南水北調(diào)中線膨脹土渠道安全監(jiān)控的三維信息管理與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

黃超 侯鵬生 宋海波 史超 丁凡椏

（1.水利部長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430010；2.南水北調(diào)工程建設(shè)監(jiān)管中心，北京 100038）

南水北調(diào)中線干線工程于2003年2月開(kāi)工建設(shè)，經(jīng)過(guò)十多萬(wàn)建設(shè)者十余年努力，于2014年12月正式通水。其中，淅川二標(biāo)段位于河南省淅川縣九重鎮(zhèn)境內(nèi)，渠道起點(diǎn)樁號(hào)8+400，呈北東向穿九重崗，終點(diǎn)樁號(hào)14+000，全長(zhǎng)5.6km，為全挖方渠段，最大挖深49m。起點(diǎn)渠底高程139.044m，終點(diǎn)渠底高程138.82m，渠道縱坡比1∶25 000，沿線沖溝發(fā)育多，地形起伏較大。該渠段地下水豐富、膨脹性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、施工期滑坡多[1]，嚴(yán)重影響渠道邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)南水北調(diào)工程的安全運(yùn)行構(gòu)成一定威脅，是渠道安全監(jiān)控的重點(diǎn)地段之一[2]。

為加強(qiáng)淅川二標(biāo)段渠道穩(wěn)定性監(jiān)控現(xiàn)代化管理，南水北調(diào)工程建設(shè)監(jiān)管中心以渠道安全監(jiān)控為核心，以信息化管理應(yīng)用需求為導(dǎo)向，進(jìn)行了一系列信息化建設(shè)，委托并重點(diǎn)支持水利部長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所，研發(fā)了淅川二標(biāo)段渠道安全監(jiān)控三維信息管理與分析系統(tǒng)平臺(tái)。

該平臺(tái)是以淅川二標(biāo)段為典型區(qū)域，以工程建設(shè)和運(yùn)行監(jiān)控管理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以三維信息管理與分析為主要目標(biāo)的渠道運(yùn)行管理、安全監(jiān)控和綜合分析系統(tǒng)平臺(tái)，并融合了多種高新信息技術(shù)，如低空無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，快速獲取區(qū)域高質(zhì)量渠道影像和地形資料；虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建淅川二標(biāo)段真實(shí)三維仿真場(chǎng)景；數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，合理的存儲(chǔ)并管理已有的基礎(chǔ)地形、地質(zhì)、設(shè)計(jì)等建設(shè)資料和內(nèi)外觀監(jiān)測(cè)、地質(zhì)巡查、水下物探檢測(cè)、氣象水文等監(jiān)測(cè)資料；三維地理信息技術(shù)（GEOGRAPHIC IN?FORMATION SYSTEM，GIS），提供綜合查詢及穩(wěn)定性分析預(yù)警的輔助決策功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于SKYLINE GLOBLE 三維GIS 軟件構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，體系結(jié)構(gòu)采用客戶端/服務(wù)器（CLIENT/SERVER，C/S）模式，多客戶端同時(shí)操作，連接存放在中心服務(wù)器上的安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架示意圖如圖1所示，采用3層體系結(jié)構(gòu)，具體分為應(yīng)用層、平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層，結(jié)構(gòu)層次清晰，可擴(kuò)展性強(qiáng)，安全性高，便于后期維護(hù)更新。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 三維場(chǎng)景交互式漫游

交互式漫游提供三維場(chǎng)景漫游、地下模式瀏覽、渠道飛行動(dòng)畫(huà)展示、二維地圖導(dǎo)航、場(chǎng)景環(huán)境設(shè)置等豐富易用的三維操作功能，用戶可以進(jìn)行多種基本操作，如平移、放大、縮小、拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、居中、指北等，以獲得身臨其境的效果。同時(shí)狀態(tài)欄醒目的標(biāo)注當(dāng)前視口所在樁號(hào)及坐標(biāo)位置信息，并隨著場(chǎng)景視點(diǎn)的變化實(shí)時(shí)更新。

地下模式瀏覽用于瀏覽地下布設(shè)的深部監(jiān)測(cè)儀器及抗滑樁等模型形態(tài)。渠道飛行動(dòng)畫(huà)展示通過(guò)模擬從標(biāo)段首部到尾部的飛行動(dòng)畫(huà)。二維地圖導(dǎo)航用于輔助定位，與三維場(chǎng)景直接關(guān)聯(lián)，避免用戶在三維場(chǎng)景中迷失方向。場(chǎng)景環(huán)境設(shè)置包括天氣狀況、光照、明暗度等。

