耙吸挖泥船施工位置水下3D地形的制作系统的制作方法

本发明属于航道疏浚应用系统，尤其是为耙吸挖泥船施工提供水下3D地形的系统。

背景技术：

目前使用的比较先进的水深测量设备是多波束测深系统，其显著特点是能一次发射和接收一列波束，在测量船速等因素控制得当的情况下，多波束测深仪可以对一个区域进行全覆盖的面测深，提高了测量船测量的作业效率，为水深测量提供了便利。但由于多波束测深系统需要由多传感器协同进行水深测量，观测值多，误差来源也多（如定位和测深的延时影响，海底地形影响，天气条件，仪器的安装方式，疏浚处理方法，水深筛选原则等产生的误差），参数测定的准确性与工作环境的恶劣程度，都在很大程度上影响测深结果的质量，从而影响到水底地形的准确显示。

传统的水下地形显示使用测量船测量结果制作，不具有实时效应，并且由于测量船测量过程中产生的误差造成最后制作的水下地形与绞吸船正式施工时的海底地形存在较大差异。

现有的先进耙吸挖泥船上已经安装了多波束发射接收换能器阵（声呐探头），多波束信号控制处理电子系统，提供大地坐标的DGPS差分卫星定位系统（GPS信标机），提供耙吸船艏向的电罗经，提供耙吸船横摇，纵摇，沉降等姿态数据的传感器。多波束测深系统采用广角度和多信道定向接收技术，获得水下高密度条幅式海底地形数据。利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个的海底被测点的水深值，测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，描绘出海底地形的三维特征。测量过程中多波束系统安装过程中存在的横向角度和纵向角度引起的横摇偏差和纵摇偏差，船只航行时引起的导航延迟和电罗经偏差，潮位（参考基准面）的变化，海水介质声速结构的变化都会导致测点的位移，从而影响到海底测深精度，导致海底形态的畸变。

技术实现要素：

本发明需要解决的问题是提供一种在不同情况下的施工现场，排除多波束测深系统探测误差，直接通过耙吸挖泥船耙头施工位置生成水下3D地形的制作系统。

本发明的技术方案包括一套耙臂设备和位于疏浚控制台的可编程控制器构成的耙臂位置系统，一套获得船舶GPS位置的GPS信标机和船舶艏向的电罗经与控制电脑构成的船舶位置系统，一套计算耙头大地坐标和建立数据模型的数据处理系统以及位于疏浚控制台的图形生成显示系统组成，耙臂上安装有测量耙臂角度的上耙管水平角度传感器、上耙管垂直角度传感器和下耙管水平角度传感器、下耙管垂直角度传感器，检测耙臂吸口状态的吸口压力传感器；驾驶室顶部安装有检测船舶位置的GPS信标机；航行台中间安装有检测船舶艏向的电罗经，其特征是所述上耙管水平角度传感器，上耙管垂直角度传感器和下耙管水平角度传感器、下耙管垂直角度传感器以及吸口压力传感器经过信号电缆和耙臂位置系统的检测信号输入端连接；耙臂位置系统的信号输入端与位于疏浚控制台的可编程逻辑控制器（PLC）的采集系统相连接；所述GPS信标机和船舶艏向的电罗经与控制电脑通过数据传输线路相连接；疏浚控制台的可编程控制器的采集系统和控制电脑通过网关和数据处理系统连接；数据处理系统通过网关和图形显示系统连接。

本发明的有益技术效果：基于上述技术方案能够通过计算出耙头的大地坐标，应用Direct3D技术生成水下3D地形图。在耙吸船施工过程中，由上耙管水平角度传感器，上耙管垂直角度传感器和下耙管水平角度传感器、下耙管垂直角度传感器检测上耙管和下耙管的角度变化计算出耙头相对于吸口的高度，由吸口压力传感器检测的压力变化计算出吸口深度，由耙头相对吸口高度和吸口深度计算出耙头实际深度，由吸口弯管和船体水平距离和耙管角度计算出耙头距船体水平距离，结合船体参数和耙臂的设计参数可以计算出耙头在船体坐标系中的位置；基于船舶位置系统中安装的GPS信标机和电罗经，获得GPS信标机的大地坐标和船体所在坐标系相对于大地坐标系的偏移角度。结合之前计算出耙头在船体坐标系中的位置和偏移角度可以将耙头在船体坐标系中的位置转换为大地坐标系并计算出耙头的大地坐标。将耙头施工位置处的大地坐标转换为有序数值阵列表示地面高程，建立数字地形模型（DEM），本发明中用数学定义的点来表示水下地形的高程变化，利用耙头的大地坐标建立数字地形模型（DEM）。本发明中主要采用多分辨率模型简化技术（LOD）生成地形格网，将地形格网信息输入到3D绘图编程接口（Direct3D）中进行绘制，并将深度颜色对照表上的颜色值赋到由数字地形模型（DEM）数据所构成的三维模型中。本发明直接采用耙头位置来建立水下数字地形模型，可以有效的减少使用多波束测深系统中由于水体运动引起的数据失真，水体异物产生的回波影响，声波二次反射引起的数据失真，水下特殊地形引起的数据失真，声速剖面采用不同经验模型引起的数据误差等因素造成的问题，可以减少多波束测深系统后期需要进行数据处理从而引起的进一步数据失真问题。通过网格中顶点位置的高度的不同利用深度颜色对照表进行渲染，采用的数字地形模型（DEM）使得计算机可以通过不同层次的分辨率来描述地形表示，采用多分辨率模型简化技术（LOD）生成地形格网，可以在特定的分辨率下用更少的空间和时间更精确的实时表现更复杂的水下地形，减少数据处理时间实现耙吸船施工过程中水下地形实时显示。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是耙臂的上耙管与下耙管几何参数示意图。

