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专利名称：一种水下淤积量探测分析处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水下淤积量探测技术领域，具体地讲，涉及一种水下淤积量探测分析处理系统。
背景技术：
我国是当今世界上水资源最匮乏的国家之一。如何实现我国水资源优化配置，使我国的经济持续高速发展，是当今社会面临的重大课题。南水北调工程就是实现我国水资源南北调配、东西互济的战略性宏伟工程。南水北调东线工程从扬州附近长江干流引水，利用京杭运河及其它平行河道逐级提水北送，向黄淮海平原东部地区和胶东半岛供水。干线全长2000km之多，沿京杭运河，利用洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖及多座水库调蓄向苏、 鲁、冀、天津市供水，不仅建设工程量巨大，所经湖泊疏浚任务也非常繁重，疏浚淤泥质及水生植物复杂，工期短，急需河湖清淤的淤积量快速测量计算及高效清淤设备，以适应南水北调工程建设和运行管理需要。另外，我国江河湖泊水库清游及沿海吹填也需要水下快速测量计算及高效清淤设备。在进行清淤之前，需对水底的淤积情况进行详细的了解，将使工作有的放矢，提高施工质量和施工效率，清淤结束后，也需要对清淤效果进行定量检测。发明目的
本发明要解决的技术问题是提供一种水下淤积量探测分析处理系统，实现对水库、江河、湖泊水下淤泥层的三维探测，然后采用自行研究的高分辨率数据处理技术实现对探测结果的处理分析和图像重建。本发明采用如下技术手段实现发明目的
一种水下淤积量探测分析处理系统，包括GPS定位系统，其特征是所述GPS定位系统连接浅层剖面仪，所述浅层剖面仪连接计算机、换能器、监视器和运动传感器，所述计算机内设置信息处理程序，所述信息处理程序包括
探测数据处理与解释子系统用于探测数据的高分辨率剖面处理、剖面解释及文件管
理；
淤积量计算和三维成像子系统用于水道及水库库容量、淤泥层的淤积量计算与水底三维动态成像。作为对本技术方案的进一步限定，所述探测数据处理与解释子系统包括频谱分析与滤波�？�、用于多次波消除的K-L变换�？�、预测反褶积及中值滤波模块、层位追踪模块、时间深度转换�？�、形成层深文件�？�、保存图像文件�？�、标准与非标准SEGY格式转换�？�、SES转换为ASC文件格式�？�、文件信息查看模块、极性反转�？�、实测剖面平面航行轨迹显示模块、记事本和计算器�？�。作为对本技术方案的进一步限定，所述淤积量计算和三维成像子系统包括水底模型网格剖分�？�、水底模型体积计算�？椤⒂倩考扑隳？�、三维动态显示�？楹筒噬允灸？�。作为对本技术方案的进一步限定，所述换能器上设置有减震装置。
作为对本技术方案的进一步限定，所述浅层剖面仪为SES-2000 compact浅层剖面仪。作为对本技术方案的进一步限定，所述GPS定位系统为GPS1200接收机。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是本发明采用先进的浅地层剖面探测技术，利用高精度GPS系统设定测线，实现了对浅剖仪和GPS同步控制，实现对水库、江河、湖泊水下淤泥层的三维探测，然后采用自行研究的高分辨率数据处理技术实现对探测结果的处理分析和图像重建。将预测滤波的理论用于解决反褶积，在预测反褶积处理时， 合理预测步长，通过预测反褶积消除多次波干扰问题，成功的解决了多次波造成的干扰；利用正K-L变换把原始数据投影于空间中，很好的解决一次波与多次波交叉同轴问题，利用反K-L变换，获得仅有一次反射的道集，衰减多次波，提高了分辨率。通过对层位数据进行追踪，然后对追踪数据进行抽道，形成层深文件，从而拾取水底及淤泥层底界反射轴，并据此开发出二个软件�？椋迪至巳拭嫔疃刃畔⒌淖远崛�、自动存储。基于探测水深、 淤泥层底界面深度和相应探测点三维空间坐标，将三角柱精密计算技术应用对库容和淤积量的计算，利用所开发的软件很方便地得到精确的库容和水下淤积量的计算数据，为精确评价淤积量和控制清淤提供符合实际的数据支撑。通过研究三维探测剖面的构建和显示技术，实现了三维剖面深度信息的提取、存储和水底界面、淤泥层底界面三维空间分布图像构建与显示，重建图像可三维反映出探测水域水深、淤泥层厚度及物性状态。


