陳春

摘 要：本文提出了山區(qū)河段流速、流向數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)框架，基于Excel強(qiáng)大的函數(shù)計(jì)算及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理算法與系統(tǒng)集成。生成的成果數(shù)據(jù)進(jìn)入CASS軟件，最終生成了航道流速流向圖。最后，以嘉陵江重慶段航道灘險(xiǎn)流速流向項(xiàng)目實(shí)例，驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)處理方法的可靠性。

關(guān)鍵詞：VBA編程技術(shù);航道灘險(xiǎn);流速;流向

Abstract： This paper presented a system framework for data processing of flow velocity and flow direction in mountainous rivers. Based on Excel's powerful functions of function calculation and data statistics， data processing algorithm and system integration were realized. The result data was entered into CASS software， and the flow chart of the channel was finally generated. Finally， the reliability of the data processing method was validated by an example of the current velocity and direction of the Jialing River in Chongqing section.

Keywords： VBA programming technology;channel shoals;flow velocity;flow direction

1 研究背景

發(fā)展內(nèi)河航運(yùn)對(duì)構(gòu)建“兩型”社會(huì)、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式具有重大意義。而作為內(nèi)河航運(yùn)的三大要素之一的內(nèi)河航道，則是航運(yùn)發(fā)展的先決條件[1]。創(chuàng)新航道維護(hù)管理模式，促進(jìn)航道維護(hù)由被動(dòng)型向主動(dòng)型轉(zhuǎn)變，對(duì)保障航道安全暢通，提升公共服務(wù)品質(zhì)至關(guān)重要。草街成庫(kù)后，庫(kù)區(qū)干支流通航條件大為改善，通航水域范圍、航道等級(jí)和通航船舶噸位均大幅提高，給航道管理提出了更加科學(xué)、更加智能化的要求。結(jié)合嘉陵江航道管理實(shí)際情況，為保障對(duì)水運(yùn)系統(tǒng)信息進(jìn)行快速及時(shí)匯總、分析、預(yù)測(cè)，要求航道管理部門(mén)在管理中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化處理各種信息。

表面流速流向測(cè)量是航道水文測(cè)量中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)航道整治設(shè)計(jì)和航標(biāo)布設(shè)等航道維護(hù)來(lái)說(shuō)不可或缺。近年來(lái)，隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，觀測(cè)方式變得簡(jiǎn)單，獲取的數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)處理要求更高，圖形制作要求美觀。主要的數(shù)據(jù)采集方式有CORS流動(dòng)站定時(shí)采集和動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)[2]。內(nèi)業(yè)獲得外業(yè)采集的頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，主要采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理或是編程計(jì)算實(shí)現(xiàn)，涉及觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷、數(shù)據(jù)取舍、計(jì)算結(jié)果圖形展示。人工操作重復(fù)工作量大，過(guò)程煩瑣不夠流暢，嚴(yán)重影響工作進(jìn)度效率。通過(guò)VBA編程技術(shù)，能夠?qū)α鲬B(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行程式化、最大程度上減少人工干預(yù)的計(jì)算處理。

本文依據(jù)合川三江航道維護(hù)測(cè)量工作中數(shù)據(jù)處理的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)行航道流速、流向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)出一套適合重慶河流航道表面流速、流向數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)，以滿(mǎn)足航道維護(hù)測(cè)量的高質(zhì)、高效的工作要求。同時(shí)，通過(guò)嘉陵江門(mén)栓石灘1 000個(gè)流量下航道表面流速流向數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和成圖快速性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 編程語(yǔ)言

VBA作為一個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，能夠使AutoCAD數(shù)據(jù)與其他VBA應(yīng)用程序，如Microsoft Excel軟件，直接共享，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，交換數(shù)據(jù)。利用VBA編程建立AutoCAD2008與Excel2010的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，快速繪制航道表面流速流向圖。

