超声三维地形自动测量分析系统在河工模型试验中的应用
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水工模型试验测量技术综述摘要:水工模型试验是解决工程实际问题,为理论研究和工程设计提供依据的重要手段。
基础数据的准确度与精确度直接关系到试验成果的质量,因此试验中的测量技术非常关键。
流速、流量、水位、压力、地形、泥沙含量等是模型试验中测量的主要数据,本文主要介绍了模型试验中这些数据的测量技术及存在的问题。
关键字:水工模型试验测量方法发展现状问题分析引言水工模型试验是根据相似原理,按照一定的相似比将需要研究的对象,如河流、水工建筑物等按一定比例缩小后,在缩小的模型中复演与原型相似的水流,进行水工建筑物各种水力学问题研究的实验技术,旨在定性或定量的揭示其运动规律或水力学特性,为理论研究和工程设计等提供依据。
自1870年弗劳德(Froude)首先按水流相似准则进行了船舶模型试验以来,随着水利事业的发展,水工模型试验水平在很大程度上有了提高,在理论设计、模型制作、试验测量、数据处理等方面都有了创新突破和发展。
模型试验中的数据测量对试验结果的质量起着至关重要的作用,数据的精确度和准确度直接关系到科研成果的质量。
在水工模型试验中主要需要控制和测量的参数有流速、流量、水位、压力、地形、泥沙等,测量仪器的精度、范围、性能等决定着测量结果的准确性,因而优良的测量技术是模型试验的前提和保障。
近年来随着激光技术、超声波技术、计算机技术及数字图像处理技术等先进技术的发展,模型试验测量技术有了较快的发展,但尚存在一些问题有待进一步研究,本文主要论述模型试验测量技术的发展及现在存在的一些问题。
1.发展现状1.1流速测量技术流体的流速是流场最基本的物理量之一,对流体流动特性的认识很大程度上取决于流场的获得,而大多数描述流场的物理量都直接或间接与流速有关,如环量、涡量、流函数、流速势函数等等。
在模型试验中流速的测量非常重要,随着技术的创新突破,流速的测量技术取得了较快的发展,从单点流速测量发展到多点测量,从单向到多向、从稳态向瞬态发展,从毕托管、旋浆流速仪、热线/热膜流速仪、电磁流速仪、超声波多普勒流速仪(ADV)、激光多普勒流速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV)发展到VDMS法[1-3]。
河工模型量测控制系统设计与应用——以赣江下游尾闾整治工程为例万浩平;杨楠;李昌垣【摘要】The comprehensive renovation project model of lower reaches of Ganjiang River was built in outdoor environment and characterized as multi -stage bifurcation,so it puts forward higher requirements for the measurement -control system in terms of operation reliability and lightning protection.On the basis of field situation analysis, a set of more advanced design scheme for the model measurement -control system was presented.The measurement -control system is composed of water supplying system of flat water tower,flow control system,water level and flow velocity measurement system,tail gate control system,lightning pro-tection and grounding system,topographic survey system and so on.This paper briefly introduces the working principle,design scheme and application situation of each sub -system.The system uses modern network technology and high performance auto-matic measuring instruments,which can realize real -time data acquisition,control and data processing of various parameters in the model test.The test results show that the measurement -control system can meet the requirement of the model test of compre-hensive renovation project of lower reaches of Ganjiang River.%赣江下游尾闾综合整治工程物理模型建于室外,且模拟河流多级分叉,对整个模型测控系统运行的可靠性以及室外的防雷性能提出了更高的要求.在分析现场情况的基础上,提出了一套较为先进的模型量测控制系统总体设计方案,控制系统由平水塔供水系统、流量控制系统、水位与流速测量系统、尾门控制系统、防雷接地系统、地形测量系统等量测子系统组成.简要介绍了各测量子系统工作原理,设计方案及实际应用情况,系统应用现代网络技术及高性能自动化测量仪器,可实现模型试验中各种参数的实时采集、控制和数据处理.试验结果表明,该测控系统可满足模型试验的测控需求.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2017(048)024【总页数】6页(P80-85)【关键词】防雷接地;地形测量;测控系统;赣江下游尾闾水工模型【作者】万浩平;杨楠;李昌垣【作者单位】江西省水利科学研究院,江西南昌330029;江西省水利科学研究院,江西南昌330029;江西省水利科学研究院,江西南昌330029【正文语种】中文【中图分类】TP391赣江下游尾闾综合整治工程是江西省开展的一项重大民生水利工程,工程涉及河道整治、堵支、建闸和改道等措施,工程的实施必将改变赣江下游尾闾河道边界条件,使尾闾河道局部水流结构发生改变,影响尾闾河网泥沙输移,引起河床的冲淤调整、进而可能对水资源利用、防洪、生态湿地、水环境和航运等产生影响。
