CN116295158B - 一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器及方法 - Google Patents

一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器及方法，所述仪器包括激光雷达测量模块（1）、飞行平台（2）、摄影测量模块（3）、双频测深仪测量模块（4）和操控手柄（5），所述激光雷达测量模块（1）用于测量地面三维坐标数据，所述飞行平台（2）作为激光雷达测量模块（1）、摄影测量模块（3）和双频测深仪测量模块（4）的载体，在操控手柄（5）的屏幕地图上显示，所述摄影测量模块（3）用于拍摄站点照片，实时在操控手柄（5）中显示，所述双频测深仪测量模块（4）用于测量淤泥或土壤层点位坐标和深度。本发明解决了人工测量淤泥时效率低以及测量困难的问题，通过一次飞行，可同时测量地面三维坐标正射影像和淤泥层厚度。

Description

一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器及方法
技术领域
本发明涉及仪器测量领域，特别是涉及一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器及方法。
背景技术
三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。土地整理及高标准农田设计中，通常采用机载三维激光扫描仪，再搭载高清摄像机，实现对地物的立体测绘，获得地面点的高程数据以及正射影像图，用于对田块的规划设计以及工程量计算。但是，当土地整理范围内淤泥层较厚，需要将淤泥层取出，换填成土质较硬泥土；当在田地或者池塘中修建道路及沟渠时，也需将淤泥层取出，换填成石块，这时，需要测量淤泥层厚度及面积，进而计算体积、工程量、费用。
目前通常采用航测测量地面三维坐标机载正射影像图，人工测量淤泥层厚度及面积，然而人工测量效率低且测量困难。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器及方法解决了人工测量淤泥时效率低以及测量困难的问题，本发明通过一次飞行，可同时测量地面三维坐标正射影像和淤泥层厚度。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器，所述仪器包括激光雷达测量模块、飞行平台、摄影测量模块、双频测深仪测量模块和操控手柄，所述激光雷达测量模块置于飞行平台上方，所述摄影测量模块置于飞行平台下方，所述双频测深仪测量模块置于飞行平台下方且与飞行平台垂直，所述激光雷达测量模块用于测量地面三维坐标数据，所述飞行平台作为激光雷达测量模块、摄影测量模块和双频测深仪测量模块的载体，在操控手柄的屏幕地图上显示，所述摄影测量模块用于拍摄站点照片，实时在操控手柄中显示，所述双频测深仪测量模块用于测量淤泥或土壤层点位坐标和深度。
上述方案的有益效果是：通过上述仪器可以用于测量淤泥或土壤层的深度，相比现有测量方法，本方案经过一次航飞，可以测量多个数据，有效提升测量效率，解决了现有测量困难的问题。
进一步地，激光雷达测量模块内置测绘相机、GNSS定位单元和INS惯导系统。
上述进一步方案的有益效果是：激光雷达测量模块用于测量地面点三维数据，测绘相机对地面进行拍摄，GNSS定位单元完成地面定位，INS惯导系统用于获取激光脉冲的竖直扫描角和水平扫描角。
进一步地，摄影测量模块内置测绘相机和GNSS定位单元。
上述进一步方案的有益效果是：利用摄影测量模块对测量站点进行拍摄，用于后期研究。
进一步地，双频测深仪测量模块内置GNSS定位单元和换能器。
上述进一步方案的有益效果是：换能器既能产生声频，又能回收声波，高频声波穿透力较弱，在地表发生反射；低频声波穿透力较强，在淤泥底部或者土壤层底部发生反射，利用GNSS定位单元得到换能器的三维坐标，即淤泥或土壤层的点位数据。
除此之外，本发明还采用的技术方案为：一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：将操控手柄与飞行平台进行网络连接，并在操控手柄中完成项目新建和项目设置；
S2：根据测量范围，在操控手柄中规划测量航线；
S3：利用激光雷达测量模块根据测量航线获得地面点三维坐标数据；
S4：利用双频测深仪测量模块根据测量航线测量淤泥或土壤层点位数据，并通过高低频测深值之间的差值对淤泥或土壤层厚度进行测量。
上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，完成对淤泥或土壤层深度的测量，通过高低频会生测深值之间的差值来对水底沉积物的厚度加以测量，能够同时测量地面点三维坐标数据和淤泥或土壤层厚度，提高测量效率。
进一步地，S2中规划测量航线包括以下公式：
其中，为航线旁向间距，/>为相片高度，/>为摄影比例尺，/>为旁向重叠度。
上述进一步方案的有益效果是：根据测量范围，在操控手柄中根据测区范围规划航线，由于淤泥深度测量只能测量航线正下方点，所以航线旁向间距需要根据需要设置，通过上式即可完成这一设置。
进一步地，S3中获得地面三维数据包括以下分步骤：
S3-1：利用激光雷达测量模块发射出脉冲激光打到地面点上，根据接收脉冲激光的部分反射光波的接收器获得地面点到激光雷达测量模块中心点的距离；
