基于GNSS技术的大型河道水下地形测量方法

2022-11-15 01:53
经纬天地 2022年5期
关键词:测量点河道定位

李 明

(阜阳市颍东区水利局,安徽 阜阳 236000)

0.引言

随着测绘技术的发展,在实际工程应用中结合雷达卫星定位、导航、计算机图形学等技术,建立大型河道水下地形测量模型越来越受到人们的关注。根据大型河道水下地形分布特性,采用遥感图像分割和信号处理方法,建立大型河道水下地形测量参数模型;同时通过阈值与界面反射特征分析,采用阈值分割方法,进行大型河道水下地形测量模型构建并分析河流地形及水体关系,最终形成大型河道水下地形测量成果。大型河道水下地形测量成果对河道的测量和水环境污染检测方面具有重要意义[1]。

对大型河道水下地形测量是建立在对河道地形的光谱特征分析基础上的,通过信号和图像特征分析,建立大型河道水下地形参数检测和估计模型[2,3]。文献[4]中提出双程声径的常梯度声线跟踪水下定位及地形测绘方法,构建空间差分和垂向差分辨识模型,并结合河底应答器坐标定位,实现差分定位和地形测量,但该方法受环境因素的影响较大。文献[5]中提出利用垂直重力梯度异常反演海底地形的解析方法,利用重力异常分布直接反演海底地形参数,为海底地形测量提供了理论参考,但该方法对浅水地形测量的局限性较大。文献[6]提出一种多波束测深定位方法获取河道水下地形数据,并采用空间自适应趋势面滤波法对地形数据进行分块后处理以提高数据质量和精准度,但是水下地形成果受去噪算法影响较大,可靠性有待进一步提升和验证。针对上述问题,本文提出基于GNSS技术的大型河道水下地形测量方法,采用GNSS技术系统进行大型河道水下地形网格化定位和信息采集,根据层内声速线性变化,建立大型河道水下地形的声波检测模型,根据卫星定位结果,构建河道水下地形分布的波谱特征信息,实现大型河道地形测量,最后采用真实的数据进行试验测试。

1.大型河道水下地形特征分析和参数采集

1.1 大型河道水下地形特征分析

对大型河道水下地形测量首先需要进行地形特征参数分析。大型河道水下地形参数采用GNSS技术,根据河道地形的反射波与入射波声压分布,建立大型河道水下地形的透射声压分析模型;根据声波强度分析,建立大型河道水下地形的定位模型,计算入射声波强度与透射声波强度比值,从而构建河道水下地形参数折射反射模型。根据全球卫星导航信号、声波强度、河底地形的折射波声压和河底地形反射回波信号强度,开展两介质的特征阻抗差分析,进而分析大型河道水下地形特征,基于此完成水下地形测量。

1.2 大型河道水下地形参数采集

根据对大型河道的水下地形特征分析,采用共轭梯度算法建立大型河道水下地形测量方程,构建体模型结构进行河底地形检测和定位,如图1所示。

图1 河道地形数据检测的体模型结构

由图1可知:假设Ω为大型河道水下地形分布的空间体特征点,河道定位的长方体模型长宽高分别为2a、2b、H-h,其中,H为河床到河面的高度,构建大型河道水下地形参数采集的质心分布方程,如式(1)所示:

式(1)中,G为河道地形数据分布的万有引力泛函常数;ρ为水下地形梯度系数2 700 kg/m3。根据河道地形分布模型,通过重力梯度全张量数据融合的方法,计算河道内侧地形分布参数W,得到测量方程,如式(2)所示:

由式(2)可知:在河道水下分布的上一个正方形区域中,通过GNSS技术进行河道水下地形测量模型构建,结合最小二乘求解非线性方程,获得定位信息,提高了测量的准确性。

2.大型河道水下地形测量优化

2.1 水下地形测量的定位模型

考虑到声速误差分布,通过重力梯度参数估计,在全张量数据融合中进行河道水下地形观测,构建观测模型,采用多源阵列检测的方法分布河底观测器,观测器分布坐标为X0(x0,y0,z0),模拟试验中测量地形方位的方法,计算河道的内侧地形分布参数,得到河底声速分布坐标为Xi(xi,yi,zi),采用单程声径声线跟踪的方法,进行声速层的构造,得到大型河道的单程声径水下定位模型,如式(3)所示:

