臨江岸坡監(jiān)測信息系統(tǒng)開發(fā)及監(jiān)控模型研究

劉超 黃銘 舒星

摘要：針對臨江岸坡監(jiān)測項目多、監(jiān)測點分布廣、可視化程度低、需要實時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理等特點，利用Visual Studio平臺開發(fā)了具有二維、三維地理信息可視化和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及預(yù)測的臨江岸坡安全監(jiān)測信息系統(tǒng)。在CIS平臺下分別利用TIN表面和柵格表面兩種建模方法建立了臨江岸坡的三維地理信息模型。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，利用VB語言構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析預(yù)測。通過建立Access數(shù)據(jù)庫，將大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)如位移、滲壓、雨量等進行匯總，方便管理。工程實例證明，該信息系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了岸坡安全監(jiān)測中的二維、三維可視化顯示，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)管理，數(shù)學(xué)建模分析模塊可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效分析預(yù)測。

關(guān)鍵詞：臨江岸坡；可視化；建模分析；監(jiān)測信息系統(tǒng)開發(fā)

中圖分類號：TV871.4

文獻標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.010

岸坡失穩(wěn)破壞是岸坡治理工程中經(jīng)常遇見的災(zāi)害之一。隨著人類活動的日益頻繁，工程岸坡穩(wěn)定問題越來越突出。岸坡的治理涉及范圍廣，管理難度較大，河流兩岸往往分布著眾多城市，人口密度大，一旦發(fā)生岸坡失穩(wěn)破壞，往往導(dǎo)致較大的生命財產(chǎn)損失。目前岸坡治理存在許多問題，如防洪標(biāo)準(zhǔn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、岸坡年久失修、缺乏對岸坡的長期監(jiān)測以及對監(jiān)測資料的分析處理。

岸坡安全監(jiān)測是依據(jù)布置在岸坡中各部位的大量監(jiān)測儀器設(shè)備來產(chǎn)生時序數(shù)據(jù)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理、計算、分析來了解岸坡的工作狀態(tài)，保障其安全運行。一般情況下，岸坡上布置的監(jiān)測點較多，監(jiān)測項目比較繁雜，監(jiān)測部位空間分布較廣，形成了復(fù)雜的空間監(jiān)測體系，各監(jiān)測點采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)量很大。因此，有必要開發(fā)岸坡安全監(jiān)測信息系統(tǒng)，實現(xiàn)岸坡安全監(jiān)測的實時分析和可視化顯示，為采取及時有效的防范措施提供條件。

本文基于安全監(jiān)控系統(tǒng)，便捷應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立監(jiān)控模型，揭示在水位、降雨等影響下岸坡位移、滲壓變化規(guī)律，預(yù)測岸坡位移、滲壓變化趨勢。采用ArcGIS Engine和C#程序相結(jié)合的開發(fā)手段，在VisualStudio平臺上，根據(jù)岸坡安全監(jiān)測的特點，研究建立安全監(jiān)測信息系統(tǒng)，開發(fā)空間數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理以及分析結(jié)果可視化等功能，實現(xiàn)岸坡安全監(jiān)測的信息化、可視化和系統(tǒng)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

臨江岸坡安全監(jiān)測信息系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、二維及三維地理數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)等。邏輯層在VS開發(fā)平臺上，利用ArcGIS Engine組件和C#編程語言建立各功能模塊并實現(xiàn)各模塊之間的關(guān)聯(lián)。應(yīng)用層可以實現(xiàn)用戶對監(jiān)測系統(tǒng)的交互式應(yīng)用。

1.2 功能設(shè)計

系統(tǒng)的功能主要有：系統(tǒng)簡介，監(jiān)測點周邊地形二維、三維可視化，監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析預(yù)測。其中：系統(tǒng)簡介模塊可以使用戶方便快捷地了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能：可視化模塊可以實現(xiàn)對二維和三維臨江岸坡周邊地形、地貌的瀏覽；數(shù)據(jù)管理分析模塊可以進行屬性信息和監(jiān)測信息管理以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的調(diào)用、更新和維護：數(shù)據(jù)管理分析模塊能夠?qū)ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)進行建模分析及預(yù)測。系統(tǒng)功能模塊如圖l所示。