2.2 地形分析

地形分析不僅提供常用的地形量測(cè)功能，如坐標(biāo)位置查詢、水平及垂直距離量測(cè)、渠坡坡度量測(cè)、面積量測(cè)等，可在場(chǎng)景中直接操作獲得量測(cè)結(jié)果，還增加了針對(duì)三維環(huán)境下地形分析的功能，包括等高線分析、渠坡坡向分析、地表剖面分析、填挖土方量分析等。

2.3 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理用于對(duì)渠道基礎(chǔ)信息的查詢、修改、刪除、導(dǎo)出等功能。基礎(chǔ)信息包括原始地形、施工及竣工地質(zhì)和渠道設(shè)計(jì)等信息。其中地形信息有渠道原始地貌線、水系點(diǎn)、水系線、管線、交通線等；地質(zhì)信息有地層分區(qū)、巖性分區(qū)、地質(zhì)界線、滑坡線、裂隙線、裂隙密集帶、膨脹性分區(qū)等；設(shè)計(jì)信息有設(shè)計(jì)線、抗滑樁、穿渠建筑物等。

此外，還有相關(guān)工程圖檔文件及報(bào)告文檔，如原始地形地質(zhì)平面圖、施工布置圖、竣工工程地質(zhì)報(bào)告等?；A(chǔ)信息數(shù)據(jù)存放在基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，以點(diǎn)、線、面矢量要素及三維模型的形式通過(guò)合理的配色展示在場(chǎng)景中，用戶可以直接進(jìn)行具體信息的查詢?yōu)g覽。

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的民事行政法律監(jiān)督主要依靠當(dāng)事人申請(qǐng)啟動(dòng)，檢察機(jī)關(guān)自行依職權(quán)啟動(dòng)的較少。公益訴訟作為一項(xiàng)新增職能，人民群眾尚缺乏了解，需要加大宣傳，動(dòng)員群眾參與。同時(shí)，公益損害危及群眾切身利益，如不及時(shí)處理，可能造成損害擴(kuò)大或難以修復(fù)等問(wèn)題，引發(fā)群眾不滿。這就要求檢察機(jī)關(guān)改變民事行政監(jiān)督“坐堂辦案、等米下鍋”的傳統(tǒng)辦案模式，主動(dòng)出擊，積極作為。

2.4 監(jiān)測(cè)信息管理

監(jiān)測(cè)信息管理針對(duì)渠道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改、查詢、導(dǎo)出等，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括渠道表面外觀、深部監(jiān)測(cè)以及水下物探檢測(cè)、氣象降雨量、水位和巡查檢測(cè)等，其中表面外觀監(jiān)測(cè)有水平和垂直位移監(jiān)測(cè)；深部監(jiān)測(cè)有含水量?jī)x、滲壓計(jì)、土體位移計(jì)、測(cè)壓管、測(cè)斜管等。

數(shù)據(jù)形式主要有監(jiān)測(cè)數(shù)值表格、檢測(cè)影像和報(bào)告文檔等。監(jiān)測(cè)信息主要存放在監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和文件服務(wù)器中。用戶可分類(lèi)導(dǎo)入最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并能在三維場(chǎng)景中通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)繪制過(guò)程變形曲線圖，以及查閱巡查監(jiān)測(cè)報(bào)告、斷面監(jiān)測(cè)月報(bào)、專家巡查報(bào)告、階段性監(jiān)控結(jié)論等文檔。

2.5 穩(wěn)定性分析預(yù)警

系統(tǒng)將渠道穩(wěn)定性級(jí)別確定為四個(gè)級(jí)別，分別為（一級(jí)）穩(wěn)定、（二級(jí)）較不穩(wěn)定、（三級(jí)）不穩(wěn)定和（四級(jí)）極不穩(wěn)定。

穩(wěn)定性分析預(yù)警功能主要提供智能輔助分析決策功能，利用基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的預(yù)警模型，通過(guò)綜合分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，推測(cè)渠道穩(wěn)定性，確定穩(wěn)定性級(jí)別，同時(shí)結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)信息對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行原因分析和預(yù)警提醒，并生成穩(wěn)定性分析報(bào)告，提供給監(jiān)管人員以輔助分析決策。

2.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理用于后臺(tái)管理，主要包括用戶管理、系統(tǒng)日志管理、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)管理等。用戶管理用于管理登錄名及密碼，確定用戶的權(quán)限，不同的等級(jí)擁有不同的操作權(quán)限。系統(tǒng)日志管理記錄用戶操作日志。數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)管理提供完善的備份和恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力，確保在數(shù)據(jù)遭到破壞時(shí)能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，保證數(shù)據(jù)的安全性。

