本發明屬于航道疏浚應用系統，尤其是為絞吸挖泥船施工提供水下3D地形的系統。
背景技術：
目前使用的比較先進的水深測量設備是多波束測深系統，其顯著特點是能一次發射和接收一列波束，在測量船速等因素控制得當的情況下，多波束測深儀可以對一個區域進行全覆蓋的面測深，提高了測量船測量的作業效率，為水深測量提供了便利。但由于多波束測深系統需要由多傳感器協同進行水深測量，觀測值多，誤差來源也多（如定位和測深的延時影響，海底地形影響，天氣條件，儀器的安裝方式，疏浚處理方法，水深篩選原則等產生的誤差），參數測定的準確性與工作環境的惡劣程度，都在很大程度上影響測深結果的質量，從而影響到水底地形的準確顯示。
傳統的水下地形顯示使用測量船測量結果制作，不具有實時效應，并且由于測量船測量過程中產生的誤差造成最后制作的水下地形與絞吸船正式施工時的海底地形存在較大差異。
現有的先進絞吸挖泥船上已經安裝了多波束發射接收換能器陣（聲吶探頭），多波束信號控制處理電子系統，提供大地坐標的DGPS差分衛星定位系統（GPS信標機），提供絞吸船艏向的電羅經，提供絞吸船橫搖，縱搖，沉降等姿態數據的傳感器。多波束測深系統采用廣角度和多信道定向接收技術，獲得水下高密度條幅式海底地形數據。利用發射換能器陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個的海底被測點的水深值，測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，描繪出海底地形的三維特征。測量過程中多波束系統安裝過程中存在的橫向角度和縱向角度引起的橫搖偏差和縱搖偏差，船只航行時引起的導航延遲和電羅經偏差，潮位（參考基準面）的變化，海水介質聲速結構的變化都會導致測點的位移，從而影響到海底測深精度，導致海底形態的畸變。
技術實現要素：
本發明需要解決的問題是提供一種在不同情況下的施工現場，排除多波束測深系統探測誤差，直接通過絞吸挖泥船絞刀施工位置生成水下3D地形的制作系統。
本發明的技術方案包括一套橋架設備和位于疏浚控制臺的可編程控制器構成的橋架位置系統，一套獲得船舶GPS位置的GPS信標機和潮位信號的潮位儀與控制電腦構成的船舶位置系統，一套計算絞刀大地坐標和建立數據模型的數據處理系統以及位于疏浚控制臺的圖形生成顯示系統組成，橋架上安裝有測量橋架角度的橋架角度傳感器；羅經甲板上兩個不同位置安裝有檢測船舶位置的GPS信標機，安裝在船上檢測潮位的潮位儀，其特征是所述橋架角度傳感器經過信號電纜和橋架位置系統的檢測信號輸入端連接；橋架位置系統的信號輸入端與位于疏浚控制臺的可編程邏輯控制器（PLC）的采集系統相連接；所述GPS信標機與控制電腦通過數據傳輸線路相連接；疏浚控制臺的可編程控制器的采集系統和控制電腦通過網關和數據處理系統連接；數據處理系統通過網關和圖形顯示系統連接。
本發明的有益技術效果：基于上述技術方案能夠通過計算出絞刀的大地坐標，應用Direct3D技術生成水下3D地形圖。在絞吸船施工過程中，由橋架角度傳感器的角度變化計算出絞刀的實際深度，結合橋架的設計參數可以計算出絞刀深度；基于船舶位置系統中兩個安裝在不同位置的GPS信標機，獲得GPS信標機的大地坐標和船體所在坐標系相對于大地坐標系的偏移角度；通過GPS安裝在船體的具體位置（即GPS在船體坐標系的參數），根據船體安裝橋架的設計參數即可以計算出絞刀的具體位置（船體坐標系中的位置）；最后結合之前計算的偏移角度及船體坐標系中的位置通過計算轉換至大地坐標系并算出絞刀的大地坐標。將絞刀施工位置處的大地坐標轉換為有序數值陣列表示地面高程，建立數字地形模型（DEM），本發明中用數學定義的點來表示水下地形的高程變化，利用絞刀的大地坐標建立數字地形模型（DEM）。本發明中主要采用多分辨率模型簡化技術（LOD）生成地形格網，將地形格網信息輸入到3D繪圖編程接口（Direct3D）中進行繪制，并將深度顏色對照表上的顏色值賦到由數字地形模型（DEM）數據所構成的三維模型中。