一种基于多波束测深的三维地形建模方法及系统

技术领域

本发明涉及多波束测深技术领域，具体为一种基于多波束测深的三维地形建模方法及系统。

背景技术

在输电线路工程建设方面，输电线路作为电网的核心组成部分，而且往往需要跨越水域，水下地形的详细了解对于地基、杆塔等的铺设至关重要。水下地基、杆塔的规划架设需要考虑多个因素，如水下地形、水深变化、水流速度等。水下地形测量数据可以帮助识别水下障碍物，如岩石、沉积物、底部不平整等，从而避免实际施工因为这些障碍物而受到阻碍。遇到河塘回填时，清淤及回填量，也是施工及审计关注的重点。在变电站工程建设方面，地形测量与基础设计是一个关键的环节。变电站作为能源系统的重要组成部分，其稳定性和安全性直接影响着电力供应的可靠性。变电站的选址必须考虑周围地形、地质、水文等因素，以确保变电站能够建在稳定的地基上。水下地形的不同特点会直接影响基础设计和建设方案的选择。通过水下地形测量，可以获取关于水底地形的详细信息，如水深、地下岩层、沉积物等，从而更准确地评估不同选址的可行性。同时，变电站的基础设计需要根据地形特点来确定基础类型、尺寸和承载能力。不同的地形情况可能需要不同的基础设计策略，如水中基础、沉桩基础等。水下地形测量数据可以为基础设计提供依据，确保基础在不同地形条件下能够稳定承载变电站设备。

目前水下地形测量的方法主要有测深锤、测深杆、单波束测深系统、多波束测深系统及机载激光测深系统等，其中船基单波束测深系统是进行内河、湖泊等水下地形测量最为常见的一种测深装置。船基水下地形测量的自动化和无人化充分体现在无人船水下地形测量技术中，在无法使用载人船的水域，无人测量船能够充分发挥机动性强的特点，且能提供高水下地形数据精度。无人船载多波束探测仪是一种可以自主或遥控作业的新型船基测量平台，国内外已有多个研究机构设计和建造此类无人船，广泛应用于河流、水库、港湾等区域水下地形测量、水质采检、环境监测等。而在输变电工程一般应用测深锤、测深杆等方式进行水下地形的测量。

发明内容

鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：现有的测深方法存在作业风险较大，以及如何提高数据准确性和可靠性的优化问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于多波束测深的三维地形建模方法，包括：

对有多波束测深装置的无人船的航行路径进行约束；

通过所述多波束测深装置采集水下数据；

对采集到的数据进行细分处理并提取轮廓线；

将相邻轮廓线之间进行填充，从而实现三维地形建模。

作为本发明所述的基于多波束测深的三维地形建模方法的一种优选方案，其中：对所述无人船的航行路径进行约束包括，获取测深区域，在测深区域规划无人船的航行路径，使两条平行路径上的探测信号存在1/2的重叠部分；

获取多波束测深装置的测深宽度d，获取S型航线的路径规划结果，若相邻两条路径间的宽度大于d/2，则缩短路径间的宽度大于d/2的路径间的距离，直到任意相邻两条路径间的宽度不大于d/2为止。

作为本发明所述的基于多波束测深的三维地形建模方法的一种优选方案，其中：所述采集水下数据包括，多波束水体数据通过Ping进行采集、存储和处理；

在Ping的基础上对点云做进一步细分处理并提取轮廓线；

拆分轮廓线转换成多个一一对应的轮廓线填充形式，使用轮廓线中心平移与划分空间格网的方法，完成一对一的轮廓线面片填充。

作为本发明所述的基于多波束测深的三维地形建模方法的一种优选方案，其中：所述一对一的轮廓线面片填充包括，设多波束相邻两Ping的轮廓线分别为P和Q；并根据所述轮廓线的形状将轮廓线分段，将每一段用直线表示，将两端轮廓线连接的点作为断点；

将一一对应的拆分后的轮廓线p

其中，p

在四边形p

四边形前进构建下一个三角形，逐步扩展三角网直到重新返回起点，利用所述三角网中的填充内容作为相邻轮廓线之间进行填充结果。

作为本发明所述的基于多波束测深的三维地形建模方法的一种优选方案，其中：所述相邻轮廓线之间进行填充还包括，若相邻Ping的轮廓线对应关系不满足一一对应的形式，则锁定相邻ping中一对多的轮廓线位置，将一对多的分支问题转化为多个一对一填充；