图1本发明优选实施例的结构方框图。图2为本发明优选实施例流程图。图3为本发明换能器安装结构示意图。图4为本发明浅剖数据的典型图像特征。图5为本发明打开的单个读入剖面解释成果文件显示图。图6为本发明打开的多个读入剖面解释成果文件显示图。图7为本发明水底模型网格剖分界面示意图。图8为利用三角网计算水体体积示意图。图中，1、船体，2、换能器，3、支撑架。
具体实施例方式下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。参见图1 一图8，包括GPS定位系统、浅层剖面仪、计算机、换能器、监视器、运动传感器。所述GPS定位系统连接浅层剖面仪，所述浅层剖面仪连接计算机、换能器、监视器和运动传感器，所述计算机内设置信息处理程序，所述信息处理程序包括
探测数据处理与解释子系统用于探测数据的高分辨率剖面处理、剖面解释及文件管理；淤积量计算和三维成像子系统用于水道及水库库容量、淤泥层的淤积量计算与水底三维动态成像。所述探测数据处理与解释子系统包括频谱分析与滤波�？�、用于多次波消除的 K-L变换�？�、预测反褶积及中值滤波模块、层位追踪�？�、时间深度转换�？�、形成层深文件�？�、保存图像文件�？�、标准与非标准SEGY格式转换�？�、SES转换为ASC文件格式�？�、文件信息查看模块、极性反转�？�、实测剖面平面航行轨迹显示�？�、记事本和计算器�？�。频谱分析与滤波�？槎愿咂岛偷推蹈扇挪ń幸种疲怀隽撕５子胗倌嗟捉绲挠行Х瓷洳ㄐ藕�。通过快速富氏变换，对声纳探测记录道进行频谱和功率谱分析，包括振幅谱和相位谱分析。然后根据声纳探测记录中有效波和干扰波的频率差异，在时间域实现声纳探测记录的一维频率滤波。K-L变换�？橥ü稚⒍啻畏瓷洳ǖ哪芰吭谝恍┨卣飨蛄可希幌喔傻哪芰勘磺谐赥 一 X域内重建多次反射波模型，并从数据中减去，达到消除多次波的目的。利用K-L 变换之前首先要对地震道集进行正常时差校正，且要使用多次波的速度来进行校正。经过多次波速度动校正后的道集上，多次波呈现水平同相轴；而一次波同相轴由于使用的速度不正确呈现出弯曲状态。这样经K-L变换后，在K-L域内多次波的能量主要集中在前几个主分量上，而一次波的能量则比较分散，从而将多次波与一次波区分开来。为了消除多次波我们可以采用两种方法一是利用前几个主分量重建多次波，再从原始记录中减去重建的多次波；二是利用一次波所分布的主分量直接重建一次波，作为消除多次波的结果。预测反褶积模块压制多次波，提高纵向分辨率。中值滤波模块中值滤波，也可以叫做剖面光滑。是通过多道的平均值来替代单道的剖面的目的。中值滤波的目的是抑制随即噪声、突出有效异常。把声纳探测剖面看作是由二维行列构成的图像或者矩阵数据
dat[i][j] ；Ci= 1，2，3 ...... N,表示列；j=l, 2，3 ......M，表示行)
把第i列前后的L (L的取值可根据测试确定，这里取25)列每一行上的数据取平均
值dat_aVer[j] (j=l, 2，3 ......M，表示行)，然后用第i列的每行数据分别减去dat_
aver [j]；
Δ dat[j]= dat[i] [j] - dat_aver[j]； 最后，把Δ dat[j]再赋给dat[i][j]重新显示。从中值滤波的算法可以看出，中值滤波非常适合随即噪声和直达波的去除。层位追踪模块包括自动层位追踪、手工拾取半自动层位追踪和手工拾取交互式层位追踪。自动层位追踪是根据水底结构层设置和自动追踪层位设置的结果进行主要层位的自动追踪。手工拾取半自动层位是通过用户拾取层位界面的反射位置由系统再去自动追踪。即使采用手工拾取半自动层位有时候追踪得到的层位界面结果仍然不是很准确，这时候就要采用手工交互式层位追踪。手工交互式层位追踪是用户用鼠标去逐段拾取界面层位。时间深度转换模块是对时间剖面上追踪的时间层位转换为深度剖面。时深转换采用的原理是声波在水中和淤泥中的速度、走时和距离的关系，即S=V* (2*t)进行时间剖面到深度剖面的转换。