基于WebGIS的變形監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)*

彭儀普，周楷淳，林祥德

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410083 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083)

在變形監(jiān)測中，通常需要利用獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)依照相關(guān)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行模擬分析，以對施工過程中的變形情況進(jìn)行有效監(jiān)控和合理預(yù)測，保證施工安全。在這個過程中獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、來源廣、周期長等特點，傳統(tǒng)的人工管理或信息系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)監(jiān)測的需要，因此，迫切需要建立一個能適應(yīng)海量數(shù)據(jù)、多數(shù)據(jù)源、多時態(tài)信息的變形監(jiān)測系統(tǒng)。WebGIS是指基于Internet平臺，客戶端應(yīng)用軟件采用WWW協(xié)議運行在萬維網(wǎng)上的地理信息系統(tǒng)［1］。由于WebGIS對于客戶端的要求較低，不需要安裝相應(yīng)的專業(yè)GIS軟件，相對于C/S架構(gòu)的GIS系統(tǒng)，WebGIS的優(yōu)勢十分明顯:傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)工作范圍多為局域網(wǎng)或本機，不利于數(shù)據(jù)的交換和共享，而利用Internet技術(shù)的WebGIS則可以極大的突破這個限制，能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和共享;傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)的各分析功能均在本機上進(jìn)行處理，而WebGIS則是將所有復(fù)雜的操作置于服務(wù)器端，極大的降低了對客戶端的要求，同時由于結(jié)果均從服務(wù)器產(chǎn)生，也有利于用戶之間的共享［2］;WebGIS在擴展性、跨平臺性等方面給的優(yōu)勢是傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)所無法比擬的。本文在研究JavaScript技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用 ArcGIS API For Javascript結(jié)合ArcGIS Server構(gòu)建了寧波站基坑工程變形監(jiān)測GIS系統(tǒng)，以確保寧波站基坑工程施工安全。

1 ArcGISServer及其API

ArcGISServer是ESRI推出的一個創(chuàng)建企業(yè)級GIS應(yīng)用平臺［3］。利用ArcGIS Server用戶可以很方便的構(gòu)建一種多用戶的應(yīng)用平臺。并且ArcGIS Server提供了多種GIS功能，包括對地圖的定位、緩沖區(qū)、路徑分析等，因此，利用其可以快速的構(gòu)建WebGIS系統(tǒng)。

ArcGISServer的主要功能包括空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)可視化和空間數(shù)據(jù)分析等。

空間數(shù)據(jù)管理:借助于GeoDataServices(地理數(shù)據(jù)服務(wù))ArcGISServer可以對發(fā)布的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、導(dǎo)入導(dǎo)出等管理操作;

空間數(shù)據(jù)可視化:通過Web制圖服務(wù)，ArcGIS Server可以將二維甚至三維的地圖以靜態(tài)或動態(tài)的形式進(jìn)行發(fā)布展示，利用ArcGISExplorer可以實現(xiàn)更多的復(fù)雜操作;

空間數(shù)據(jù)分析:ArcGISServer提供了基于服務(wù)器的地理數(shù)據(jù)空間分析功能，對于一些復(fù)雜的專業(yè)分析，可以通過模型創(chuàng)建、GP(地理信息處理)服務(wù)和腳本工具等進(jìn)行分析處理［4］。

ArcGISServer API是ESRI推出的一系列應(yīng)用于客戶端(瀏覽器)的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)，包括ArcGIS API For Flex，ArcGISAPIFor Silverlight以及 ArcGIS API For JavaScript。本文所采用的即為ArcGISAPI For JavaScript，相對于其他2種API，其具有更好的兼容性，并且具有基于服務(wù)、易于開發(fā)、資源豐富和完全免費的特點［5］。

通過ArcGISAPI For JavaScript可以對ArcGIS Server發(fā)布的服務(wù)進(jìn)行訪問，將ArcGIS Server中的地圖資源嵌入到 Web系統(tǒng)中。ArcGIS API For JavaScript提供的主要功能包括空間數(shù)據(jù)展示、客戶端融合、符號渲染、查詢定位、地圖打印等。

2 GIS變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體框架

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)并結(jié)合JavaScript技術(shù)和ArcGIS Server的特點，將系統(tǒng)總體上分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層多層結(jié)構(gòu)［5］，見圖1。