图3是耙臂侧视图。

图4是耙臂俯视图。

具体实施方式

本实施方式包括有一套耙臂设备和位于疏浚控制台的可编程控制器构成的耙臂位置系统，一套获得船舶GPS位置的GPS信标机和船舶艏向的电罗经与控制电脑构成的船舶位置系统，一套计算耙头大地坐标和建立数据模型的数据处理系统以及位于疏浚控制台的图形生成显示系统组成。耙臂上安装有测量耙臂角度的上耙管水平角度传感器、上耙管垂直角度传感器和下耙管水平角度传感器、下耙管垂直角度传感器，检测耙臂吸口状态的吸口压力传感器，上述各个传感器的安装位置是：上耙管垂直角度传感器（2）安装于上耙管侧边垂直处，用来测量上耙管垂直角度；上耙管水平角度传感器（3）安装于上耙管水平面处，用来测量上耙管水平角度；下耙管垂直角度传感器（5）安装于下耙管侧边垂直处，用来测量下耙管垂直角度；下耙管水平角度传感器（4）安装于下耙管水平面处，用来测量下耙管水平角度；吸口压力传感器（1）安装于吸口处，用来计算当前吸口深度；上述各个传感器经过信号电缆与耙臂位置系统的检测信号输入端连接；耙臂位置系统的检测信号输入端与位于疏浚控制台的可编程控制器的采集系统连接；所述GPS信标机及船舶艏向的电罗经与控制电脑通过数据传输线路相连接，GPS信标机安装于驾驶室顶部，用来获得安装位置处的WGS84坐标；电罗经安装于驾驶室航行台正中间，用来获得相对于大地坐标系的偏移角度；数据通过TCP网关将所有采集到的信息汇传输至数据处理系统中进行数据处理并建立数字地形模型；数字地形模型通过TCP网关传输至图形生成显示系统中生成并显示在人机界面中。

耙头施工过程中，采用耙臂上安装的上耙管水平角度传感器，上耙管垂直角度传感器和下耙管水平角度传感器、下耙管垂直角度传感器获得的原始电压（V₀₁）和输出电压（V₁）计算角度（A₁，B_1,，A₂，B₂），吸口压力传感器（1）获得的原始电压（V₀₂）和输出电压（V₂）计算吃水，吸口弯管长度（L₀），上耙管（F₀F₁，长度L₁），下耙管（F₁F₂，长度L₂），吸口弯管和船体水平距离（r₁），计算出耙头深度和水平偏移量：

耙头距吸口垂直高度（h_y）：

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

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

耙头距船体水平距离（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

耙头实际深度h与耙头距吸口垂直高度h_y、吸口压力传感器吃水h₃、吸口压力传感器与吸口高度差h₄成关系：h=h_y +h₃ +h₄

耙头横移：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）与角度传感器输出电压V₁、初始电压V₀₁和初始角度θ₀的关系：θ= K₁(V₁ - V₀₁)+θ₀

吸口吃水传感器吃水h₃与吸口吃水传感器输出电压V₂、初始电压V₀₂和初始吃水h₀₃成关系：h₃ = K₂(V₂ - V₀₂)+h₀₃

通过GPS信标机获得当前安装在船舶上这个点的WGS84坐标，通过换算将该坐标转换为大地坐标。根据GPS安装在船舶上的位置，以船舶的首尾中心线为纵轴，船的尾部垂直中心线为横轴，建立船体的坐标系，获得GPS在这个坐标系中的坐标，通过电罗经的测量，计算获得船舶坐标系相对于大地坐标系的偏移角度。在船体坐标系中，根据GPS的坐标及船体的设计参数，获得耙头在船体坐标系中的坐标。然后通过之前测量的相对偏移角度及船体坐标转换为大地坐标的计算公式，获得耙头的大地坐标（大地经度L、大地纬度B和大地高程H）。

将耙头施工位置处的大地坐标转换为有序数值阵列（{V_i(X_i,Y_i,Z_i),i=1,2,3,---n,}其中（X_i,Y_i）表示该区域的平面坐标，Zi是（Xi,Yi）对应的高程）表示地面高程，建立数字地形模型（DEM），利用数学定义的点来表示水下地形的高程变化，将数字地形模型划分为1m*1m的规则网格（网格大小代表数据精度），将耙头大地坐标的大地高程H赋予给每个网格的高程，如耙头长度为4m，宽度为2m，每次耙头过耙后，都有4*2个网格的高程数据将更新为耙头大地坐标的大地高程H。本发明中主要采用多分辨率模型简化技术（LOD）生成地形格网（多分辨率模型简化技术利用人眼的视觉冗余特性，按照视线方向和距离视点的远近及地物本身的复杂程度不同，对地形场景的不同部分采用不同程度的细节层次进行描述。大大的减小了的地形绘制过程中需要处理的三角形数量，加速了地形的实时绘制速度），将地形格网信息输入到3D绘图编程接口（Direct3D）中进行绘制，并将深度颜色对照表上的颜色值赋到由数字地形模型（DEM）数据所构成的三维模型中。在图形生成显示系统中建立3D环境，绘制出水下3D地形图通过网关传输到疏浚控制台的显示器上显示。