一种水下淤积量探测分析处理系统.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201110213218.1

申请日:

2011.07.28

公开号:

CN102305944A

公开日:

2012.01.04

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01V 1/28申请日:20110728授权公告日:20130814终止日期:20160728|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01V 1/28申请日:20110728|||公开

IPC分类号:

G01V1/28; G01V1/30

主分类号:

G01V1/28

申请人:

李典基

发明人:

王善华; 张玉源; 李淑阔; 李典基; 苏学梅; 郭秀军; 张心斌; 朱黎; 牟善忠; 常明浩; 程国安; 刘世学; 王旭波; 化晓锋; 高淑玲; 宗理华; 吴同强

地址:

250101 山东省济南市高新区正丰路554号环保科技园8号楼正丰大厦239室

优先权:

专利代理机构:

济南舜源专利事务所有限公司 37205

代理人:

闫晓燕

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内容摘要

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。

权利要求书

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模块、 用于多次波消除的 K-L 变换模块、 预测反褶积及 中值滤波模块、 层位追踪模块、 时间深度转换模块、 形成层深文件模块、 保存图像文件模块、 标准与非标准 SEGY 格式转换模块、 SES 转换为 ASC 文件格式模块、 文件信息查看模块、 极性 反转模块、 实测剖面平面航行轨迹显示模块、 记事本和计算器模块。
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模块、 水底模型体积计算模块、 淤积量计算模块、 三 维动态显示模块和彩色显示模块。
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。

