水位資料整編信息化數(shù)據(jù)預(yù)處理算法研究及應(yīng)用

徐國紅1 黃俊2 余衛(wèi)國3 張畢元4

1、湖北省黃石市水文水資源勘測局 湖北黃石 435000；

2、武漢市水文水資源勘測局 湖北武漢 430070；

3、荊州市水文水資源勘測局 湖北荊州 434000；

4、咸寧市水文水資源勘測局 湖北咸寧 437000

摘要：水位信息化數(shù)據(jù)采用5分鐘的采樣間隔，在數(shù)學(xué)中屬于離散量，用其模擬水位變化過程這一連續(xù)量。水位資料整編要將水位數(shù)據(jù)進行整編，推算出逐日平均水位，但是對目前的主流整編程序來說，單站每年水位信息化超過10萬組的數(shù)據(jù)量仍過于龐大。因此，對水位數(shù)據(jù)進行處理，使其既能滿足資料整編的要求，又能反映該站水情變化的特性。水位信息化數(shù)據(jù)的處理是為了適應(yīng)信息化發(fā)展對水文資料整編的需要，研究當(dāng)前已有處理系統(tǒng)情況，分析水位信息化數(shù)據(jù)的特點，在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計了水位數(shù)據(jù)處理的三種基本算法，基于此算法開發(fā)出具有人機交互功能的處理系統(tǒng)軟件，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：水位信息化；數(shù)據(jù)處理；算法；滑動平均精簡；K值遞推精簡；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

1 引言

水文數(shù)據(jù)是國家基礎(chǔ)性公益科學(xué)數(shù)據(jù)資源的重要組成部分，是國民經(jīng)濟建設(shè)、防汛抗旱減災(zāi)、水資源可持續(xù)利用與管理、水環(huán)境與水生態(tài)保護等領(lǐng)域的科研、規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。水文資料是研究江河、河口、海灣水流運動運動規(guī)律的基礎(chǔ)資料，對某一水域進行綜合規(guī)劃研究、需要系統(tǒng)地整理、分析這些資料，以便對所研究的區(qū)域有整體、深入、形象的認(rèn)識和了解。水文信息是整個水利信息中數(shù)字化程度最高的信息。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對水文信息的采集、加工處理、決策與信息服務(wù)的方式都產(chǎn)生重要影響和變革。計算機技術(shù)滲透到水利行業(yè)，為實現(xiàn)從傳統(tǒng)水文向現(xiàn)代水文的轉(zhuǎn)變提供了有效途徑。

水文資料整編系統(tǒng)是建立在滿足GIS設(shè)計要求的水文信息數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，實現(xiàn)水文信息的采集、存儲、分析、查詢、管理、輸出，為水文分析管理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，同時也為其他有關(guān)部門決策、生產(chǎn)及研究提供可靠依據(jù)。

水位資料是水文資料中最基礎(chǔ)最重要的組成部分，水位資料整編成果是《水文年鑒》刊印最基礎(chǔ)最重要的資料項目之一。

當(dāng)前信息化水位資料采樣間隔均為5分鐘，一個觀測斷面全年完整的水位數(shù)據(jù)為105120組，一個市級水文機構(gòu)多個水位觀測站的信息化水位數(shù)據(jù)量十分龐大，對于省級來說更是天文數(shù)字。目前，水文資料整編系統(tǒng)并不能處理如此大量的水位數(shù)據(jù)。

因此，將大量水位信息化數(shù)據(jù)縮減并能準(zhǔn)確反映水位變化過程，滿足推求逐日平均水位的要求，應(yīng)用于資料整編需要一個接口，探討水位資料整編中水位信息化數(shù)據(jù)處理算法及應(yīng)用問題由此產(chǎn)生。

在信息化發(fā)展的初期，針對數(shù)據(jù)的處理也產(chǎn)生了一部分處理軟件，根據(jù)對其的研究，發(fā)現(xiàn)普遍存在以下幾個方面的問題：

