专利名称：运用地效应飞行器进行河道测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种河道测量技术，特别是涉及一种以地效应飞行器为测量平台，结合使用航拍相机、RTK测量装置、多波束测深仪及流速剖面仪进行河道测量的河道测量方法。
背景技术：
按我国《水道观测规范》，河道测量分为水上地形测量、水下地形测量以及河道各点水流流速测量。水上地形测量需测量河道两岸边沿堤坝、土坡的平面位置及高度。水下地形测量需对河床地理分布及水文环境进行测量，并利用测量数据绘制水下地形图，在图中还需标示出河道各断面最深点连线，即深泓线和河道各断面水流流速最快点连线，即中泓线。河道深泓线通过连接各河道断面中最深点得到；而河道中泓线的绘制，则要依据河道各断面水流流速的测量数据，找出河道各断面流速最大点。传统河道测量方法分为两种人工测量及船舶搭载多波束测深仪进行测量。人工测量首先需选取河道测量横断面，再在河道横断面平均选定断面点，人到达断面点用测深杆或测深锤测量该处河道深度。该方法耗费人力多且效率低下。而船舶搭载多波束测深仪测量虽自动化程度高，但其使用经济费用高，且在河道边沿及浅水河道进行测量时存在搁浅的危险。
发明内容
本发明就是针对上述传统河道测量方法存在的问题，提供一种以地效应飞行器为测量平台，结合使用航拍相机、RTK测量装置、多波束测深仪及流速剖面仪进行河道测量的河道测量方法，其目的在于运用本方法进行河道测量工作时，只需运用较少的人力资源及有限的人工操作，并且测量成本低于传统测量方法，适用范围较传统测量方法广泛。本发明的目的是这样实现的首先用地效应飞行器搭载航拍相机进行航空拍摄； 运用拍摄所得河道位置信息对地效应飞行器测量轨迹进行规划；运用地效应飞行器搭载多波束测深仪、RTK测量装置及流速剖面仪进行河道水下地形测量；对航拍所得数据、多波束测深仪测量数据及流速剖面仪测量数据进行处理，得到河道水上水下地形的三维图像、河道深泓线及中泓线；其具体方法如下(I)航拍控制点布设首先从待测河道的卫星地图上获取河道的粗略地理位置及地形信息，对航拍过程进行规划；将航拍河道进行分段，使每一段河道被正向航带及反向航带两条航带所覆盖； 在正向航带的起点、中点及终点分别布设控制点A、B、C,在反向航带的起点、中点及终点分别布设控制点D、E、F;地面控制点布设完成后，运用RTK测量装置测量所布控制点在WGS-84坐标系内的平面坐标及高程；(2)地效应飞行器航行路线布设
运用地效应飞行器进行航拍任务，其正向航行地效应飞行器及反向航行地效应飞行器所拍摄照片组成立体相对，立体相对旁向重叠度取为50% 60% ;该立体相对应覆盖待测河道横断面的河面宽度及河岸上的地面控制点，调整地效应飞行器飞行高度以达到此目的；根据航拍摄影范围及单幅相片尺寸选取航拍比例尺，记所选比例尺为I : m，则地效应飞行器飞行高度为H = f Xm式中m为比例尺分母，f为航拍摄影机主距；地效应飞行器于正向航带及反向航带中作往返飞行，地效应飞行器飞行轨迹为从正向航带起点处控制点A平面坐标飞往终点处控制点C平面坐标；返航轨迹为由反向航带起点处控制点D平面坐标飞往终点处控制点F平面坐标；则地效应飞行器航行轨迹表示为(X1, Y1, H) — (x2, J2, H) — (x3, y3, H) — (x4, y4, H)
