一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统及其测绘方法与流程

本发明属于水利自动化量测技术领域，尤其涉及一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统，本发明还涉及一种采用上述河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的测绘方法。

背景技术：

河工模型是按适当比尺缩小原型河道后的实体结构，可通过监测其模拟试验过程中水下地形的冲淤变化来复演原型河流的演变规律。目前国内外可用于河工模型三维水下地形量测的装备和方法有很多，光电反射式、电阻式、超声式、激光扫描式、图像识别式等地形仪均有过实际应用，但关于河工模型实验中涉水结构物周围冲淤地形测绘的装备和方法鲜见报道。监测涉水结构物周围的局部地形，研究结构物作用下的河床变形规律，以及由河床变形引起的水流结构变化，均是河工模型实验开展过程中必须要完成的重要工作。由于受到河工模型中涉水结构物的阻挡，上述常规的三维地形量测装备无法完成局部地形的精细测绘，会对分析河流原型中涉水结构物附近的水沙运动规律造成极大影响。而且河工模型的三维尺度通常都比较大，利用常规测量装备测绘的效率较低，也不能够获取局部冲刷动态过程中任一瞬时的地形数据。河工模型的比尺都比较大，模型沙一般都采用易变形的轻质沙，使得河工模型中涉水结构物附近的局部冲刷地形的冲淤变化数据均为毫米级，常规测量测装备的测量精度和分辨率几乎达不到要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为河工模型涉水结构物提供一种结构简单、操作方便、高精高效的冲淤地形实时测绘系统及方法，解决现有测绘系统及方法的弊端。

为实现上述目的，本发明提供的一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统，包括承重平台、测绘平台、测绘装置、自动控制装置、数据传输装置，所述承重平台固定在涉水结构物周围，所述测绘平台安装于所述承重平台上方，并包覆于涉水结构物周围，所述测绘装置沿周向安装于所述测绘平台外侧，所述自动控制装置和数据传输装置安装于涉水结构物上方的桥梁柱一侧，所述测绘装置和数据传输装置与所述自动控制装置电性连接。

进一步的，所述承重平台为对拉结构，包括两根矩形空心型钢，螺栓和螺母，所述矩形空心型钢上开设有圆形通孔，所述螺栓穿过两根所述矩形空心型钢上相对应的圆形通孔，所述螺栓伸出所述圆形通孔的端部连接有螺母，所述螺母拧紧将所述矩形空心型钢固定于涉水结构物外壁上，且承重平台的位置要高于自由水面。

进一步的，所述测绘平台包括若干圆形截面空心钢管和空心弯管，所述空心钢管和空心弯管两端均为螺纹丝扣，空心钢管之间及空心钢管与空心弯管之间均通过连接螺母相连，空心钢管水平外侧面等间距开设圆形螺丝孔，测绘装置通过所述圆形螺丝孔安装在测绘平台上。

进一步的，所述的测绘装置包括不锈钢管，所述不锈钢管侧壁开设贯通状矩形槽孔，靠近不锈钢管两端管头处分别内衬安装有同心轴承，所述同心轴承上安装固定一丝杆，所述丝杆在靠近两个同心轴承处分别设置限位开关，所述不锈钢管一端用圆形封堵盖板封闭，所述封堵盖板中心处开设圆孔，所述封堵盖板上安装有小型步进电机，所述步进电机转动轴可穿过所述封堵盖板上的圆孔，再通过联轴器与所述丝杆相连，所述丝杆上安装有一个丝杆套，所述丝杆套下方固定有测绘源，所述不锈钢管的另一端设有螺纹丝扣，可拧接在测绘平台中各圆形截面空心钢管水平外侧面等间距开设的圆形螺丝孔中。

进一步的，所述丝杆套通过圆管状滑块与所述测绘源连接，所述圆管状滑块直径略小于所述贯通状矩形槽孔宽度。

进一步的，所述测绘源包括保护圆壳和微型单波束超声换能器，所述微型单波束超声换能器固定于所述保护圆壳内，所述保护圆壳与所述圆管状滑块相连。

进一步的，所述的自动控制装置包括线缆、电机自动控制模块、串口模块、gprs模块和终端计算机，所述线缆一端与步进电机相连，另一端与电机自动控制模块相连，所述电机自动控制模块通过串口模块与gprs模块相连，所述gprs模块可通过无线数据网络与终端计算机通讯，所述终端计算机能够发出指令，控制所述步进电机按设定的步进角旋转。

