海堤可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

張鵬，黃銘

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥230009）

海堤可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

張鵬，黃銘

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥230009）

海堤作為一種特殊的水工建筑物，經(jīng)常受到潮汐、臺(tái)風(fēng)等因素的影響，運(yùn)行工況復(fù)雜。結(jié)合海堤運(yùn)行的特點(diǎn)，利用ArcGIS強(qiáng)大的地理信息處理能力和ArcGIS Engine豐富的組件庫(kù)，在Visual Studio（簡(jiǎn)稱VS）平臺(tái)上借助C#編程語言實(shí)現(xiàn)了海堤可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)內(nèi)置的數(shù)學(xué)建模分析模塊能夠調(diào)用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，便于及時(shí)了解海堤的運(yùn)行狀態(tài)，保證海堤安全。工程實(shí)例證明，該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了海堤安全監(jiān)測(cè)中的二維與三維可視化操作，對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)以及安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的管理，內(nèi)置的數(shù)學(xué)建模分析模塊對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)結(jié)果較好。

海堤；可視化；安全監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)開發(fā)

海堤是沿海地區(qū)常見的壩工建筑物，具有防御臺(tái)風(fēng)抵擋潮水、保證堤內(nèi)廣大人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和堤內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和諧發(fā)展的重要作用［1］。與一般的水工建筑物相比，海堤具有延續(xù)長(zhǎng)，涉及范圍廣，工作環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，而且由于海堤基礎(chǔ)大多為軟土地基，穩(wěn)定性差，對(duì)施工和運(yùn)行的安全性造成了一定的影響。

為保證海堤安全，必須加強(qiáng)堤防的安全監(jiān)測(cè)，但是由于海堤上布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目繁雜，監(jiān)測(cè)部位空間分布廣，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量也很大。為此，可以通過在VS平臺(tái)上開發(fā)構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的海堤可視化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)海堤安全監(jiān)測(cè)的可視化、數(shù)據(jù)庫(kù)管理以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析預(yù)測(cè)等，為采取及時(shí)有效的防范措施提供條件［2］。

1 開發(fā)環(huán)境

1.1ArcGIS與ArcGIS Engine

ArcGIS是由美國(guó)Esri公司開發(fā)的全球領(lǐng)先的GIS平臺(tái)軟件，它具有強(qiáng)大的地圖制作、空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息整合等功能。ArcGIS Engine則是一個(gè)簡(jiǎn)單的、獨(dú)立于應(yīng)用程序的ArcObjects編程環(huán)境，具有完備的嵌入式GIS組件庫(kù)和工具庫(kù)［3］。

1.2Visual Studio

VS是目前較為流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，支持多語言開發(fā)，具有強(qiáng)大的可視化設(shè)計(jì)界面［4］。VS強(qiáng)大的接口功能可以直接調(diào)用ArcGIS Engine組件庫(kù)及外部程序，實(shí)現(xiàn)GIS可視化系統(tǒng)的開發(fā)。

1.3 C#編程語言

C#作為一種完全面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，其主要用來創(chuàng)建在.NET Framework上運(yùn)行的各種應(yīng)用程序。與其他編程語言相比，C#具有代碼簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、類型安全等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的快速開發(fā)［5］。

本文即是在VS 2008平臺(tái)上，調(diào)用ArcGIS Engine提供的GIS控件，利用C#語言編程，實(shí)現(xiàn)海堤監(jiān)測(cè)模型的可視化顯示、數(shù)據(jù)管理和信息查詢以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的建模分析預(yù)測(cè)等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)過程，采用經(jīng)典的三層結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層［6］。系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。最底層是數(shù)據(jù)層，主要包括二維及三維GIS數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等；中間邏輯層由VS開發(fā)平臺(tái)、Arc?GIS Engine組件和C#編程語言組合而成，用于構(gòu)建整個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；應(yīng)用層則是由各個(gè)功能模塊組成的海堤可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：可視化、數(shù)據(jù)管理及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)。其中：（1）可視化功能模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維和三維海堤視圖的瀏覽和查看；（2）數(shù)據(jù)管理功能模塊可以進(jìn)行屬性信息和監(jiān)測(cè)信息的查詢、超級(jí)鏈接的建立和查看以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用、更新和維護(hù)；（3）建模分析預(yù)測(cè)模塊能夠通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，并利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1System structure

