CN105651262B - 一种长江航行基准面确定方法 - Google Patents

一种长江航行基准面确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种长江航行基准面确定方法，包括如下步骤：观测并取得水位观测点的常年观测水位高度；选取航行基准高度；选取航道中间线；生成空间航道中间线；生成光滑空间航道中间线；生成连续光滑航行基准面；水深数据转换。得到光滑、连续且完整的航行基准面，提升测深数据水位改正的可靠性，简化操作步骤。减少需要处理的数据量，提高相对水深数据的处理效率。促进长江水文观测的规范化，标准化，为深度基准面的核定，长江水平面分析预测提供基础性的信息支持。加强长江航道局的水位观测资料的收集和统一处理工作。

Description

一种长江航行基准面确定方法
技术领域
本发明涉及船舶航行领域，具体涉及一种长江航行基准面确定方法。
背景技术
及时准确的掌握航道信息是进行及时航道维护和保障船舶航行安全的重要前提，长江航道管理部门每年都会通过定期或者不定期对长江航道进行测量来掌握长江航道河床演变过程并将测量所得的航道水深信息编制成航道图供船舶驾驶人员参考和工程人员作为工程设计和施工的依据。由于长江航道水深会随着时间的变化而变化，因此尽管在采用声呐进行航道测量时所测得的水深是当时的绝对水深，为了避免航道测量的结果受水深不断变化的影响和避免频繁的针对不同水位的航道测量工作，长江航道测绘人员在进行测量数据的处理、表示和存储时引入了航行基准面，航行基准面与河床底部的高度差称为相对水深。借助于航行基准面，航道测绘人员就可以根据不同的应用场合分别采用实时绝对水深、相对于航行基准面的相对水深和航道底部相对于吴淞(或者黄海)高程等形式来存储和表示航道的水深信息。
如图1所示，目前长江航道测绘部门所采用的航行基准面不是一个平面，而是由若干相互衔接的不同高度的多边形构成的相对基面，其特点是具有离散性与跳变性。这种基面划分方式数学基础简单，分块数量大，当在绘图时需要根据航行基准面把水深信息在绝对水深、相对水深或者高程数据之间相互转换时，目前大多数情况下所采用的方法仍然是人工分带计算和转换的方法，数据预处理效率低下。由于长江主要辖区内所有航道图的数据预处理工作的工作量十分庞大，这一现实情况严重制约着航道图数据的及时更新。尽管目前有一些研究提出了利用计算机软件自动计算和转换的方法，但都只是理论上研究，没有在实际测量工作很好的推广和应用。
由于航道图的航行基准面是一个可以根据实际需要进行确定或者选择参考面，这也导致由于长江的不同河段的航行基准面高度不同，而测量完成的数据结果会跨越连续河段，在实际应用中，又会涉及到在不同基面之间进行深度数据转换。目前电子航道图所采用航行基准面具有离散性和跳变性,越来越不能满足实际应用的需求,连续、无缝的航行基准面是目前电子航道图亟需解决的问题之一。精确可靠的测量数据是做好电子航道图的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长江航行基准面确定方法，改进长江航道测绘现有的航行基准面选取方法，生成一个能够覆盖长江沿线航道、连续并且具有一定光滑度的航行基准面，克服现有阶梯状非连续基准面的缺点，从而减少航道测绘人员在进行航道测绘数据处理时的人工干预程度，降低人工劳动强度，提高数据处理效率，同时便于编制软件自动处理。具体技术方案如下：
一种长江航行基准面确定方法，包括如下步骤：
(1)观测并取得水位观测点的常年观测水位高度；
(2)选取航行基准高度；
(3)选取航道中间线；
(4)生成空间航道中间线；
(5)生成光滑空间航道中间线；
(6)生成连续光滑航行基准面；
(7)水深数据转换。
进一步地，步骤(1)中所述水位观测点为多个，其为多个设置用于观测河面的高度的水尺；和/或，得到水位观测点历史观测水位后进行预处理。
进一步地，所述预处理为对所得水位高度进行统计分析。
进一步地，步骤(2)中选取水尺位置处一个合理的水位高度作为该观测点处的航行基准高度，优选该观测点处的历史最低水位高度。
