基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法及装置，可在获取后处理数据时实时自动进行计算，直接提取沙波形态参数及确定运动方向，处理效率较高，结果准确可靠。方法包括：步骤1.利用多波束测深系统对待测区域进行测量，然后对测量数据进行后处理，形成基于地理坐标系的三维离散地形数据点集作为输入模型的原始测量数据；步骤2.基于三维离散地形数据点集构建利于提取沙波特征参数的数字水深模型；步骤3.求解每个中心单元格e的坡度和坡向；步骤4.确定背流面和迎流面、波峰和波谷所对应的单元格；步骤5.计算沙波的波高和平均背流角；步骤6.计算沙垄的波长、波高、背流角。背流角。背流角。

【技术实现步骤摘要】
基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法及装置


[0001]本专利技术属于沙波参数获取
，具体涉及基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法及装置。
技术背景
[0002]沙波运动是推移质泥沙输移的主要外在表现形式，也是河床变形的最常见形式之一，影响着床面阻力和水流泥沙运动，其几何形态参数的计算在行洪论证、取水工程、航道整治等生产实践活动中有着很大的影响，因此，观测沙波形态特征对于工程实践具有十分重要的意义。
[0003]天然河道沙波观测具有难度，对于天然河道沙波形态的研究本身较少。目前河道地形地貌测量方法以多波束测深(Multi
‑
Beam Echo Sounding,MBES)系统为主，然而多波束测深系统经过后处理生成的数据和图像无法直接反映沙波的形态和运动方向，因此沙波形态的提取方法尤为重要。目前天然沙波形态的提取方法较为局限，常用的方法主要有：利用连续的河床地形影像或软件中可视化的测深数据，人工统计和整理沙波信息；利用遥感影像提取沙波信息；利用地质统计学和信号处理技术自动检测。但是这些方法大都存在精度较低，处理效率不高，不能真正反映床面沙波形态，只限于单一剖面而没有分析整个区域床面沙波的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法及装置，可在获取后处理数据时实时自动进行计算，直接提取沙波形态参数及确定运动方向，处理效率较高，结果准确可靠。
[0005]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
[0006]<方法>
[0007]本专利技术提供了一种基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1.利用多波束测深系统对待测区域进行测量，然后对测量数据进行后处理，形成基于地理坐标系的三维离散地形数据点集作为输入模型的原始测量数据；
[0009]步骤2.基于三维离散地形数据点集构建利于提取沙波特征参数的数字水深模型，包括如下子步骤：
[0010]步骤2
‑
1.设置网格步长，找出原始测量数据中横坐标最小值、横坐标最大值、纵坐标最小值、纵坐标最大值的4个角点，依次记为A(x
a
,y
a
)、B(x
b
,y
b
)、C(x
c
,y
c
)、D(x
d
,y
d
)；
[0011]步骤2
‑
2.根据4个角点求出沿流向的网格总长度、垂直流向的网格总宽度，将计算范围划分成n
×
m个网格，其中n、m向上取整数；
[0012]求解沿流向的AD段长度并划分n列的过程如下：
[0013][0014][0015]式中：n为河段沿流向被划分的列数；AD为河段沿流向的长度；dx为网格沿流向的步长；x
a
、y
a
为横坐标最小的角点A的横、纵坐标；x
d
、y
d
为纵坐标最大的角点D的横、纵坐标；
[0016]求解垂直流向的DB
’
段长度并划分m行的过程如下：
[0017][0018][0019][0020][0021]式中：m为河垂直流向被划分的行数；DB
’
为河段垂直流向的长度；dy为网格垂直流向的步长；x
b
、y
b
为横坐标最大的角点B的横、纵坐标；x、y为网格角点B
’
的横、纵坐标；α为河段沿流向与大地水平坐标系所成的角度；tanα＝(y
d
‑
y
a
)/(x
d
‑
x
a
)；
[0022]步骤2
‑
