CN116720029B - 一种基于无人船测断面表面流速的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人船测断面表面流速的计算方法，该方法的具体步骤如下：将无人船每个采样点的经纬度坐标转换为平面坐标，计算与断面左岸的距离，即起点距；往测时，起点距用qdjw0表示，船向方位角用baw0表示，航向方位角用haw0表示，航向速度用hsw0表示；返测时，起点距用qdjf0表示，船向方位角用baf0表示，航向方位角用haf0表示，航向速度用hsf0表示；由于无人船的航向速度是人为设置，所以将实际航向速度hsw0、hsf0与设置值之差在[‑0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差。
Description
技术领域
本发明涉及流速计算方法技术领域，具体为一种基于无人船测断面表面流速的计算方法。
背景技术
水文工作是经济社会发展的基础性事业，是保障水安全、解决水资源、水生态、水环境和水灾害新老水问题的重要支撑。随着全球气候的变化，水灾害频发如何强化预警预报预演预案“四预”能力，提供更快速更安全更准确的水文监测预报预警信息，是需要迫切解决的关键问题。目前，流量测验多使用声学多普勒流速剖面仪(Acoust ic DopplerCurrent Profi ler，简称ADCP)，该设备搭载在橡皮艇或无人船上进行流速测量，通过声波换能器发射出一定频率的声波脉冲来确定水体流速，同时测量断面流速剖面。通过ADCP测量断面流速的方式造价高，仅能完成断面测流，且在含沙量较高时，无法测量。也有通过无人机挂载雷达流速仪、多镜头相机等设备进行流速测量，断面测量点密度稀疏，测量精度不够准确。此外还有基于视频图像获取表面流速的断面流量计算方法，虽然成本较低，但是测量精度不佳，对于大范围的河面，镜头畸变对测量精度的影响较大。
如今无人船广泛应用于河道测验工作中，基于无人船测量断面表面流速的方法，既能得到河道测验的相关数据，也能得到断面的表面流速。截至目前尚未有基于无人船测断面表面流速的计算方法，因此本发明具有重要的研究意义与应用价值。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足之处，提供一种基于无人船的断面表面流速计算方法，利用无人船沿断面测量的数据，基于数学机理与物理原理进行断面表面流速的计算。
本发明是这样实现的：一种基于无人船测断面表面流速的计算方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
S1：将无人船每个采样点的经纬度坐标转换为平面坐标，计算与断面左岸的距离，即起点距；往测的航向沿断面方向，返测的航向沿断面反方向；往测时，起点距用qdjw0表示，船向方位角用baw0表示，航向方位角用haw0表示，航向速度用hsw0表示；返测时，起点距用qdjf0表示，船向方位角用baf0表示，航向方位角用haf0表示，航向速度用hsf0表示。
S2：将实际的航向速度hsw0、hsf0与设置值之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差；将航向方位角haw0、haf0与断面方位角DM之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差，按照上述设置进行粗差剔除；
S3：设置新的采样间隔s，断面总长为L，有n个采样点，其中n＝[L/s]+1；标准化后的往测起点距为qdjw2，返测起点距为qdjf2，每个采样区间中往返测的船向方位角、航向方位角、航向速度取均值作为标准化的结果，并按往返测起点距排序；标准化后，取往测、返测起点距的交集，并一一对应取出船向方位角、航向方位角、航向速度，记往测的起点距为qdjw，船向方位角为baw，航向方位角为haw，航向速度为hsw；返测起点距为qdjf，船向方位角为baf，航向方位角为haf，航向速度为hsf，其中qdjw＝qdjf；
S4：设往测航向速度hsw等于返测航向速度hsf，且往返测的航向方位角haw、haf与断面方位角DM相等；设断面的表面流速vs，水流方位角为va，水流在断面方向的分量为dx，水流在垂直断面方向的分量为dy，往测时船向速度为bsw，返测时船向速度为bsf；得到断面方向、与垂直断面方向的方程组：
通过求解上述方程组，可求得dx、dy、bsw、bsf、vs；从而得到，断面的表面流速vs。
