[发明专利]一种基于三维点云系统的水下抛石实时监测系统及其工作方法

权利要求书

1.一种基于三维点云系统的水下抛石实时监测系统，其特征在于：包括可旋转支座、升降梁、折叠杆、声呐设备、GNSS天线、控制柜、计算机，所述可旋转支座包括定座和动座，定座固定在位于甲板上的直线滑轨上，动座通过带外齿的回转轴承与定座连接，回转轴承外齿与驱动齿轮啮合，驱动齿轮与第一伺服电机连接，所述升降梁包括升降固定座、升降杆、直线滑轨导向装置、桁架，所述升降固定座和直线滑轨导向装置均固定在可旋转支座的动座上，直线滑轨导向装置上设有驱动齿轮，升降杆上设有齿条，齿条与驱动齿轮啮合，驱动齿轮与固定在升降固定座上的第二伺服电机连接，升降杆底端与桁架固连，所述折叠杆包括折叠固定座、杆体、下连接板，所述折叠固定座固定在桁架的远端，折叠固定座上设有与杆体顶端连接的驱动转轴，驱动转轴与固定在折叠固定座上的第三伺服电机连接，杆体底端设有下连接板，所述声呐设备通过云台固定在下连接板上，所述杆体上设有GNSS天线，所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、云台控制器均与控制柜电联，所述声呐设备、GNSS天线与计算机通讯连接。

2.根据权利要求1所述的基于三维点云系统的水下抛石实时监测系统，其特征在于：所述声呐设备为三维声呐、或多波束声呐、或3D侧扫声呐。

3.根据权利要求1所述的基于三维点云系统的水下抛石实时监测系统，其特征在于：所述升降杆顶端与桁架远端间设有可调拉杆。

4.一种如权利要求1所述的基于三维点云系统的水下抛石实时监测系统的工作方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在航道整治工程抛石施工前进行水下地形测量，测量后，划分施工区域网格，抛石定位船在指定网格抛锚定位，根据当时水流的流向、流速确定抛石提前量，货船运载散抛物靠墩进行抛石施工；

(2)在抛石定位船的靠墩侧船舷安装固定实时监测系统，此时实时监测系统处于非工作状态，折叠杆呈水平状折叠靠拢桁架，折叠杆和桁架位于甲板之上沿船舷停放；

(3)在货船上散抛物全部入水之后，货船离开，下一艘货船靠墩的间隙，实时监测系统的可旋转支座向外旋转，折叠杆打开，使声呐设备位于抛石区域的上游侧，升降杆下降，声呐设备入水深度在1.5米以下且距离水底1.5米以上，控制发射声呐信号，将三维声呐的发射频率控制在1.35MHz，声速调整到1450m/s，信号覆盖范围控制在1～20m，或者将多波束声呐的发射频率控制在0.9～3.75MHz之间，信号覆盖范围控制在5～50m，或者将3D侧扫声呐发射频率控制在450KHz，信号覆盖范围控制在5～100m，云台带动声呐设备进行扫测作业，采集水下地形数据；

(4)计算机接收到云台旋转信号、声呐信号和GNSS定位信号，将其导入实时显示测量软件，实时显示测量软件依据云台旋转速度、声呐信号、GNSS定位信号生成地理坐标系中的三维点云水下地形图，其中通过潮位表将三维点云水下地形图中的高程转换为绝对高程；

(5)将施工区域网格的CAD设计图导入实时显示测量软件，与步骤(4)得到的三维点云水下地形图进行对比，检测抛石范围是否覆盖划分的抛石网格、抛石厚度是否满足设计要求、判断抛石流失量，实时反馈水下抛石着床状态。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于所述实时显示测量软件基于三维点云数据处理软件PDS ImageScan开发，其数据处理包括：

S1，图像生成

利用声呐信号原始数据生成R-Theta图和真实坐标的XY图，其中R-Theta图的显示方式和数据存储方式相似，XY图和真实的场景相似；

R-Theta图和数据存储方式相似，为矩阵方式存储，它的列数表示波束的个数，每一个波束对应一个扇面内的极坐标角度；它的行表示采样点，即不同时间下的采样点的序列；

XY图是在R-Theta图的基础上通过计算获得的，XY图记录了每一个波束的采样点，每一个波束对应于一个特定的角度，通过极坐标计算恢复实际空间扇面的形状；

S2，目标提取

通过阈值法进行目标提取，首先提取每条采样线的最大回波强度点，然后判断每条采样线的最大回波强度点的回波强度是否大于阈值，若大于设置的阈值，则保留此点，否则删除此点；

S3，目标点站心三维坐标计算

目标点三维坐标计算实际是球坐标向直角坐标转化的过程，站心直角坐标系的定义为：坐标原点O为扫描声呐的中心，z轴竖直向上，y轴与初始声呐发射脉冲中央指向重合或反向，x轴垂直于yoz平面构成右手坐标系，

云台转动时，通过水平旋转α和竖直方向倾斜角变化φ来确定发射波束中央指向，扇面内的目标点相对于中央波束的倾斜角度为目标点距离R，进而求得目标点相对于站心坐标系的坐标

S4，目标点地理坐标计算

声呐头的地理坐标为S(N,E,H)通过GNSS定位获得，通过声呐设备自带的磁罗经或载体的MRU确定站心坐标系y轴的方位角为A，

则目标点地理坐标计算公式为

Z＝z+H

整理得

S5，点云拼接

利用重合数据进行自动拼接，自动拼接算法为ICP算法，假设两片点云P、Q有重合的区域，ICP算法首先对点集P中的每个点p_i搜索其在点集Q上的最近点q_i作为其对应点，建立误差测度

通过不断进行最近点q_i的搜索，并通过奇异值分解、单位四元素计算相应的旋转矩阵和平移矩阵，计算误差测度，当前后两次误差测度小于设置的阈值迭代停止，此时利用旋转矩阵和平移矩阵将两个点集拼接在一起。