3 系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 低空無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

渠道三維場(chǎng)景是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的三維場(chǎng)景能夠更真實(shí)地還原渠道地理形態(tài)。為構(gòu)建渠道精細(xì)化的虛擬三維場(chǎng)景，項(xiàng)目組結(jié)合無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航空攝影技術(shù)[3]，采用固定翼式專業(yè)級(jí)攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)SKYWEAVER C210，采集渠道高質(zhì)量影像和地形數(shù)據(jù)。

首先以淅川二標(biāo)段為航測(cè)目標(biāo)，將航測(cè)目標(biāo)區(qū)圈定在約4 km×7 km范圍內(nèi)。航測(cè)范圍與渠道走向保持一致，并盡量將渠道置于航測(cè)中心區(qū)。飛行航高設(shè)定在相對(duì)渠道500m高度，確保了地面分辨率優(yōu)于0.1m，以滿足建立高質(zhì)量三維虛擬場(chǎng)景的需求。

數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)專業(yè)軟件的處理[4、5]，如構(gòu)建測(cè)區(qū)、定向元素計(jì)算、光束法空中三角測(cè)量計(jì)算、數(shù)字影像核線重采樣、影像匹配、影像與地形出圖等步驟流程，最終獲取了淅川二標(biāo)段的高分辨率正射影像數(shù)據(jù)（DIGITAL ORTHOPHOTO MAP ,DOM）和高精度數(shù)字高程模型（DIGITAL ELEVA?TION MODE，DEM）數(shù)據(jù)。

3.2 基于SKYLINEGLOBE平臺(tái)的三維場(chǎng)景構(gòu)建

SKYLINEGLOBE 是當(dāng)今最為成熟的集三維空間建模、分析與海量數(shù)據(jù)管理于一體的三維GIS系統(tǒng)平臺(tái)軟件，它可以利用海量的遙感航測(cè)影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其它二三維數(shù)據(jù)源搭建出一個(gè)三維仿真場(chǎng)景。

軟件主要包括TERRABUILDER、TERRAEX?PLORER、TERRAGATE 三個(gè)系列產(chǎn)品，其中TER?RABUILDER用于融合海量的遙感航測(cè)影像數(shù)據(jù)、高程和矢量數(shù)據(jù)，以此來(lái)創(chuàng)建有精確三維模型景區(qū)的地形數(shù)據(jù)庫(kù)。TERRAEXPLORER 用于三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)操作分析，TERRAGATE 是一個(gè)發(fā)布地形數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器，允許用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)訪問(wèn)地形數(shù)據(jù)庫(kù)[6]。

淅川二標(biāo)段渠道三維場(chǎng)景是由地表三維場(chǎng)景模型和渠道橋梁及周邊附屬建筑三維模型組成。地表三維場(chǎng)景模型是利用獲取的高精度DEM數(shù)據(jù)和高分辨率DOM 數(shù)據(jù)，通過(guò)TERRABUILDER 構(gòu)建，其中DEM提供渠道地形起伏特征，DOM提供地表紋理特征。

渠道周邊橋梁及房屋建筑三維模型通常采用3DS MAX、CATIA 等專業(yè)的三維建模軟件建模，然后再將模型導(dǎo)入場(chǎng)景中。

模型導(dǎo)入的方法是首先以模型底部中心點(diǎn)坐標(biāo)、模型名稱或編號(hào)等信息生成特征點(diǎn)矢量要素文件，加載在地形場(chǎng)景中，通過(guò)模型名稱或編號(hào)與模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型文件的導(dǎo)入[7]。整體的渠道三維場(chǎng)景構(gòu)建的流程圖如圖2所示。

圖2 渠道三維場(chǎng)景構(gòu)建的流程圖

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的穩(wěn)定性分析預(yù)警

渠道穩(wěn)定性分析預(yù)警是當(dāng)前渠道安全監(jiān)控工作的目標(biāo)和核心，現(xiàn)場(chǎng)渠道穩(wěn)定性分析工作流程是地質(zhì)人員從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合膨脹土水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件及邊坡破壞機(jī)理等綜合分析，最終做出判斷預(yù)測(cè)。

因此，穩(wěn)定性分析預(yù)警功能的研發(fā)思路以渠道監(jiān)管特點(diǎn)為基礎(chǔ)，從GIS原理與理論出發(fā)，采用一種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的膨脹土渠道穩(wěn)定性分析預(yù)警方法。