所述锁定相邻ping中一对多的轮廓线位置包括，评估相邻的轮廓线是否相似，若其他段的轮廓线相似且出现一段轮廓线与多段相连的轮廓线不相似时，则将这一段轮廓线和与之对应的多段相连的轮廓线作为一对多的轮廓线位置；

所述将一对多的分支问题转化为多个一对一包括，在轮廓线的对应部分，按照轮廓线分段多的部分a存在的断点数量D

其中，D

若相邻ping中一对多的轮廓线位置的相似程度小于设定的相关阈值或相邻ping中一对一的轮廓线两轮廓线的位置和形状差异大于设定的相关阈值时，则进行划分格网，在下层的轮廓线中均匀插入n个点P＝{p

作为本发明所述的基于多波束测深的三维地形建模方法的一种优选方案，其中：若相邻路径测得相同位置的轮廓线存在差异，则判定存在差异的位置有特殊地形的可能，并结合两次的探测结果进行地形构建；

以地理坐标位置作为参考系，将相同位置坐标的填充面的高度高的作为本坐标位置的高点，将相同位置坐标的填充面的高度低的作为本坐标位置的低点，对作为建模基础的填充面进行修正；

设两次的探测结果分别为E、F，在修正时，在两次探测结果重合的位置，若E或F的探测结果出现随着位置坐标的定向变化至少一个探测结果不变且E、F两次探测的结果深度不同，设随着位置坐标的变化E的探测结果不变且E探测的结果深度为高点，则将E的探测结果的地理位置在高点处固定并将随着位置坐标的定向变化时E的探测结果不变的部分删除，以F处于低点的探测结果作为E删除部分的实际地形情况；

在构建所述特殊地形的填充面时，将对E的填充面的构建限制到E的删除部分为止，将其余部分通过F的探测结果进行构建。

作为本发明所述的基于多波束测深的三维地形建模方法的一种优选方案，其中：所述三维地形建模包括，对多波束水体点云数据提取序列轮廓线；

按航向顺序在相邻Ping轮廓线之间填充面片，从而形成水体目标表面模型；

通过模型渲染提升视觉效果。

一种采用本发明所述方法的基于多波束测深的三维地形建模系统，其特征在于：

路径约束模块，对有多波束测深装置的无人船的航行路径进行约束；

采集模块，通过所述多波束测深装置采集水下数据；

提取模块，对采集到的数据进行细分处理并提取轮廓线；

建模模块，将相邻轮廓线之间进行填充，从而实现三维地形建模。

一种计算机设备，包括：存储器和处理器；所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明中任一项所述的方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现本发明中任一项所述的方法的步骤。

本发明的有益效果：本发明提供的基于多波束测深的三维地形建模方法，准确的水下地形数据可以确保设施的安全铺设，减少故障和维护成本。能够自主完成测量任务，只需人员携带设备到达现场即可进行测量，节省了大量人力物力成本，通过精确测量，可以减少工程施工过程中因为地形不准确而引起的风险。可迅速获取水下地形数据，可在有水条件下完成测量任务，从数据采集到分析能够很快完成，使得效率提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明第一个实施例提供的一种基于多波束测深的三维地形建模方法的整体流程图；

图2为本发明第一个实施例提供的一种基于多波束测深的三维地形建模方法中路径规划示意图；

图3为本发明第一个实施例提供的一种基于多波束测深的三维地形建模方法中最短对角线法示意图；

图4为本发明第一个实施例提供的一种基于多波束测深的三维地形建模方法的算法流程图；

图5为本发明第一个实施例提供的一种基于多波束测深的三维地形建模方法的网格空间划分图；

图6为本发明第一个实施例提供的一种基于多波束测深的三维地形建模方法在特殊地形的测深模型图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

实施例1

参照图1－图6，为本发明的一个实施例，提供了一种基于多波束测深的三维地形建模方法，包括：

S1：对有多波束测深装置的无人船的航行路径进行约束。

对所述无人船的航行路径进行约束包括，获取测深区域，在测深区域规划无人船的航行路径，使两条平行路径上的探测信号存在1/2的重叠部分；获取多波束测深装置的测深宽度d，获取S型航线的路径规划结果如图2所示，若相邻两条路径间的宽度大于d/2，则缩短路径间的宽度大于d/2的路径间的距离，直到任意相邻两条路径间的宽度不大于d/2为止。

要知道的是，通过这样的路径规划的约束，可以使测深区域的每一个部分得到两次不同方位的结果，因为水底的地形可能存在多种多样的情况，所以从不同角度的侧身是有必要的。

S2：通过所述多波束测深装置采集水下数据；对采集到的数据进行细分处理并提取轮廓线。

采集水下数据包括，多波束水体数据通过Ping进行采集、存储和处理；在Ping的基础上对点云做进一步细分处理并提取轮廓线；拆分轮廓线转换成多个一一对应的轮廓线填充形式，使用轮廓线中心平移与划分空间格网的方法，完成一对一的轮廓线面片填充。

