一元三点拉格朗日插值公式在水位与流量、库容换算中的应用
作者: 客户服务2组 马磊 崔静
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《榆林市水位视频监控综合管理软件》目前已通过榆林市水务局的初步验收。平升公司根据榆林市水务局的项目建设要求,完成了水位、流量、库容数据的采集运算与视频图像的整合。
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本案例中主要对一元三点拉格朗日插值公式在水位与流量、库容换算中的应用做一下介绍,分享一下平升公司应用此公式的一些心得。
一般水文工作者习惯通过现场测量一组水位对应的流量数据,以此来推导出近似的水位和流量的曲线(函数),这样在曲线上的任何一个水位值(X)都会有一个对应的流量值(Y),这就是我们经常说的水位流量关系曲线。但是这个曲线多是非线性、不规则的,用这样的曲线计算出来的数据误差会非常大。
而平升公司目前采用的是水文观测数据最主流的算法: 一元三点拉格朗日插值公式,将实测数据以外的节点用已知点进行插值。插值计算时,是选取最靠近插值点的3个节点代入公式,因此对于一条曲线就有多个插值公式,采用分段插值的方法,将该曲线使用范围内的每一组对应值插算出来。
选取节点应按从小到大顺序选取,曲线的两个端点必须选入,其间可随曲线曲率变化而定,端点附近与曲率变化较大处选密一些,反之可选稀一些,选取节点数量应满足计算精度的要求且等差为佳,节点不得少于3个。
数学公式推演
任给定F中2n+2个数x1,x2,…,xn+1,y1,y2,…,yn+1,其中x1,x2,…xn+1互不相同,则存在的次数不超过n的多项式pn(x),满足pn(xi)=y1(i=1,2,…,n+1),这里:
叫做拉格朗日插值公式。
公式的几何解释是:存在的次数不超过n的抛物线
通过平面上的给出的n+1个点M1(x1,y1),M2(x2,y2),…,Mn+1(xn+1,yn+1)。
如对于自变数的两个值,给出了线性函数的(n=1)对应值,这线性函数就被确定。从几何方面说,直线由其两点确定,即:
总结
平升公司为了方便客户添加水位与流量或者库容的数组数据,把水位数据做成一个集合,流量(库容)数据做成一个集合,数据之间通过“&”区分,在保证数据测算准确的前提下,给客户提供更简单方便的输入方式,目前软件系统已经正式应用于榆林市防汛抗旱项目中,受到领导和工作人员的一致好评。