絞吸挖泥船施工位置水下3d地形的制作系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于航道疏浚應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是為絞吸挖泥船施工提供水下3D地形的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前使用的比較先進(jìn)的水深測(cè)量設(shè)備是多波束測(cè)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(cè)量船速等因素控制得當(dāng)?shù)那闆r下，多波束測(cè)深儀可以對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋的面測(cè)深，提高了測(cè)量船測(cè)量的作業(yè)效率，為水深測(cè)量提供了便利。但由于多波束測(cè)深系統(tǒng)需要由多傳感器協(xié)同進(jìn)行水深測(cè)量，觀測(cè)值多，誤差來(lái)源也多(如定位和測(cè)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(cè)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(cè)深結(jié)果的質(zhì)量，從而影響到水底地形的準(zhǔn)確顯示。
[0003]傳統(tǒng)的水下地形顯示使用測(cè)量船測(cè)量結(jié)果制作，不具有實(shí)時(shí)效應(yīng)，并且由于測(cè)量船測(cè)量過(guò)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。
[0004]現(xiàn)有的先進(jìn)絞吸挖泥船上已經(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))，提供絞吸船艏向的電羅經(jīng)，提供絞吸船橫搖，縱搖，沉降等姿態(tài)數(shù)據(jù)的傳感器。多波束測(cè)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(guò)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(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，測(cè)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(cè)量過(guò)程中多波束系統(tǒng)安裝過(guò)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(cè)點(diǎn)的位移，從而影響到海底測(cè)深精度，導(dǎo)致海底形態(tài)的畸變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型需要解決的問(wèn)題是提供一種在不同情況下的施工現(xiàn)場(chǎng)，排除多波束測(cè)深系統(tǒng)探測(cè)誤差，直接通過(guò)絞吸挖泥船絞刀施工位置生成水下3D地形的制作系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案包括一套橋架設(shè)備和位于疏?？刂婆_(tái)的可編程控制器構(gòu)成的橋架位置系統(tǒng)，一套獲得船舶GPS位置的GPS信標(biāo)機(jī)和潮位信號(hào)的潮位儀與控制電腦構(gòu)成的船舶位置系統(tǒng)，一套計(jì)算絞刀大地坐標(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，橋架上安裝有測(cè)量橋架角度的橋架角度傳感器；羅經(jīng)甲板上兩個(gè)不同位置安裝有檢測(cè)船舶位置的GPS信標(biāo)機(jī)，安裝在船上檢測(cè)潮位的潮位儀，其特征是所述橋架角度傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)電纜和橋架位置系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)輸入端連接；橋架位置系統(tǒng)的信號(hào)輸入端與位于疏?？刂婆_(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)與控制電腦通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路相連接；疏浚控制臺(tái)的可編程控制器的采集系統(tǒng)和控制電腦通過(guò)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(guò)網(wǎng)關(guān)和圖形顯示系統(tǒng)連接。
[0007]本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果:基于上述技術(shù)方案能夠通過(guò)計(jì)算出絞刀的大地坐標(biāo)，應(yīng)用Direct3D技術(shù)生成水下3D地形圖。在絞吸船施工過(guò)程中，由橋架角度傳感器的角度變化計(jì)算出絞刀的實(shí)際深度，結(jié)合橋架的設(shè)計(jì)參數(shù)可以計(jì)算出絞刀深度；基于船舶位置系統(tǒng)中兩個(gè)安裝在不同位置的GPS信標(biāo)機(jī)，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；通過(guò)GPS安裝在船體的具體位置(即GPS在船體坐標(biāo)系的參數(shù))，根據(jù)船體安裝橋架的設(shè)計(jì)參數(shù)即可以計(jì)算出絞刀的具體位置(船體坐標(biāo)系中的位置)；最后結(jié)合之前計(jì)算的偏移角度及船體坐標(biāo)系中的位置通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)系并算出絞刀的大地坐標(biāo)。將絞刀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)，本實(shí)用新型中用數(shù)學(xué)定義的點(diǎn)來(lái)表示水下地形的高程變化，利用絞刀的大地坐標(biāo)建立數(shù)字地形模型(DEM)。本實(shí)用新型中主要采用多分辨率模型簡(jiǎn)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。本實(shí)用新型直接采用絞刀位置來(lái)建立水下數(shù)字地形模型，可以有效的減少使用多波束測(cè)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(wèn)題，可以減少多波束測(cè)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(wèn)題。通過(guò)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，采用數(shù)字地形模型(DEM)使得計(jì)算機(jī)可以通過(guò)不同層次的分辨率來(lái)描述地形表示，采用多分辨率模型簡(jiǎn)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)絞吸船施工過(guò)程中水下地形實(shí)時(shí)顯示。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是本實(shí)用新型的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本實(shí)施方式包括有一套橋架設(shè)備和位于疏浚控制臺(tái)的可編程控制器構(gòu)成的橋架位置系統(tǒng)，一套兩個(gè)獲得船舶不同位置的GPS信標(biāo)機(jī)與控制電腦構(gòu)成的船舶位置系統(tǒng)，一套計(jì)算絞刀大地坐標(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。橋架上安裝有測(cè)量橋架角度的橋架角度傳感器，橋架傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)電纜與橋架位置系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)輸入端連接；橋架位置系統(tǒng)的檢測(cè)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)及潮位儀與控制電腦通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路相連接，兩個(gè)GPS信標(biāo)機(jī)安裝于羅經(jīng)甲板不同位置，獲得兩個(gè)安裝位置處的WGS84坐標(biāo)；數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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。