多波束声呐获取的水体数据空间分布情况较复杂，易导致算法重建失败，为提高水体目标三维模型的质量，基于最短对角线法局部优化准则，通过Ping内轮廓提取与Ping间面片填充实现按照“点—线—面”的顺序逐步分析处理数据，完成水体目标重建。首先根据点云数据生成目标整体的序列轮廓线，Ping是水体数据的基本组织单位，在Ping的基础上对点云做进一步细分处理并提取轮廓线，以避免轮廓线失真；在轮廓线面片填充时，由于相邻Ping轮廓线数量一致性难以保证，可能会出现多条轮廓线都与同一条轮廓线进行面片填充，即“分支”问题，这种情况可通过拆分轮廓线转换成多个一一对应的轮廓线填充形式，再使用轮廓线中心平移与划分空间格网的方法，完成“一对一”的轮廓线面片填充，最终形成目标物表面模型。

所述一对一的轮廓线面片填充包括，设多波束相邻两Ping的轮廓线分别为P和Q；并根据所述轮廓线的形状将轮廓线分段，将每一段用直线表示，将两端轮廓线连接的点作为断点。

轮廓线法是以一系列大致平行的轮廓线作为建模数据，相邻轮廓线之间以一系列细小的三角形面片填充，从而生成整个表面模型。在生成三角形面片的过程中，需要不断进行判断与调整，使得模型整体匀称、视觉效果好。最短对角线法作为一种局部优化准则，具有计算量小、构网均匀、简便快速的优点，应用广泛。算法原理如图3所示，假设多波束相邻两Ping的轮廓线分别为P和Q，在四边形p

若相邻Ping的轮廓线对应关系不满足一一对应的形式，则锁定相邻ping中一对多的轮廓线位置，将一对多的分支问题转化为多个一对一填充；所述锁定相邻ping中一对多的轮廓线位置包括，评估相邻的轮廓线是否相似，若其他段的轮廓线相似且出现一段轮廓线与多段相连的轮廓线不相似时，则将这一段轮廓线和与之对应的多段相连的轮廓线作为一对多的轮廓线位置；所述将一对多的分支问题转化为多个一对一包括，在轮廓线的对应部分，按照轮廓线分段多的部分a存在的断点数量D

要知道的是，相邻Ping间“分支”问题“分支”问题是由于水下目标在航线方向的几何结构发生变化所导致的轮廓线数量不一致，合理解决“分支”问题是检验算法有效性的关键。目前现有文献提供的解决方案主要有两种，一是利用插值算法在分支轮廓线与母轮廓线之间添加过渡轮廓线。二是创造辅助线将母轮廓线分割成几块，然后再对分割出来的轮廓线进行填充。对于多波束水体数据，由于数据量较大，添加过渡轮廓线将进一步增加计算量，降低算法效率，且插值算法的精度不易验证：创造辅助线切分凹轮廓线时切分结果与“分支”轮廓个数可能出现差异，且分支数目越多，处理起来越困难。本研究通过在母轮廓线上添加断点对轮廓线进行拆分，将“分支”问题转化为多个“一对一”填充，优点是以点拆分轮廓线比辅助线分割更灵活，且不会增加额外的数据量。

还要说的是，对轮廓线的分析是现有技术中比较成熟的部分，比如，认为轮廓线位置和形状，在合理的变化范围内的平移和变化都属于正常的相似状态，而处于异常的位置或形状变化，则被认定为是不相似的状态。那么，将两条轮廓线相似的部分去掉，剩余的部分就是对应的不相似的部分，而对应的不相似的部分肯定有的轮廓线是多的，有的轮廓线是少的，就将轮廓线少的按照轮廓线多的进行增加断点，从而使一对多变成一对一的状态。

若相邻ping中一对多的轮廓线位置的相似程度小于设定的相关阈值或相邻ping中一对一的轮廓线两轮廓线的位置和形状差异大于设定的相关阈值时，则进行划分格网，在下层的轮廓线中均匀插入n个点P＝{p

要知道的是，对轮廓线一对多或一对一的相似程度，或者是差异程度的评判是很简单的数学问题，通过设定评判标准的阈值，如果超过阈值，就说明过于不相似，差异过大，可能出现算法失效此时，就可以进行划分隔网，从而构建完整的表面，如图5所示。

