基于CAD平臺的遙測水位精簡方法探討

王桂花

一、前言

近年來，隨著國家防汛指揮系統(tǒng)、中小型水庫除險加固、中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)等一批工程建設的相繼實施，各類水位自動監(jiān)測設備得到廣泛應用，水文辦公自動化的進程也在不斷加快，同時，傳統(tǒng)的紙介質的水位采集方式被大量的數(shù)字水位數(shù)據(jù)所代替。目前山東省使用的各類遙測終端機水位采集時間間隔基本設置為6min，一天有240組水位數(shù)據(jù)，一年有近9萬組數(shù)據(jù)。大量的水位數(shù)據(jù)不能直接用于資料整編及水文年鑒刊印匯編，因此，做好遙測水位的精簡摘錄，以最少的水位數(shù)據(jù)準確反映水位漲落變化過程，已經(jīng)成為當前水文整編工作中的重要課題。

二、研究現(xiàn)狀

為進行遙測水位數(shù)據(jù)的精簡摘錄，筆者對以下幾種方法進行學習研究：①采用“曲線矢量壓縮的Douglas-Peucker算法”，對其進行改進并應用于水位過程線的精簡摘錄；②采用“折線逼近法”，對水文遙測數(shù)據(jù)進行精簡處理；③采用“水位摘錄數(shù)學模型法”，建立以時間為橫坐標、水位為縱坐標的直角坐標系，計算相鄰的已摘錄水位之間的水位數(shù)據(jù)點到已摘錄數(shù)據(jù)點連線的最大垂直距離水位差，水位差超過允許值摘錄，否則視為一條直線。

以上算法在水位變化平穩(wěn)、無波浪等影響的情況，獲得了較好的應用。現(xiàn)實中，受各種因素影響，各測站采集的水位呈現(xiàn)不同特點：有受波浪影響，呈鋸齒形的；有受船閘過船影響，水位高低起伏變化劇烈的；有受閘門變動影響，水位突變的；還有受超短波波段及其他因素影響的錯誤水位數(shù)據(jù)。因此，應用前需對錯誤的水位進行修正，對波形水位進行濾波處理，濾波方法可采用平滑濾波法和最小二乘法濾波，濾波后的水位過程與原始水位過程會產(chǎn)生一定的偏離誤差。

采用以上算法計算時，均需設定允許限差，計算過程中存在誤差的累積，而且由于程序在后臺運行，對錯誤的水位數(shù)據(jù)不容易發(fā)現(xiàn)，對閘壩站，要求閘上、下游時間同步的，亦沒有較好的解決辦法，插值會增加近一倍的冗余數(shù)據(jù)。

由于現(xiàn)有算法還未能很好地解決水位摘錄中的問題，為此，本文提出利用CAD軟件平臺強大的繪圖功能，借助VBA和AutoLISP對CAD進行二次開發(fā)實現(xiàn)遙測水位精簡摘錄，即可對現(xiàn)有算法摘錄成果進行檢查修改，亦可拋開現(xiàn)有算法而獨立實施。

三、基于CAD平臺的水位摘錄方法

1.水位摘錄原則

水位摘錄應控制水位轉折變化點，反應水位完整變化過程，必須摘錄8時水位、測流水位、測沙水位和一日峰、谷水位，在滿足計算日平均水位要求基礎上，盡可能減少水位摘錄數(shù)據(jù)量，滿足成果刊印要求。遙測水位起伏變化的，應通過水位點群中心摘錄。

2.技術路線

①以時間t為橫坐標,水位Z為縱坐標，在CAD中繪制水位過程線底圖（厘米格圖）；②編寫計算機程序，讀取采集的遙測水位數(shù)據(jù)，在CAD中繪制遙測水位過程線；③如果已進行精簡摘錄，可讀取Douglas-Peucker算法、折線逼近法或水位摘錄數(shù)學模型法摘錄的水位數(shù)據(jù)，在CAD中繪制相應水位過程線，對其進行編輯、修改及合理性檢查；④如果未進行精簡摘錄，先采用VBA程序在CAD中繪制必須摘錄的特征時間對應的過程，然后利用 CAD 的[對象捕捉]、[縮放]等功能，人工繪制通過遙測水位過程線中心的多段線，作為精簡的水位過程線；⑤提取精簡的水位過程線的頂點坐標，并將頂點坐標轉化為精簡摘錄的水位。

