水位資料整編信息化數據預處理算法研究及應用

徐國紅1 黃俊2 余衛國3 張畢元4

1、湖北省黃石市水文水資源勘測局 湖北黃石 435000；

2、武漢市水文水資源勘測局 湖北武漢 430070；

3、荊州市水文水資源勘測局 湖北荊州 434000；

4、咸寧市水文水資源勘測局 湖北咸寧 437000

摘要：水位信息化數據采用5分鐘的采樣間隔，在數學中屬于離散量，用其模擬水位變化過程這一連續量。水位資料整編要將水位數據進行整編，推算出逐日平均水位，但是對目前的主流整編程序來說，單站每年水位信息化超過10萬組的數據量仍過于龐大。因此，對水位數據進行處理，使其既能滿足資料整編的要求，又能反映該站水情變化的特性。水位信息化數據的處理是為了適應信息化發展對水文資料整編的需要，研究當前已有處理系統情況，分析水位信息化數據的特點，在此基礎上研究設計了水位數據處理的三種基本算法，基于此算法開發出具有人機交互功能的處理系統軟件，取得了良好的效果。

關鍵詞：水位信息化；數據處理；算法；滑動平均精簡；K值遞推精簡；數據處理系統

1 引言

水文數據是國家基礎性公益科學數據資源的重要組成部分，是國民經濟建設、防汛抗旱減災、水資源可持續利用與管理、水環境與水生態保護等領域的科研、規劃的基礎數據。水文資料是研究江河、河口、海灣水流運動運動規律的基礎資料，對某一水域進行綜合規劃研究、需要系統地整理、分析這些資料，以便對所研究的區域有整體、深入、形象的認識和了解。水文信息是整個水利信息中數字化程度最高的信息。隨著信息技術的飛速發展，對水文信息的采集、加工處理、決策與信息服務的方式都產生重要影響和變革。計算機技術滲透到水利行業，為實現從傳統水文向現代水文的轉變提供了有效途徑。

水文資料整編系統是建立在滿足GIS設計要求的水文信息數據庫基礎上，實現水文信息的采集、存儲、分析、查詢、管理、輸出，為水文分析管理提供準確的數據，同時也為其他有關部門決策、生產及研究提供可靠依據。

水位資料是水文資料中最基礎最重要的組成部分，水位資料整編成果是《水文年鑒》刊印最基礎最重要的資料項目之一。

當前信息化水位資料采樣間隔均為5分鐘，一個觀測斷面全年完整的水位數據為105120組，一個市級水文機構多個水位觀測站的信息化水位數據量十分龐大，對于省級來說更是天文數字。目前，水文資料整編系統并不能處理如此大量的水位數據。

因此，將大量水位信息化數據縮減并能準確反映水位變化過程，滿足推求逐日平均水位的要求，應用于資料整編需要一個接口，探討水位資料整編中水位信息化數據處理算法及應用問題由此產生。

在信息化發展的初期，針對數據的處理也產生了一部分處理軟件，根據對其的研究，發現普遍存在以下幾個方面的問題：

（1）算法單一，無法完全適用于各類測站的水位特性，對波浪影響的站點的數據處理結果存在較為嚴重的鋸齒現象。

（2）算法不合理，為了數據量滿足整編要求，對水位變化過程的控制較粗糙，導致日平均水位的推算超過規范允許誤差。

（3）處理方式封閉，用戶無法通過交互功能實現數據處理的可視化，對處理的結果心中沒數，需要通過第三方軟件進行查驗。

（4）不能在信息化數據和整編程序之間進行無縫銜接，需要人工干預的地方過多，不能有效起到銜接功能。

（5）對數據源的要求過于苛刻，在開展數據處理之前，用戶需要進行大量的人工處理工作，導致一些可能的人為錯誤發生。

2 基本算法及原理

2.1波浪處理

《水位觀測標準》4.10.2規定，為了消除和控制誤差，對波浪的觀測應取峰頂峰谷的平均值?？芍坏乃矔r觀測值與真值存在波浪影響誤差，由水位的連續性可知，某一時刻的水位與上一時段和下一時段有著密切的聯系。因此，某一時刻的水位真值可以表示為以下方程：

（1）

——時刻的水位真值，m；

——時刻的瞬時水位，m；

——時刻的瞬時水位的權重

在實際5分鐘的采樣間隔中，采用n=2，即i時刻的水位與前后各10分鐘共20分鐘的水位數據相關，i-2、i-1、i、i+1、i+2時刻的水位權重分別設置1、2、4、2、1，則公式可簡化為。