2 監(jiān)控模型研究

目前，T程監(jiān)測中數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)建模分析方法有很多種，如灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、統(tǒng)計模型等。臨江岸坡安全監(jiān)測的主要項目包括位移、水位、滲壓及雨量等。臨江岸坡監(jiān)測因其監(jiān)測項目多，各監(jiān)測項目之間有一定的相關(guān)關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有白組織、白適應(yīng)和自學(xué)能力，特別適合處理需要同時考慮許多因素和條件的問題。結(jié)合二者的特點，針對BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析方法的基本理論及其在臨江岸坡安全監(jiān)測中的應(yīng)用進行研究?；綛P算法包括兩個方面：信號的前向傳播和誤差的反向傳播，即計算實際輸出時按從輸入到輸出的方向進行，而權(quán)值和閾值的修正從輸出到輸入的方向進行。BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。圖2中：xi為輸入層第i個節(jié)點的輸入變量，i=l，…，M；wn為隱含層第i個節(jié)點到輸入層第i個節(jié)點之間的權(quán)值，i=1，…，q；θ。為隱含層第i個節(jié)點的閾值：Φ（x）為隱含層的激勵函數(shù)；Wki為輸出層第k個節(jié)點到隱含層第i個節(jié)點之間的權(quán)值，k=l，…，L；ak為輸出層第k個節(jié)點的閾值：ψ（x）為輸出層的激勵函數(shù)；0k為輸出層第k個節(jié)點的輸出變量。

2.1 信號的前向傳播

隱含層第i個節(jié)點的輸出變量為式中：nef，為隱含層第i個節(jié)點的輸入變量。

輸出層第k個節(jié)點的輸出變量為式中：netk為輸出層第k個節(jié)點的輸入變量。

2.2 誤差的反向傳播

誤差的反向傳播，即首先由輸出層開始逐層計算各層神經(jīng)元的輸出誤差，然后根據(jù)誤差梯度下降法來調(diào)節(jié)各層的權(quán)值和閾值，使修改后網(wǎng)絡(luò)的最終輸出能接近期望值。對于每一個樣本p的二次型誤差準(zhǔn)則函數(shù)為系統(tǒng)對P個訓(xùn)練樣本的總誤差準(zhǔn)則函數(shù)為

根據(jù)誤差梯度下降法依次改變輸出層權(quán)值的修正量△wki、輸出層閾值的修正量△ak、隱含層權(quán)值的修正量△wij、隱含層閾值的修正量△θi：最后得到

3 安全監(jiān)測信息系統(tǒng)構(gòu)建過程

安全監(jiān)測信息系統(tǒng)構(gòu)建過程如下。

（1）構(gòu)建ArcGIS模型。利用ArcGIS分別構(gòu)建TIN模型及柵格模型。TIN模型是由矢量數(shù)據(jù)建立的，矢量要素包括點要素、線要素和多邊形要素等，要求要素必須具有Z值（高程）。在建立柵格模型時，通過與三維建模軟件Sketch Up結(jié)合，給地形加入真實紋理，使其更好地展現(xiàn)監(jiān)測位置真實地貌。

（2）構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)各監(jiān)測項之間的內(nèi)在聯(lián)系，選用與輸出因子關(guān)系密切的因子作為輸入因子，以前文BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方法構(gòu)建預(yù)測模型，利用VB語言編程實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的計算。

（3）應(yīng)用Visual Studio平臺，結(jié)合C#語言開發(fā)具有二維、三維地理信息可視化和監(jiān)測點監(jiān)測信息管理及預(yù)測的安全監(jiān)測信息系統(tǒng)。

4 工程實例

以某江堤崩岸監(jiān)測為例，構(gòu)建臨江岸坡安全監(jiān)測信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對崩岸周邊地形的可視化顯示以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理及分析。

4.1 臨江岸坡ArcGIS模型建立

4.1.1 利用Arc GIS構(gòu)建TIN模型

在ArcGIS平臺上利用TIN表面建立臨江岸坡的二維地理信息模型。選取適當(dāng)大小的建模區(qū)域，對建模區(qū)域進行矢量化，矢量化的圖層包括監(jiān)測點.道路、河道、江堤等。輸入各圖層的屬性信息，其中包括監(jiān)測項目、監(jiān)測點位置、深度等信息。通過高程信息的輸人生成地形TIN模型。

