本發(fā)明屬于航道疏浚應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是為耙吸挖泥船施工提供水下3D地形的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前使用的比較先進(jìn)的水深測量設(shè)備是多波束測深系統(tǒng)，其顯著特點(diǎn)是能一次發(fā)射和接收一列波束，在測量船速等因素控制得當(dāng)?shù)那闆r下，多波束測深儀可以對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋的面測深，提高了測量船測量的作業(yè)效率，為水深測量提供了便利。但由于多波束測深系統(tǒng)需要由多傳感器協(xié)同進(jìn)行水深測量，觀測值多，誤差來源也多（如定位和測深的延時(shí)影響，海底地形影響，天氣條件，儀器的安裝方式，疏浚處理方法，水深篩選原則等產(chǎn)生的誤差），參數(shù)測定的準(zhǔn)確性與工作環(huán)境的惡劣程度，都在很大程度上影響測深結(jié)果的質(zhì)量，從而影響到水底地形的準(zhǔn)確顯示。

傳統(tǒng)的水下地形顯示使用測量船測量結(jié)果制作，不具有實(shí)時(shí)效應(yīng)，并且由于測量船測量過程中產(chǎn)生的誤差造成最后制作的水下地形與絞吸船正式施工時(shí)的海底地形存在較大差異。

現(xiàn)有的先進(jìn)耙吸挖泥船上已經(jīng)安裝了多波束發(fā)射接收換能器陣（聲吶探頭），多波束信號(hào)控制處理電子系統(tǒng)，提供大地坐標(biāo)的DGPS差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS信標(biāo)機(jī)），提供耙吸船艏向的電羅經(jīng)，提供耙吸船橫搖，縱搖，沉降等姿態(tài)數(shù)據(jù)的傳感器。多波束測深系統(tǒng)采用廣角度和多信道定向接收技術(shù)，獲得水下高密度條幅式海底地形數(shù)據(jù)。利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)的海底被測點(diǎn)的水深值，測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，描繪出海底地形的三維特征。測量過程中多波束系統(tǒng)安裝過程中存在的橫向角度和縱向角度引起的橫搖偏差和縱搖偏差，船只航行時(shí)引起的導(dǎo)航延遲和電羅經(jīng)偏差，潮位（參考基準(zhǔn)面）的變化，海水介質(zhì)聲速結(jié)構(gòu)的變化都會(huì)導(dǎo)致測點(diǎn)的位移，從而影響到海底測深精度，導(dǎo)致海底形態(tài)的畸變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的問題是提供一種在不同情況下的施工現(xiàn)場，排除多波束測深系統(tǒng)探測誤差，直接通過耙吸挖泥船耙頭施工位置生成水下3D地形的制作系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案包括一套耙臂設(shè)備和位于疏?？刂婆_(tái)的可編程控制器構(gòu)成的耙臂位置系統(tǒng)，一套獲得船舶GPS位置的GPS信標(biāo)機(jī)和船舶艏向的電羅經(jīng)與控制電腦構(gòu)成的船舶位置系統(tǒng)，一套計(jì)算耙頭大地坐標(biāo)和建立數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及位于疏?？刂婆_(tái)的圖形生成顯示系統(tǒng)組成，耙臂上安裝有測量耙臂角度的上耙管水平角度傳感器、上耙管垂直角度傳感器和下耙管水平角度傳感器、下耙管垂直角度傳感器，檢測耙臂吸口狀態(tài)的吸口壓力傳感器；駕駛室頂部安裝有檢測船舶位置的GPS信標(biāo)機(jī)；航行臺(tái)中間安裝有檢測船舶艏向的電羅經(jīng)，其特征是所述上耙管水平角度傳感器，上耙管垂直角度傳感器和下耙管水平角度傳感器、下耙管垂直角度傳感器以及吸口壓力傳感器經(jīng)過信號(hào)電纜和耙臂位置系統(tǒng)的檢測信號(hào)輸入端連接；耙臂位置系統(tǒng)的信號(hào)輸入端與位于疏浚控制臺(tái)的可編程邏輯控制器（PLC）的采集系統(tǒng)相連接；所述GPS信標(biāo)機(jī)和船舶艏向的電羅經(jīng)與控制電腦通過數(shù)據(jù)傳輸線路相連接；疏?？刂婆_(tái)的可編程控制器的采集系統(tǒng)和控制電腦通過網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)和圖形顯示系統(tǒng)連接。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：基于上述技術(shù)方案能夠通過計(jì)算出耙頭的大地坐標(biāo)，應(yīng)用Direct3D技術(shù)生成水下3D地形圖。在耙吸船施工過程中，由上耙管水平角度傳感器，上耙管垂直角度傳感器和下耙管水平角度傳感器、下耙管垂直角度傳感器檢測上耙管和下耙管的角度變化計(jì)算出耙頭相對(duì)于吸口的高度，由吸口壓力傳感器檢測的壓力變化計(jì)算出吸口深度，由耙頭相對(duì)吸口高度和吸口深度計(jì)算出耙頭實(shí)際深度，由吸口彎管和船體水平距離和耙管角度計(jì)算出耙頭距船體水平距離，結(jié)合船體參數(shù)和耙臂的設(shè)計(jì)參數(shù)可以計(jì)算出耙頭在船體坐標(biāo)系中的位置；基于船舶位置系統(tǒng)中安裝的GPS信標(biāo)機(jī)和電羅經(jīng)，獲得GPS信標(biāo)機(jī)的大地坐標(biāo)和船體所在坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系的偏移角度。結(jié)合之前計(jì)算出耙頭在船體坐標(biāo)系中的位置和偏移角度可以將耙頭在船體坐標(biāo)系中的位置轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系并計(jì)算出耙頭的大地坐標(biāo)。將耙頭施工位置處的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為有序數(shù)值陣列表示地面高程，建立數(shù)字地形模型（DEM），本發(fā)明中用數(shù)學(xué)定義的點(diǎn)來表示水下地形的高程變化，利用耙頭的大地坐標(biāo)建立數(shù)字地形模型（DEM）。本發(fā)明中主要采用多分辨率模型簡化技術(shù)（LOD）生成地形格網(wǎng)，將地形格網(wǎng)信息輸入到3D繪圖編程接口（Direct3D）中進(jìn)行繪制，并將深度顏色對(duì)照表上的顏色值賦到由數(shù)字地形模型（DEM）數(shù)據(jù)所構(gòu)成的三維模型中。本發(fā)明直接采用耙頭位置來建立水下數(shù)字地形模型，可以有效的減少使用多波束測深系統(tǒng)中由于水體運(yùn)動(dòng)引起的數(shù)據(jù)失真，水體異物產(chǎn)生的回波影響，聲波二次反射引起的數(shù)據(jù)失真，水下特殊地形引起的數(shù)據(jù)失真，聲速剖面采用不同經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵鸬臄?shù)據(jù)誤差等因素造成的問題，可以減少多波束測深系統(tǒng)后期需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而引起的進(jìn)一步數(shù)據(jù)失真問題。通過網(wǎng)格中頂點(diǎn)位置的高度的不同利用深度顏色對(duì)照表進(jìn)行渲染，采用的數(shù)字地形模型（DEM）使得計(jì)算機(jī)可以通過不同層次的分辨率來描述地形表示，采用多分辨率模型簡化技術(shù)（LOD）生成地形格網(wǎng)，可以在特定的分辨率下用更少的空間和時(shí)間更精確的實(shí)時(shí)表現(xiàn)更復(fù)雜的水下地形，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間實(shí)現(xiàn)耙吸船施工過程中水下地形實(shí)時(shí)顯示。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的原理圖。

