基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法技术

一种疏浚技术领域的种基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法，包括以下步骤：步骤一，对疏浚区域初始地形和水深进行测量，并进行网格划分；步骤二，利用实时动态定位系统测定疏浚点水平坐标，利用网格搜索算法得到疏浚点位于的单元格数，利用船载流量计测定疏浚管道泥浆流量，浓度测量位置为吸泥口位置，浓度测量方式为为基于水下电极传感器阵列的电阻层析成像技术；步骤三，把疏浚点水平坐标、疏浚点单元格数、疏浚管道泥浆流量信息、疏浚管道泥浆浓度导入数据处理与成像系统，利用质量守恒原理和网格重构算法实现网格化地形信息的更新，实现地形的实时反演。本发明专利技术能够实现全疏浚区域的地形实时动态显示，且能适用于多船作业；解决了地形反演实时性这一难题。解决了地形反演实时性这一难题。解决了地形反演实时性这一难题。

【技术实现步骤摘要】
基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法


[0001]本专利技术涉及的是一种疏浚
的水下地形反演方法，特别是一种能够实现全疏浚区域的地形实时动态显示的基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法。

技术介绍

[0002]随着疏浚技术的发展，对于疏浚过程中挖掘精度有了更高的要求；为了满足挖掘精度的要求，需保证地形测量的实时性和精度。当前，对于水下地形测量的常用方式为实时动态定位技术加数字测深仪的方式进行，其测量大多属于浚前测量和浚后测量，对于疏浚工程中地形的测量难以实现。疏浚过程中地形实时测量对于疏浚精度控制具有重要意义，解决这一问题对于高精度疏浚的实现至关重要，本文提出一种疏浚过程中地形实时反演技术，所用设备仪器设备多为疏浚船常用仪器设备，成本节约，使用便捷。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术的不足，提出一种基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法，本专利技术基于初始地形测量和实时动态定位技术，利用疏浚船船载流量计和吸泥口浓度测量的基于水下传感器阵列的电阻层析成像技术，基于质量守恒原理进行水下地形反演，能够实现全疏浚区域的地形实时动态显示，且能适用于多船作业。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术提供一种基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法，包括以下步骤：步骤一，对疏浚区域初始地形和水深进行测量，并对初始地形进行网格划分；步骤二，利用实时动态定位系统测定疏浚点水平坐标，利用网格搜索算法得到疏浚点位于的单元格数，利用船载流量计测定疏浚管道泥浆流量，基于水下电极传感器阵列的电阻层析成像技术在疏浚管道吸泥口位置测量泥浆浓度；步骤三，把疏浚点水平坐标、疏浚点单元格数、疏浚管道泥浆流量信息、疏浚管道泥浆浓度导入数据处理与成像系统，利用质量守恒原理和网格重构算法实现网格化地形信息的更新，实现地形的实时反演；
[0005]其中，在步骤一中，所述对初始地形的网格划分是把初始地形划分成三角网格或四边形网格，单元格的尺寸由初始地形精度和实时动态定位精度确定；划分单元格格数目为N，第i个单元格顶点坐标为P
ij
(x,y),单位米，j为第i个单元格的第j个顶点；若网格为三角形网格，则j＝1,2,3；若网格为四边形网格，则j＝1,2,3,4；第i个单元格的中心点坐标为C
i
(x,y)，单位米；水深信息赋予网格中心点，第i个单元格水深为H
i
，单位米；第i个单元格面积为S
i
，单位平方米；初始地形测量与单元网格划分完成后上述值均为已知值；
[0006]在步骤二中，所述实时动态定位系统为GPS系统和角度传感器，利用实时动态定位系统测定的疏浚点水平坐标为P
t
(x,y),单位为米。
[0007]进一步地，在本专利技术的步骤一中，疏浚区域初始地形的水深由多波束测深系统测得。
[0008]更进一步地，在本专利技术的步骤二中，当网格为三角形时，确定疏浚点单元格数的网
格搜索算法步骤如下：
[0009]步骤一，计算P
t
(x,y)与C
i
(x,y)之间的绝对距离d
i
；
[0010]步骤二，找出d最小的单元格k1,则该单元格的3个顶点坐标分别为,则该单元格的3个顶点坐标分别为计算计算这6个角的角度值；若6个角的角度值之和为180
°
，则P
t
(x,y)位于单元格k1内；若6个角度值之和不为180
°
，则进行步骤三；
[0011]步骤三，找出除k1之外d最小的单元格k2，然后进行步骤2相同的操作；
[0012]步骤四，以此类推，最终找出P
t
(x,y)位于的单元格数k。
[0013]更进一步地，在本专利技术的步骤二中，基于水下电极传感器阵列的电阻层析成像技术所测的浓度为管道吸泥口浓度c
vt
。
[0014]更进一步地，在本专利技术的步骤二中，利用质量守恒原理和网格重构算法实现网格化地形信息的更新，实现地形的实时反演的有关计算公式如下：