式中(Xpy1)为正向航带起点处控制点A的平面坐标，(x2,y2)为正向航带终点处控制点C的平面坐标，(x3, y3)为反向航带起点处控制点D平面坐标，(x4, y4)为反向航带终点处控制点F的平面坐标，H为地效应飞行器飞行高程；(3)地效应飞行器飞行控制地效应飞行器控制器对地效应飞行器进行航向及航行速度控制；航向控制于地面站输入地效应飞行器飞行路径，即前向路径瓦及返航路径丽，则地效应飞行器预定航迹上每一点坐标通过计算求得；地效应飞行器上搭载RTK测量装置， RTK测量装置实时地给出地效应飞行器的位置信息；通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的航向信息、当前位置与预定轨迹偏差信息、速度信息；地效应飞行器控制系统根据位置偏差及航向偏差对地效应飞行器舵机进行控制，纠正地效应飞行器航向使地效应飞行器按预定航迹飞行，且与预定航迹的位置误差保持在一定范围内；地效应飞行器与预定轨迹存在偏差时拍摄所得图像，通过对航拍相片内控制点坐标和控制点平面坐标及高程相对比，进而进行修正，使由位置偏差及姿态偏差引入的拍摄误差得到有效的补偿；速度控制地效应飞行器控制系统控制地效应飞行器按恒定速度飞行；控制系统通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的速度信息；通过与预定恒定速度进行比较，求得当前地效应飞行器速度与预定速度的差值；控制器根据速度差值对地效应飞行器螺旋桨进行控制，使地效应飞行器按恒定速度飞行；进而得到航拍相机快门曝光时间间隔为t = lxXm/[ (l-px% ) υ ]式中t为航拍像机快门曝光时间间隔，Ix为航拍相片相幅边长，m为航拍比例尺分母，Px%为航拍航向重叠度，U为地效应飞行器飞行速度；(4)航空拍摄及航拍图像处理航拍过程中航拍相机固定于相机稳定云台；相机稳定云台始终保持航拍相机摄影方向与大地水平面垂直；地效应飞行器航拍任务完成后，对航拍所得图像进行图像合成、 解算及误差补偿处理，得到1、拍摄河道上每一点的平面坐标及河道表面地形图；2、通过对航拍相片中立体相对的解算，得到河道两侧土坎、堤坝等建筑物上各点的平面坐标及高程;(5)地效应飞行器测量路径布设将得到的待测河道表面地形图及河道位置信息导入地效应飞行器地面站中进行测量路径布设；在地面站待测河道表面地形图中运用一组折线对河道沿岸进行逼近，该组折线即为地效应飞行器测量航迹；多波束测深仪向水中发射测深波束，该波束声波扇面角固定，多波束测深仪测深时向水中发射的声波，声波扇面在河床上形成痕迹的总宽度为L = 2h X tan ( θ /2)式中L为声波扇面在河床上痕迹的宽度，h为河道水深，Θ为多波束测深仪发射声波扇面角；由上式知，L与h成正比，布设地效应飞行器测量路径时应先估算河道各点深度，布设路径应由两岸至河流中心逐渐稀疏；、(6)河道水下地形测量及水流流速测量控制系统控制地效应飞行器在待测河道表面按测量路径航行，其控制过程与步骤
(3)相同；多波束测深仪的换能器与地效应飞行器进行固连；多波束测深仪换能器声波发射阵平行于地效应飞行器艏艉线布设，声波接收阵则垂直于地效应飞行器艏艉线布设；换能器发射阵呈两侧对称，向正下方发射沿船纵向2° X沿船横向44°的扇形脉冲声波；换能器接收阵在束控方向上接收方式与发射阵正好相反，以沿船纵向20° X沿船横向2°的16 个接收波束角接收来自水底照射扇区的回波；接收指向性和发射指向性叠加后，形成沿船横向、两侧对称的16个2° X2°的波束，该波束于河道底部对应区域即为波束脚印16 ;多波束测深仪记录换能器发射声信号和接收声信号的时间差，则得到换能器与波束脚印间距离S = ct/2式中C为水流中平均声速，t为换能器发射声波与接收声波的时间差，S为波束脚印与换能器间的距离；通过计算得到波束脚印与换能器相对位置；地效应飞行器搭载的 