水深数据进行校正的步骤包括潮位改正。
进一步的，本发明还提出了一种水下纵横断面测量系统，包括：
无人船，所述无人船搭载有主控模块、GNSS设备和测深仪；
设计模块，用于生成跨河线路平曲线设计文件和无人船测量计划线；
通信模块，用于将设计模块生成的无人船测量计划线通过网络控制协议传输到主控模块；所述主控模块根据接收的无人船测量计划线对无人船的工作参数、采集条件进行调整更新，控制无人船上线并通过GNSS设备和测深仪进行四维采样和水深探测作业；
数据处理模块，用于对GNSS设备和测深仪采集的数据进行转换、校正和计算，生成地形数据及水下纵横断面报表文件。
作为优选方案，所述数据处理模块包括：
坐标转换单元，用于将GNSS设备采集的GNSS数据转换为三维投影坐标数据；
吃水改正单元，用于对测深仪采集的水深数据进行吃水改正；
校正单元，用于对三维投影坐标数据和经过吃水改正的水深数据进行校正；
数据计算单元，用于根据GNSS设备天线点距离水面的高度，计算天线点正下方水底的坐标，生成当前天线点正下方水底地形数据。
作为优选方案，所述系统还包括报表生成模块和存储模块，所述报表生成模块用于根据所述地形数据，配合跨河线路平曲线设计文件和无人船测量计划线生成水下纵横断面报表文件，并存储在所述存储模块中。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过根据读取的跨河线路平曲线设计文件生成无人船测量计划线，配合无人船的自动测量作业，实现纵横断面测量成果的自动输出，有效提高测量作业效率；通过对水深数据和定位数据进行采集、校正并生成地形数据和/或报表文件，能够有效提高数据的精准度。
附图说明
图1为实施例1的水下纵横断面测量方法的流程图。
图2为实施例1的跨河线路平曲线设计文件的示意图。
图3为实施例1的纵断面测量计划线的示意图。
图4为实施例1的横断面测量计划线的示意图。
图5为实施例2的水下纵横断面测量系统的架构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提出一种水下纵横断面测量方法，如图1所示，为本实施例的水下纵横断面测量方法的流程图。
本实施例提出的水下纵横断面测量方法中，包括以下步骤：
S1、获取跨河线路平曲线设计文件，根据所述跨河线路平曲线设计文件生成无人船测量计划线。
本实施例中，跨河线路平曲线设计文件中的平曲线为道路中心线，如图2所示，为本实施例的跨河线路平曲线设计文件的示意图。无人船将以道路中心线为中轴进行纵横断面测量。
无人船测量计划线包括纵断面测量计划线和横断面测量计划线。其中，横断面测量计划线中的参数包括横断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔、左偏距和右偏距；所述纵断面测量计划线中的参数包括纵断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔和偏距。如图3～4所示，为本实施例的纵断面测量计划线和横断面测量计划线的示意图。
具体的，本实施例中对纵断面测量计划线和横断面测量计划线的设计过程如下：在设置横断面测量计划线时，使左偏距测量点、右偏距测量点与平曲线上的测量点处于同一直线上，且该直线与平曲线上当前在平曲线上的测量点的切线，或当前在平曲线上的测量点所处的直线段垂直。此外，每个横断面之间设置固定的距离间隔，依次类推。
当无人船根据上述无人船测量计划线上线时，当无人船沿如图4所示加粗线条(横断面测量计划线)行驶时，无人船测量当前横断面数据。
当无人船沿线路行驶至线路与平曲线重合位置时，测量一次纵断面数据；且在沿如图4所示无人船测量计划线中较细线条行驶时，无人船可选择地测量纵断面数据。此时测量得到的纵断面数据，作为补充使用。
进一步的，在无人船完成无人船测量计划线的行驶后，再沿平曲线行驶作业一次，且在该行驶过程中仅测量纵断面数据。
进一步的，在设置测量点的间距时，纵断面和横断面的设计间隔要求不同，例如纵断面测量点间距设置为5米，横断面测量点间距设置为20米或50米。因为横断面在短距离内不会变化太快。