3.技術方案

（1）繪制水位過程線

目前，采集的遙測水位存儲方式為Access數(shù)據(jù)庫，在CAD中繪制遙測水位過程線采用VB程序完成，讀取Access數(shù)據(jù)庫中的遙測水位數(shù)據(jù)，將時間轉為CAD橫坐標，將水位轉為CAD縱坐標，進而在CAD中繪制過程線。

（2）提取多段線頂點坐標

利用CAD的“對象捕捉”、“縮放”等功能，繪制通過遙測水位過程線中心的多段線，作為精簡的水位過程線，提取其頂點坐標存儲在文本文件中，采用AutoLISP語句完成。頂點坐標文件再利用VB程序轉化為整編數(shù)據(jù)格式，用于資料整編。

4.技術優(yōu)點

①通用性強，此方法可以用于各類水位過程精簡，對水位平穩(wěn)變化、劇烈波動、水位突變等都有較好的適用性；對其他方法摘錄成果、監(jiān)測的錯誤水位和局部缺測的水位過程，方便進行合理性分析、修正；②操作簡單，只需要執(zhí)行簡單的CAD繪圖操作，即可實現(xiàn)水位摘錄；③整點摘錄，利用CAD“對象捕捉”功能，可盡可能將水位摘錄節(jié)點控制在整點；④摘錄節(jié)點少，可以以最少的水位節(jié)點準確反映水位變化過程；對閘壩站，上下游2組水位的，亦可通過CAD“正交”功能，以較少摘錄節(jié)點進行時間同步處理；⑤成果精度高，摘錄的水位過程能夠和原始水位過程完全吻合，時間、水位均無偏離；⑥摘錄和測驗可同步進行，隨測隨整，不受時間限制，有利于“四隨”工作開展。

四、應用實例

1.過程線繪制

以山東省臺兒莊閘水文站為例，選取近期有代表性的時段2013年7月20日～8月1日閘上游遙測水位進行精簡摘錄。由水位過程線可以看出，臺兒莊閘站水位受船閘過船影響，水位波動頻繁，波動幅度最高達30cm；受閘門變動影響，水位存在突變；造成傳統(tǒng)水位精簡計算方法濾波困難，偏離誤差大。因此摘錄時，不采用其他精簡摘錄成果進行修正，直接進行人工繪圖，通過遙測水位過程線中心在CAD中繪制多段線，將其頂點坐標轉化為精簡摘錄的成果水位。

繪圖中，充分利用CAD“對象捕捉”和圖形“縮放”功能，可最大限度地將摘錄水位控制在整點，同時合理參照多段線繪制中的托引線，控制水位變化趨勢，切實保證以最少數(shù)據(jù)個數(shù)控制水位轉折變化點，滿足水位摘錄和成果刊印要求。臺兒莊閘站水位過程線及摘錄成果見圖1。

圖1 臺兒莊閘（閘上游）站2013年7月20日～8月1日水位過程線圖

2.成果精度

原始水位和精簡后的水位分別計算日平均水位（見表1）。對比分析顯示，2013年7月20日～8月1日時段內(nèi)精簡后的水位摘錄點49個，比實測點2513個減少2464個，摘錄點僅占實測點總數(shù)的1.9%，日平均水位最大誤差1cm，成果均滿足《水文資料整編規(guī)范》日平均水位最大誤差2cm的要求，精簡后的水位能夠很好地反應實際水位變化過程。摘錄時段內(nèi)既有受船閘影響的波形水位，亦有閘門變動引起的水位突變，水位過程具有較好的代表性。因此，基于CAD平臺的遙測水位摘錄方法適用性強、成果精度可靠。

表1 日平均水位對比成果表（2013年7月20日～8月1日）

五、結語

基于CAD平臺遙測水位精簡摘錄方法，充分利用CAD軟件強大的繪圖功能，利用VBA和AutoLISP對CAD的二次開發(fā)技巧，采用人機交互的方式，實現(xiàn)遙測水位手工、自動一體化摘錄，且摘錄方法通用性強、操作簡單、成果精度高、摘錄水位控制點據(jù)少，滿足水位資料整編和成果刊印要求；該方法還可擴展應用于繪制水位～流量、大斷面等各類關系線、過程線，具有較好的推廣利用價值■