进一步的，所述步骤S2中，进行粗差剔除后得到剔除粗差后的往测的起点距qdjw1，船向方位角baw1，航向方位角haw1，航向速度hsw1；返测的起点距qdjf1，船向方位角baf1，航向方位角haf1，航向速度hsf1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该方法相比于ADCP，无人船造价相对较低，能够节省成本，在断面线上采集高密度的垂线水深数据的同时，通过利用断面往返测的方式能够计算断面表面流速。在应急测验时，河流流速与含沙量较大，ADCP无法完成测量，可以利用该方法作为流速测量的补充方法，通过一定的系数，能推算断面流量。
2、无人船沿断面进行测量时，可人为的设置航向速度、采样间隔等，将断面左岸、右岸的坐标输入后，无人船便可沿断面线自主地进行测量；通过往返两次观测，利用每个采样点的经纬度、水深、航向速度、航向方位角、船向速度、船向方位角便可计算出该点的表面流速。
附图说明
图1是本发明无人船往返测物理及数学关系图
图2是本发明往测航速误差统计分析图；
图3是本发明返测航速误差统计分析图；
图4是本发明往测航向角误差分析图；
图5是本发明返测航向角误差分析图。
具体实施方式：
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和具体实施例，做进一步的说明：
实施例1
一种基于无人船测断面表面流速的计算方法，该方法的具体步骤如下：
S1：将无人船每个采样点的经纬度坐标转换为平面坐标，计算与断面左岸的距离，即起点距；往测的航向沿断面方向，返测的航向沿断面反方向；往测时，起点距用qdjw0表示，船向方位角用baw0表示，航向方位角用haw0表示，航向速度用hsw0表示；返测时，起点距用qdjf0表示，船向方位角用baf0表示，航向方位角用haf0表示，航向速度用hsf0表示；
S2：由于无人船的航向速度是人为设置，所以将实际的航向速度hsw0、hsf0与设置值之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差；此外，理论上无人船的轨迹是沿着断面线行进，故将航向方位角haw0、haf0与断面方位角DM之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差；按照此规则进行粗差剔除，得到剔除粗差后的往测的起点距qdjw1，船向方位角baw1，航向方位角haw1，航向速度hsw1；返测的起点距qdjf1，船向方位角baf1，航向方位角haf1，航向速度hsf1；
S3：为了使往测与返测的起点距一一对应，需要对往测数据以及返测数据进行标准化；设置新的采样间隔s，若断面总长为L，则有n个采样点，其中n＝[L/s]+1；那么，标准化后的往测起点距为qdjw2，返测起点距为qdjf2，每个采样区间中往返测的船向方位角、航向方位角、航向速度取均值作为标准化的结果，并按往返测起点距排序；标准化后，取往测、返测起点距的交集，并一一对应取出船向方位角、航向方位角、航向速度，记往测的起点距为qdjw，船向方位角为baw，航向方位角为haw，航向速度为hsw；返测起点距为qdjf，船向方位角为baf，航向方位角为haf，航向速度为hsf，其中qdjw＝qdjf；
S4：假设往测航向速度hsw等于返测航向速度hsf，且往返测的航向方位角haw、haf与断面方位角DM相等；设断面的表面流速vs，水流方位角为va，水流在断面方向的分量为dx，水流在垂直断面方向的分量为dy，往测时船向速度为bsw，返测时船向速度为bsf；根据图1所示的物理及数学原理，那么得到断面方向、与垂直断面方向的方程组：
通过求解上述方程组，可求得dx、dy、bsw、bsf、vs；从而得到，断面的表面流速vs；
实施例2
一种基于无人船测断面表面流速的计算方法，该方法的具体步骤如下：
S1：将无人船每个采样点的经纬度坐标转换为平面坐标，计算与断面左岸的距离，即起点距；往测的航向沿断面方向，返测的航向沿断面反方向；往测时，起点距用qdjw0表示，船向方位角用baw0表示，航向方位角用haw0表示，航向速度用hsw0表示；返测时，起点距用qdjf0表示，船向方位角用baf0表示，航向方位角用haf0表示，航向速度用hsf0表示；
S2：由于无人船的航向速度是人为设置，所以将实际的航向速度hsw0、hsf0与设置值之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差；此外，理论上无人船的轨迹是沿着断面线行进，故将航向方位角haw0、haf0与断面方位角DM之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差；按照此规则进行粗差剔除，得到剔除粗差后的往测的起点距qdjw1，船向方位角baw1，航向方位角haw1，航向速度hsw1；返测的起点距qdjf1，船向方位角baf1，航向方位角haf1，航向速度hsf1；