S3-2：结合激光雷达测量模块的高度、激光扫描角度、从GNSS定位单元获得的激光雷达测量模块中心点的三维坐标以及从INS惯导系统获得的激光脉冲的竖直扫描角和水平扫描角，计算出每一个地面光斑的坐标，通过脉冲激光不断扫描目标物获得地面点三维坐标数据；
S3-3：完成当前站点照片拍摄，用于后期处理打在地面点上的错误高程点。
上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，利用激光雷达测量模块获得地面点三维坐标数据。
进一步地，S3-1中地面点到激光雷达测量模块中心点的距离公式如下：
其中，为激光光波从发射到接收时间间隔，/>为光速。
上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，根据光速和激光脉冲发射待接收的时间获得地面点到激光雷达测量模块中心点的距离。
进一步地，S3-2中每一个地面光斑的坐标公式如下：
其中，为激光雷达测量模块中心点的三维坐标，/>地面点到激光雷达测量模块中心点的距离，/>为激光脉冲的竖直扫描角，/>为激光脉冲的水平扫描角。
上述进一步方案的有益效果是：利用上式可计算出每一个地面光斑的坐标，利用脉冲激光不断扫描目标物即可获得目标物上全部目标点的三维坐标。
进一步地，S4中包括以下公式：
其中，为淤泥或土壤层对应点深度，/>为光速，/>为高频发射与接收时间间隔，/>为低频发射与接收时间间隔。
上述进一步方案的有益效果是：利用上述公式，根据高频信号和低频信号不同的穿透力，通过高低频测深值之间的差值即可对淤泥厚度或者土壤层厚度进行测量。
附图说明
图1为一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器结构图。
其中：1、激光雷达测量模块；2、飞行平台；3、摄影测量模块；4、双频测深仪测量模块；5、操控手柄。
图2为一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1，如图1所示，一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器，所述仪器包括激光雷达测量模块1、飞行平台2、摄影测量模块3、双频测深仪测量模块4和操控手柄5，所述激光雷达测量模块1置于飞行平台2上方，所述摄影测量模块3置于飞行平台2下方，所述双频测深仪测量模块4置于飞行平台2下方且与飞行平台2垂直，所述激光雷达测量模块1用于测量地面三维坐标数据，所述飞行平台2作为激光雷达测量模块1、摄影测量模块3和双频测深仪测量模块4的载体，在操控手柄5的屏幕地图上显示，所述摄影测量模块3用于拍摄站点照片，实时在操控手柄5中显示，所述双频测深仪测量模块4用于测量淤泥或土壤层点位坐标和深度。
激光雷达测量模块1内置测绘相机、GNSS定位单元和INS惯导系统；摄影测量模块3内置测绘相机和GNSS定位单元；双频测深仪测量模块4内置GNSS定位单元和换能器。
在本发明的一个实施例中，对测量仪器进行连接时，将双频测深仪测量模块4、激光雷达测量模块1、摄影测量模块3与飞行平台2连接好，双频测深仪测量模块4必须垂直向下。
实施例2，如图2所示，一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：将操控手柄与飞行平台进行网络连接，并在操控手柄中完成项目新建和项目设置；
S2：根据测量范围，在操控手柄中规划测量航线；
S3：利用激光雷达测量模块根据测量航线获得地面点三维坐标数据；
S4：利用双频测深仪测量模块根据测量航线测量淤泥或土壤层点位数据，并通过高低频测深值之间的差值对淤泥或土壤层厚度进行测量。
S2中规划测量航线包括以下公式：
其中，为航线旁向间距，/>为相片高度，/>为摄影比例尺，/>为旁向重叠度。
S3中获得地面三维数据包括以下分步骤：
S3-1：利用激光雷达测量模块发射出脉冲激光打到地面点上，根据接收脉冲激光的部分反射光波的接收器获得地面点到激光雷达测量模块中心点的距离；
S3-2：结合激光雷达测量模块的高度、激光扫描角度、从GNSS定位单元获得的激光雷达测量模块中心点的三维坐标以及从INS惯导系统获得的激光脉冲的竖直扫描角和水平扫描角，计算出每一个地面光斑的坐标，通过脉冲激光不断扫描目标物获得地面点三维坐标数据；
S3-3：完成当前站点照片拍摄，用于后期处理打在地面点上的错误高程点。
S3-1中地面点到激光雷达测量模块中心点的距离公式如下：
其中，为激光光波从发射到接收时间间隔，/>为光速。
S3-2中每一个地面光斑的坐标公式如下：
其中，为激光雷达测量模块中心点的三维坐标，/>地面点到激光雷达测量模块中心点的距离，/>为激光脉冲的竖直扫描角，/>为激光脉冲的水平扫描角。
S4中包括以下公式：
其中，为淤泥或土壤层对应点深度，/>为光速，/>为高频发射与接收时间间隔，/>为低频发射与接收时间间隔。
在本发明的一个实施例中，后期根据航飞的正射影像图地面实际情况判断地表为淤泥或土壤层，如地面为坡地及林园地，则为土壤层厚度，地面四周有明显田坎则为淤泥厚度，以此来确认淤泥深度或者土壤层厚度。
