水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)管理與應用

金有杰，劉 娜，蔣寧遠

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3.浙江滴石信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

空間數(shù)據(jù)作為水庫工程安全監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其信息獲取的完整性、管理的科學性以及數(shù)據(jù)的精確性將直接影響水庫工程安全監(jiān)測工作的成效[1]。相對于單一性水庫工程，流域、區(qū)域性水庫群工程安全監(jiān)測的空間數(shù)據(jù)管理過程更加復雜，數(shù)據(jù)量成倍增長，監(jiān)測系統(tǒng)在建設和維護過程中具有動態(tài)變化的特點。對海量、異構(gòu)、動態(tài)的水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)進行高效管理和科學應用具有一定難度，相關(guān)技術(shù)方法的研究有待加強。

GIS具有空間數(shù)據(jù)管理、可視化交互、數(shù)據(jù)存儲與分析以及二次開發(fā)等技術(shù)優(yōu)勢[2]，能解決水庫群安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)的動態(tài)管理、可視化交互、批量化處理等難題。本文充分利用GIS技術(shù)特點，從空間數(shù)據(jù)動態(tài)管理和應用服務功能定制兩個方面出發(fā)，研究了水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)的分類存儲、動態(tài)管理、批量化信息交互等關(guān)鍵技術(shù)，提出了地圖空間服務、變形成果計算與可視化、重力壩穩(wěn)定分析等空間數(shù)據(jù)應用服務方法，實現(xiàn)了對水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)的高效管理和科學應用，進一步提升了流域、區(qū)域性水庫群工程安全監(jiān)測信息化管理和服務水平。

1 空間數(shù)據(jù)動態(tài)管理

1.1 空間數(shù)據(jù)分類與存儲

水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)主要包括流域或區(qū)域基礎(chǔ)地理信息、大壩結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和自動化監(jiān)測系統(tǒng)所涉及的空間數(shù)據(jù)等。由于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述均可歸屬于點、線、面、體4個類型之一，因此可根據(jù)不同地物的空間特點進行類型劃分（圖1）。利用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對空間信息定位精確和柵格結(jié)構(gòu)以規(guī)則格網(wǎng)表達大范圍面狀地物的優(yōu)勢[2]，采用矢量—柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對各類空間數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)重組，進而提高專題空間數(shù)據(jù)的存儲和管理效率。

構(gòu)建矢量—柵格一體化空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，以三維坐標記錄地物空間信息，并描述相鄰地物的拓撲關(guān)系；再由柵格單元充填，使水庫地物具有柵格性質(zhì)。柵格單元大小將直接影響整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精度和存儲效率，若柵格過大，則導致有效信息的丟失；若柵格過小，則造成數(shù)據(jù)存儲量的成倍增長，增加計算機存儲負擔。因此，本文先利用式（1）定義柵格單元大小，再采用線性四叉樹編碼法（Morton碼）對工程安全監(jiān)測空間信息進行初始編碼，然后在建立四叉樹十進制編碼表的基礎(chǔ)上建立排序表，進行二維行程編碼，進一步壓縮存儲空間，提升存儲效率，這樣既保證了地物描述的精細化程度，又最大化地縮減了數(shù)據(jù)冗余度，提升了存儲效率。

式中，i=1,2,3,...,n，n為區(qū)域多邊形數(shù)；H為網(wǎng)格邊長；{Ai}為研究區(qū)域內(nèi)所有多邊形的面積序列。

在對監(jiān)測空間數(shù)據(jù)進行分類和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重組的基礎(chǔ)上，建立專題數(shù)據(jù)庫對復雜空間信息和海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲和維護。將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server與空間數(shù)據(jù)管理引擎ArcSDE相結(jié)合，利用SQL Server對海量關(guān)系型數(shù)據(jù)表高效存儲以及ArcSDE對不同類型的空間、圖形數(shù)據(jù)有效管理的優(yōu)勢[3-5]，實現(xiàn)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、基本屬性和空間數(shù)據(jù)的融合。同時，對不同監(jiān)測對象進行唯一編碼和建立多表關(guān)聯(lián)，形成數(shù)據(jù)聯(lián)動觸發(fā)機制，減少數(shù)據(jù)冗余，提高對空間數(shù)據(jù)動態(tài) 變化管理的適應性和時效性。

圖1 空間數(shù)據(jù)分類與存儲結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 動態(tài)管理流程

水庫群工程安全監(jiān)測涉及的空間數(shù)據(jù)眾多，監(jiān)測系統(tǒng)中儀器、測點由于運維需要，其空間數(shù)據(jù)存在變化的可能?；贕IS技術(shù)，本文采用數(shù)字化、可視化、批量化的動態(tài)配置方法對監(jiān)測系統(tǒng)中測點、儀器等空間數(shù)據(jù)進行管理（圖2）。

