基于3DGIS-ARK平臺的萬安大壩安全監(jiān)測智能系統(tǒng)設計與應用

雷蘇琪，劉 兵，胡斌斌

(1.國家能源集團江西電力有限公司 萬安水力發(fā)電廠，江西 萬安 343800； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 3.長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010； 4.湖北省水利信息感知與大數(shù)據(jù)工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、無人機、虛擬現(xiàn)實等新技術的逐漸成熟，其相關應用為大壩安全監(jiān)測的智慧化管理提供了技術支持。在大壩安全監(jiān)測中，可直觀表達的三維可視化以及監(jiān)測資料的管理和分析都是智慧化大壩管理的重要內(nèi)容?；谌S可視化的安全監(jiān)測資料管理，能夠全方位直觀表現(xiàn)監(jiān)測對象的整體工作性態(tài)和監(jiān)測量的變化趨勢[1]，是大壩智能系統(tǒng)研究的重要方向之一。鄭敏等[2]以三峽大壩泄洪壩段為對象開發(fā)了大壩安全監(jiān)測可視化系統(tǒng)，陳軍[3]介紹了大壩三維可視化系統(tǒng)以及相關的資料分析功能，蘇海濤[4]提出了在大壩可視化場景中監(jiān)測方法的實施。

隨著三維可視化技術的發(fā)展以及BIM+GIS技術的應用，大壩的可視化建設也趨向于多數(shù)據(jù)源化、平臺化。楊明奇等[5]使用Cesium和Geoserver融合構(gòu)建了地址數(shù)據(jù)形變監(jiān)測可視化，楊陽等[6-7]研究了多維度的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)圖形化方法，建立了多維的信息可視化場量，實現(xiàn)了監(jiān)測信息的多方位可視化表達。周志浩等[8]進行了BIM模型與變形監(jiān)測可視化表達的適應性分析。

本文結(jié)合萬安大壩安全監(jiān)測智能系統(tǒng)的建設需求，介紹了自主研發(fā)的基于3DGIS-ARK平臺的大壩安全監(jiān)測智能系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)通過無人機貼近攝影測量對工程區(qū)域進行精細化三維實景建模，完成了萬安大壩地上下三維一體化基礎地理環(huán)境的構(gòu)建，搭建了統(tǒng)一的三維地理信息基礎平臺，用以直觀展示大壩實景場景。結(jié)合萬安大壩安全監(jiān)測資料，實現(xiàn)了所有類型監(jiān)測儀器、所有測點對象空間可視化，并通過安全監(jiān)測可視化，直觀展示監(jiān)測資料，使智慧化大壩的運行管理更加全面有效。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與設計

1.1 數(shù)據(jù)庫設計

萬安大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)庫由基礎地理數(shù)據(jù)庫、三維數(shù)據(jù)庫、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫組成，結(jié)合了萬安大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的組成與結(jié)構(gòu)進行設計，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

該系統(tǒng)采用面向服務的體系架構(gòu)(SOA)，將整個體系規(guī)劃為資源層、數(shù)據(jù)層、平臺服務層(應用支撐層)、業(yè)務應用層、標準規(guī)范體系及運維保障體系。SOA面向服務架構(gòu)的特點，通過接口實現(xiàn)各模塊間的通信，降低模塊之間的耦合度，使平臺具有更好的服務性、多源融合性[9]。系統(tǒng)的總體架構(gòu)及各部分之間的關系如圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)模塊設計

該系統(tǒng)總體上分為7個模塊：工程可視化、監(jiān)測可視化、可視化管理、壩頂視準線、監(jiān)測管理、分析評價和系統(tǒng)管理。其中，前 4 個模塊是三維可視化模塊，通過三維模型數(shù)據(jù)關聯(lián)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進行管理和操作，直觀展示監(jiān)測儀器類型、儀器布設位置、儀器數(shù)據(jù)變化等。系統(tǒng)整體模塊設計如圖3所示。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 大壩高精度三維建模

高精度三維重建的目的是獲取目標場景的精細三維結(jié)構(gòu)信息。在該系統(tǒng)中，應用貼近攝影測量，實現(xiàn)對目標亞厘米級超高分辨率影像的高效自動化采集。實際工作流程包含以下兩方面。

(1) “從無到有”的策略。當拍攝目標不存在初始場景信息時，需要先通過常規(guī)飛行或人工控制無人機，拍攝目標場景少量的數(shù)據(jù)并重建目標的粗略場景信息。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3 系統(tǒng)模塊設計

(2) “由粗到細”的思想。將現(xiàn)有場景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到WGS84參考橢球，并以此作為拍攝目標的初始場景數(shù)據(jù)，對拍攝目標進行貼近航跡規(guī)劃，讓無人機根據(jù)規(guī)劃的航跡飛行，自動高效地獲取覆蓋物體表面的高分辨率、高質(zhì)量的影像，然后進行空中三角測量處理，恢復影像精確的位置姿態(tài)參數(shù)，為目標的精細化三維重建提供基礎[10]。