RTK测量装置实时地给出地效应飞行器在WGS-84坐标系中的平面坐标及高程；RTK测量装置天线与地效应飞行器固连，则RTK测量装置接收天线与多波束测深仪换能器相对位置为固定值；通过换算得到任一波束脚印于WGS-84坐标系中的平面位置及高程；多波束测深仪的记录装置记录测得的每一点的平面坐标及高程；流速剖面仪也固定于地效应飞行器船体下方，流速剖面仪探头浸入水中一定深度；流速剖面仪利用声学多普勒效应原理对河流流速进行测量；多普勒效应原理即声源接近时，观察者所检测到的声调比原来的高，声源离开时，声调则比原来的低；流速剖面仪是通过按一定规律排列的4个声波换能器向水体中发射声纳脉冲波，然后接收来自水体中浮游生物、泥沙小颗粒等反散射体的反散射信号，按照反散射信号的多普勒频移计算出流速；(7)数据处理运用多波束测深仪的处理软件对多波束测深仪测量数据进行处理；多波束测深仪测量数据为河床上每一点在WGS-84坐标系中的平面坐标及高程；通过坐标转换，将每一点于WGS-84坐标系中坐标转换为北京54坐标系中坐标；通过每一点的平面坐标及高程，软件绘制出河道水下三维地形图；通过处理航拍图像，得到河道水上建筑物各点平面坐标及高程，绘制河道水上三维地形图；连接河道水下三维地形图中各断面中最深点，得到河道深泓线；将流速剖面仪测量数据与河道地形数据进行匹配，得到河道断面中每一点的流速信息， 连接每一断面中流速最快点，得到河道中泓线。本发明具有适用范围广泛、节约人力资源、测量成本低廉、自动化程度高、河道地形数字化成图的特点。
图I表示地效应飞行器航拍航带控制点布设示意图。图2表示执行航拍任务的地效应飞行器与河道表面相对位置示意图。图3表示地效应飞行器河道水下地形测量路径布设示意图。图4表示用多波束测深仪进行水底地形测量示意图。图5表示运用地效应飞行器进行河道测量的过程示意图。 图中序号说明I···正向航带、2···反向航带、3···控制点A、4···控制点B、5···控制点C、6···控制点D、 7…控制点E、8…控制点F、9…正向航行地效应飞行器、10···反向航行地效应飞行器、11··· 地面控制点、12···待测河道横断面、13···待测河道、14···地效应飞行器测量航迹、15···待测河道表面、16···波束脚印、17···多波束测深仪测深波束、18···地面站、19···航拍相机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。(I)航拍控制点布设首先从待测河道的卫星地图上获取河道的粗略地理位置及地形信息，对航拍过程进行规划。由于河道的带状地形，将航拍河道进行分段，使每一段河道被正向航带I及反向航带2两条航带所覆盖，即地效应飞行器在进行一段河道的测量时，往返飞行一次即可完成拍摄任务。于正向航带I的起点、中点及终点分别布设控制点A3、B4、C5，于反向航带2 的起点、中点及终点分别布设控制点D6、E7、F8。地面控制点布设完成后，运用RTK测量装置测量所布控制点在WGS-84坐标系内的平面坐标及高程。(2)地效应飞行器航行路线布设航空摄影测量使用的航摄相片，要求沿航线飞行方向两相邻相片上对所摄地面有一定的重叠影像，这种重叠影像部分称为航向重叠度。对于区域摄影，即面积航空摄影，要求两相邻航带相片之间也有一定的影像重叠，这种重叠影像部分称为旁向重叠度。相片重叠度是以相幅边长的百分数表示，即航向重叠度Px%= Px/lxX100%(I)旁向重叠度Py%= Py/lyX100%(2)式中、、仁表示相幅的边长；Px、Py表示航向和旁向重叠影像部分的边长。一般情况下，航向重叠度应保持在60% 65%，旁向重叠度应保持在15% 30%。河道测量所需要数据仅为河道及河道两侧的窄带部分，可提高航拍的旁向重叠度。本发明中旁向重叠度取为50% 60%。运用地效应飞行器进行航拍任务时，要保证河道被旁向重叠区域所覆盖，即正向航行地效应飞行器9及反向航行地效应飞行器10所拍摄照片组成立体相对，该立体相对要覆盖待测河道横断面12的河面宽度及河岸上的地面控制点11，调整地效应飞行器飞行高度以达到此目的。