说明书


一种水下淤积量探测分析处理系统

    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淤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 与滤波模块、 用于多次波消除的 K-L 变换模块、 预测反褶积及中值滤波模块、 层位追踪模 块、 时间深度转换模块、 形成层深文件模块、 保存图像文件模块、 标准与非标准 SEGY 格式转 换模块、 SES 转换为 ASC 文件格式模块、 文件信息查看模块、 极性反转模块、 实测剖面平面航 行轨迹显示模块、 记事本和计算器模块。
     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 型网格剖分模块、 水底模型体积计算模块、 淤积量计算模块、 三维动态显示模块和彩色显示 模块。
     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 此开发出二个软件模块, 实现了三维剖面深度信息的自动提取、 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。
     附图说明
     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 -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模块、 用于多次波消除的 K-L 变换模块、 预测反褶积及中值滤波模块、 层位追踪模块、 时间深度转换模块、 形成层深文件模块、 保存图像文件模块、 标准与非标准 SEGY 格式转换模块、 SES 转换为 ASC 文件格式模 块、 文件信息查看模块、 极性反转模块、 实测剖面平面航行轨迹显示模块、 记事本和计算器 模块。
     频谱分析与滤波模块对高频和低频干扰波进行抑制, 突出了海底与淤泥底界的有 效反射波信号。 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 变换模块通过分散多次反射波的能量在一些特征向量上, 不相干的能量被切 除, 在 T - 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] ; (i= 1, 2, 3 … … N, 表示列 ;j=1, 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=1, 2, 3 … … M, 表示行) , 然后用第 i 列的每行数据分别减去 dat_ aver[j] ; △ dat[j]= dat[i][j]- dat_aver[j]; 最后, 把△ 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模块、 水底模型体积计 算模块、 淤积量计算模块、 三维动态显示模块和彩色显示模块。
     水底模型网格剖分模块采用了 Delaunay 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 Delaunay 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。 淤积量计算模块采用的方法与水底模型体积计算模型相似。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。
     三维动态显示模块结合 OpenGL 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。
     彩色显示模块采用了数据归一化和 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。该模块首先对数据进行归一化处理, 然后分成 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 Innomar 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小, 分辨率高, 可获得精确水深数据。SES-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 (100KHz 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-1 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 GLONASS) 。 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。 SmartTrack+ 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 一个天线偏离校正 (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=NMEA1, 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 Absolute 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模块 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 :
     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 、8、…、和现在值进行运算, 得102305944 A CN 102305951说时的预测值 :明书7/11 页到其在将来某一时刻使它与实际未来值之间的差在最小平方意义下为最小, 称为预测误差。
     将预测滤波的理论用于解决反褶积的问题叫做预测反褶积。 物理量从可预测度上 讲可分为两大类 : 可预测量和不可预测量。 观测得到的测量值一般包含有这两种量, 即观测 值由可预测部分和不可预测部分所组成。 预测反褶积所希望得到的是那些不可预测部分的 内容, 即预测误差, 所以能提高纵向分辨率。
     按预测的观点, 有规律的干扰是一种多次波, 而且在一次波之后时刻开始有规律的出现, 属于可预测量。在预测滤波中选择预测步长, 求出的预测因子进行滤波,得到的预测结果是多次波干扰, 预测误差即为需要的一次波。 因此, 可以利用预测反褶积消 除多次波干扰而得到无多次波效应的一次波记录, 其成功的关键在于正确的选择预测步长 。若
     正好选择得等于多次波旅行时, 则可达到压制多次波效应的目的。2.2 用于多次波消除的 K-L 变换模块 地震资料处理中, 在利用 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。但在浅层剖面本身就是个 t0 剖面, 剖面中多次波呈现水平同 相轴。 经 K-L 变换后,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。通过理论数据和实际数据的试算表明两种方法的结果基本相同。
     j假设(i=1,2,… ,p) 是一组给定的 p 个实际信号。首先 对其进行 K-L 正变 }: j =1… n(t), 变换矩阵为 A={ ,其中 A 是由 p 个信号组成的数据矩阵的协方差矩阵的特征值所对应的特征向量组成 的, 可见 = 其中 { 的选择是使之构成一个正交基, 因此每个信号 Xi(t) 可表达为 : , i =1… n,} 是 B 的元素。就是对 p 个地震信号的 K - L 变换和反变换的关系式。变换矩阵 A 与 B 是相关的, B=AT 为 A 的逆矩阵, 即 AAT=ATA=I。A 的行由数据的协方差矩阵的 归一化特征向量组成, 其元素为 :特征值用来量度其有关特征向量中存在的相干能量的大小。 “相干” 在这里的意思是 水平方向上逐道的同相轴。
     同许多压制多次波处理一样, 正 K - L 变换把原始数据投影于一个模型空间参数 中, 从而很好地分离一次与多次反射的交叉同相轴 ; 用 K - L 反变换, 对在模型参数空间中 与多次反射同相轴相对应的窗口进行数据空间中的重建, 最后从原始数据中减去重建的多 次波, 从而获得仅有一次反射的道集, 达到衰减多次波的目的。
     3、 层位追踪模块 淤泥层界面追踪采用了波形特征法来实现。 波形特征法是在对淤泥层反射图像数据特 征认识基础上提出的一种实用层位追踪方法。