3.设置网格方向和沙波运动方向一致；初始沙波运动方向假定为与流向一致，后续循环计算时沙波运动方向为与波峰点传播方向一致；求解各子单元格中心坐标{x(i,j),y(i,j)}：
[0023][0024][0025]式中：x(i,j)、y(i,j)为各子单元格中心坐标；x(1,1)、y(1,1)为第1行第1列的单元格中心点坐标；i、j为列数和行数；
[0026]步骤2
‑
4.求解每个子单元格4条边界线的表达式，统计每个子单元格覆盖的数据点数p
ij
，并将每个单元格内的数据高程光滑化，计算这一单元格内所有数据点高程的均值作为这一单元格中心点的高程z
ij
；
[0027]步骤3.求解每个中心单元格e的坡度S(i,j)和坡向C(i,j)；
[0028]步骤4.确定背流面和迎流面、波峰和波谷所对应的单元格；
[0029]步骤5.计算沙波的波高和平均背流角；
[0030]步骤6.计算沙垄的波长、波高、背流角。
[0031]优选地，本专利技术提供的基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，对待测区域采用多波束测深系统及其配套装置测量三维测深数
据、水文数据、泥沙数据，并获取测船位置信息和姿态数据，然后对测量后的数据通过潮位误差消除、声速剖面误差消除、噪声滤波、坐标转换后处理，形成基于地理坐标系的三维离散地形数据点集{X
i
,Y
i
,Z
i
}。
[0032]优选地，本专利技术提供的基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，还可以具有以下特征：在步骤2
‑
4中，单元格的4条边界线表达式分别为：
[0033]y＝tanα
·
x+a
ꢀꢀ
(9)
[0034]y＝tanα
·
x+b
ꢀꢀ
(10)
[0035][0036][0037]式中：x、y为边界线上点的坐标；截距a、b、c、d为未知数，代入单元格中心点坐标x(i,j)、y(i,j)可以得到单元格4条边界线中各截距a、b、c、d的值为：
[0038][0039][0040][0041][0042]统计每个子单元格覆盖的数据点数p
ij
，若数据点(x1,y1)满足以下4个条件则在此单元格内，否则不在此单元格内：
[0043]y1≥y＝tanα
·
x1+a
ꢀꢀ
(17)
[0044]y1<y＝tanα
·
x1+b
ꢀꢀ
(18)
[0045]x1≥x＝tanα
·
(c
‑
y1)
ꢀꢀ
(19)
[0046]x1<x＝tanα
·
(d
‑
y1)
ꢀꢀ
(20)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.利用多波束测深系统对待测区域进行测量，然后对测量数据进行后处理，形成基于地理坐标系的三维离散地形数据点集作为输入模型的原始测量数据；步骤2.基于三维离散地形数据点集构建利于提取沙波特征参数的数字水深模型，包括如下子步骤：步骤2
‑
1.设置网格步长，找出原始测量数据中横坐标最小值、横坐标最大值、纵坐标最小值、纵坐标最大值的4个角点，依次记为A(x
a
,y
a
)、B(x
b
,y
b
)、C(x
c
,y
c
)、D(x
d
,y
d
)；步骤2
‑
2.根据4个角点求出沿流向的网格总长度、垂直流向的网格总宽度，将计算范围划分成n
×
m个网格，其中n、m向上取整数；求解沿流向的AD段长度并划分n列的过程如下：求解沿流向的AD段长度并划分n列的过程如下：式中：n为河段沿流向被划分的列数；AD为河段沿流向的长度；dx为网格沿流向的步长；x
a
、y
a
为横坐标最小的角点A的横、纵坐标；x
d
、y
d
为纵坐标最大的角点D的横、纵坐标；求解垂直流向的DB
’
段长度并划分m行的过程如下：段长度并划分m行的过程如下：段长度并划分m行的过程如下：段长度并划分m行的过程如下：式中：m为河垂直流向被划分的行数；DB
’
为河段垂直流向的长度；dy为网格垂直流向的步长；x
b
、y
b
为横坐标最大的角点B的横、纵坐标；x、y为网格角点B
’
的横、纵坐标；α为河段沿流向与大地水平坐标系所成的角度；tanα＝(y
d
‑
y
a
)/(x
d
‑
x
a
)；步骤2
‑
