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      多源監(jiān)測技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下水下地形測量中的應(yīng)用
      ——以西滬港為例

      2022-09-02 02:20:54孫偉
      城市勘測 2022年4期
      關(guān)鍵詞:重合水深精度

      孫偉

      (寧波海洋研究院,浙江 寧波 315832)

      1 引 言

      水下地形測量是我國地形測量的重要內(nèi)容之一。隨著,陸地地形測量的逐漸完善,水下地形測量的普查成為未來國家基礎(chǔ)測繪事業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。隨著測繪科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的高新技術(shù)被應(yīng)用到水下地形測量當(dāng)中。

      水下地形測量主要包括平面定位測量和水深測量,已形成了采用GPS技術(shù)獲取平面坐標(biāo)和測深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本測量模式[1]。圍繞這一基本測量模式,諸多學(xué)者在改善平面坐標(biāo)和測深數(shù)據(jù)獲取精度,平面-測深協(xié)同監(jiān)測方面和水下地形精細(xì)化測量方面開展了大量的研究。

      在改善平面坐標(biāo)和測深數(shù)據(jù)獲取精度方面,趙保成采用GNSS-PPK技術(shù)克服了傳統(tǒng)衛(wèi)星定位法在山區(qū)狹窄河道水下地形測量中作業(yè)半徑小和定位精度差等問題[2]。孫月文采用GNSS技術(shù)進(jìn)行了杭州灣強(qiáng)潮海域水下地形測量,有效降低了潮差、潮流急等對(duì)測量精度的影響,克服了傳統(tǒng)手段的局限性[3]。

      在平面-測深協(xié)同監(jiān)測方面,文小勇和林向陽嘗試采用GPS-RTK-測深儀協(xié)同探測技術(shù)進(jìn)行水下地形測量,并通過對(duì)比分析證明了該技術(shù)的可靠性[4,5]。蔣寶平和石曉春分別提出了提升聲速和斷面平移法,改善GPS-RTK-測深儀協(xié)同探測技術(shù)測量精度的思路[6,7]。

      在水下地形精細(xì)化測量方面,鄭暉采用多波束和側(cè)掃聲吶進(jìn)行水下勘測,充分利用了兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了水下地形數(shù)據(jù)和水底地貌影像的精確提取[8]。崔立軍和王慶洋分別采用多波束測深系統(tǒng)和單波束測深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測量,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境水下地形精細(xì)化探測[9,10]。

      由上文可知,多種監(jiān)測技術(shù)的協(xié)同監(jiān)測將是未來水下地形精細(xì)化測量的必然趨勢(shì)。但是,關(guān)于淺水區(qū)和沼澤區(qū)的全覆蓋、無盲區(qū)大比例尺水下地形測量研究較少,尤其缺乏合理有效的監(jiān)測體系[11]。本文擬采用海陸空一體化測量方法監(jiān)測西滬港水下地形測量,以期得到其精細(xì)化水下地形圖,為該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

      2 西滬港概況及地形測量技術(shù)需求分析

      象山港位于寧波市東南部,為東北-西南對(duì)角線走向的狹長形半封閉港灣,港內(nèi)風(fēng)平浪靜,水質(zhì)上佳。其中,西滬港是象山港三大內(nèi)港之一,是象山半島灘涂面積最大的內(nèi)港。為了了解和分析工程區(qū)海域地形變化特征,為相關(guān)論證專題提供最新海域地形基本資料,本文擬對(duì)西滬港海域進(jìn)行水下地形測量,測量面積約為 49.0 km2(水域約 34.0 km2,鹽沼約 15.0 km2),如圖1(a)所示。

      西滬港水下地形測量不僅包括深水區(qū),還有鹽沼、泥灘、漁網(wǎng)和養(yǎng)殖區(qū)等淺水區(qū)。大潮低潮時(shí),泥灘從岸邊向海中可露出 5 km左右,在區(qū)域西面則是一片大鹽沼。由于灘涂面積較大、分布較廣,且高潮沒水、低潮露灘,無法采用常規(guī)手段進(jìn)行地形測量。

      經(jīng)現(xiàn)場勘查和綜合考量,在淺水區(qū)采用乘潮作業(yè)的方式,在低潮露灘時(shí)采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)掃描被監(jiān)測區(qū)域,合理利用每次的高、低潮時(shí)間。在深水區(qū),采用DGPS-測深儀協(xié)同探測技術(shù)測量水下地形,西滬港測量區(qū)域分區(qū)作業(yè)示意圖如圖1(b)所示。