     图 4 中, 波形图显示该道主要有 3 个正向波峰。根据水底和地下淤积层结构判断 第二波峰为水下淤积层表界。由此设计如下算法 : 1) 检索第一道正向轴波峰幅值 Amax ; 2) 检索第一道多个正向轴波峰幅值 A1, A2, A3… … ; 3) 用 A1, A2, A3… …分别与 Amax 求比值, 取出前 5 个比值较大的正向轴波峰幅值 Ai, (i=1, 5); 4) 把 Ai(i=1, 5) 按照从上向下的时间进行排序。 虽然自动层位追踪可以快速得到准确的层位线, 但是对于一些层位信息不明显 或者起始道层位不清的探测剖面, 自动层位追踪可能会出现差错, 而采用鼠标点击的半自 动层位追踪则可以取得理想的效果。
     半自动层位追踪方式由人工在剖面拾取确定的层位点, 系统会自动搜索出该点所 处的相位, 然后采用滚动法连续追踪出同向轴。
     滚动法连续追踪法是指依据上一个同向轴点的时间 , 找到当前同向轴点的时间 , 保存并赋给, 在当前道上下搜索一定的范围
     , 作为下一道搜索的参照时间点, 依次类推, 直到完成整个层位追踪。 滚动法连续追踪的优点就是可以追踪出弯曲、 斜度大、 有异常体存在时的同向轴。
     4、 水深和淤积层厚度自动计算与保存技术 在探测图像剖面上拾取水底及淤泥层底界反射轴后, 通过开发两个软件模块实现水深 和淤积层厚度自动计算与保存, 在进行计算前首先构建水下结构层物性数据, 参见图 5, 层位追踪数据中每道都进行了追踪, 在形成层深文件时对追踪数据进行抽道。开发的 软件系统提供了两种抽道方式 : 按道数和距离进行抽道, 参见图 6。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。
     深度转换后, 就可以把解释成果文件按上述设置方式形成层深文件。层深文件主 要包括了所追踪层位的道号、 层位时间及转换后的深度, 层深文件数据格式如下所示 : (1) 文件名称 文件名称以剖面文件加 “_JS” 加后缀 (txt) 构成。
     (2) 文件格式 文件格式为文本文件。(3) 文件内容 文件内容为点数、 多行的道号 , 道坐标 x, 道坐标 y, 水底时轴 , 淤泥时轴 , 水深 , 淤 泥底深组成。
     5、 水底界面、 淤泥层底界面三维空间分布图像构建技术 水底界面、 淤泥层底界面三维空间分布图像构建可以采用声纳探测剖面处理、 解释成 果数据也可以采用 SES-2000 compact 自带的 ISE 软件解释的成果数据进行计算。
     系统菜单栏提供了 【读入剖面解释成果文件】 和 【读入 ISE 层解释结果文件】 两个 菜单项, 分别用来打开探测剖面数据处理、 解释获得的解释成果数据和 ISE 软件层位解释 的成果数据, 二者都是以 txt 作为文件后缀, 但是格式不同。
     【读入剖面解释成果文件】 和 【读入 ISE 层解释结果文件】 都是打开单个文件, 文件 打开后窗口中显示了当前打开文件的平面航行轨迹及其水深等信息。
     如果想同时打开多个剖面解释成果文件需要执行系统菜单栏中的 【添加剖面解释 文件】 菜单项。
     用户可以通过 【查看】 菜单栏中的 【显示水和淤泥深度】 进行关闭或者显示显示 水和淤泥深度标注。 然后根据数据点分布位置进行三角形网格化, 从平面上按照 Delauny 三角形法则 进行三角剖分。
     水底地形与淤积层的 3D 可视化采用 OpenGL 技术实现。
     OpenGL 是美国高级图形和高性能计算机系统公司 SGI 所开发的三维图形标准库, 具有绘制三维图形的各项功能, 它是处理专用图形硬件的软件接口, 支持可视化实现。 利用 OpenGL 这个功能强大的图形库, 用户可方便地利用它开发出多种特殊视觉效果 ( 如光照、 纹理、 透阱、 阴影 ) 的三维图形。
     利用 生成的 Delauney 三角网, 计算三维空间顶点 ( 即 DEM 格网点 ) 的空间坐标 X, Y, Z。X, Y 值可以由 DEM 的取样间隔来确定, Z 值由 DEM 数据确定, 再根据格网顶点的坐 标计算每一格网面的法向量值。利用 OpenGL 的相关函数设置光照方式、 光源位置、 颜色模 式、 明暗处理方式、 纹理映射方式。设定视点、 视角等参数的初值, 分别利用 OpenGL 的模型 变换函数、 投影变换函数和视口变换函数进行模型变换、 投影变换和视口变换以实现三维 透视地形的构造和三维透视影像图的显示。
     为生成更光滑的 3D 曲面, 进一步获得更生动、 逼真的三维模型, 需要对三角网进 行细化和增加感度。
     同时在软件开发过程中还采用了彩色图显示方式, 彩色图显示首先对离散数据点 进行插值, 软件系统采用的插值方法是反距离加权法。离散点通过插值以后形成 GRID 规则 网格数据, 并保存在内存中。其中, 不同的颜色代表了不同水深。用户可以通过调整颜色调 色板来调整彩色图的颜色, 从而达到最佳的显示效果。
     6、 柱淤积量精密计算技术及程序实现技术 三角网生成后,根据水深和淤积层厚度形成三角柱, 如图 5 所示。 A、 B、 C 分别是构成 三角形的三个点, 对应深度分别是 h1、 h2 和 h3。由 ABC 构成的三角形对应水面面积是 S, 那 么由三角形 ABC 到水面围成的水体体积是 :
     对每个三角柱求和便可计算出水库水体体积即库容。 淤积量可用基于淤泥底界深度计 算出的体积减去水体体积求得。
     保存图像文件模块可以把当前显示的剖面保存为 bmp 文件以便于插入报告, 生成 图像可通过参数设置进行设置。
     标准与非标准 SEGY 格式转换模块 : 如果把 ses 文件转换成了标准 SGY 格式的文 件, 则可以通过标准与非标准 SEGY 格式转换把标准 SGY 文件转换为非标准 segy 文件, 便于 采用地震数据显示软件进行显示。
     SES 转换为 ASC 文件格式模块 : SES 转换为 ASC 文件格式调用了 SESConvert.exe 软件对 ses 二进制格式文件进行转 换。用户可以转为标准 SGY、 XTF 或者 ASC 码文件格式。
     文件信息查看模块可以对打开的浅剖文件进行信息查看, 包括文件名称、 文件大 小、 创建日期、 采样点数、 采样间隔、 记录长度、 采样频率等。
     极性反转模块可以对打开的浅剖文件进行极性反转。 实测剖面平面航行轨迹显示模块可以显示当前打开的浅剖文件的平面航行轨迹。
     水底结构设置模块是对水底的结构进行设置, 包括介质名称 (水底 - 水、 淤泥) 、 声 波速度、 追踪层位。
     自动追踪层位设置模块是对自动追踪时起始点 ( 忽略点数 )、 自动追踪时起始道 ( 信号清晰 )、 自动追踪时上下检索范围 ( 点数 )、 追踪出层位线横向光滑点数 ( 个 ) 进行 设。
     水下淤积量计算与三维成像子系统包括水道及水库库容量、 淤泥层的淤积量计算 与水底三维动态成像。
     (1) 水道及水库库容量、 淤积量计算 水道及水库库容量、 淤积量计算可以采用前面介绍过的声纳探测剖面数据处理、 解释 获得的解释成果数据也可以采用 ISE 软件层位解释的成果数据进行计算。
     水体及淤积量计算是利用三角柱精密计算技术实现对库容和淤积量的计算。 系统 在读入多个剖面解释成果文件 (含剖面解释层位的信息, 包括三维坐标) , 然后进行三角形 网格化。网格化完成后就可以计算每个三角柱的体积。
     淤积量计算与含水量计算相同 。需要说明的是必须在解释了淤泥底的界面深度 以后才能及进行淤泥底体积的计算。
     在计算水底模型体积和淤泥底体积完成以后就可以计算淤泥的体积。 用户可以把 计算出的淤泥量保存到文件中。
     (2) 水底三维动态成像 水底三维动态成像采用了 OpenGL 技术来实现三维动态成像, 能够生成两种成像方式 : 三维动态显示和彩色图显示。
     三维动态显示三维动态显示需要在模型网格剖分以后的结果保存成保存三维模型文件。彩色图显示。彩色图显示首先对离散的数据点进行插值, 本软件系统采用的插值方法是反距离 加权法。离散点通过插值以后形成 GRID 规则网格数据, 并保存在内存中。
     用户可以通过调整颜色调色板来调整彩色图的颜色, 从而达到最佳的显示效果。 按下快捷工具栏中的颜色调色板图标弹出如下调色板对话框。 用户可以拖动三角形的颜色 图标移动位置, 也可以双击增加颜色, 鼠标选中颜色后还可以对所选色颜色进行修改。
     同时, 软件提供离散点数据网格化以后保存成 GRID 通用文件的保存功能。

