适用于岛礁区浅水海底地貌测绘的集成式数据采集系统

1.本实用新型涉及海底测绘技术领域，具体涉及一种适用于岛礁区浅水海底地貌测绘的集成式数据采集系统。


背景技术：

2.目前海底测绘领域对于岛礁区浅水测绘的调查技术主要有卫星遥感水深反演、声呐水深测量、无人艇测绘和水下地貌摄像等。利用光学卫星遥感数据基于机器学习算法可以实现对岛礁区浅水地形地貌的反演，从而实现对岛礁区浅水地形的测绘，是近年来航天科技、遥感技术和计算机领域多学科融合发展而来的新型测绘技术。但是卫星遥感反演水深需要在测绘区首先积累大量的水深实测数据，然后将测量结果与同时段的卫星遥感数据的光谱进行耦合对比，形成一套适用于小区域的反演算法。这样的方法显然是不适合对未知浅水区进行首次海底测绘的，而且由于卫星遥感光谱数据还受到水色、温度、表层悬浮物质以及季节变化的影响，使得这种方法的应用性非常局限。声呐水深测量时海底测绘一直以来的传统技术手段，但是它仅仅能够记录海底水深这一单一海底地貌元素，无法反应海底的真实地貌形态和影像可视化信息。近年来，随着装备制造业的发展，无人艇测绘技术应运而生，能够实现对小区域海底地形的自主测绘。但是无人测绘艇的造价极高、续航能力较差、抗风浪强度弱，使得其难以胜任岛礁浅水区破浪带复杂海况的测绘任务。其次，无人艇测绘只能按照预定航线进行自主航行，如遇突发状况无法进行自主决断，很可能造成设备和仪器的损失。水下地貌摄像是刻画海底地形地貌的可视化关键技术，随着高清摄像设备和水下照明系统的集成式发展，使得海底测绘行业可以进一步提升对海底地貌和底质等信息的获取。但是水下地貌摄像数据的采集过程中往往无法确定其坐标位置信息，很难将海底地貌影像与水深测量结果进行良好的匹配。以上技术都无法满足我国岛礁区浅水测绘任务繁重、海况复杂和资源受限的现实困难和任务需求。
3.因此，极其需要一套物美价廉、机动性高、巡航时间长的，可以实现海底水深和地貌影像数据同步采集且采用统一授时和坐标系统的集成式海底地貌数据采集系统。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本实用新型提供一种适用于岛礁区浅水海底地貌测绘的集成式数据采集系统，用于解决传统岛礁区海底水深测量与地貌影像数据难以同步采集和数据坐标位置系统匹配的难题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供一种适用于岛礁区浅水海底地貌测绘的集成式数据采集系统，其包括：
6.测绘小艇，其用于搭载多源测绘设备和测绘工作人员；
7.导航定位接收器，其设置于所述测绘小艇上，用于接收卫星信号以获取定位和时钟数据；
8.测深仪和海底测绘摄像机，其均与所述测绘小艇连接且所述测深仪和海底测绘摄
像机分别用于采集海底水深和地貌影像数据，其中，所述海底水深和地貌影像数据均使用所述定位和时钟数据。
9.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，所述导航定位接收器架设在所述测绘小艇的前部空间。
10.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，所述测绘小艇的前部空间为敞开式设置，所述导航定位接收器架设在不低于所述测绘小艇的甲板的水平面1.5米高度处。
11.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，所述定位和时钟数据包括坐标定位、准确时间和航线信息。
12.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，所述测深仪通过带转轴的竖杆架设在小艇侧翼，所述测深仪在工作时可下放至海平面以下0.25米处。
13.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，还包括上位机，所述上位机置于所述测绘小艇的中部工作台上，用于对测绘数据的实时质量监控。
14.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，还包括通讯线缆转轴，所述通讯线缆转轴置于所述测绘小艇的中后部的侧翼，所述通讯线缆转轴上绕设有通讯线缆，其用于动态调整海底测绘摄像机距离海底的高度。
15.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，所述海底测绘摄像机与所述通讯线缆连接，所述海底测绘摄像机可沿着小艇侧翼垂直沉放至距海底2米以上的深度。
16.如上所述的集成式数据采集系统，进一步地，还包括发电机，所述发电机置于所述测绘小艇的尾部，用于为测绘设备进行供电保障。
17.本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：
18.本实用新型通过集成海底测深与海底地貌影像拍摄设备，在导航定位的时间和坐标约束下，对岛礁浅水区海底地形地貌多参数进行同步采集，使得测深地形和海底地貌影像可以进行耦合对应，为揭示岛礁浅水区海底地形地貌的立体特征和形成我国主权岛礁的可视化智慧管控提供数据采集技术支撑。