圖2是耙臂的上耙管與下耙管幾何參數(shù)示意圖。

圖3是耙臂側(cè)視圖。

圖4是耙臂俯視圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施方式包括有一套耙臂設(shè)備和位于疏?？刂婆_(tái)的可編程控制器構(gòu)成的耙臂位置系統(tǒng)，一套獲得船舶GPS位置的GPS信標(biāo)機(jī)和船舶艏向的電羅經(jīng)與控制電腦構(gòu)成的船舶位置系統(tǒng)，一套計(jì)算耙頭大地坐標(biāo)和建立數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及位于疏?？刂婆_(tái)的圖形生成顯示系統(tǒng)組成。耙臂上安裝有測量耙臂角度的上耙管水平角度傳感器、上耙管垂直角度傳感器和下耙管水平角度傳感器、下耙管垂直角度傳感器，檢測耙臂吸口狀態(tài)的吸口壓力傳感器，上述各個(gè)傳感器的安裝位置是：上耙管垂直角度傳感器（2）安裝于上耙管側(cè)邊垂直處，用來測量上耙管垂直角度；上耙管水平角度傳感器（3）安裝于上耙管水平面處，用來測量上耙管水平角度；下耙管垂直角度傳感器（5）安裝于下耙管側(cè)邊垂直處，用來測量下耙管垂直角度；下耙管水平角度傳感器（4）安裝于下耙管水平面處，用來測量下耙管水平角度；吸口壓力傳感器（1）安裝于吸口處，用來計(jì)算當(dāng)前吸口深度；上述各個(gè)傳感器經(jīng)過信號(hào)電纜與耙臂位置系統(tǒng)的檢測信號(hào)輸入端連接；耙臂位置系統(tǒng)的檢測信號(hào)輸入端與位于疏?？刂婆_(tái)的可編程控制器的采集系統(tǒng)連接；所述GPS信標(biāo)機(jī)及船舶艏向的電羅經(jīng)與控制電腦通過數(shù)據(jù)傳輸線路相連接，GPS信標(biāo)機(jī)安裝于駕駛室頂部，用來獲得安裝位置處的WGS84坐標(biāo)；電羅經(jīng)安裝于駕駛室航行臺(tái)正中間，用來獲得相對(duì)于大地坐標(biāo)系的偏移角度；數(shù)據(jù)通過TCP網(wǎng)關(guān)將所有采集到的信息匯傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并建立數(shù)字地形模型；數(shù)字地形模型通過TCP網(wǎng)關(guān)傳輸至圖形生成顯示系統(tǒng)中生成并顯示在人機(jī)界面中。