總體按照以下步驟實現(xiàn)高精度三維重建工作：① 貼近航跡規(guī)劃；② 空中三角測量；③ 三維重建。

2.1.1 貼近航線規(guī)劃

對萬安大壩進行貼近攝影測量，將表面拆分為單個或多個平面分別進行航線設計，如圖4所示。

2.1.2 空中三角測量

在航飛工作完成后，通過空間距離的約束對影像進行分組，在組內(nèi)利用空間覆蓋約束條件去除重疊區(qū)域較小或狹窄的匹配對，并對中心參考影像和相鄰影像進行匹配和相對定向，構(gòu)建組內(nèi)自由網(wǎng)。以無人機影像的GPS坐標為約束進行“絕對定向”，將自由網(wǎng)歸化到GPS坐標系下，將各分組得到的影像外方位元素進行綜合，并以此作為初值，用于整體的GPS輔助的自檢校光束法平差，完成所有影像的區(qū)域網(wǎng)構(gòu)建。通過對貼近攝影數(shù)據(jù)進行區(qū)域網(wǎng)構(gòu)建，獲取高精度的空中三角測量處理成果。

2.1.3 三維重建

(1) 密集匹配。結(jié)合空中三角測量解算的外方位元素，采用雙向密集匹配方法或多視密集匹配算法生成密集點云，準確獲取多視影像上的同名像點并計算對應地物點的三維坐標。

(2) 不規(guī)則三角(TIN)網(wǎng)構(gòu)建。密集匹配后，經(jīng)濾波剔除部分離散的點，在去噪、優(yōu)化等處理以降低數(shù)據(jù)冗余后，進行表面三角網(wǎng)重建。

(3) 紋理映射與多細節(jié)層次(LOD)顯示。根據(jù)重建的TIN網(wǎng)進行紋理映射(圖5)，主要包括2個部分：① 紋理優(yōu)選，根據(jù)生成的三角面網(wǎng)格，結(jié)合畸變參數(shù)和影像內(nèi)外方位元素，將TIN投影到影像上，進行可見性分析，找出三角面片對應所有影像的紋理，根據(jù)一定原則優(yōu)選出最佳紋理；② 紋理提取，通過選擇最優(yōu)紋理，反投影到物方三角面片上，對三角面片上的紋理采取勻光、勻色處理，最后生成不同細節(jié)層次的紋理。

圖5 表面紋理映射

2.2 可視化平臺建設

2.2.1 可視化場景集成

實現(xiàn)安全監(jiān)測的可視化表達需要完成安全監(jiān)測可視化數(shù)據(jù)的融合和集成，具體包括三維地形模型、實景三維模型、建筑物、地質(zhì)體以及監(jiān)測儀器等三維模型數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)利用公共影像及地形數(shù)據(jù)，綜合大壩重點區(qū)域高精度數(shù)字正射影像(DOM)與數(shù)字高程模型(DEM)，構(gòu)建萬安大壩的大范圍基礎地形模型。集成的三維模型成果包括三維地形模型、實景三維模型、大壩建筑物三維模型及監(jiān)測儀器三維模型，以統(tǒng)一的坐標系、數(shù)據(jù)標準將所有模型集成到統(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)三維場景可視化。三維場景集成流程與技術框架如圖6所示。

圖6 可視化場景集成框架

2.2.2 可視化平臺特性

采用3DGIS-ARK建設三維地理信息平臺。 3DGIS-ARK平臺作為自主研發(fā)的行業(yè)三維地理信息平臺，其采用B/S與C/S雙架構(gòu)體系，提供多元數(shù)據(jù)集成、全方位可視化管理、專業(yè)模型分析等服務，具有完整的三維地理信息服務方案。該平臺以OpenGL為基礎，采用OSG技術，在海量數(shù)據(jù)集成與調(diào)度、水工建筑與三維地形的無縫鑲嵌、BIM模型集成與融合中表現(xiàn)優(yōu)秀。在3DGIS-ARK平臺中，將萬安大壩工程范圍內(nèi)的GIS模型和大壩建筑物BIM模型進行融合，將多級地形地貌與三維建筑物進行無縫鑲嵌，并在平臺中對BIM+GIS多模型進行協(xié)同管理[11]?；?DGIS-ARK建設的萬安大壩可視化平臺主要特性如下。

(1) 三維模型的精細化表達與任意瀏覽。根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)所在空間位置與三維場景瀏覽視點的距離，建立多級模型細節(jié)層次，確保三維場景中精細模型的正確表達與渲染。動態(tài)計算當前場景中應加載的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的多尺度調(diào)度與展示。有效組織宏觀、微觀、室內(nèi)室外、地上地下的空間三維數(shù)據(jù)，采用動態(tài)交互的可視化手段，實現(xiàn)在三維場景下的任意瀏覽與漫游。

(2) 基于三維地理信息的多專業(yè)協(xié)同技術。在三維地理信息平臺支持下，有效解決三維地形、BIM、地質(zhì)、專業(yè)模型等多源數(shù)據(jù)的融合，以及專業(yè)軟件的接口與專業(yè)工具的開發(fā)，初步實現(xiàn)了監(jiān)測、規(guī)劃、樞紐設計、移民等多專業(yè)協(xié)同設計與管理。

