一种地形变化监测装置及其监测方法与流程

1.本发明涉及地形分布及变化监测技术领域，具体涉及一种地形变化监测装置及其监测方法。


背景技术：

2.近年来，随着人类活动、环境以及地质等因素的影响，大多数河流江道、港口以及海口均出现了不同程度的淤积或冲淤。其中，造成淤积的原因主要是纳潮量减小和潮动力减弱而引起的外源泥沙淤积，该淤积往往会导致河道边滩逐渐淤高并向主槽扩张，以及部分滩地较高并露出水面，并缩窄过水断面面积，不仅影响了城市景观和生态环境，且会给河道行洪和通航造成严重影响。同时，冲淤的存在则会导致堤脚冲刷、堤防破损、决口等问题，给周边带来经济损失。由此可知，针对上述地形变化的监测是至关重要的。
3.目前，传统的水下地形监测技术主要包括单波束测深系统、多波束测深系统、标志桩法、set(沉积—侵蚀水平面测量)法、alt us(由传感器、数据存储器、压力感应器和电源等主要设备组成)等。然而，在实际运用中，多波束与单波束测深系统均属于动态环境下的数据测量技术，该测深系统由于需要时刻随着测量船受到风、浪的影响，进而发生横摇、纵摇和垂直起伏，使其整个作业过程是一个随机的动态过程；且船只由于受水流影响，基本上每次航行路线都略有不同，从而导致该测深系统的数据成果精确性受影响。同时，多波束与单波束测深系统只能按照时间间隔比如4个月或者汛期前后去采集数据，数据准确信受多种因素影响，无法记录一个长期的河底变化情况。而标志桩法、set、alt us法均需要打桩架设仪器，很容易对过往船只造成影响，且则只能在近岸处，无法采集水深较深处的数据，使其采集数据不具有整体代表性。由此可知，传统的水下地形监测技术，很容易受外界环境因素(风和浪大致的横摇、纵摇和垂直起伏以及航行路线)的影响，导致其监测数据准确性差，且因航行路线不同测量位置偏移而导致的难以获取定点地形变化的长期监测数据。


技术实现要素：

4.1、发明要解决的技术问题
5.针对传统的水下地形监测技术，因易受外界环境因素的影响，存在监测数据准确性差的技术问题，本发明提供了一种地形变化监测装置及其监测方法，它可以有效避免外界环境因素的影响，提高监测数据准确性，且可以实现定点地形变化的长期监测。
6.2、技术方案
7.为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
8.一种地形变化监测装置，包括：
9.平台底座，所述平台底座下方对称设有两个相互连接的锚系重物；
10.测量仪器，所述测量仪器设于所述平台底座上，所述测量仪器用于测量垂直深度；
11.卷扬机，所述卷扬机设于所述平台底座上，所述卷扬机与所述锚系重物对应设置，所述卷扬机上设有钢丝绳，所述卷扬机与所述锚系重物之间通过所述钢丝绳连接；
12.绞车计量仪器，所述绞车计量仪器与所述卷扬机对应设置，所述绞车计量仪器用于记录对应钢丝绳在卷扬机作用下的转动距离；
13.水位传感器，所述水位传感器设于所述平台底座上；
14.倾角传感器，所述倾角传感器用于检测平台底座相对于水平面的倾角变化；
15.控制系统，所述控制系统分别与所述测量仪器、卷扬机、水位传感器和倾角传感器相连接；
16.其中，控制系统可根据倾角传感器和水位传感器的信号反馈，控制卷扬机进行钢丝绳的收紧与松放，使得钢丝绳在锚系重物的作用下与平台底座相互垂直，平台底座位于锚系重物正上方，且平台底座侧面吃水线位置不变。