（1）算法單一，無法完全適用于各類測站的水位特性，對波浪影響的站點的數(shù)據(jù)處理結(jié)果存在較為嚴(yán)重的鋸齒現(xiàn)象。

（2）算法不合理，為了數(shù)據(jù)量滿足整編要求，對水位變化過程的控制較粗糙，導(dǎo)致日平均水位的推算超過規(guī)范允許誤差。

（3）處理方式封閉，用戶無法通過交互功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的可視化，對處理的結(jié)果心中沒數(shù)，需要通過第三方軟件進行查驗。

（4）不能在信息化數(shù)據(jù)和整編程序之間進行無縫銜接，需要人工干預(yù)的地方過多，不能有效起到銜接功能。

（5）對數(shù)據(jù)源的要求過于苛刻，在開展數(shù)據(jù)處理之前，用戶需要進行大量的人工處理工作，導(dǎo)致一些可能的人為錯誤發(fā)生。

2 基本算法及原理

2.1波浪處理

《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》4.10.2規(guī)定，為了消除和控制誤差，對波浪的觀測應(yīng)取峰頂峰谷的平均值。可知，水位的瞬時觀測值與真值存在波浪影響誤差，由水位的連續(xù)性可知，某一時刻的水位與上一時段和下一時段有著密切的聯(lián)系。因此，某一時刻的水位真值可以表示為以下方程：

（1）

——時刻的水位真值，m；

——時刻的瞬時水位，m；

——時刻的瞬時水位的權(quán)重

在實際5分鐘的采樣間隔中，采用n=2，即i時刻的水位與前后各10分鐘共20分鐘的水位數(shù)據(jù)相關(guān)，i-2、i-1、i、i+1、i+2時刻的水位權(quán)重分別設(shè)置1、2、4、2、1，則公式可簡化為。

（2）

波浪處理在數(shù)據(jù)處理中十分必要，其目的相當(dāng)于通過點群中心模擬水位過程線，對波浪進行過濾。通過公式中參數(shù)的調(diào)整，可以試算出最佳濾波參數(shù)，進而應(yīng)用于受測站特性影響的不同的波浪。波浪處理只是對測站的波浪幅度進行了縮小，將波浪對水位真值的影響降低，為數(shù)據(jù)精簡提供準(zhǔn)備，濾波后的數(shù)據(jù)在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行平滑，符合水位變化的連續(xù)性原理。

2.2數(shù)據(jù)精簡

波浪處理并不能精簡數(shù)據(jù)，仍不能解決數(shù)據(jù)量偏大的問題。對數(shù)據(jù)的精簡處理應(yīng)符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》4.1.3的規(guī)定：“水位的觀測應(yīng)能測到完整的水位變化過程，滿足日平均水位的計算，各項特征值的統(tǒng)計、水文資料整編和水情拍報的要求。在峰頂、峰谷、水位過程轉(zhuǎn)折處應(yīng)布設(shè)測次…。”

2.2.1滑動平均精簡

滑動平均的基本原理仍是采用水位的連續(xù)性原理，假定5分鐘采樣間隔為定值。如圖1：

圖1滑動平均精簡算法示意圖

（3）

（4）

——時刻計算的水位平均值，m；

——-1時刻波浪處理后的水位真值，m

——時刻水位真值與計算的水位平均值誤差的絕對值，m

實際應(yīng)用中，給定的閾值，超過此閾值的將保留，不超過此閾值范圍的水位點據(jù)將過濾。滑動平均算法雖然能起到過濾多余的水位點據(jù)，但當(dāng)設(shè)置的閾值偏大時，會將水位變化過程的峰頂、峰谷也進行了精簡，這不符合相關(guān)規(guī)定；當(dāng)設(shè)置的閾值偏小時，能控制水位變化過程的峰頂和峰谷，但在實際應(yīng)用中，點據(jù)仍然較為密集，控制在整編程序能接受的數(shù)據(jù)量范圍仍十分困難。