(3) 安全監(jiān)測業(yè)務深度融合。借助于三維地理信息平臺的可視化表達能力，基于可視化組件，開發(fā)水工程安全性狀的系列組件，并通過其與監(jiān)測資料的深度融合，提高安全監(jiān)測分析的快速反應能力。

(4) 空間量算和空間分析。實現(xiàn)了包括距離、面積、高度、坐標、角度、地形距離、地形面積等量測功能的空間量算，坡度分析、坡向分析、地形剖面分析等空間分析，任意等高距等高線自動生成等功能。

2.3 安全監(jiān)測可視化

安全監(jiān)測可視化是在三維可視化平臺中，深度集成、融合安全監(jiān)測業(yè)務數(shù)據(jù)，完成監(jiān)測信息與監(jiān)測點、監(jiān)測斷面，再到監(jiān)測部位及大壩壩段部位的緊密關聯(lián)，以及從數(shù)據(jù)的采集、處理，到分析及預警等全過程的可視化；基于實景空間的各類資料的快速查詢和展示，快速定位異常監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合時間變化信息，實現(xiàn)多認知尺度、時空一體的可視化表達。具體的可視化內(nèi)容如下。

(1) 大壩三維展示。在三維平臺中，可對各類型模型進行查看和管理，如圖7所示。通過圖層操作，可實現(xiàn)對整個壩區(qū)宏觀三維場景、大壩建筑物模型、大壩部位，以及監(jiān)測設施的地上與地下、室內(nèi)與室外下一體化漫游的可視化管理。

(2) 三維場景漫游。實現(xiàn)室內(nèi)室外、地上地下無縫銜接和一體化的三維場景漫游，支持自動漫游、手動漫游。如圖8所示，在三維場景中進行大壩漫游，以既定路線進行場景展示，可點擊速度條或使用鍵盤控制漫游速度。

圖8 大壩漫游

(3) 監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化。將監(jiān)測設施及儀器模型放置在三維模型中，在圖層中添加監(jiān)測儀器圖層、監(jiān)測測點斷面圖層，通過模型操作接口關聯(lián)測點屬性數(shù)據(jù)。如圖9所示，點擊儀器測點或斷面，可對監(jiān)測儀器單體化模型、監(jiān)測成果、考證表等進行交互式查看。

(4) 預警可視化。結(jié)合預警閾值，通過顯示顏色、透明度、空間距離夸張放大比等方法，進行安全監(jiān)測預警和異常數(shù)據(jù)的可視化表達，如圖10所示，在預警可視化中，可以查看所有監(jiān)測點的預警狀態(tài)，綠色代表預警正常的測點，紅色代表失效的測點，黃色代表有異常預警的測點。

圖10 預警可視化

3 系統(tǒng)運行實例

在萬安大壩中，對壩段進行BIM建模，并通過GIS+BIM技術進行模型融合，建立可視化平臺。圖11為萬安大壩BIM模型的整體概況。圖12展示了萬安大壩廊道的可視化效果，在廊道漫游功能中，通過鍵盤鼠標模擬在廊道中行走漫游的效果。圖13在三維可視化中集成了監(jiān)測網(wǎng)布置，點擊監(jiān)測網(wǎng)點可查看監(jiān)測網(wǎng)點的具體信息。

在萬安大壩智能監(jiān)測系統(tǒng)中，綜合實現(xiàn)了環(huán)境量等專項監(jiān)測和各儀器類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)集成。通過數(shù)據(jù)管理和分析評價，可查看和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖14為監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖形展示。該圖形展示了4種環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測過程線，包括上游水位、下游水位、日平均氣溫和日降雨量，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特征，分別使用柱狀圖、線圖等進行數(shù)據(jù)展示。圖15為基于包絡線法的監(jiān)測數(shù)據(jù)校驗評價。在包絡線校驗中，通過包絡線算法計算出測點數(shù)據(jù)的包絡線范圍，并標識出超限數(shù)據(jù)，通過審核操作可剔除超限數(shù)據(jù)。

圖11 工程可視化——大壩模型

圖12 工程可視化——廊道漫游

圖13 監(jiān)測可視化——監(jiān)測網(wǎng)布置

圖14 監(jiān)測管理——數(shù)據(jù)展示

圖15 分析評價——包絡線檢驗

4 結(jié) 語

隨著信息化的發(fā)展，可視化展示在大壩安全監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文從萬安大壩安全監(jiān)測智能系統(tǒng)的設計出發(fā)，研究了該系統(tǒng)的架構(gòu)、系統(tǒng)功能模塊的組成，以及所應用的關鍵技術方案。該大壩安全監(jiān)測智能系統(tǒng)以統(tǒng)一的三維地理信息平臺為基礎，為大壩運行管理提供了全面的信息展示與分析功能，在大壩安全監(jiān)測管理中發(fā)揮著重要作用。