记航拍所选比例尺为I : m，则地效应飞行器飞行高度为H = f Xm(3)式中m为比例尺分母，f为航拍摄影机主距。地效应飞行器于正向航带I及反向航带2中作往返飞行，地效应飞行器飞行轨迹为从正向航带I起点处控制点A3平面坐标飞往终点处控制点C5平面坐标；返航轨迹为由反向航带2起点处控制点D6平面坐标飞往终点处控制点F8平面坐标。则地效应飞行器飞行轨迹可表示为(X1, Y1, H) — (x2, J2, H) — (x3, y3, H) — (x4, y4, H) (4)式中Jx1, Y1)为正向航带I起点处控制点A3的平面坐标，(x2, y2)为正向航带I终点处控制点C5的平面坐标，(x3, y3)为反向航带2起点处控制点D6的平面坐标，(x4, y4)为反向航带2终点处控制点F8的平面坐标，H为地效应飞行器飞行高程。(3)地效应飞行器飞行控制地效应飞行器控制器对地效应飞行器进行航向及航行速度控制。航向控制在地面站输入地效应飞行器飞行路径，即前向路径:SU.及返航路径丽,则地效应飞行器预定航迹上每一点坐标通过计算求得。地效应飞行器上搭载RTK测量装置，RTK测量装置实时地给出地效应飞行器的位置信息。通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的航向信息、当前位置与预定轨迹偏差信息、速度信息。地效应飞行器控制系统根据位置偏差及航向偏差对地效应飞行器舵机进行控制，纠正地效应飞行器航向使地效应飞行器按预定航迹飞行，且与预定航迹的位置误差保持在一定范围内。需要说明的是，当控制系统将地效应飞行器与预定航迹偏差控制在小范围内时，存在的偏差是不影响航拍测量精度的。地效应飞行器与预定轨迹存在偏差时拍摄所得图像，通过对航拍相片内控制点平面坐标及高程和控制点真实平面坐标及高程相对比，进而进行修正，使由位置偏差及姿态偏差引入的拍摄误差得到有效的补偿。速度控制地效 应飞行器控制系统控制地效应飞行器按恒定速度飞行。控制系统通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的速度信息；通过与预定恒定速度进行比较，求得当前地效应飞行器速度与预定速度的差值。控制器根据速度差值对地效应飞行器螺旋桨进行控制，使地效应飞行器按恒定速度飞行。进而得到航拍相机快门曝光时间间隔为t = lxXm/[(l-px% ) υ ] (5)式中t为航拍摄像机快门曝光时间间隔，Ix为航拍相片相幅边长，m为航拍比例尺分母，Px%为航拍航向重叠度，u为地效应飞行器飞行速度。(4)航空拍摄及航拍图像处理航拍过程中航拍相机19固定于相机稳定云台。相机稳定云台始终保持航拍相机摄影方向与大地水平面垂直，以提高航拍所得数据精度。地效应飞行器航拍任务完成后，对航拍所得图像进行图像合成、解算及误差补偿处理，得到1、拍摄河道上每一点的平面坐标及河道表面地形图；2、通过对航拍相片中立体相对的结算，得到河道两侧土坎、堤坝等建筑物上各点的平面坐标及高程。
(5)地效应飞行器测量路径布设将得到的待测河道13表面地形图及河道位置信息导入地效应飞行器地面站18中进行测量路径布设。在地面站待测河道13表面地形图中运用一组折线对河道沿岸进行逼近，该组折线即为地效应飞行器测量航迹14。多波束测深仪向水中发射测深波束17，该波束声波扇面角固定，多波束测深仪测深时向水中发射的声波，该声波扇面在河床上形成痕迹的总宽度为L = 2hX tan ( Θ/2) (6)式中L为声波扇面在河床上痕迹的宽度，h为河道水深，Θ为多波束测深仪发射声波扇面角。由上式知，L与h成正比，即随着河道水深加深，多波束测量宽度增加。