基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量與組件式GIS的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)研究

閆靜杰 田廙 閻波杰

摘 要：為及時(shí)準(zhǔn)確地提供邊坡變形信息，基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量監(jiān)測數(shù)據(jù)和GPS實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合SuperMap Objects .NET 6R組件、SQL Server 2005和 SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)，利用C#編程語言和ADO.NET開發(fā)邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，并以具體案例進(jìn)行應(yīng)用研究。介紹了系統(tǒng)目標(biāo)、邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能模塊、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和案例分析。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了GIS基本功能、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)交換功能，能監(jiān)測點(diǎn)位變化、坐標(biāo)點(diǎn)動態(tài)變化、預(yù)測模型及點(diǎn)位預(yù)測折線圖顯示、坐標(biāo)變化結(jié)果。研究結(jié)果可為滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、管理、決策等提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：數(shù)字?jǐn)z影測量；變形監(jiān)測；SuperMap；地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測

DOIDOI：10.11907/rjdk.181153

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）010-0097-05

英文摘要Abstract：In order to provide timely and accurate slope deformation information，combined with SuperMap Objects.NET 6R component，SQL Server 2005 and SuperMap SDX spatial data，a slope monitoring system was developed and applied in a specific case by using C# programming language and ADO.NET based on close range digital photogrammetry monitoring data and GPS measured data.This paper introduced the system target，slope monitoring database design，system function modules，key technology and case analysis of the system implementation.The system mainly realized the basic functions of GIS，database function and data exchange，and it could monitor point change，coordinate point dynamic change，prediction model and point prediction，broken line diagram，coordinate change result display，etc.The research results could provide technical support for monitoring，management and decision-making of landslide，collapse，debris flow and other geological disasters.

英文關(guān)鍵詞Key Words：digital photogrammetry； deformation monitoring； SuperMap； geological disaster prediction

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在眾多高層建筑、水利水電設(shè)施、礦山、港口、高速公路、鐵路和能源工程等工程項(xiàng)目的建設(shè)過程中或建成后的運(yùn)營期內(nèi)，形成了大量邊坡工程[1]。邊坡在各種因素影響下有可能形成滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，需要通過各種手段對邊坡進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害，以避免損失。在各種變形監(jiān)測過程中，需要對能最大程度反映變形體變形位置的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，但監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量眾多；為進(jìn)行有效變形分析，還需要大量周期性監(jiān)測，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)量巨大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)管理和處理分析非常復(fù)雜繁瑣，且很容易出錯[2-4]。針對上述問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者致力于研發(fā)數(shù)據(jù)采集、開發(fā)管理和分析于一體的監(jiān)測管理系統(tǒng)，并取得了一定成果。如高波[5]針對三峽庫區(qū)高切坡穩(wěn)定性評價(jià)與工程治理開發(fā)的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)系統(tǒng)，陳曉鵬等[6]采用 VC++編程語言和軟件工具及 SQL Server 2000 研發(fā)了邊坡數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)。Matveenko等[7]研究了基于光纖傳感器的地表形變自動化監(jiān)測系統(tǒng)。許博[8]開發(fā)了基于GPS的礦山邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動實(shí)現(xiàn)邊坡表面位移監(jiān)測、內(nèi)部位移監(jiān)測、斷面分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測量統(tǒng)計(jì)分析和監(jiān)測預(yù)測報(bào)警等功能。Vaziri等[9]研究了適用于高邊坡和露天煤礦的自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并給出了評價(jià)監(jiān)測系統(tǒng)有效性和可靠性指標(biāo)的方法。吳浩等[10]利用GNSS/GIS集成技術(shù)設(shè)計(jì)與研發(fā)了一套快速化、高精度、智能化的露天礦邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Ω哌吰伦冃芜M(jìn)行實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測。

數(shù)字近景攝影測量技術(shù)具有不需要直接接觸被監(jiān)測對象及不傷及被測物體、采集數(shù)據(jù)速度快、精度高且易存儲、信息容量大、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)[11]，比較適用于測量各種邊坡，尤其是一些人工難以到達(dá)或危險(xiǎn)地區(qū)的監(jiān)測，如對危巖體臨空陡壁裂縫監(jiān)測或滑坡地表位移觀測[12-13]。但目前基于普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景數(shù)字?jǐn)z影測量開展邊坡監(jiān)測的相關(guān)系統(tǒng)研究還比較少見。因此，本文基于SuperMap Objects .NET 6R組件，結(jié)合SQL Server 2005和 SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)引擎，研究基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量獲得的影像數(shù)據(jù)有效存儲和管理，并利用C#編程語言和ADO.NET，進(jìn)行邊坡監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)，以期為滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、決策、管理等提供技術(shù)依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