3.设置网格方向和沙波运动方向一致；初始沙波运动方向假定为与流向一致，后续循环计算时沙波运动方向为与波峰点传播方向一致；求解各子单元格中心坐标{x(i,j),y(i,j)}：j),y(i,j)}：式中：x(i,j)、y(i,j)为各子单元格中心坐标；x(1,1)、y(1,1)为第1行第1列的单元格
中心点坐标；i、j为列数和行数；步骤2
‑
4.求解每个子单元格4条边界线的表达式，统计每个子单元格覆盖的数据点数p
ij
，并将每个单元格内的数据高程光滑化，计算这一单元格内所有数据点高程的均值作为这一单元格中心点的高程z
ij
；步骤3.求解每个中心单元格e的坡度S(i,j)和坡向C(i,j)；步骤4.确定背流面和迎流面、波峰和波谷所对应的单元格；步骤5.计算沙波的波高和平均背流角；步骤6.计算沙垄的波长、波高、背流角。2.根据权利要求1所述的基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，其特征在于：其中，在步骤1中，对待测区域采用多波束测深系统及其配套装置测量三维测深数据、水文数据、泥沙数据，并获取测船位置信息和姿态数据，然后对测量后的数据通过潮位误差消除、声速剖面误差消除、噪声滤波、坐标转换后处理，形成基于地理坐标系的三维离散地形数据点集{X
i
,Y
i
,Z
i
}。3.根据权利要求1所述的基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，其特征在于：其中，在步骤2
‑
4中，单元格的4条边界线表达式分别为：y＝tanα
·
x+a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)y＝tanα
·
x+b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)(10)式中：x、y为边界线上点的坐标；截距a、b、c、d为未知数，代入单元格中心点坐标x(i,j)、y(i,j)可以得到单元格4条边界线中各截距a、b、c、d的值为：元格4条边界线中各截距a、b、c、d的值为：元格4条边界线中各截距a、b、c、d的值为：元格4条边界线中各截距a、b、c、d的值为：
统计每个子单元格覆盖的数据点数p
ij
，若数据点(x1,y1)满足以下4个条件则在此单元格内，否则不在此单元格内：y1≥y＝tanα
·
x1+a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)y1<y＝tanα
·
x1+b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)x1≥x＝tanα
·
(c
‑
y1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)x1<x＝tanα
·
(d
‑
y1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)。4.根据权利要求1所述的基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，其特征在于：其中，步骤2还包括：步骤2
‑
5.网格构建合理性检验，在构建了基于三维离散地形数据点集的DDM后，输出网格中各子单元格共覆盖的数据点数计算其占原始数据点数的百分比占比在70％以上视为网格划分结果视为合理；若占比在70％以下，则调整4个角点的值，使网格尽可能覆盖原始数据点。5.根据权利要求1所述的基于多波束测深系统的沙波特征参数确定方法，其特征在于：其中，在步骤3中，设定3
×
3的窗口，其中各单元格分别为a,b,c；d,e,f；g,h,i，单元格e为中心单元格，计算各中心单元格e的坡度S(i,j)和坡向C(i,j)：中心单元格e的坡度S(i,j)为：式中：S(i,j)为坡度；dz为高程变化量；dz/dx为中心单元格e在x方向上的变化率；dz/dy为中心单元格e在y方向上的变化率：dy为中心单元格e在y方向上的变化率：中心单元格e的坡向角度C(i,j)为：中心单元格e的坡向角度C(...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏军强，曹玉芹，邓珊珊，周美蓉，李志威，刘鑫，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：