耙頭施工過程中，采用耙臂上安裝的上耙管水平角度傳感器，上耙管垂直角度傳感器和下耙管水平角度傳感器、下耙管垂直角度傳感器獲得的原始電壓（V₀₁）和輸出電壓（V₁）計(jì)算角度（A₁，B_1,，A₂，B₂），吸口壓力傳感器（1）獲得的原始電壓（V₀₂）和輸出電壓（V₂）計(jì)算吃水，吸口彎管長度（L₀），上耙管（F₀F₁，長度L₁），下耙管（F₁F₂，長度L₂），吸口彎管和船體水平距離（r₁），計(jì)算出耙頭深度和水平偏移量：

耙頭距吸口垂直高度（h_y）：

h_y = h₀ +h₁ +h₂ = L₀ sinB₁ + F₀H₁ + F₁H₂

= L₀ sinB₁ + F₀F₁ sinB₁ + F₁F₂ sinB₂= (L₀ + L₁) sinB₁ + L₂ sinB₂

耙頭距船體水平距離（r_y）：

r_y = r₀ + r₁ + r₂= r₀ + L₁ sinA₁ + L₂ cosB₂ sin(A₁’+ A₂’)

= r₀ + L₁ sinA₁ + L₂ [ sinA₁(cos²B₂ - sin²A₂)^1/2+ sinA₂(cos²B₁ - sin²A₁)^1/2 ]/cosB₁

耙頭實(shí)際深度h與耙頭距吸口垂直高度h_y、吸口壓力傳感器吃水h₃、吸口壓力傳感器與吸口高度差h₄成關(guān)系：h=h_y +h₃ +h₄

耙頭橫移：r_x= L₁-L₁((cosB₁)²-(sinA₁)²)^1/2+

L₂-L₂[(cos²B₁ - sin²A₁)^1/2(cos²B₂ - sin²A₂)^1/2 -sinA₁sinA₂ ]/cosB₁

耙臂角度θ（A₁，A₂，B₁，B₂）與角度傳感器輸出電壓V₁、初始電壓V₀₁和初始角度θ₀的關(guān)系：θ= K₁(V₁ - V₀₁)+θ₀

吸口吃水傳感器吃水h₃與吸口吃水傳感器輸出電壓V₂、初始電壓V₀₂和初始吃水h₀₃成關(guān)系：h₃ = K₂(V₂ - V₀₂)+h₀₃

通過GPS信標(biāo)機(jī)獲得當(dāng)前安裝在船舶上這個(gè)點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，通過換算將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。根據(jù)GPS安裝在船舶上的位置，以船舶的首尾中心線為縱軸，船的尾部垂直中心線為橫軸，建立船體的坐標(biāo)系，獲得GPS在這個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，通過電羅經(jīng)的測量，計(jì)算獲得船舶坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系的偏移角度。在船體坐標(biāo)系中，根據(jù)GPS的坐標(biāo)及船體的設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得耙頭在船體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。然后通過之前測量的相對(duì)偏移角度及船體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)的計(jì)算公式，獲得耙頭的大地坐標(biāo)（大地經(jīng)度L、大地緯度B和大地高程H）。

將耙頭施工位置處的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為有序數(shù)值陣列（{V_i(X_i,Y_i,Z_i),i=1,2,3,---n,}其中（X_i,Y_i）表示該區(qū)域的平面坐標(biāo)，Zi是（Xi,Yi）對(duì)應(yīng)的高程）表示地面高程，建立數(shù)字地形模型（DEM），利用數(shù)學(xué)定義的點(diǎn)來表示水下地形的高程變化，將數(shù)字地形模型劃分為1m*1m的規(guī)則網(wǎng)格（網(wǎng)格大小代表數(shù)據(jù)精度），將耙頭大地坐標(biāo)的大地高程H賦予給每個(gè)網(wǎng)格的高程，如耙頭長度為4m，寬度為2m，每次耙頭過耙后，都有4*2個(gè)網(wǎng)格的高程數(shù)據(jù)將更新為耙頭大地坐標(biāo)的大地高程H。本發(fā)明中主要采用多分辨率模型簡化技術(shù)（LOD）生成地形格網(wǎng)（多分辨率模型簡化技術(shù)利用人眼的視覺冗余特性，按照視線方向和距離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近及地物本身的復(fù)雜程度不同，對(duì)地形場景的不同部分采用不同程度的細(xì)節(jié)層次進(jìn)行描述。大大的減小了的地形繪制過程中需要處理的三角形數(shù)量，加速了地形的實(shí)時(shí)繪制速度），將地形格網(wǎng)信息輸入到3D繪圖編程接口（Direct3D）中進(jìn)行繪制，并將深度顏色對(duì)照表上的顏色值賦到由數(shù)字地形模型（DEM）數(shù)據(jù)所構(gòu)成的三維模型中。在圖形生成顯示系統(tǒng)中建立3D環(huán)境，繪制出水下3D地形圖通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)绞杩？刂婆_(tái)的顯示器上顯示。