基于GIS的航電樞紐安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

肖亞子，邱山鳴，李守雷，周靖鴻，楊學(xué)彬，李 明

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410014；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

安全監(jiān)測工作貫穿水電工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理整個(gè)過程，是掌握監(jiān)測對(duì)象性態(tài)、預(yù)測其將來發(fā)展動(dòng)向、保證工程安全必備和有效的手段[1]。安全監(jiān)測信息系統(tǒng)，是將安全監(jiān)測資料及其與監(jiān)測資料分析有關(guān)的各種信息進(jìn)行綜合管理，是提高監(jiān)測技術(shù)人員數(shù)據(jù)處理、評(píng)價(jià)與應(yīng)用的重要工具。

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)應(yīng)用于安全監(jiān)測工程中，可以充分發(fā)揮它所具有的強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)可視化、信息管理和空間分析等功能。這已成為GIS應(yīng)用的一個(gè)新的發(fā)展方向。

作為近些年GIS發(fā)展的重要代表，傾斜攝影技術(shù)(Oblique Photography Technique)具有兼顧真實(shí)地貌展示與地理信息集成的優(yōu)勢(shì)，在工程建筑、城市三維數(shù)字模型創(chuàng)建中已有應(yīng)用[2-3]。

1 航電樞紐安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)采用3層架構(gòu)體系，由運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用管理層組成。系統(tǒng)的核心部分為數(shù)據(jù)層，運(yùn)行支撐層是整個(gè)監(jiān)測信息系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的保證，應(yīng)用管理層是信息系統(tǒng)用戶(訪問端)與服務(wù)器的交互操作體現(xiàn)。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

運(yùn)行支撐層為系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供可靠保證。嚴(yán)格按照國家有關(guān)保密政策的要求部署運(yùn)行。運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用硬件防火墻技術(shù)、身份認(rèn)證技術(shù)和加密數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具備漏洞掃描、入侵檢測、數(shù)據(jù)包過濾、防病毒、身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密和主機(jī)監(jiān)控等能力。同時(shí)建立高性能的服務(wù)器系統(tǒng)，支持海量信息存儲(chǔ)，支持高密集的信息計(jì)算，支持多用戶并發(fā)訪問、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠。對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)具有空間數(shù)據(jù)的安全高效存儲(chǔ)備份能力，并預(yù)留擴(kuò)展空間。

數(shù)據(jù)層是安全監(jiān)測信息系統(tǒng)的核心內(nèi)容，由空間數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測數(shù)據(jù)庫組成?？臻g數(shù)據(jù)庫主要包括點(diǎn)線面數(shù)據(jù)、三維傾斜攝影數(shù)據(jù)、儀器測點(diǎn)圖層、屬性數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)等；監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是監(jiān)測信息系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括系統(tǒng)管理信息、工程信息、原始測值信息、整編測值信息等信息。

應(yīng)用管理層主要包括系統(tǒng)用戶與服務(wù)器的交互操作(以網(wǎng)頁形式展示)，以及業(yè)務(wù)功能操作，為安全評(píng)價(jià)分析、安全決策提供依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能主要包括工程管理、數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理、可視化瀏覽以及系統(tǒng)管理共5個(gè)方面。通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與地理信息的結(jié)合，形成一個(gè)具有可視化功能的安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，各功能模塊的設(shè)計(jì)思路見圖2。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能模塊設(shè)計(jì)示意

2 航電樞紐安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)(WEB)服務(wù)器使用微軟互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)(IIS6.0)，后臺(tái)采用NODE.JS服務(wù)器環(huán)境。前、后端均采用Javascript語言開源框架，前后端交互使用Ajax方式。

2.1 系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

2.1.1操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是整個(gè)系統(tǒng)安全可靠的保證。我們選擇Microsoft Windows 2008 Server作為本系統(tǒng)項(xiàng)目的服務(wù)器操作系統(tǒng)。監(jiān)測信息系統(tǒng)的訪問端支持Windows、Mac OS等操作系統(tǒng)的谷歌Chrome開發(fā)環(huán)境的瀏覽器。

2.1.2監(jiān)測數(shù)據(jù)庫平臺(tái)

由于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的技術(shù)成熟，目前商業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件主要有：SQL SERVER、ORACLE、MYSQL等。因安全監(jiān)測數(shù)據(jù)在日積月累過程中將形成海量數(shù)據(jù)體態(tài)，從數(shù)據(jù)庫平臺(tái)穩(wěn)定性和應(yīng)用普遍程度看，SQL SERVER能夠滿足當(dāng)前及今后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。本系統(tǒng)選擇SQL SERVER 2008R2作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。

2.1.3空間數(shù)據(jù)庫及GIS應(yīng)用平臺(tái)