[0010]絞吸船施工過(guò)程中，采用橋架上安裝的橋架角度傳感器獲得的原始電壓(Vtll)和輸出電壓(V1)計(jì)算角度(A1),橋架長(zhǎng)度(L)，潮位(t)，計(jì)算出絞刀深度:絞刀深度(hy):hy=LsinArt ;橋架角度Θ (A1)與角度傳感器輸出電壓V1、初始電壓Vtll和初始角度Θ j勺關(guān)系:Θ = KJV1- Vtll)+Θ。。
[0011]通過(guò)安裝在羅經(jīng)甲板上的兩個(gè)GPS信標(biāo)機(jī)獲得WGS84坐標(biāo)，通過(guò)換算將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。以絞刀和絞吸船尾部鋼粧之間連接的中心線為縱軸，船的尾部橫截面線為橫軸，建立船體坐標(biāo)系，通過(guò)設(shè)備安裝參數(shù)獲得GPS在這個(gè)坐標(biāo)系中的船體坐標(biāo)。通過(guò)兩處GPS的坐標(biāo)計(jì)算出船體的橫移角度及船體坐標(biāo)系相對(duì)于平面坐標(biāo)系的偏移角度；在船體坐標(biāo)系中，根據(jù)橋架的安裝位置獲得橋架在船體坐標(biāo)系中的位置，同時(shí)根據(jù)橋架角度傳感器計(jì)算獲得的橋架角度變化，結(jié)合船體橋架設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出投影在船體水平面上的橋架長(zhǎng)度變化，最終獲得絞刀在船體坐標(biāo)系的位置。最后根據(jù)船體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)的計(jì)算公式，獲得絞刀的平面坐標(biāo)，最后轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)(大地經(jīng)度L、大地瑋度B和大地高程H)。
[0012]將絞刀施工位置處的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為有序數(shù)值陣列(IVi (Xi, Yi, Zi)，i=l, 2，3，
n，}其中(Xi, Yi)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(lái)表示水下地形的高程變化，將數(shù)字地形模型劃分為lm*lm的規(guī)則網(wǎng)格(網(wǎng)格大小代表數(shù)據(jù)精度)，將絞刀大地坐標(biāo)的大地高程H賦予給每個(gè)網(wǎng)格的高程，如絞刀長(zhǎng)度為3m，寬度為3m，每次絞刀施工后，都有3*3個(gè)網(wǎng)格的高程數(shù)據(jù)將更新為絞刀大地坐標(biāo)的大地高程H。本實(shí)用新型中主要采用多分辨率模型簡(jiǎn)化技術(shù)(LOD)生成地形格網(wǎng)(多分辨率模型簡(jiǎn)化技術(shù)利用人眼的視覺(jué)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(chǎng)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(guò)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(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)绞杩？刂婆_(tái)的顯示器上顯示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.絞吸挖泥船施工位置水下3D地形的制作系統(tǒng)，包括一套橋架設(shè)備和位于疏?？刂婆_(tái)的可編程控制器構(gòu)成的橋架位置系統(tǒng)，一套獲得船舶GPS位置的GPS信標(biāo)機(jī)和潮位信號(hào)的潮位儀與控制電腦構(gòu)成的船舶位置系統(tǒng)，一套計(jì)算絞刀大地坐標(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，橋架上安裝有測(cè)量橋架角度的橋架角度傳感器；羅經(jīng)甲板上兩個(gè)不同位置安裝有檢測(cè)船舶位置的GPS信標(biāo)機(jī)，安裝在船上檢測(cè)潮位的潮位儀，其特征是所述橋架角度傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)電纜和橋架位置系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)輸入端連接；橋架位置系統(tǒng)的信號(hào)輸入端與位于疏?？刂婆_(tái)的可編程邏輯控制器的采集系統(tǒng)相連接；所述GPS信標(biāo)機(jī)與控制電腦通過(guò)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(guò)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(guò)網(wǎng)關(guān)和圖形顯示系統(tǒng)連接。
【專利摘要】絞吸挖泥船施工位置水下3D地形的制作系統(tǒng)，包括一套橋架設(shè)備和可編程控制器構(gòu)成的橋架位置系統(tǒng)，一套獲得船舶GPS位置的GPS信標(biāo)機(jī)和潮位儀與控制電腦構(gòu)成的船舶位置系統(tǒng)，一套計(jì)算絞刀大地坐標(biāo)和建立數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及圖形生成顯示系統(tǒng)組成，橋架上安裝橋架角度傳感器；羅經(jīng)甲板上兩個(gè)不同位置安裝GPS信標(biāo)機(jī)，其特征是橋架角度傳感器經(jīng)過(guò)信號(hào)電纜和橋架位置系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)輸入端連接；橋架位置系統(tǒng)的信號(hào)輸入端與可編程邏輯控制器的采集系統(tǒng)相連接；所述GPS信標(biāo)機(jī)與控制電腦通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路相連接；可編程控制器的采集系統(tǒng)和控制電腦通過(guò)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(guò)網(wǎng)關(guān)和圖形顯示系統(tǒng)連接。
【IPC分類】G01C13-00
【公開(kāi)號(hào)】CN204575072
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520250240
【發(fā)明人】楊波, 戴文伯, 張晴波, 肖曄, 沈彥超
【申請(qǐng)人】中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日