第45卷第3期2022年3月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGYVol.45,No.3Mar.,2022
收稿日期:2021-03-09基金项目:江西省水利厅一般科技课题(202022YBKT10)资助作者简介:彭祥国(1985-),男,江西九江人,高级工程师,注册测绘师,硕士,2011年毕业于中国矿业大学大地测量学与测量工程专
业,主要从事GNSS数据处理及变形监测等方面的应用研究工作。
EGM2008模型在小型水库高程基准统一测量中的应用
彭祥国,王学剑,万红星(中铁水利水电规划设计集团有限公司,江西南昌
330029)
摘要:针对小型水库管理中高程基准不统一的情况,本文提出了在接测少量控制点的情况下采用网络RTK技术进行大范围高程基准传递,并应用基于EGM2008模型的多面函数法进行高程成果检核,剔除测量中存在的粗差,分析比较网络RTK测量所能达到的精度等级。通过2个实例验证,网络RTK技术高程测量中误差分别达到±5.13cm和±3.19cm,能达到五等或图根等级高程控制点的精度,满足小型水库管理对高程基准精度的要求,同
时也说明在接测少量控制点情况下,采用网络RTK进行大范围复杂地形条件高程基准传递具有可行性,为类似项目开展提供了一定的参考依据。关键词:EGM2008模型;小型水库;多面函数法;网络RTK技术;高程基准中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2022)03-0037-04
ApplicationofEGM2008ModelinUnifiedSurveyofSmallReservoirElevationDatum
PENGXiangguo,WANGXuejian,WANHongxing(ChinaRailwayWaterConservancy&HydoopowerPlanningandDesignGroup.Co,Ltd.,Nanchang330029,China)
【摘要】介绍GPS RTK技术在水下地形测量中的应用,结论认为:GPS RTK技术非常适合大规模的水下地形测量。
【关键词】 GPS RTK 水下地形测量1 引言全球卫星定位系统(GPS)是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,它具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
近年来,随着GPS研究的不断深入及计算机技术和其它相应学科的发展,其应用范围不断扩展。
目前,GPS测量的一个重要应用领域就是利用GPS RTK技术进行水下地形测量。
本文结合多年的实践经验,介绍GPS RTK技术在水下地形测量中的应用,以供大家参考。
2 GPS RTK技术简介RTK(Real time Kinematic)技术即实时载波相位差分技术,是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法,它分为基准站和流动站。
基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站,流动站通过无线电接收基准站发射的信息,将载波相位观测值实时进行差分处理,得到基准站和流动站坐标差△X、△Y、△H。
坐标差加上基准站坐标得到每个点的WGS-84坐标,通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H。
3 水下地形测量的应用3.1 目的、任务为满足红水河桥巩水电站工程进行枢纽整体水工模型试验及通航船模试验,根据项目设计要求,需对电站坝址附近的河段进行1:1000水下地形图测量。
3.2 测区位置测区位于东经108°55′~108°56′、北纬23°27′~23°28′,距迁江镇约1.0km,东距来宾市区约37km,宾阳至合山公路从测区边通过,交通方便,测区行政隶属来宾市迁江镇管辖。
3.3 测区已有资料测区内已施测有D级GPS控制点及一级、二级图根控制点,可以作为1:1000水下地形图测绘控制点。
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-1-
超声三维地形自动测量分析系统在河工模型试验中
的应用
范明华1,谢珊珊
2
1河海大学海洋学院,南京(210098
)
2北京市海淀区西北旺镇63996部队后勤室,北京(100094)
E-mail:jsszfmh@tom.com
摘 要:本文系统总结了河工模拟技术的发展过程和研究成果。针对大型泥沙模型试验自动
测量中传统方法的不足,引入并介绍了超声三维地形自动测量即UMS系统,该系统可用于
大型泥沙模型试验的含沙量和冲淤变化过程测量、试验河段水深图和等高线绘制等功能,已
成功应用于多项国家重点科技项目。
关键词:河工模型自动测量;UMS系统;超声波;测控系统
中图分类号:
TV131.61
1. 前言
进入21世纪后,随着我国国民经济建设的快速发展,我国水利、水电、水运建设事业
和科学研究工作进入一个蓬勃发展的新时期,我国水利工作者就流域泥沙灾害、河流泥沙输
移、河床演变与整治等进行了大量的研究,取得了许多重要的成果。
[1]- [2]
作为泥沙研究的重
要手段之一,河流泥沙模拟技术也得到了迅猛的发展。[3]目前,我国的模型试验研究工作的
科研水平总体处于国际先进地位,尤其是水流泥沙实体模型试验较为突出,不仅在试验理论
上有所创新,而且在试验仪器设备和量测技术上也有独到之处。但水流泥沙问题是十分复杂
的,许多运动机理尚未认识清楚,工程试验中许多边界条件和要素还难以准确判断和测量,
这其中有许多是因仪器设备和测量技术的原因所造成,现有的泥沙模型试验仪器设备较为分
散,操作繁重,仪器精度不高。[4] -[6]
为了解决仪器使用和测量精度等问题,目前相关科研单位研制并开发了UMS
(ultrasonic measurement system)
系统,即超声三维地形自动测量分析系统。UMS系统
在物理模型试验中应用,实现了三维地形自动测量,从而使得物理模型试验人力、财力的消
耗大大减少。
2. UMS系统组成和工作原理
