基于實(shí)景三維GIS的水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉俊婷，毛繼國(guó)

（1.水利部河北水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；2.天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津 300204）

1 引言

中國(guó)是世界上水庫(kù)數(shù)量最多的國(guó)家，現(xiàn)有8.7萬(wàn)座水庫(kù)，由于缺少必需的維護(hù)經(jīng)費(fèi)，病險(xiǎn)水庫(kù)數(shù)量過(guò)半，達(dá)4萬(wàn)多座。從1954年有潰壩記錄以來(lái)，全國(guó)發(fā)生潰壩的水庫(kù)共3 515座，人類歷史上最為慘烈的潰壩事件發(fā)生在1975年的淮河流域，包括河南省駐馬店地區(qū)板橋、石漫灘兩座大型水庫(kù)在內(nèi)的數(shù)十座水庫(kù)漫頂垮壩，73.33 萬(wàn)hm2農(nóng)田被毀滅，1 100 萬(wàn)人受災(zāi)，超過(guò)2.6萬(wàn)人死亡。如何保障水庫(kù)安全運(yùn)行，是擺在水利管理部門面前的重大課題。

巡查是水利部門開(kāi)展水庫(kù)安全檢查的重要手段，并為后續(xù)相關(guān)決策提供重要支持。傳統(tǒng)的巡查往往是攜帶紙質(zhì)巡查表格到現(xiàn)場(chǎng)手工填寫(xiě)，拍攝照片或錄像，然后回單位進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理，效率較低下，難以滿足管理要求。為此，迫切需要利用先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)提高水庫(kù)巡查的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和效率?；趯?shí)景三維GIS、移動(dòng)GIS、GPS、移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)交換等技術(shù)的移動(dòng)巡查系統(tǒng)為解決以上問(wèn)題提供了重要的技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則

實(shí)景三維GIS是在二維GIS的基礎(chǔ)上，增加了連續(xù)的地面可量測(cè)影像庫(kù)作為新的數(shù)據(jù)源，并通過(guò)開(kāi)放的軟件與GIS 無(wú)縫集成，從而給用戶提供了一個(gè)更直觀易用的實(shí)景可視化環(huán)境。移動(dòng)GIS是以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為支撐、以智能手機(jī)或平板電腦為終端，結(jié)合北斗、GPS 或基站為定位手段的GIS 系統(tǒng)。移動(dòng)巡查系統(tǒng)是在實(shí)景三維GIS 和移動(dòng)GIS 有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上，結(jié)合水庫(kù)巡查業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。利用實(shí)景三維GIS 不僅可以在傳統(tǒng)二維地圖上顯示方位信息，而且可以顯示詳細(xì)的環(huán)境信息（水庫(kù)所在的山體、邊坡和狹長(zhǎng)地表形態(tài)等復(fù)雜的地理環(huán)境），充分發(fā)揮移動(dòng)GIS 靈活性、便捷性的特點(diǎn)。工作人員攜帶手持移動(dòng)終端，到巡查現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行記錄、登記、取證、圖形操作、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢和災(zāi)情上報(bào)等，完成日常型、專題型、突發(fā)型的巡查任務(wù)。

水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是“統(tǒng)籌規(guī)劃、專題設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享”。水庫(kù)管理涉及到水庫(kù)建設(shè)、水庫(kù)維修、水庫(kù)監(jiān)控和水庫(kù)巡查等各個(gè)方面，必須統(tǒng)籌水庫(kù)管理的各項(xiàng)業(yè)務(wù)，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。在整體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，做好水庫(kù)巡查系統(tǒng)的專題設(shè)計(jì)，使之符合總體規(guī)劃的要求，并做好巡查相關(guān)的內(nèi)外部業(yè)務(wù)協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)管理部門之間的信息共享。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

基于實(shí)景三維GIS的水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)是一個(gè)整體的系統(tǒng)平臺(tái)，采用分層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為數(shù)據(jù)資源層、基礎(chǔ)支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層和安全運(yùn)行保障體系、信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，簡(jiǎn)稱“三層兩體系”。系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)資源層是系統(tǒng)的信息集散和傳輸中心，好比是“信息倉(cāng)庫(kù)”，包括保存實(shí)景三維GIS 需要的近景影像庫(kù)，存儲(chǔ)地形、影像和行政區(qū)劃等信息的基礎(chǔ)空間庫(kù)，存放巡查任務(wù)和考核數(shù)據(jù)等信息的巡查業(yè)務(wù)庫(kù)，以及圖片、錄像等文件數(shù)據(jù)。

（2）基礎(chǔ)支撐層是系統(tǒng)的理論基石，包括作為系統(tǒng)底圖的實(shí)景三維GIS 系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程化辦理的工作流引擎、移動(dòng)終端設(shè)備和監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)信息共享的系統(tǒng)。

（3）應(yīng)用系統(tǒng)層是系統(tǒng)建設(shè)的核心。它運(yùn)用基礎(chǔ)支撐層的方法，利用數(shù)據(jù)資源層提供的各種信息，為移動(dòng)巡查管理提供辦理、查詢、統(tǒng)計(jì)和分析的平臺(tái)。

（4）信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是引領(lǐng)信息化發(fā)展的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享”的前提，必須遵循國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（5）安全運(yùn)行保障體系是一套確保水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)安全運(yùn)行的體系，需從技術(shù)、管理、運(yùn)行諸方面綜合考慮。

