羅保林，張 拯，金 飛

(1.成都市勘察測(cè)繪研究院，四川 成都 610031;2.成都天佑智云科技發(fā)展有限公司，四川 成都 610031)

0 引 言

現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)以多元性、融合性、實(shí)時(shí)性、大數(shù)據(jù)為特點(diǎn)。然而對(duì)于大體量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示，當(dāng)前仍然以傳統(tǒng)的純文本形式輸出，很難讓用戶及時(shí)、快速地了解被監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)營(yíng)狀況，因此在現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，將大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果以圖形代替文本形式輸出是必不可少的。當(dāng)前，常用的圖形展繪圖表類庫(kù)有TeeChart、水晶報(bào)表、FusionCharts、Amcharts等，該類圖表類庫(kù)功能強(qiáng)大，但作為付費(fèi)非開源控件，其繪圖數(shù)據(jù)不能根據(jù)需求自定義，且在大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)展示中存在一定的壁壘，應(yīng)用相對(duì)較少。與商業(yè)圖表類庫(kù)相比，在變形監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)中，免費(fèi)開源圖表類庫(kù)(如Zedgraph、Open-Flash-Chart以及MsChat)以其小巧、二次開發(fā)便捷、可根據(jù)實(shí)際需求定制化修改等特點(diǎn)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

Zedgraph是基于.Net框架，采集主流C#語(yǔ)言開發(fā)的開源圖表顯繪類庫(kù)，可根據(jù)任意數(shù)據(jù)集快速創(chuàng)建2D線狀圖、條狀圖、餅狀圖，支持Windows Form窗體應(yīng)用程序和ASP.NET Web網(wǎng)頁(yè)程序，并支持多語(yǔ)言開發(fā)[1]。與其他統(tǒng)計(jì)類圖表控件相比，Zedgraph具有高度的靈活性，使用與擴(kuò)展方便，且作為動(dòng)態(tài)圖表類庫(kù)，具有一定的人機(jī)交互性。但在用于具有大體量、多維度等特點(diǎn)的現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)信息展示中，Zedgraph仍存在數(shù)據(jù)格式不匹配，多類型數(shù)據(jù)同時(shí)顯繪難以區(qū)分，圖形操作交互性差，不能顯繪三維變形圖形等不足。部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Zedraph在變形信息可視化中的應(yīng)用也進(jìn)行了探討，但均停留在簡(jiǎn)單的應(yīng)用，對(duì)其存在的不足未進(jìn)行分析[2-4]。因此，本文基于Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言對(duì)Zedgraph源代碼進(jìn)行二次開發(fā)，剖析了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與多維數(shù)據(jù)庫(kù)表的關(guān)聯(lián)匹配，增強(qiáng)了該圖表類庫(kù)的交互操作功能，并進(jìn)一步通過集成常規(guī)Kalman濾波、方差補(bǔ)償自適應(yīng)Kalman濾波兩種變形信息處理模型，有效提高了該類庫(kù)在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)可視化表達(dá)中的實(shí)用性。

1 Zedgraph系統(tǒng)構(gòu)架

根據(jù)Zedgraph圖表類庫(kù)的功能、結(jié)構(gòu)和顯示方式，大致可分為控制面板層(MasterPane)、繪圖面板層(GraphPane)和圖形顯繪層(Chart)。整體的從屬關(guān)系構(gòu)架呈樹狀結(jié)構(gòu)如圖1所示，Zedgraph圖表類庫(kù)的一個(gè)圖形窗口只能有一個(gè)控制面板，但控制面板作為所有圖形的載體，可以包含多個(gè)繪圖面板及其他附屬繪圖功能，一個(gè)繪圖面板可包含多張繪圖紙以顯示最終的效果圖。

圖1 Zedgraph圖表類庫(kù)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

Zedgraph的控件界面繼承于.Net的UserControl接口，該接口允許用戶將該圖表控件添加到VS平臺(tái)的工具箱中，進(jìn)行拖拽式新建，方便開發(fā)者的使用。

MasterPane繼承于.Net的PaneBase類，作為Zedgraph圖形界面的最底層框架，它可以操控一個(gè)或多個(gè)GraphPane繪圖板，并可對(duì)GraphPane進(jìn)行布局、排列和優(yōu)化顯示效果等。若只需要繪制一張圖表時(shí)MasterPane將被GraphPane完全覆蓋，因此無(wú)需對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，采用默認(rèn)值提高開發(fā)效率。

