重要涉水工程河床監(jiān)測預(yù)警分析平臺設(shè)計與應(yīng)用

肖 仲 凱，蔡 璇，韋 立 新，仲 躋 文，于 慧

(長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011)

0 引 言

為響應(yīng)國家關(guān)于“推動長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略”，落實水利部提出的“加快推進新時代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見”，需健全長江水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)害防治、應(yīng)急救援體系，圍繞水利信息技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析、三維建模等新一代信息技術(shù)，為沿江涉水工程提供水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警分析和豐富的應(yīng)用解決方案，促進水利規(guī)劃、工程建設(shè)、運行管理和社會服務(wù)的智慧化[1]。

開展河床監(jiān)測分析能夠有效降低涉水工程運行安全風(fēng)險，為工程防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。傳統(tǒng)的河床監(jiān)測分析手段是將多測次監(jiān)測成果進行比較分析，但由于成果數(shù)據(jù)分散，地形圖制式不統(tǒng)一，收集及整理的工作量較大，通過人工統(tǒng)計分析圖表、文字等形式來描述河床沖淤變化情況，成果分析效率較低且缺乏統(tǒng)一標準，無法做到快速、直觀展示河床的沖淤變化。設(shè)計和開發(fā)涉水工程河床監(jiān)測預(yù)警分析平臺能夠有效管理和科學(xué)分析涉水工程局部河床監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，不僅可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存和標準化管理，而且能夠?qū)哟惭葑兲卣鬟M行高效分析[2-3]。

1 平臺設(shè)計原則及思路

1.1 設(shè)計原則

平臺設(shè)計原則主要考慮以下4點：① 數(shù)字化管理，通過信息化手段對河床監(jiān)測相關(guān)的地形數(shù)據(jù)、斷面數(shù)據(jù)、分析圖表、報告等基礎(chǔ)資料都進行數(shù)字化統(tǒng)一管理；② 安全性管理，通過地形數(shù)據(jù)加密處理以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全管理等手段，充分確保重要涉水工程地理信息、分析數(shù)據(jù)的高安全性管理；③ 模塊化原則，根據(jù)河床演變分析常規(guī)技術(shù)方法，例如等高線平面變化、河床沖淤變化、典型斷面比較等進行模塊化設(shè)計開發(fā)，做到可移植、可復(fù)制；④ 成熟易用原則，采用國際主流、成熟的體系架構(gòu)來設(shè)計構(gòu)建，實現(xiàn)快速查看河床模型，精準展示分析歷年多測次河床演變過程。

1.2 設(shè)計思路

基于微服務(wù)架構(gòu)，以技術(shù)先進、柔性敏捷、漸進連續(xù)的設(shè)計思路，采用分布式、云化部署方式，堅持以創(chuàng)新為驅(qū)動，充分運用多波束、三維建模、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)實現(xiàn)對水利對象及活動的透徹感知、全面互聯(lián)、智能應(yīng)用與泛在服務(wù)。

平臺采用B/S架構(gòu)進行設(shè)計，并采用前后端分離的設(shè)計模式，所有需要大量計算的工作例如點云數(shù)據(jù)的存儲與分析處理，都通過后端分布式數(shù)據(jù)庫MySQL存儲以及分布式高性能應(yīng)用服務(wù)器進行預(yù)處理和分析，通過后端統(tǒng)一注冊、發(fā)布的Restful微服務(wù)接口響應(yīng)前端請求，在前端結(jié)合三維引擎快速完成三維模型數(shù)據(jù)的渲染和交互。

2 平臺功能及架構(gòu)設(shè)計

2.1 平臺功能設(shè)計

運用三維仿真和離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化算法等技術(shù)，通過構(gòu)建通用數(shù)據(jù)模型以及常用三維計算和分析方法，實現(xiàn)涉水工程局部地形點云數(shù)據(jù)和斷面數(shù)據(jù)的一鍵導(dǎo)入、數(shù)據(jù)自動去噪、快速生成三維仿真模型，并融合2D和3D技術(shù)，直觀、真實地展示涉水工程綜合特征和河床地形的三維信息，實現(xiàn)涉水工程三維河床模型的動態(tài)生成、專業(yè)化分析、演變動畫模擬及可視化交互，為河床監(jiān)測預(yù)警分析提供了一種科學(xué)有效、簡便直觀的分析途徑。平臺主要功能包括以下3個方面。