为减少重复的测量信息，布设地效应飞行器测量路径时应先估算河道各点深度，布设路径应由两岸至河流中心逐渐稀疏。(6)河道水下地形测量及水流流速测量控制系统控制地效应飞行器在待测河道表面15按测量路径航行，其控制过程与步骤(3)相同。正向、反响航行地效应飞行器9、10具有水陆两栖性，既可于空中飞行，也可以像船一样在水中航行。本发明中，以地效应飞行器作为测量平台，搭载多波束测深仪、RTK测量装置以及流速剖面仪对河道地形及水流流速进行测量。多波束测深仪换能器与地效应飞行器进行固连。多波束测深仪换能器由声波发射阵和声波接收阵组成。换能器声波发射阵平行于地效应飞行器艏艉线布设，换能器声波接收阵则垂直于地效应飞行器艏艉线布设。换能器发射阵呈两侧对称向正下方发射沿船纵向2° X沿船横向44°的扇形脉冲声波。换能器接收阵在束控方向上接收方式与发射阵正好相反，以沿船纵向20° X沿船横向2°的16个接收波束角接收来自水底照射扇区的回波。接收指向性和发射指向性叠加后，形成沿船横向、两侧对称的16个2° X2°的波束，该波束于河道底部对应区域即为波束脚印16。多波束测深仪记录换能器发射声信号和接收声信号的时间差，得到换能器与波束脚印间距离S = ct/2(7)式中c为水流中平均声速，t为换能器发射声波与接收声波的时间差，S为波束脚印与换能器间的距离。每一波束与垂直方向夹角固定，求出波束脚印与换能器相对位置；地效应飞行器搭载的RTK测量装置实时的给出地效应飞行器在WGS-84坐标系中的平面坐标及高程；RTK测量装置天线与地效应飞行器固连，则RTK测量装置接收天线与多波束测深仪换能器相对位置为固定值；通过换算得到任一波束测量脚印于WGS-84坐标系中的平面位置及高程。多波束测深仪的记录装置记录测得的每一点的平面坐标及高程。流速剖面仪也固定于地效应飞行器船体下方，剖面仪探头浸入水中一定深度。流速剖面仪利用声学多普勒效应原理对河流流速进行测量。多普勒效应原理即声源接近时，观察者所检测到的声调比原来的高；声源离开时，声调则比原来的低。流速剖面仪是通过按一定规律排列的4个声波换能器向水体中发射声纳脉冲波,然后接收来自水体中浮游生物、泥沙小颗粒等反散射体的反散射信号，按照反散射信号的多普勒频移计算出水流流速。(7)数据处理运用多波束测深仪的处理软件对多波束测深仪测量数据进行处理。多波束测深仪测量数据为河床上每一点在WGS-84坐标系中的平面坐标及高程。通过坐标转换，将每一点于WGS-84坐标系中坐标转换为北京54坐标系中坐标。通过每一点的平面坐标及高程，软件绘制出河道水下三维地形图；通过处理航拍图像，得到河道水上建筑物各点平面坐标及高程，绘制河道水上三维地形图；连接河道水下三维地形图 中各断面中最深点，得到河道深泓线；将流速剖面仪测量数据与河道地形数据进行匹配，得到河道断面中每一点的流速信息，连接每一断面中流速最快点，得到河道中泓线。
权利要求
1.一种运用地效应飞行器进行河道测量的方法，其特征在于所述河道测量方法步骤为首先用地效应飞行器搭载航拍相机进行航空拍摄；运用拍摄所得河道位置信息对地效应飞行器测量轨迹进行规划；运用地效应飞行器搭载多波束测深仪、RTK测量装置及流速剖面仪进行河道水下地形测量；对航拍所得数据、多波束测深仪测量数据及流速剖面仪测量数据进行处理，得到河道水上水下地形的三维图像、河道深泓线及中泓线；其具体方法如下(1)航拍控制点布设首先从待测河道的卫星地图上获取河道的粗略地理位置及地形信息，对航拍过程进行规划；将航拍河道进行分段，使每一段河道被正向航带(I)及反向航带(2)两条航带所覆盖；在正向航带⑴的起点、中点及终点分别布设控制点八』、((3、4、5)，在反向航带⑵的起点、中点及终点分别布设控制点D、E、F(6、7、8)；地面控制点布设完成后，运用RTK测量装置测量所布控制点在WGS-84坐标系内的平面坐标及高程；(2)地效应飞行器航行路线布设运用地效应飞行器进行航拍任务，其正向航行地效应飞行器(9)及反向航行地效应飞行器(10)所拍摄照片组 