圖2 K值遞推精簡算法示意圖

2.2.2 K值遞推精簡

設(shè)K為兩點之間連線的斜率，其計算表達式：

（5）

將以上公式進行變換得：

（6）

采用K值和下一時間點代入公式（6），推算的水位與真值差值為，則有：

= （7）

根據(jù)圖2所示，將與點根據(jù)（5）公式計算出K值，并作為K值初始值；然后根據(jù)（6）公式推算出，給出誤差閾值，如0.02m，當(dāng)推算值與真值在此范圍內(nèi)時，則可舍棄，繼續(xù)根據(jù)n公式計算，當(dāng)誤差超過閾值時，則認(rèn)為不可舍棄，必須摘錄，重新采用與計算K值，推算T5、T6時刻的Z值，依次類推…，摘錄點據(jù)將必然包含上圖中的Z3、Z5和Z7。

通過以上算法，既可解決峰頂和峰頂?shù)穆┱獑栴}，又能完美表現(xiàn)水位的變化過程，同時數(shù)據(jù)量控制在整編程序能夠接受的合理范圍內(nèi)。

為了對以上過程的更深入理解，給出VB計算程序代碼：

i = 0 ‘計數(shù)器

j = 2 ‘計數(shù)器

‘將第一個時間賦值給T0

‘將第一個水位賦值給Z0

k0 =（Z1 –Z0）/（T1-T0）

Do Until i + j >num num為數(shù)據(jù)總數(shù)

Zj（i + j）=（T（i+j）- T0）* k0 + Z0

If Zj（i + j）-Z（i + j）<= 0.02 Then

j = j + 1

Else

k0 =（Z（i + j）– Z（i + j - 1）/（T（i + j）– T（i + j - 1））

T0 = T（i + j - 1）

Z0 = Z（i + j - 1）

‘摘錄T（i + j - 1），Z（i+ j - 1）

i = i + j

j = 1

End If

Loop

3、應(yīng)用實例展示

3.1波浪處理實例

為了驗證波浪處理效果，采用樊口（大閘下）站2013年的水位數(shù)據(jù)進行展示。樊口（大閘下）站水位觀測斷面設(shè)在距離大閘下游130m處，在其下游約1km處與長江相連，水位在大閘開閘期和長江洪水期受波浪影響顯著，波峰波谷變幅在0.05～0.40m之間。經(jīng)過波浪處理后的效果如圖3，可以明顯看到，處理的水位過程線通過點群中心，波浪幅度在0.05cm以內(nèi)。

圖3 受波浪影響的水位脈動處理后的效果

3.2平滑精簡處理實例

為了驗證平滑處理效果，采用龍港站水位數(shù)據(jù)進行展示。圖4為龍港站2013年一次洪峰的水位過程線。經(jīng)過平滑精簡處理后，全年數(shù)據(jù)量已大幅度減少到1879組，查看其它位置后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在漏摘洪峰和峰谷現(xiàn)象。

圖4龍港站水位過程滑動平均精簡效果

3.3 K值遞推精簡實例

仍然采用龍港2013年的資料為例，如龍港站2013年另一次洪峰的水位過程線，通過K值遞推精簡后的數(shù)據(jù)效果，如圖5。

圖5 K值遞推精簡處理后的效果

4、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)簡介

4.1數(shù)據(jù)源

水文信息化將大量的原始數(shù)據(jù)，通過采集、傳輸后最終存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。因此，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲的水文數(shù)據(jù)便是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。

要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，首先是獲取數(shù)據(jù)。可以通過兩種方式，一是在服務(wù)器中采用查詢系統(tǒng)，以文件存儲的方式獲得；二是通過局域網(wǎng)遠(yuǎn)程連接數(shù)據(jù)庫獲得。

4.1.1從文件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)

