基于江蘇省航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)生成 斷面圖方法的探索

鄭薇薇　張鵬飛　黃芃

摘 要：水路運(yùn)輸是我國綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分，而航道是其中一種重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，也是水路運(yùn)輸?shù)母尽榇_保船舶在航道上能安全航行，就要求航道應(yīng)具備足夠的深度和底寬。繪制航道斷面圖能直觀地展示航道水下地形河床形狀，通過對航道斷面圖的分析，可了解航道河床變化的情況，及時掌握航道概況，為航道疏浚整治工作提供科學(xué)的參考依據(jù)。本文介紹生成航道斷面圖的原理，并詳細(xì)闡述以多波束掃測數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)，使用江蘇省航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)繪制生成航道斷面圖的方法。

關(guān)鍵詞：航道;斷面圖;水下地形;多波束掃測;加權(quán)平均法

0 引言

使用江蘇省航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（以下稱為采集系統(tǒng)）繪制生成航道斷面圖，需要繪制錄入典型斷面對象，系統(tǒng)通過讀取錄入的屬性數(shù)據(jù)，包括航道底寬、面寬、測量水深值等自動生成航道斷面圖。測量水深值可通過兩種方式錄入，第一種是針對多波束測深儀掃測得到的數(shù)據(jù)量龐大的水深數(shù)據(jù)，可通過導(dǎo)入的方式錄入，系統(tǒng)運(yùn)用加權(quán)平均算法，計算典型斷面線上的水深值，從而生成出航道斷面圖;另一種是針對測量單個固定斷面得到的水深數(shù)據(jù)，可直接通過手動錄入。

1 斷面圖生成方法

1.1 利用多波束掃測的水深數(shù)據(jù)

多波束掃測的數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)量龐大，直接處理成圖困難等問題，所以在導(dǎo)入普查系統(tǒng)之前，首先需要通過Teledyne PDS軟件對原始數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）進(jìn)行預(yù)處理，其處理步驟包括數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、抽稀、去噪。在完成處理后的數(shù)據(jù)中，將平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)按照導(dǎo)入模板格式加以編輯后導(dǎo)入江蘇省航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。導(dǎo)入的數(shù)據(jù)根據(jù)坐標(biāo)位置在系統(tǒng)地圖加載顯示，利用編輯功能在水深點(diǎn)的覆蓋區(qū)域標(biāo)繪錄入典型斷面對象并錄入必要屬性，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置規(guī)則自動計算水深數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)斷面圖的生成。

1.1.1 原理

將Teledyne PDS軟件處理后的數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中以等深點(diǎn)的形式存儲，系統(tǒng)即可提供后續(xù)在數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域標(biāo)繪典型斷面對象，并由用戶錄入相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)使用距離加權(quán)平均算法完成取值點(diǎn)的水深值計算后，根據(jù)斷面圖的繪制規(guī)則進(jìn)而自動生成斷面圖。

1.1.2 水深值取值算法

生成斷面圖，必須確定實(shí)測斷面線上的水深值。且需要保證獲取的水深值數(shù)據(jù)具有科學(xué)性，故在航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用的取值方法為距離加權(quán)平均法，該方法既可保證數(shù)據(jù)的科學(xué)性，其計算方法也相對簡單。

從典型斷面線段圖形上的某一端點(diǎn)開始，起點(diǎn)作為第一個取值點(diǎn)，以一個測量水深點(diǎn)間距為單位取下一個點(diǎn)，直至線段結(jié)束。以每個取值點(diǎn)為圓心，以“測量水深點(diǎn)間隔”為半徑，將在此取值點(diǎn)構(gòu)建的圓圈內(nèi)的值作為距離加權(quán)平均法計算對象，用以下公式計算出取值點(diǎn)對應(yīng)的水深值。

式中：為在取值點(diǎn)范圍某一個測量點(diǎn)的水深值;為測量點(diǎn)到取值點(diǎn)的平面直線距離;為在典型斷面線段上的取值點(diǎn)總數(shù)。

1.2 利用手動錄入或?qū)氲乃顢?shù)據(jù)

對于只能取得固定典型斷面坐標(biāo)和水深值數(shù)據(jù)的情況，可以在航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標(biāo)繪典型斷面對象時，手動錄入或?qū)胨钪禂?shù)據(jù)。

首先在航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)典型斷面的坐標(biāo)繪制生成圖形，將固定典型斷面的每一個測量點(diǎn)的水深值通過手動錄入或?qū)@取到的相關(guān)數(shù)據(jù)填寫到系統(tǒng)提供的典型斷面數(shù)據(jù)模板后以文本導(dǎo)入的方式上傳江蘇省航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)將利用測量點(diǎn)的水深值并根據(jù)斷面圖的繪制規(guī)則即可自動繪制生成斷面圖。

