运用地效应飞行器进行河道测量的方法

摘要

运用地效应飞行器进行河道测量的方法属于河道测量技术；本发明首先运用地效应飞行器进行航空拍摄；运用拍摄所得河道位置信息对地效应飞行器测量轨迹进行规划；运用地效应飞行器搭载多波束测深仪、RTK测量装置及流速剖面仪进行河道测量；对航拍所得数据、多波束测深仪测量数据及流速剖面仪测量数据进行处理，得到河道水上水下三维地形图、河道深泓线及中泓线；本发明具有测量成本低、自动化程度高、适用范围广、河道地形数字化成图的特点。

主权项

一种运用地效应飞行器进行河道测量的方法，其特征在于所述河道测量方法步骤为：首先用地效应飞行器搭载航拍相机进行航空拍摄；运用拍摄所得河道位置信息对地效应飞行器测量轨迹进行规划；运用地效应飞行器搭载多波束测深仪、RTK测量装置及流速剖面仪进行河道水下地形测量；对航拍所得数据、多波束测深仪测量数据及流速剖面仪测量数据进行处理，得到河道水上水下地形的三维图像、河道深泓线及中泓线；其具体方法如下：(1)航拍控制点布设首先从待测河道的卫星地图上获取河道的粗略地理位置及地形信息，对航拍过程进行规划；将航拍河道进行分段，使每一段河道被正向航带(1)及反向航带(2)两条航带所覆盖；在正向航带(1)的起点、中点及终点分别布设控制点A、B、C(3、4、5)，在反向航带(2)的起点、中点及终点分别布设控制点D、E、F(6、7、8)；地面控制点布设完成后，运用RTK测量装置测量所布控制点在WGS‑84坐标系内的平面坐标及高程；(2)地效应飞行器航行路线布设运用地效应飞行器进行航拍任务，其正向航行地效应飞行器(9)及反向航行地效应飞行器(10)所拍摄照片组成立体相对，立体相对旁向重叠度取为50％～60％；该立体相对应覆盖待测河道横断面(12)的河面宽度及河岸上的地面控制点(11)，调整地效应飞行器飞行高程以达到此目的；根据航拍摄影范围及单幅相片尺寸选取航拍比例尺，所选比例尺为1∶m，则地效应飞行器飞行高程为：H＝f×m  (1)式中：m为航拍比例尺分母，f为航拍摄影机的物镜后节点至摄影机承片框平面的距离，称为主距；地效应飞行器于正向航带(1)及反向航带(2)中作往返飞行，地效应飞行器飞行轨迹为从正向航带(1)起点处控制点A(3)平面坐标飞往终点处控制点C(5)平面坐标；返航轨迹为由反向航带(2)起点处控制点D(6)平面坐标飞往终点处控制点F(8)平面坐标；则地效应飞行器航行轨迹表示为：(x₁，y₁，H)→(x₂，y₂，H)→(x₃，y₃，H)→(x₄，y₄，H)  (2)式中：(x₁，y₁)为正向航带(1)起点处控制点A(3)的平面坐标，(x₂，y₂)为正向航带(1)终点处控制点C(5)的平面坐标，(x₃，y₃)为反向航带(2)起点处控制点D(6)平面坐标，(x₄，y₄)为反向航带(2)终点处控制点F(8)的平面坐标，H为地效应飞行器飞行高程；(3)地效应飞行器飞行控制地效应飞行器控制器对地效应飞行器进行航向及航行速度控制；航向控制：于地面站(18)输入地效应飞行器飞行路径，即前向路径及返航路径，则地效应飞行器预定航迹上每一点坐标通过计算求得；地效应飞行器上搭载RTK测量装置，RTK测量装置实时地给出地效应飞行器的位置信息；通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的航向信息、当前位置与预定轨迹偏差信息、速度信息；地效应飞行器控制系统根据位置偏差及航向偏差对地效应飞行器舵机进行控制，纠正地效应飞行器航向使地效应飞行器按预定航迹飞行，且与预定航迹的位置误差保持在一定范围内；地效应飞行器与预定轨迹存在偏差时拍摄所得图像，通过对航拍相片内控制点坐标和控制点平面坐标及高程相对比，进而进行修正，使由位置偏差及姿态偏差引入的拍摄误差得到有效的补偿；速度控制：地效应飞行器控制系统控制地效应飞行器按恒定速度飞行；控制系统通过对地效应飞行器位置信息的解算，得到地效应飞行器的速度信息；通过与预定恒定速度进行比较，求得当前地效应飞行器速度与预定速度的差值；控制器根据速度差值对地效应飞行器螺旋桨进行控制，使地效应飞行器按恒定速度飞行；进而得到航拍相机快门曝光时间间隔为：t＝l_x×m／[(1‑p_x％υ]  (3)式中：t为航拍摄像机快门曝光时间间隔，l_x为航拍相片相幅边长，m为航拍比例尺分母，P_x％为航拍航向重叠度，υ为地效应飞行器飞行速度；(4)航空拍摄及航拍图像处理航拍过程中航拍相机(19)固定于相机稳定云台；相机稳定云台始终保持航拍相机摄影方向与大地水平面垂直；地效应飞行器航拍任务完成后，对航拍所得图像进行图像合成、解算及误差补偿处理，得到：1、拍摄河道上每一点的平面坐标及河道表面地形图；2、通过对航拍相片中立体相对的解算，得到河道两侧土坎、堤坝等建筑物上各点的平面坐标及高程；(5)地效应飞行器测量路径布设将得到的待测河道(13)表面地形图及河道位置信息导入地效应飞行器地面站(18)中进行测量路径布设；在地面站待测河道(13)表面地形图中运用一组折线对河道沿岸进行逼近，该组折线即为地效应飞行器测量航迹(14)；多波束测深仪向水中发射测深波束(17)，该波束扇面角固定，多波束测深仪测深时向水中发射的声波，声波扇面在河床上形成痕迹的总宽度为：L＝2h×tan(θ/2)  (4)式中：L为声波扇面在河床上痕迹的宽度，h为河道水深，θ为多波束测深仪发射声波扇面角；由上式知，L与h成正比，布设地效应飞行器测量路径时应先估算河道各点深度，布设路径应由两岸至河流中心逐渐稀疏；(6)河道水下地形测量及水流流速测量控制系统控制地效应飞行器在待测河道表面(15)按测量路径航行，其控制过程与步骤(3)相同；多波束测深仪的换能器与地效应飞行器进行固连；多波束测深仪换能器声波发射阵平行于地效应飞行器艏艉线布设，换能器声波接收阵则垂直于地效应飞行器艏艉线布设；换能器声波发射阵呈两侧对称，向正下方发射沿地效应飞行器纵向2°×沿地效应飞行器横向44°的扇形脉冲声波；换能器声波接收阵在束控方向上按收方式与换能器声波发射阵正好相反，以沿地效应飞行器纵向20°×沿地效应飞行器横向2°的16个接收波束角接收来自水底照射扇区的回波；接收指向性和发射指向性叠加后，形成沿地效应飞行器横向、两侧对称的16个2°×2°的波束，该波束于河道底部对应区域即为波束脚印(16)；多波束测深仪记录换能器发射声信号和接收声信号的时间差，则得到换能器与波束脚印间距离：S＝ct/2  (5)式中：c为水流中平均声速，t为换能器发射声波与接收声波的时间差，S为波束脚印与换能器间的距离；通过计算得到波束脚印与换能器相对位置；地效应飞行器搭载的RTK测量装置实时地给出地效应飞行器在WGS‑84坐标系中的平面坐标及高程：RTK测量装置天线与地效应飞行器固连，则RTK测量装置接收天线与多波束测深仪换能器相对位置为固定值；通过换算得到任一波束测量脚印于WGS‑84坐标系中的平面位置及高程；多波束测深仪的记录装置记录测得的每一点的平面坐标及高程；流速剖面仪也固定于地效应飞行器下方，流速剖面仪探头浸入水中一定深度；流速剖面仪利用声学多普勒效应原理对河流流速进行测量；多普勒效应原理即声源接近时，观察者所检测到的声调比原来的高，声源离开时，声调则比原来的低；流速剖面仪是通过按一定规律排列的4个声波换能器向水体中发射声纳脉冲波，然后接收来自水体中浮游生物、泥沙小颗粒等反散射体的反散射信号，按照反散射信号的多普勒频移计算出流速；(7)数据处理运用多波束测深仪的处理软件对多波束测深仪测量数据进行处理；多波束测深仪测量数据为河床上每一点在WGS‑84坐标系中的平面坐标及高程；通过坐标转换，将每一点于WGS‑84坐标系中坐标转换为北京54坐标系中坐标；通过每一点的平面坐标及高程，软件绘制出河道水下三维地形图；通过处理航拍图像，得到河道水上建筑物各点平面坐标及高程，绘制河道水上三维地形图；连接河道水下三维地形图中各断面中最深点，得到河道深泓线；将流速剖面仪测量数据与河道地形数据进行匹配，得到河道断面中每一点的流速信息，连接每一断面中流速最快点，得到河道中泓线。