一种港口航道水下地形监测分析系统的制作方法

本发明涉及水下测绘与航道工程，具体涉及一种港口航道水下地形监测分析系统。

背景技术：

1、港口航道的水下地形监测是保障船舶通航安全及指导航道疏浚工程的核心基础工作。随着多波束测深技术的发展，水下地形数据获取的覆盖率得到了显著提升。然而，在宽阔港口、入海口及咸淡水交汇等复杂水文环境下，现有的水下地形监测系统在实际工程应用中暴露出以下核心技术缺陷：

2、第一，水面空间梯度畸变导致的瞬时高程归算误差显著。现有多波束测深系统在进行水深数据向绝对高程基准面转换时，通常依赖于单点或稀疏分布的岸基验潮站提供水位补偿数据。这种传统补偿模式隐含了一个物理假设，即整个测区的瞬时水位是一个绝对水平面。然而，在实际的宽阔航道中，受风场应力、底床摩擦阻力以及浅水潮汐波形变等水动力因素的综合作用，航道内不同空间节点的瞬时绝对水位存在明显的空间梯度差异。当测量船只驶离验潮站较远时，直接套用岸基单点水位进行高程相减，会不可避免地引入随距离递增的系统性垂直误差，导致大范围拼接后的地形高程面产生空间阶跃或整体倾斜。

3、第二，变密水体高频演变导致的声线折射畸变无法得到实时修正。多波束测深仪的边缘波束精度极度依赖于准确的水体声速剖面（svp）数据以修正声波在水下的传播路径。在咸淡水交汇区，水体的温度和盐度结构受到潮汐和异重流的强烈干扰，导致全深度声速剖面在时间和空间维度上呈现高频、动态的剧烈演变。现有技术主要依靠人工中断测量作业、停船投放温盐深仪（ctd）的方式获取静态声速剖面，采样时效性极差。使用滞后或空间偏离的声速剖面代入斯涅尔定律计算时，无法真实还原声波在非均匀变密水体层中的实际弯曲轨迹，进而导致声线水平偏移量和垂直穿透深度的解算产生严重偏差，最终在三维地形点云的边缘区域呈现出系统性的数据上翘或下凹畸变。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

2、本发明提供了一种港口航道水下地形监测分析系统，包括：水面无人测量模块，搭载多波束测深仪和表面声速仪，用于获取测区坐标、表层声速及测深基础数据；

3、分布式环境感知模块，包括部署于航道的验潮仪和底层声速信标，用于采集多节点瞬时水位及底层声速数据；

4、时空动态补偿分析模块，与所述水面无人测量模块和分布式环境感知模块通信连接，用于基于所述瞬时水位数据构建三维潮位曲面以提取瞬时水位面进行高程归算，并结合表层及底层声速数据反演全深度动态声速剖面，对测深基础数据执行射线追踪补偿，生成高精度三维地形数据；

5、冲淤演变预警模块，与所述时空动态补偿分析模块连接，用于将所述高精度三维地形数据生成当前数字高程模型，并与基准模型比对生成地形差异矩阵，基于预设通航水深安全阈值触发预警。

6、进一步地，所述水面无人测量模块还包括姿态定位子系统和时间同步中心；

7、所述姿态定位子系统包括相互刚性连接的rtk-gnss天线与惯性导航单元，用于实时采集所述水面无人测量模块的三维空间坐标以及包含横滚角、俯仰角、航向角和升沉位移在内的瞬时姿态数据；

8、所述时间同步中心用于向所述多波束测深仪、表面声速仪及姿态定位子系统提供统一的pps秒脉冲信号，以生成带有绝对时间戳的所述测深基础数据。

9、进一步地，所述测深基础数据包括多波束声波双程走时、发射与接收波束角以及对应的所述瞬时姿态数据；

10、所述水面无人测量模块还包括边缘控制计算单元，所述边缘控制计算单元用于基于所述绝对时间戳将所述瞬时姿态数据与所述多波束声波双程走时进行时空对齐，并利用所述姿态数据对测深波束的发射和接收指向角执行姿态波浪补偿，将补偿后的数据打包发送至所述时空动态补偿分析模块。

11、进一步地，所述分布式环境感知模块采用基于水动力梯度的非均匀部署拓扑架构；

12、在所述航道的咸淡水交汇区以及海底地形剧变区，所述验潮仪和底层声速信标的部署密度大于常规平直航道区；

13、所述验潮仪和底层声速信标均内置有时钟同步芯片，并通过窄带物联网或水声通信自组网节点，将带有绝对时间戳和三维空间坐标的所述瞬时水位及底层声速数据发送至所述时空动态补偿分析模块。

