鄭薇薇　張鵬飛　黃芃

摘 要：水路運輸是我國綜合運輸體系的重要組成部分，而航道是其中一種重要的交通基礎設施，也是水路運輸的根本。為確保船舶在航道上能安全航行，就要求航道應具備足夠的深度和底寬。繪制航道斷面圖能直觀地展示航道水下地形河床形狀，通過對航道斷面圖的分析，可了解航道河床變化的情況，及時掌握航道概況，為航道疏浚整治工作提供科學的參考依據。本文介紹生成航道斷面圖的原理，并詳細闡述以多波束掃測數據作為源數據，使用江蘇省航道普查數據采集系統(tǒng)繪制生成航道斷面圖的方法。

關鍵詞：航道;斷面圖;水下地形;多波束掃測;加權平均法

0 引言

使用江蘇省航道普查數據采集系統(tǒng)（以下稱為采集系統(tǒng)）繪制生成航道斷面圖，需要繪制錄入典型斷面對象，系統(tǒng)通過讀取錄入的屬性數據，包括航道底寬、面寬、測量水深值等自動生成航道斷面圖。測量水深值可通過兩種方式錄入，第一種是針對多波束測深儀掃測得到的數據量龐大的水深數據，可通過導入的方式錄入，系統(tǒng)運用加權平均算法，計算典型斷面線上的水深值，從而生成出航道斷面圖;另一種是針對測量單個固定斷面得到的水深數據，可直接通過手動錄入。

1 斷面圖生成方法

1.1 利用多波束掃測的水深數據

多波束掃測的數據存在數據量龐大，直接處理成圖困難等問題，所以在導入普查系統(tǒng)之前，首先需要通過Teledyne PDS軟件對原始數據（點云數據）進行預處理，其處理步驟包括數據質量檢查、抽稀、去噪。在完成處理后的數據中，將平面坐標和高程數據按照導入模板格式加以編輯后導入江蘇省航道普查數據采集系統(tǒng)中。導入的數據根據坐標位置在系統(tǒng)地圖加載顯示，利用編輯功能在水深點的覆蓋區(qū)域標繪錄入典型斷面對象并錄入必要屬性，系統(tǒng)根據內置規(guī)則自動計算水深數據，實現斷面圖的生成。

1.1.1 原理

將Teledyne PDS軟件處理后的數據一次性導入航道普查數據采集系統(tǒng)的數據庫中以等深點的形式存儲，系統(tǒng)即可提供后續(xù)在數據覆蓋區(qū)域標繪典型斷面對象，并由用戶錄入相關的屬性數據，系統(tǒng)使用距離加權平均算法完成取值點的水深值計算后，根據斷面圖的繪制規(guī)則進而自動生成斷面圖。

1.1.2 水深值取值算法

生成斷面圖，必須確定實測斷面線上的水深值。且需要保證獲取的水深值數據具有科學性，故在航道普查數據采集系統(tǒng)中使用的取值方法為距離加權平均法，該方法既可保證數據的科學性，其計算方法也相對簡單。

從典型斷面線段圖形上的某一端點開始，起點作為第一個取值點，以一個測量水深點間距為單位取下一個點，直至線段結束。以每個取值點為圓心，以“測量水深點間隔”為半徑，將在此取值點構建的圓圈內的值作為距離加權平均法計算對象，用以下公式計算出取值點對應的水深值。

式中：為在取值點范圍某一個測量點的水深值;為測量點到取值點的平面直線距離;為在典型斷面線段上的取值點總數。

1.2 利用手動錄入或導入的水深數據

對于只能取得固定典型斷面坐標和水深值數據的情況，可以在航道普查數據采集系統(tǒng)標繪典型斷面對象時，手動錄入或導入水深值數據。

首先在航道普查數據采集系統(tǒng)根據典型斷面的坐標繪制生成圖形，將固定典型斷面的每一個測量點的水深值通過手動錄入或將獲取到的相關數據填寫到系統(tǒng)提供的典型斷面數據模板后以文本導入的方式上傳江蘇省航道普查數據采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)將利用測量點的水深值并根據斷面圖的繪制規(guī)則即可自動繪制生成斷面圖。

