基于實(shí)景三維GIS的水利工程信息化管理平臺(tái)研究

嚴(yán)亞敏

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之需，水與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的健康穩(wěn)定生活息息相關(guān)，建國(guó)后，我國(guó)修建了諸多水利工程，這些水利工程由于建設(shè)年代不同，在建設(shè)過(guò)程中自動(dòng)化和信息化標(biāo)準(zhǔn)不同，水平不同。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，信息技術(shù)在多個(gè)行業(yè)中均得到了廣泛的利用，在水利工程領(lǐng)域也不例外。水利工程行業(yè)中科學(xué)合理的應(yīng)用信息化技術(shù)可以對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工以及后期的運(yùn)維管理均有著較大的輔助作用[1]。近年來(lái)，隨著水利工程信息化管理需求的增加及工程設(shè)計(jì)、施工以及后期的運(yùn)維管理過(guò)程中大量生產(chǎn)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的不斷產(chǎn)生和積累，使得水利工程的管理難度隨之加大；同時(shí)，傳統(tǒng)的水利工程管理模式存在圖表等信息化方法、信息采集時(shí)效性較差、數(shù)據(jù)可視化效果較為薄弱、缺乏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析等問(wèn)題，無(wú)法對(duì)水利工程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視化的管理。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和傳輸機(jī)制逐漸完善，數(shù)據(jù)獲取方式多樣，數(shù)據(jù)成果豐富。如何將豐富的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、瀏覽及分析，有效提高水利工程的管理與決策水平，有力地服務(wù)于水利工程設(shè)計(jì)、施工以及后期的運(yùn)維管理等全生命周期管理成為目前水利行業(yè)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本課題致力于對(duì)水利工程的全景、視頻、三模型、DEM、DLG及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)從采集、集成到應(yīng)用的全過(guò)程研究，利用三維GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建設(shè)水利工程信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水利工程的建模、仿真及可視化，有效提高水利工程的信息化管理水平與決策效率。技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 基于不規(guī)則傾斜攝影的實(shí)景三維建模技術(shù)研究

實(shí)景三維模型紋理逼真，具有良好的可視化功能；同時(shí)三維實(shí)景模型具有良好的數(shù)學(xué)精度，具有可量測(cè)性，因此將三維實(shí)景模型作為水利工程信息化管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以直觀、真實(shí)、準(zhǔn)確的反映水利工程現(xiàn)狀。然而，水利樞紐工程多處于高山峽谷區(qū)域，地形高差較大，采用常規(guī)的傾斜攝影方式無(wú)法保證無(wú)人機(jī)安全，同時(shí)無(wú)法獲取峽谷底部、側(cè)壁及壩體清晰的影像數(shù)據(jù)，無(wú)法建立項(xiàng)目需求的三維實(shí)景模型。本課題采用無(wú)人機(jī)，使用分層不規(guī)則傾斜攝影的影像獲取方式，即將攝區(qū)分為三個(gè)不同航攝高度，采用自動(dòng)+手動(dòng)的航攝方式，從不同方向?qū)z區(qū)進(jìn)行攝影，獲取影像數(shù)據(jù)；內(nèi)業(yè)采用各層影像數(shù)據(jù)融合、不同層影像同名點(diǎn)匹配等數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行空三計(jì)算及三維建模，建立紋理清晰、精度良好的實(shí)景三維模型，解決了大高差、窄深峽谷區(qū)域航攝困難的技術(shù)難題[2]。

1.2 地面三維實(shí)景模型與水下DEM數(shù)據(jù)融合方法研究

實(shí)景三維模型僅提供了地面三維模型，而水下地形多為DEM數(shù)據(jù)，需要將二者進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以滿足水利工程可視化管理對(duì)水上水下三維一體化的需求。通過(guò)研究，本方案提供一套實(shí)景三維模型與水下DEM模型融合的技術(shù)手段，不僅滿足水利工程三維建模的視覺(jué)需求，更可以將產(chǎn)品應(yīng)用于水利分析(淹沒(méi)分析、庫(kù)容統(tǒng)計(jì)等)領(lǐng)域。