GraphPane作為最主要的圖形實(shí)現(xiàn)模塊，幾乎所有用戶需要的圖形效果都在其中實(shí)現(xiàn)，且具有高度的靈活性，幾乎所有的圖形屬性都擁有默認(rèn)值，用戶只需要根據(jù)需求修改特定屬性值即可快速達(dá)到想實(shí)現(xiàn)的效果。其中最常用的包括坐標(biāo)軸、數(shù)據(jù)組、標(biāo)題、背景、注釋等。坐標(biāo)軸(Axis)類又包含坐標(biāo)格網(wǎng)、坐標(biāo)軸注釋、刻度等屬性。數(shù)據(jù)組(CurveItem)類是實(shí)現(xiàn)圖形界面的關(guān)鍵，它包含了所繪圖形的全部坐標(biāo)數(shù)據(jù)PointPairList，以及線型、顏色、尺寸、是線狀圖、柱狀圖還是餅狀圖等對(duì)圖形進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)的屬性信息。

Chart作為所繪圖形的顯示界面，在該界面中可對(duì)圖形進(jìn)行拖動(dòng)、放大縮小等一些基本操作。

文本注釋類(TextObj)、箭頭類(ArrowObj)等作為圖形修飾類，可放置在Zedgraph圖表類庫(kù)中的任意位置，使圖形更加美觀易讀。

2 面向變形信息的Zedgraph二次開發(fā)技術(shù)

2.1 與現(xiàn)代變形信息數(shù)據(jù)庫(kù)表的關(guān)聯(lián)匹配

變形監(jiān)測(cè)成果包括：數(shù)據(jù)報(bào)表成果、圖形分析成果、項(xiàng)目資料等。其中，多維大體量數(shù)據(jù)信息可視化表達(dá)作為變形監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)的重要組成部分，其通過直觀、立體、簡(jiǎn)潔、有效的組合提煉，可將用戶所關(guān)注的信息一覽無(wú)余地呈現(xiàn)在眼前，用戶可以快速、方便地獲得信息和知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象高效管理。傳統(tǒng)小體量變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)大多采用單表的方式進(jìn)行存儲(chǔ)[5](表1)，Zedgaph中提供了DataSourcePointList類以支持該類型的一維數(shù)據(jù)表[6]。但對(duì)于現(xiàn)代多維度大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)，基本采用多維表的方式進(jìn)行存儲(chǔ)[7](表2)，該存儲(chǔ)方式減少了點(diǎn)名字段的數(shù)據(jù)冗余，將單表的負(fù)荷進(jìn)行分散，提高了數(shù)據(jù)入庫(kù)及查詢的效率，降低了單個(gè)數(shù)據(jù)表?yè)p壞對(duì)其他點(diǎn)數(shù)據(jù)的影響。

表1 傳統(tǒng)小體量變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

表2 現(xiàn)代大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表(a)點(diǎn)名為1的表

(b)點(diǎn)名為2的表

為了適配該類型數(shù)據(jù)表，本文在DataSourcePoint-List數(shù)據(jù)類和GraphPane.AddCurve()方法的基礎(chǔ)上新增AddCurves(DataTable dt,int Xcol,int Ycol,string Title,string Ylable=“值”)方法，該方法根據(jù)指定dt中的Xcol列為X軸數(shù)據(jù)，多個(gè)Ycol列為Y軸數(shù)據(jù)，可同時(shí)繪制多維圖形。

使用時(shí)可將表2以時(shí)間為主鍵組合為一個(gè)表:Table(時(shí)間,1號(hào)監(jiān)測(cè)值,1號(hào)濾波值,2號(hào)監(jiān)測(cè)值,2號(hào)濾波值)，將該表直接傳入函數(shù)方法即可實(shí)現(xiàn)快速高效的變形信息顯繪。

2.2 交互式操作的定制化

Zedgraph在顯示固定格式和維度的數(shù)據(jù)上具有較好的效果，但對(duì)于現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中大體量、多維度、多類型的監(jiān)測(cè)信息展示則存在明顯不足。以線狀圖形為例，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取繪圖數(shù)據(jù)到DataTable數(shù)據(jù)表中，再將其傳入2.1節(jié)中的AddCurves方法，實(shí)現(xiàn)變形曲線圖的繪制。但根據(jù)不同的數(shù)據(jù)顯示需求，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的變形曲線條數(shù)和數(shù)據(jù)量也不相同，因此，在曲線量不定的情況下調(diào)用AddCurves方法，循環(huán)繪制各條曲線時(shí)只能為每一條賦值一個(gè)隨機(jī)的顏色來(lái)進(jìn)行區(qū)分。在需要繪制大量變形曲線時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同曲線顏色相近而不能區(qū)分、曲線太多堆疊混亂、坐標(biāo)軸刻度間隔和顯示范圍不合適等問題。為了方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)的查看，本文在Zedgraph原有功能的基礎(chǔ)上，新增了可對(duì)繪圖界面進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置的人機(jī)交互窗口，如圖2所示。