进一步的，所述的数据传输装置包括数据线、数据采集存储模块和软件平台，所述数据线一端与所述单波束微型超声换能器相连，另一端与数据采集存储模块相连，所述数据采集存储模块通过所述串口模块与所述gprs模块相连，所述gprs模块可通过所述无线数据网络与所述终端计算机通讯，并将所述单波束微型超声换能器采集到的三维地形数据传输至软件平台，所述软件平台可绘制出三维地形。

本发明还提供一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的测绘方法，包括以下步骤：

a.将承重平台通过对拉螺栓固定在涉水结构物周围，依据涉水结构物平面形状组装测绘平台，并将其安装于承重平台之上，测绘装置通过螺纹丝扣安装在测绘平台外侧；

b.终端机发出指令，让每个测绘装置的步进电机带动丝杆转动，丝杆套会沿着丝杆滑动，使得所有单波束微型超声换能器复位到贴近涉水结构物外侧面处；

c.建立河工模型实验工况，标定单波束微型超声换能器声透镜表面至模型原始床沙面的距离，按测绘精度需求选取超声换能器移动速度，设定步进电机转动角速度；

d.河工模型实验开始后，终端计算机发出指令，让步进电机正传，超声换能器向远离涉水结构物方向运动，并将采集到的冲刷地形数据无线传输给终端计算机，当超声换能器到达远端处的限位开关，完成一次地形扫描；

e.令步进电机反转，带动超声换能器向靠近涉水结构物方向运动，并将采集到的冲刷地形数据无线传输给终端计算机，当到达近端处的限位开关后，完成又一次扫描；

f.不断重复上述步骤d和e，直至河工模型实验结束，绘制系统完成了涉水结构物周围动态冲淤地形的全过程绘制。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下技术效果：

(1)本发明提供的一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统，结构简单轻便，安装维护方便易行，制造及应用成本较低，测量精度及灵敏度较高，可依据涉水结构物实际情况任意调节自身形状尺寸和安装固定位置，适用于任何形状尺寸的河工模型涉水结构物在任意方位上的冲淤地形测绘，可真正实现全方位无盲区地形测绘；

(2)本发明提供的一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的测绘方法，流程简单，操作方便，可进行远程操控，实现测绘数据的无限获取，测绘效率较高，除微型超声换能器单点入水外，整个测绘系统均位于自由水面以上，真正实现了全程无接触测量，极大减小了测量过程中对水流结构和水下地形的扰动破坏，也能够快速获取任一瞬时全区域的三维水下地形数据，实现了河工模型涉水结构物附近河床冲淤发展全过程的动态实时测绘。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。

图1河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统整体布置图；

图2河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的承重平台结构图；

图3河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的测绘平台结构图；

图4河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的测绘装置结构图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定”、“安装”、“连接”或“设置”有另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上的。需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有说明书特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述：

为了进一步阐述本发明的发明内容、特点及效果，举以下实施例进行详细说明。必须要说明，本发明说明书中附图中所显示的结构形式、比例、尺寸等参数指标，并不是本发明在具体工程实际实施过程中的限制条件，如果不影响本发明所能达成的目的，可以允许任何具体参数指标的调整或改变，但均应该在本发明所涉及技术内容的涵盖范围内。

下面结合附图1、附图2、附图3和附图4对河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统及方法进行说明。

参照附图1，一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统，其特征在于，由承重平台1、测绘平台2、测绘装置3、自动控制装置4、数据传输装置构成。所述承重平台1固定在涉水结构物8周围，所述测绘平台2安装于所述承重平台1上方，并包覆于涉水结构物8周围，所述测绘装置3沿周向安装于所述测绘平台2外侧，所述自动控制装置4和数据传输装置安装于涉水结构物上方的桥梁柱一侧，所述测绘装置和数据传输装置与所述自动控制装置电性连接。

在本发明的一些实施例中，参照附图2，所述的承重平台1，是一种对拉结构，包括两根矩形空心型钢5，对拉螺栓6和螺母7，每根矩形空心型钢靠近两端处打圆形通孔，对拉螺栓6杆的外径略小于通孔孔径，安装时将对拉螺栓6穿过矩形空心型钢5上相对应的通孔，用螺母7拧紧固定于涉水结构物8周围边壁上，其所在位置要高于自由水面。

在本发明的一些实施例中，参照附图3，所述的测绘平台2，由若干圆形截面空心钢管9和空心弯管10组成，空心钢管9和空心弯管10两端均为螺纹丝扣，每两根空心钢管9之间通过连接螺母11相连，空心钢管9与空心弯管10之间也通过连接螺母11相连，空心弯管10的弯曲角度依据实际需要的转向角度确定，空心钢管9与空心弯管10依次连接组成测绘平台2，并安装于承重平台之上，空心钢管9水平外侧面等间距开设圆形螺丝孔，测绘装置3可通过圆形螺丝孔安装在测绘平台2之上。

