水位资料整编信息化数据预处理算法研究及应用

徐国红1 黄俊2 余卫国3 张毕元4

1、湖北省黄石市水文水资源勘测局 湖北黄石 435000；

2、武汉市水文水资源勘测局 湖北武汉 430070；

3、荆州市水文水资源勘测局 湖北荆州 434000；

4、咸宁市水文水资源勘测局 湖北咸宁 437000

摘要：水位信息化数据采用5分钟的采样间隔，在数学中属于离散量，用其模拟水位变化过程这一连续量。水位资料整编要将水位数据进行整编，推算出逐日平均水位，但是对目前的主流整编程序来说，单站每年水位信息化超过10万组的数据量仍过于庞大。因此，对水位数据进行处理，使其既能满足资料整编的要求，又能反映该站水情变化的特性。水位信息化数据的处理是为了适应信息化发展对水文资料整编的需要，研究当前已有处理系统情况，分析水位信息化数据的特点，在此基础上研究设计了水位数据处理的三种基本算法，基于此算法开发出具有人机交互功能的处理系统软件，取得了良好的效果。

关键词：水位信息化；数据处理；算法；滑动平均精简；K值递推精简；数据处理系统

1 引言

水文数据是国家基础性公益科学数据资源的重要组成部分，是国民经济建设、防汛抗旱减灾、水资源可持续利用与管理、水环境与水生态保护等领域的科研、规划的基础数据。水文资料是研究江河、河口、海湾水流运动运动规律的基础资料，对某一水域进行综合规划研究、需要系统地整理、分析这些资料，以便对所研究的区域有整体、深入、形象的认识和了解。水文信息是整个水利信息中数字化程度最高的信息。随着信息技术的飞速发展，对水文信息的采集、加工处理、决策与信息服务的方式都产生重要影响和变革。计算机技术渗透到水利行业，为实现从传统水文向现代水文的转变提供了有效途径。

水文资料整编系统是建立在满足GIS设计要求的水文信息数据库基础上，实现水文信息的采集、存储、分析、查询、管理、输出，为水文分析管理提供准确的数据，同时也为其他有关部门决策、生产及研究提供可靠依据。

水位资料是水文资料中最基础最重要的组成部分，水位资料整编成果是《水文年鉴》刊印最基础最重要的资料项目之一。

当前信息化水位资料采样间隔均为5分钟，一个观测断面全年完整的水位数据为105120组，一个市级水文机构多个水位观测站的信息化水位数据量十分庞大，对于省级来说更是天文数字。目前，水文资料整编系统并不能处理如此大量的水位数据。

因此，将大量水位信息化数据缩减并能准确反映水位变化过程，满足推求逐日平均水位的要求，应用于资料整编需要一个接口，探讨水位资料整编中水位信息化数据处理算法及应用问题由此产生。

在信息化发展的初期，针对数据的处理也产生了一部分处理软件，根据对其的研究，发现普遍存在以下几个方面的问题：

（1）算法單一，无法完全适用于各类测站的水位特性，对波浪影响的站点的数据处理结果存在较为严重的锯齿现象。

（2）算法不合理，为了数据量满足整编要求，对水位变化过程的控制较粗糙，导致日平均水位的推算超过规范允许误差。

（3）处理方式封闭，用户无法通过交互功能实现数据处理的可视化，对处理的结果心中没数，需要通过第三方软件进行查验。

（4）不能在信息化数据和整编程序之间进行无缝衔接，需要人工干预的地方过多，不能有效起到衔接功能。

（5）对数据源的要求过于苛刻，在开展数据处理之前，用户需要进行大量的人工处理工作，导致一些可能的人为错误发生。

2 基本算法及原理

2.1波浪处理

《水位观测标准》4.10.2规定，为了消除和控制误差，对波浪的观测应取峰顶峰谷的平均值。可知，水位的瞬时观测值与真值存在波浪影响误差，由水位的连续性可知，某一时刻的水位与上一时段和下一时段有着密切的联系。因此，某一时刻的水位真值可以表示为以下方程：

（1）

——时刻的水位真值，m；

——时刻的瞬时水位，m；

——时刻的瞬时水位的权重

在实际5分钟的采样间隔中，采用n=2，即i时刻的水位与前后各10分钟共20分钟的水位数据相关，i-2、i-1、i、i+1、i+2时刻的水位权重分别设置1、2、4、2、1，则公式可简化为。