4.1.2 利用Arc GIS及SketCh Up構(gòu)建柵格模型

將構(gòu)建好的TIN模型導(dǎo)人三維設(shè)計軟件SketchUp，給模型添加紋理，使模型更真實地展現(xiàn)臨江岸坡周邊地形情況。將帶有真實紋理的三維柵格模型導(dǎo)出為Arc SCene可以識別的.mdb格式文件，在ArcSCene中顯示。

4.2 系統(tǒng)可視化模塊構(gòu)建

4.2.1 臨江岸坡二維可視化

在VS平臺上，調(diào)用ArcGIS Engine組件庫中的MapControl、ToolBarControl及TOCControl等控件并設(shè)置其屬性，利用C#編程實現(xiàn)系統(tǒng)各個控件之間的鏈接以及鷹眼、狀態(tài)欄中坐標(biāo)信息與比例尺的實時顯示等功能，完成整體框架的構(gòu)建。其中臨江岸坡二維可視化如圖3所示。

4.2.2 臨江岸坡三維可視化

基于VS平臺，在三維可視化窗體上分別添加相關(guān)控件，并為控件添加相應(yīng)的事件，最終實現(xiàn)臨江岸坡三維可視化顯示（見圖4）。三維可視化與二維可視化相比，可以更加直觀地實現(xiàn)對臨江岸坡場景的瀏覽。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析模塊構(gòu)建

4.3.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)管理與分析模塊

添加數(shù)據(jù)管理與分析模塊窗體，通過VS平臺提供的DataGridView控件，使監(jiān)測系統(tǒng)與外部的Access數(shù)據(jù)庫建立鏈接，主要有位移數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)、滲壓數(shù)據(jù)及水位數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)管理與分析模塊窗體上添加數(shù)據(jù)分析控件，通過C#語言使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與數(shù)據(jù)分析控件建立鏈接，實現(xiàn)系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析及預(yù)測。數(shù)據(jù)管理與分析模塊界面見圖5。

4.3.2 模型預(yù)測成果分析

將時間、水位、前期雨量（前5d累計）作為輸入因子，臨江岸坡位移及滲壓作為輸出因子，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用VB語言實現(xiàn)模型計算。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算界面見圖6。

以2015年7月25日至8月14日這一時段為例，采用前文所述建模方法建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模型，根據(jù)實測信息每天取1個訓(xùn)練樣本點，共21個樣本點。通過構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的比較，求得位移擬合相對誤差△位移擬合=3.5%，滲壓擬合相對誤差A(yù)滲壓擬合=0.3%。對后3d位移、滲壓進行預(yù)測，位移預(yù)測相對誤差△位移預(yù)測=1.5%，滲壓預(yù)測相對誤差A(yù)滲壓預(yù)測=1.7%，預(yù)測效果較好。其擬合及預(yù)測曲線分別見圖7、圖8。

5 結(jié)語

結(jié)合某臨江岸坡監(jiān)測項目，基于GIS與VS平臺構(gòu)建了岸坡可視化安全監(jiān)測信息系統(tǒng)。

（1）通過二維及三維可視化模塊的建立，使用戶更加直觀地了解監(jiān)測設(shè)置情況及周邊地貌。

（2）系統(tǒng)具有較為完善的數(shù)據(jù)庫管理功能，對監(jiān)測區(qū)域及周邊地形空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)分類存儲，使用戶較為方便地實現(xiàn)對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理。

（3）以某一監(jiān)測時段為例，選取了與位移、滲壓較密切的時間、水位及前期雨量等監(jiān)測數(shù)據(jù)作為輸入因子，構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過訓(xùn)練結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較，證明模型精度較高，取得了較好的位移、滲壓預(yù)測效果。所建模型可投人生產(chǎn)應(yīng)用，作為臨江岸坡安全管理決策的重要支撐。

（4）該安全監(jiān)測信息系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了岸坡監(jiān)測的可視化、信息化及系統(tǒng)化，為臨江岸坡的運行管理提供了支持平臺。