圖2 測點動態(tài)管理流程圖

測點、儀器空間數(shù)據(jù)動態(tài)管理的基礎(chǔ)是空間數(shù)據(jù)的準確獲取[6]，在儀器的安裝過程中需對布設位置進行實際測量，并結(jié)合監(jiān)測設計方案，對測點儀器的空間位置進行校正。利用ArcGIS加載儀器所在監(jiān)測部位的設計圖紙，將圖形坐標轉(zhuǎn)換為真實的空間坐標。在統(tǒng)一坐標系的基礎(chǔ)上建立儀器的點狀矢量圖層，并設計儀器基本屬性表結(jié)構(gòu)；通過精確定位坐標點的輸入，以GIS圖形可視化的方式添加測點，并在屬性表中配置基礎(chǔ)空間信息，生成儀器和監(jiān)測部位的空間分布圖層；建立并指定儀器的唯一編碼作為儀器空間數(shù)據(jù)表的主鍵，利用ArcSDE對空間圖層進行存儲，并依據(jù)主鍵值與SQL Server數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系型數(shù)據(jù)表進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)儀器空間數(shù)據(jù)、基本屬性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的相互聯(lián)動。

在儀器、測點空間數(shù)據(jù)管理過程中，本文通過設置測點的在用儀器、儀器狀態(tài)（啟用或停用）、啟用時間等信息，在不影響原有儀器信息和狀態(tài)的情況下，實現(xiàn)了對監(jiān)測系統(tǒng)中任意儀器的動態(tài)維護。此外，由于對儀器所有信息進行了關(guān)聯(lián)，所以儀器維護時，任何信息改變而造成的數(shù)據(jù)更新均能自動完成，從而提高了信息管理的效率和自動化水平。

1.3 批量化信息交互

通過人工方式對水庫群海量空間數(shù)據(jù)進行逐一處理極易產(chǎn)生誤操作，且工作量巨大[7-9]。此外，自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)在建設和維護過程中，相關(guān)儀器設備存在變更、維修、替換的可能，系統(tǒng)運行的動態(tài)變化特征對項目空間數(shù)據(jù)的管理提出了更高的要求。

本文以監(jiān)測儀器和工程結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)空間定位數(shù)據(jù)在GIS數(shù)據(jù)處理平臺上自動生成儀器矢量專題圖層，并根據(jù)儀器編碼和空間數(shù)據(jù)將儀器屬性與監(jiān)測數(shù)據(jù)等相關(guān)獨立的數(shù)據(jù)表進行關(guān)聯(lián)，形成多儀器記錄的綜合信息匯總表。結(jié)合矢量圖形對儀器測點和工程結(jié)構(gòu)進行可視化表達，在批量化自動處理的基礎(chǔ)上，以可視化交互的方式實現(xiàn)多區(qū)域、多測點監(jiān)測信息的批量配置和查詢（圖3、4）。根據(jù)每個監(jiān)測儀器設定的安全閾值，在后臺進行極值判定和異常判別，達到數(shù)據(jù)預警的目的。本文通過建立批量化的信息交互管理與查詢方法，實現(xiàn)了與常用辦公軟件、數(shù)據(jù)庫的對接，極大地提高了工程安全監(jiān)測信息管理的工作效率，增強了工程建設與維護的便捷性。

圖3 儀器批量化管理

圖4 可視化交互查詢

2 空間數(shù)據(jù)應用服務方法

在水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，本文利用GIS二次開發(fā)平臺開展了空間數(shù)據(jù)應用服務方法研究，開發(fā)了相應功能模塊，提供了空間數(shù)據(jù)展示、計算與分析等服務。

2.1 地圖空間服務

電子地圖可直觀描述流域或區(qū)域的地理特征，并準確反映水庫大壩的空間分布情況?；贓sri開源框架ArcGIS Viewer For Flex，采用Flex并結(jié)合ArcGIS API for Flex庫，在Adobe Flash Builder和MyEclipse平臺進行GIS地圖開發(fā)。通過Map標簽和Layer子標簽創(chuàng)建切片地圖與專題圖層，圖層類型選擇GraphicsLayer，通過Graphic標簽依次添加點圖層元素，元數(shù)據(jù)為存儲在數(shù)據(jù)庫中的各點屬性數(shù)據(jù)（點名稱、經(jīng)緯度、類型等），通過BlazeDS以RemoteObject的方式傳送到Flex中進行顯示，形成跨空間尺度、定位精確、多信息聯(lián)合展示的流域或區(qū)域性離線地圖。其中，地圖發(fā)布與測點圖層疊加服務的核心代碼為：

/**

*地圖-測點圖層疊加服務

* @param lon 經(jīng)度

* @param lat 緯度

* @param attribute

* @param source 圖片路徑

* @return

*/

public function Map_Marker(lon:Number,lat:Number,attrib ute:Object,value:String,source:Object):Graphic

{

var mp:MapPoint;

var tempmp:MapPoint;

var markerSymbol:PictureMarkerSymbol;

tempmp=new MapPoint(lon, lat);

var image:Image=new Image();

image.data=source;

markerSymbol=new PictureMarkerSymbol(source,ima ge.contentWidth,image.contentHeight,0,0,0);

var myGraphicMarker:Graphic= new Graphic(tempmp,markerSymbol,attribute);

myGraphicMarker.toolTip=value;return myGraphicMarker;

