水深测量中的水位改算程序开发
杨欣程+杨松
摘 要：水深测量的工程项目中，水位改算是必不可少和至关重要的环节。文章针对不同测量区域，在设置不同个数的水位站情况下，从单水位站、双水位站、三水位站、多水位站水位改算等方法，进行了数据结构设计及软件开发。通过实例应用可提高水深测量数据的处理效率。
关键词：水深测量；水位改算；程序设计
中图分类号：U612 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）06-0032-02
水深测量的水位改算，计算方法繁琐，工作量大，费时费力。为提高水深测量数据处理的自动化程度，减少测绘人员内业工作量，本文结合实际生产进行了软件的开发，针对水位改算中的不同个数的水位站的改算方法进行了探讨，并编制出相应软件，使之能适应各种复杂的测区水位控制情况。
1 水位改算原理与方法
在河口海湾、河道水下地形测量中，河底高程是根据回声测深仪测得的实测水深与相应的水位求得的：
公式中，G为河底高程；Z为某一基面以上的水位；H为测点施测时的水深。
因此，测点高程的精度取决于该点水位与实测水深的精度。若所用定位与测深设备精度较高，则河底高程G的精度就主要决定于测点水位的精度。
在宽度不大的潮汐河道中，两相邻站之间的水位可按距离线性内插求得。河口和海湾水域的宽度通常较大，水位不仅有纵向变化，可能还有明显的横向变化，在计算测点水位时，必须考虑水位的这种横向变化。
计算施测点在施测时刻t下，参与计算的水位站t时刻下的水位。根据时间进行插补计算t时刻下，单个水位站的水位。单个水位站所测水位是某一个时间序列下的水位变化：
给定t时刻，在上述时间序列判断t时刻位于tk、tk+1之间或者t时刻与tk时刻相等。再根据时间差值进行内插，求得t时刻下单个水位站的水位。
1.1 双站水位改算
对于横比降较小的河段，可采用线性插补进行水位改算。
由图1中的A1、A2（两个水位站）和P点（水下测点）坐标，可求得P点A1A2直线的垂点A3的坐标，然后在直线A1A2上按照距离内插得到A3的水位：
式中，SA1A3为A1与A3之间的距离；SA1A2为A1与A2之间的距离。
1.2 三水位站改算
对于三水位站改算的方法，如果考虑横比降时可以采用二步内插法或者三角形单元面积加权法进行水位改算。判断实测P点在三个水位站构成三角形A1A2A3的内部还是外部，如果在外部，可选取河岸同侧的两个水位站参与计算，按照双水位站的计算方法，如果在内部，可按照三水位站方法进行计算，如下：
（1）二步内插法计算P点的水位：
A1、A2、A3代表三个水位站，对应的某时刻水位分别为Z1、Z2、Z3。如果P点位于三角形A1A2A3内，则对于P点的水位Zp计算如下：
第一步：根据A2与A3某时刻的水位利用距离内插计算出A1P与A2A3交点A4点该时刻下的瞬时水位。
第二步：根据A1与A4该时刻下水位利用距离内插计算P点该时刻下的瞬时水位。
（2）三角形单元面积加权法计算P点的水位：
A1、A2、A3代表三个水位站，对应的某时刻水位分别为Z1、Z2、Z3。如果P点位于三角形A1A2A3内，则对于P点的水位Zp可以按照三角形面积加权法计算：
1.3 多水位站改算
例如在湖泊地区可采用距离加权法进行水位改算，湖面广阔横比降情况不易掌握，此时的水位改算可采用距离加权法。
设A1、A2、A3、A4四个水位站某时刻水位分别为Z1、Z2、Z3、Z4，则P点的水位可由P点至四个已知水位点距离的倒数加权求得，设P点至上述四点的距离分别为SA1、SA2、SA3、SA4，则P点的水位为：
由上述四個水位站计算施测点瞬时水位，进而可推出N（N>=4）个水位站计算P点瞬时水位的方法。
2 水位改算程序数据结构设计
根据水位改算算法，设计水位改算程序输入、输出文件类型及格式。本次程序开发主要以autocad dwg格式为底图，底图所包含数据应有河道中心线、临时水位站位置点、水深测量测点数据。
此文件为软件的输出文件，存在的意义在于方便各级审查，因此所包含的信息要尽可能的齐全，包括的字段为测点点名、施测日期、施测时间、北坐标、东坐标、测时水深、测时水位、河底高程、备注。各字段间采用tab或者逗号分隔。
3 程序开发及应用
本程序以.NET为平台，采用C#语言操作ActiveX_automation CAD进行开发，程序设计主界面如图6所示：
程序可导入不同仪器的原始测点文件，进行中间格式转换为计算需要的水下测点文件中间格式。程序设计不同个数水位站进行水位推算的方法，在CAD图中选择河道中心线获取中心线的坐标信息，同时选择水位站点可获取水位站的位置坐标信息，选择对应水位站的水位数据文件。此程序可将数据与图形结合，如图7所示，可在CAD图中选择计算的水位站数据和河道中心线。
4 总结
本程序在长江河段、湖泊水深测量工程中，得到了实际应用，经过软件自动处理的水位数据与人工进行断面改算所得的水位进行比较，水深差值均在水深测量精度0.1米以下，具有较高水位处理精度，能够满足水深测量的相关规范要求。
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