在VBA代碼中實(shí)現(xiàn)重復(fù)繪制流速線、流速大小等一系列圖形對(duì)象，則必然會(huì)涉及循環(huán)和條件分支語(yǔ)句。VBA中的循環(huán)有很多，如FOR…NEXT，DO While…loop和Goto…Line等。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)項(xiàng)目需求，沿河寬均勻投放5枚移動(dòng)浮標(biāo)，每20s觀測(cè)一次浮標(biāo)位置，成圖比例為1∶2 000;采用中海達(dá)V30移動(dòng)浮標(biāo)及重慶市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施觀測(cè)。

3.1 基于CORS自動(dòng)采集技術(shù)的外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

CQGNSS是重慶市統(tǒng)一的現(xiàn)代測(cè)繪地理信息空間定位基準(zhǔn)。凡在重慶市市域范圍內(nèi)需要CQGNSS提供亞米級(jí)、厘米級(jí)或毫米級(jí)導(dǎo)航定位服務(wù)的用戶(hù)，使用中海達(dá)V30CORS模式可以獲取到1Hz的定位數(shù)據(jù)[3]。獲取到坐標(biāo)數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解狀態(tài)，判斷外業(yè)數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量，解狀態(tài)為固定解時(shí)才會(huì)被采用，并進(jìn)入內(nèi)業(yè)處理。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不用架設(shè)基站、覆蓋范圍寬廣、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高等，缺點(diǎn)是需要網(wǎng)絡(luò)連接。重慶市CORS系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

3.2 基于PPK技術(shù)外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

采用2臺(tái)中海達(dá)V30GNSS接收機(jī)，1臺(tái)作為基站架設(shè)在固定位置，另外1臺(tái)放在浮標(biāo)上，以靜態(tài)方式1Hz的頻率觀測(cè)數(shù)據(jù)。將獲得的ZHD格式文件通過(guò)HGO轉(zhuǎn)換成RENIX文件，然后得到2個(gè)觀測(cè)文件，通過(guò)南方測(cè)繪公司的PPK免費(fèi)解算軟件可以獲取移動(dòng)浮標(biāo)的位置坐標(biāo)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要差分鏈路、數(shù)據(jù)質(zhì)量高等，缺點(diǎn)是需要架設(shè)基站、覆蓋范圍寬小[4]。

3.3 基于無(wú)人機(jī)正射影像技術(shù)的岸線采集

無(wú)人機(jī)作為一種飛行遙感平臺(tái)，具有機(jī)動(dòng)靈活、易于起降、可云下飛行、低空大比例尺制圖、小區(qū)域高分辨率和遙感數(shù)據(jù)獲取效率高等優(yōu)勢(shì)，可對(duì)敏感重點(diǎn)水域、岸線、礁等進(jìn)行重點(diǎn)和大頻次監(jiān)測(cè)，也可進(jìn)行及時(shí)、動(dòng)態(tài)、大面積的江域使用現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)。

根據(jù)各種地貌類(lèi)型和江面交接線的判別，分辨出岸線所在。根據(jù)岸線的定義，合理確定岸線位置、性質(zhì)及高程，人工勾繪岸線;然后將遙感修測(cè)的岸線與純野外測(cè)量的岸線標(biāo)識(shí)岸線進(jìn)行對(duì)比融合。嘉陵江合川段無(wú)人機(jī)正射影像見(jiàn)圖2。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理原理及功能實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)外業(yè)數(shù)據(jù)采集獲得浮標(biāo)每秒的位置信息，而筆者的成果要求是20s的位置，所以，要利用Excel對(duì)獲取得到數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選提取。若遇到20s位置為非固定解或者存在空缺值的情況，需要進(jìn)行相鄰點(diǎn)內(nèi)插，以滿(mǎn)足成圖需求。

4.2 互差判讀

針對(duì)每20s獲得的點(diǎn)位坐標(biāo)，使用程序進(jìn)行坐標(biāo)差值篩選并觀察畸變大小，找出原因。利用線性函數(shù)對(duì)相關(guān)7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，保留滿(mǎn)足要求的坐標(biāo)值。互差判讀原則是：對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，如有大于相鄰6個(gè)測(cè)量坐標(biāo)平均值，將當(dāng)前點(diǎn)作為畸變點(diǎn)刪除。當(dāng)前點(diǎn)作為空缺值后，按照相鄰6點(diǎn)的坐標(biāo)差值進(jìn)行內(nèi)插獲得當(dāng)前點(diǎn)正確坐標(biāo)[5]。