进一步地，步骤(3)中选取高度为零的平面航道中间线，通过航道测绘部门提供的水边线资料图中人工或者自动方式获得长江航道的中间线。
进一步地，步骤(4)中，将步骤(3)中高度为零的平面航道中间线生成为一个高度不为零的、在其上每一节点处的高度都代表该点处航行基准面高度的三维空间航道中间线。
进一步地，步骤(4)具体包括如下步骤：
(4-1)确定一个水尺平面位置的x，y坐标和该水尺处的航行基准面高度；
(4-2)将步骤(4-1)中确定的三个参数构造为三维空间中的一个水尺基准点；
(4-3)通过步骤(4-2的)水尺基准点做航道中心线的水平垂线并求取垂足；
(4-4)取航道中心线位于垂足处的高度为该水尺处航行基准面的高度；
(4-5)航道中心线上位于两垂足之间的节点高度由其两侧的垂足高度进行线性插值获得，插值公式为：
其中：
h：航道中心线节点处航行基准面的高度；
h1：第一个垂足处航行基准面的高度；
h2：第二个垂足处航行基准面的高度；
D：两相邻垂足间的距离；
D1：节点距离第一个垂足的距离；
D2：节点距离第二个垂足的距离；
(4-6)得到水位观测点到航道中心线垂足及航道中心线各个节点处的航行基准面的高度；
(4-7)所有垂足和航道中心线节点的位置及其高度信息构成了空间B样条曲线的控制点。
进一步地，步骤(4-3)中，当垂足不在中心线上，则取航道中心线上距其最近的点替代。
进一步地，步骤(5)中取所有水尺到航道中心线的垂足和航道中心线的节点及赋予该节点的航行基准面高度所得到的三维空间点为控制点，取相应次数的B样条基函数，通过如下公式确定K次B样条曲线：
其中，为第k个控制点，参数u取所求与第i个节点的距离；得到一条以由航道中心线为基础构造的空间B样条曲线。
进一步地，根据精度需要取相应次数的B样条基函数，选取二次B样条基。
进一步地，步骤(6)中对应步骤(5)构造出来的空间B样条曲线，在空间中同一高度上对该曲线两侧分别求取一条等距线。
进一步地，取定等距线距离航道中间曲线的距离使得两条等距线之间的部分应能够完全覆盖整个航道。
进一步地，利用该基准面对水深点进行转换，包括实时水深，相对水深和高程：设水尺的零点水位的高程为Hw，水尺水位读数记为D，河床地面高程记为Hg，相对水深记为Dr，实时水深记为Da，航行基准面的高程记为Ho，水深点测量处航行基准面的高度Ho即为测量点水平位置处垂直于水平面的垂线与航行基准面的交点的高度，
实时水深到高程的转换Hg＝Ho+D-Hw；
实时水深到相对水深的转换Dr＝Ha-D-Hw+Ho；
相对水深到实时水深的转换Da＝Dr+D+Hw-Ho；
相对水深到高程的转换Hg＝Ho-Dr；
高程到相对水深的转换Dr＝Ho-Hg；
高程到实时水深的转换Da＝Hw+D-Hg。
与目前现有技术相比，本发明生成一个连续光滑的航行基准面，该基准面具有如下一些优点：
1、得到光滑、连续且完整的航行基准面，提升测深数据水位改正的可靠性，简化操作步骤。
2、减少需要处理的数据量，提高相对水深数据的处理效率。
3、促进长江水文观测的规范化，标准化，为深度基准面的核定，长江水平面分析预测提供基础性的信息支持。
4、加强长江航道局的水位观测资料的收集和统一处理工作。
附图说明
图1为现有长江航行基准面示意图
图2为本发明技术路线图
图3为航道中间线示意图
图4为水尺基准点向航道中心线投影示意图
图5为空间曲面示意图
图6为绝对水深和相对水深示意图
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。如图2所示，实现具体步骤如下：
1、水位观测点历史观测水位的预处理
在长江沿岸，航道测绘部门设置了大量的水尺，用于观测河面的高度，本发明称之为水位观测点。通过对每一个水位观测点的常年观测水位高度进行统计分析，然后取一个合理的水位高度作为该观测点处的航行基准高度。比如可取为该观测点处的历史最低水位高度，如表1所示。
表1长江重庆辖区部分水尺位置及航行基准面高度
2、航道中心线的选取
通过从航道测绘部门提供的水边线资料图中，可以通过人工或者自动方式获得一条长江航道的中间线，该线本质上是一条由多个直线段首位连接而成的经过有限个航道横截面处水面中间点的一条折线。到目前为止，可视该航道中间为一条处处高度为零的平面折线，如图3所示，图中每一个小圆圈表示在该处的一把水尺。