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1、(10)申请公布号 CN 102305944 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102305944 A *CN102305944A* (21)申请号 201110213218.1 (22)申请日 2011.07.28 G01V 1/28(2006.01) G01V 1/30(2006.01) (71)申请人 李典基 地址 250101 山东省济南市高新区正丰路 554 号环保科技园 8 号楼正丰大厦 239 室 (72)发明人 王善华 张玉源 李淑阔 李典基 苏学梅 郭秀军 张心斌 朱黎 牟善忠 常明浩 程国安 刘世学 王旭波 化晓锋 高淑玲 宗理华 吴同强 (74)专利代理。

2、机构 济南舜源专利事务所有限公 司 37205 代理人 闫晓燕 (54) 发明名称 一种水下淤积量探测分析处理系统 (57) 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。 (51)Int.Cl. (19)。

3、中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 11 页 附图 6 页 CN 102305951 A1/1 页 2 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。

4、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模块、 用于多次波消除的 K-L 变换模块、 预测反褶积及 中值滤波模块、 层位追踪模块、 时间深度转换模块、 形成层深文件模块、 保存图像文件模块、 标准与非标准 SEGY 格式转换模块、 SES 转换为 ASC 文件格式模块、 文件信息查看模块、 极性 反转模块、 实测剖面平面航行轨迹显示模块、 记事本和计算器模块。 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模块、 水底模型体积计算模块、 淤积量计算模块、 三 维动。