4.3 展點(diǎn)連線

流速線采用2個(gè)頂點(diǎn)的多段線繪制（用多段線的優(yōu)點(diǎn)是只要一個(gè)數(shù)組即可依次儲(chǔ)存該條測(cè)線所有浮標(biāo)點(diǎn)的XY）。先定義AcadLWPolyline對(duì)象變量[6]和存儲(chǔ)頂點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)組（命名為PLineP），再利用AddLightWeightPolyline方法給對(duì)象變量“賦值”的方式繪出多段線。流速線起點(diǎn)坐標(biāo)為[X始，Y始]，終點(diǎn)坐標(biāo)為[X終，Y終]，則數(shù)組PLineP中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)依次為X始，Y始，X終，Y終。其中

其中，[n]為繪圖比例;[VX]為X向分速度;[VY]為[Y]向分速度。

嘉陵江航道門(mén)栓石灘外業(yè)成果如表1所示。

注：星號(hào)表示數(shù)據(jù)脫密。

4.4 流速標(biāo)識(shí)及數(shù)理統(tǒng)計(jì)

流速采用多行文字標(biāo)注。定義AcadMText對(duì)象變量、存儲(chǔ)文字插入點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)組和儲(chǔ)存流速標(biāo)注文字的變量，再利用AcadMText方法將其標(biāo)注在與流速線中點(diǎn)距離L的位置。流速標(biāo)注文字只表示大小，可以使用EXCEL中的abs（）函數(shù)對(duì)流速值取絕對(duì)值并單獨(dú)儲(chǔ)存一列，再取相應(yīng)浮標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)text屬性。

展點(diǎn)連線完成和需要對(duì)圖面流速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出該測(cè)線的最大、最小、平流流速如表2所示。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 嘉陵江門(mén)栓石灘介紹

門(mén)栓石灘位于嘉陵江重慶段上游，距河口里程為120.5～122km。灘中左岸密布礁石，上游有黃盤(pán)石，下游有猴子石。分為上下門(mén)栓石和小小門(mén)栓石，自古以來(lái)都是嘉陵江上著名的險(xiǎn)灘。草街成庫(kù)前后流速變小，過(guò)往船舶噸位變大對(duì)航行安全要求更高。

5.2 系統(tǒng)在嘉陵江門(mén)栓石灘流速流向中的應(yīng)用

草街水庫(kù)平、枯期（每年11月至次年4月），水位在正常蓄水位203m和死水位202m之間變化，電站進(jìn)行日、周調(diào)節(jié)運(yùn)行。汛期（5月至10月），正常蓄水位：203.00m（每年11月至次年4月）;死水位：202.00m;汛期排沙水位：200.00m（入庫(kù)流量在6 000～15 000m3/s）。

灘險(xiǎn)特征主要表現(xiàn)為暗礁密布于左岸造成水深不足而礙航，主流分心靠左岸掃岸而下，江岸為細(xì)砂質(zhì)岸坡，河底基巖為沙溪廟組泥巖、砂巖。船舶上下行應(yīng)根據(jù)流速和流向相應(yīng)加大舵量靠右岸主漕通行。為保證通航安全，在不同流量情況下，要根據(jù)水位、流速流速流向情況及時(shí)調(diào)整航標(biāo)位置。嘉陵江航道門(mén)栓石灘流速流向圖見(jiàn)圖3。

6 結(jié)語(yǔ)

流速流向成圖系統(tǒng)自2016年建立以來(lái)已取得了初步成效，實(shí)現(xiàn)了嘉陵江險(xiǎn)灘在不同流量下監(jiān)測(cè)預(yù)警以及數(shù)據(jù)分析等成果，同時(shí)也積累了相關(guān)使用經(jīng)驗(yàn)，將進(jìn)一步提升航道維護(hù)管理的質(zhì)量和效率，大大降低航道水位變動(dòng)期對(duì)過(guò)往船舶帶來(lái)的危害。

參考文獻(xiàn)：

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