（2）

波浪处理在数据处理中十分必要，其目的相当于通过点群中心模拟水位过程线，对波浪进行过滤。通过公式中参数的调整，可以试算出最佳滤波参数，进而应用于受测站特性影响的不同的波浪。波浪处理只是对测站的波浪幅度进行了缩小，将波浪对水位真值的影响降低，为数据精简提供准备，滤波后的数据在原有数据的基础上进行平滑，符合水位变化的连续性原理。

2.2数据精简

波浪处理并不能精简数据，仍不能解决数据量偏大的问题。对数据的精简处理应符合《水位观测标准》4.1.3的规定：“水位的观测应能测到完整的水位变化过程，满足日平均水位的计算，各项特征值的统计、水文资料整编和水情拍报的要求。在峰顶、峰谷、水位过程转折处应布设测次…。”

2.2.1滑动平均精简

滑动平均的基本原理仍是采用水位的连续性原理，假定5分钟采样间隔为定值。如图1：

图1滑动平均精简算法示意图

（3）

（4）

——时刻计算的水位平均值，m；

——-1时刻波浪处理后的水位真值，m

——时刻水位真值与计算的水位平均值误差的绝对值，m

实际应用中，给定的阈值，超过此阈值的将保留，不超过此阈值范围的水位点据将过滤。滑动平均算法虽然能起到过滤多余的水位点据，但当设置的阈值偏大时，会将水位变化过程的峰顶、峰谷也进行了精简，这不符合相关规定；当设置的阈值偏小时，能控制水位变化过程的峰顶和峰谷，但在实际应用中，点据仍然较为密集，控制在整编程序能接受的数据量范围仍十分困难。

图2 K值递推精简算法示意图

2.2.2 K值递推精简

设K为两点之间连线的斜率，其计算表达式：

（5）

将以上公式进行变换得：

（6）

采用K值和下一时间点代入公式（6），推算的水位与真值差值为，则有：

= （7）

根据图2所示，将与点根据（5）公式计算出K值，并作为K值初始值；然后根据（6）公式推算出，给出误差阈值，如0.02m，当推算值与真值在此范围内时，则可舍弃，继续根据n公式计算，当误差超过阈值时，则认为不可舍弃，必须摘录，重新采用与计算K值，推算T5、T6时刻的Z值，依次类推…，摘录点据将必然包含上图中的Z3、Z5和Z7。

通过以上算法，既可解决峰顶和峰顶的漏摘问题，又能完美表现水位的变化过程，同时数据量控制在整编程序能够接受的合理范围内。

为了对以上过程的更深入理解，给出VB计算程序代码：

i = 0 ‘计数器

j = 2 ‘计数器

‘将第一个时间赋值给T0

‘将第一个水位赋值给Z0

k0 =（Z1 –Z0）/（T1-T0）

Do Until i + j >num num为数据总数

Zj（i + j）=（T（i+j）- T0）* k0 + Z0

If Zj（i + j）-Z（i + j）<= 0.02 Then

j = j + 1

Else

k0 =（Z（i + j）– Z（i + j - 1）/（T（i + j）– T（i + j - 1））

T0 = T（i + j - 1）

Z0 = Z（i + j - 1）

‘摘录T（i + j - 1），Z（i+ j - 1）

i = i + j

j = 1

End If

Loop

3、应用实例展示

3.1波浪处理实例

为了验证波浪处理效果，采用樊口（大闸下）站2013年的水位数据进行展示。樊口（大闸下）站水位观测断面设在距离大闸下游130m处，在其下游约1km处与长江相连，水位在大闸开闸期和长江洪水期受波浪影响显著，波峰波谷变幅在0.05～0.40m之间。经过波浪处理后的效果如图3，可以明显看到，处理的水位过程线通过点群中心，波浪幅度在0.05cm以内。

图3 受波浪影响的水位脉动处理后的效果

3.2平滑精简处理实例

為了验证平滑处理效果，采用龙港站水位数据进行展示。图4为龙港站2013年一次洪峰的水位过程线。经过平滑精简处理后，全年数据量已大幅度减少到1879组，查看其它位置后发现数据存在漏摘洪峰和峰谷现象。