      圖1 西滬港水下地形測量區(qū)域及分區(qū)作業(yè)示意圖

      3 西滬港水下地形測量

      3.1 控制測量

      為滿足地形測量的需要,在進(jìn)行水下地形測量之前,率先完成工程測量區(qū)域的平面和高程控制測量。本次共布設(shè)了33個(gè)一級(jí)GPS控制點(diǎn),控制點(diǎn)設(shè)置在地平仰角15°以上且視野內(nèi)沒有障礙物的地方,并避開了電磁輻射源和可能產(chǎn)生多路徑效應(yīng)誤差,兩點(diǎn)之間相互通視,其點(diǎn)號(hào)從I1開始依次流水編號(hào)至I33。一級(jí)GPS控制點(diǎn)和臨時(shí)水位站、人工驗(yàn)潮點(diǎn)的高程測量按四等水準(zhǔn)測量精度施測,以收集到的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測組成附和水準(zhǔn)路線,水準(zhǔn)路線總長度為 33.761 km。四等水準(zhǔn)使用TrimbleDINI 03電子水準(zhǔn)儀配合條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行觀測,水準(zhǔn)觀測前對(duì)水準(zhǔn)儀i角誤差進(jìn)行了檢測。

      為方便水下地形測繪、高程測量,一級(jí)GPS控制點(diǎn)均選在堅(jiān)實(shí)地面上,控制點(diǎn)為十字道釘,并在實(shí)地用紅油漆標(biāo)記點(diǎn)號(hào),部分示意圖如圖2所示:

      圖2 臨時(shí)驗(yàn)潮站位置示意圖

      3.2 基于DGPS-測深儀協(xié)同探測的深水區(qū)水深測量

      根據(jù)深水區(qū)水下地形特征和規(guī)范要求,主測線基本按照與海底地形走向垂直的原則布設(shè),檢測線基本按垂直主測線方向布設(shè)。主測線按 40 m間距布設(shè),垂直主測線方向按 500 m間距布設(shè)檢查測線,測點(diǎn)間距均為 20 m。共布設(shè)主測線460條,長約 1 295 km,檢查測線21條,長約 90 km,具體測線布設(shè)情況如圖3(a)所示。

      圖3 西滬港深水區(qū)水深測量示意圖

      深水區(qū)水深測量采用的是基于DGPS-測深儀協(xié)同探測技術(shù),該技術(shù)使用高精度精密回聲測深儀,測深儀換能器采用舷掛式安裝,導(dǎo)航定位GPS天線與測深儀換能器中心處于同一垂面上。測量時(shí),導(dǎo)航軟件實(shí)時(shí)采集測深儀輸出的數(shù)字式水深信息和星站差分GPS接收機(jī)輸出的定位數(shù)據(jù),并在測深儀的模擬記錄上同步進(jìn)行打標(biāo),以便核查。水深采集記錄至 0.01 m,測深儀模擬記錄讀數(shù)精度為 ±0.1 m,DGPS-測深儀協(xié)同探測技術(shù)示意圖如圖3(b)所示。

      另外,水深測量所得數(shù)據(jù)要進(jìn)行靜態(tài)吃水改正、動(dòng)態(tài)吃水改正和聲速改正。經(jīng)試驗(yàn),本文測量中換能器的靜態(tài)吃水改正值為 0.2 m。由于測深儀換能器安裝在測船中心附近位置,測量期間航速比較穩(wěn)定,本文忽略換能器吃水的影響。由于測區(qū)內(nèi)聲速變化較小,本文忽略聲速改正。本文所用測深設(shè)備在外業(yè)工作開展前均通過了專業(yè)檢測單位的檢定,其測量精度完全滿足精度要求,相關(guān)數(shù)據(jù)分析見下文。

      3.3 基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的鹽沼與灘涂地形測量

      西滬港內(nèi)存在大面積灘涂,水深較淺,長時(shí)間露灘,互花米草等植被覆蓋較多,無法采用傳統(tǒng)水深測量方式進(jìn)行水下地形測量。該區(qū)域采用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)的方式進(jìn)行作業(yè),采用成都縱橫CW-30 LiDAR系統(tǒng)對(duì)大塊露灘區(qū)域進(jìn)行測量,采用掃描鷹HS-300低空激光掃描測圖系統(tǒng)對(duì)部分小區(qū)塊進(jìn)行補(bǔ)測,共完成約 15 km2鹽沼測量任務(wù)。

      在無人機(jī)搭載一個(gè)GPS模塊作業(yè)的同時(shí),需要在一個(gè)已知點(diǎn)(已知CGCS2000坐標(biāo)即可)點(diǎn)位上架設(shè)靜態(tài)模式的GPS接收機(jī),采集相同作業(yè)時(shí)段內(nèi)的GPS數(shù)據(jù),基站理論覆蓋距離為 25 km。為保證作業(yè)精度,無人機(jī)設(shè)計(jì)離地最大航高為 100 m,根據(jù)規(guī)范要求合理布設(shè)航線,相關(guān)示意圖如圖4所示。

