基于CAD平台的遥测水位精简方法探讨

王桂花

一、前言

近年来，随着国家防汛指挥系统、中小型水库除险加固、中小河流水文监测系统等一批工程建设的相继实施，各类水位自动监测设备得到广泛应用，水文办公自动化的进程也在不断加快，同时，传统的纸介质的水位采集方式被大量的数字水位数据所代替。目前山东省使用的各类遥测终端机水位采集时间间隔基本设置为6min，一天有240组水位数据，一年有近9万组数据。大量的水位数据不能直接用于资料整编及水文年鉴刊印汇编，因此，做好遥测水位的精简摘录，以最少的水位数据准确反映水位涨落变化过程，已经成为当前水文整编工作中的重要课题。

二、研究现状

为进行遥测水位数据的精简摘录，笔者对以下几种方法进行学习研究：①采用“曲线矢量压缩的Douglas-Peucker算法”，对其进行改进并应用于水位过程线的精简摘录；②采用“折线逼近法”，对水文遥测数据进行精简处理；③采用“水位摘录数学模型法”，建立以时间为横坐标、水位为纵坐标的直角坐标系，计算相邻的已摘录水位之间的水位数据点到已摘录数据点连线的最大垂直距离水位差，水位差超过允许值摘录，否则视为一条直线。

以上算法在水位变化平稳、无波浪等影响的情况，获得了较好的应用。现实中，受各种因素影响，各测站采集的水位呈现不同特点：有受波浪影响，呈锯齿形的；有受船闸过船影响，水位高低起伏变化剧烈的；有受闸门变动影响，水位突变的；还有受超短波波段及其他因素影响的错误水位数据。因此，应用前需对错误的水位进行修正，对波形水位进行滤波处理，滤波方法可采用平滑滤波法和最小二乘法滤波，滤波后的水位过程与原始水位过程会产生一定的偏离误差。

采用以上算法计算时，均需设定允许限差，计算过程中存在误差的累积，而且由于程序在后台运行，对错误的水位数据不容易发现，对闸坝站，要求闸上、下游时间同步的，亦没有较好的解决办法，插值会增加近一倍的冗余数据。

由于现有算法还未能很好地解决水位摘录中的问题，为此，本文提出利用CAD软件平台强大的绘图功能，借助VBA和AutoLISP对CAD进行二次开发实现遥测水位精简摘录，即可对现有算法摘录成果进行检查修改，亦可抛开现有算法而独立实施。

三、基于CAD平台的水位摘录方法

1.水位摘录原则

水位摘录应控制水位转折变化点，反应水位完整变化过程，必须摘录8时水位、测流水位、测沙水位和一日峰、谷水位，在满足计算日平均水位要求基础上，尽可能减少水位摘录数据量，满足成果刊印要求。遥测水位起伏变化的，应通过水位点群中心摘录。

2.技术路线

①以时间t为横坐标,水位Z为纵坐标，在CAD中绘制水位过程线底图（厘米格图）；②编写计算机程序，读取采集的遥测水位数据，在CAD中绘制遥测水位过程线；③如果已进行精简摘录，可读取Douglas-Peucker算法、折线逼近法或水位摘录数学模型法摘录的水位数据，在CAD中绘制相应水位过程线，对其进行编辑、修改及合理性检查；④如果未进行精简摘录，先采用VBA程序在CAD中绘制必须摘录的特征时间对应的过程，然后利用 CAD 的[对象捕捉]、[缩放]等功能，人工绘制通过遥测水位过程线中心的多段线，作为精简的水位过程线；⑤提取精简的水位过程线的顶点坐标，并将顶点坐标转化为精简摘录的水位。

3.技术方案

（1）绘制水位过程线

目前，采集的遥测水位存储方式为Access数据库，在CAD中绘制遥测水位过程线采用VB程序完成，读取Access数据库中的遥测水位数据，将时间转为CAD横坐标，将水位转为CAD纵坐标，进而在CAD中绘制过程线。

（2）提取多段线顶点坐标

利用CAD的“对象捕捉”、“缩放”等功能，绘制通过遥测水位过程线中心的多段线，作为精简的水位过程线，提取其顶点坐标存储在文本文件中，采用AutoLISP语句完成。顶点坐标文件再利用VB程序转化为整编数据格式，用于资料整编。

4.技术优点

①通用性强，此方法可以用于各类水位过程精简，对水位平稳变化、剧烈波动、水位突变等都有较好的适用性；对其他方法摘录成果、监测的错误水位和局部缺测的水位过程，方便进行合理性分析、修正；②操作简单，只需要执行简单的CAD绘图操作，即可实现水位摘录；③整点摘录，利用CAD“对象捕捉”功能，可尽可能将水位摘录节点控制在整点；④摘录节点少，可以以最少的水位节点准确反映水位变化过程；对闸坝站，上下游2组水位的，亦可通过CAD“正交”功能，以较少摘录节点进行时间同步处理；⑤成果精度高，摘录的水位过程能够和原始水位过程完全吻合，时间、水位均无偏离；⑥摘录和测验可同步进行，随测随整，不受时间限制，有利于“四随”工作开展。

四、应用实例

1.过程线绘制

以山东省台儿庄闸水文站为例，选取近期有代表性的时段2013年7月20日～8月1日闸上游遥测水位进行精简摘录。由水位过程线可以看出，台儿庄闸站水位受船闸过船影响，水位波动频繁，波动幅度最高达30cm；受闸门变动影响，水位存在突变；造成传统水位精简计算方法滤波困难，偏离误差大。因此摘录时，不采用其他精简摘录成果进行修正，直接进行人工绘图，通过遥测水位过程线中心在CAD中绘制多段线，将其顶点坐标转化为精简摘录的成果水位。

绘图中，充分利用CAD“对象捕捉”和图形“缩放”功能，可最大限度地将摘录水位控制在整点，同时合理参照多段线绘制中的托引线，控制水位变化趋势，切实保证以最少数据个数控制水位转折变化点，满足水位摘录和成果刊印要求。台儿庄闸站水位过程线及摘录成果见图1。

图1 台儿庄闸（闸上游）站2013年7月20日～8月1日水位过程线图

2.成果精度

原始水位和精简后的水位分别计算日平均水位（见表1）。对比分析显示，2013年7月20日～8月1日时段内精简后的水位摘录点49个，比实测点2513个减少2464个，摘录点仅占实测点总数的1.9%，日平均水位最大误差1cm，成果均满足《水文资料整编规范》日平均水位最大误差2cm的要求，精简后的水位能够很好地反应实际水位变化过程。摘录时段内既有受船闸影响的波形水位，亦有闸门变动引起的水位突变，水位过程具有较好的代表性。因此，基于CAD平台的遥测水位摘录方法适用性强、成果精度可靠。

表1 日平均水位对比成果表（2013年7月20日～8月1日）

五、结语

基于CAD平台遥测水位精简摘录方法，充分利用CAD软件强大的绘图功能，利用VBA和AutoLISP对CAD的二次开发技巧，采用人机交互的方式，实现遥测水位手工、自动一体化摘录，且摘录方法通用性强、操作简单、成果精度高、摘录水位控制点据少，满足水位资料整编和成果刊印要求；该方法还可扩展应用于绘制水位～流量、大断面等各类关系线、过程线，具有较好的推广利用价值■