在本发明的一些实施例中，参照附图4，所述的测绘装置3为不锈钢管12，不锈钢管12侧壁开设贯通状矩形槽孔13，靠近不锈钢管12两端管头的适当位置处，分别内衬安装一个同心轴承14，同心轴承14上安装固定一丝杆15，丝杆15在靠近两个同心轴承14处分别设置限位开关16，不锈钢管12一端用圆形封堵盖板17封闭，封堵盖板17中心处开设圆孔，封堵盖板17上安装一台小型步进电机18，步进电机18转动轴可穿过封堵盖板17上的圆孔，再通过联轴器19与丝杆15相连，丝杆15上安装有一个丝杆套20，丝杆套20与圆管状滑块21一端相连，圆管状滑块21直径略小于贯通状矩形槽孔13宽度，圆管状滑块21另一端与超声换能器保护圆壳22相连，微型单波束超声换能器23固定于保护圆壳内22，不锈钢管12的另一端设有螺纹丝扣24，可拧接在测绘平台2中各圆形截面空心钢管9水平外侧面等间距开设的圆形螺丝孔25中。

在本发明的一些实施例中，所述的自动控制装置4，包括线缆、电机自动控制模块、串口模块、gprs模块和终端计算机，线缆一端与步进电机18相连，另一端与电机自动控制模块相连，电机自动控制模块通过串口模块和gprs模块相连，gprs模块可通过无线数据网络与终端计算机通讯，终端计算机能够发出指令，令步进电机18按设定步进角旋转，步进电机18带动丝杆15转动，丝杆15上的丝杆套20按一定速度带动单波束微型超声换能器23移动，进而实现对三维水下地形的扫描。

在本发明的一些实施例中，所述的数据传输装置，由数据线、数据采集存储模块、串口模块、gprs模块、终端计算机和软件平台构成，数据线一端与单波束微型超声换能器23相连，另一端与数据采集存储模块相连，数据采集存储模块通过串口模块和gprs模块相连，gprs模块可通过无线数据网络与终端计算机通讯，将单波束微型超声换能器23采集到的三维地形数据传输至软件平台，软件平台可绘制出三维地形。

本发明还提供一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的测绘方法，包括以下步骤：

a.将承重平台1通过对拉螺栓6和螺母7固定在涉水结构物8周围，依据涉水结构物8平面形状组装测绘平台2，并将其安装于承重平台1之上，测绘装置3通过螺纹丝扣24安装在测绘平台2外侧；

b.终端机发出指令，让每个测绘装置3的步进电机18带动丝杆15转动，丝杆套20会沿着丝杆15滑动，使得所有单波束微型超声换能器23复位到贴近涉水结构物8外侧面处；

c.建立河工模型实验工况，标定单波束微型超声换能器23声透镜表面至模型原始床沙面的距离，按测绘精度需求选取超声换能器23移动速度，设定步进电机18转动角速度；

d.河工模型实验开始后，终端计算机发出指令，让步进电机18正传，超声换能器23向远离涉水结构物8方向运动，并将采集到的冲刷地形数据无限传输给终端计算机，当超声换能器23到达远端处的限位开关16，完成一次地形扫描；

e.令步进电机18反转，带动超声换能器23向靠近涉水结构物8方向运动，并将采集到的冲刷地形数据无限传输给终端计算机，当到达近端处的限位开关16后，完成又一次扫描；

f.不断重复上述步骤d和e，直至河工模型实验结束，绘制系统完成了涉水结构物8周围动态冲淤地形的全过程绘制。

本发明提供的一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统，结构简单轻便，安装维护方便易行，制造及应用成本较低，测量精度及灵敏度较高，可依据涉水结构物实际情况任意调节自身形状尺寸和安装固定位置，适用于任何形状尺寸的河工模型涉水结构物在任意方位上的冲淤地形测绘，可真正实现全方位无盲区地形测绘；

本发明提供的一种河工模型涉水结构物周围冲淤地形实时测绘系统的测绘方法，流程简单，操作方便，可进行远程操控，实现测绘数据的无限获取，测绘效率较高，除微型超声换能器单点入水外，整个测绘系统均位于自由水面以上，真正实现了全程无接触测量，极大减小了测量过程中对水流结构和水下地形的扰动破坏，也能够快速获取任一瞬时全区域的三维水下地形数据，实现了河工模型涉水结构物附近河床冲淤发展全过程的动态实时测绘。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。