張 琴 陶 霞 柳 宏

(長(zhǎng)江宜昌航道局，湖北 宜昌 443002)

1 引言

交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航道管理局2011年12月22日在武漢宣布，貫通長(zhǎng)江2687.8公里干線航道的長(zhǎng)江電子航道圖研發(fā)成功，正式投入使用。自此，在長(zhǎng)江上行船，如同在陸地上駕駛擁有導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車，更加直觀、方便、快捷。所謂“電子航道圖”，就是由法定認(rèn)可航道測(cè)量機(jī)構(gòu)發(fā)布的、在內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和格式上標(biāo)準(zhǔn)化了的數(shù)據(jù)庫(kù)。包含了為安全航行所必需的所有航道圖信息，專供電子航道圖顯示與信息系統(tǒng)使用的、還可能包含與紙質(zhì)圖有關(guān)的，且對(duì)安全航行來(lái)說(shuō)是必需的其他附加信息[1]。從電子航道圖的定義來(lái)看，電子航道圖一個(gè)最基本也是最重要的功能就是為船舶航行安全服務(wù)，圖載水深是電子航道圖指導(dǎo)航行最根本的依據(jù)，它的準(zhǔn)確性、精確性直接影響其為船舶安全航行提供的服務(wù)的可靠性，因此在制作電子航道圖之前，對(duì)采集到的航道水深數(shù)據(jù)要進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，確保水深數(shù)據(jù)可靠。

《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范JTS 131-2012》規(guī)定，水深數(shù)據(jù)采集完以后要進(jìn)行垂直于主測(cè)線進(jìn)行斷面檢測(cè)，單波束檢查線長(zhǎng)度不宜小于主測(cè)深線總長(zhǎng)度的5%。因?yàn)闄z測(cè)斷面上采集的水深點(diǎn)與測(cè)量水深數(shù)據(jù)點(diǎn)位不可能完全重合，因此常規(guī)檢查只能通過(guò)人工估計(jì)的方法逐點(diǎn)進(jìn)。本文利用ArcGIS的空間分析工具，內(nèi)插出檢測(cè)點(diǎn)上的水深數(shù)據(jù)值，然后用EXCEL進(jìn)行對(duì)檢測(cè)值與測(cè)量水深值批量求差，有利于快速、直觀地對(duì)電子航道圖水深數(shù)據(jù)采集質(zhì)量進(jìn)行分析。

2 ArcGIS提取檢測(cè)點(diǎn)處水深值

2.1 IDW 插值

檢測(cè)點(diǎn)通常不會(huì)與測(cè)量水深數(shù)據(jù)位置重合，在進(jìn)行常規(guī)人工檢查的時(shí)候，一般會(huì)采用兩種方法：1)當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)在位置上明顯靠近某一水深點(diǎn)時(shí)，就用檢測(cè)點(diǎn)與該水深點(diǎn)水深值進(jìn)行比對(duì);2)當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)與周圍多點(diǎn)距離遠(yuǎn)近看起來(lái)無(wú)明顯差異時(shí)，就用檢測(cè)點(diǎn)與這幾個(gè)水深點(diǎn)的平均值進(jìn)行比對(duì)。常規(guī)檢查的第一種方法實(shí)際上就是最近鄰點(diǎn)插值法，第二種方法實(shí)際上是一種平均值插值法，未考慮參與插值計(jì)算的水深點(diǎn)對(duì)待插值點(diǎn)影響力上的差別。本文利用ArcGIS進(jìn)行水深數(shù)據(jù)檢測(cè)，也要利用到它的空間插值工具。

目前常用的空間插值方法有：距離倒數(shù)乘方法 克里金法克里金法、最小曲率法、多元回歸法、徑向基本函數(shù)法、謝別德法、三角網(wǎng)/線形插值法、自然鄰點(diǎn)插值法、最近鄰點(diǎn)插值法、移動(dòng)平均法、局部多項(xiàng)式法等[2]，這些算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合考慮水深數(shù)據(jù)分布特征，本文選擇采用距離倒數(shù)乘方法，Arc-GIS中的IDW插值工具正是對(duì)這一方法的實(shí)現(xiàn)。在檢測(cè)點(diǎn)位置處內(nèi)插出測(cè)量水深值，用該水深值與檢測(cè)點(diǎn)水深值進(jìn)行比對(duì)。