在本发明的一个实施例中，通过高低频测深值之间的差值对淤泥或土壤层厚度进行测量时，低频声信号相较干高频声信号而言，可以更好地穿透水底的沉积物质，而水底沉积物的存在会导致低频回声测深值与高频回声测深值存在差异，在低频阻抗物质及高频阻抗物质界面处，声波所产生的反射是不同的，高频信号主要可在柔软界面上出现反射，低频信号主要可以在坚硬界面上产生反射。低频信号相较干高频信号更加具有穿透力，低频回声可以测得更深的水深，可以通过高低频会生测深值之间的差值来对水底沉积物的厚度加以测量。双频回声测深仪的应用，可以采用高频通道对较浅界面进行探测，采用低频通道对较深界面进行探测。通过分析双频回声测深仪的探测结果，可以得出有价值的水底地形及沉积物信息。在实际的双频测量淤泥时，还可以将水底的淤泥层划分为若干薄层，将每个淤泥薄层的内部声阳抗与声衰减系数作为常数，忽略淤泥层内部声速中较小的变化值，将垂直方向的声阻抗变化，视为由水底淤泥变化所导致的。实际上，淤泥重度与深度的分布情况下，声反射一般只能够发生在淤泥层上层界面及下层界面及淤泥层中拐点位置，因此可采用双频测深仪测量淤泥深度。
本发明在高标准农田建设等领域，一次航飞可获得地面三维坐标数据、地面影像数据、沟渠中淤泥深度数据、土地整理淤泥深度数据、新建道路需换填深度数据、以及土壤层厚度数据，避免人工再次重复测量，提高测量效率。
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发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器，其特征在于，所述仪器包括激光雷达测量模块（1）、飞行平台（2）、摄影测量模块（3）、双频测深仪测量模块（4）和操控手柄（5），所述激光雷达测量模块（1）置于飞行平台（2）上方，所述摄影测量模块（3）置于飞行平台（2）下方，所述双频测深仪测量模块（4）置于飞行平台（2）下方且与飞行平台（2）垂直，所述激光雷达测量模块（1）用于测量地面三维坐标数据，所述飞行平台（2）作为激光雷达测量模块（1）、摄影测量模块（3）和双频测深仪测量模块（4）的载体，在操控手柄（5）的屏幕地图上显示，所述摄影测量模块（3）用于拍摄站点照片，实时在操控手柄（5）中显示，所述双频测深仪测量模块（4）用于测量淤泥或土壤层点位坐标和深度。
2.根据权利要求1所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器，其特征在于，所述激光雷达测量模块（1）内置测绘相机、GNSS定位单元和INS惯导系统。
3.根据权利要求1所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器，其特征在于，所述摄影测量模块（3）内置测绘相机和GNSS定位单元。
4.根据权利要求1所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的仪器，其特征在于，所述双频测深仪测量模块（4）内置GNSS定位单元和换能器。
5.一种基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：将操控手柄与飞行平台进行网络连接，并在操控手柄中完成项目新建和项目设置；
S2：根据测量范围，在操控手柄中规划测量航线；
S3：利用激光雷达测量模块根据测量航线获得地面点三维坐标数据；
S4：利用双频测深仪测量模块根据测量航线测量淤泥或土壤层点位数据，并通过高低频测深值之间的差值对淤泥或土壤层厚度进行测量。
6.根据权利要求5所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，其特征在于，所述S2中规划测量航线包括以下公式：
其中，为航线旁向间距，/>为相片高度，/>为摄影比例尺，/>为旁向重叠度。
7.根据权利要求5所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，其特征在于，所述S3中获得地面三维数据包括以下分步骤：
S3-1：利用激光雷达测量模块发射出脉冲激光打到地面点上，根据接收脉冲激光的部分反射光波的接收器获得地面点到激光雷达测量模块中心点的距离；
S3-2：结合激光雷达测量模块的高度、激光扫描角度、从GNSS定位单元获得的激光雷达测量模块中心点的三维坐标以及从INS惯导系统获得的激光脉冲的竖直扫描角和水平扫描角，计算出每一个地面光斑的坐标，通过脉冲激光不断扫描目标物获得地面点三维坐标数据；
S3-3：完成当前站点照片拍摄，用于后期处理打在地面点上的错误高程点。
8.根据权利要求7所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，其特征在于，所述S3-1中地面点到激光雷达测量模块中心点的距离公式如下：
其中，为激光光波从发射到接收时间间隔，/>为光速。
9.根据权利要求7所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，其特征在于，所述S3-2中每一个地面光斑的坐标公式如下：
其中，为激光雷达测量模块中心点的三维坐标，/>地面点到激光雷达测量模块中心点的距离，/>为激光脉冲的竖直扫描角，/>为激光脉冲的水平扫描角。
10.根据权利要求5所述的基于机载双频测深仪测量淤泥深度的方法，其特征在于，所述S4中包括以下公式：
其中，为淤泥或土壤层对应点深度，/>为光速，/>为高频发射与接收时间间隔，/>为低频发射与接收时间间隔。
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水下淤泥厚度检测方法探讨;徐亮 等;《珠江水运》;全文 *

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