S3：将相邻轮廓线之间进行填充，从而实现三维地形建模。

进一步的，若相邻路径测得相同位置的轮廓线存在差异，则判定存在差异的位置有特殊地形的可能，并结合两次的探测结果进行地形构建。以地理坐标位置作为参考系，将相同位置坐标的填充面的高度高的作为本坐标位置的高点，将相同位置坐标的填充面的高度低的作为本坐标位置的低点，对作为建模基础的填充面进行修正。

设两次的探测结果分别为E、F，在修正时，在两次探测结果重合的位置，若E或F的探测结果出现随着位置坐标的定向变化至少一个探测结果不变且E、F两次探测的结果深度不同，设随着位置坐标的变化E的探测结果不变且E探测的结果深度为高点，则将E的探测结果的地理位置在高点处固定并将随着位置坐标的定向变化时E的探测结果不变的部分删除，以F处于低点的探测结果作为E删除部分的实际地形情况；在构建所述特殊地形的填充面时，将对E的填充面的构建限制到E的删除部分为止，将其余部分通过F的探测结果进行构建。

要知道的是，在水下探测时，探测信号是以扇形的形式进行捕获的。这就意味着，在获取信号时，可能只能检测到一面的信号，而另一面的情况无法准确得到。此时，通过对路径的规划约束，能够使水下特殊地形的两侧都能够得到准确的信号。那么，如果两侧得到的信号不一致时，就需要对错误的信号进行修正。如果两次的探测结果在相同位置坐标的深度不同，就说明可能这个地形属于一个遮挡信号的地形，如图6所示。探测信号E，在w处因为遮挡效果，无法对w以下的地方进行合理的探查，同时也能够影响w探测结果中E右侧的部分地方。此时，以右为正方向，随着地理位置的变化，E的探测结果从一点开始一直是不变的，都为E的高度。此时，探测结果就是错误。但是F的探测结果与E相比是相对正确的。那么，此时将探测结果E的w，以右的部分(随着地理位置变化探测结果不变的地方)进行删除，通过探测结果F，进行修正。这样能够保证在探测时面对如图6的特殊的地形探测结果相对准确。对于这种情况的填充面的构建方法，F就以正常的构建方法构建。构建内容到达w时通过F进行构建并与E的构建结果相衔接。这样就能构建出一个立体结果。同时要知道的是，F在w点的构建方法，就需要参照一对一中，两条轮廓线的位置和形状差异大于设定相关阈值的情况进行构建。

三维地形建模包括，对多波束水体点云数据提取序列轮廓线；首先对多波束水体点云数据提取序列轮廓线，然后按航向顺序在相邻Ping轮廓线之间填充面片，从而形成水体目标表面模型，最后通过模型渲染提升视觉效果。如图4所示。

另一方面，一种基于多波束测深的三维地形建模系统，其特征在于：

路径约束模块，对有多波束测深装置的无人船的航行路径进行约束。

采集模块，通过所述多波束测深装置采集水下数据。

提取模块，对采集到的数据进行细分处理并提取轮廓线。

建模模块，将相邻轮廓线之间进行填充，从而实现三维地形建模。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器、磁变存储器、铁电存储器、相变存储器、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器或动态随机存取存储器等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。

本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

实施例2

以下为本发明的一个实施例，提供了一种基于多波束测深的三维地形建模方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。

通过测试实验，测试条件相同，在相同的水域，通过传统方法、单波束测深方法以及本发明的方法进行测试实验，数据如表1。

表1测试数据表

能够看出，本发明在测试时间上能够明显缩短。由于多波束的优势，相比于单波束能够减少航行的路程和次数，从而减少时间的损耗。相比于传统的人工方法，通过无人船自动测深，减少了人工测深的繁琐性和危险性，从而大大缩减测试时间。本发明通过具体算法和有效的建模方法能够将水下情况清晰的呈现，而单波束的方法由于自身的局限性，无法将水底情况具体呈现，同时人工的传统方法由于人工的局限性和本身的局限性，水底情况的呈现则更差。最后本发明通过自身优势，能够使水里情况的呈现结果的清晰度明显高于单波束和传统方法。

通过在3种不同测试条件下的对比测试，测试本发明跟传统方法相比较下，测试结果稳定性的数据体现如表2。

表2稳定性结果表

能够看出，本发明在三种不同的测试环境下，都能够保证较高的测量准确性且准确性的稳定性较高。而传统的人工方法在不同的测试环境下不同，够保证不同结果的稳定性。还可以看出，传统的人工方法在不同环境下测试的测试结果的准确性总体来讲恒低于本发明的方法。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。