1.3 斷面圖設(shè)計

在航道整治中，斷面的設(shè)計需要能將航道在常態(tài)下的沖刷情況和輸沙強(qiáng)度反映出來[1]。所以斷面圖的設(shè)計是需要能夠反映以上的內(nèi)容，能使后續(xù)的航道設(shè)計中，設(shè)計人員能充分獲取到影響航道斷面的信息。斷面圖的生成需要考慮到最低和最高通航水位，航道的面寬和底寬，邊坡系數(shù)等因素。江蘇航道普查采集系統(tǒng)的斷面生成是根據(jù)在系統(tǒng)上繪制的典型斷面線段橫切到的等深點(diǎn)，利用等深點(diǎn)的水深值生成斷面圖。故系統(tǒng)斷面圖由圖名、生成時間、斷面圖中點(diǎn)坐標(biāo)，航道中心線、實(shí)測斷面線和標(biāo)準(zhǔn)斷面線、橫軸刻度尺、縱軸高程尺和圖例組成。

航道中心線作為斷面圖橫軸的零點(diǎn)，零點(diǎn)左側(cè)為負(fù)，零點(diǎn)右側(cè)為正，刻度值由系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)量確定。縱軸高程尺根據(jù)最高和最低的水深值來確定尺度，刻度值由系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)量確定。實(shí)測斷面線即是河底斷面線，系統(tǒng)根據(jù)斷面圖生成方法繪制生成的斷面線。航道中心線與斷面線相交的位置是根據(jù)典型斷面對象圖形與航道對象圖形相交的位置確定。標(biāo)準(zhǔn)斷面線是利用處理后的多波束數(shù)據(jù)或手動輸入的水深值數(shù)據(jù)生成，與此同時，還需確定標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部的縱坐標(biāo)位置、標(biāo)準(zhǔn)斷面線邊坡線頂點(diǎn)距離底部的高度、底部長度和邊坡線橫坐標(biāo)位置、設(shè)計最低通航水位、水深值、現(xiàn)狀底寬、現(xiàn)狀面寬、邊坡系數(shù)才能在斷面圖中完整的繪制。

標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部的縱坐標(biāo)位置，需要根據(jù)采集用戶提供的設(shè)計最低通航水位來確定，標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部的縱坐標(biāo)高程值計算公式如下：

式中：為標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部的縱坐標(biāo)高程值，為設(shè)計最低通航水位，為水深值。

標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部長度是根據(jù)現(xiàn)狀底寬，標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部的橫軸長度計算公式如下：

式中：L為標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部的橫軸長度，為現(xiàn)狀底寬。

標(biāo)準(zhǔn)斷面線底部線段在斷面圖上的繪制方法是以航道中心線為起點(diǎn)，左側(cè)繪制長度與右側(cè)繪制長度各取現(xiàn)狀底寬值的1/2，計算公式如下：

式中：為左側(cè)繪制長度;為右側(cè)繪制長度;為現(xiàn)狀底寬。

標(biāo)準(zhǔn)斷面線邊坡線頂點(diǎn)距離底部的高度還需考慮到邊坡系數(shù)、現(xiàn)狀面寬、現(xiàn)狀底寬三個屬性信息，計算公式如下所示：

式中：h為標(biāo)準(zhǔn)斷面線邊坡線頂點(diǎn)距離底部的高度;m為邊坡系數(shù);為現(xiàn)狀面寬，為現(xiàn)狀底寬。

標(biāo)準(zhǔn)斷面線邊坡線兩頂點(diǎn)跨徑是以航道中心線為起點(diǎn)，向兩側(cè)延伸的距離為現(xiàn)狀面寬一半的距離，其計算公式如下：

式中：x為標(biāo)準(zhǔn)斷面線邊坡線兩頂點(diǎn)跨徑;為現(xiàn)狀面寬。

根據(jù)公式（5）和公式（6）可確定標(biāo)準(zhǔn)斷面線邊坡線的兩個頂點(diǎn)位置，將邊坡線頂點(diǎn)與底部端點(diǎn)做連線即可完成標(biāo)準(zhǔn)斷面線的繪制。

2 結(jié)語

在江蘇省航道普查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中探索實(shí)現(xiàn)航道斷面圖的自動繪制生成，一方面解決了人工繪制所需要花費(fèi)的時間成本，提高了效率，另一方面保障了生成斷面圖數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。可用于后續(xù)的航道建設(shè)、航運(yùn)疏通等一系列相關(guān)工作。采集系統(tǒng)的研究成果不僅為整個江蘇省內(nèi)河航道的后續(xù)建設(shè)提供了一定的技術(shù)支撐，對于其他航道的建設(shè)和航道水下地形監(jiān)控也具有重大意義。

綜上所述，本采集系統(tǒng)的航道斷面圖生成方法具有適普性，生成的成果數(shù)據(jù)真實(shí)有效，對于其他內(nèi)河航道的斷面圖生成具有借鑒意義，極具推廣性。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓冬艷.港口航道整治線及斷面設(shè)計研究[J].中國水運(yùn)（下半月），2020，20（7）：77-78.