如圖1，ArcGIS中的IDW插值工具提供了方次、插值范圍搜尋半徑以及生成柵格單元大小等參數(shù)設(shè)置入口。其中方次參數(shù)“Power”控制著權(quán)系數(shù)如何隨著距離的增加而下降，對(duì)于一個(gè)較大的方次，較近的數(shù)據(jù)點(diǎn)被給定一個(gè)較高的權(quán)重份額，對(duì)于一個(gè)較小的方次，權(quán)重比較均勻地分配給各數(shù)據(jù)點(diǎn)[3];插值范圍搜尋半徑設(shè)置中給定了兩種條件，一種是以參與插值的點(diǎn)數(shù)為條件，一種是已給定圓半徑為條件。如果是給定圓半徑，則應(yīng)該對(duì)比例尺要素予以考慮。

圖1 IDW插值

水深測(cè)量數(shù)據(jù)Data通過(guò)IDW插值后，會(huì)生成一個(gè)柵格Raster，如圖2，Raster每個(gè)單元的值代表的是該處的插值水深。

圖2 某河段水深數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)IDW工具得到的柵格圖

2.2 檢測(cè)點(diǎn)水深數(shù)據(jù)提取

要得到檢測(cè)點(diǎn)處的測(cè)量水深值，還需要基于Raster進(jìn)行水深數(shù)據(jù)提取。ArcGIS空間分析中Extraction工具箱里提供的Extract Values to Points工具可以達(dá)到這一目的。

圖3 從柵格提取檢測(cè)點(diǎn)水深值

3 Excel進(jìn)行結(jié)果分析

ArcGIS中利用IDW插值的方法提取到了各檢測(cè)點(diǎn)處測(cè)量水深值，將該結(jié)果導(dǎo)入在Excel表中。在Excel表格中，將同一檢測(cè)點(diǎn)處的水深測(cè)量值與檢測(cè)值進(jìn)行批量求差，該求差結(jié)果有兩個(gè)作用：

1)對(duì)差值進(jìn)行排序，將認(rèn)定的超過(guò)限差的檢測(cè)點(diǎn)單獨(dú)提取出來(lái)，用區(qū)別于圖面水深數(shù)據(jù)的顏色掛入，這樣可以大大縮小數(shù)據(jù)檢查范圍，分析判斷檢測(cè)點(diǎn)與水深點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)大差異的原因。

2)如圖4，通過(guò)圖表的方式可以很直觀的看出檢測(cè)數(shù)據(jù)差異分布情況，可作為數(shù)據(jù)質(zhì)量報(bào)告的一個(gè)成果，這是常規(guī)的人工檢查所沒有的。

圖4 檢測(cè)點(diǎn)水深差值分布圖

4 結(jié)論

本文利用ArcGIS中的IDW插值工具和數(shù)據(jù)提取工具，得到各檢測(cè)點(diǎn)處的測(cè)量水深內(nèi)插值，然后通過(guò)Excel進(jìn)行批量計(jì)算，獲得各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處檢測(cè)水深與測(cè)量水深之間的差值，一方面可以提高數(shù)據(jù)檢測(cè)效率;另一方面，形成了一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)水深差值分布圖，有利于對(duì)水深數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀分析。ArcGIS在電子航道圖水深數(shù)據(jù)檢測(cè)中的成功應(yīng)用為后續(xù)在電子航道圖生產(chǎn)中更多的應(yīng)用地理信息軟件提供了一個(gè)思路。

[1]JT/T 765-2009.長(zhǎng)江電子航道圖制作規(guī)范[S].北京：人民交通出版社發(fā)行，2010

[2]傅調(diào)平，劉玉樹.一種曲面你和內(nèi)插數(shù)字海圖水深插值算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，29(4)：308-311

[3]ArcGISDesktop Help[Z]