在利用GIS技術(shù)的系統(tǒng)中，需要利用已有的GIS基礎(chǔ)平臺(tái)，在已有平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)專業(yè)應(yīng)用功能，從國內(nèi)近幾年來建立GIS系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)看，一個(gè)好的系統(tǒng)一般都有一套非常適合于具體應(yīng)用的GIS平臺(tái)。為支持民族產(chǎn)業(yè)，本項(xiàng)目采用國產(chǎn)軟件超圖作為GIS支持平臺(tái)。

傾斜攝影模型集成了實(shí)景紋理和三維坐標(biāo)信息，通過在后處理過程中通過坐標(biāo)系設(shè)置可完成在世界級(jí)地理坐標(biāo)系(WGS84)、2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)等通用坐標(biāo)系內(nèi)的模型坐標(biāo)匹配。三維模型空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及在線發(fā)布采用超圖iServer 9D。

2.1.4開發(fā)工具

開發(fā)工具采用Visual Studio Code，用Javascript語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的前、后端代碼編寫。在超圖SuperMap 9D提供的接口基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化場景功能。

2.2 三維數(shù)字模型構(gòu)建及可視化實(shí)現(xiàn)

2.2.1模型構(gòu)建

采用哈瓦M(jìn)EGA-V8II1050型四軸八旋翼無人機(jī)，搭載“1垂直+4傾斜”五鏡頭相機(jī)對(duì)某航電樞紐工程執(zhí)行1∶500精度控制的傾斜攝影作業(yè)。使用自動(dòng)化建模軟件(CC、街景工廠、PhotoScan等)生產(chǎn)傾斜攝影三維數(shù)據(jù)，生成OSGB格式成果文件，完成傾斜攝影模型構(gòu)建。

采用超圖iDesktop軟件對(duì)傾斜攝影模型OSGB格式文件轉(zhuǎn)換成s3m格式并生成配置文件，使用超圖iServer服務(wù)完成傾斜攝影模型的加載和發(fā)布。

2.2.2可視化實(shí)現(xiàn)

作為開源三維地圖引擎杰出代表，Cesium無需安裝插件，在支持WebGL的瀏覽器環(huán)境內(nèi)均能創(chuàng)建三維虛擬地球和二維平面地圖[4]。因原生Cesium加載3DTiles格式文件時(shí)，范圍較大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)服務(wù)奔潰。考慮到傾斜攝影模型發(fā)布的流暢性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用超圖基于Cesium定制開發(fā)的的無插件三維地圖開發(fā)包(SuperMap WebGL 3D)，調(diào)用二次開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)可視化場景的加載和交互。

2.2.2.1 三維模型加載

超圖WebGL 3D開發(fā)包提供了s3m格式三維模型數(shù)據(jù)文件的加載接口——addS3MTilesLayerByScp，在Javascript語言環(huán)境中代碼實(shí)現(xiàn)如下：

var viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer'， {})

var promise = viewer.scene.addS3MTilesLayer-ByScp('http://服務(wù)器IP:端口號(hào)/iserver/services/3D-工作空間名稱/rest/realspace/datas/Config/config'， {name: '工程名稱'})

2.2.2.2 空間數(shù)據(jù)加載

采用超圖WebGL 3D的setQueryParameter空間數(shù)據(jù)加載接口，在Javascript語言環(huán)境中代碼實(shí)現(xiàn)如下：

Cesium.when(promise， function(layers) {

layers[0].setQueryParameter({

url:'http:// 服務(wù)器IP:端口號(hào)/iserver/services/data-工作空間名稱/rest/data'，

dataSourceName: '源數(shù)據(jù)集名稱'，

dataSetName: '數(shù)據(jù)表名稱'，

}

}

系統(tǒng)可視化場景界面見圖3。

圖3 某航電樞紐安全監(jiān)測信息系統(tǒng)可視化場景界面

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1工程管理

工程管理包括工程基礎(chǔ)信息以及測點(diǎn)、儀器信息的管理。其中，測點(diǎn)與儀器的配置管理是整個(gè)監(jiān)測信息系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，同時(shí)要考慮使用的簡單和功能的強(qiáng)大，界面設(shè)計(jì)與操作習(xí)慣盡量同施工過程以及實(shí)際的關(guān)聯(lián)關(guān)系相一致，并且在滿足基本信息存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，允許用戶擴(kuò)展要存儲(chǔ)的屬性信息，以便滿足未預(yù)見的新型儀器和測量項(xiàng)目的需要。系統(tǒng)以目錄樹并按各種分類的方式對(duì)測點(diǎn)與儀器進(jìn)行統(tǒng)一管理，并將測點(diǎn)與儀器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)與儀器的聯(lián)動(dòng)查詢。測點(diǎn)與儀器管理功能模塊中還包含測點(diǎn)與儀器的添加、刪除、編輯、刷新等功能，實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)儀器的統(tǒng)一管理。

2.3.2數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面管理和維護(hù)，包括測值查詢/顯示、數(shù)據(jù)維護(hù)、成果計(jì)算(手動(dòng))等功能模塊。實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的查詢方式、對(duì)原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行成果計(jì)算、瀏覽查詢結(jié)果和計(jì)算成果、新增及編輯測值等功能。