14、进一步地，所述底层声速信标内部集成有高频声波收发换能器、温盐深传感单元以及低功耗唤醒控制电路；

15、所述底层声速信标配置为环境自适应采样模式：在常规状态下以第一预设频率采集底层声速数据；当所述温盐深传感单元监测到水体盐度或温度的变化率超过预设阈值时，触发所述低功耗唤醒控制电路，将所述底层声速数据的采集频率切换为高于所述第一预设频率的第二预设频率，以捕捉潮汐涌动下的高频水文突变。

16、进一步地，所述时空动态补偿分析模块中构建三维潮位曲面并执行高程归算的具体步骤包括：

17、利用所述分布式环境感知模块中各节点验潮仪的瞬时水位数据，以航道中心线及边缘线为边界构建二维非结构化空间网格；

18、引入测区实时的风场数据和底摩擦系数作为边界驱动条件，在所述二维非结构化空间网格内求解二维浅水动力学方程组，在时空维度上拟合生成覆盖整个测区的瞬时三维潮位曲面；

19、提取所述水面无人测量模块在时刻所处坐标对应的瞬时潮位值，将多波束测深仪采集的原始高程数据减去所述瞬时潮位值，完成水位引起的空间梯度误差补偿。

20、进一步地，所述时空动态补偿分析模块中构建三维潮位曲面并执行高程归算的具体步骤包括：

21、利用所述分布式环境感知模块中各节点验潮仪的瞬时水位数据，以航道中心线及边缘线为边界构建二维非结构化空间网格；

22、引入测区实时的风场数据和底摩擦系数作为边界驱动条件，在所述二维非结构化空间网格内求解二维浅水动力学方程组，在时空维度上拟合生成覆盖整个测区的瞬时三维潮位曲面；

23、提取所述水面无人测量模块在时刻所处坐标对应的瞬时潮位值，将多波束测深仪采集的原始高程数据减去所述瞬时潮位值，完成水位引起的空间梯度误差补偿；

24、结合所述表面声速仪获取的实时表层声速以及所述底层声速信标获取的底层声速作为两端约束条件，通过最小二乘拟合求解各阶经验正交函数的重构系数，反演生成当前测量轨迹下的全深度动态声速剖面；

25、取所述水面无人测量模块在时刻所处坐标对应的瞬时潮位值，将多波束测深仪采集的原始高程数据减去所述瞬时潮位值，完成水位引起的空间梯度误差补偿。

26、进一步地，所述时空动态补偿分析模块反演全深度动态声速剖面并执行射线追踪补偿的具体步骤包括：

27、提取预设的历史水体温盐剖面特征库，通过主成分分析提取前阶经验正交函数，其中且为水深；

28、结合所述表面声速仪获取的实时表层声速以及所述底层声速信标获取的底层声速作为两端约束条件，通过最小二乘拟合求解各阶经验正交函数的重构系数，反演生成当前测量轨迹下的全深度动态声速剖面。

29、进一步地，基于斯涅尔定律对所述多波束测深仪的发射波束执行逐层射线追踪计算，根据各水层的动态声速和波束入射角，修正声波在非均匀水体中的弯曲路径与双程走时，输出消除“笑脸/哭脸”边缘畸变的高精度三维地形数据。

30、进一步地，所述冲淤演变预警模块生成地形差异矩阵的具体步骤包括：

31、将所述高精度三维地形数据进行网格化插值，生成本期数字高程模型；

32、调取航道竣工或上一次测量的基准高程模型，将所述本期数字高程模型与所述基准高程模型进行基于同一坐标基准的空间网格对齐与代数相减运算，生成反映航道底床高程变化的高维地形差异矩阵；

33、从所述高维地形差异矩阵中提取出冲刷深度最大值、淤积厚度最大值及对应的空间坐标，并计算测区整体冲淤土方量变化值。

34、进一步地，所述基于预设通航水深安全阈值触发预警的具体逻辑为：

35、获取目标通航船舶的吃水深度、安全富裕水深以及当前航道的基准面水位；

36、结合所述高维地形差异矩阵中的淤积厚度最大值，提取对应网格的实际水深值；

37、将所述实际水深值引入动态预警模型：判断不等式是否成立；若成立，则判定当前水深无法满足通航安全，触发限制通航预警指令，并将所述淤积厚度最大值对应的空间坐标作为重点疏浚区靶点数据打包发送至港口调度终端。

38、有益效果

39、本发明通过构建分布式多源异构环境感知网络与水面无人测量平台的物理协同，引入非结构化网格驱动的浅水动力学方程与基于表底约束的经验正交函数，实现了测区瞬时三维潮位曲面的动态拟合与全深度声速剖面的实时重构，从物理模型消除了复杂水域潮位空间梯度差异及变密水体声线折射引入的系统性高程误差；同时通过低功耗环境自适应采样与边缘硬件时间同步机制，免除了传统作业中频繁停船测声速的工序，实现了不间断的连续自动化高精度测量，并将高程归算后的数字模型直接转换为包含物理通航受力边界验证的差异矩阵，为港口航道的精准疏浚与通航调度提供了高时效、数据闭环的量化支撑。