(1)數(shù)據(jù)層。作為系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)(空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))的相關(guān)訪問，為數(shù)據(jù)層上的業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

(2)業(yè)務(wù)層。處于數(shù)據(jù)層和表現(xiàn)層的中間位置，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換，以及其他業(yè)務(wù)邏輯的具體實現(xiàn)、業(yè)務(wù)規(guī)則的設(shè)計以及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計等。

(3)表現(xiàn)層。3層結(jié)構(gòu)中的最高層，直接與用戶交互，可以接受用戶輸入并通過地圖的形式展現(xiàn)出來，并通過Javascript使用戶獲得更好體驗。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Frame diagram of system

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫2部分?？臻g數(shù)據(jù)庫主要存儲圖形數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測區(qū)域平面數(shù)據(jù)、監(jiān)測線路數(shù)據(jù)、監(jiān)測點數(shù)據(jù)等，屬性數(shù)據(jù)則主要存儲系統(tǒng)登錄管理數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)。

監(jiān)測信息作為系統(tǒng)的核心，是整個系統(tǒng)進(jìn)行變形分析和變形預(yù)測的基礎(chǔ)，在設(shè)計上，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)將分離，即將圖形的監(jiān)測點數(shù)據(jù)存入空間數(shù)據(jù)庫中，而將實時獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)存入屬性數(shù)據(jù)庫中，兩者通過屬性id相連接，使得其具有低耦合的特點，在保證空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)的情況下減少了頻繁的對空間數(shù)據(jù)庫的操作，并分散了數(shù)據(jù)庫的訪問存儲壓力。

其中監(jiān)測點表和監(jiān)測數(shù)據(jù)表的表結(jié)構(gòu)見表1和表2。

表1 監(jiān)測點表Table 1 List of monitored point

監(jiān)測點表記錄了基坑中的各個監(jiān)測點的基本情況，包括點號、點類別、點編碼、點名以及監(jiān)測頻率等。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)表Table 2 List of monitored point value

監(jiān)測數(shù)據(jù)表記錄了監(jiān)測點號，監(jiān)測數(shù)據(jù)編號、監(jiān)測值和監(jiān)測時間。

3 寧波市火車站變形監(jiān)測WebGIS系統(tǒng)實現(xiàn)

寧波站改建工程按8臺16線規(guī)模進(jìn)行改造，拆除既有站房和客車整備所，新建南北站房和高架候車室，并在站房和車場下新建地下集散廳并連接城市軌道交通線。寧波站改建工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖面積大、深度高、地質(zhì)環(huán)境差等，為實時掌握基坑的土體以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，確?；邮┕ぐ踩?，通過在現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測(包括圍護(hù)體水平位移監(jiān)測、支撐軸力監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、周圍建筑物沉降監(jiān)測等)獲取數(shù)據(jù)后，應(yīng)建立一個變形監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、分析、預(yù)測，為基坑的安全建設(shè)提供保障［7］。

結(jié)合寧波站改建工程變形監(jiān)測，構(gòu)建基于webGIS的變形監(jiān)測系統(tǒng)，通過空間數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并將每日的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫，變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)超限分析和預(yù)警實現(xiàn)了自動化，以提高監(jiān)測的工作效率和正確率，系統(tǒng)實現(xiàn)步驟和功能如下。

系統(tǒng)從整體上分為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理、基本地圖操作、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢分析、結(jié)果輸出幾個部分。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢分析進(jìn)一步細(xì)分為監(jiān)測查詢和數(shù)據(jù)分析2個子模塊，結(jié)果數(shù)據(jù)細(xì)分為地圖輸出和統(tǒng)計報表2個子模塊。系統(tǒng)的主界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)界面圖Fig.2 The system interface diagram

3.1 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理功能主要是通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎和SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的插入，更新，刪除，查詢等功能。

對于地圖底圖則直接以切片文件的形式存儲在服務(wù)器上，不存儲于數(shù)據(jù)庫中。

將其他的空間數(shù)據(jù)分為頻繁更新和較少更新的2類分別存儲以減少數(shù)據(jù)庫的壓力，更加有效的對數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行分配;