實(shí)景三維模型采用切片式模型的存儲(chǔ)方式，而水下DEM采用三角網(wǎng)存儲(chǔ)方式，因此，兩者不能直接集成。本方案首先對(duì)每一個(gè)涉及到水面的實(shí)景三維模型切片模型進(jìn)行剔除，剔除時(shí)為了保證剔除水面之后模型邊緣的齊整性，不能直接采用刪除三角形的方式，而是通過(guò)拉伸水面多邊形形成空間體模型，并與三維模型進(jìn)行布爾差運(yùn)算，從而達(dá)到剔除水面的目的。另外，通過(guò)限制拉伸模型的高度，避免剔除伸出湖面的樹(shù)木模型。針對(duì)水下三維地形建模，依托水下地形數(shù)據(jù)與水面范圍多邊形，采用構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，即按照三維模型的切片方式對(duì)水下DEM進(jìn)行切片，并將水下DEM融入到原來(lái)的三維模型中，最后借助三維建模軟件重新導(dǎo)出模型切片，實(shí)現(xiàn)水下DEM模型與地面實(shí)景三維模型的無(wú)縫集成，完成水庫(kù)庫(kù)壩區(qū)外觀三維場(chǎng)景搭建[3-4]。如圖2所示。

圖2 三維實(shí)景模型與DEM數(shù)據(jù)融合流程

1.3 視頻軌跡聯(lián)動(dòng)技術(shù)研究

無(wú)人機(jī)航飛視頻具有數(shù)據(jù)獲取效率高、清晰度好的優(yōu)勢(shì)，目前已在河道及庫(kù)區(qū)巡查等方面進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，但如何將視頻實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器，及時(shí)發(fā)現(xiàn)“問(wèn)題點(diǎn)”并進(jìn)行響應(yīng)是急需解決的技術(shù)難題。課題設(shè)計(jì)了外置GPS定位傳輸設(shè)備的方案，起飛后通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)將無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置及拍攝的視頻傳輸至服務(wù)器。在對(duì)大量視頻和無(wú)人機(jī)軌跡的關(guān)系研究后，總結(jié)了視頻幀、無(wú)人機(jī)POS點(diǎn)以及飛行速率三者間的關(guān)系，消除了視頻幀與實(shí)際航飛位置的系統(tǒng)誤差。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)獲取視頻拍攝軌跡，實(shí)現(xiàn)地圖與視頻播放進(jìn)度間的“可操作、可交互”。用戶在瀏覽視頻的過(guò)程中，能夠標(biāo)記當(dāng)前的問(wèn)題，系統(tǒng)自動(dòng)解算問(wèn)題對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確坐標(biāo)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)全貌的視頻軌跡聯(lián)動(dòng)巡檢[5]。

1.4 各類傳感器監(jiān)測(cè)值實(shí)時(shí)傳輸

利用基于物聯(lián)網(wǎng)的水庫(kù)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、滲壓、位移等大壩安全重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)的自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)，確保信息采集的完整性、可靠性和實(shí)時(shí)性。針對(duì)不同傳感節(jié)點(diǎn)配備的傳感器類型可能不同，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集方案，制定了平臺(tái)數(shù)據(jù)入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，為其他項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供參考依據(jù)。平臺(tái)建設(shè)性地將測(cè)點(diǎn)標(biāo)記在三維場(chǎng)景和VR全景中，有利于測(cè)點(diǎn)在空間上的管理，便于用戶直觀掌握水利工程運(yùn)行態(tài)勢(shì)，在空間和時(shí)間維度上進(jìn)行推演和決策[6-7]。

1.5 多源數(shù)據(jù)的集成與管理

本項(xiàng)目涉及的數(shù)據(jù)成果多樣，包含VR全景影像、三維模型、DEM、巡檢視頻及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，且數(shù)據(jù)量巨大。課題考慮數(shù)據(jù)尺度、可視化特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了上述數(shù)據(jù)在平臺(tái)中的整合及應(yīng)用，通過(guò)HTML5技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)端的流暢預(yù)覽，并達(dá)到多項(xiàng)目多點(diǎn)位不同場(chǎng)景的無(wú)縫切換。通過(guò)后臺(tái)發(fā)布軟件將三維模型、全景和視頻數(shù)據(jù)生成標(biāo)準(zhǔn)化的REST服務(wù)，并將服務(wù)地址與其對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目及數(shù)據(jù)時(shí)間通過(guò)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，保障了數(shù)據(jù)的有序管理和共享[8-9]。

2 平臺(tái)功能

2.1 用戶信息配置及權(quán)限管理

用戶使用軟件系統(tǒng)時(shí)，需先通過(guò)用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。各個(gè)用戶都有對(duì)應(yīng)的權(quán)限，管理員擁有所有編輯、瀏覽功能的權(quán)限，而普通用戶在某些功能上則會(huì)有限制。

2.2 淹沒(méi)效果模擬與數(shù)值統(tǒng)計(jì)