3.2 功能模塊

水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)包括移動(dòng)終端服務(wù)子系統(tǒng)和綜合巡查管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)功能組成，如圖2所示。

圖2 水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)功能組成

（1）移動(dòng)終端服務(wù)子系統(tǒng)。移動(dòng)終端服務(wù)子系統(tǒng)部署在移動(dòng)終端，如手機(jī)、平板電腦等，供巡視員使用。它通過(guò)實(shí)景三維GIS 進(jìn)行導(dǎo)航，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息交流和業(yè)務(wù)處理。其功能包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢，巡查任務(wù)接件、取證、上報(bào)，巡查軌跡記錄，巡查案件上報(bào)，地圖放大、縮小、漫游、旋轉(zhuǎn)、定位、量測(cè)和制圖輸出，GPS 信號(hào)處理以及通信狀態(tài)管理。

鑒于水庫(kù)所在地地理環(huán)境的復(fù)雜性以及GPS和通信信號(hào)的不穩(wěn)定性，需要考慮通信狀態(tài)管理及GPS 信號(hào)處理和補(bǔ)充定位功能。在通信狀態(tài)管理上，當(dāng)移動(dòng)通信信號(hào)不佳或中斷時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與監(jiān)控中心之間的通信，影響數(shù)據(jù)上傳（如巡查記錄、圖片等），需提供基于消息隊(duì)列的數(shù)據(jù)離線緩存機(jī)制；在GPS信號(hào)處理上，利用差分技術(shù)消除大部分信號(hào)折射、反射造成的漂移，按照格拉布斯準(zhǔn)則剔除明顯偏離的數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后顯示在三維實(shí)景GIS 地圖上。對(duì)于無(wú)GPS 信號(hào)的地區(qū)，采用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的MPS信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)充定位。

（2）綜合巡查管理子系統(tǒng)。綜合巡查管理子系統(tǒng)部署在監(jiān)控中心服務(wù)器，供監(jiān)控管理人員使用。它以實(shí)景三維GIS為底圖，以巡查任務(wù)的下達(dá)、跟蹤為主要內(nèi)容，以巡查軌跡回放和績(jī)效考核為手段，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)移動(dòng)巡查的流程化、規(guī)范化管理，功能包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、巡查任務(wù)分派及監(jiān)控，巡查記錄管理、巡查軌跡回放、巡查案件管理、地圖操作、人員績(jī)效考核和綜合查詢統(tǒng)計(jì)。

綜合巡查管理子系統(tǒng)采用面向服務(wù)的思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)WebService 接口與移動(dòng)終端服務(wù)子系統(tǒng)進(jìn)行交互。移動(dòng)終端服務(wù)子系統(tǒng)將需要傳輸?shù)奈谋?、圖片和影像等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成規(guī)定格式的XML文件，通過(guò)Base64編碼，發(fā)送到綜合巡查管理子系統(tǒng)?；跀?shù)據(jù)交互技術(shù)，進(jìn)行XML文件反序列化、解析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢操作。

4 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)和現(xiàn)有的主流系統(tǒng)相比，主要特點(diǎn)如下：

（1）增加實(shí)景導(dǎo)航功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)沿線景觀（如路面、邊坡、綠化等）及設(shè)備（如水位儀、氣象儀等）的影像瀏覽和實(shí)景導(dǎo)航。實(shí)景三維GIS 相比傳統(tǒng)三維GIS，數(shù)據(jù)采集速度快、建設(shè)費(fèi)用更低，性價(jià)比相對(duì)較高，比較實(shí)用。

（2）豐富巡查取證功能。系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上將照片、錄像、文本等各類數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞到監(jiān)控中心，而且可以將實(shí)景量測(cè)數(shù)據(jù)（如壩堤被盜采的實(shí)際范圍線、土方量和可量測(cè)影像）與位置（GPS）一起發(fā)送到監(jiān)控中心，為決策指揮提供可靠的依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)影像數(shù)據(jù)與歷史影像數(shù)據(jù)對(duì)比，系統(tǒng)也可以進(jìn)行后續(xù)的損害評(píng)估、規(guī)劃重建等。

（3）創(chuàng)新績(jī)效考核功能。系統(tǒng)取消巡檢員“上班簽到、下班簽退”的工作機(jī)制，采用績(jī)效考核與巡檢軌跡相結(jié)合的模式，綜合考察巡查路線的路況、周邊環(huán)境等因素，將巡查路線合理劃分成若干段，并規(guī)定每段需要的時(shí)間；最后，通過(guò)巡查軌跡位置和時(shí)間與巡查線路規(guī)定值的對(duì)比，準(zhǔn)確地反映巡查人員的工作量、工作效率和工作完成情況。

5 結(jié)語(yǔ)

采用移動(dòng)終端技術(shù)開(kāi)發(fā)的移動(dòng)巡查系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在水利管理中，也取得了很多成績(jī)。筆者綜合運(yùn)用實(shí)景三維GIS、近景攝影測(cè)量、無(wú)線通訊等技術(shù)設(shè)計(jì)的水庫(kù)移動(dòng)巡查系統(tǒng)為水庫(kù)巡查管理提供了豐富、便捷的管理手段，從整體設(shè)計(jì)的角度闡述了系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)、原則、技術(shù)架構(gòu)和系統(tǒng)功能等，為類似系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)其他領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

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