在某些地區(qū)水文數(shù)據(jù)庫未接入局域網(wǎng)或經(jīng)常斷網(wǎng)，要獲取數(shù)據(jù)可通過在數(shù)據(jù)庫中查詢后以文件的方式得到。因此，處理系統(tǒng)應(yīng)具有從文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)功能。

4.1.2從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入數(shù)據(jù)

信息化采集的最終數(shù)據(jù)均存儲在數(shù)據(jù)庫中，從數(shù)據(jù)庫中直接獲取數(shù)據(jù)十分便捷和高效，可以避開重復(fù)和繁瑣的人工數(shù)據(jù)下載工作。如圖6：

圖6 從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入數(shù)據(jù)

4.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)的最主要部分，將原始水位數(shù)據(jù)點繪為過程線，通過波浪處理、平滑處理和K值遞推平滑精簡算法，一步步處理成用戶滿意的數(shù)據(jù)結(jié)果。處理過程都可以數(shù)據(jù)處理界面直觀判斷，當(dāng)出現(xiàn)不滿意的效果時，可以通過調(diào)整不同的參數(shù)，直到達到理想的處理效果。

數(shù)據(jù)處理效果的好壞是由三種算法相互協(xié)調(diào)配合完成的，其中波浪處理是基礎(chǔ)。圖7是數(shù)據(jù)處理界面。

4.3數(shù)據(jù)存儲和輸出

在處理程序窗口中，處理完成的數(shù)據(jù)即時顯示在表格中，當(dāng)用戶處理的數(shù)據(jù)達到滿意的效果后，點擊保存按鈕，數(shù)據(jù)將保存在系統(tǒng)中。通過數(shù)據(jù)輸出功能，程序?qū)⑦B接本地的整編數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)傳入，打開整編程序后，可以直接進行水位整編計算。

5 結(jié)論

根據(jù)水位觀測標(biāo)準(zhǔn)和長江委《南方片資料整編程序》的要求，水位信息化數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理后方能開展整編工作。對信息化水位的處理必須遵循兩個原則，一是摘錄的水位必須控制水位變化的轉(zhuǎn)折點，能夠完整反映水位的變化過程，二是必須滿足資料整編程序?qū)?shù)據(jù)量的上限規(guī)定。

圖7 數(shù)據(jù)處理界面

通過探討水位信息化數(shù)據(jù)處理的波浪處理、數(shù)據(jù)平滑精簡處理和K值遞推精簡處理的算法，可以得出如下結(jié)論：

（1）波浪處理是進行精簡處理的基礎(chǔ)，為數(shù)據(jù)精簡提供更為接近真值的水位數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)平滑處理算法在參數(shù)閾值設(shè)置較小時，能完整地描述水位的變化過程，數(shù)據(jù)量仍然偏大，參數(shù)閾值設(shè)置較大時，存在漏摘峰頂和峰谷現(xiàn)象；要實現(xiàn)兩者均滿意的效果較為困難。

（3）K值遞推精簡處理算法更為合理，在波浪處理的基礎(chǔ)上能夠達到精簡數(shù)據(jù)和控制水位變化過程的目的。

（4）以上三種處理同時使用，處理效果更合理，效果更理想，完全能夠適應(yīng)各類水位站水位數(shù)據(jù)特性，從而達到要求。

（5）通過可視化編程，實現(xiàn)水位信息化數(shù)據(jù)從獲取、處理和輸出全過程的自動化，大量提高數(shù)據(jù)處理的效率

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》GBJ 138-90

[2]中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文資料整編規(guī)范》SL247-2012，Code for hydrologic data processing.