（2）

波浪處理在數據處理中十分必要，其目的相當于通過點群中心模擬水位過程線，對波浪進行過濾。通過公式中參數的調整，可以試算出最佳濾波參數，進而應用于受測站特性影響的不同的波浪。波浪處理只是對測站的波浪幅度進行了縮小，將波浪對水位真值的影響降低，為數據精簡提供準備，濾波后的數據在原有數據的基礎上進行平滑，符合水位變化的連續性原理。

2.2數據精簡

波浪處理并不能精簡數據，仍不能解決數據量偏大的問題。對數據的精簡處理應符合《水位觀測標準》4.1.3的規定：“水位的觀測應能測到完整的水位變化過程，滿足日平均水位的計算，各項特征值的統計、水文資料整編和水情拍報的要求。在峰頂、峰谷、水位過程轉折處應布設測次…。”

2.2.1滑動平均精簡

滑動平均的基本原理仍是采用水位的連續性原理，假定5分鐘采樣間隔為定值。如圖1：

圖1滑動平均精簡算法示意圖

（3）

（4）

——時刻計算的水位平均值，m；

——-1時刻波浪處理后的水位真值，m

——時刻水位真值與計算的水位平均值誤差的絕對值，m

實際應用中，給定的閾值，超過此閾值的將保留，不超過此閾值范圍的水位點據將過濾。滑動平均算法雖然能起到過濾多余的水位點據，但當設置的閾值偏大時，會將水位變化過程的峰頂、峰谷也進行了精簡，這不符合相關規定；當設置的閾值偏小時，能控制水位變化過程的峰頂和峰谷，但在實際應用中，點據仍然較為密集，控制在整編程序能接受的數據量范圍仍十分困難。

圖2 K值遞推精簡算法示意圖

2.2.2 K值遞推精簡

設K為兩點之間連線的斜率，其計算表達式：

（5）

將以上公式進行變換得：

（6）

采用K值和下一時間點代入公式（6），推算的水位與真值差值為，則有：

= （7）

根據圖2所示，將與點根據（5）公式計算出K值，并作為K值初始值；然后根據（6）公式推算出，給出誤差閾值，如0.02m，當推算值與真值在此范圍內時，則可舍棄，繼續根據n公式計算，當誤差超過閾值時，則認為不可舍棄，必須摘錄，重新采用與計算K值，推算T5、T6時刻的Z值，依次類推…，摘錄點據將必然包含上圖中的Z3、Z5和Z7。

通過以上算法，既可解決峰頂和峰頂的漏摘問題，又能完美表現水位的變化過程，同時數據量控制在整編程序能夠接受的合理范圍內。

為了對以上過程的更深入理解，給出VB計算程序代碼：

i = 0 ‘計數器

j = 2 ‘計數器

‘將第一個時間賦值給T0

‘將第一個水位賦值給Z0

k0 =（Z1 –Z0）/（T1-T0）

Do Until i + j >num num為數據總數

Zj（i + j）=（T（i+j）- T0）* k0 + Z0

If Zj（i + j）-Z（i + j）<= 0.02 Then

j = j + 1

Else

k0 =（Z（i + j）– Z（i + j - 1）/（T（i + j）– T（i + j - 1））

T0 = T（i + j - 1）

Z0 = Z（i + j - 1）

‘摘錄T（i + j - 1），Z（i+ j - 1）

i = i + j

j = 1

End If

Loop

3、應用實例展示

3.1波浪處理實例

為了驗證波浪處理效果，采用樊口（大閘下）站2013年的水位數據進行展示。樊口（大閘下）站水位觀測斷面設在距離大閘下游130m處，在其下游約1km處與長江相連，水位在大閘開閘期和長江洪水期受波浪影響顯著，波峰波谷變幅在0.05～0.40m之間。經過波浪處理后的效果如圖3，可以明顯看到，處理的水位過程線通過點群中心，波浪幅度在0.05cm以內。

圖3 受波浪影響的水位脈動處理后的效果

3.2平滑精簡處理實例

為了驗證平滑處理效果，采用龍港站水位數據進行展示。圖4為龍港站2013年一次洪峰的水位過程線。經過平滑精簡處理后，全年數據量已大幅度減少到1879組，查看其它位置后發現數據存在漏摘洪峰和峰谷現象。