[0015]根据质量守恒定律可以得出如下关系式：
[0016]Q
t
*Δt*c
vt
＝S
k
*c0*Δh
t
[0017]计算可得，t时刻时水深变化量：
[0018][0019]对网格水深进行重构更新可得：
[0020]H
kt
＝H
kt
‑1+Δh
t
[0021]其中Q
t
为t时刻疏浚管道泥浆流量，单位为立方米/秒；Δt为测量时间间隔，单位为秒；c
vt
为t时刻疏浚管道吸泥口泥浆浓度，单位为百分比；S
k
为第k个单元格面积，单位为平方米；c0为原位底泥初始泥浆浓度，单位为百分比；Δh
t
为t时刻水深变化量，单位为米；H
kt
为t时刻第k个单元格水深值，单位为米；H
kt
‑1为t
‑
1时刻第k个单元格水深值，单位为米；通过H
kt
的计算式可以求得任意时刻的网格水深重构值，实现地形的实时反演。
[0022]更进一步地，在本专利技术中，原位底泥初始泥浆浓度c0采用现场取样的方式确定。
[0023]更进一步地，在本专利技术中，测量时间间隔Δt为实时动态定位信息更新时间间隔、流量计采样时间间隔、浓度计采样时间间隔的最小公倍数。
[0024]更进一步地，在本专利技术中，当疏浚区域内多船同时施工时，船与船之间实现数据的共享，并能将共享数据导入各自的数据处理与成像系统，实现整个疏浚区域内的地形反演成像。
[0025]更进一步地，在本专利技术的步骤三中，数据处理与成像系统具备激励电流信号输出、传感器数据接收与处理功能，植入了网格搜索、网格水深重构算法以及电阻层析图像重建算法，能够完成数据的处理和运算；具备实时成像的功能，能够实现反演地形的实时成像。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果为：本专利技术基于初始地形测量和实时动态定位技术，利用疏浚船船载流量计和吸泥口浓度测量的基于水下传感器阵列的电阻层析成像技术，基于质量守恒原理，提出了一种水下地形反演技术，该技术能够实现全疏浚区域的地形实时动态显示，且能适用于多船作业。相比传统技术本方法不需要船载数字测深仪的实时测定，减少了仪器的使用，在一定程度上提升了经济效益且更加的便捷。
附图说明
[0027]图1为本专利技术基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法原理图；
[0028]图2为本专利技术实施例的结构示意图；
[0029]图3为本专利技术实施例中初始地形的局部网格图；
[0030]图中标号：1、疏浚船，2、泥泵，3、流量计，4、角度传感器，5、铰接装置，6、吸泥管7、吸泥装置，8、初本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对疏浚区域初始地形和水深进行测量，并对初始地形进行网格划分；步骤二，利用实时动态定位系统测定疏浚点水平坐标，利用网格搜索算法得到疏浚点位于的单元格数，利用船载流量计测定疏浚管道泥浆流量，基于水下电极传感器阵列的电阻层析成像技术在疏浚管道吸泥口位置测量泥浆浓度；步骤三，把疏浚点水平坐标、疏浚点单元格数、疏浚管道泥浆流量信息、疏浚管道吸泥口泥浆浓度导入数据处理与成像系统，利用质量守恒原理和网格重构算法实现网格化地形信息的更新，实现地形的实时反演；其中，在步骤一中，所述对初始地形的网格划分是把初始地形划分成三角网格或四边形网格，单元格的尺寸由初始地形精度和实时动态定位精度确定；划分单元格格数目为N，第i个单元格顶点坐标为P
ij
(x,y),单位米，j为第i个单元格的第j个顶点；若网格为三角形网格，则j＝1,2,3；若网格为四边形网格，则j＝1,2,3,4；第i个单元格的中心点坐标为C
i
(x,y)，单位米；水深信息赋予网格中心点，第i个单元格水深为H
i
，单位米；第i个单元格面积为S
i
，单位平方米；初始地形测量与单元网格划分完成后上述值均为已知值；在步骤二中，所述实时疏浚头动态定位方法系统为GPS系统以及角度传感器的组合，利用实时动态定位系统测定的疏浚点水平坐标为P
t
(x,y),单位为米。2.根据权利要1所述的基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法，其特征在于在所述步骤一中，疏浚区域初始地形的水深由多波束测深系统测得。3.根据权利要1所述的基于质量守恒和实时定位的疏浚过程水下地形反演方法，其特征在于在所述步骤二中，当网格为三角形时，确定疏浚点单元格数的网格搜索算法步骤如下：步骤一，计算P
t
(x,y)与C
i
(x,y)之间的绝对距离d
i
；步骤二，找出d最小的单元格k1,则该单元格的3个顶点坐标分别为,则该单元格的3个顶点坐标分别为计算计算这6个角的角度值；若6个角的角度值之和为180
°
，则P
t
(x,y)位于单元格k1内；若6个角度值之和不为180
°
，则进行步骤三；步骤三，找出除k1之外d最小的单元格k2，然后进行步骤2相同的操作；步骤四，以此类推，最终找出P
t
(x,y)位于的单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：程书凤，冒小丹，王费新，邢津，尹纪富，洪国军，舒敏骅，周忠玮，张忱，
申请(专利权)人：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：