声纳探测器收到的时间信号，即时间剖面。在时间剖面解释出水底和淤泥底的界面层位，通过已知声波在水中和淤泥中传播的速度即可以得到水底和淤泥底的深度。形成层深文件是对时深转换以后的剖面按照一定的道间隔，提取相应的数据，保存成层深文件，以供下一步三维模型构建使用。采用的方法是利用给定的道间隔，对追踪的数据进行了抽道。本系统提供了两种抽道方式按道数和距离进行抽道。距离方式是根据道头中的GPS坐标进行计算，按照固定的间隔距离进行抽道；道间隔方式是按照固定的间隔道数进行抽道。所述淤积量计算和三维成像子系统包括水底模型网格剖分�？�、水底模型体积计算�？�、淤积量计算�？�、三维动态显示模块和彩色显示�？椤Ｋ啄Ｐ屯衿史帜？椴捎昧� Delaimay三角剖分的方法对剖面上解释出的淤泥底和水底的成果进行三角网格化，形成含强约束条件的Delaimay不规则三角网 (Constrained Delaunay Triangulated Irregular Networks，CDTIN)，建立水底模型体积模型和淤泥底体积模型，为下一步水底体积和淤积量计算奠定基础。水底模型体积计算模块采用基于Voronoi图的体积模型计算方法。数字地形模型 (DTM或者DEM)主要有Grid法和TIN法。TIN法是通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面片来逼近地层表面(界面)，与Grid法相比，能够更好的顾及约束特征，能更精确的表示复杂表面，故常采用CDTIN来建立数字表面模型。三角形是构建地层表明模型的基本单元，实现地层的2D对象表达，从而实现水底模型体积计算模型。淤积量计算�？椴捎玫姆椒ㄓ胨啄Ｐ吞寤扑隳Ｐ拖嗨�。不同的是，淤积量计算模型采用了淤泥底体积模型与水底体积模型的差运算来实现淤积量的计算。在剖面上淤积的厚度是淤泥底的深度与水底深度的差，通过建立淤泥底的不规则三角网可以得到淤积的面积和范围；结合已经计算出的淤积厚度即可计算淤积量。三维动态显示�？榻岷螼penGL技术与数字地形模型(DTM)技术实现了水底与淤泥底的三维动态显示。三维体数据中蕴藏着丰富细腻的物体结构，但其本身并不包含任何几何信息，它只是某种属性的空间采样。因此，只有通过重建现实世界中物体的三维几何模型，才能有效地对物体的几何信息和属性信息进行定性或定量的分析，才能识别和区别三维体数据中的各种物体。通过三维动态显示可直观地查看淤积底界面和水底的三维空间形态以及淤积厚度的空间变化，为清淤工作提供方便的可视化条件。彩色显示�？椴捎昧耸莨橐换�256色分级图像模型利用颜色来反映淤泥底界、水底的深度变化以及淤积厚度的变化。该�？槭紫榷允萁泄橐换恚缓蠓殖� 256级，并与256色分级图像模型相对应。256色分级图像模型采用了颜色调色板来实现颜色的调配，因此通过修改颜色调色板即可达到修改图像颜色模型的目的，从而达到了快速颜色分级和显示。同理，通过修改颜色的分级的等级值可以实现对图像颜色的修改达到突出强弱能量(这里只深度和厚度)的目的。所述换能器上设置有减震装置。所述浅层剖面仪为SES-2000 compact浅层剖面仪。所述GPS定位系统为GPS1200接收机 1、SES-2000 compact浅层剖面仪基本情况
SES-2000 compact参量阵浅层剖面仪是德国hnomar公司生产的世界上第一款便携式参量阵测深浅地层剖面仪。设备体积小，紧凑型主机没有内置电脑，可以通过USB接口连接笔记本电脑。参量阵的优势在于波束角度�。直媛矢撸苫竦镁匪钍荨ES-2000 专门为近岸和河道等水深小于400米的浅水作业而设计，是一种提供测深、浅地层剖面解决方案的新型参量阵声纳。换能器小巧轻便，安装快捷。系统采用差频原理进行浅地层剖面勘探和精确水深测量，具有很高的分辨率(IOOKHz换能器束角仅为1.8° )。1.1系统构成
SES-2000 compact由下面几部分组成
(1)配备发送器、接受器和放大器的主机系统单元，在主机单元箱内有发射单元、模拟及数字信号处理单元及工业计算机。(2)SES-2000紧凑型配备的外接电脑。(3)用来发送和接收信号的换能器阵列。1.2 SES-2000 compact浅层剖面仪现场安装 (1)换能器安装