圖4龍港站水位過程滑動平均精簡效果

3.3 K值遞推精簡實例

仍然采用龍港2013年的資料為例，如龍港站2013年另一次洪峰的水位過程線，通過K值遞推精簡后的數據效果，如圖5。

圖5 K值遞推精簡處理后的效果

4、數據處理系統簡介

4.1數據源

水文信息化將大量的原始數據，通過采集、傳輸后最終存儲在數據庫服務器中。因此，數據庫服務器存儲的水文數據便是數據處理系統的數據源。

要實現對數據的處理，首先是獲取數據?？梢酝ㄟ^兩種方式，一是在服務器中采用查詢系統，以文件存儲的方式獲得；二是通過局域網遠程連接數據庫獲得。

4.1.1從文件中導入數據

在某些地區水文數據庫未接入局域網或經常斷網，要獲取數據可通過在數據庫中查詢后以文件的方式得到。因此，處理系統應具有從文件導入數據功能。

4.1.2從數據庫中導入數據

信息化采集的最終數據均存儲在數據庫中，從數據庫中直接獲取數據十分便捷和高效，可以避開重復和繁瑣的人工數據下載工作。如圖6：

圖6 從數據庫中導入數據

4.2數據處理

數據處理是系統的最主要部分，將原始水位數據點繪為過程線，通過波浪處理、平滑處理和K值遞推平滑精簡算法，一步步處理成用戶滿意的數據結果。處理過程都可以數據處理界面直觀判斷，當出現不滿意的效果時，可以通過調整不同的參數，直到達到理想的處理效果。

數據處理效果的好壞是由三種算法相互協調配合完成的，其中波浪處理是基礎。圖7是數據處理界面。

4.3數據存儲和輸出

在處理程序窗口中，處理完成的數據即時顯示在表格中，當用戶處理的數據達到滿意的效果后，點擊保存按鈕，數據將保存在系統中。通過數據輸出功能，程序將連接本地的整編數據庫，并將數據傳入，打開整編程序后，可以直接進行水位整編計算。

5 結論

根據水位觀測標準和長江委《南方片資料整編程序》的要求，水位信息化數據必須經過處理后方能開展整編工作。對信息化水位的處理必須遵循兩個原則，一是摘錄的水位必須控制水位變化的轉折點，能夠完整反映水位的變化過程，二是必須滿足資料整編程序對數據量的上限規定。

圖7 數據處理界面

通過探討水位信息化數據處理的波浪處理、數據平滑精簡處理和K值遞推精簡處理的算法，可以得出如下結論：

（1）波浪處理是進行精簡處理的基礎，為數據精簡提供更為接近真值的水位數據。

（2）數據平滑處理算法在參數閾值設置較小時，能完整地描述水位的變化過程，數據量仍然偏大，參數閾值設置較大時，存在漏摘峰頂和峰谷現象；要實現兩者均滿意的效果較為困難。

（3）K值遞推精簡處理算法更為合理，在波浪處理的基礎上能夠達到精簡數據和控制水位變化過程的目的。

（4）以上三種處理同時使用，處理效果更合理，效果更理想，完全能夠適應各類水位站水位數據特性，從而達到要求。

（5）通過可視化編程，實現水位信息化數據從獲取、處理和輸出全過程的自動化，大量提高數據處理的效率

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準《水位觀測標準》GBJ 138-90

[2]中華人民共和國水利行業標準《水文資料整編規范》SL247-2012，Code for hydrologic data processing.

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斯坦福大學的Ruland教授所證實，他使用的視距為10.98m，在過度調焦25cm后，他也得出了與Woschitz博士相類似的結果。

5 使用數字水準儀的若干建議

（1）機內溫度與環境溫度平衡。數字水準儀采取了高精度的自動讀數方式，與同等級的光學水準儀相比，其光機性度大大降低。

（2）為消除補償器的剩余誤差，應采用正確的觀測順序。

（3）避免使用特殊視距進行水準測量。

（4）保持條碼尺清潔。

（5）進行水準測量時，嚴格照準條碼分劃線的中心位置。

（6）正確對條碼尺調焦，使圖像傳感器接收到清晰的圖像。

（7）避免遮擋望遠鏡視場內的條碼。

（8）避免使用條碼尺底部和頂部進行測量。

（9）條碼尺應有足夠的亮度。

（10）定期更新數據處理軟件。

（11）定期檢定儀器。

（12）精心保護條碼尺。

（13）對測量結果施加必要的改正。數字水準儀的測量結果Hm還需要加上測量系統的尺度改正R和條碼尺因瓦帶的溫度系數α改正后，才能夠獲得最后結果Hc，其改正公式為：

Hc=Hm·[1+R+α·（T-T0）]（2）

式中：Hc——改正后的水準測量結果；

Hm——數字水準儀的測量結果；

R——數字水準儀測量系統的尺度改正系數，應注意與傳統因瓦水準尺所定義的米真長改正數相區別；

α——條碼尺因瓦帶的溫度系數；

T——水準測量時因瓦帶的溫度；

T0——參考溫度，T0=20℃

6 結語

綜上所述，數字水準儀是利用電子工程學原理自動進行觀測，并自動記錄每一個觀測值，進行一般的平差計算的新一代儀器。為了得到精確的測量值，在使用數字水準儀時需要注意某些細節。

