長江電子航道圖流場斷面批量提取技術與應用

萬鵬　潘幫文　任成浩

摘要：長江電子航道圖作為“數字航道”總體架構的基礎層，是實現“數字航道”的重要基礎手段。為確保數據的準確性和現勢性，電子航道圖數據需要定期更新。為了提高流場觀測數據后處理效率，長江航道測量中心自主研發了長江電子航道圖流場斷面批量提取軟件。本文論述了流場斷面批量提取技術應用及展望。

關鍵詞：電子航道圖；批量提取技術應用；長江數字航道

中圖分類號：U618 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）05-0030-02

1.項目背景

為了響應和落實國家“一路一帶”發展戰略，提高長江航道通行能力，提升長江黃金水道的航運地位和作用，實現長江航道現代化，長江航道局提出“數字航道”的建設規劃。長江電子航道圖作為“數字航道”總體架構的基礎層，是實現“數字航道”的重要基礎手段。航道整治、航道演變分析、船舶通航、航標監控、水上安全監管、港口管理、搜救指揮等工作均需以電子航道圖為重要基礎手段，長江電子航道圖在長江航運發展中具有重要的基礎地位。

長江電子航道圖系統作為一個新型的信息平臺，通過對外發布，可為社會用戶提供豐富實用的助航信息與服務功能。其中，流速信息顯示功能可以通過主流區、緩流區的形式顯示長江干線航道水流信息，輔助用戶選擇合理航線，例如，可讓用戶在可航水深范圍內選擇“上水走緩流、下水走主流”的航線，既有利于充分利用航道水深資源，又能達到更加經濟節能、綠色環保的目的，充分發揮長江電子航道圖助航服務功能，保護長江航道生態環境。

目前，長江電子航道圖已正式對外推廣應用，為確保數據的準確性和現勢性，電子航道圖數據需要定期更新。然而，長江航道大部分屬于自然航道，存在以下幾個特點：①長江水位變幅大，沒有規律；②航標異動頻繁；③臨跨河建筑物多，直接影響通航；④繪圖基面不一；⑤航道演變劇烈，航槽變化快；⑥河床演變復雜，山區、庫區、卵石、砂質、潮汐河流等各種河段規律不同。這些特點導致電子航道圖數據需要定期進行更新，甚至需要每周或半月更新一次。為此，長江航道局制定了《長江電子航道圖系統運行條件下航道維護技術規范》，對航道要素數據的更新、測量和數據處理制定了嚴格的要求。

根據該規范的要求，對水文斷面的流速數據進行測量的時間主要集中在每年2-3月、7-8月、10月以及12月至次年1月，斷面流速數據每年需要全部更新4次，這對數據處理的效率和準確性提出了更高的要求。現以宜昌中水門至蕪湖長江大橋河段為例說明：該河段全長約1300公里，依據技術要求，斷面布設按照最多2公里的間距計算，共約650條斷面，按照常規方法，除了外業數據采集，還需要人工進行數據導人、預處理、檢查等工作，每獲取一條斷面的端點坐標大約需要1-2分鐘，總的數據處理工作量在幾個工作日，并且錯誤率較高，同時流場斷面觀測要素的提取和處理也花費大量的時間，無法滿足電子航道圖數據快速更新和對數據質量的要求。為了提高流場觀測數據后處理效率，為電子航道圖主緩流功能實現及更新提供有力保障，長江航道測量中心自主研發了長江電子航道圖流場斷面批量提取軟件。

2.斷面批量提取技術研發

在斷面批量提取軟件研發前期進行了充分的需求分析，并基于AutoCAD環境進行二次開發得以實現批量提取軟件相關需求。

2.1開發環境

AutoCAD數據編輯功能強大，是很多測繪生產單位和機構進行地圖數字化和數字化測圖的主要工具，傳統的流場斷面坐標人工讀取也是在AutoCAD環境進行的。而CAD文件的存儲格式一直沒有公開，因此，二次開發通常必須依附于AutoCAD本身的環境。這些主要手段分別是DXF文件、Auto Lisp/visualLisp、ObjectARX、COM/Activex和ObjectDBX。