3、空间航道中间线的生成
这一步的目的是将第2步得到的高度为零的平面航道中间线变成一个高度不为零的、在其上每一节点处的高度都代表该点处航行基准面高度的三维空间航道中间线。
对于每一个水尺而言，表中均提供了其平面位置，所处带号，公里数以及航行基准面高度等信息。我们抽取其中的三项，即水尺平面位置的x，y坐标和该水尺处的航行基准面高度，此三项信息正好可以构造出三维空间中的一个点(下文称水尺基准点)，然后通过该点坐航道中心线的水平垂线并求取垂足(如果其垂足不在中心线上，则取航道中心线上距其最近的点替代)，如下图4中红色小圆圈所代表的点。并取航道中心向位于垂足处的高度为该水尺处航行基准面的高度。
航道中心线上位于两垂足之间的节点高度则由其两侧的垂足高度进行线性插值获得。其插值公式为：
其中：
h：航道中心线节点处航行基准面的高度；
h1：第一个垂足处航行基准面的高度；
h2：第二个垂足处航行基准面的高度；
D：两相邻垂足间的距离；
D1：节点距离第一个垂足的距离；
D2：节点距离第二个垂足的距离。
由此我们得到水位观测点到航道中心线垂足及航道中心线各个节点处的航行基准面的高度。所有垂足和航道中心线节点的位置及其高度信息一起构成了我们所需要构造的空间B样条曲线的控制点。
4.光滑航道中间线的生成
本发明取所有水尺到航道中心线的垂足和航道中心线的节点及赋予该节点的航行基准面高度所得到的三维空间点为控制点，并根据精度需要取相应次数的B样条基函数。有了控制点和基函数，一个K次B样条曲线可由式4.1确定。
其中，为第k个控制点，参数u取所求与第i个节点的距离。至此，我们得到了一条以由航道中心线为基础构造的空间B样条曲线。
考虑实际应用中的精度需要，本发明选取二次B样条基。
5.连续航行基准面的生成
有了步骤4中所得到的的B样条曲线，下面就可以构造一个连续具有一定次数光滑度的空间B样条曲面作为航行基准面。
如图5所示，设图中位于中间一条曲线为步骤4构造出来的空间B样条曲线，在空间中同一高度上对该曲线两侧分别求取一条等距线。合理取定等距线距离航道中间曲线的距离使得两条等距线之间的部分应能够完全覆盖整个航道为宜。如此两条等距曲线之间对应点的连线的全体构成一个空间连续的曲面，该曲面即所构造的航行基准面。
6、各种形式水深数据的转换
有了航行基准面，我们就可以利用该基准面对水深点进行转换，包括实时水深，相对水深和高程等形式。下面给出各种形式水深之间的相互转换公式：
下面设水尺的零点水位的高程(海都测量时所用的黄海或吴淞高程)为Hw，水尺水位读数记为D，河床地面高程记为Hg，相对水深记为Dr，实时水深记为Da，航行基准面的高程记为Ho。则水深点测量处航行基准面的高度Ho即为测量点水平位置处垂直于水平面的垂线与航行基准面的交点的高度。
实时水深到高程的转换
Hg＝Ho+D-Hw
实时水深到相对水深的转换
Dr＝Ha-D-Hw+Ho
相对水深到实时水深的转换
Da＝Dr+D+Hw-Ho
相对水深到高程的转换
Hg＝Ho-Dr
高程到相对水深的转换
Dr＝Ho-Hg
高程到实时水深的转换
Da＝Hw+D-Hg
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种长江航行基准面确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)观测并取得水位观测点的常年观测水位高度；
(2)选取航行基准高度；
(3)选取航道中间线；
(4)生成空间航道中间线；
(5)生成光滑空间航道中间线；
(6)生成连续光滑航行基准面；
(7)水深数据转换；
步骤(2)中选取水尺位置处于该观测点处的历史最低水位高度作为该观测点处的航行基准高度；
步骤(3)中选取高度为零的平面航道中间线，通过航道测绘部门提供的水边线资料图中人工或者自动方式获得长江航道的中间线；
步骤(4)中，将步骤(3)中高度为零的平面航道中间线生成为一个高度不为零的、在其上每一节点处的高度都代表该点处航行基准面高度的三维空间航道中间线；