}

2.2 成果計算與展示

工程安全監(jiān)測過程中儀器安裝位置的空間合理性和數(shù)據(jù)精確性對監(jiān)測成果的計算具有決定性影響。以大壩位移監(jiān)測為例，引張線、正垂、倒垂等位移監(jiān)測系統(tǒng)是大壩變形監(jiān)測的主要觀測手段，引張線儀和垂線坐標儀的安裝位置、測值變化量以及線體的布設對于整個大壩位移監(jiān)測成果的計算十分關(guān)鍵。成果涉及多種儀器、多個測點的聯(lián)合計算，其過程繁瑣、參數(shù)眾多，測點之間相互關(guān)聯(lián)，需采用自動化的監(jiān)測和計算手段來實現(xiàn)。本文利用GIS技術(shù)對測點儀器的空間數(shù)據(jù)進行動態(tài)管理，可避免因為個別儀器損壞而影響整個變形監(jiān)測系統(tǒng)的問題，便于對系統(tǒng)進行后期維護、更新改造，且對多點計算過程不產(chǎn)生任何改變。當動態(tài)測點儀器空間數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，多點聯(lián)合計算可自動更新、計算，極大地減少了工作量。

大壩的沉降、位移等將直接影響大壩的安全，排除儀器和系統(tǒng)誤差，變形監(jiān)測的精確度與儀器測點、監(jiān)測基準點、工程結(jié)構(gòu)原始位置等空間數(shù)據(jù)的準確度密切相關(guān)[10-11]。通過建立監(jiān)測系統(tǒng)圖形化表達方式，精確定位測點儀器的空間分布位置，并結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動生成大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測圖形，可直觀展示大壩變形狀態(tài)的二三維交互（圖5、6）。

圖5 監(jiān)測成果二維平面示意圖

圖6 監(jiān)測成果三維示意圖

2.3 重力壩的穩(wěn)定分析應用

穩(wěn)定分析的目的是驗算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度，以重力壩擋水段面為例，其所受荷載主要包括壩體自重、靜水壓力、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、動水壓力、冰壓力和地震荷載等。各類荷載的計算主要取決于當前大壩結(jié)構(gòu)、庫水位、泥沙淤積等相關(guān)數(shù)據(jù)，式（2）～式（5）為重力壩擋水段面主要荷載的計算公式，其中涉及的可變參數(shù)多為與空間信息相關(guān)的基礎(chǔ)或?qū)崪y數(shù)據(jù)。因此，利用大壩結(jié)構(gòu)特征、測點空間分布以及自動化實時監(jiān)測等數(shù)據(jù)，對重力壩穩(wěn)定分析中所涉及的可變參數(shù)進行統(tǒng)一獲取、管理、更新和調(diào)用，可實現(xiàn)對典型斷面穩(wěn)定性的實時定量分析。

式中，W為壩體自重；P為水平水壓力；Pup為揚壓力；Psk為水平淤沙壓力；V為壩體體積，以單位長度的壩段為單位，通常把斷面分成若干個簡單的幾何圖形分別計算，涉及典型斷面壩頂高程、壩基高程、壩頂寬度、下游折坡點、坡度等信息；γc為壩體混凝土的重度；H為計算點處的作用水頭，單位：m；γw為水的重度，垂直方向水壓力按水重計算；S為揚壓力分區(qū)的面積，通過壩基結(jié)構(gòu)幾何計算獲得；γsb為淤沙浮容重；h為淤沙高度；φs為淤沙內(nèi)摩擦角。

本文基于GIS設計并開發(fā)了重力壩穩(wěn)定分析功能模塊，提供了荷載公式與參數(shù)配置（圖7）、斷面穩(wěn)定分析兩個功能界面。其中，荷載公式與參數(shù)配置功能可對各種工況下典型斷面的荷載計算公式進行編輯，并錄入固定的基本空間參數(shù)；斷面穩(wěn)定分析功能則可將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)代入已完成配置的荷載計算公式中，自動計算斷面的各類荷載，并通過多種常用穩(wěn)定分析算法進行計算，比較各種算法的分析成果，最終獲得可靠性較高的分析結(jié)論。

圖7 重力壩的穩(wěn)定分析示意圖

3 結(jié) 語

本文利用GIS技術(shù)在空間信息存儲、管理、展示和二次開發(fā)等方面的優(yōu)勢，對水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)的管理方法進行了研究，提出了水庫群安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)分類與存儲方法、動態(tài)管理流程以及批量化信息交互方法，并利用GIS二次開發(fā)平臺研發(fā)了相關(guān)應用服務模塊，實現(xiàn)了水庫群海量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲、管理和可視化應用，進一步提高了水庫群工程安全監(jiān)測空間數(shù)據(jù)的管理效率，增強了監(jiān)測系統(tǒng)的可維護性，對流域、區(qū)域性大壩群安全監(jiān)測信息管理具有一定借鑒價值。