1)、系统概述:超声三维地形自动测量分析系统UMS利用测车携载超声测量组件在轨
道上沿模型断面移动,测量床面的垂直高程。同时,固定于轨道一端的激光测距组件测量测
车的水平位置,系统根据以上两组数据画出断面的地形图(如图1)。
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图1 UMS系统组成
2)、系统机械构成:超声三维地形自动测量分析系统主要由机械运动组件、超声测量组
件、激光测量组件、系统主机、软件系统五部分组成(如图2)
图2 UMS系统工作原理示意图
3)、机械传动组件:驱动超声测量组件及电源在轨道上行驶。测车在轨道上的移动由系
统控制,速度与方向均可调整。速度范围1~10cm/s。轨道长度可按实际需要调整。
4)、超声测量组件:测量时间约为1s,测量精度+1mm,测量距离0.3~100m。可在清、
混水环境中进行测量。单点的测量时间小于2s,测量精度+1mm,测量范围为0~100cm。
5)、激光测距组件:用于测量水平面方向的数据,即用于取得X、Y方向的数据,测量
精度在+0.1mm。
6)、系统主机:包括一台电脑和一块AD卡。
7)、系统软件:软件在WINDOWS下运行,界面美观新颖,具有很强的可视性和可操
作性,具有很强的自检自诊断功能。按照用户设置控制机械运转,自动进行数据采集、分析
和绘图。UMS系统软件可以方便地检测控制接口、传感器、电动执行器和有关硬件的工作
状态和正常与否;控制过程线实时显示,以不同颜色在同一画而显示给定曲线和控制过程线;
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多个模块整合在同一主菜单中,可以方便地选择切换到不同的控制状态;运用多媒体功能,
界而配以了动态的音视频效果;系统软件具有很好的实时性、快速性、可靠性。
3. 物理模型中应用
在浙江某江的物理模型实验中,UMS系统发挥了重要作用,尤其是它对测量断面的实
时监控的功能,对研究河道的逐时变化提供了详实的第一手资料。
1)、对特定断面的逐时观测(每隔半小时测量一次),监控该断面的冲淤变化过程,结
果如图3所示。
1#
-20
-15
-10
-5
0
5
10
18002300280033003800
8:00(初始断面)
8:00-9:00
9:00-10:00
11:00(最终断面)
图3 1#断面的逐时观测冲淤变化情况
2)、通过对某一河段、一段时间内的监控,研究该河段的冲淤平衡年限,如图4所示:
6.6
6.7
6.8
6.9
7
7.1
7.2
7.3
7.4
00.511.522.533.5
年
断
面
平
均
水
深
(
米
)
图4 南口全堵后该断面平均水深沿时间变化过程
从图中可以分析出,南口全堵后该断面先淤后冲,总体上呈淤积趋势,三年内淤积厚度
为0.11米。第0到1年为淤积期,第1到第3年为冲刷期,其中第1到第2年为冲刷发展
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期,第2到第2.5年为冲刷稳定期,第2.5到3年为冲平衡期。
4. 结语
超声三维地形自动测量分析系统较好地满足了泥沙模型试验研究的实际需求,能够实现
大型泥沙模型试验的地形测量与图形后期处理。UMS系统在河工模型试验中的成功应用,
较传统测控系统显示了很大的优越性,实现了物理模型试验中冲淤观测的自动化。
[7]
需要指
出的是,还应该与模型试验水位控制做成一套完整的自动控制系统,以提高泥沙模型试验测
量与控制的工作效率,缩短模型试验周期,提高模型试验研究成果质量。[8] [9]
参考文献
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[6] 中国水利水电科学研究院,黄河下游花园口-黑岗口河段河道整治模型试验研究[R],1988.
[7] 王兴奎等.图像处理技术在河工模型试验流场测量中的应用.泥沙研究,1996(4).
[8]
Hansen W., Theorie.Zur Errechnung des Wasserstandes and der Stromungen in Randmecren nebst
Anwendungen.TeVus,Vol.8(3),1956
[9] 陈国祥,陈界仁,沙捞·巴里.三维泥沙数学模型的研究进展田.水利水电科技进展,1998.
The application of UMS in physical model test
Fan Minghua1, Xie Shanshan
2
1 College of Traffic and Ocean, Hohai University, Nanjing (210098)
2 Teaching and Research Ground of Basic Learning NO.63996 Army Xibeiwang Town Haidian
District Beijing, Beijing (100094)
Abstract
In this paper, a brief summary to the development and achievement of physical model test has been
made, and there appear a few disadvantages in the mesurement of the 3-D topography in tests, here the
system of UMS is introducted. The usage of the system realizes the automatical mesurements of
sediment concentration, the changement of special cross-section. Besides, the function of drawing of
water depth and contour line is involved for post processing. This system has been successfully applied
in some national key projects.
Keywords: automatical mesurement in physical model test, UMS, ultrasonic, measure and control
system