17.在本技术中，利用船只将地形变化监测装置带到预设地点，选择合适位置抛设两个相互连接的锚系重物，使平台底座置于预设地点，平台底座稳定后，此时，钢丝绳处于松弛状态，整个装置随着水流飘动。启动控制系统，当倾角传感器检测到平台底座处于晃动倾斜状态时，倾角传感器会触发信号，并将信号反馈给控制系统，此时，控制系统会根据信号，分析其倾斜方向以及角度，并控制卷扬机发生正向驱动，卷动对应的钢丝绳，即收紧钢丝绳，使与锚系重物连接的钢丝绳与平台底座垂直，平台底座受力移动至锚系重物正上方，与此同时，绞车计量仪器则记录下钢丝绳的转动距离；由于平台底座受力处于锚系重物正上方，受力影响整个平台底座向下吃水变深，即平台底座与水面的距离发生变化，此时水位传感器触发信号，并反馈给控制系统，控制系统根据信号，控制卷扬机发生反向驱动，放松钢丝绳，此时，由于受力减小或者消失，使得平台底座吃水上升，恢复到初始位置，与此同时，绞车计量仪器则记录下钢丝绳的转动距离，并控制测量仪器测量水中深度；以此循环，使得平台底座可一直处于锚系重物正上方且吃水不变，构成一个动态平衡系统，使得测量仪器以及其他仪器在采集数据时始终处于垂直平稳状态，并采集所需的长时间的垂直深度数据，然后结合绞车计量仪器记录下的钢丝绳的转动距离，计算得到该时刻水底面高程值，并与所有时刻数据比较，可得连续时间t内水下地形的变化情况。由此可知，相比于传统的水下地形监测技术，本技术中的地形变化监测装置，由于构成了一个动态平衡系统，使得测量仪器以及其他仪器在采集数据时始终处于垂直平稳状态，不仅有效降低或者减小了外部环境(如风、浪、涌潮)的影响以及排除因船只行驶路线不同导致的数据差，提高了数据采集的精确性和稳定性，且可以实现定点长期观测，可以完整地记录一个时间段的水下地形的变化过程。
18.可选的，所述平台底座上设有防水装置，所述控制系统位于所述防水装置内。
19.可选的，还包括供电装置，所述供电装置设于所述平台底座上。
20.可选的，两个锚系重物分别位于所述平台底座的两端。
21.可选的，所述平台底座的两端设有通孔。
22.可选的，所述水位传感器位于所述通孔内。
23.可选的，所述平台底座呈船型结构。
24.可选的，所述测量仪器位于所述平台底座中间位置。
25.可选的，还包括警示灯和测量旗，所述警示灯和测量旗均位于所述平台底座上。
26.同时，本技术还提供一种地形变化监测方法，采用上述所述的地形变化监测装置进行实施，包括以下步骤：
27.1)、抛射锚系重物，将平台底座置于预设地点；
28.2)、根据倾角传感器和水位传感器信号，控制系统控制卷扬机进行钢丝绳的收放，使平台底座，使得钢丝绳在锚系重物的作用下与平台底座相互垂直，平台底座位于锚系重物正上方，且平台底座侧面吃水线位置不变；
29.3)、获取绞车计量仪器记录的钢丝绳的转动距离和测量仪器的垂直深度数据，控制系统根据上述数据，获得连续时间t内的连续水底面高程值，通过比较得到连续时间t内水下地形的变化情况。
30.3、有益效果
31.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
32.(1)本技术实施例提出的一种地形变化监测装置，选择合适位置抛设两个相互连接的锚系重物，使平台底座置于预设地点，平台底座稳定后，此时，钢丝绳处于松弛状态，整个装置随着水流飘动。启动控制系统，当倾角传感器检测到平台底座处于晃动倾斜状态时，倾角传感器会触发信号，并将信号反馈给控制系统，此时，控制系统会根据信号，分析其倾斜方向以及角度，并控制卷扬机发生正向驱动，卷动对应的钢丝绳，即收紧钢丝绳，使得钢丝绳在锚系重物的作用下与平台底座相互垂直，平台底座受力移动至锚系重物正上方，与此同时，绞车计量仪器则记录下钢丝绳的转动距离；由于平台底座受力处于锚系重物正上方，受力影响整个平台底座向下吃水变深，即平台底座与水面的距离发生变化，此时水位传感器触发信号，并反馈给控制系统，控制系统根据信号，控制卷扬机发生反向驱动，放松钢丝绳，此时，由于受力减小或者消失，使得平台底座吃水上升，恢复到初始位置，与此同时，绞车计量仪器则记录下钢丝绳的转动距离，并控制测量仪器测量水中深度；以此循环，使得平台底座可一直与其下方的钢丝绳相互垂直，处于锚系重物正上方且吃水不变，构成一个动态平衡系统，使得测量仪器以及其他仪器在采集数据时始终处于垂直平稳状态，并采集所需的长时间的垂直深度数据，然后结合绞车计量仪器记录下的钢丝绳的转动距离，计算得到对应时刻水底面高程值，并与所有时刻数据比较，可得该时间段水下地形的变化情况。