图4龙港站水位过程滑动平均精简效果

3.3 K值递推精简实例

仍然采用龙港2013年的资料为例，如龙港站2013年另一次洪峰的水位过程线，通过K值递推精简后的数据效果，如图5。

图5 K值递推精简处理后的效果

4、数据处理系统简介

4.1数据源

水文信息化将大量的原始数据，通过采集、传输后最终存储在数据库服务器中。因此，数据库服务器存储的水文数据便是数据处理系统的数据源。

要实现对数据的处理，首先是获取数据。可以通过两种方式，一是在服务器中采用查询系统，以文件存储的方式获得；二是通过局域网远程连接数据库获得。

4.1.1从文件中导入数据

在某些地区水文数据库未接入局域网或经常断网，要获取数据可通过在数据库中查询后以文件的方式得到。因此，处理系统应具有从文件导入数据功能。

4.1.2从数据库中导入数据

信息化采集的最终数据均存储在数据库中，从数据库中直接获取数据十分便捷和高效，可以避开重复和繁琐的人工数据下载工作。如图6：

图6 从数据库中导入数据

4.2数据处理

数据处理是系统的最主要部分，将原始水位数据点绘为过程线，通过波浪处理、平滑处理和K值递推平滑精简算法，一步步处理成用户满意的数据结果。处理过程都可以数据处理界面直观判断，当出现不满意的效果时，可以通过调整不同的参数，直到达到理想的处理效果。

数据处理效果的好坏是由三种算法相互协调配合完成的，其中波浪处理是基础。图7是数据处理界面。

4.3数据存储和输出

在处理程序窗口中，处理完成的数据即时显示在表格中，当用户处理的数据达到满意的效果后，点击保存按钮，数据将保存在系统中。通过数据输出功能，程序将连接本地的整编数据库，并将数据传入，打开整编程序后，可以直接进行水位整编计算。

5 结论

根据水位观测标准和长江委《南方片资料整编程序》的要求，水位信息化数据必须经过处理后方能开展整编工作。对信息化水位的处理必须遵循两个原则，一是摘录的水位必须控制水位变化的转折点，能够完整反映水位的变化过程，二是必须满足资料整编程序对数据量的上限规定。

图7 数据处理界面

通过探讨水位信息化数据处理的波浪处理、数据平滑精简处理和K值递推精简处理的算法，可以得出如下结论：

（1）波浪处理是进行精简处理的基础，为数据精简提供更为接近真值的水位数据。

（2）数据平滑处理算法在参数阈值设置较小时，能完整地描述水位的变化过程，数据量仍然偏大，参数阈值设置较大时，存在漏摘峰顶和峰谷现象；要实现两者均满意的效果较为困难。

（3）K值递推精简处理算法更为合理，在波浪处理的基础上能够达到精简数据和控制水位变化过程的目的。

（4）以上三种处理同时使用，处理效果更合理，效果更理想，完全能够适应各类水位站水位数据特性，从而达到要求。

（5）通过可视化编程，实现水位信息化数据从获取、处理和输出全过程的自动化，大量提高数据处理的效率

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准《水位观测标准》GBJ 138-90

[2]中华人民共和国水利行业标准《水文资料整编规范》SL247-2012，Code for hydrologic data processing.

上接第304页

斯坦福大学的Ruland教授所证实，他使用的视距为10.98m，在过度调焦25cm后，他也得出了与Woschitz博士相类似的结果。

5 使用数字水准仪的若干建议

（1）机内温度与环境温度平衡。数字水准仪采取了高精度的自动读数方式，与同等级的光学水准仪相比，其光机性度大大降低。

（2）为消除补偿器的剩余误差，应采用正确的观测顺序。

（3）避免使用特殊视距进行水准测量。

（4）保持条码尺清洁。

（5）进行水准测量时，严格照准条码分划线的中心位置。

（6）正确对条码尺调焦，使图像传感器接收到清晰的图像。

（7）避免遮挡望远镜视场内的条码。

（8）避免使用条码尺底部和顶部进行测量。

（9）条码尺应有足够的亮度。

（10）定期更新数据处理软件。

（11）定期检定仪器。

（12）精心保护条码尺。

（13）对测量结果施加必要的改正。数字水准仪的测量结果Hm还需要加上测量系统的尺度改正R和条码尺因瓦带的温度系数α改正后，才能够获得最后结果Hc，其改正公式为：

Hc=Hm·[1+R+α·（T-T0）]（2）

式中：Hc——改正后的水准测量结果；

Hm——数字水准仪的测量结果；

R——数字水准仪测量系统的尺度改正系数，应注意与传统因瓦水准尺所定义的米真长改正数相区别；

α——条码尺因瓦带的温度系数；

T——水准测量时因瓦带的温度；

T0——参考温度，T0=20℃

6 结语

综上所述，数字水准仪是利用电子工程学原理自动进行观测，并自动记录每一个观测值，进行一般的平差计算的新一代仪器。为了得到精确的测量值，在使用数字水准仪时需要注意某些细节。