首先沿著渠道中心線在渠段范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將網(wǎng)格作為預(yù)警區(qū)域單元，以外觀監(jiān)測(cè)的垂直和水平、深部測(cè)斜管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)插值后結(jié)果，作為判斷主要依據(jù)，進(jìn)行穩(wěn)定性判斷分級(jí)，在確定級(jí)別后，進(jìn)一步對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行深層和淺層原因分析，深層檢查主要分析深部測(cè)斜管的同時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，淺層檢查主要分析裂隙密集帶、膨脹性及巡查裂隙等，最終推測(cè)不穩(wěn)定的原因并直觀呈現(xiàn)出來(lái)，提供管理人員輔助分析決策。

獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果后，結(jié)合地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，以最近三個(gè)月結(jié)果作為分析判斷的初始閾值，水平位移監(jiān)測(cè)反映的是渠道水平方向的變化，通常向渠道中心線方向?yàn)檎?，表明渠道邊坡有變形趨?shì)，以累計(jì)位移量為參考量；垂直位移監(jiān)測(cè)反映的是渠道垂直方向的變化，通常向下沉方向?yàn)檎?，表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在渠道邊坡土體出現(xiàn)一定程度的沉降，以累計(jì)位移量為參考量；深部測(cè)斜管監(jiān)測(cè)提供深部監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)，具有兩個(gè)方向數(shù)值，其中A 方向垂直于渠道。A方向位移向坡外偏移為正值，表明渠坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)向渠道方向產(chǎn)生位移。若A 方向監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)某一點(diǎn)或某一小段突變，即出現(xiàn)突變位移，表明存在滑動(dòng)面。測(cè)斜管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要考慮這兩種因素，

因此，將孔口和兩測(cè)點(diǎn)在A 方向的累計(jì)位移量均作為參考量。系統(tǒng)提供初始的判斷閾值如表1 所示。在不穩(wěn)定原因分析方面，測(cè)斜管監(jiān)測(cè)數(shù)值直接反映深部變化，若數(shù)值發(fā)生超出閾值情況，表明渠道深層發(fā)生變化，直接推斷為深層原因。若預(yù)警單元屬于中、強(qiáng)膨脹土區(qū)域，且處于裂隙密集帶區(qū)域，同時(shí)坡面出現(xiàn)裂縫情況，很有可能測(cè)斜監(jiān)測(cè)存在誤差，也存在深層變化情況，同樣推斷為深層原因，其它情況均推斷為淺層原因。

表1 監(jiān)測(cè)要素穩(wěn)定性分析預(yù)警判斷閾值設(shè)置

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)基于SKYLINEGLOBE 三維GIS 平臺(tái)，構(gòu)建了渠道地表三維場(chǎng)景模型及周邊橋梁、房屋三維建筑模型，并實(shí)現(xiàn)了三維建筑模型與地表三維模型的無(wú)縫拼接，共同構(gòu)成淅川二標(biāo)段渠道三維場(chǎng)景。系統(tǒng)選用.NET FRAMEWORK 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用VISU?AL STUDIO.NET 2013集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)，采用開(kāi)放式與模塊化結(jié)構(gòu)，按功能分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景漫游、地形分析、基礎(chǔ)信息管理、監(jiān)測(cè)信息管理以及穩(wěn)定性分析預(yù)警等功能。系統(tǒng)功能實(shí)用，性能穩(wěn)定，界面友好，運(yùn)行流暢。

5 結(jié)語(yǔ)

淅川二標(biāo)段渠道安全監(jiān)控三維信息管理與分析系統(tǒng)，采用當(dāng)前主流的高新技術(shù)，為監(jiān)管人員搭建了基于虛擬三維仿真環(huán)境下的安全監(jiān)控綜合管理與分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維仿真環(huán)境下的基礎(chǔ)信息和監(jiān)測(cè)信息的可視化展示、查詢、維護(hù)等綜合數(shù)據(jù)管理以及智能化穩(wěn)定性輔助分析預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)平臺(tái)支撐下，統(tǒng)一管理工程建設(shè)和運(yùn)行基本信息，從而打破傳統(tǒng)模式下的信息資源部門(mén)分割、地域分割，有效緩解了業(yè)務(wù)需求與信息資源不足、共享困難的矛盾，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)、運(yùn)行管理、日常監(jiān)測(cè)和工程維護(hù)等數(shù)據(jù)信息的相互協(xié)同，為渠道運(yùn)行安全管理提供專業(yè)、快速、準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。