本發明直接采用絞刀位置來建立水下數字地形模型，可以有效的減少使用多波束測深系統中由于水體運動引起的數據失真，水體異物產生的回波影響，聲波二次反射引起的數據失真，水下特殊地形引起的數據失真，聲速剖面采用不同經驗模型引起的數據誤差等因素造成的問題，可以減少多波束測深系統后期需要進行數據處理從而引起的進一步數據失真問題。通過網格中頂點位置的高度的不同利用深度顏色對照表進行渲染，采用數字地形模型（DEM）使得計算機可以通過不同層次的分辨率來描述地形表示，采用多分辨率模型簡化技術（LOD）生成地形格網，可以在特定的分辨率下用更少的空間和時間更精確的實時表現更復雜的水下地形，減少數據處理時間實現絞吸船施工過程中水下地形實時顯示。
附圖說明
圖1是本發明的原理圖。
具體實施方式
本實施方式包括有一套橋架設備和位于疏浚控制臺的可編程控制器構成的橋架位置系統，一套兩個獲得船舶不同位置的GPS信標機與控制電腦構成的船舶位置系統，一套計算絞刀大地坐標和建立數據模型的數據處理系統以及位于疏浚控制臺的圖形生成顯示系統組成。橋架上安裝有測量橋架角度的橋架角度傳感器，橋架傳感器經過信號電纜與橋架位置系統的檢測信號輸入端連接；橋架位置系統的檢測信號輸入端與位于疏浚控制臺的可編程控制器的采集系統連接；所述GPS信標機及潮位儀與控制電腦通過數據傳輸線路相連接，兩個GPS信標機安裝于羅經甲板不同位置，獲得兩個安裝位置處的WGS84坐標；數據通過TCP網關將所有采集到的信息匯傳輸至數據處理系統中進行數據處理并建立數字地形模型；數字地形模型通過TCP網關傳輸至圖形生成顯示系統中生成并顯示在人機界面中。
絞吸船施工過程中，采用橋架上安裝的橋架角度傳感器獲得的原始電壓（V01）和輸出電壓（V1）計算角度（A1），橋架長度（L），潮位（t），計算出絞刀深度：絞刀深度（hy）：hy =LsinA1-t；橋架角度θ（A1）與角度傳感器輸出電壓V1、初始電壓V01和初始角度θ0的關系：θ= K1(V1 - V01)+θ0。
通過安裝在羅經甲板上的兩個GPS信標機獲得WGS84坐標，通過換算將該坐標轉換為大地坐標，并將該坐標轉換為平面坐標。以絞刀和絞吸船尾部鋼樁之間連接的中心線為縱軸，船的尾部橫截面線為橫軸，建立船體坐標系，通過設備安裝參數獲得GPS在這個坐標系中的船體坐標。通過兩處GPS的坐標計算出船體的橫移角度及船體坐標系相對于平面坐標系的偏移角度；在船體坐標系中，根據橋架的安裝位置獲得橋架在船體坐標系中的位置，同時根據橋架角度傳感器計算獲得的橋架角度變化，結合船體橋架設計參數，計算出投影在船體水平面上的橋架長度變化，最終獲得絞刀在船體坐標系的位置。最后根據船體坐標轉換為平面坐標的計算公式，獲得絞刀的平面坐標，最后轉換為大地坐標（大地經度L、大地緯度B和大地高程H）。
將絞刀施工位置處的大地坐標轉換為有序數值陣列（{Vi(Xi,Yi,Zi),i=1,2,3,---n,}其中（Xi,Yi）表示該區域的平面坐標，Zi是（Xi,Yi）對應的高程）表示地面高程，建立數字地形模型（DEM），利用數學定義的點來表示水下地形的高程變化，將數字地形模型劃分為1m*1m的規則網格（網格大小代表數據精度），將絞刀大地坐標的大地高程H賦予給每個網格的高程，如絞刀長度為3m，寬度為3m，每次絞刀施工后，都有3*3個網格的高程數據將更新為絞刀大地坐標的大地高程H。本發明中主要采用多分辨率模型簡化技術（LOD）生成地形格網（多分辨率模型簡化技術利用人眼的視覺冗余特性，按照視線方向和距離視點的遠近及地物本身的復雜程度不同，對地形場景的不同部分采用不同程度的細節層次進行描述。大大的減小了的地形繪制過程中需要處理的三角形數量，加速了地形的實時繪制速度），將地形格網信息輸入到3D繪圖編程接口（Direct3D）中進行繪制，并將深度顏色對照表上的顏色值賦到由數字地形模型（DEM）數據所構成的三維模型中。在圖形生成顯示系統中建立3D環境，繪制出水下3D地形圖通過網關傳輸到疏浚控制臺的顯示器上顯示。