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

海堤安全監(jiān)測(cè)中主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)包括位移監(jiān)測(cè)、潮位監(jiān)測(cè)、滲壓監(jiān)測(cè)及波浪爬高監(jiān)測(cè)等。該安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)建模分析模塊可以針對(duì)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)而選取合適的建模方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文選用受潮汐等因素影響較為顯著的堤身內(nèi)滲壓測(cè)項(xiàng)，對(duì)其進(jìn)行建模分析。在對(duì)海堤實(shí)測(cè)滲壓數(shù)據(jù)定性分析的基礎(chǔ)上，以水工建筑物監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最廣的多元統(tǒng)計(jì)回歸模型建模分析為例，選取合理的自變量因子，建立潮位、時(shí)效影響下的多元統(tǒng)計(jì)回歸因果模型。

多元統(tǒng)計(jì)回歸是判斷某種監(jiān)測(cè)項(xiàng)的測(cè)值序列與其他若干監(jiān)測(cè)項(xiàng)相應(yīng)測(cè)值序列間是否存在相關(guān)關(guān)系，并對(duì)存在的相關(guān)關(guān)系給出定量關(guān)系表達(dá)式，檢驗(yàn)關(guān)系式的可信度、分析因變量和各自變量間的影響程度的一種方法［7］，其建模過程如下。

設(shè)隨機(jī)變量y和m個(gè)變量x1，x2，…，xm有關(guān)，該關(guān)系可以表達(dá)為

該式即為y關(guān)于x1，x2，…，xm的多元線性回歸方程。式中

β0，β1，β2，…，βm為待估的回歸系數(shù)。

通過將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶入多元線性回歸方程組，利用最小二乘法求解，則可以確定回歸系數(shù)。定義回歸總離差平方和及回歸平方和分別為

則考察多元回歸方程回歸效果的重要指標(biāo)復(fù)相關(guān)系數(shù)R為

復(fù)相關(guān)系數(shù)是因變量和方程中自變量的線性關(guān)系密切程度的表現(xiàn)，其值范圍是［0，1］，復(fù)相關(guān)系數(shù)越接近1表示這種關(guān)系越好。

4 工程實(shí)例

本文以上海市某海堤為例。該海堤為一線海堤，處在長(zhǎng)江入?？谀习逗秃贾轂橙牒？诒卑?，全長(zhǎng)約60 km，受臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的影響較為頻繁。

4.1二維可視化開發(fā)及數(shù)據(jù)管理

在二維可視化功能開發(fā)之初，需首先完成二維海堤GIS模型的建立。利用Google公司開發(fā)的谷歌地球（Google Earth，GE）軟件截取海堤及其周圍的高清遙感影像圖并將其導(dǎo)入到ArcGIS中，再利用配準(zhǔn)工具（Georeferencing）將影像圖配準(zhǔn)。將配準(zhǔn)后的帶有空間坐標(biāo)信息的影像圖根據(jù)實(shí)際情況劃分為海堤、丁壩、海水面、堤內(nèi)渠道、堤內(nèi)沼澤地等地理信息類圖層以及滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)、潮位監(jiān)測(cè)點(diǎn)等監(jiān)測(cè)類圖層。在為每個(gè)圖層添加相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)并對(duì)圖形加以渲染之后，將整個(gè)地圖文件保存為“二維海堤模型.mxd”。

圖2 海堤二維可視化及屬性信息查詢Fig.22D visualization and attribute information inquiry of seawall

圖3 海堤二維可視化及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理Fig.32D visualization and monitoring data management of seawall

圖4 海堤三維可視化Fig.43D visualization of seawall

ArcGIS Engine為GIS系統(tǒng)的開發(fā)提供了一些功能非常強(qiáng)大的控件。在VS平臺(tái)上，調(diào)用ArcGIS Engine組件庫(kù)中的MapControl、ToolBarControl及TOCControl等控件并設(shè)置其屬性，利用C#編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種基本功能，如制圖板式的切換、各個(gè)控件之間的連接、鷹眼、狀態(tài)欄中坐標(biāo)信息與比例尺的實(shí)時(shí)顯示等，完成整體框架的構(gòu)建。