針對(duì)航電樞紐，常規(guī)監(jiān)測儀器和手段主要包括：滲壓計(jì)、測縫計(jì)、鋼筋計(jì)、土壓力計(jì)、視準(zhǔn)線觀測、水準(zhǔn)觀測、平面變形觀測等。針對(duì)以上內(nèi)、外觀監(jiān)測儀器及手段，定制具有通用性的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，以及圖形繪制模塊。同時(shí)預(yù)留普適性的自動(dòng)化數(shù)據(jù)接口，為自動(dòng)化數(shù)據(jù)接入提供條件。

此外，當(dāng)時(shí)各個(gè)圖書館為吸引社會(huì)力量的廣泛支持,自身所做的努力也是有目共睹的，如果除去社會(huì)人士的圖書捐贈(zèng)和建館捐款，僅僅依靠當(dāng)時(shí)的政府，圖書館是不可能有那么驚人的發(fā)展的。社會(huì)各界發(fā)展出了多種不同形式的參與方式，給予了社會(huì)大眾更多參與圖書館建設(shè)的可能，使熱情的民眾不會(huì)因?yàn)橥緩竭^少和門檻過高而被拒之于千里之外，形成了可觀的社會(huì)影響。當(dāng)時(shí)造成社會(huì)力量參與圖書館建設(shè)的因素，大部分現(xiàn)在依舊存在著，尤其是圖書館的財(cái)政狀況，盡管現(xiàn)在的財(cái)政比當(dāng)時(shí)有所改善，但是不可否認(rèn)地方圖書館依舊面臨著嚴(yán)峻的經(jīng)費(fèi)問題。面對(duì)這樣的狀況，圖書館需要一些契機(jī)將社會(huì)對(duì)圖書館的興趣激發(fā)出來，使它們轉(zhuǎn)向?qū)D書館有利的方向。

2.3.3報(bào)表管理

報(bào)表管理模塊包含三大功能，分別是過程線管理、特征值管理與報(bào)告管理。其中，過程線管理與特征值管理分別實(shí)現(xiàn)過程線(圖)與特征值(表)的編制、瀏覽與導(dǎo)出保存；報(bào)告管理模塊利用預(yù)設(shè)的報(bào)告模板實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)的報(bào)告數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與文檔的自動(dòng)生成。

2.3.4可視化瀏覽

空間可視化模塊后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)使用SuperMap iServer 9D進(jìn)行空間數(shù)據(jù)管理并發(fā)布空間數(shù)據(jù)服務(wù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)庫(基于Microsoft SQL Server)通過測點(diǎn)ID與空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)。三維傾斜攝影數(shù)據(jù)文件體量較大，可使用SuperMap iDesktop對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理壓縮并轉(zhuǎn)換成s3m格式，提升加載速度。

空間可視化瀏覽界面除了提供三維模型的基礎(chǔ)漫游，也可進(jìn)行測點(diǎn)測值查詢和瀏覽。在地圖上單擊相應(yīng)位置測點(diǎn)，可根據(jù)用戶選擇顯示歷時(shí)過程線、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、測點(diǎn)信息等。

2.3.5系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要包括對(duì)整個(gè)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的配置和維護(hù)。系統(tǒng)針對(duì)不同的用戶可設(shè)置不同的權(quán)限，對(duì)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的安全管理。同時(shí)添加系統(tǒng)操作日志，可追溯非法操作行為。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于GIS的航電樞紐安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，結(jié)合傾斜攝影技術(shù)建立樞紐區(qū)的三維數(shù)字模型，在微觀和宏觀上實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測儀器的可視化管理。主要特點(diǎn)如下：

(1)開發(fā)了適用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊，覆蓋了航電工程的各種監(jiān)測類型，為安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、資料提供了高效的信息化管理手段。

(2)采用傾斜攝影技術(shù)建立了整個(gè)樞紐工程的三維數(shù)字模型，1∶500的高精度控制可以滿足樞紐區(qū)真實(shí)三維場景呈現(xiàn)，為監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)、增補(bǔ)及查詢提供有力的可視化技術(shù)支撐。

(3)采用國產(chǎn)GIS軟件SuperMap，建立了航電樞紐工程的空間數(shù)據(jù)庫。結(jié)合Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，將空間信息與屬性信息進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全監(jiān)測儀器的空間信息與屬性信息的統(tǒng)一管理。

(4)通過系統(tǒng)的可視化功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)樞紐區(qū)外部建筑物和監(jiān)控對(duì)象的總貌、監(jiān)控布局架構(gòu)總貌、監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷時(shí)曲線圖等的實(shí)時(shí)瀏覽和查詢，顯著提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和管理效率。

(5)軟件前、后端均采用主流開源框架，為后續(xù)運(yùn)行維護(hù)以及功能拓展奠定了良好基礎(chǔ)。