表面流速流向测绘方法

技术领域

本发明涉及水运工程水文观测技术领域，更具体地说，涉及一种表面流速流向测绘方法。

背景技术

表面流速流向测量是水文观测的重要内容之一，表面流速流向测绘成果是港口、航道、桥梁、水利、防洪等工程的规划、设计、施工和营运管理等方面的重要基础资料，其观测成果对水运工程中的码头前沿线的确定和河床演变分析有直接影响。

经典的表面流速流向测量方法是浮标法。浮标法测量一般采用前方交会法和卫星定位法两种模式，其中前方交会法虽然精度低、效率低，但操作简单，在卫星信号弱或无卫星信号区尤其适用，所以一直被使用。卫星定位法由于测量精度高，操作方便，使用较广泛。此两种方法的成果绘制，传统表面流速流向测量成果绘制方法主要包括：人工观测、记录、输入、编制等，传统方法存在的主要问题是数据的读取、转换和计算等过程容易出错，且劳动强度大，工作效率低，成果表现不精美。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种表面流速流向测绘方法，其相比传统方法操作简单高效，不易出错，具有普适性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种表面流速流向测绘方法，包括以下步骤：

S1、通过前方交会法或GNSS定位测量法获取测流点P的工程格网坐标(X

S2、根据相邻两点的工程格网坐标(X

S3、建立表面流速流向成果文件。

按上述方案，所述步骤S1中，前方交会法包括以下步骤：

S1-a1、采用两台及以上台附有记录卡的全站仪或电子经纬仪，按约定时间段，对漂移流动的浮标进行同步前方交会测量，获得定位测量条号、点号和角度数据；

S1-a2、根据前方交会法数学模型计算点位的工程坐标(X

建立前方交会法数学模型为：

式中：X

X

α为测站A后视B，对测流点P交会的夹角；

β为测站B后视A，对测流点P交会的夹角；

X

根据公式(1)和(2)计算得到测流点P的工程坐标(X

按上述方案，所述步骤S1中，GNSS定位测量法具体为：在云服务器或记录卡中读取定位测量数据中的时间和大地坐标(B，L)，将大地坐标(B，L)转换为参考椭球网格坐标(X

S1-b1、将卫星定位自动测量的大地坐标(B，L)转换为参考椭球网格坐标(X

式中：

l＝L-L

t＝tanB

η＝e'cosB

S1-b2、将参考椭球网格坐标(X

①四参数转换模型：

式中：Δx、Δy：平移参数；

θ：旋转参数；

k：尺度变换参数；

②七参数转换模型：

式中：Δx、Δy、Δh：平移参数；

ε

k：尺度变换参数；

根据公式(3)和(4)将GNSS定位的大地坐标转换至格网坐标(X

按上述方案，所述步骤S2中，相邻两点的流速数学模型为：

式中：(X

(X

Δt为漂流点P的从第n点到第n+1点所经历的时间，单位为秒；

V

按上述方案，所述步骤S2中，相邻两点的流向数学模型为：

式中：X

X

α

流向取值为工程平面系中的坐标方向值，取值与相邻测流点的坐标差值有关，取值法则为：

令：ΔX

则：流向取值方法为：

①当ΔX

②当ΔX

③当ΔX

④当ΔX

⑤当ΔX

⑥当ΔX

⑦当ΔX

⑧当ΔX

按上述方案，所述步骤S2中，表面流速和流向的计算方法如下：

①、平均流速计算方法

式中：k：测线测点总数；

n：为测线当前点号

V

②、最大流速的选取法则

设测线总点数为k，最大流速V

V

若V

则V

若V

则V

③、最小流速的选取法则

设测线总点数为k，最小流速V

V

若V

则V

若V

则V

按上述方案，所述步骤S3中，成果文件包括：表面流速流向计算书、表面流速流向图和表面流速流向表。

按上述方案，所述表面流速流向计算书以文本形式表达，所述表面流速流向表以表格形式表达，所述表面流速流向计算书包括测段号、距离、时间、流速、平均值、最大值、最小值，所述表面流速流向表的信息包括：流线号、日期、水位、风力风向、最大流速、最小流速、平均流速、浮标式样。

按上述方案，所述表面流速流向图以DXF图形文件形式表达，图形文件内容包括：流线号、流速点位、流向线、流速值。

实施本发明的表面流速流向测绘方法，具有以下有益效果：

1、本发明数学模型正确，计算成果满足规范要求，确保了成果质量。

2、本发明判断法则周全，判断方式简捷，检索逻辑严密，运行速度快捷；

3、本发明算法兼容性较强，兼顾了不同的测绘方法和不同的数据转换模式；

4、本发明数智化模式强，完全取代了传统人工和半自动作业模式；

5、本发明工作效率显著，外业和内业的自动一体化，效率高，节约成本；

6、本发明不仅适用普通PC机，更适用于智能手机，方便外业测量操作；

7、本发明效益显著，全程自动化数据处理，避免传统的人工出错，更能提供测绘成果标准化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明表面流速流向测绘方法的前方交会测量示意图；