2.1.1平臺系統(tǒng)管理功能

考慮到該平臺涉及地形、水文數(shù)據(jù)信息，在平臺建設(shè)過程中，充分考慮了應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層以及系統(tǒng)層幾個方面的安全設(shè)計與實施，從平臺訪問控制、權(quán)限控制、身份驗證、Https協(xié)議、系統(tǒng)安全漏洞防護、入侵檢測、病毒防護等多個方面入手，構(gòu)建安全可靠、自主可控的水利應(yīng)用平臺。

2.1.2涉水工程三維建模及河床模擬展示功能

(1) 根據(jù)重要涉水工程施工設(shè)計圖，1∶1建立三維仿真模型，結(jié)合GIS能夠清晰地展示現(xiàn)場兩岸堤防、灘地實景情況。

(2) 根據(jù)地形點云數(shù)據(jù)不同高程值賦予不同色值，生成河床三維模型，河床以曲面或網(wǎng)格的形式進行切換顯示，用戶可以清晰直觀地瀏覽和了解河床情況，同時可以根據(jù)需要切換已錄入系統(tǒng)的不同測次地形模型。

(3) 用戶可以在三維場景上選擇疊加工程段實時水位。

2.1.3河床監(jiān)測預(yù)警分析功能

(1) 地形數(shù)據(jù)疊加沖淤分析。系統(tǒng)支持兩個測次模型的疊加分析，用戶選擇待分析的模型后，平臺自動計算當前模型和所選模型網(wǎng)格節(jié)點高程差，以可視化方式給出疊加沖淤分析的結(jié)果。

(2) 河床沖淤演變動畫模擬。演變動畫以循環(huán)播放的形式動態(tài)展示一定時期內(nèi)不同測次的河床演變過程。

(3) 等高線變化分析。系統(tǒng)根據(jù)模型散點數(shù)據(jù)，繪制每個模型的地形等高線，支持多測次地形等高線變化分析。

(4) 固定斷面分析。可以選擇不同測次的斷面數(shù)據(jù)，以圖表形式展示多測次的斷面比較分析結(jié)果。

(5) 自定義斷面分析。系統(tǒng)根據(jù)手動選擇斷面的起點和終點動態(tài)生成多測次斷面分析比較圖表。

(6) 河道坡比計算。系統(tǒng)根據(jù)手動選擇斷面的起點和終點自動計算河道坡比。

(7) 河床最深點統(tǒng)計預(yù)警分析。根據(jù)平臺已有地形數(shù)據(jù)統(tǒng)計工程河段河床最深點和涉水工程附近河床最深點，以圖表形式展示變化趨勢，并根據(jù)涉水工程特性設(shè)定河床沖刷幅度極值預(yù)警和極限沖刷預(yù)警。

(8) 預(yù)警提示。平臺結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計、幅度變化和人工干預(yù)給出監(jiān)測預(yù)警提示，供工程養(yǎng)護管理單位決策參考。

(9) 場景漫游。平臺可以自動漫游、巡檢工程河段水下河床及堤防情況。

2.2 平臺架構(gòu)設(shè)計

平臺架構(gòu)采用5層架構(gòu)設(shè)計，分別是感知層、資源層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及應(yīng)用層，如圖1所示。感知層采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為平臺提供重點涉水工程的各類感知數(shù)據(jù)的泛在感知與采集，例如水位、高程、流速、流量、斷面、視頻等信息，實現(xiàn)涉水工程的及時、全面、準確、穩(wěn)定的監(jiān)測、監(jiān)視與監(jiān)控。資源層是基于分布云化資源提供平臺所需的計算、存儲以及網(wǎng)絡(luò)資源。數(shù)據(jù)層通過構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、散點數(shù)據(jù)庫、斷面數(shù)據(jù)庫、三維數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫等提供平臺的水文數(shù)據(jù)管理。服務(wù)層通過不斷提煉與沉淀平臺應(yīng)用所需的共通功能，實現(xiàn)平臺共通服務(wù)，為應(yīng)用層的應(yīng)用快速構(gòu)建提供支撐。應(yīng)用層結(jié)合業(yè)務(wù)需要，基于涉水工程數(shù)據(jù)與服務(wù)層提供的共通能力，構(gòu)建河床三維場景、等高線變化分析、斷面分析等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