建立基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量和組件式GIS的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要研究目標(biāo)包括：①實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測的各種影像數(shù)據(jù)和GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)一體化管理；②快速讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)、表達(dá)點(diǎn)位變化及動態(tài)變化；③將點(diǎn)與影像、點(diǎn)與圖、圖與數(shù)據(jù)結(jié)合形成高效預(yù)測理論分析模型，并結(jié)合多種預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)邊坡變形預(yù)測；④利用預(yù)測理論對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新、分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測信息的高效管理和利用，系統(tǒng)可有效縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，直觀顯示數(shù)據(jù)變化情況，并可利用多預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測分析。

1.2 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫主要由硬件、軟件、登陸用戶、變形監(jiān)測矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)等構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫有2種數(shù)據(jù)：柵格數(shù)據(jù)（近景數(shù)字?jǐn)z影測量拍攝的影像數(shù)據(jù)）和矢量數(shù)據(jù)（布控的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)和GPS監(jiān)測的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)）。利用SQL Server 2005 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和 SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的高效存儲和管理?？臻g數(shù)據(jù)庫采用SuperMap SDX建庫模式，實(shí)現(xiàn)矢、柵數(shù)據(jù)一體化存儲，邏輯層使用SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)訪問，并使用JDBC/ODBC技術(shù)管理屬性數(shù)據(jù)，從而真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效集成。

通過邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)一體化管理，操作簡單便捷，能使基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量獲得的監(jiān)測點(diǎn)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為關(guān)系型數(shù)據(jù)，并存儲到SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過加工后得到tiff影像數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)交換與錄入功能導(dǎo)入系統(tǒng)。GPS控制測量的矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為E00，同樣可以通過數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)導(dǎo)入基本流程如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)功能模塊

基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量與組件式GIS的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)利用SuperMap Objects .NET 6R組件并結(jié)合SQL Server 2005 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和 SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)對邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)高效存儲和管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、預(yù)測分析等，并建立一個完整的近景數(shù)字?jǐn)z影測量的邊坡監(jiān)測決策支持系統(tǒng)。根據(jù)具體業(yè)務(wù)性質(zhì)分類，系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測點(diǎn)位變化、坐標(biāo)動態(tài)變化、點(diǎn)位預(yù)測、坐標(biāo)變化結(jié)果顯示、繪制地圖和幫助。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)快速獲取及處理

監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)獲取，本文數(shù)據(jù)采集工具為1 200萬像素佳能5D普通定焦單反數(shù)碼相機(jī)。由于數(shù)碼相機(jī)為非量測相機(jī)，其內(nèi)方位元素與鏡頭畸變系數(shù)未知。為了獲得高精度的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，須對數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行幾何檢校以獲取誤差改正系數(shù)[14-16]。幾何檢校采用攝影測量的空間后方交會方法，其數(shù)學(xué)模型以像點(diǎn)坐標(biāo)為觀測值，解求相機(jī)內(nèi)外方位元素、畸變系數(shù)以及其它附加參數(shù)[16]?；跈z校后的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影測量以獲得立體像對，在此基礎(chǔ)上基于全數(shù)字?jǐn)z影測量站（DPW）進(jìn)行內(nèi)業(yè)立體測圖，對獲取的近景立體像對進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)字定向，并在地面近景攝影測量大地坐標(biāo)系中進(jìn)行絕對定向后，采集DPW邊坡監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)[15-16]。

數(shù)據(jù)處理的另一個關(guān)鍵是數(shù)字?jǐn)z影測量影像快速配準(zhǔn)，影像配準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)是將利用數(shù)字?jǐn)z影測量影像數(shù)據(jù)與通過GPS監(jiān)測獲得的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確匹配，地圖配準(zhǔn)一般采用線性配準(zhǔn)、矩形配準(zhǔn)和二項(xiàng)式配準(zhǔn)，其中線性配準(zhǔn)主要針對影像、地形圖和照片在X、Y方向上的位移變換，矩形配準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上是一種有一定條件的線性配準(zhǔn)[17-18]，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了線性配準(zhǔn)和矩形配準(zhǔn)。

2.5 組件式GIS技術(shù)

組件式GIS是指基于組件對象平臺，以一組具有某種標(biāo)準(zhǔn)接口、允許跨語言應(yīng)用的組件提供基本功能的GIS，它是面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件式軟件在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用[26-27]，其基本思想是：將GIS的各大功能模塊劃分為幾個控件，不同功能由不同控件完成，各個GIS 控件之間以及GIS 控件與其它非GIS 控件之間，可以通過可視化軟件開發(fā)工具集成，形成最終的GIS 應(yīng)用[27]。