該模塊是水利工程水文分析的核心功能，提供：

(1)特定水位淹沒(méi)效果模擬：模擬某個(gè)固定水位下的淹沒(méi)面，并疊加在三維場(chǎng)景上顯示，如圖3所示；

圖3 淹沒(méi)效果模擬界面圖

(2)水位動(dòng)態(tài)淹沒(méi)效果模擬：指定有效水位區(qū)間及變化步長(zhǎng)，模擬三維場(chǎng)景中的淹沒(méi)面隨水位動(dòng)態(tài)變化的效果；

(3)庫(kù)容與投影面積統(tǒng)計(jì)：每一個(gè)水位高程下的庫(kù)容與表面積；

(4)數(shù)據(jù)表導(dǎo)出：提供一鍵導(dǎo)出庫(kù)容(投影面積)統(tǒng)計(jì)表，如圖4所示。

圖4 庫(kù)容表信息圖

基于DEM進(jìn)行庫(kù)容計(jì)算，具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)。此外，水上水下三維一體化模型與水面紋理的疊合，可以將各水位的淹沒(méi)影響范圍直觀地展示給用戶，同時(shí)滿足視覺(jué)性與功能性的需求。

2.3 基于全景的設(shè)備間管理

采用全景技術(shù)實(shí)現(xiàn)壩體內(nèi)設(shè)備間的三維仿真，并通過(guò)增加標(biāo)注點(diǎn)層實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備間內(nèi)所有設(shè)施的管理。采用全景技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)備間管理，使得水利工程信息管理更加直觀、高效。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常會(huì)設(shè)置多個(gè)全景拍攝點(diǎn)，完善不同視角下的全景數(shù)據(jù)，以滿足設(shè)備間所有細(xì)節(jié)的三維表達(dá)需求。設(shè)備點(diǎn)則記錄了設(shè)備信息，并關(guān)聯(lián)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便對(duì)歷史資料進(jìn)行調(diào)用?？紤]到后續(xù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行更新升級(jí)，系統(tǒng)開(kāi)放了設(shè)備點(diǎn)添加、信息編輯以及刪除等操作[10-13]。

2.4 巡檢模塊

巡檢主要用于問(wèn)題點(diǎn)排查與記錄，系統(tǒng)提供以下三種方式：①視頻時(shí)空一體化瀏覽。視頻軌跡與視頻幀具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用戶在觀看視頻時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可觸發(fā)生成問(wèn)題點(diǎn)操作，系統(tǒng)會(huì)在軌跡對(duì)應(yīng)位置自動(dòng)生成問(wèn)題點(diǎn)；②問(wèn)題點(diǎn)標(biāo)記。在地圖界面通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊的方式手動(dòng)錄入問(wèn)題具體信息。③移動(dòng)端問(wèn)題上報(bào)。通過(guò)GPS或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獲取用戶當(dāng)前位置，并將該位置上報(bào)為問(wèn)題點(diǎn)，從而進(jìn)行記錄[14]。

2.5 移動(dòng)端模塊

為便于現(xiàn)場(chǎng)管理，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)一套移動(dòng)端軟件，考慮手機(jī)兼容性，軟件依托微信小程序平臺(tái)。微信小程序主要功能為現(xiàn)場(chǎng)巡檢。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，進(jìn)入“問(wèn)題上報(bào)”模塊，填寫問(wèn)題的具體內(nèi)容，拍攝或上傳現(xiàn)場(chǎng)照片，將問(wèn)題上報(bào)到系統(tǒng)中。網(wǎng)頁(yè)端獲取移動(dòng)端上報(bào)的問(wèn)題，根據(jù)提交的坐標(biāo)在地圖上生成問(wèn)題點(diǎn)。

3 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)采用多層不規(guī)則傾斜攝影技術(shù)三維實(shí)景模型、地面三維實(shí)景模型與水下DEM數(shù)據(jù)融合及視頻軌跡聯(lián)動(dòng)等技術(shù)的研究，完成了水庫(kù)庫(kù)壩區(qū)外觀三維場(chǎng)景搭建，利用三維GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建設(shè)水利工程信息化管理平臺(tái)，建立了基礎(chǔ)三維地理信息空間數(shù)據(jù)集成及其動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，為數(shù)字高程模型、三維模型、VR全景影像、巡檢視頻等多源數(shù)據(jù)提供了便捷的存儲(chǔ)方案，實(shí)現(xiàn)了各類水利監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接入及數(shù)據(jù)管理的高效性和歷史追溯性，實(shí)現(xiàn)了水利工程的建模、仿真及可視化，有效提高了水利工程的信息化管理水平與決策效率。