圖2 Zedgraph繪圖界面格式化設(shè)置窗口

圖形設(shè)置(圖2a)可實(shí)現(xiàn)對(duì)線狀、柱狀、餅狀圖的基本屬性修改。對(duì)線狀圖可修改圖例顯示文字，可選擇圖形顯示方式、節(jié)點(diǎn)形狀、大小、線寬和顏色等。對(duì)柱狀圖可修改圖例顯示文字，可選擇填充顏色和顏色漸變方式。對(duì)餅狀圖可修改圖例顯示文字，可選擇每塊餅的顏色及文字顯示內(nèi)容。當(dāng)圖形中存在多組數(shù)據(jù)時(shí)，可取消對(duì)不需要查看的數(shù)據(jù)的勾選，使圖形界面更簡(jiǎn)潔，可讀性更強(qiáng)。除了對(duì)各類型圖形的基本屬性進(jìn)行設(shè)置以外，此處還可以在不改變數(shù)據(jù)的條件下實(shí)現(xiàn)折線圖、柱狀圖、曲線圖、散點(diǎn)圖之間的快速切換。

坐標(biāo)軸相關(guān)設(shè)置(圖2b)可實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)軸Lable注釋文字的內(nèi)容、顏色、邊框、字體的修改，對(duì)坐標(biāo)軸刻度步進(jìn)大小、刻度文字方向、坐標(biāo)軸顯示范圍及坐標(biāo)軸格網(wǎng)顯示與否等屬性的設(shè)置。

圖表標(biāo)題設(shè)置可實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前繪圖面板標(biāo)題文字的內(nèi)容、顏色、邊框、字體等的修改。

注釋信息設(shè)置(圖2c)可根據(jù)需要簡(jiǎn)單、快捷的在圖形界面的任意位置繪制文本注釋信息和箭頭指向，而不需要修改后臺(tái)源代碼，并可設(shè)置注釋內(nèi)容的顏色、邊框、字體、透明度和旋轉(zhuǎn)角等。注釋信息的位置分為相對(duì)于框架和相對(duì)于坐標(biāo)系兩種類型。相對(duì)于坐標(biāo)系的注釋主要用于對(duì)圖形中某個(gè)點(diǎn)或特征變化位置的說明，在圖形放大縮小或拖動(dòng)時(shí)，注釋也會(huì)跟隨圖形一起移動(dòng)。相對(duì)于框架的注釋，不隨圖形的變化而變化。

限差設(shè)置，主要為顯示變形數(shù)據(jù)的限差范圍而設(shè)計(jì)。限差線不同于數(shù)據(jù)曲線，它不是兩坐標(biāo)點(diǎn)間的連線，它是一條只有Y值的無(wú)邊界直線。Zedgraph不具備顯繪該類型線的功能。通過對(duì)其顯示性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)其顯示效果與坐標(biāo)軸和坐標(biāo)格網(wǎng)的效果相似，均為無(wú)邊界直線且不隨數(shù)據(jù)曲線的變化而變化。因此，本文在繪制坐標(biāo)軸的Scale類中根據(jù)坐標(biāo)軸的繪制方法新增限差線的繪制方法DrawErr()，將該方法添加到GraphPane類中繪制邊框、坐標(biāo)軸、坐標(biāo)格網(wǎng)的方法Draw()中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.3 多元異構(gòu)變形監(jiān)測(cè)算法的集成與可視化

Kalman濾波因其所用的信息都是時(shí)域內(nèi)的量，除了可以對(duì)一維平穩(wěn)的隨機(jī)過程進(jìn)行濾波估計(jì)外，還可以對(duì)多維的、非平穩(wěn)的隨機(jī)過程進(jìn)行估計(jì)[8]。因此，Kalman濾波在變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中得到了廣泛的應(yīng)用，本文也將其作為常用的處理分析函數(shù)集成到Zedraph類庫(kù)中方便后續(xù)的開發(fā)和用戶使用。

濾波曲線的可視化。本文在Zedgraph的GraphPane類中新增了ShowFilterData屬性，并將KalmanFilter濾波類在GraphPane的原有繪圖方法AddCurve( string label，double x，double y，Color color，SymbolType symbolType)中實(shí)例化，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)ShowFilterData屬性的變化決定是否繪制濾波曲線，而無(wú)需改變對(duì)原有繪圖方法的調(diào)用，減少了后續(xù)開發(fā)及應(yīng)用難度。