在换能器的框架上有带子或孔洞来固定传感器，数据采集时，换能器连接口和换能器输入端口相连；USB控制口和外置笔记本相连；运动传感器输入口和外置GPS相连。在换能器的框架上有带子或孔洞来固定传感器，由于声束较窄，为了正确地进行换能器操作，一定要使换能器固定牢固并且垂直。整个换能器必须时刻没在水里。换能器应该安装在合适的位置以避免水旋和气泡通过换能器下面。如果在较浅的水域测量，换能器不能是船的最低点。如果换能器的声波发射部分碰触地面或物体会很容易受到损坏。如果换能器安装在船体的一侧，应确保声波(声波的高频旁瓣)不要碰到船体，为了避免船舶发动机干扰，传感器应放置在尽量远离发动机。为了避免碰撞产生的噪声干扰，换能器安装应该尽量减轻机械碰撞，尤其是在金属与金属的连接处最好用塑料或橡胶进行减震。为了降低主发电机产生的噪音，换能器外壳应与SES-2000主机单元通过一个独立的电缆连接。可选通用支架将换能器安装固定在小船的船舷上。(2) SES-2000 compact浅层剖面仪主机单元安装
主机单元应安装在干燥并安全的地方，并且应当采取适当的方法保证其在较恶劣的情况下避免机械损伤。在设备底部及后部上方的冷却孔一定不要盖上。保护单元及安装位置不要进水！确保冷确孔是打开的，通风设施可以得到空气。在插上电源电缆之前连接所有外部装置到SES-2000 (监视器，键盘，鼠标，打印机，但不要运动传感器和定位系统！)只能使用合适的插头及插排。在电脑启动Windows运行后，插上定位系统数据连接器(通常是GPS )及运动传感启数据。在系统运行时不要插拔连接器。电源 115 - 230 V AC +5%/-10%, 50_60Hz。将 SES-2000 系统的电源开关打开以激活仪器，首先要检查电源供应LEDs的显示。如果操作系统正常运行，开启控制软件“SES for Windows" (SESWIN)。SES-2000系统通过一个串口连接运动传感器来进行升降补偿。可以使用下列运动传感器格式
Format MRU normal (Seatex, Norway) Format MRU Standard
User Configurable Format (TSS， Great Britain)Format TSS-I Format EM-3000 Format OCTANS Std 1
SES-2000系统装备一个串行接口来输入导航数据。串行接口的设置可以通过SESWIN 软件进行调节。可以使用任何具有ASCII数据输出的导航仪表。通常数据格式为NMEA兼容模式或者纯文本。在仪器改进中选择徕卡GPS1200作为连续定位系统，带有SmartTrack+技术的GPS1200测量引擎可以跟踪两种全球导航卫星系统的卫星，从而扩展了可跟踪卫星的数量。这种新款SmartTrack+测量引擎可以跟踪所有可用的GNSS信号(L2C与GL0NASS)。 能跟踪的卫星越多，工作效率、测量精度和可靠性就越高。利用SmartTrack+技术可在数秒钟内捕获卫星信号，即使在高楼林立的都市以及遮挡严重的地方也能够获得理想的定位结果。Smar rack+功能的GPS1200接收机支持接收未来的GPS L5信号和伽利略卫星信号。SES-2000系统具有一个RS232导航数据输入端口。导航数据可以从一(D)GPS系统得到，输入是NMEA兼容的或者可以配置到任何ASCII格式。为了避免与天线偏离产生的位置误差，GPS天线应当安装在换能器顶端。如果这样无法办到，可以在SESWIN软件中作 —^h^^iii^^lE (Main Menu - Options - General - Offsets)。在SES-2000系统中要使用通过GPS设备发送的位置信息必须在SESWIN软件中进行设置。这些导航信息输入的性质，如波特率，数据位，同步串必须在SESWIN软件"Main Menu - Options - General - SIS〃 里进行设置。提取GPS性质，将数字卫星和DOP数值添加到一个SIS字符串中，可以定义为 NMEA1=$GPGGA, addresS=NMEAl, position=6, offset=0, length=8.)