且在具体实施过程中，无人船无法完全按照设计线行驶，本实施例设定有一定的偏离阈值，如20公分，当小于该偏离阈值时，则视为无人船仍在设计线上作业。
上述无人船测量计划线的设置能够有效提高纵横断面测量效率，且有效提高测量精度。
在另一实施例中，将跨河线路平曲线设计文件和无人船测量计划线通过显示模块进行显示，用于查看平曲线的属性信息，如：道路名称、曲线形式、起点北坐标、起点终坐标、打桩方式、起点里程、终点里程及里程间隔。
S2、将所述无人船测量计划线通过网络控制协议传输到目标无人船的主控模块中。
本实施例中的无人船搭载有主控模块、GNSS定位设备和测深仪，分别用于控制无人船的运作、采集GNSS定位坐标和采集水深数据。
S3、目标无人船的主控模块根据接收的无人船测量计划线对无人船的工作参数、采集条件进行调整更新；目标无人船上线并根据更新的采集条件通过其搭载的GNSS设备和测深仪分别进行四维(时间、三维坐标)采样和水深探测作业。
其中，对无人船的工作参数进行调整更新时，包括对无人船的坐标系统参数、网络参数进行调整更新。对无人船的采集条件的调整更新包括数据采集的时间间隔或距离间隔。
S4、将采集的GNSS数据(B,L,H)转换为投影坐标数据(x,y,h)，将采集的水深数据进行吃水改正，然后将所述投影坐标数据和吃水改正后的水深数据分别加上采集时间的标识后按照时序存储。
本实施例中，当无人船上线时，进入采集状态，按采集条件将定位数据按当前的GNSS设备输出的经纬度定位数据进行三维投影坐标转换，得到投影坐标数据；测深仪对其采集的水深数据加入吃水改正后直接输出。
本实施例中，水深数据输出频率高于定位数据。
在另一实施例中，将投影坐标数据和经过吃水改正后的水深数据按时序接入系统，为便于后处理，每条数据加上ID顺序标识，投影坐标数据存入定位数据表，水深数据存入水深表。
S5、目标无人船完成数据采集后，对所述投影坐标数据和水深数据进行校正，并计算水下高程数据，生成地形数据和/或水下纵横断面报表文件。
本实施例中，水深数据包括以二进制波形文件存储的波形数据以及根据所述波形数据计算得到的数字水深数据；投影坐标数据包括无人船上搭载的天线点位置的投影坐标(x,y,h)。
其中，水深数据中每一帧(PING)波形数据中包含很多的时间和强度的数据，本实施例中设定有强度阈值，若当前帧的波形数据中强度超过该预设的强度阈值时，即为深度所对应的强度，然后根据时间*声速/2计算得到当前帧的水深，即为数字水深。
本步骤中，在对水深数据进行校正时，将以二进制波形文件存储的波形数据与数字水深数据根据时序进行对齐及匹配，当存在数字水深数据与波形数据偏离或不符合波形数据的走向趋势，则识别为假水深，并丢弃该数据，得到真实水深数据。
因为一帧波形有上百个水深，计算得到的数字水深不一定是真水深，例如当测深仪的探测信号打到水草或鱼群，会出现假水深，此时根据波形数据显示的水深趋势可以进行识别和改正。本实施例将波形数据与数字水深数据根据时序进行对齐，并通过打标线匹配，此时每一个数字水深数据都可以找到在波形的位置，若某一数字水深偏离了(与水深趋势不符)，则识别为假水深。
计算水下高程数据时，先测量天线点距离水面的高度H4，计算天线点正下方水底的坐标Z＝h-H4-H1，结合天线点位置的投影坐标(x,y,h)，得到当前天线点正下方水底地形定位坐标(x,y,Z)作为地形数据输出。
进一步的，结合平曲线文件、纵横断面测量计划线生成成果报表文件，其中包括中桩高程表、道路设计报告和坐标转换报告。
在另一实施例中，考虑到当GNSS设备在海域信号较弱地区无法接收信号时，对所述投影坐标数据和水深数据进行校正的步骤包括潮位改正。具体的，通过不同监测点所设置的实时监测站，监测潮位(水面高程信息)，并需要接入外设(验潮仪)，获取水面高程信息的变化。该潮位监测方法是对实时监测站的数据进行后处理后，根据一定时间间隔来显示。如，12点潮位1.3米、12点30分潮位1.58米，那么在12点05分的时候，就需要内插来得到实际的潮位(水面高程)。
在具体实施过程中，新建工程，导入线路文件50-75-A.ROD。其代码如下所示：
Figure BDA0003304552730000071