由此可知，相比于传统的水下地形监测技术，本技术中的地形变化监测装置，由于构成了一个动态平衡系统，使得测量仪器以及其他仪器在采集数据时始终处于垂直平稳状态，不仅有效降低或者减小了外部环境(如风、浪、涌潮)的影响以及排除因船只行驶路线不同导致的数据差，提高了数据采集的精确性和稳定性，且可以实现定点长期观测，可以完整地记录一个时间段的水下地形的变化过程。
33.(2)本技术实施例提出的一种地形变化监测装置，通过设置所述平台底座呈船型结构，可减小涨落潮水流的冲击，提高平台底座的稳定性，从而减小平台上仪器的晃动。
34.(3)本技术实施例提出的一种地形变化监测装置，通过设置警示灯以及测量旗，可以提醒过往船只，进而保护整个监测装置。
35.(4)本技术实施例提出的一种地形变化监测装置，两个锚系重物分别位于所述平台底座的两端，可以保证平台底座的平稳性。
36.(5)本技术实施例提出的一种地形变化监测装置，通过设置所述测量仪器位于所述平台底座中间位置，使得测量仪器可以更加平稳的测量垂直深度数据，提高数据的质量。
37.(6)本技术实施例提出的一种地形变化监测方法，该监测方法不仅可以有效降低或者减小了外部环境(如风、浪、涌潮)的影响以及排除因船只行驶路线不同导致的数据差，
提高了数据采集的精确性和稳定性，且可以实现定点长期观测，可以完整地记录一个时间段的水下地形的变化过程。
附图说明
38.图1为本发明实施例提出的一种地形变化监测装置的侧视图。
39.图2为本发明实施例提出的一种地形变化监测装置的俯视图。
40.图3为本发明实施例提出的一种地形变化监测装置的使用过程示意图。
41.图4为本发明实施例提出的一种地形变化监测装置的侧视图。
具体实施方式
42.为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
43.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.实施例1
45.结合附图1-4，本实施例提供一种地形变化监测装置，包括：平台底座1，所述平台底座1下方对称设有两个相互连接的锚系重物2；测量仪器3，所述测量仪器3设于所述平台底座1上，所述测量仪器3用于测量垂直深度；卷扬机4，所述卷扬机4设于所述平台底座1上，所述卷扬机4与所述锚系重物2对应设置，所述卷扬机4上设有钢丝绳5，所述卷扬机4与所述锚系重物2之间通过所述钢丝绳5连接；绞车计量仪器6，所述绞车计量仪器6与所述卷扬机4对应设置，所述绞车计量仪器6用于记录对应钢丝绳5在卷扬机4作用下的转动距离；水位传感器7，所述水位传感器设7于所述平台底座上；倾角传感器8，所述倾角传感器8用于检测平台底座1相对于水平面的倾角变化；控制系统，所述控制系统分别与所述测量仪器3、卷扬机4、水位传感器7和倾角传感器8相连接；
46.其中，控制系统可根据倾角传感器8和水位传感器7的信号反馈，控制卷扬机4进行钢丝绳5的收紧与松放，使得钢丝绳5在锚系重物2的作用下与平台底座1相互垂直，平台底座1位于锚系重物2正上方，且平台底座1侧面吃水线位置不变。
47.在本技术中，利用船只将地形变化监测装置带到预设地点，选择合适位置抛设两