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)種類多，數(shù)量大，因此，采取分次獲取，集中插入的方法，以減少由于多次數(shù)據(jù)庫事務(wù)創(chuàng)建造成的性能損耗。

對于獲得的.xls格式的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過瀏覽器端上傳到服務(wù)器，服務(wù)器在對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核和校對后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)以JSON(JavaScript object notation，一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式)［10］數(shù)據(jù)的格式返回到前端并顯示。軸力數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)果見圖3。

圖3 軸力數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)果Fig.3 Output of axial force data

3.2 地圖基本操作功能

包括對地圖的瀏覽，移屏、導(dǎo)航、圖層管理、地圖輸出等功能，其中對地圖的瀏覽、移屏和導(dǎo)航可以快速的利用ArcGIS API For Javascript所提供的接口實現(xiàn)。

對于地圖的圖層管理，包括地圖圖層可視化和拖拽顯示:

(1)地圖圖層可視化通過改寫Dojo Tree底層代碼，將原始的Dojo Tree節(jié)點改進(jìn)為具有選擇框的節(jié)點以進(jìn)行地圖圖層的顯示控制:在進(jìn)行節(jié)點選擇框點擊事件時，獲取當(dāng)前地圖服務(wù)下分圖層的可視情況數(shù)組，利用Layer.setVisibleLayers()函數(shù)實現(xiàn)。

(2)地圖圖層拖拽顯示通過捕捉Dojo Tree的OnDndDrop事件，通過樹節(jié)點拖拽先后的節(jié)點存儲數(shù)組對比，得到最近的圖層順序，利用Map.reorder-Layer()函數(shù)實現(xiàn)。

在系統(tǒng)進(jìn)行地圖輸出時，通過Web生成PDF的形式進(jìn)行地圖打印，由于地圖包含有多重圖層，并且每個子圖層的顯示情況并不一致。因此，采取利用從ArcGIS Server直接生成圖片打印的方法。從ArcGIS Server動態(tài)生成圖片的方法如下(示例):

http://sampleserver6.arcgisonline.com/arcgis/rest/services/USA/MapServer/export?dpi=96 ＆transparent = true＆format = png8＆bbox =－187.93613086936358%2C7.9788987855341205%2C －38.73115094560027%2C93.23888731339886 ＆bboxSR=4326＆imageSR=4326＆size=427%2C244＆layers=show%3A0%2C1%2C2%2C3＆f=image。該地址分割如下:

(1)http://sampleserver6.arcgisonline.com/arcgis/rest/services/USA/MapServer為該地圖圖層服務(wù)的地址;

(2)dpi=96＆transparent=true＆format=png8設(shè)置了生成圖片的每英寸點數(shù)、透明度以及圖片格式;

(3)bbox= － 187.93613086936358% 2C 7.9788987855341205%2C － 38.73115094560027%2C 93.23888731339886設(shè)置了生成圖片的經(jīng)緯度范圍;

(4)bboxSR=4326＆imageSR=4326設(shè)置了生成圖片的參考坐標(biāo)系;

(5)size=427%2C244設(shè)置了生成圖片的大小;

(6)layers=show%3A0%2C1%2C2%2C3設(shè)置了該地圖圖層顯示的子圖層;

(7)f=image設(shè)置了生成的文件格式為圖片。注:在上述示例中，%2C代表“，”;＆代表連接字符。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢分析功能

監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，包括鼠標(biāo)點擊監(jiān)測點和輸入查詢條件2種方式進(jìn)行查詢:

(1)鼠標(biāo)點擊查詢通過獲取鼠標(biāo)點擊得到的監(jiān)測點信息，利用 QueryTask(ArcGIS API For JavaScript所提供的查詢接口)以該查詢點的地理信息(Geometry)進(jìn)行查詢;

(2)輸入條件查詢同樣是利用QueryTask，但是與鼠標(biāo)單擊查詢不同的是通過利用諸如Where id=“001”的查詢語句進(jìn)行查詢;

由于所有的查詢均是基于ArcGIS Server所發(fā)布的地圖服務(wù)所進(jìn)行的，由于地圖服務(wù)是 Rest(RepresentationalStateTransfer表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移)架構(gòu)風(fēng)格，相對于Soap(Simple Object Access Protocol簡單對象訪問協(xié)議)服務(wù)具有性能高、成本低、時間少、風(fēng)險小的特點，并且具有極大的靈活性和易用性［8］。