在系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊“可視化功能模塊”按鈕，加載“二維海堤模型.mxd”文件即可看到二維海堤安全監(jiān)測(cè)視圖。在二維可視化中，系統(tǒng)豐富的工具欄除了具有對(duì)海堤地圖的縮放、移動(dòng)、識(shí)別、全范圍顯示、圖層管理等功能之外，還可以實(shí)現(xiàn)海堤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息的查詢，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、編輯以及搜索等，并可以超鏈接到現(xiàn)場(chǎng)圖片、海堤管理中心網(wǎng)站等。例如，將系統(tǒng)中的識(shí)別（Identify）按鈕點(diǎn)擊到海堤堤身處，即可顯示海堤基本監(jiān)測(cè)信息，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置、海堤基本概況等（圖2）。

除了具有基本屬性信息的管理功能，在二維可視化中還可以實(shí)現(xiàn)海堤監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢。通過點(diǎn)擊系統(tǒng)菜單欄里的數(shù)據(jù)查看功能按鈕或者直接點(diǎn)擊具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均可以看到該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新、編輯、導(dǎo)出等功能。例如在該海堤的安全監(jiān)測(cè)中，潮位監(jiān)測(cè)是靠豎立在丁壩附近的水尺，點(diǎn)擊該潮位監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，可以查看到的該測(cè)點(diǎn)的潮位數(shù)據(jù)值（圖3）。

4.2 三維可視化開發(fā)及數(shù)據(jù)管理

ArcScene是ArcGIS三維分析模塊的一部分，它具有管理和編輯三維GIS數(shù)據(jù)、創(chuàng)建3D圖層、進(jìn)行3D分析等功能。在ArcScene中，首先將采集到的海堤周圍地形高程信息與配準(zhǔn)后的影像圖相結(jié)合生成三維起伏地形，并制作海堤和丁壩等建筑物的三維模型［8］，保存為“三維海堤模型.sxd”文件。

三維可視化的開發(fā)是在基于VS平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)窗體上分別添加TOCControl、SceneControl及OpenFileDia?log等控件，并為菜單（MenuStrip）控件添加例如Click等相應(yīng)的事件，每個(gè)事件對(duì)應(yīng)的功能同樣通過C#編程實(shí)現(xiàn)，開發(fā)出一個(gè)可以加載三維地圖文檔并對(duì)地圖進(jìn)行操作的程序（圖4）。

三維可視化與二維可視化相比，可以更加直觀真實(shí)地實(shí)現(xiàn)海堤所在場(chǎng)景的瀏覽，方便對(duì)整個(gè)海堤周圍的地形有全面清晰的了解。如通過三維可視化程序工具條中的動(dòng)畫導(dǎo)航（Navigate）功能可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察，旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還可以進(jìn)行縮放；而選擇了飛行（Fly）工具后，鼠標(biāo)將變成一只小鳥的形狀，可以通過鼠標(biāo)的移動(dòng)控制其飛行方向和速度，利用視角、場(chǎng)景屬性、地理位置以及時(shí)間等的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的飛行瀏覽。在三維可視化中仍然可以通過點(diǎn)擊查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按鈕或直接點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接，隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖5 多元統(tǒng)計(jì)回歸擬合曲線Fig.5Multivariate statistical regression curve

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析模塊

建模分析模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海堤滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析預(yù)報(bào)。本文以多元統(tǒng)計(jì)回歸模型為例，在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中點(diǎn)擊“數(shù)學(xué)建模”功能按鈕即可進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)回歸建模分析。該模塊能夠調(diào)用指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并輸出建模分析結(jié)果。

建立回歸關(guān)聯(lián)模型時(shí)，最重要的是確立模型結(jié)構(gòu)即因變量和自變量因子形式。本文選取上海某海堤2004年10月1日～2004年10月6日共144組樣本進(jìn)行建模。以滲壓S作為因變量，以前期潮位Hp和時(shí)效t作為主要影響因素。根據(jù)函數(shù)的冪級(jí)數(shù)展開思想和大壩監(jiān)測(cè)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，選用前期潮位Hp的1～4次冪函數(shù)及監(jiān)測(cè)時(shí)間序列t的1～3次冪函數(shù)作為初選因子［9］。經(jīng)回歸計(jì)算，得到最終模型為