个相互连接的锚系重物2，使平台底座1置于预设地点，平台底座1稳定后，如图3所示，此时，钢丝绳5处于松弛状态，整个装置随着水流飘动。启动控制系统，当倾角传感器8检测到平台底座1处于晃动倾斜状态时，倾角传感器8会触发信号，并将信号反馈给控制系统，此时，控制系统会根据信号，分析其倾斜方向以及角度，并控制卷扬机4发生正向驱动，卷动对应的钢丝绳5，即收紧钢丝绳5，使得钢丝绳5在锚系重物2的作用下与平台底座1相互垂直，平台底座1受力移动至锚系重物2正上方，与此同时，绞车计量仪器6则记录下钢丝绳5的转动距离；由于平台底座1受力处于锚系重物2正上方，受力影响整个平台底座1向下吃水变深，即平台底座1与水面的距离发生变化，此时水位传感器7触发信号，并反馈给控制系统，控制系统根据信号，控制卷扬机4发生反向驱动，放松钢丝绳5，此时，由于受力减小或者消失，使得平台底座1吃水上升，恢复到初始位置，与此同时，绞车计量仪器6则记录下钢丝绳5的转动距离，并控制测量仪器3测量水中垂直深度；以此循环，使得平台底座1可一直与其下方的钢丝绳5相互垂直，处于锚系重物2正上方且吃水不变，构成一个动态平衡系统，使得测量仪器3以及其他仪器在采集数据时始终处于垂直平稳状态，并采集所需的长时间的垂直深度数据，然后结合绞车计量仪器6记录下的钢丝绳5的转动距离，计算得到该时刻水底面高程值，并与所有时刻数据比较，可得该时间段水下地形的变化情况。由此可知，相比于传统的水下地形监测技术，本技术中的地形变化监测装置，由于构成了一个动态平衡系统，使得测量仪器3以及其他仪器在采集数据时始终处于垂直平稳状态，不仅有效降低或者减小了外部环境(如风、浪、涌潮)的影响以及排除因船只行驶路线不同导致的数据差，提高了数据采集的精确性和稳定性，且可以实现定点长期观测，可以完整地记录一个时间段的水下地形的变化过程。
48.实际运用中，所述控制系统包括第一控制系统和第二控制系统，所述第一控制系统分别与所述卷扬机4、水位传感器7和倾角传感器8相连接，所述第二控制系统与所述测量仪器3相连接。
49.实际运用中，测量仪器3可根据需求更换，如装置抛设时间较长且只需单点数据，测量仪器3可选择高度计、单频测深仪等；如需监测一块区域地形变换则测量仪器3可安装多波束测深仪、侧扫声呐等。
50.实际运用中，所述倾角传感器6位于所述平台底座1中心位置，该设置可以提高倾角传感器的灵敏性和精确性。
51.实施例2
52.结合附图1-2，本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例1的技术方案相比，所述平台底座1上设有防水装置9，所述控制系统位于所述防水装置9内，该设置用于保护控制系统。
53.实施例3
54.结合附图1-2，本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例1的技术方案相比，还包括供电装置10，所述供电装置10设于所述平台底座1上。实际运用中，所述供电装置为太阳能电板或者电瓶。
55.实施例4
56.结合附图1-2，本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例1的技术方案相比，两个锚系重物2分别位于所述平台底座1的两端。两个所述锚系重物2之间通过锚绳13连接，该
设置可以保证平台底座1的平稳性。
57.实施例5
58.结合附图2，本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例4的技术方案相比，所述平台底座1的两端设有通孔13。所述通孔13用于所述钢丝绳5的穿过，钢丝绳5的一端与锚系重物2固定，另一端穿过绞车计量仪器6，并固定于卷扬机4上，该设置可以实现锚系重物2、绞车计量仪器6和卷扬机4之间的稳定性连接。
59.实施例6
60.结合附图2，本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例5的技术方案相比，所述水位传感器位于所述通孔13内。
61.实施例7
62.本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例1的技术方案相比，所述平台底座1呈船型结构，该设置可减小涨落潮水流的冲击，提高平台底座的稳定性，从而减小平台上仪器的晃动。
