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(shù)字航道”總體架構的基礎層，是實現(xiàn)“數(shù)字航道”的重要基礎手段。為確保數(shù)據(jù)的準確性和現(xiàn)勢性，電子航道圖數(shù)據(jù)需要定期更新。為了提高流場觀測數(shù)據(jù)后處理效率，長江航道測量中心自主研發(fā)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(shù)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(fā)展戰(zhàn)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(xiàn)長江航道現(xiàn)代化，長江航道局提出“數(shù)字航道”的建設規(guī)劃。長江電子航道圖作為“數(shù)字航道”總體架構的基礎層，是實現(xiàn)“數(shù)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(jiān)控、水上安全監(jiān)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(fā)展中具有重要的基礎地位。

長江電子航道圖系統(tǒng)作為一個新型的信息平臺，通過對外發(fā)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(qū)、緩流區(qū)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(nèi)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(jīng)濟節(jié)能、綠色環(huán)保的目的，充分發(fā)揮長江電子航道圖助航服務功能，保護長江航道生態(tài)環(huán)境。

目前，長江電子航道圖已正式對外推廣應用，為確保數(shù)據(jù)的準確性和現(xiàn)勢性，電子航道圖數(shù)據(jù)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(guī)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(qū)、庫區(qū)、卵石、砂質、潮汐河流等各種河段規(guī)律不同。這些特點導致電子航道圖數(shù)據(jù)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(tǒng)運行條件下航道維護技術規(guī)范》，對航道要素數(shù)據(jù)的更新、測量和數(shù)據(jù)處理制定了嚴格的要求。

根據(jù)該規(guī)范的要求，對水文斷面的流速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)每年需要全部更新4次，這對數(shù)據(jù)處理的效率和準確性提出了更高的要求?，F(xiàn)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(jù)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(guī)方法，除了外業(yè)數(shù)據(jù)采集，還需要人工進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)快速更新和對數(shù)據(jù)質量的要求。為了提高流場觀測數(shù)據(jù)后處理效率，為電子航道圖主緩流功能實現(xiàn)及更新提供有力保障，長江航道測量中心自主研發(fā)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(fā)

在斷面批量提取軟件研發(fā)前期進行了充分的需求分析，并基于AutoCAD環(huán)境進行二次開發(fā)得以實現(xiàn)批量提取軟件相關需求。

2.1開發(fā)環(huán)境

AutoCAD數(shù)據(jù)編輯功能強大，是很多測繪生產(chǎn)單位和機構進行地圖數(shù)字化和數(shù)字化測圖的主要工具，傳統(tǒng)的流場斷面坐標人工讀取也是在AutoCAD環(huán)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(fā)通常必須依附于AutoCAD本身的環(huán)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(fā)。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(shù)據(jù)預處理對流場數(shù)據(jù)的需求，擬采用基于object ARX技術的二次開發(fā)平臺進行軟件的開發(fā)。

2.2算法實現(xiàn)流程

根據(jù)軟件功能，算法實現(xiàn)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(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(nèi)在明確的聯(lián)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式是一種特定的專用格式，通過軟件自帶的數(shù)據(jù)讀取函數(shù)無法將無用數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)為例，進行數(shù)據(jù)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(fā)，實現(xiàn)了千條斷面一鍵在五分鐘內(nèi)提取，并邀請第三方軟件測試公司對使用本技術提取的數(shù)據(jù)有效性和準確性進行了測試，本軟件測試數(shù)據(jù)真實有效并且數(shù)據(jù)準確性在96%以上。本技術已經(jīng)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(shù)據(jù)處理效率和質量，節(jié)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(xiàn)及快速更新的需要。

隨著我國內(nèi)河航道的不斷發(fā)展，航道等級的不斷提升、航行船舶噸位的增大、船舶數(shù)量的不斷增加，船舶航行的安全保障和經(jīng)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(xiàn)現(xiàn)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(chuàng)新性和普遍適用性，可融合多種技術再次創(chuàng)新研究，具有廣闊的應用價值和推廣前景。