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斯坦福大學(xué)的Ruland教授所證實，他使用的視距為10.98m，在過度調(diào)焦25cm后，他也得出了與Woschitz博士相類似的結(jié)果。

5 使用數(shù)字水準(zhǔn)儀的若干建議

（1）機內(nèi)溫度與環(huán)境溫度平衡。數(shù)字水準(zhǔn)儀采取了高精度的自動讀數(shù)方式，與同等級的光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，其光機性度大大降低。

（2）為消除補償器的剩余誤差，應(yīng)采用正確的觀測順序。

（3）避免使用特殊視距進行水準(zhǔn)測量。

（4）保持條碼尺清潔。

（5）進行水準(zhǔn)測量時，嚴(yán)格照準(zhǔn)條碼分劃線的中心位置。

（6）正確對條碼尺調(diào)焦，使圖像傳感器接收到清晰的圖像。

（7）避免遮擋望遠(yuǎn)鏡視場內(nèi)的條碼。

（8）避免使用條碼尺底部和頂部進行測量。

（9）條碼尺應(yīng)有足夠的亮度。

（10）定期更新數(shù)據(jù)處理軟件。

（11）定期檢定儀器。

（12）精心保護條碼尺。

（13）對測量結(jié)果施加必要的改正。數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量結(jié)果Hm還需要加上測量系統(tǒng)的尺度改正R和條碼尺因瓦帶的溫度系數(shù)α改正后，才能夠獲得最后結(jié)果Hc，其改正公式為：

Hc=Hm·[1+R+α·（T-T0）]（2）

式中：Hc——改正后的水準(zhǔn)測量結(jié)果；

Hm——數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量結(jié)果；

R——數(shù)字水準(zhǔn)儀測量系統(tǒng)的尺度改正系數(shù)，應(yīng)注意與傳統(tǒng)因瓦水準(zhǔn)尺所定義的米真長改正數(shù)相區(qū)別；

α——條碼尺因瓦帶的溫度系數(shù)；

T——水準(zhǔn)測量時因瓦帶的溫度；

T0——參考溫度，T0=20℃

6 結(jié)語

綜上所述，數(shù)字水準(zhǔn)儀是利用電子工程學(xué)原理自動進行觀測，并自動記錄每一個觀測值，進行一般的平差計算的新一代儀器。為了得到精確的測量值，在使用數(shù)字水準(zhǔn)儀時需要注意某些細(xì)節(jié)。

參考文獻：

[1]梁振華；尹建濤；謝宏全.數(shù)字水準(zhǔn)儀i角的誤差檢校方法與誤差分析[J].煤礦安全.2013（07）

[2]龔真春；李偉峰；薛寵.數(shù)字水準(zhǔn)儀測量精度分析及其在工程中的應(yīng)用[J].測繪與空間.2012（02）

[3]楊璐璐；；成月佳；；王劍.數(shù)字水準(zhǔn)儀補償誤差的檢定與分析[J].江蘇省測繪學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集.2011（11）

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變化情況，一旦出現(xiàn)不利變化要及時采取措施，防范風(fēng)險，主張和維護自己的合法權(quán)益。

（三）租賃資產(chǎn)的風(fēng)險管理與控制

金融租賃是以物為載體的融資行為，租賃物購買價格虛高，出現(xiàn)質(zhì)量問題，在運輸、安裝和使用過程中造成的減損甚至滅失風(fēng)險等都會影響承租人償還租金的履約能力，對金融租賃合同的正常履行帶來不利影響，因此金融租賃公司應(yīng)當(dāng)與專業(yè)廠商建立合作關(guān)系，減少不必要的中間環(huán)節(jié)，了解市場價格行情及專業(yè)設(shè)備的選型、工藝匹配的合理性。對租賃資產(chǎn)投保運輸、盜搶等險種，在合同條款中，增加對租賃資產(chǎn)造成破壞、滅失風(fēng)險的處罰條款和保障措施，對租賃資產(chǎn)進行現(xiàn)場管理和定期現(xiàn)場檢查，避免資產(chǎn)的轉(zhuǎn)移和藏匿。

五、小結(jié)