由于DXF格式的表示能力有限，AutoLisp/Visual Lisp常用來完成一些簡短的重復性操作，利用COM/Active x方法訪問CAD文件也有一個顯而易見的限制，即應用程序作為客戶無法獨立于Auto CAD這個Active x服務器單獨運行，都不適合用于本次軟件研發。結合長江航道流場斷面批量提取的實際情況以及電子航道圖數據預處理對流場數據的需求，擬采用基于object ARX技術的二次開發平臺進行軟件的開發。

2.2算法實現流程

根據軟件功能，算法實現流程分為斷面自動選擇與端點坐標讀取、斷面編號與斷面匹配、標準化輸出三大模塊。

2.2.1流場斷面選擇與坐標提取

通過對Auto CAD專用dwg文件格式的分析，最終確定利用Object ARX技術獲取斷面的端點坐標存儲方式與斷面的實體類型。首先根據線性與圖層自動選擇斷面線段，然后對手工讀取斷面坐標的方式進行分析，提取出斷面端點坐標。將上述算法編寫軟件實現以后，與多人多次手工讀取的坐標值進行對比測試，給出定量測試結果。

2.2.2斷面編號與斷面匹配

在Auto CAD數據中，斷面與斷面編號分別是多段線實體和文字實體，并沒有內在明確的聯系。通過對斷面的位置以及斷面編號的位置進行研究分析，結合計算機圖形學、地理信息系統數據分析兩者位置關系的模式，并通過機器學習方法歸納總結出一種斷面與編號間位置關系模式，并將獲得的特殊模式設計成符合流場觀測斷面與編號匹配的算法：以斷面線段兩端為中心，150m為半徑找匹配斷面號。

2.2.3標準化輸出方法

CAD中存儲的數據格式是一種特定的專用格式，通過軟件自帶的數據讀取函數無法將無用數據剔除，通過對流場測量的輸出格式進行研究，將獲取到匹配的斷面坐標和斷面編號按照指定格式進行輸出到“E：＼DMH＼Testl”中。

2.3流場斷面批量提取軟件使用

軟件編碼完成，調試成功，實現斷面批量提取，并按指定格式進行標準化輸出。

2.3.1使用軟件準備工作

本軟件包含兩個文件，一個是“arx”文件，另一個是含有Excel表格的“DMH”文件夾，其中“SCgetDMZB”放入CAD根目錄下，“DMH”放入E盤根目錄下。

打開流場測量的斷面布設圖，輸入命令“APPLOAD”，選擇“SCgetDMZB”（可加入啟動組），加載。

2.3.2軟件使用流程及成果

以2015年8月城陵磯-陽邏大橋測段的流場數據為例，進行數據使用說明：

加載完成后在命令欄輸入“mytest”，按下回車鍵，結果顯示。

打開“DMH”文件夾中的“Testl”Excel表格，最終按照后處理過程中需導人的斷面坐標格式輸出成果顯示。

3.流場斷面批量提取技術應用及展望

通過流場觀測斷面批量提取技術研發，實現了千條斷面一鍵在五分鐘內提取，并邀請第三方軟件測試公司對使用本技術提取的數據有效性和準確性進行了測試，本軟件測試數據真實有效并且數據準確性在96%以上。本技術已經在長江航道測量中心第三測繪處推廣應用，大大提高了流場數據處理效率和質量，節約了勞動成本和時間成本，有力的保障長江電子航道圖流場要是模塊的實現及快速更新的需要。

隨著我國內河航道的不斷發展，航道等級的不斷提升、航行船舶噸位的增大、船舶數量的不斷增加，船舶航行的安全保障和經濟價值將逐漸提高。本項目的研究成果不僅為整個長江航道實現現代化提供重要支撐，而且在水文表層流場觀測領域也具有推廣意義。

總之，本項目的研究成果具有創新性和普遍適用性，可融合多種技術再次創新研究，具有廣闊的應用價值和推廣前景。