S3：为了使往测与返测的起点距一一对应，需要对往测数据以及返测数据进行标准化；设置新的采样间隔s，若断面总长为L，则有n个采样点，其中n＝[L/s]+1；那么，标准化后的往测起点距为qdjw2，返测起点距为qdjf2，每个采样区间中往返测的船向方位角、航向方位角、航向速度取均值作为标准化的结果，并按往返测起点距排序；标准化后，取往测、返测起点距的交集，并一一对应取出船向方位角、航向方位角、航向速度，记往测的起点距为qdjw，船向方位角为baw，航向方位角为haw，航向速度为hsw；返测起点距为qdjf，船向方位角为baf，航向方位角为haf，航向速度为hsf，其中qdjw＝qdjf；
S4：假设往测航向速度hsw等于返测航向速度hsf，且往返测的航向方位角haw、haf与断面方位角DM相等；设断面的表面流速vs，水流方位角为va，水流在断面方向的分量为dx，水流在垂直断面方向的分量为dy，往测时船向速度为bsw，返测时船向速度为bsf；根据图1所示的物理及数学原理，那么得到断面方向、与垂直断面方向的方程组：
通过求解上述方程组，可求得dx、dy、bsw、bsf、vs；从而得到，断面的表面流速vs；
S5：实验验证所述步骤S4中的假设，通过在黄河某一断面的实验，将往测、返测的航速与无人船设定的2m/s速度进行误差分析统计，得到图2，图3；从图中可以看出，往测、返测的航速与设定的2m/s速度差值服从正态分布，且误差集中分布在0附近，可认为在一定误差范围内，往测航向速度与返测航向速度相等；将往测航向角与断面方位角进行误差分析统计，得到图4；返测航向角与断面反方向进行误差分析，得到图5；从图中可以看出，往测、返测的航向角与断面方位角的误差有服从正态分布，且误差集中分布在0附近，故在一定误差范围内，可认为往测的航向沿断面方向，返测的航向沿断面反方向。
以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于无人船测断面表面流速的计算方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
S1：将无人船每个采样点的经纬度坐标转换为平面坐标，计算与断面左岸的距离，即起点距；往测的航向沿断面方向，返测的航向沿断面反方向；往测时，起点距用qdjw0表示，船向方位角用baw0表示，航向方位角用haw0表示，航向速度用hsw0表示；返测时，起点距用qdjf0表示，船向方位角用baf0表示，航向方位角用haf0表示，航向速度用hsf0表示；
S2：将实际的航向速度hsw0、hsf0与设置值之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差；将航向方位角haw0、haf0与断面方位角DM之差在[-0.1，0.1]的视为正常值，否则视为粗差，按照上述设置进行粗差剔除；
S3：设置新的采样间隔s，断面总长为L，有n个采样点，其中n＝[L/s]+1；标准化后的往测起点距为qdjw2，返测起点距为qdjf2，/> 每个采样区间中往返测的船向方位角、航向方位角、航向速度取均值作为标准化的结果，并按往返测起点距排序；标准化后，取往测、返测起点距的交集，并一一对应取出船向方位角、航向方位角、航向速度，记往测的起点距为qdjw，船向方位角为baw，航向方位角为haw，航向速度为hsw；返测起点距为qdjf，船向方位角为baf，航向方位角为haf，航向速度为hsf，其中qdjw＝qdjf；
S4：设往测航向速度hsw等于返测航向速度hsf，且往返测的航向方位角haw、haf与断面方位角DM相等；设断面的表面流速vs，水流方位角为va，水流在断面方向的分量为dx，水流在垂直断面方向的分量为dy，往测时船向速度为bsw，返测时船向速度为bsf；得到断面方向与垂直断面方向的方程组：
通过求解上述方程组，可求得dx、dy、bsw、bsf、vs；从而得到断面的表面流速vs。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人船测断面表面流速的计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行粗差剔除后得到剔除粗差后的往测的起点距qdjw1，船向方位角baw1，航向方位角haw1，航向速度hsw1；返测的起点距qdjf1，船向方位角baf1，航向方位角haf1，航向速度hsf1。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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