5、态显示模块和彩色显示模块。 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。 权 利 要 求 书 CN 102305944 A CN 102305951 A1/11 页 3 一种水下淤积量探测分析处理系统 技术领域 0001 本发明涉及水下淤积量探测技术领域, 具体地讲, 涉及一种。

6、水下淤积量探测分析 处理系统。 背景技术 0002 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, 。

7、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淤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。 0003 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。 0004 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。

8、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。 0005 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 与滤波模块、 用于多次波消除的 K-L 变换模块、 预测反褶积及中值滤波模块、 层位追踪模 块、 时间深度转换模块、。

9、 形成层深文件模块、 保存图像文件模块、 标准与非标准 SEGY 格式转 换模块、 SES 转换为 ASC 文件格式模块、 文件信息查看模块、 极性反转模块、 实测剖面平面航 行轨迹显示模块、 记事本和计算器模块。 0006 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 型网格剖分模块、 水底模型体积计算模块、 淤积量计算模块、 三维动态显示模块和彩色显示 模块。 0007 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。 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A2/11 页 4 0008 作为对本技术方案的进一步限定, 所。

10、述浅层剖面仪为 SES-2000 compact 浅层剖 面仪。 0009 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。 0010 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 ;。

11、 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 此开发出二个软件模块, 实现了三维剖面深度信息的自动提取、 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。

12、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。 附图说明 0011 图 1 本发明优选实施例的结构方框图。 0012 图 2 为本发明优选实施例流程图。 0013 图 3 为本发明换能器安装结构示意图。 0014 图 4 为本发明浅剖数据的典型图像特征。 0015 图 5 为本发明打开的单个读入剖面解释成果文件显示图。 0016 图 6 为本发明打开的多个读入剖面解释成果文件显示图。 0017 图 7 为本发明水底模型网格剖分界面示意图。 0018 图 8 为利用三角网。

13、计算水体体积示意图。 0019 图中, 1、 船体, 2、 换能器, 3、 支撑架。 具体实施方式 0020 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。 0021 参见图 1 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。

14、算与水底 三维动态成像。 0022 所述探测数据处理与解释子系统包括频谱分析与滤波模块、 用于多次波消除的 K-L 变换模块、 预测反褶积及中值滤波模块、 层位追踪模块、 时间深度转换模块、 形成层深文 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A3/11 页 5 件模块、 保存图像文件模块、 标准与非标准 SEGY 格式转换模块、 SES 转换为 ASC 文件格式模 块、 文件信息查看模块、 极性反转模块、 实测剖面平面航行轨迹显示模块、 记事本和计算器 模块。 0023 频谱分析与滤波模块对高频和低频干扰波进行抑制, 突出了海底与淤泥底界的有 效反射波信号。 通过。

15、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。 0024 K-L 变换模块通过分散多次反射波的能量在一些特征向量上, 不相干的能量被切 除, 在TX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。

16、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。 0025 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。 0026 预测反褶积模块压制多次波, 提高纵向分辨率。 0027 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 : datij ;(i= 1, 2, 3 N, 表示列 ; 。

17、j=1, 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_averj(j=1, 2, 3 M, 表示行) , 然后用第 i 列的每行数据分别减去 dat_ averj ; datj= datij- dat_averj; 最后, 把 datj 再赋给 datij 重新显示。 0028 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。 0029 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。

18、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。 0030 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。

19、 深度。 0031 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 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A4/11 页 6 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。 0032 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模块、 水底模型体积计 算模块、 淤积量计算模块、 三维动态显示模块和彩色。

20、显示模块。 0033 水底模型网格剖分模块采用了 Delaunay 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 Delaunay 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。 0034 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。

21、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。 0035 淤积量计算模块采用的方法与水底模型体积计算模型相似。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。 0036 三维动态显示模块结。

22、合 OpenGL 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。 0037 彩色显示模块采用了数据归一化和 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。

23、。该模块首先对数据进行归一化处理, 然后分成 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。 0038 所述换能器上设置有减震装置。 0039 所述浅层剖面仪为 SES-2000 compact 浅层剖面仪。 0040 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-2。