图2是本发明表面流速流向测绘方法的计算书示意图；

图3是本发明表面流速流向测绘方法的轨迹示意图；

图4是本发明表面流速流向测绘方法的流速流向表示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-4所示，本发明的表面流速流向测绘方法基于浮标法，涉及工程测量、水文观测、计算机软件工程等多学科交叉领域，主要内容包括外业数据采集与计算方法的设计、绘图算法设计等。本发明的技术路线：提取前方交会法或GNSS定位测量法采集的浮标定位原始数据；据原始数据提取采集时间和坐标或角度计算相邻两点的平均流速流向，并统计和分析流速的特征值；输出表面流速流向计算书；绘制流速流向图；绘制流速流向表。本发明的关键技术：建立观测数据形式转换的数学模型；建立表面流速计算数学模型；建立表面流向计算数学模型；建立表面流向逻辑判断法则；建立特征值计算和判读法则。本发明的主要技术步骤为：首先建立观测数据形式转换的数学模型，将原始的观测数据转换成工程系统坐标数据；其次建立相邻观测点流速计算模型，分析并计算流速流向特征值；再次建立相邻观测点流向计算模型，以及流向逻辑判断公式；最后建立表面流速流向成果文件，即计算书、流线图、流速流向表。

实施例：

表面流速流向测绘方法，包括以下步骤：

S1、通过前方交会法或GNSS定位测量法获取测流点P的工程格网坐标(X

前方交会法包括以下步骤：

S1-a1、采用两台及以上台附有记录卡的全站仪或电子经纬仪，按约定时间段，如60秒，对漂移流动的浮标进行同步前方交会测量，获得定位测量条号、点号和角度数据；

S1-a2、根据前方交会法数学模型计算点位的工程坐标(X

建立前方交会法数学模型为：

式中：X

X

α为测站A后视B，对测流点P交会的夹角；

β为测站B后视A，对测流点P交会的夹角；

X

根据公式(1)和(2)计算得到测流点P的工程坐标(X

GNSS定位测量法具体为：在云服务器或记录卡中读取定位测量数据中的时间和大地坐标(B，L)，将大地坐标(B，L)转换为参考椭球网格坐标(X

GNSS定位测量法具体以下步骤：

S1-b1、将卫星定位自动测量的大地坐标(B，L)转换为参考椭球网格坐标(X

式中：

l＝L-L

t＝tanB

η＝e′cosB

/>

S1-b2、将参考椭球网格坐标(X

①四参数转换模型：

式中：Δx、Δy：平移参数；

θ：旋转参数；

k：尺度变换参数；

②七参数转换模型：

式中：Δx、Δy、Δh：平移参数；

ε

k：尺度变换参数；

根据公式(3)和(4)将GNSS定位的大地坐标转换至格网坐标(X

S2、根据相邻两点的工程格网坐标(X

相邻两点的流速数学模型为：

式中：(X

(X

Δt为漂流点P的从第n点到第n+1点所经历的时间，单位为秒；

V

相邻两点的流向数学模型为：

/>

式中：X

X

α

流向取值为工程平面系中的坐标方向值，取值与相邻测流点的坐标差值有关，取值法则为：

令：ΔX

则：流向取值方法为：

①当ΔX

②当ΔX

③当ΔX

④当ΔX

⑤当ΔX

⑥当ΔX

⑦当ΔX

⑧当ΔX

表面流速和流向的计算方法如下：

①、平均流速计算方法

式中：k：测线测点总数；

n：为测线当前点号

V

②、最大流速的选取法则

设测线总点数为k，最大流速V

V

若V

则V

若V

则V

③、最小流速的选取法则

设测线总点数为k，最小流速V

V

若V

则V

若V

则V

S3、建立表面流速流向成果文件。

成果文件包括：表面流速流向计算书、表面流速流向图和表面流速流向表。表面流速流向计算书以文本形式表达，表面流速流向表以表格形式表达。

表面流速流向计算书包括测段、距离、时间、流速、流向、平均值、最大值、最小值。

表面流速流向图以DXF图形文件形式表达，图形文件内容包括：流线号、流速点位、流向线、流速值；图例规格如下：

①流线号注记：黑体，高度为图上5mm，朝向为正北方向；

②流速值注记：黑体，高度为图上3mm，朝向垂直流向线方向；

③流速点位：图形为空心圆+点，空心圆直径为图上1.5mm；

④流向线：根据采样时间间隔自动计算，长度为图上10-30mm。

表面流速流向表的信息包括：流线号、日期、水位、风力风向、最大流速、最小流速、平均流速、浮标式样。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。