其中模型復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.9801，剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.017 7（高程m），可見擬合效果很好（圖5）。利用該模型對(duì)后期24 h的滲壓值進(jìn)行預(yù)測(cè)，24個(gè)預(yù)測(cè)值與后期實(shí)測(cè)對(duì)比相對(duì)誤差為1.36%，效果較理想。

5 結(jié)論

本文以上海某海堤為例，在VS平臺(tái)上構(gòu)建了基于GIS的海堤可視化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（1）二維及三維可視化功能是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它使用戶更為直觀地了解海堤的基本狀況，如監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置、海堤所處環(huán)境等。

（2）系統(tǒng)具有較為完善的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，對(duì)海堤空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類管理，可較為便捷地實(shí)現(xiàn)各類信息的查詢、篩選和編輯。

（3）選取了合適的自變量因子及因子形式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)回歸模型建模，分析預(yù)測(cè)結(jié)果良好。除此之外，針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，還預(yù)留其他建模接口，便于擴(kuò)展。

（4）可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為海堤的運(yùn)行管理提供了支持平臺(tái)，對(duì)保障海堤的安全具有重要的意義。

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Development and application of seawall visual monitoring system

ZHANG Peng，HUANG Ming
（School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

As a special hydraulic structure,seawall is always affected by tides,typhoons and other factors.Its operating conditions are complicated.In this paper,combined with the characteristics of the seawall running,the seawall visual monitoring system on Visual Studio(abbreviation VS)platform by using C#programming language was developed on the basis of the powerful geographic information processing capabilities of ArcGIS and the rich component library of ArcGIS Engine.The mathematical modeling analysis module in this system can call real?time monitoring data to do some analysis and forecasting,which can keep abreast of the operational status and ensure the safety of the seawall.Project example proves that this system achieves 2D and 3D visualization of seawall safety monitoring well,and it also manages the spatial and attribute database,and security monitoring data systematically. The analysis and prediction results of the mathematical modeling and analysis module to the monitoring data are good.

seawall；visualization；safety monitoring；system development

TV 698.1

A

1005-8443（2014）06-0637-05

秦皇島港建成全國(guó)最大防風(fēng)抑塵墻

2013-11-13；

2013-11-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50979056）

張鵬（1988-），男，河南省駐馬店市人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)研究。

Biography：ZHANG Peng（1988-），male，master student.

本刊從秦皇島港股份有限公司獲悉，秦皇島港煤炭堆場(chǎng)防風(fēng)網(wǎng)主體及附屬配套設(shè)施工程已于2014年11月15日前全部完工。防風(fēng)網(wǎng)總長(zhǎng)度達(dá)5 038 m，成為國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的防風(fēng)網(wǎng)工程，其工藝達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。防風(fēng)網(wǎng)工程總投資近4億元，該工程歷時(shí)7 a，分期組織實(shí)施，一期工程在2008年10月建成投入使用，長(zhǎng)1 717 m，2012年6月再添764 m，分別位于堆場(chǎng)北側(cè)和東側(cè)。2014年新建防風(fēng)網(wǎng)2 557 m，位于煤三至五期及礦石堆場(chǎng)西側(cè)和煤五期堆場(chǎng)南側(cè)，對(duì)東港區(qū)最大的露天散貨堆場(chǎng)形成了“合圍”。目前，這座高23 m的鋼鐵長(zhǎng)城，防風(fēng)網(wǎng)板面積已超過11萬m2，可有效控制東港區(qū)煤炭和礦石堆場(chǎng)起塵、漂移、擴(kuò)散，彌補(bǔ)冬春兩季風(fēng)大、氣候干燥及灑水受限給防塵工作帶來的影響，提高東港區(qū)防塵能力。據(jù)衛(wèi)生環(huán)保部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，自防風(fēng)網(wǎng)發(fā)揮作用以來，整個(gè)10月份，堆場(chǎng)邊界區(qū)域降塵較去年同期下降20.5%，TSP(總懸浮顆粒)同比下降27.3%，港口降塵能力得到顯著提升。（殷缶，梅深）