3 應(yīng)用及性能測(cè)試

改進(jìn)的Zedraph圖表類庫(kù)已在多個(gè)項(xiàng)目中得到了有效的應(yīng)用。本文以某城市邊坡的安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行測(cè)試分析，該系統(tǒng)利用天寶GNSS三星雙頻接收機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，采用單基站CORS原理實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站的高精度定位[10]。系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)站均勻布設(shè)于滑坡體的各個(gè)特征位置，基準(zhǔn)站建立在檢測(cè)區(qū)外視野開闊且相對(duì)穩(wěn)定的地方。理論上所有設(shè)備安裝完成后將不再拆除，以避免重復(fù)安裝帶來(lái)的誤差。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)了邊坡變形的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

本文以高程數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試分析。系統(tǒng)采樣間隔默認(rèn)為5 s。為了測(cè)試圖形顯示性能，分別按1 d、3 d和7 d進(jìn)行圖形顯繪，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 Zedgraph改進(jìn)前后的繪圖效率對(duì)比

由表3可知，在改進(jìn)前后繪圖的效率基本相同，原因是本文僅對(duì)Zedraph的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)充以適應(yīng)現(xiàn)代大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)表的結(jié)構(gòu)，而對(duì)AddCurve()顯繪方法未做修改。但從用戶體驗(yàn)角度，本文將繪圖前的數(shù)據(jù)編組設(shè)計(jì)到了后臺(tái)線程執(zhí)行，在顯繪類似7 d數(shù)據(jù)這樣的耗時(shí)操作時(shí)避免了主線程界面出現(xiàn)假死的現(xiàn)象。

通過與現(xiàn)代大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)表的關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)一行代碼添加表中所有需要顯示的數(shù)據(jù)到Zedraph圖形界面，極大的降低了編程難度。圖3為讀取并顯繪的1-3號(hào)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)一天的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和濾波數(shù)據(jù)。

圖3 1-3號(hào)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值及濾波值圖形

由圖3可知，多條曲線的同時(shí)繪制會(huì)降低圖形的可讀性，這也是所有圖表控件共同存在的弊端。一般情況下都是采用重復(fù)調(diào)用法解決，即根據(jù)不同的數(shù)據(jù)選擇組合(此例為6類數(shù)據(jù)共有63種選擇組合)來(lái)重復(fù)調(diào)用AddCurve()方法進(jìn)行數(shù)據(jù)重整理并重繪變形曲線。該方法在大數(shù)據(jù)量的情況下效率極為低下，表3中已予證明。改進(jìn)后的Zedgraph擁有人機(jī)交互操作界面，可直接在圖形界面中右鍵打開設(shè)置窗口，在圖2(a)圖形設(shè)置窗口中直接對(duì)各數(shù)據(jù)類型進(jìn)行勾選以快速實(shí)現(xiàn)變形曲線顯示或隱藏。該方法未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何的變動(dòng)，因此不需要調(diào)用AddCurve()方法進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形重繪，整體效率極高。

根據(jù)上述方法，分別對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形曲線進(jìn)行查看，如圖4所示。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線圖

由圖4可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值波動(dòng)范圍為7 cm，2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值波動(dòng)范圍為11 cm，3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值波動(dòng)范圍為12 cm。符合RTK測(cè)量的厘米級(jí)精度的特點(diǎn)。濾波后的數(shù)據(jù)相對(duì)平滑，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的去噪效果，數(shù)據(jù)質(zhì)量有了顯著提高，滿足本系統(tǒng)邊坡沉降監(jiān)測(cè)的需求。且濾波后的數(shù)據(jù)均在33.37 m的最低高程限差范圍內(nèi)，該邊坡目前相對(duì)穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了Zedgraph圖表類庫(kù)在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測(cè)可視化表達(dá)中的不足，并對(duì)其系統(tǒng)組成和構(gòu)架進(jìn)行了分析研究，運(yùn)用C#語(yǔ)言對(duì)源碼進(jìn)行改進(jìn)和功能拓展，實(shí)現(xiàn)了其與多維數(shù)據(jù)表的關(guān)聯(lián)匹配，設(shè)計(jì)了可對(duì)圖表進(jìn)行個(gè)性化定制的人機(jī)交互界面，加入了常用的變形分析算法模型。經(jīng)多個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用驗(yàn)證，改進(jìn)后的Zedgraph圖表類庫(kù)在多維度變形數(shù)據(jù)分類查詢及圖表顯示界面的自定義等方面具有較高的實(shí)用價(jià)值，且通過方法集成與嵌套，有效降低了該類庫(kù)調(diào)用的空間復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多維大數(shù)據(jù)變形信息可視化表達(dá)進(jìn)行改進(jìn)的預(yù)期目標(biāo)。但目前變形分析算法僅集成了標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波和方差補(bǔ)償自適應(yīng)Kalman，在后續(xù)研究中可基于此進(jìn)行拓展與完善。另外，隨著現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)信息化、可視化的不斷發(fā)展，對(duì)構(gòu)建三維圖表進(jìn)行變形分析表達(dá)可作為下一步研究方向。