      圖4 現(xiàn)場測量情況圖

      4 數(shù)據(jù)處理及分析

      本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅涉及水下地形測量的直接數(shù)據(jù),還包括水下地形測量前的控制測量數(shù)據(jù),以及水深測量儀等高級(jí)儀器可靠性檢驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本解算過程和成果分析具體如下文所示:

      4.1 控制測量數(shù)據(jù)分析

      (1)高程控制測量數(shù)據(jù)分析

      根據(jù)高程控制網(wǎng)布設(shè)特點(diǎn),已知數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)數(shù)量,采用間接平差原理對(duì)高程控制網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)密平差。經(jīng)過平差計(jì)算得到表1中7條閉合、附合水準(zhǔn)路線閉合差,進(jìn)而得到本文每公里高差中誤差最大為 12.75 mm,滿足允許值 ≤±20 mm精度要求,能夠?yàn)樗豢刂茰y量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

      表1 四等水準(zhǔn)平差精度統(tǒng)計(jì)表

      (2)平面控制測量數(shù)據(jù)分析

      在平面控制測量中每個(gè)一級(jí)GPS控制點(diǎn)分別按1個(gè)時(shí)段觀測4次,每次觀測歷元數(shù)為20個(gè),最終取4次觀測值的平均值作為最終成果。作業(yè)前后在已知C級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行檢查,平面校差最大值為△X=1.2 cm和△Y=0.6 cm,高程較差△h=2.8 cm,滿足規(guī)范要求。其中,部分GPS觀測成果如表2所示。

      表2 GPS控制點(diǎn)成果表

      4.2 DGPS-測深儀協(xié)同探測精度分析

      (1)DGPS獲取平面位置精度分析

      為保證平面控制測量的精度,海上工作開始之前,在已知點(diǎn)上進(jìn)行了GPS穩(wěn)定性及定位精度的靜態(tài)比測,測試定位數(shù)據(jù)均位于已知點(diǎn) 0.5 m半徑范圍以內(nèi),定位中誤差為 ±0.18 m,表明GPS穩(wěn)定性和定位精度良好,能夠滿足本次測量定位要求,如圖5、表3所示。定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差如公式(1)所示:

      表3 差分GPS系統(tǒng)測試定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

      圖5 差分GPS系統(tǒng)測試定位數(shù)據(jù)離散圖

      (1)

      式中:(Xpo,Ypo)為已知點(diǎn)高精度平面坐標(biāo),(Xpi,Ypi)為已知點(diǎn)實(shí)時(shí)定位坐標(biāo),n為定位次數(shù),Mp為定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差。

      (2)測深儀測量精度分析

      外業(yè)工作開展前,對(duì)所有即將投入使用的測深儀進(jìn)行了一致性測試和穩(wěn)定性測試。首先,進(jìn)行測深儀穩(wěn)定性測試,把測深儀的換能器固定在一定水深位置,水深值大于 10 m,按固定時(shí)間間隔采集水深數(shù)據(jù),連續(xù)測量時(shí)間超過 8 h,然后統(tǒng)計(jì)水深值的離散情況,計(jì)算中誤差,測深儀HY1601(1#)、HY1601(2#)和HY1601(3#)的穩(wěn)定性中誤差分別為 10.2 mm、7.2 mm和 8.0 mm,具體如表4所示。

      表4 測深儀穩(wěn)定性測定表

      其次,進(jìn)行測深儀一致性測試,把多臺(tái)回聲儀放置在同一水深的位置進(jìn)行測量,統(tǒng)計(jì)各臺(tái)儀器測量結(jié)果的差值。同一時(shí)刻,測深儀HY1601(1#)、HY1601(2#)和HY1601(3#)相對(duì)于平均值的最大偏差小于0.02 m,如表5所示。

      表5 測深儀一致性測試表(單位/m)

      (3)DGPS-測深儀協(xié)同探測精度分析

      在實(shí)際水深測量過程中,實(shí)時(shí)采集差分GPS數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù),定位間隔為 1 s,測深間隔為 0.2 s,定位點(diǎn)之間水深點(diǎn)的位置由計(jì)算機(jī)通過內(nèi)插獲得。作業(yè)時(shí),GPS天線直接固定于測深儀換能器桿子之上,內(nèi)業(yè)資料整理時(shí)無須進(jìn)行位置改正。