現(xiàn)代的金融租賃是一種將推銷與融資結(jié)合起來；將融資與貿(mào)易結(jié)合起來；將策劃與開發(fā)結(jié)合起來：將投資與管理結(jié)合起來；將人才與物資結(jié)合起來：將靈活與創(chuàng)新結(jié)合起來的一種綜合性服務(wù)貿(mào)易。中國金融租賃業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了較快發(fā)展，在社會融資總量中所占比例越來越大。隨著全社會更加巨大的投資需求，金融租賃業(yè)務(wù)遇到了前所未有的機遇期。只要防范好各方面風(fēng)險，采取有效的控制措施，相信在不遠(yuǎn)的將來，銀行系金融租賃公司的金融租賃之路將會走的更遠(yuǎn)。

參考文獻：

[1]（英）T.M.克拉克.租賃.羅真端，李增德，湯修珍譯.物資出版社，1983，23-25

[2]李命志等譯.國際租賃完全指南.北京大學(xué)出版社，2007.

作者簡介：

張弨，女，天津財經(jīng)大學(xué)在職研究生在讀，現(xiàn)任職于中國農(nóng)業(yè)銀行天津和平支行。

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扎固定，每道加箍處設(shè)綁扎點，縱筋底部應(yīng)齊平；鋼筋籠入沉放過程中不宜反復(fù)向下沖撞和扭動；下部注漿導(dǎo)管應(yīng)沉放到底，嚴(yán)禁懸吊；每次注漿施工前應(yīng)及時通報監(jiān)理工程師旁站，在監(jiān)理工程師允許注漿時方可施工；經(jīng)常檢查巡視待注漿樁導(dǎo)管留口的保護情況；后注漿施工操作應(yīng)嚴(yán)格按后注漿施工工藝要求實施，遇特殊情況及時上報并如實記錄。

質(zhì)量檢驗：旋挖鉆孔灌注樁施工所用原材料（水泥、砂石、鋼筋等）的質(zhì)量要求必須符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；鋼筋籠制作所用的鋼筋規(guī)格、焊條規(guī)格、焊接質(zhì)量、主筋及箍筋的制作偏差等均應(yīng)符合設(shè)計及有關(guān)規(guī)范的規(guī)定；成孔前應(yīng)進行樁位復(fù)核，樁位的放樣允許偏差10mm；成孔深度必須達到設(shè)計要求，孔深允許偏差為+30mm；樁身砼強度應(yīng)符合設(shè)計要求，施工過程中按有關(guān)要求留取試件，由具有相應(yīng)資質(zhì)的檢測試驗單位出具試驗報告。

施工監(jiān)測、樁位移的檢測：地表開裂狀態(tài)的檢測；附近建筑物和重要管線設(shè)施的變形測量和裂縫觀察。質(zhì)量驗收：成孔后，由建設(shè)單位、監(jiān)理單位和施工單位共同按設(shè)計要求進行工程質(zhì)量驗收，認(rèn)定合格后，予以簽字，驗收時施工單位應(yīng)做好相關(guān)資料。

9 結(jié)論

綜上所述，旋挖機在砂土地質(zhì)條件下可以針對復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行靈活的成孔工藝，這樣就可以保證成孔的速度和安全，在本工程中應(yīng)用中獲得了較好的成果，與其他工藝相互配合保證了基礎(chǔ)施工的質(zhì)量。另外，要保證灌注樁的施工質(zhì)量，鋼筋籠外籠護筒技術(shù)是首選的辦法，選擇先進的設(shè)備，合格的施工人員，各部門高度協(xié)調(diào)全面配合，做到精益求精，才能保證結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量。

參考文獻：

[1]王萬文.鉆孔機旋挖取土成孔法施工工藝研究J].交通標(biāo)準(zhǔn)化.2012（05）

[2]霍小妹.旋挖鉆機成孔開放式后注漿灌注樁施工工藝[J].施工技術(shù).2012（07）