步骤(4)具体包括如下步骤：
(4-1)确定一个水尺平面位置的x，y坐标和该水尺处的航行基准面高度；
(4-2)将步骤(4-1)中确定的三个参数构造为三维空间中的一个水尺基准点；
(4-3)通过步骤(4-2的)水尺基准点做航道中心线的水平垂线并求取垂足；
(4-4)取航道中心线位于垂足处的高度为该水尺处航行基准面的高度；
(4-5)航道中心线上位于两垂足之间的节点高度由其两侧的垂足高度进行线性插值获得，插值公式为：
<mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>D</mi> </mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>D</mi> </mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow>
其中：
h：航道中心线节点处航行基准面的高度；
h1：第一个垂足处航行基准面的高度；
h2：第二个垂足处航行基准面的高度；
D：两相邻垂足间的距离；
D1：节点距离第一个垂足的距离；
D2：节点距离第二个垂足的距离；
(4-6)得到水位观测点到航道中心线垂足及航道中心线各个节点处的航行基准面的高度；
(4-7)所有垂足和航道中心线节点的位置及其高度信息构成了空间B样条曲线的控制点；
步骤(5)中取所有水尺到航道中心线的垂足和航道中心线的节点及赋予该节点的航行基准面高度所得到的三维空间点为控制点，取相应次数的B样条基函数，通过如下公式确定K次B样条曲线：
<mrow> <mover> <mi>r</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mi>k</mi> </mrow> <mi>i</mi> </munderover> <msub> <mover> <mi>V</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>u</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4.1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，为第k个控制点，参数u取所求与第i个节点的距离；得到一条以由航道中心线为基础构造的空间B样条曲线；
步骤(6)中对应步骤(5)构造出来的空间B样条曲线，在空间中同一高度上对该曲线两侧分别求取一条等距线；取定等距线距离航道中间曲线的距离使得两条等距线之间的部分应能够完全覆盖整个航道。
2.如权利要求1所述的长江航行基准面确定方法，其特征在于，步骤(1)中所述水位观测点为多个，其为多个设置用于观测河面的高度的水尺；和/或，得到水位观测点历史观测水位后进行预处理，所述预处理为对所得水位高度进行统计分析。
3.如权利要求1所述的长江航行基准面确定方法，其特征在于，步骤(4-3)中，当垂足不在中心线上，则取航道中心线上距其最近的点替代。
4.如权利要求1-3任一项所述的长江航行基准面确定方法，其特征在于，利用该基准面对水深点进行转换，包括实时水深，相对水深和高程：设水尺的零点水位的高程为Hw，水尺水位读数记为D，河床地面高程记为Hg，相对水深记为Dr，实时水深记为Da，航行基准面的高程记为Ho，水深点测量处航行基准面的高度Ho即为测量点水平位置处垂直于水平面的垂线与航行基准面的交点的高度，
实时水深到高程的转换Hg＝Ho+D-Hw；
实时水深到相对水深的转换Dr＝Ha-D-Hw+Ho；
相对水深到实时水深的转换Da＝Dr+D+Hw-Ho；
相对水深到高程的转换Hg＝Ho-Dr；
高程到相对水深的转换Dr＝Ho-Hg；
高程到实时水深的转换Da＝Hw+D-Hg。
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Granted publication date: 20180213

Termination date: 20181126