      為了反映水下地形測量的精度,本文從深度誤差和深度比對(duì)互差兩個(gè)角度進(jìn)行衡量。根據(jù)式(2)計(jì)算深度誤差發(fā)現(xiàn),測區(qū)水深不大于 20 m的主、檢測線重合點(diǎn)共106個(gè),中誤差為 ±0.18 m;大于 20 m的重合點(diǎn)共92個(gè),中誤差為±0.0092H,滿足規(guī)范要求(水深H≤20,深度誤差限值±0.20 m;H>20,深度誤差限值±0.01H)。

      (2)

      式中:△Hi為主測線和檢查線重合點(diǎn)i水深差值,n為重合點(diǎn)個(gè)數(shù),Mh為水深中誤差。

      在深度比對(duì)互差方面,采用完成各項(xiàng)改正的每 0.2 s主測線及檢查線水深數(shù)據(jù)進(jìn)行互差分析計(jì)算。在程序計(jì)算時(shí),取相交的主測線和檢查測線數(shù)據(jù),計(jì)算其交點(diǎn)作為深度互差對(duì)比重合點(diǎn),該點(diǎn)主、檢測線水深由對(duì)應(yīng)測線上前后兩點(diǎn)實(shí)測水深通過線性內(nèi)插獲取(通常,前后兩點(diǎn)之間的定位距離約為 0.6 m~1 m)。測區(qū)主檢測線重合點(diǎn)水深值比對(duì)統(tǒng)計(jì)情況如表6所示。

      表6 測區(qū)主測線和檢查測線重合點(diǎn)水深值比對(duì)統(tǒng)計(jì)表

      4.3 基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的鹽沼與灘涂測量成果分析

      對(duì)飛行設(shè)備上GPS模塊的GNSS數(shù)據(jù),聯(lián)合基準(zhǔn)站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、后處理等過程后提取出的地表點(diǎn)云,生成等高線模型與DEM模型,技術(shù)流程圖如圖6所示。

      圖6 機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

      根據(jù)經(jīng)各項(xiàng)改正后的測區(qū)水深數(shù)據(jù)集、灘涂高程數(shù)據(jù)集按要求的比例尺進(jìn)行水下地形圖繪制。地物符號(hào)和地貌元素按相應(yīng)圖式繪制。岸線套用最新大陸岸線修測成果,灘涂部分地物、地貌要素利用無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)測量得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行繪制,部分地物、地貌要素由搜集的地形圖轉(zhuǎn)繪得到,使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化制圖系統(tǒng)進(jìn)行制圖,如圖7所示。

      圖7 西滬港水下地形圖

      5 結(jié) 論

      西滬港水下地形測量環(huán)境復(fù)雜,區(qū)域內(nèi)鹽沼、泥灘等嚴(yán)重限制了測量船監(jiān)測系統(tǒng)的使用。因此,本文采用無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行輔助測量,在水準(zhǔn)網(wǎng)和GPS平面控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上,采用高精度DGPS-測深儀協(xié)同探測技術(shù)測量深水區(qū)域,應(yīng)用高-低配雙無人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行鹽沼與灘涂測量,主要得到以下結(jié)論:

      (1)水下地形測量高程控制網(wǎng)每公里高差中誤差最大為 12.75 mm,GPS平面控制網(wǎng)在X和Y方向的誤差最大值分別為 1.2 cm和 0.6 cm,均在限差允許值范圍內(nèi)。

      (2)本文所用DGPS-測深儀協(xié)同探測技術(shù)中,測深儀穩(wěn)定性中誤差約為 8.5 mm,一致性最大偏差小于 2 cm,DGPS技術(shù)定位中誤差為 ±0.18 m,單項(xiàng)技術(shù)均能夠滿足使用要求。

      (3)本文采用DGPS-測深儀協(xié)同探測技術(shù)測量西滬港深水區(qū)水深,測區(qū)水深不大于 20 m的主、檢測線重合點(diǎn)共106個(gè),中誤差為 ±0.18 m;大于 20 m的重合點(diǎn)共92個(gè),中誤差為±0.0092H。通過對(duì)經(jīng)各項(xiàng)改正后的主檢測線重合點(diǎn)水深值比對(duì),發(fā)現(xiàn)重合點(diǎn)的深度比對(duì)H≤20 m互差超限率小于1.9%,H>20 m互差超限率小于3.3%,符合相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求。

      (4)本文采用高精度測深儀、高精度GNSS定位系統(tǒng)、高-低配雙無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)等多源監(jiān)測技術(shù)測量西滬港水下地形,實(shí)現(xiàn)了關(guān)于大區(qū)域、復(fù)雜環(huán)境、高精度要求水下地形測量的技術(shù)突破,是海陸空地形一體化測量方法應(yīng)用的典型案例。

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