19.本实用新型的测绘采集系统在使用时采用三人工作制，测绘系统由主测绘员全权控制，实时监测导航定位、水深测量和海底影像采集的数据质量情况，并根据实时水深测量结果指导驾驶员调整航线，指挥副测绘员动态调整海底测绘摄像机距离海底的位置，最大限度保证测绘设备的安全和数据的高质量采集。
20.本实用新型的测绘系统使用统一授时和统一坐标，设备在安装完成后便设置好时间和定位坐标矫正，减少数据在后期处理过程中的时空矫正工作量，实现海底地形地貌结果的高效输出。
21.本实用新型的自持能力强，可以胜任大区域的测量工作，且该系统移植性较强，在完成单个区域的监测任务后，可以重复使用用于对其他岛礁区和大陆近岸浅水地形地貌的测绘工作。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其
他的附图。
23.图1为适用于岛礁区浅水海底地貌测绘的集成式数据采集系统示意图。
24.附图标记说明：
25.1、海底；2、海面；3、测绘小艇；4、导航定位接收器；5、单波束测深仪；6、操舵方向盘；7、驾驶员座位；8、户外笔记本电脑；9、主测绘员座位；10、通讯线缆转轴；11、海底测绘摄像机；12、副测绘员座位；13、便携式发电机；14、小艇动力驱动系统。
具体实施方式
26.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
27.实施例：
28.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本实用新型实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
30.在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，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。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实用新型中的具体含义。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.参见图1，本实用新型提供一种适用于岛礁区浅水海底地貌测绘的集成式数据采集系统，用于解决传统岛礁区海底水深测量与地貌影像数据难以同步采集和数据坐标位置系统匹配的难题。
33.本实用新型包括：
34.·
测绘小艇3，集成式采集系统的搭载平台，用于搭载多源测绘设备和测绘工作人员。
35.·
导航定位接收器4，架设在小艇前段顶部空间开放部位不低于1.5米高度处，用于接收卫星信号，获取采集数据的坐标定位、准确时间和航线信息。
36.·
测深仪，利用带转轴的竖杆架设在小艇侧翼，测深仪探头完全沉没海面2以下0.25米处。
37.·
笔记本电脑，置于小艇中部工作台上，用于对测绘数据的实时质量监控。
38.·
通讯线缆转轴10，置于小艇中后部侧翼，用于动态调整海底测绘摄像机距离海底1的高度。
39.·
海底测绘摄像机，利用韧性通讯线缆沿着小艇侧翼垂直沉放至距海底12米以上高度。
40.·
发电机，置于小艇尾部杂物堆放区，为测绘设备进行供电保障。
41.所述导航定位接收器4、测深仪和海底测绘摄像机需根据在小艇上的实际安装位置进行定位坐标矫正；所述导航定位接收器4、测深仪、笔记本电脑和海底测绘摄像机均使用导航定位接收器4实时接收的标准时间进行时间校准；所述导航定位接收器4、测深仪和海底测绘摄像机的工作指令和数据采集状态由笔记本电脑统一操作和监测；所述测绘小艇3包含高速动力驱动系统、前挡风挡浪围窗、油箱仓和防水储物仓；所述导航定位接收器4包括北斗rtk移动站探头一枚(开通cors服务)、智能手簿一台和伸缩式架杆一支；所述测深仪为单波束测深仪5，包括单波束激发接收换能器探头一枚、连接水密电缆一套水深记录仪一台；所述笔记本电脑为户外笔记本电脑8，包括内置电池、usb通讯接口、内置测绘数据采集软件和工业级防水防尘外壳；所述通讯线缆转轴10为可显示释放线缆长度的移动式转轴；所述海底测绘摄像机包括4k高清摄像头1台、led高光探照灯两台、外置防撞高透明防水壳一套，通讯电缆连接口一个；所述发电机为便携式汽油发电机，包括火花塞动力发电系统、汽油燃料仓、空气进气口、变频控制面板和电源输出插座。
42.本实施例的一种适用于岛礁区浅水海底1地貌测绘的集成式数据采集系统，主要分为定位设备部分、测绘设备部分和保障设备部分。定位设备部分包含一个导航定位接收器4；测绘设备部分包含一个单波束测深仪5，一个海底测绘摄像机和一个户外笔记本电脑8；保障设备部分包括一个测绘小艇3、一个通讯线缆转轴10和一个便携式发电机13。
43.集成式数据采集系统在使用过程中需要配备三名工作人员，分别是主测绘员(测绘主要负责人)、副测绘员和小艇驾驶员，登船人员在作业时需要佩戴海上救生和安全防护装备。该使用新型系统在搭建时首先是要确保测绘艇工作状态良好、油舱油量充足能够完全覆盖测绘任务需求，小艇海上救生、消防和简易医疗设备齐全。便携式发电机13油料充足，并做好防爆防水防火等安全处理。