设置目标无人船上的工作参数、采集条件，设置搭载在无人船上的GNSS定位设备与测深仪测深设备，设置8080端口。其中，可以4000端口测试定位数据，4003端口测试水深数据。然后通过无线网络获取无人船测量计划线，主控模块控制无人船上线进行采集作业。如图2～4所示，为本实施例的跨河线路平曲线设计文件和无人船测量计划线的示意图。
无人船上线后，达到预设的采集条件时，GNSS定位设备与测深仪测深设备分别采集定位数据和水深数据，或进一步地保存到数据库表中。采集完成后，结束测量。
完成采集作业后，根据经过吃水改正、校正和计算的数据计算水下高程数据，生成地形数据和/或水下纵横断面报表文件。
本实施例提出的水下纵横断面测量方法旨在解决跨河铁路纵横断面测量问题，通过设计纵横断面测量计划线路，再通过无人船自动测量作业获取纵横断面数据，实现纵横断面测量成果的自动输出。
实施例2
本实施例提出一种水下纵横断面测量系统，应用于实施例1提出的水下纵横断面测量方法。如图5所示，为本实施例的水下纵横断面测量系统的架构图。
本实施例提出的水下纵横断面测量系统中，包括无人船、设计模块、通信模块和数据处理模块。
其中，本实施例中的无人船搭载有主控模块、GNSS定位设备和测深仪。
设计模块用于生成跨河线路平曲线设计文件和无人船测量计划线。
本实施例中，跨河线路平曲线设计文件中的设计参数包括道路名称、曲线形式、起点北坐标、起点终坐标、打桩方式、起点里程、终点里程和里程间隔。无人船测量计划线包括纵断面测量计划线和横断面测量计划线；横断面测量计划线中的参数包括横断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔、左偏距和右偏距；纵断面测量计划线中的参数包括纵断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔和偏距。
通信模块用于将设计模块生成的无人船测量计划线通过网络控制协议传输到主控模块。
数据处理模块用于对GNSS设备和测深仪采集的数据进行转换、校正和计算，生成地形数据及水下纵横断面报表文件。
本实施例中的数据处理模块包括坐标转换单元、吃水改正单元、校正单元和数据计算单元。其中，坐标转换单元用于将GNSS设备采集的GNSS数据转换为三维投影坐标数据；吃水改正单元用于对测深仪采集的水深数据进行吃水改正；校正单元用于对三维投影坐标数据和经过吃水改正的水深数据进行校正；数据计算单元用于根据GNSS设备天线点距离水面的高度，计算天线点正下方水底的坐标，生成当前天线点正下方水底地形数据。
在具体实施过程中，设计模块读取跨河线路平曲线设计文件，并根据所述跨河线路平曲线设计文件生成无人船测量计划线，然后通过通信模块将生成的无人船测量计划线通过网络控制协议传输到主控模块。
主控模块根据接收的无人船测量计划线对无人船的工作参数、采集条件进行调整更新，控制无人船上线并通过GNSS设备和测深仪进行四维(时间和三维坐标维度)采样和水深探测作业。
当无人船上线时，进入采集状态，按采集条件将采集的定位数据和水深数据传输至数据处理模块中。
其中，定位数据通过坐标转换单元转换为三维投影坐标数据；水深数据通过吃水改正单元进行处理，根据测深仪的换能器与书面的距离H3以及测深仪采集的水深数据H2，计算得到实际水深H1＝H2+H3；然后将经过转换的三维投影坐标数据和经过吃水改正的水深数据通过校正单元进行校正处理，避免假水深影响数据的准确性，或选择进行潮汐改正。最后通过数据计算单元计算天线点正下方水底的坐标，生成当前天线点正下方水底地形数据。
进一步的，通过报表生成模块结合平曲线文件、无人船测量计划线生成成果报表文件，其中包括中桩高程表、道路设计报告和坐标转换报告。
在另一实施例中，所述系统还包括存储模块，无人船在采集状态时所有数据按时序存储在存储模块中。为便于后处理，每条数据加上ID顺序标识，定位数据存入定位数据表，水深数据存入水深表。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下纵横断面测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取跨河线路平曲线设计文件，根据所述跨河线路平曲线设计文件生成无人船测量计划线；