参考文献：

[1]梁振华；尹建涛；谢宏全.数字水准仪i角的误差检校方法与误差分析[J].煤矿安全.2013（07）

[2]龚真春；李伟峰；薛宠.数字水准仪测量精度分析及其在工程中的应用[J].测绘与空间.2012（02）

[3]杨璐璐；；成月佳；；王剑.数字水准仪补偿误差的检定与分析[J].江苏省测绘学会2011年学术年会论文集.2011（11）

上接第305页

变化情况，一旦出现不利变化要及时采取措施，防范风险，主张和维护自己的合法权益。

（三）租赁资产的风险管理与控制

金融租赁是以物为载体的融资行为，租赁物购买价格虚高，出现质量问题，在运输、安装和使用过程中造成的减损甚至灭失风险等都会影响承租人偿还租金的履约能力，对金融租赁合同的正常履行带来不利影响，因此金融租赁公司应当与专业厂商建立合作关系，减少不必要的中间环节，了解市场价格行情及专业设备的选型、工艺匹配的合理性。对租赁资产投保运输、盗抢等险种，在合同条款中，增加对租赁资产造成破坏、灭失风险的处罚条款和保障措施，对租赁资产进行现场管理和定期现场检查，避免资产的转移和藏匿。

五、小结

现代的金融租赁是一种将推销与融资结合起来；将融资与贸易结合起来；将策划与开发结合起来：将投资与管理结合起来；将人才与物资结合起来：将灵活与创新结合起来的一种综合性服务贸易。中国金融租赁业已经实现了较快发展，在社会融资总量中所占比例越来越大。随着全社会更加巨大的投资需求，金融租赁业务遇到了前所未有的机遇期。只要防范好各方面风险，采取有效的控制措施，相信在不远的将来，银行系金融租赁公司的金融租赁之路将会走的更远。

参考文献：

[1]（英）T.M.克拉克.租赁.罗真端，李增德，汤修珍译.物资出版社，1983，23-25

[2]李命志等译.国际租赁完全指南.北京大学出版社，2007.

作者简介：

张弨，女，天津财经大学在职研究生在读，现任职于中国农业银行天津和平支行。

上接第306页

扎固定，每道加箍处设绑扎点，纵筋底部应齐平；钢筋笼入沉放过程中不宜反复向下冲撞和扭动；下部注浆导管应沉放到底，严禁悬吊；每次注浆施工前应及时通报监理工程师旁站，在监理工程师允许注浆时方可施工；经常检查巡视待注浆桩导管留口的保护情况；后注浆施工操作应严格按后注浆施工工艺要求实施，遇特殊情况及时上报并如实记录。

质量检验：旋挖钻孔灌注桩施工所用原材料（水泥、砂石、钢筋等）的质量要求必须符合现行国家标准的规定；钢筋笼制作所用的钢筋规格、焊条规格、焊接质量、主筋及箍筋的制作偏差等均应符合设计及有关规范的规定；成孔前应进行桩位复核，桩位的放样允许偏差10mm；成孔深度必須达到设计要求，孔深允许偏差为+30mm；桩身砼强度应符合设计要求，施工过程中按有关要求留取试件，由具有相应资质的检测试验单位出具试验报告。

施工监测、桩位移的检测：地表开裂状态的检测；附近建筑物和重要管线设施的变形测量和裂缝观察。质量验收：成孔后，由建设单位、监理单位和施工单位共同按设计要求进行工程质量验收，认定合格后，予以签字，验收时施工单位应做好相关资料。

9 结论

综上所述，旋挖机在砂土地质条件下可以针对复杂的地质结构进行灵活的成孔工艺，这样就可以保证成孔的速度和安全，在本工程中应用中获得了较好的成果，与其他工艺相互配合保证了基础施工的质量。另外，要保证灌注桩的施工质量，钢筋笼外笼护筒技术是首选的办法，选择先进的设备，合格的施工人员，各部门高度协调全面配合，做到精益求精，才能保证结构工程质量。

参考文献：

[1]王万文.钻孔机旋挖取土成孔法施工工艺研究J].交通标准化.2012（05）

[2]霍小妹.旋挖钻机成孔开放式后注浆灌注桩施工工艺[J].施工技术.2012（07）