如果Mode被设定为Space Separated,必须定义如下参量
Position: SIS字符串将在空格间隔的数据流中将要提取的数据数值(逻辑位置)。· Offset:如上所述(see NMEA compatible)
Length:如上所述(see NMEA compatible)
如果Mode设置为Positions,下面的参数必须进行设定
Position: SIS字符串要提取的第一个字符的绝对位置。你可以通过SIS监视窗口获得字节数。-Offset:如上所述(see NMEA compatible)
Length:如上所述(see NMEA compatible) 2、浅层剖面测试数据的高分辨处理技术
2. 1预测反褶积及中值滤波�？�
理想的高频声波发射脉冲应该是一个宽带尖脉冲，然而实际发射脉冲是一个具有一定时间延续度的子波b(t)。浅剖记录可假设是子波与地下介质反射系数的褶积
x(i) =b(i)xr(i)
预测滤波是对某一物理量的未来值进行估计，利用已知的该物理量的过去值和现在值得到它在未来某一时刻的估计值(预测值)的问题。其实质，就是设计一个预测滤波因子c (t)，用它对某一物理量的过去值gft-ti、g(i-2)、…、g(i-w)和现在值g(I)进行运算，得到其在将来某一时刻￠ + 4时的预测值
权利要求
1.一种水下淤积量探测分析处理系统，包括GPS定位系统，其特征是所述GPS定位系统连接浅层剖面仪，所述浅层剖面仪连接计算机、换能器、监视器和运动传感器，所述计算机内设置信息处理程序，所述信息处理程序包括探测数据处理与解释子系统用于探测数据的高分辨率剖面处理、剖面解释及文件管理；淤积量计算和三维成像子系统用于水道及水库库容量、淤泥层的淤积量计算与水底三维动态成像。
2.根据权利要求1所述水下淤积量探测分析处理系统，其特征是所述探测数据处理与解释子系统包括频谱分析与滤波�？�、用于多次波消除的K-L变换�？�、预测反褶积及中值滤波�？�、层位追踪�？�、时间深度转换�？椤⑿纬刹闵钗募？椤⒈４嫱枷裎募？�、 标准与非标准SEGY格式转换�？�、SES转换为ASC文件格式�？�、文件信息查看�？�、极性反转�？�、实测剖面平面航行轨迹显示�？�、记事本和计算器�？�。
3.根据权利要求1所述水下淤积量探测分析处理系统，其特征是所述淤积量计算和三维成像子系统包括水底模型网格剖分�？�、水底模型体积计算�？�、淤积量计算�？�、三维动态显示�？楹筒噬允灸？椤�
4.根据权利要求1所述水下淤积量探测分析处理系统，其特征是所述换能器上设置有减震装置。
5.根据权利要求1所述水下淤积量探测分析处理系统，其特征是所述浅层剖面仪为 SES-2000 compact 浅层剖面仪。
6.根据权利要求1所述水下淤积量探测分析处理系统，其特征是所述GPS定位系统为GPS1200接收机。
全文摘要
本发明公开了一种水下淤积量探测分析处理系统，包括GPS定位系统，其特征是所述GPS定位系统连接浅层剖面仪，所述浅层剖面仪连接计算机、换能器、监视器和运动传感器，所述计算机内设置信息处理程序，所述信息处理程序包括探测数据处理与解释子系统用于探测数据的高分辨率剖面处理、剖面解释及文件管理；淤积量计算和三维成像子系统用于水道及水库库容量、淤泥层的淤积量计算与水底三维动态成像。
文档编号G01V1/30GK102305944SQ201110213218
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者刘世学, 化晓锋, 吴同强, 宗理华, 常明浩, 张心斌, 张玉源, 朱黎, 李典基, 李淑阔, 牟善忠, 王善华, 王旭波, 程国安, 苏学梅, 郭秀军, 高淑玲 申请人:李典基