平臺采用輕量化HTML5/WebGL建模方法實現(xiàn)3D場景，遙感影像能真實有效地描述地表特征，是三維地形仿真的重要數(shù)據(jù)來源[4-5]，實現(xiàn)快速建模、運行時輕量化的3D可視化效果，充分還原涉河工程本身和周圍的場景。采用插值算法完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，基于HTML5，應(yīng)用2D/3D引擎完成河床三維模型的建立。

3 典型案例應(yīng)用

按照平臺系統(tǒng)功能及架構(gòu)設(shè)計的建設(shè)目標，目前已完成了南京大勝關(guān)長江大橋河床監(jiān)測預(yù)警分析平臺(見圖2)的研發(fā)工作，并建立了南京大勝關(guān)長江大橋三維場景仿真模型。平臺將南京大勝關(guān)長江大橋常規(guī)河床監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了包括三維河床模擬展示、地形數(shù)據(jù)疊加沖淤分析、沖淤演變動畫模擬、等高線變化分析、自定義斷面分析、河道坡比計算、河床最深點統(tǒng)計預(yù)警分析、三維場景漫游等河床監(jiān)測預(yù)警分析功能，并支持基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)更新和統(tǒng)計分析查詢。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 三維建模技術(shù)

在參考涉水工程圖紙及相關(guān)尺寸信息的基礎(chǔ)上，首先將3DMax系統(tǒng)單位比例與顯示單位比例設(shè)置成一致，在虛擬環(huán)境的設(shè)計中，結(jié)合實體的建模原則，正確處理不同構(gòu)筑物模型之間的差異，結(jié)合“真實建?！钡脑瓌t及模型大小，完成單個涉水工程的建模。例如跨江大橋的建模需結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點，分析主要橋梁組件結(jié)構(gòu)(如T梁、蓋梁柱式墩、輕型橋臺等)構(gòu)件圖的幾何和拓撲關(guān)系，對組件進行參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)組件的三維建模[6-7]。

同時利用基于HTML5技術(shù)的Web編輯開發(fā)工具及圖形引擎軟件，將模型導(dǎo)入進行場景編輯。設(shè)定模型標簽、業(yè)務(wù)屬性參數(shù)等，為后續(xù)程序驅(qū)動的落地如數(shù)據(jù)綁定、數(shù)據(jù)展示等提供預(yù)處理，從而更好地滿足虛擬場景的實施需求。圖3為南京大勝關(guān)長江大橋三維建模。

4.2 數(shù)據(jù)插值、濾波及三角面生成算法

4.2.1數(shù)據(jù)插值與濾波

比較常用的插值算法有反距離權(quán)重插值和克里金插值[8-10]。本文所介紹的平臺使用了反距離權(quán)重插值算法(inverse distance weighting，IDW)。該方法假定每個測量點都有一種局部影響，而這種影響會隨著距離的增大而減小。算法的基本原理是對于平面內(nèi)已有數(shù)據(jù)(xi，yi，zi)，通過距離加權(quán)插值法，根據(jù)坐標的屬性值zi實現(xiàn)對P點屬性值插值。如果P點的周圍有N個數(shù)據(jù)點，則P點的屬性值可變?yōu)?/p>

在原始數(shù)據(jù)中，可能存在一些干擾點，為此平臺采用了濾波算法來做處理。算法以粗處理為主，在輸入數(shù)據(jù)中計算每個點到K個臨近點的距離分布，對每一個點，計算它到所有臨近點的平均距離和標準差。以此標準差作為閾值，不滿足的將其定義為離群點，并在原始數(shù)據(jù)中剔除，完成濾波后再進行迭代，進一步剔除噪聲。濾波完成后，對每一個節(jié)點采用反距離加權(quán)法計算預(yù)測高程值，計算的時候當前點的高程值不作為輸入，預(yù)測的高程值和當前實際值差值大于一定限值，用預(yù)測高程值替代當前高程值。以南京大勝關(guān)長江大橋河床水下散點數(shù)據(jù)為例，插值后的格網(wǎng)數(shù)據(jù)如圖4所示。