63.实际运用中，靠近水面的所述平台底座1部分采用泡沫材料，远离水面的所述平台底座1部分采用钢制材料。该设置可以保证平台底座1在水面上的漂浮，同时保证平台底座1的结构强度，提高其使用寿命。
64.实施例8
65.本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例1的技术方案相比，所述测量仪器3位于所述平台底座1中间位置，并穿设于平台底座1上。该设置使得测量仪器3可以更加平稳的测量垂直深度数据，提高数据的质量。
66.实施例9
67.结合附图1-2，本实施例的一种地形变化监测装置，与实施例1的技术方案相比，还包括警示灯11和测量旗12，所述警示灯11和测量旗12均位于所述平台底座1上。通常，江道中、大海上大雾天气时有发生，能见度低，通过设置警示灯11以及测量旗12，警示灯11自带太阳能电板能间隔闪灯，提醒过往船只，进而保护整个监测装置。
68.实施例10
69.本实施例的一种地形变化监测方法，采用实施例1-9任一项技术方案所述的地形变化监测装置进行实施，包括以下步骤：
70.1)、抛射锚系重物，将平台底座置于预设地点；
71.2)、根据倾角传感器和水位传感器信号，控制系统控制卷扬机进行钢丝绳的收放，使平台底座，使得钢丝绳在锚系重物的作用下与平台底座相互垂直，平台底座位于锚系重物正上方，且平台底座侧面吃水线位置不变；
72.3)、获取绞车计量仪器记录的钢丝绳的转动距离和测量仪器的垂直深度数据，控制系统根据上述数据，获得连续时间t内的连续水底面高程值，通过比较得到连续时间t内水下地形的变化情况。
73.采用本技术的监测装置实施的监测方法不仅可以有效降低或者减小了外部环境(如风、浪、涌潮)的影响以及排除因船只行驶路线不同导致的数据差，提高了数据采集的精确性和稳定性，且可以实现定点长期观测，可以完整地记录一个时间段的水下地形的变化过程。
74.实际运用中，在步骤1)中，锚系重物顺着水流方向，与涨落潮方向平行设置。该设置可使平台底座平行于水流方向，减小涨落潮水流的冲击，提高平台底座的稳定性。
75.实际运用中，采用本技术中地形变化监测装置获得数据进行淤积计算，具体如下：
76.首先排除淤积或者冲刷的情况，平台底座随着潮水涨落上下，控制系统控制卷扬机通过钢丝绳使平台底座只做上下移动，以潮水涨为例，如图4所示，两端钢丝绳的转动距离分别记为j1、j2；此时，钢丝绳的放出长度则计为ji，ji为(j1 j2)/2，ji为钢丝绳放出值，则该值定义为负值，此时，潮水涨测量仪器的读数值hi则相对应变大，ji和hi这2个数值应相等，且正负相反，故h1＝hi ji，且后续每个时刻都成立。若是落水时，则ji是钢丝绳收入值，则该值定义为正值，此时，测量仪器的读数值hi则相对应变小。
77.当需要测量连续时间t内的连续测量值时，先记录开始时刻1的测量仪器的读数值(即测量仪器至水中底部的距离)h1，绞车计量仪器记录钢丝的移动(转动)距离ji＝(j1 j2)/2，其中，i代表除了1以外的任意时刻，如2.3.4....；同时，若以xi表示水下地形底部发生淤积或者冲刷的量xi，hi为后续时刻i的测量仪器度数，此刻绞车计量仪器记录钢丝的移动距离为ji，则该时刻相对于初始稳定时刻1的数值为h1＝hi ji；
78.若水下地形底部没有发生淤积或者冲刷，则h1＝hi ji一直成立，若发生淤积或者冲刷，则该时刻h1不等于hi ji，而是h1＝hi ji xi；以此循环，通过上述方式，得到连续时间t内固定间隔时刻的相对于初始稳定时刻1的数值的各个x值，0、
…
x3…
xi，从而可以获取在连续时间t内所监测地形的变化情况。
79.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。