參考文獻：

[1]梁振華；尹建濤；謝宏全.數字水準儀i角的誤差檢校方法與誤差分析[J].煤礦安全.2013（07）

[2]龔真春；李偉峰；薛寵.數字水準儀測量精度分析及其在工程中的應用[J].測繪與空間.2012（02）

[3]楊璐璐；；成月佳；；王劍.數字水準儀補償誤差的檢定與分析[J].江蘇省測繪學會2011年學術年會論文集.2011（11）

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變化情況，一旦出現不利變化要及時采取措施，防范風險，主張和維護自己的合法權益。

（三）租賃資產的風險管理與控制

金融租賃是以物為載體的融資行為，租賃物購買價格虛高，出現質量問題，在運輸、安裝和使用過程中造成的減損甚至滅失風險等都會影響承租人償還租金的履約能力，對金融租賃合同的正常履行帶來不利影響，因此金融租賃公司應當與專業廠商建立合作關系，減少不必要的中間環節，了解市場價格行情及專業設備的選型、工藝匹配的合理性。對租賃資產投保運輸、盜搶等險種，在合同條款中，增加對租賃資產造成破壞、滅失風險的處罰條款和保障措施，對租賃資產進行現場管理和定期現場檢查，避免資產的轉移和藏匿。

五、小結

現代的金融租賃是一種將推銷與融資結合起來；將融資與貿易結合起來；將策劃與開發結合起來：將投資與管理結合起來；將人才與物資結合起來：將靈活與創新結合起來的一種綜合性服務貿易。中國金融租賃業已經實現了較快發展，在社會融資總量中所占比例越來越大。隨著全社會更加巨大的投資需求，金融租賃業務遇到了前所未有的機遇期。只要防范好各方面風險，采取有效的控制措施，相信在不遠的將來，銀行系金融租賃公司的金融租賃之路將會走的更遠。

參考文獻：

[1]（英）T.M.克拉克.租賃.羅真端，李增德，湯修珍譯.物資出版社，1983，23-25

[2]李命志等譯.國際租賃完全指南.北京大學出版社，2007.

作者簡介：

張弨，女，天津財經大學在職研究生在讀，現任職于中國農業銀行天津和平支行。

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扎固定，每道加箍處設綁扎點，縱筋底部應齊平；鋼筋籠入沉放過程中不宜反復向下沖撞和扭動；下部注漿導管應沉放到底，嚴禁懸吊；每次注漿施工前應及時通報監理工程師旁站，在監理工程師允許注漿時方可施工；經常檢查巡視待注漿樁導管留口的保護情況；后注漿施工操作應嚴格按后注漿施工工藝要求實施，遇特殊情況及時上報并如實記錄。

質量檢驗：旋挖鉆孔灌注樁施工所用原材料（水泥、砂石、鋼筋等）的質量要求必須符合現行國家標準的規定；鋼筋籠制作所用的鋼筋規格、焊條規格、焊接質量、主筋及箍筋的制作偏差等均應符合設計及有關規范的規定；成孔前應進行樁位復核，樁位的放樣允許偏差10mm；成孔深度必須達到設計要求，孔深允許偏差為+30mm；樁身砼強度應符合設計要求，施工過程中按有關要求留取試件，由具有相應資質的檢測試驗單位出具試驗報告。

施工監測、樁位移的檢測：地表開裂狀態的檢測；附近建筑物和重要管線設施的變形測量和裂縫觀察。質量驗收：成孔后，由建設單位、監理單位和施工單位共同按設計要求進行工程質量驗收，認定合格后，予以簽字，驗收時施工單位應做好相關資料。

9 結論

綜上所述，旋挖機在砂土地質條件下可以針對復雜的地質結構進行靈活的成孔工藝，這樣就可以保證成孔的速度和安全，在本工程中應用中獲得了較好的成果，與其他工藝相互配合保證了基礎施工的質量。另外，要保證灌注樁的施工質量，鋼筋籠外籠護筒技術是首選的辦法，選擇先進的設備，合格的施工人員，各部門高度協調全面配合，做到精益求精，才能保證結構工程質量。

參考文獻：

[1]王萬文.鉆孔機旋挖取土成孔法施工工藝研究J].交通標準化.2012（05）

[2]霍小妹.旋挖鉆機成孔開放式后注漿灌注樁施工工藝[J].施工技術.2012（07）