24、000 compact 参量阵浅层剖面仪是德国 Innomar 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小, 分辨率高, 可获得精确水深数据。SES-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 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A5/11 页 7 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 (100KHz 换能。

25、器束角仅为 1.8 )。 0041 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。 0042 (2) SES-2000 紧凑型配备的外接电脑。 0043 (3) 用来发送和接收信号的换能器阵列。 0044 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 GP。

26、S 相连。 0045 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。 。

27、0046 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。 0047 可选通用支架将换能器安装固定在小船的船舷上。 0048 (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。 0049 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!。

28、 ) 只能使用合适的插头及插排。 0050 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。 0051 在系统运行时不要插拔连接器。 0052 电源 115230 V AC +5%/-10%, 5060Hz。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)。 0053 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 (S。

29、eatex, Norway) Format MRU Standard User Configurable Format (TSS, Great Britain) 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A6/11 页 8 Format TSS-1 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。 0054 在仪器改进中选择徕卡 GPS1200 。

30、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 GLONASS) 。 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。 SmartTrack+ 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。 0055 SES-2000 系统具。

31、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 一个天线偏离校正 (Main Menu Options General Offsets) 。 0056 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 。

32、General SIS“ 里进行设置。 0057 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=NMEA1, 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) 。 0058 Offset: 如上所述 (see NMEA compatible) Length: 如上所述 (see NMEA compatible) 如果 Mo。

33、de 设置为Absolute 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。 0059 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模块 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 : 预测滤波是对某一物理量的未来值进行。

34、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、和现在值进行运算, 得 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A7/11 页 9 到其在将来某一时刻时的预测值 : 使它与实际未来值之间的差在最小平方意义下为 最小, 称为预测误差。 0060 将预测滤波的理论用于解决反褶积的问题叫做预测反褶积。 物理量从可预测度上 讲可分为两大类 : 可预测量和不可预测量。 观测得到的测量值一般包含有这两种量, 即观测 值由可预测部分和不可预测部分所组成。 预。

35、测反褶积所希望得到的是那些不可预测部分的 内容, 即预测误差, 所以能提高纵向分辨率。 0061 按预测的观点, 有规律的干扰是一种多次波, 而且在一次波之后时刻开始有规 律的出现, 属于可预测量。在预测滤波中选择预测步长, 求出的预测因子进行滤波, 得到的预测结果是多次波干扰, 预测误差即为需要的一次波。 因此, 可以利用预测反褶积消 除多次波干扰而得到无多次波效应的一次波记录, 其成功的关键在于正确的选择预测步长 。若正好选择得等于多次波旅行时, 则可达到压制多次波效应的目的。 0062 2.2 用于多次波消除的 K-L 变换模块 地震资料处理中, 在利用 K-L 变换之前首先要对地震道集。

36、进行正常时差校正, 且要使 用多次波的速度来进行校正。但在浅层剖面本身就是个 t0剖面, 剖面中多次波呈现水平同 相轴。 经K-L变换后, 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。 0063 为了消除多次波可以采用两种方法 : 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。通过理论数据和实际数据的试算表明两种方法的结果基本相同。 0064 假设(i=1,2,p) 是一组给定的 p 个实际信号。首先 对其进行 K-L 正变 j(t)。

37、, 变换矩阵为 A= : , j =1n 其中 A 是由 p 个信号组成的数据矩阵的协方差矩阵的特征值所对应的特征向量组成 的, 可见的选择是使之构成一个正交基, 因此每个信号 Xi(t) 可表达为 : =, i =1n, 其中 是 B 的元素。就是对 p 个地震信号的 K L 变换和反变换的关系式。变 换矩阵 A 与 B 是相关的, B=AT 为 A 的逆矩阵, 即 AAT=ATA=I。A 的行由数据的协方差矩阵的 归一化特征向量组成, 其元素为 : 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A8/11 页 10 特征值用来量度其有关特征向量中存在的相干能量的大小。。

38、 “相干” 在这里的意思是 水平方向上逐道的同相轴。 0065 同许多压制多次波处理一样, 正KL变换把原始数据投影于一个模型空间参数 中, 从而很好地分离一次与多次反射的交叉同相轴 ; 用 K L 反变换, 对在模型参数空间中 与多次反射同相轴相对应的窗口进行数据空间中的重建, 最后从原始数据中减去重建的多 次波, 从而获得仅有一次反射的道集, 达到衰减多次波的目的。 0066 3、 层位追踪模块 淤泥层界面追踪采用了波形特征法来实现。 波形特征法是在对淤泥层反射图像数据特 征认识基础上提出的一种实用层位追踪方法。 0067 图 4 中, 波形图显示该道主要有 3 个正向波峰。根据水底和地下。