式(3)中,f(Xi,X0)为河道水下地形测量的声速折线分布函数;δ为船载换能器位置相关系数;ρdi为声信号的水平位移;εi为应答器坐标改正数;基于水下定位模型构建,并采用时序脉冲进行河道的GNSS卫星定位,如图2所示。

图2 GDSS定位脉冲时序

2.2 地形测量优化实现

在上述采用共轭梯度算法建立大型河道水下地形测量方程的基础上,进行重力梯度全张量模式下的水下测量数据清洗、优化、治理、融合等处理工作,得到水下地形动态测量的观测方程,如式(4)所示:

式(4)中,ρi为换能器位置相关的随机分布参数;X1s为平差参数的协因数阵;X00为初始的应答器的概略坐标。采用高精度定位观测的方法,计算河道的内侧地形分布参数,得到计算单位权中误差和协方差阵(xi,yi,z)i;利用多个斜距建立误差方程组,采用相同的分层结果,得到第i层内传播的水平距离;根据层内声速线性变化,建立大型河道水下地形的声波检测模型;根据卫星定位结果,构建河道水下地形分布的谱特征信息。最终,采用梯度声线跟踪法,实现水下地形测量谱模型拟合。

3.试验测试分析

为测试本文方法在实现大型河道水下地形测量中的应用性能,需采用真实的试验数据并设计可靠的试验流程进行测试和评定。设定河道中河底与河面的最大和最低高度为10 m和2 m,GNSS卫星定位声线跟踪水平方向互差为0.305 m,脉冲响应幅值为35 dB,测量船平均水平位移为7.660 m。根据上述参数设定,将测量位置分为浅水和深水区域,得到在浅水测量点河道水下地形轮廓分布结果,如图3所示。

图3 浅水测量点河道水下地形轮廓分布结果

采用本文方法进行重力梯度全张量数据融合,并进行河流水体特征提取,在此基础上得到地形特征及正则化分布结果,如图4所示。

图4 浅水测量点地形特征及正则化分布结果

进一步对浅水测量点的地形进行量化识别,根据层内声速线性变化,建立大型河道水下地形的声波检测模型,得到水下地形标记结果,如图5所示。

图5 浅水测量点水下地形标记结果

图5中分别列出使用本文方法得到的水体检测识别结果、水体关键点位置和标记出的测量点位,可见,本研究能有效实现对大型河道浅水点的水下地形测量;同理,进行深水点的测量,结果如图6所示。

图6 深水测量点水下地形测量标记结果

由图5、图6可知:本文方法能有效实现对大型河道水下地形测量;将本文方法的测量精度与文献[4-6]的试验结果进行对比,精度结果的数值范围为0~1,数值越接近0,表明精度越低;数值越接近1,表明精度越高。最终测量结果如表1所示。由此可见,采用本文方法进行大型河道水下地形测量的精度较文献[4-6]的方法更高,并在不同深度下测量的稳定性更高。

在实际生产中,为保证大型河道水下地形测量成果满足实际应用的质量要求,需统一按照“两级审查、一级验收”的机制进行质量检查,对河道水下地形数据的完整性、一致性、属性精度、位置精度等指标进行一一检查。如果检查通过,则可作为最终成果进行验收;如果质量不合格,需按照整体技术流程,逐步分析问题,排除复杂因素的干扰,找出原因。

4.结束语

本文通过大型河道水下地形测量模型的构建,分析河流地形及水体关系,在此基础上提出基于GNSS技术的大型河道水下地形测量方法,建立大型河道水下地形的声波检测模型;在河道水下分布的上一个正方形区域中,通过GNSS技术进行河道水下地形测量模型构建,结合最小二乘求解非线性方程,获得定位信息,从而实现水下地形测量。通过试验结果对比分析得出:本文方法的测量精度较高,环境适应性较好,具有一定的应用价值。由于条件有限,本文没有融合使用多种全球导航卫星定位GNSS系统的数据参与大型河道水下地形测量试验,这种融合手段将会进一步提升水下地形测量结果的精度,这将是下一步工作的研究重点。

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