S2、将所述无人船测量计划线通过网络控制协议传输到目标无人船的主控模块中；
S3、目标无人船的主控模块根据接收的无人船测量计划线对无人船的工作参数、采集条件进行调整更新；目标无人船上线并根据更新的采集条件通过其搭载的GNSS设备和测深仪分别进行四维采样和水深探测作业；
S4、将采集的GNSS数据(B,L,H)转换为投影坐标数据(x,y,h)，将采集的水深数据进行吃水改正，然后将所述投影坐标数据和吃水改正后的水深数据分别加上采集时间的标识后按照时序存储；
S5、目标无人船完成数据采集后，对所述投影坐标数据和水深数据进行校正，并计算水下高程数据，生成地形数据和/或水下纵横断面报表文件。
2.根据权利要求1所述的水下纵横断面测量方法，其特征在于，所述跨河线路平曲线设计文件中的设计参数包括道路名称、曲线形式、起点北坐标、起点终坐标、打桩方式、起点里程、终点里程和里程间隔。
3.根据权利要求1所述的水下纵横断面测量方法，其特征在于，所述无人船测量计划线包括纵断面测量计划线和横断面测量计划线；所述横断面测量计划线中的参数包括横断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔、左偏距和右偏距，其中，横断面测量计划线中根据左偏距和右偏距设置的左偏距测量点、右偏距测量点与平曲线上的测量点处于同一直线上；所述纵断面测量计划线中的参数包括纵断面测量的起点里程、终点里程、里程间隔和偏距。
4.根据权利要求1所述的水下纵横断面测量方法，其特征在于，将采集的水深数据进行吃水改正处理的步骤包括：获取采集的水深数据H2，测量换能器与水面的距离H3，计算实际水深H1＝H2+H3。
5.根据权利要求1～4任一项所述的水下纵横断面测量方法，其特征在于，所述水深数据包括以二进制波形文件存储的波形数据以及根据所述波形数据计算得到的数字水深数据；所述投影坐标数据包括无人船上搭载的天线点的投影坐标(x,y,h)。
6.根据权利要求5所述的水下纵横断面测量方法，其特征在于，所述S5步骤中，计算水下高程数据并生成地形数据的步骤包括：
将以二进制波形文件存储的波形数据与数字水深数据根据时序进行对齐及匹配，当存在数字水深数据与波形数据偏离或不符合波形数据的走向趋势，则识别为假水深，并丢弃该数据；
测量天线点距离水面的高度H4，计算天线点正下方水底的坐标Z＝h-H4-H1；
生成当前天线点正下方水底地形的定位坐标(x,y,Z)。
7.根据权利要求1～4任一项所述的水下纵横断面测量方法，其特征在于，所述S5步骤中，对所述投影坐标数据和水深数据进行校正的步骤包括潮位改正。
8.一种水下纵横断面测量系统，其特征在于，包括：
无人船，所述无人船搭载有主控模块、GNSS设备和测深仪；
设计模块，用于生成跨河线路平曲线设计文件和无人船测量计划线；
通信模块，用于将设计模块生成的无人船测量计划线通过网络控制协议传输到主控模块；所述主控模块根据接收的无人船测量计划线对无人船的工作参数、采集条件进行调整更新，控制无人船上线并通过GNSS设备和测深仪进行四维采样和水深探测作业；
数据处理模块，用于对GNSS设备和测深仪采集的数据进行转换、校正和计算，生成地形数据及水下纵横断面报表文件。
9.根据权利要求8所述的水下纵横断面测量系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：
坐标转换单元，用于将GNSS设备采集的GNSS数据转换为三维投影坐标数据；
吃水改正单元，用于对测深仪采集的水深数据进行吃水改正；
校正单元，用于对三维投影坐标数据和经过吃水改正的水深数据进行校正；
数据计算单元，用于根据GNSS设备天线点距离水面的高度，计算天线点正下方水底的坐标，生成当前天线点正下方水底地形数据。
10.根据权利要求8所述的水下纵横断面测量系统，其特征在于，所述系统还包括报表生成模块和存储模块，所述报表生成模块用于根据所述地形数据，配合跨河线路平曲线设计文件和无人船测量计划线生成水下纵横断面报表文件，并存储在所述存储模块中。
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