4.2.2三角面生成

3D模型是由最基礎(chǔ)的三角形面拼接合成，例如1個矩形可以由2個三角形構(gòu)成，1個立方體由6個面即12個三角形構(gòu)成，以此類推，更復(fù)雜的模型可以由許多小三角形組合合成。TIN是由空間中離散分布的不均勻點組成的三角網(wǎng)絡(luò)模型，它是DEM的一個主要數(shù)據(jù)模型。本文平臺采用TIN模型來實現(xiàn)三角面的生成，TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)[11-12]。如果點不在頂點上，該點的高程通常通過線性插值的方法得到(在邊上用邊的2個頂點的高程，在三角形內(nèi)則用3個頂點的高程)。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。在構(gòu)建TIN過程中，平臺采用了帶約束的Delaunay三角剖分算法，以解決實際河道中碰到的彎道或空白淺水區(qū)等實際數(shù)據(jù)所引起的三角網(wǎng)構(gòu)建冗余問題。以南京大勝關(guān)長江大橋河床水下散點數(shù)據(jù)為例，三角網(wǎng)構(gòu)建如圖5～6所示。

4.3 數(shù)據(jù)加密處理

為保證三維河床模型生成的準確性，同時便于與多測次地形數(shù)據(jù)的比較分析，對前端獲得的不同測次的散點地形數(shù)據(jù)物理坐標需要進行網(wǎng)格化加密處理，不同模型的網(wǎng)格節(jié)點個數(shù)和節(jié)點坐標值須一致。同時為了地形數(shù)據(jù)的安全性，平臺在數(shù)據(jù)加密處理時進行了旋轉(zhuǎn)和坐標歸零處理，例如以橋墩位置為中心，按一定角度進行旋轉(zhuǎn)，前端在生成模型時，再次進行了縮放處理，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

4.4 集成多個河床演變分析模塊

平臺實現(xiàn)了對歷年多測次的局部地形監(jiān)測數(shù)據(jù)的標準化存儲和高效分析管理，集成開發(fā)了“疊加沖淤分析”“沖淤演變動畫模擬”“等高線變化分析”“河床斷面分析”等多個河床演變分析模塊。疊加沖淤分析模塊實現(xiàn)了任意選擇2個測次地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)的沖淤計算，自動生成標準化沖淤圖，直觀展示河床沖淤狀態(tài)。沖淤演變動畫模擬模塊可任意選擇時間區(qū)間，平臺會生成區(qū)間的模擬演變動畫，動態(tài)展示工程局部河床的演變過程。等高線變化分析模塊實現(xiàn)了多測次等高線的選擇、疊加和比較分析。河床斷面分析模塊實現(xiàn)了固定斷面分析和手工斷面分析，固定斷面為預(yù)先設(shè)置的固定位置的斷面，手工斷面為用戶手工在三維地形圖上繪制的任意斷面，兩者都可以通過選擇不同的測次數(shù)據(jù)，將斷面展示到曲線圖，一次可選擇多個測次，不同測次以顏色區(qū)分，能夠動態(tài)顯示所選中斷面點的高程值，同時手工斷面可自動計算斷面起點和終點的河床坡比。這些可復(fù)制、移植的河床演變分析模塊能夠直觀、快速高效地實現(xiàn)對涉水工程局部河床演變的分析。

以南京大勝關(guān)長江大橋為例，涉水工程位于長江南京河段大勝關(guān)附近，位置見圖7。平臺通過入庫地形數(shù)據(jù)，可自定義選擇自動生成多測次的等高線變化圖，功能模塊展示如圖8所示。

4.5 河床監(jiān)測預(yù)警機制

平臺可根據(jù)各個涉水工程特性，設(shè)置特定的河床監(jiān)測預(yù)警機制。例如橋梁工程需重點關(guān)注跨江主橋墩附近區(qū)域河床的沖淤變化，隧道工程需重點關(guān)注隧道軸線位置上方河床的沖淤變化，碼頭工程需關(guān)注碼頭前沿河床沖淤變化。以南京大勝關(guān)長江大橋為例，平臺自動計算并展示橋墩附近河床最深點高程值，同時根據(jù)工程設(shè)計最大沖刷極值，動態(tài)顯示河床可沖刷厚度，分級別給出預(yù)警。如圖9所示，平臺右上角紅色框區(qū)域為預(yù)警模塊，當前主橋墩附近河床最深點高程為-43.57 m，處于正常狀態(tài)；當橋墩附近河床高程值小于等于極限沖刷值+5.00 m時，平臺會自動發(fā)出預(yù)警提示。