39、淤积层结构判断 第二波峰为水下淤积层表界。由此设计如下算法 : 1) 检索第一道正向轴波峰幅值 Amax ; 2) 检索第一道多个正向轴波峰幅值 A1, A2, A3 ; 3) 用 A1, A2, A3 分别与 Amax 求比值, 取出前 5 个比值较大的正向轴波峰幅值 Ai, (i=1, 5); 4) 把 Ai(i=1, 5) 按照从上向下的时间进行排序。 0068 虽然自动层位追踪可以快速得到准确的层位线, 但是对于一些层位信息不明显 或者起始道层位不清的探测剖面, 自动层位追踪可能会出现差错, 而采用鼠标点击的半自 动层位追踪则可以取得理想的效果。 0069 半自动层位追踪方式由人工在剖。

40、面拾取确定的层位点, 系统会自动搜索出该点所 处的相位, 然后采用滚动法连续追踪出同向轴。 0070 滚动法连续追踪法是指依据上一个同向轴点的时间, 在当前道上下搜索一定的 范围, 找到当前同向轴点的时间, 保存并赋给, 作为下一道搜索的参照时间点, 依次 类推, 直到完成整个层位追踪。 0071 滚动法连续追踪的优点就是可以追踪出弯曲、 斜度大、 有异常体存在时的同向轴。 0072 4、 水深和淤积层厚度自动计算与保存技术 在探测图像剖面上拾取水底及淤泥层底界反射轴后, 通过开发两个软件模块实现水深 和淤积层厚度自动计算与保存, 在进行计算前首先构建水下结构层物性数据, 参见图 5, 层位追。

41、踪数据中每道都进行了追踪, 在形成层深文件时对追踪数据进行抽道。开发的 软件系统提供了两种抽道方式 : 按道数和距离进行抽道, 参见图 6。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。 0073 深度转换后, 就可以把解释成果文件按上述设置方式形成层深文件。层深文件主 要包括了所追踪层位的道号、 层位时间及转换后的深度, 层深文件数据格式如下所示 : (1) 文件名称 文件名称以剖面文件加 “_JS” 加后缀 (txt) 构成。 0074 (2) 文件格式 文件格式为文本文件。 说 明 书 CN 102305944。

42、 A CN 102305951 A9/11 页 11 0075 (3) 文件内容 文件内容为点数、 多行的道号 , 道坐标 x, 道坐标 y, 水底时轴 , 淤泥时轴 , 水深 , 淤 泥底深组成。 0076 5、 水底界面、 淤泥层底界面三维空间分布图像构建技术 水底界面、 淤泥层底界面三维空间分布图像构建可以采用声纳探测剖面处理、 解释成 果数据也可以采用 SES-2000 compact 自带的 ISE 软件解释的成果数据进行计算。 0077 系统菜单栏提供了 【读入剖面解释成果文件】 和 【读入 ISE 层解释结果文件】 两个 菜单项, 分别用来打开探测剖面数据处理、 解释获得的解释成。

43、果数据和 ISE 软件层位解释 的成果数据, 二者都是以 txt 作为文件后缀, 但是格式不同。 0078 【读入剖面解释成果文件】 和 【读入 ISE 层解释结果文件】 都是打开单个文件, 文件 打开后窗口中显示了当前打开文件的平面航行轨迹及其水深等信息。 0079 如果想同时打开多个剖面解释成果文件需要执行系统菜单栏中的 【添加剖面解释 文件】 菜单项。 0080 用户可以通过 【查看】 菜单栏中的 【显示水和淤泥深度】 进行关闭或者显示显示 水和淤泥深度标注。 0081 然后根据数据点分布位置进行三角形网格化, 从平面上按照 Delauny 三角形法则 进行三角剖分。 0082 水底地形。