44.本实用新型集成式测绘系统首先要打开便携式发电机13为所有设备供电。然后安装定位设备，确保采集数据时间和位置的准确性，定位接收器在安装完成后要确保cors搜星功能正常，定位服务开始运行，定位接收器与手簿通讯畅通。随后在小艇侧翼安装带转轴的竖杆，将单波束测深仪5换能器探头固定在竖杆的尾部，并利用水密电缆将探头与小艇操作台上的水深记录仪连接。然后旋转竖杆将换能器探头沉没于水面以下0.25米处的位置，
利用笔记本电脑对水深通过电脑唤醒换能器开始工作，主测绘员通过笔记本电脑检查换能器工作装态和当前水深。在确保单波束测深系统正常运行后，主测绘员通知副测绘员布防海底测绘摄像机，副测绘员通过控制讯线缆转轴将水下摄影机沉放到距离海底12米的高度。到达后，主测绘员通过笔记本电脑控制水下摄影机打开led照明系统，摄像机开始记录并回传影像数据。主测绘员在检查所有定位和测绘设备工作正常后，输入单波束系统和海底摄影机的坐标矫正参数，并进行统一授时，随后驾驶员可以按照作业计划开始操作小艇航行开始测绘工作，测绘时航速应控制在2节以内。在测绘工作中，主测绘员要实时监测测深数据并及时告知副测绘员，命令其根据水深变化调整通讯缆的释放长度以保证海底1摄像机始终距离海底12米以上，确保摄影机的安全。所有的导航和测绘数据将存在主测绘员的笔记本电脑中，方便后续导出进行数据处理和解释。
45.测绘小艇3可商购获得，小艇长度应不短于5米，宽度不窄于1.8米，高度(艇深)不低于0.8米，载重不低于1000公斤，满载吃水不超过0.3米，小艇搭载的动力驱动系统应不低于60匹马力，并装备前挡风挡浪围窗、油箱仓和防水储物仓等基础功能模块；测绘小艇3上设有操舵方向盘6、驾驶员座位7、主测绘员座位9、副测绘员座位12以及小艇动力驱动系统14。
46.导航定位接收器4可商够获得，包括北斗rtk移动站探头一枚、智能手簿一台和伸缩式架杆一支。其中北斗rtk移动站探头应开通cors服务，具备数据链、网络发射和接收功能，工作频率在410-470mhz中，遵循rtk工作协议，水平坐标方向误差在2厘米以内，工作功率不超过2w，探头重量不超过1.2公斤，单电池供电4小时以上。智能手簿的电池容量不低于5000毫安时，续航12小时以上，屏幕尺寸不小于4英寸，分辨率高于720*1280，支持usb、wi-fi和蓝牙数据通讯传输。伸缩式架杆伸缩长度不断于2米，并配备气泡水平仪。
47.单波束测深仪5可商够获得，包括单波束激发接收换能器探头一枚、连接水密电缆一套和水深记录仪一台。其中换能器探头重量不超过5公斤，功耗不超过25w，测深分辨率不低于0.1米，工作频率20-200khz之间，测量水深0.5-200米之间。连接电缆为水密通讯电缆，长度不断于5米。水深记录仪内嵌操作系统，屏幕尺寸不小于8英寸，可显示水深数据，并内置不小于8g的固态硬盘，搭载usb接口可倒入和输出数据。
48.笔记本电脑可商够获得，包括内置电池、usb通讯接口、内置测绘数据采集软件和工业级防水防尘外壳。笔记本电脑应装备英特尔酷睿i5以上处理器，13寸以上电阻式触摸显示屏，装备不低于16g的内存和不小于1tb的固态硬盘。内置锂离子电池容量不低于8000毫安时，续航6小时以上。笔记本电脑内置arcgis,caris hips and sips等测绘软件，装配usb通讯接口不少于4个，装配无线电天线接口以便连接通讯缆，笔记本电难需支持usb、wi-fi和蓝牙数据通讯传输，方便与导航定位接收器4进行数据和指令通讯。笔记本电脑外壳达到工业级防水防震防盐雾和防尘效果，适应宽温度工作环境。
49.通讯线缆转轴10可商够获得，转轴采用一体式轴盘支架并装有固定拉杆，能收纳不断于100米的通讯电缆，转轴带有防线长度显示窗，侧方配有旋转把手和紧急制动把手。
50.海底测绘摄像机可商够获得，包括4k高清摄像头1台、led高光探照灯两台、外置防撞高透明防水壳一套，通讯电缆连接口一个。其中摄像头的分辨率达到3840*2160，160度广角视野，4倍光学变焦，垂直俯仰角度范围大于正负45度。led高光探照灯照射亮度不低于10000lm，外置整机防撞高透明防水壳一套，耐压作业最大水深不浅于100米。摄像机通过通
讯电缆将通讯连接口与笔记本电脑连接进行数据传输和供电。
51.便携式汽油发电机可商够获得，包括火花塞动力发电系统、汽油燃料仓、空气进气口、变频控制面板和电源输出插座。其中火花塞动力发电系统采用四冲程顶制气门系统，汽油燃料仓容量不小于5l，额定输出功率不低于2.5kw，可同时满足24v和220v两种变频电压输出，排气量不低于120ml，满功率下单次工作时间不低于6小时，发电机自身重量不超过30公斤。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
53.上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。