基于江苏省航道普查数据采集系统生成 断面图方法的探索

郑薇薇　张鹏飞　黄芃

摘 要：水路运输是我国综合运输体系的重要组成部分，而航道是其中一种重要的交通基础设施，也是水路运输的根本。为确保船舶在航道上能安全航行，就要求航道应具备足够的深度和底宽。绘制航道断面图能直观地展示航道水下地形河床形状，通过对航道断面图的分析，可了解航道河床变化的情况，及时掌握航道概况，为航道疏浚整治工作提供科学的参考依据。本文介绍生成航道断面图的原理，并详细阐述以多波束扫测数据作为源数据，使用江苏省航道普查数据采集系统绘制生成航道断面图的方法。

关键词：航道;断面图;水下地形;多波束扫测;加权平均法

0 引言

使用江苏省航道普查数据采集系统（以下称为采集系统）绘制生成航道断面图，需要绘制录入典型断面对象，系统通过读取录入的属性数据，包括航道底宽、面宽、测量水深值等自动生成航道断面图。测量水深值可通过两种方式录入，第一种是针对多波束测深仪扫测得到的数据量庞大的水深数据，可通过导入的方式录入，系统运用加权平均算法，计算典型断面线上的水深值，从而生成出航道断面图;另一种是针对测量单个固定断面得到的水深数据，可直接通过手动录入。

1 断面图生成方法

1.1 利用多波束扫测的水深数据

多波束扫测的数据存在数据量庞大，直接处理成图困难等问题，所以在导入普查系统之前，首先需要通过Teledyne PDS软件对原始数据（点云数据）进行预处理，其处理步骤包括数据质量检查、抽稀、去噪。在完成处理后的数据中，将平面坐标和高程数据按照导入模板格式加以编辑后导入江苏省航道普查数据采集系统中。导入的数据根据坐标位置在系统地图加载显示，利用编辑功能在水深点的覆盖区域标绘录入典型断面对象并录入必要属性，系统根据内置规则自动计算水深数据，实现断面图的生成。

1.1.1 原理

将Teledyne PDS软件处理后的数据一次性导入航道普查数据采集系统的数据库中以等深点的形式存储，系统即可提供后续在数据覆盖区域标绘典型断面对象，并由用户录入相关的属性数据，系统使用距离加权平均算法完成取值点的水深值计算后，根据断面图的绘制规则进而自动生成断面图。

1.1.2 水深值取值算法

生成断面图，必须确定实测断面线上的水深值。且需要保证获取的水深值数据具有科学性，故在航道普查数据采集系统中使用的取值方法为距离加权平均法，该方法既可保证数据的科学性，其计算方法也相对简单。

从典型断面线段图形上的某一端点开始，起点作为第一个取值点，以一个测量水深点间距为单位取下一个点，直至线段结束。以每个取值点为圆心，以“测量水深点间隔”为半径，将在此取值点构建的圆圈内的值作为距离加权平均法计算对象，用以下公式计算出取值点对应的水深值。

式中：为在取值点范围某一个测量点的水深值;为测量点到取值点的平面直线距离;为在典型断面线段上的取值点总数。

1.2 利用手动录入或导入的水深数据

对于只能取得固定典型断面坐标和水深值数据的情况，可以在航道普查数据采集系统标绘典型断面对象时，手动录入或导入水深值数据。

首先在航道普查数据采集系统根据典型断面的坐标绘制生成图形，将固定典型断面的每一个测量点的水深值通过手动录入或将获取到的相关数据填写到系统提供的典型断面数据模板后以文本导入的方式上传江苏省航道普查数据采集系统中，系统将利用测量点的水深值并根据断面图的绘制规则即可自动绘制生成断面图。

1.3 断面图设计

在航道整治中，断面的设计需要能将航道在常态下的冲刷情况和输沙强度反映出来[1]。所以断面图的设计是需要能够反映以上的内容，能使后续的航道设计中，设计人员能充分获取到影响航道断面的信息。断面图的生成需要考虑到最低和最高通航水位，航道的面宽和底宽，边坡系数等因素。江苏航道普查采集系统的断面生成是根据在系统上绘制的典型断面线段横切到的等深点，利用等深点的水深值生成断面图。故系统断面图由图名、生成时间、断面图中点坐标，航道中心线、实测断面线和标准断面线、横轴刻度尺、纵轴高程尺和图例组成。

航道中心线作为断面图横轴的零点，零点左侧为负，零点右侧为正，刻度值由系统依据数据量确定。纵轴高程尺根据最高和最低的水深值来确定尺度，刻度值由系统依据数据量确定。实测断面线即是河底断面线，系统根据断面图生成方法绘制生成的断面线。航道中心线与断面线相交的位置是根据典型断面对象图形与航道对象图形相交的位置确定。标准断面线是利用处理后的多波束数据或手动输入的水深值数据生成，与此同时，还需确定标准断面线底部的纵坐标位置、标准断面线边坡线顶点距离底部的高度、底部长度和边坡线横坐标位置、设计最低通航水位、水深值、现状底宽、现状面宽、边坡系数才能在断面图中完整的绘制。

标准断面线底部的纵坐标位置，需要根据采集用户提供的设计最低通航水位来确定，标准断面线底部的纵坐标高程值计算公式如下：

式中：为标准断面线底部的纵坐标高程值，为设计最低通航水位，为水深值。

标准断面线底部长度是根据现状底宽，标准断面线底部的横轴长度计算公式如下：

式中：L为标准断面线底部的横轴长度，为现状底宽。

标准断面线底部线段在断面图上的绘制方法是以航道中心线为起点，左侧绘制长度与右侧绘制长度各取现状底宽值的1/2，计算公式如下：

式中：为左侧绘制长度;为右侧绘制长度;为现状底宽。

标准断面线边坡线顶点距离底部的高度還需考虑到边坡系数、现状面宽、现状底宽三个属性信息，计算公式如下所示：

式中：h为标准断面线边坡线顶点距离底部的高度;m为边坡系数;为现状面宽，为现状底宽。

标准断面线边坡线两顶点跨径是以航道中心线为起点，向两侧延伸的距离为现状面宽一半的距离，其计算公式如下：

式中：x为标准断面线边坡线两顶点跨径;为现状面宽。

根据公式（5）和公式（6）可确定标准断面线边坡线的两个顶点位置，将边坡线顶点与底部端点做连线即可完成标准断面线的绘制。

2 结语

在江苏省航道普查数据采集系统中探索实现航道断面图的自动绘制生成，一方面解决了人工绘制所需要花费的时间成本，提高了效率，另一方面保障了生成断面图数据的准确性。可用于后续的航道建设、航运疏通等一系列相关工作。采集系统的研究成果不仅为整个江苏省内河航道的后续建设提供了一定的技术支撑，对于其他航道的建设和航道水下地形监控也具有重大意义。

综上所述，本采集系统的航道断面图生成方法具有适普性，生成的成果数据真实有效，对于其他内河航道的断面图生成具有借鉴意义，极具推广性。

参考文献：

[1]韩冬艳.港口航道整治线及断面设计研究[J].中国水运（下半月），2020，20（7）：77-78.