通過這2種方法所查詢到的數(shù)據(jù)，均通過在地圖圖層上新建的GraphicLayer上重新繪制和展示。

監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析功能包括日分析和周期分析:

(1)日分析通過對相鄰兩天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析分析變形趨勢，由于對于每個監(jiān)測點的單日變形值均設(shè)有上限(坑外測斜為3 mm/d，坑外位移為2 mm/d，坑外地表沉降為2 mm/d)，若通過對比發(fā)現(xiàn)單日變形量超限則進(jìn)行預(yù)警并在次日獲取數(shù)據(jù)時進(jìn)行重點觀察;若連續(xù)2次出現(xiàn)變形量超限則將預(yù)警情況進(jìn)行上報以進(jìn)行一步分析。

圖4所示為基坑外圍測斜58號點位當(dāng)天以及前2 d的水平位移。

(2)周期分析通過統(tǒng)計單日分析而來，統(tǒng)計在該檢測周期內(nèi)出現(xiàn)變形超限的點位情況，通過進(jìn)行點位聚合分析將變形超限監(jiān)測點相聚合，得出相應(yīng)的重點變形區(qū)域，在地圖上通過不同顏色表示生成熱點地圖，以便在下個檢測周期觀測中予以重點觀察。

圖4 水平位移趨勢圖Fig.4 Horizontal displacement trend graph

4 地圖預(yù)警分析

作為監(jiān)測系統(tǒng)，需要對監(jiān)測過程中出現(xiàn)的變形超限情況進(jìn)行及時的顯示和預(yù)警。對于變形點而言，其變形并不是孤立的，在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較多的變形點意味著該區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重后果的幾率相對較大。

系統(tǒng)通過獲取整個基坑監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測點的外包矩形作為整個地圖預(yù)警的分析范圍。在出現(xiàn)變形超限的情況時，系統(tǒng)對整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點進(jìn)行綜合分析，對于單個變形點建立圓形緩沖區(qū)，通過漸變色反映變形影響范圍，并對相鄰的緩沖區(qū)進(jìn)行合并處理。對緩沖區(qū)進(jìn)行合并處理時，通過取緩沖區(qū)的交點，在焦點內(nèi)部的區(qū)域進(jìn)行合并，并根據(jù)到緩沖區(qū)中心的距離計算所受影響的程度，在緩沖區(qū)交疊處的影響程度為2個緩沖區(qū)影響之和。

通過緩沖區(qū)的方法可以很方便的獲得當(dāng)前基坑的整體變形情況，在利用GM(1，1)模型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)測分析后，可以得到系統(tǒng)的變形趨勢，可以為決策人員的工作提供必要的參考。系統(tǒng)預(yù)警分析見圖5。

圖5 系統(tǒng)預(yù)警分析圖Fig.5 Early warning graph of analysis system

5 結(jié)論

(1)將WebGIS應(yīng)用于變形監(jiān)測中，改變了傳統(tǒng)變形監(jiān)測的工作模式，使獲得的數(shù)據(jù)得到統(tǒng)一管理，并克服了原有變形監(jiān)測中人工管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分散、時效性差、不能準(zhǔn)確分析的問題。由于Javascript在瀏覽器上的廣泛應(yīng)用，使得系統(tǒng)的可擴展成為可能，并且極大地提高了系統(tǒng)的可部署性。

(2)基于Rest的地圖服務(wù)使得對地圖資源的操作得到統(tǒng)一和簡化，方便了系統(tǒng)集成于共享;基于JSON的GIS數(shù)據(jù)傳輸使得空間數(shù)據(jù)的傳輸速率和解析速率得到很大的提高。本文在研究WebGIS優(yōu)點的基礎(chǔ)上利用Javascript構(gòu)建了一個實際的變形監(jiān)測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)可以對整個監(jiān)測過程進(jìn)行實時、高效監(jiān)控，并為決策者提供客觀評價的依據(jù)，對保證工程施工安全具有重要作用。

(3)目前系統(tǒng)只能進(jìn)行二維平面上的監(jiān)測分析，如何進(jìn)行三維的監(jiān)測和變形分析則是今后研究的重點。

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