如果工程所在岸線存在河道崩岸險情或重點險工段，同時需建立河道邊坡崩岸險情動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測堤防、河道邊坡的水平位移值，發(fā)現(xiàn)異常波動值提前給出崩岸險情預(yù)警。

5 平臺功能拓展前景

5.1 融入底層感知物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

信息是智慧水利建設(shè)的基石。系統(tǒng)、整體、多類型地獲取信息，以及信息獲取之后的存儲、匯集、評價、校正和融合對智慧水利目標的實現(xiàn)至關(guān)重要[13]。智慧水利具有透徹感知、全面互聯(lián)、深度挖掘、智能應(yīng)用及泛在服務(wù)等特征，各個層次互相關(guān)聯(lián)，彼此耦合，從業(yè)務(wù)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、水利云、網(wǎng)絡(luò)、安全等方面形成一個完整體系[14]。目前水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測站已實現(xiàn)自動采集的各要素數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[15-16]。針對某個重要涉水工程監(jiān)測預(yù)警分析平臺，可在其重點河床位置設(shè)置底層感知設(shè)備，構(gòu)建感知物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將重點河床面高程值、水位、流速、流向?qū)崟r傳輸至平臺。同時可以利用高精度全自動三維形變實時監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)，根據(jù)重要涉水工程特點建立監(jiān)控模型，實現(xiàn)重要涉水工程形變監(jiān)測安全預(yù)警，通過重點部位危險點的實時預(yù)警，可有效降低涉水工程運行安全風(fēng)險，為工程防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)，增強抗御自然災(zāi)害的能力。

5.2 接入在線二維水沙模型

隨著理論水平的提高與計算機技術(shù)的進步，河流水沙數(shù)學(xué)模型得到了迅猛發(fā)展。由一維模型發(fā)展到二維、準三維、三維模型；由恒定流模型發(fā)展到非恒定流模型；由單一河道模型發(fā)展到復(fù)式道、分汊河道、干支流河道以及河網(wǎng)模型；由均勻沙模型發(fā)展到非均勻沙與寬級配泥沙模型；由懸沙、平衡輸沙、非耦合模型發(fā)展到全沙、非平衡輸沙、耦合模型[17]；由水沙模型發(fā)展到水沙、水質(zhì)與水溫聯(lián)合模型等[18]。隨著水文信息服務(wù)理念的改變和服務(wù)領(lǐng)域的擴展，將推動智慧水文監(jiān)測體系的建立與應(yīng)用[19]。收集工程所在河段的地形及水文資料，結(jié)合上下游水文測站共享數(shù)據(jù)和實時底層感知數(shù)據(jù)，可構(gòu)建在線二維水沙自修正耦合模型。運用水文預(yù)報技術(shù)，將模型預(yù)先計算的流場成果接入該平臺，能夠模擬展示重要涉水工程所在局部河床的實時動態(tài)流場，為涉水工程的場景化應(yīng)用提供基礎(chǔ)水文支撐。

6 結(jié) 語

現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，為構(gòu)造“天空地”一體化的智慧水文監(jiān)測體系提供了有效的技術(shù)支撐。重要涉水工程河床監(jiān)測預(yù)警分析平臺是基于3DMax構(gòu)建，結(jié)合編輯開發(fā)工具聯(lián)合建模法，通過地形點云數(shù)據(jù)建立動態(tài)河床三維模型，利用等高線變化、疊加沖淤分析、河床沖淤動畫模擬、典型斷面比較、河床坡比計算等手段，能快速直觀地分析涉水工程局部河床沖淤演變過程，同時具有自動預(yù)警功能，為重要涉水工程的科學(xué)管理、隱患排查、安全維護提供了關(guān)鍵性技術(shù)支撐。設(shè)計研發(fā)此平臺有利于實現(xiàn)地形、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一共享、高效分析和多場景應(yīng)用，有利于推動重要涉水工程安全管理規(guī)范化、精細化、智慧化。