1.3 斷面圖設計

在航道整治中，斷面的設計需要能將航道在常態(tài)下的沖刷情況和輸沙強度反映出來[1]。所以斷面圖的設計是需要能夠反映以上的內容，能使后續(xù)的航道設計中，設計人員能充分獲取到影響航道斷面的信息。斷面圖的生成需要考慮到最低和最高通航水位，航道的面寬和底寬，邊坡系數等因素。江蘇航道普查采集系統(tǒng)的斷面生成是根據在系統(tǒng)上繪制的典型斷面線段橫切到的等深點，利用等深點的水深值生成斷面圖。故系統(tǒng)斷面圖由圖名、生成時間、斷面圖中點坐標，航道中心線、實測斷面線和標準斷面線、橫軸刻度尺、縱軸高程尺和圖例組成。

航道中心線作為斷面圖橫軸的零點，零點左側為負，零點右側為正，刻度值由系統(tǒng)依據數據量確定。縱軸高程尺根據最高和最低的水深值來確定尺度，刻度值由系統(tǒng)依據數據量確定。實測斷面線即是河底斷面線，系統(tǒng)根據斷面圖生成方法繪制生成的斷面線。航道中心線與斷面線相交的位置是根據典型斷面對象圖形與航道對象圖形相交的位置確定。標準斷面線是利用處理后的多波束數據或手動輸入的水深值數據生成，與此同時，還需確定標準斷面線底部的縱坐標位置、標準斷面線邊坡線頂點距離底部的高度、底部長度和邊坡線橫坐標位置、設計最低通航水位、水深值、現狀底寬、現狀面寬、邊坡系數才能在斷面圖中完整的繪制。

標準斷面線底部的縱坐標位置，需要根據采集用戶提供的設計最低通航水位來確定，標準斷面線底部的縱坐標高程值計算公式如下：

式中：為標準斷面線底部的縱坐標高程值，為設計最低通航水位，為水深值。

標準斷面線底部長度是根據現狀底寬，標準斷面線底部的橫軸長度計算公式如下：

式中：L為標準斷面線底部的橫軸長度，為現狀底寬。

標準斷面線底部線段在斷面圖上的繪制方法是以航道中心線為起點，左側繪制長度與右側繪制長度各取現狀底寬值的1/2，計算公式如下：

式中：為左側繪制長度;為右側繪制長度;為現狀底寬。

標準斷面線邊坡線頂點距離底部的高度還需考慮到邊坡系數、現狀面寬、現狀底寬三個屬性信息，計算公式如下所示：

式中：h為標準斷面線邊坡線頂點距離底部的高度;m為邊坡系數;為現狀面寬，為現狀底寬。

標準斷面線邊坡線兩頂點跨徑是以航道中心線為起點，向兩側延伸的距離為現狀面寬一半的距離，其計算公式如下：

式中：x為標準斷面線邊坡線兩頂點跨徑;為現狀面寬。

根據公式（5）和公式（6）可確定標準斷面線邊坡線的兩個頂點位置，將邊坡線頂點與底部端點做連線即可完成標準斷面線的繪制。

2 結語

在江蘇省航道普查數據采集系統(tǒng)中探索實現航道斷面圖的自動繪制生成，一方面解決了人工繪制所需要花費的時間成本，提高了效率，另一方面保障了生成斷面圖數據的準確性。可用于后續(xù)的航道建設、航運疏通等一系列相關工作。采集系統(tǒng)的研究成果不僅為整個江蘇省內河航道的后續(xù)建設提供了一定的技術支撐，對于其他航道的建設和航道水下地形監(jiān)控也具有重大意義。

綜上所述，本采集系統(tǒng)的航道斷面圖生成方法具有適普性，生成的成果數據真實有效，對于其他內河航道的斷面圖生成具有借鑒意義，極具推廣性。

參考文獻：

[1]韓冬艷.港口航道整治線及斷面設計研究[J].中國水運（下半月），2020，20（7）：77-78.