44、与淤积层的 3D 可视化采用 OpenGL 技术实现。 0083 OpenGL 是美国高级图形和高性能计算机系统公司 SGI 所开发的三维图形标准库, 具有绘制三维图形的各项功能, 它是处理专用图形硬件的软件接口, 支持可视化实现。 利用 OpenGL 这个功能强大的图形库, 用户可方便地利用它开发出多种特殊视觉效果 ( 如光照、 纹理、 透阱、 阴影 ) 的三维图形。 0084 利用 生成的 Delauney 三角网, 计算三维空间顶点 ( 即 DEM 格网点 ) 的空间坐标 X, Y, Z。X, Y 值可以由 DEM 的取样间隔来确定, Z 值由 DEM 数据确定, 再根据格网顶点的坐 标。

45、计算每一格网面的法向量值。利用 OpenGL 的相关函数设置光照方式、 光源位置、 颜色模 式、 明暗处理方式、 纹理映射方式。设定视点、 视角等参数的初值, 分别利用 OpenGL 的模型 变换函数、 投影变换函数和视口变换函数进行模型变换、 投影变换和视口变换以实现三维 透视地形的构造和三维透视影像图的显示。 0085 为生成更光滑的 3D 曲面, 进一步获得更生动、 逼真的三维模型, 需要对三角网进 行细化和增加感度。 0086 同时在软件开发过程中还采用了彩色图显示方式, 彩色图显示首先对离散数据点 进行插值, 软件系统采用的插值方法是反距离加权法。离散点通过插值以后形成 GRID 规。

46、则 网格数据, 并保存在内存中。其中, 不同的颜色代表了不同水深。用户可以通过调整颜色调 色板来调整彩色图的颜色, 从而达到最佳的显示效果。 0087 6、 柱淤积量精密计算技术及程序实现技术 三角网生成后, 根据水深和淤积层厚度形成三角柱, 如图 5 所示。 A、 B、 C 分别是构成 三角形的三个点, 对应深度分别是 h1、 h2 和 h3。由 ABC 构成的三角形对应水面面积是 S, 那 么由三角形 ABC 到水面围成的水体体积是 : 说 明 书 CN 102305944 A CN 102305951 A10/11 页 12 对每个三角柱求和便可计算出水库水体体积即库容。 淤积量可用基于。

47、淤泥底界深度计 算出的体积减去水体体积求得。 0088 保存图像文件模块可以把当前显示的剖面保存为 bmp 文件以便于插入报告, 生成 图像可通过参数设置进行设置。 0089 标准与非标准 SEGY 格式转换模块 : 如果把 ses 文件转换成了标准 SGY 格式的文 件, 则可以通过标准与非标准 SEGY 格式转换把标准 SGY 文件转换为非标准 segy 文件, 便于 采用地震数据显示软件进行显示。 0090 SES 转换为 ASC 文件格式模块 : SES 转换为 ASC 文件格式调用了 SESConvert.exe 软件对 ses 二进制格式文件进行转 换。用户可以转为标准 SGY、 。

48、XTF 或者 ASC 码文件格式。 0091 文件信息查看模块可以对打开的浅剖文件进行信息查看, 包括文件名称、 文件大 小、 创建日期、 采样点数、 采样间隔、 记录长度、 采样频率等。 0092 极性反转模块可以对打开的浅剖文件进行极性反转。 0093 实测剖面平面航行轨迹显示模块可以显示当前打开的浅剖文件的平面航行轨迹。 0094 水底结构设置模块是对水底的结构进行设置, 包括介质名称 (水底 - 水、 淤泥) 、 声 波速度、 追踪层位。 0095 自动追踪层位设置模块是对自动追踪时起始点 ( 忽略点数 )、 自动追踪时起始道 ( 信号清晰 )、 自动追踪时上下检索范围 ( 点数 )、 追踪出层位线横向光滑点数 ( 个 ) 进行 设。 0096 水下淤积量计算与三维成像子系统包括水道及水库库容量、 淤泥层的淤积量计算 与水底三维动态成像。 0097 (1) 水道及水库库容量、 淤积量计算 水道及水库库容量、 淤积量计算可以采用前面介绍过的声纳探测剖面数据处理、 解释 获得的解释成果数据也可以采用 ISE 软件层位解释的成果数据进行计算。 0098 水体及淤积量计算是利用三角柱精密计算技术实现对库容和淤积量的计算。 系统 在读入多个剖面解释成果文件 (含剖面解释层位的信息, 包括三维坐标) , 然后进行三角形 网格化。网格化完成后就可以计算每个三角柱的体积。 0099 。

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