SuperMap Objects .NET 6R是SuperMap GISUniversal 系列軟件的基礎(chǔ)開發(fā)平臺之一，是基于.NET 技術(shù)的組件式GIS 開發(fā)平臺，適用于.NET 平臺上的專業(yè)GIS 應(yīng)用系統(tǒng)的快速開發(fā)，采用C++/CLI 構(gòu)建，既具備了.NET組件的優(yōu)秀特性，又保證了GIS 軟件運(yùn)行的高效率[28-29]。SuperMap Objects .NET 6R的主要特點(diǎn)是[30]：①完全兼容SuperMap GIS 5 及以上版本的數(shù)據(jù)格式和XML工作空間；②結(jié)合高運(yùn)行效率的UGC內(nèi)核和.NET 環(huán)境中高開發(fā)效率；③更加合理地劃分組件。

因此，本文選用Super Map Objects .NET 6R作為地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺，采用C#編程語言作為開發(fā)語言，采用SQL Server2005和 SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)為引擎數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

3 案例分析

本文以某建筑用地邊坡為例，基于Super Map Objects .NET 6R組件，結(jié)合SQL Server 2005和 SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)引擎，利用C#編程語言開發(fā)了邊坡監(jiān)測系統(tǒng)。其中，圖2中白色背景、黑色中心的圓點(diǎn)是布置的監(jiān)測點(diǎn)，并以該案例為例展示了監(jiān)測點(diǎn)X和Y方向上的變化統(tǒng)計(jì)（見圖3）、監(jiān)測點(diǎn)X和Y方向動態(tài)變化（見圖4）、點(diǎn)坐標(biāo)折線圖與監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)折線圖對比分析（見圖5）。

監(jiān)測點(diǎn)位變化功能可以繪制監(jiān)測點(diǎn)X和Y方向位移變化情況，通過監(jiān)測點(diǎn)各方向的變化曲線可以直觀地看出各方向坐標(biāo)位移情況，如圖3所示；還可以通過對點(diǎn)的動態(tài)變化圖分析，選擇預(yù)測模型開展監(jiān)測點(diǎn)預(yù)測，動態(tài)折線圖與預(yù)測模型折線圖相結(jié)合使分析結(jié)果更加精確，提高預(yù)測分析質(zhì)量。動態(tài)監(jiān)測點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算方法是利用不同時(shí)段的坐標(biāo)計(jì)算坐標(biāo)差，并把結(jié)果坐標(biāo)另存于變化表中，坐標(biāo)差值也可以在動態(tài)變化圖中顯示坐標(biāo)的變化曲線，如圖4所示。

通過灰色理論模型、三次指數(shù)平滑模型和二階差分指數(shù)模型實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)測，并對預(yù)測模型的結(jié)果進(jìn)行對比。點(diǎn)位預(yù)測折線圖的主要功能是利用預(yù)測點(diǎn)折線圖與監(jiān)測點(diǎn)折線圖作對比分析、預(yù)測結(jié)果的實(shí)用性，并判斷預(yù)測結(jié)果是否精確，如圖5所示。

通過坐標(biāo)變化結(jié)果可以查看動態(tài)變化數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)和在間隔一段時(shí)間內(nèi)的位移情況，并通過多點(diǎn)位移情況收集監(jiān)測點(diǎn)變化情況，利用對點(diǎn)位移變化判斷監(jiān)測點(diǎn)危險(xiǎn)系數(shù)。位移變化大小與危險(xiǎn)系數(shù)成正比。同一點(diǎn)的變化情況在不同預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果不一樣，所以通過對比預(yù)測模型計(jì)算的坐標(biāo)與原始坐標(biāo)，計(jì)算預(yù)測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的誤差，并通過對誤差的判斷選取最佳預(yù)測模型，誤差越小預(yù)測結(jié)果越準(zhǔn)確。結(jié)果數(shù)據(jù)可以保存在Excel表中，以便查詢。

4 結(jié)語

本文基于近景數(shù)字?jǐn)z影測量監(jiān)測數(shù)據(jù)、GPS實(shí)測數(shù)據(jù)以及Super Map Objects .NET 6R組件，結(jié)合SQL Server 2005和 SuperMap SDX空間數(shù)據(jù)引擎，利用C#編程語言開發(fā)了邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，并以實(shí)際案例進(jìn)行應(yīng)用分析。系統(tǒng)最大特點(diǎn)是使用近景攝影測量數(shù)據(jù)進(jìn)行邊坡監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖表、圖像一體化操作與管理，Excel表與SQL Server數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交換，各監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間與各方向變量折線圖的繪制與輸出。監(jiān)測點(diǎn)和預(yù)測點(diǎn)各方向變量在時(shí)間上的對比有助于快速準(zhǔn)確地描述監(jiān)測點(diǎn)動態(tài)變化情況并驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果。系統(tǒng)可進(jìn)行多預(yù)測模型分析對比，并可將變形分析成果以Excel、圖形報(bào)表等形式顯示、輸出。但系統(tǒng)也存在不足，如不能智能化識別影像監(jiān)測點(diǎn)，只能通過VirtuoZo或JX-4C數(shù)字?jǐn)z影測量軟件進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)識別和提取，需要后續(xù)進(jìn)一步研究解決。

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（責(zé)任編輯：江 艷）