长江电子航道图流场断面批量提取技术与应用

万鹏　潘帮文　任成浩

摘要：长江电子航道图作为“数字航道”总体架构的基础层，是实现“数字航道”的重要基础手段。为确保数据的准确性和现势性，电子航道图数据需要定期更新。为了提高流场观测数据后处理效率，长江航道测量中心自主研发了长江电子航道图流场断面批量提取软件。本文论述了流场断面批量提取技术应用及展望。

关键词：电子航道图；批量提取技术应用；长江数字航道

中图分类号：U618 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）05-0030-02

1.项目背景

为了响应和落实国家“一路一带”发展战略，提高长江航道通行能力，提升长江黄金水道的航运地位和作用，实现长江航道现代化，长江航道局提出“数字航道”的建设规划。长江电子航道图作为“数字航道”总体架构的基础层，是实现“数字航道”的重要基础手段。航道整治、航道演变分析、船舶通航、航标监控、水上安全监管、港口管理、搜救指挥等工作均需以电子航道图为重要基础手段，长江电子航道图在长江航运发展中具有重要的基础地位。

长江电子航道图系统作为一个新型的信息平台，通过对外发布，可为社会用户提供丰富实用的助航信息与服务功能。其中，流速信息显示功能可以通过主流区、缓流区的形式显示长江干线航道水流信息，辅助用户选择合理航线，例如，可让用户在可航水深范围内选择“上水走缓流、下水走主流”的航线，既有利于充分利用航道水深资源，又能达到更加经济节能、绿色环保的目的，充分发挥长江电子航道图助航服务功能，保护长江航道生态环境。

目前，长江电子航道图已正式对外推广应用，为确保数据的准确性和现势性，电子航道图数据需要定期更新。然而，长江航道大部分属于自然航道，存在以下几个特点：①长江水位变幅大，没有规律；②航标异动频繁；③临跨河建筑物多，直接影响通航；④绘图基面不一；⑤航道演变剧烈，航槽变化快；⑥河床演变复杂，山区、库区、卵石、砂质、潮汐河流等各种河段规律不同。这些特点导致电子航道图数据需要定期进行更新，甚至需要每周或半月更新一次。为此，长江航道局制定了《长江电子航道图系统运行条件下航道维护技术规范》，对航道要素数据的更新、测量和数据处理制定了严格的要求。

根据该规范的要求，对水文断面的流速数据进行测量的时间主要集中在每年2-3月、7-8月、10月以及12月至次年1月，断面流速数据每年需要全部更新4次，这对数据处理的效率和准确性提出了更高的要求。现以宜昌中水门至芜湖长江大桥河段为例说明：该河段全长约1300公里，依据技术要求，断面布设按照最多2公里的间距计算，共约650条断面，按照常规方法，除了外业数据采集，还需要人工进行数据导人、预处理、检查等工作，每获取一条断面的端点坐标大约需要1-2分钟，总的数据处理工作量在几个工作日，并且错误率较高，同时流场断面观测要素的提取和处理也花费大量的时间，无法满足电子航道图数据快速更新和对数据质量的要求。为了提高流场观测数据后处理效率，为电子航道图主缓流功能实现及更新提供有力保障，长江航道测量中心自主研发了长江电子航道图流场断面批量提取软件。

2.断面批量提取技术研发

在断面批量提取软件研发前期进行了充分的需求分析，并基于AutoCAD环境进行二次开发得以实现批量提取软件相关需求。

2.1开发环境

AutoCAD数据编辑功能强大，是很多测绘生产单位和机构进行地图数字化和数字化测图的主要工具，传统的流场断面坐标人工读取也是在AutoCAD环境进行的。而CAD文件的存储格式一直没有公开，因此，二次开发通常必须依附于AutoCAD本身的环境。这些主要手段分别是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常用来完成一些简短的重复性操作，利用COM/Active x方法访问CAD文件也有一个显而易见的限制，即应用程序作为客户无法独立于Auto CAD这个Active x服务器单独运行，都不适合用于本次软件研发。结合长江航道流场断面批量提取的实际情况以及电子航道图数据预处理对流场数据的需求，拟采用基于object ARX技术的二次开发平台进行软件的开发。

2.2算法实现流程

根据软件功能，算法实现流程分为断面自动选择与端点坐标读取、断面编号与断面匹配、标准化输出三大模块。

2.2.1流场断面选择与坐标提取

通过对Auto CAD专用dwg文件格式的分析，最终确定利用Object ARX技术获取断面的端点坐标存储方式与断面的实体类型。首先根据线性与图层自动选择断面线段，然后对手工读取断面坐标的方式进行分析，提取出断面端点坐标。将上述算法编写软件实现以后，与多人多次手工读取的坐标值进行对比测试，给出定量测试结果。

2.2.2断面编号与断面匹配

在Auto CAD数据中，断面与断面编号分别是多段线实体和文字实体，并没有内在明确的联系。通过对断面的位置以及断面编号的位置进行研究分析，结合计算机图形学、地理信息系统数据分析两者位置关系的模式，并通过机器学习方法归纳总结出一种断面与编号间位置关系模式，并将获得的特殊模式设计成符合流场观测断面与编号匹配的算法：以断面线段两端为中心，150m为半径找匹配断面号。

2.2.3标准化输出方法

CAD中存储的数据格式是一种特定的专用格式，通过软件自带的数据读取函数无法将无用数据剔除，通过对流场测量的输出格式进行研究，将获取到匹配的断面坐标和断面编号按照指定格式进行输出到“E：＼DMH＼Testl”中。

2.3流场断面批量提取软件使用

软件编码完成，调试成功，实现断面批量提取，并按指定格式进行标准化输出。

2.3.1使用软件准备工作

本软件包含两个文件，一个是“arx”文件，另一个是含有Excel表格的“DMH”文件夹，其中“SCgetDMZB”放入CAD根目录下，“DMH”放入E盘根目录下。

打开流场测量的断面布设图，输入命令“APPLOAD”，选择“SCgetDMZB”（可加入启动组），加载。

2.3.2软件使用流程及成果

以2015年8月城陵矶-阳逻大桥测段的流场数据为例，进行数据使用说明：

加载完成后在命令栏输入“mytest”，按下回车键，结果显示。

打开“DMH”文件夹中的“Testl”Excel表格，最终按照后处理过程中需导人的断面坐标格式输出成果显示。

3.流场断面批量提取技术应用及展望

通过流场观测断面批量提取技术研发，实现了千条断面一键在五分钟内提取，并邀请第三方软件测试公司对使用本技术提取的数据有效性和准确性进行了测试，本软件测试数据真实有效并且数据准确性在96%以上。本技术已经在长江航道测量中心第三测绘处推广应用，大大提高了流场数据处理效率和质量，节约了劳动成本和时间成本，有力的保障长江电子航道图流场要是模块的实现及快速更新的需要。

随着我国内河航道的不断发展，航道等级的不断提升、航行船舶吨位的增大、船舶数量的不断增加，船舶航行的安全保障和经济价值将逐渐提高。本项目的研究成果不仅为整个长江航道实现现代化提供重要支撑，而且在水文表层流场观测领域也具有推广意义。

总之，本项目的研究成果具有创新性和普遍适用性，可融合多种技术再次创新研究，具有广阔的应用价值和推广前景。