成立体相对，立体相对旁向重叠度取为50% 60%;该立体相对应覆盖待测河道横断面(12)的河面宽度及河岸上的地面控制点(11)，调整地效应飞行器飞行高度以达到此目的；根据航拍摄影范围及单幅相片尺寸选取航拍比例尺，记所选比例尺为I : m，则地效应飞行器飞行高度为H = f Xm(I)式中m为比例尺分母，f为航拍摄影机主距；地效应飞行器于正向航带(I)及反向航带(2)中作往返飞行，地效应飞行器飞行轨迹为从正向航带(I)起点处控制点A(3)平面坐标飞往终点处控制点C(5)平面坐标；返航轨迹为由反向航带(2)起点处控制点D(6)平面坐标飞往终点处控制点F(8)平面坐标；则地效应飞行器航行轨迹表示为(X1, y1； H) — (x2, J2, H) — (x3, y3, H) — (x4, y4, H) (2)式中I(Xpy1)为正向航带⑴起点处控制点A(3)的平面坐标，(x2,y2)为正向航带(I) 终点处控制点C(5)的平面坐标，(x3，y3)为反向航带(2)起点处控制点D(6)平面坐标，(x4, y4)为反向航带(2)终点处控制点F(S)的平面坐标，H为地效应飞行器飞行高程；(3)地效应飞行器飞行控制地效应飞行器控制器对地效应飞行器进行航向及航行速度控制；航向控制于地面站(18)输入地效应飞行器飞行路径，即前向路径及返航路径SF， 则地效应飞行器预定航迹上每一点坐标通过计算求得；地效应飞行器上搭载RTK测量装置，RTK测量装置实时地给出地效应飞行器的位置信息；通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的航向信息、当前位置与预定轨迹偏差信息、速度信息；地效应飞行器控制系统根据位置偏差及航向偏差对地效应飞行器舵机进行控制，纠正地效应飞行器航向使地效应飞行器按预定航迹飞行，且与预定航迹的位置误差保持在一定范围内；地效应飞行器与预定轨迹存在偏差时拍摄所得图像，通过对航拍相片内控制点坐标和控制点平面坐标及高程相对比，进而进行修正，使由位置偏差及姿态偏差引入的拍摄误差得到有效的补偿；速度控制地效应飞行器控制系统控制地效应飞行器按恒定速度飞行；控制系统通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的速度信息；通过与预定恒定速度进行比较，求得当前地效应飞行器速度与预定速度的差值；控制器根据速度差值对地效应飞行器螺旋桨进行控制，使地效应飞行器按恒定速度飞行；进而得到航拍相机快门曝光时间间隔为t = lxXm/[(l-px% ) υ ] (3)式中t为航拍摄像机快门曝光时间间隔，^为航拍相片相幅边长，m为航拍比例尺分母，Px%为航拍航向重叠度，u为地效应飞行器飞行速度；(4)航空拍摄及航拍图像处理航拍过程中航拍相机(19)固定于相机稳定z 台；相机稳定z 台始终保持航拍相机摄影方向与大地水平面垂直；地效应飞行器航拍任务完成后，对航拍所得图像进行图像合成、 解算及误差补偿处理，得到1、拍摄河道上每一点的平面坐标及河道表面地形 图2、通过对航拍相片中立体相对的解算，得到河道两侧土坎、堤坝等建筑物上各点的平面坐标及高程;(5)地效应飞行器测量路径布设将得到的待测河道(13)表面地形图及河道位置信息导入地效应飞行器地面站(18) 中进行测量路径布设；在地面站待测河道(13)表面地形图中运用一组折线对河道沿岸进行逼近，该组折线即为地效应飞行器测量航迹(14);多波束测深仪向水中发射测深波束(17),该波束扇面角固定，多波束测深仪测深时向水中发射的声波，声波扇面在河床上形成痕迹的总宽度为L = 2h X tan ( θ /2)(4)式中L为声波扇面在河床上痕迹的宽度，h为河道水深，Θ为多波束测深仪发射声波扇面角；由上式知，L与h成正比，布设地效应飞行器测量路径时应先估算河道各点深度，布设路径应由两岸至河流中心逐渐稀疏；(6)河道水下地形测量及水流流速测量控制系统控制地效应飞行器在待测河道表面(15)按测量路径航行，其控制过程与步骤(3)相同；多波束测深仪的换能器与地效应飞行器进行固连；多波束测深仪换能器声波发射阵平行于地效应飞行器艏艉线布设，声波接收阵则垂直于地效应飞行器艏艉线布设； 换能器发射阵呈两侧对称，向正下方发射沿船纵向2。X沿船横向44°的扇形脉冲声波； 换能器接收阵在束控方向上接收方式与发射阵正好相反，以沿船纵向20° X沿船横向2° 的16个接收波束角接收来自水底照射扇区的回波；接收指向性和发射指向性叠加后，形成沿船横向、两侧对称的16个2° X2°的波束，该波束于河道底部对应区域即为波束脚印(16);多波束测深仪记录换能器发射声信号和接收声信号的时间差，则得到换能器与波束脚印间距离S = ct/2(5)式中c为水流中平均声速，t为换能器发射声波与接收声波的时间差，S为波束脚印与换能器间的距离；通过计算得到波束脚印与换能器相对位置；地效应飞行器搭载的RTK 测量装置实时地给出地效应飞行器在WGS-84坐标系中的平面坐标及高程；RTK测量装置天线与地效应飞行器固连，则RTK测量装置接收天线与多波束测深仪换能器相对位置为固定值；通过换算得到任一波束测量脚印于WGS-84坐标系中的平面位置及高程；多波束测深仪的记录装置记录测得的每一点的平面坐标及高程；流速剖面仪也固定于地效应飞行器船体下方，流速剖面仪探头浸入水中一定深度；流速剖面仪利用声学多普勒效应原理对河流流速进行测量；多普勒效应原理即声源接近时， 观察者所检测到的声调比原来的高，声源离开时，声调则比原来的低；流速剖面仪是通过按一定规律排列的4个声波换能器向水体中发射声纳脉冲波,然后接收来自水体中浮游生物、泥沙小颗粒等反散射体的反散射信号，按照反散射信号的多普勒频移计算出流速；(7)数据处理 运用多波束测深仪的处理软件对多波束测深仪测量数据进行处理；多波束测深仪测量数据为河床上每一点在WGS-84坐标系中的平面坐标及高程；通过坐标转换，将每一点于 WGS-84坐标系中坐标转换为北京54坐标系中坐标；通过每一点的平面坐标及高程，软件绘制出河道水下三维地形图；通过处理航拍图像，得到河道水上建筑物各点平面坐标及高程， 绘制河道水上三维地形图；连接河道水下三维地形图中各断面中最深点，得到河道深泓线； 将流速剖面仪测量数据与河道地形数据进行匹配，得到河道断面中每一点的流速信息，连接每一断面中流速最快点，得到河道中泓线。
全文摘要
运用地效应飞行器进行河道测量的方法属于河道测量技术；本发明首先运用地效应飞行器进行航空拍摄；运用拍摄所得河道位置信息对地效应飞行器测量轨迹进行规划；运用地效应飞行器搭载多波束测深仪、RTK测量装置及流速剖面仪进行河道测量；对航拍所得数据、多波束测深仪测量数据及流速剖面仪测量数据进行处理，得到河道水上水下三维地形图、河道深泓线及中泓线；本发明具有测量成本低、自动化程度高、适用范围广、河道地形数字化成图的特点。
文档编号G01C13/00GK102692217SQ201210203430
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者于玖成, 何云丰, 何昆鹏, 曹延哲, 王庭军, 王福超, 管练武, 詹俊妮, 郭凯文, 韩继涛 申请人:黑龙江省博凯科技开发有限公司