基于實景三維GIS的水庫移動巡查系統設計

劉俊婷，毛繼國

（1.水利部河北水利水電勘察設計研究院，天津 300250；2.天津市水利勘測設計院，天津 300204）

1 引言

中國是世界上水庫數量最多的國家，現有8.7萬座水庫，由于缺少必需的維護經費，病險水庫數量過半，達4萬多座。從1954年有潰壩記錄以來，全國發生潰壩的水庫共3 515座，人類歷史上最為慘烈的潰壩事件發生在1975年的淮河流域，包括河南省駐馬店地區板橋、石漫灘兩座大型水庫在內的數十座水庫漫頂垮壩，73.33 萬hm2農田被毀滅，1 100 萬人受災，超過2.6萬人死亡。如何保障水庫安全運行，是擺在水利管理部門面前的重大課題。

巡查是水利部門開展水庫安全檢查的重要手段，并為后續相關決策提供重要支持。傳統的巡查往往是攜帶紙質巡查表格到現場手工填寫，拍攝照片或錄像，然后回單位進行內業整理，效率較低下，難以滿足管理要求。為此，迫切需要利用先進的技術手段來提高水庫巡查的及時性、準確性和效率。基于實景三維GIS、移動GIS、GPS、移動通信、數據交換等技術的移動巡查系統為解決以上問題提供了重要的技術支撐。

2 系統目標和設計原則

實景三維GIS是在二維GIS的基礎上，增加了連續的地面可量測影像庫作為新的數據源，并通過開放的軟件與GIS 無縫集成，從而給用戶提供了一個更直觀易用的實景可視化環境。移動GIS是以移動互聯網為支撐、以智能手機或平板電腦為終端，結合北斗、GPS 或基站為定位手段的GIS 系統。移動巡查系統是在實景三維GIS 和移動GIS 有機結合的基礎上，結合水庫巡查業務設計的系統。利用實景三維GIS 不僅可以在傳統二維地圖上顯示方位信息，而且可以顯示詳細的環境信息（水庫所在的山體、邊坡和狹長地表形態等復雜的地理環境），充分發揮移動GIS 靈活性、便捷性的特點。工作人員攜帶手持移動終端，到巡查現場進行記錄、登記、取證、圖形操作、業務數據查詢和災情上報等，完成日常型、專題型、突發型的巡查任務。

水庫移動巡查系統設計原則是“統籌規劃、專題設計、業務協同、信息共享”。水庫管理涉及到水庫建設、水庫維修、水庫監控和水庫巡查等各個方面，必須統籌水庫管理的各項業務，進行整體設計。在整體設計基礎上，做好水庫巡查系統的專題設計，使之符合總體規劃的要求，并做好巡查相關的內外部業務協同管理，實現水庫管理部門之間的信息共享。

3 系統設計

3.1 總體架構

基于實景三維GIS的水庫移動巡查系統是一個整體的系統平臺，采用分層架構進行設計，分為數據資源層、基礎支撐層、應用系統層和安全運行保障體系、信息化標準規范體系，簡稱“三層兩體系”。系統總體架構，如圖1所示。

圖1 水庫移動巡查系統總體架構

（1）數據資源層是系統的信息集散和傳輸中心，好比是“信息倉庫”，包括保存實景三維GIS 需要的近景影像庫，存儲地形、影像和行政區劃等信息的基礎空間庫，存放巡查任務和考核數據等信息的巡查業務庫，以及圖片、錄像等文件數據。

（2）基礎支撐層是系統的理論基石，包括作為系統底圖的實景三維GIS 系統、實現業務流程化辦理的工作流引擎、移動終端設備和監控中心進行數據交換的系統以及實現信息共享的系統。

（3）應用系統層是系統建設的核心。它運用基礎支撐層的方法，利用數據資源層提供的各種信息，為移動巡查管理提供辦理、查詢、統計和分析的平臺。

（4）信息化標準規范體系是引領信息化發展的基礎，是實現“互聯互通、業務協同、信息共享”的前提，必須遵循國內外技術標準和行業標準。

（5）安全運行保障體系是一套確保水庫移動巡查系統安全運行的體系，需從技術、管理、運行諸方面綜合考慮。

3.2 功能模塊

水庫移動巡查系統包括移動終端服務子系統和綜合巡查管理子系統。系統功能組成，如圖2所示。

圖2 水庫移動巡查系統功能組成

（1）移動終端服務子系統。移動終端服務子系統部署在移動終端，如手機、平板電腦等，供巡視員使用。它通過實景三維GIS 進行導航，通過無線通信技術與數據中心進行信息交流和業務處理。其功能包括業務數據查詢，巡查任務接件、取證、上報，巡查軌跡記錄，巡查案件上報，地圖放大、縮小、漫游、旋轉、定位、量測和制圖輸出，GPS 信號處理以及通信狀態管理。

鑒于水庫所在地地理環境的復雜性以及GPS和通信信號的不穩定性，需要考慮通信狀態管理及GPS 信號處理和補充定位功能。在通信狀態管理上，當移動通信信號不佳或中斷時，無法實現移動終端與監控中心之間的通信，影響數據上傳（如巡查記錄、圖片等），需提供基于消息隊列的數據離線緩存機制；在GPS信號處理上，利用差分技術消除大部分信號折射、反射造成的漂移，按照格拉布斯準則剔除明顯偏離的數據，經坐標轉換后顯示在三維實景GIS 地圖上。對于無GPS 信號的地區，采用移動運營商的MPS信號進行補充定位。

（2）綜合巡查管理子系統。綜合巡查管理子系統部署在監控中心服務器，供監控管理人員使用。它以實景三維GIS為底圖，以巡查任務的下達、跟蹤為主要內容，以巡查軌跡回放和績效考核為手段，實現水庫移動巡查的流程化、規范化管理，功能包括業務數據管理、巡查任務分派及監控，巡查記錄管理、巡查軌跡回放、巡查案件管理、地圖操作、人員績效考核和綜合查詢統計。

綜合巡查管理子系統采用面向服務的思想進行開發設計，通過WebService 接口與移動終端服務子系統進行交互。移動終端服務子系統將需要傳輸的文本、圖片和影像等數據，轉換成規定格式的XML文件，通過Base64編碼，發送到綜合巡查管理子系統。基于數據交互技術，進行XML文件反序列化、解析，最終實現對數據的增加、刪除、修改和查詢操作。

4 系統主要特點

水庫移動巡查系統和現有的主流系統相比，主要特點如下：

（1）增加實景導航功能。系統實現對水庫沿線景觀（如路面、邊坡、綠化等）及設備（如水位儀、氣象儀等）的影像瀏覽和實景導航。實景三維GIS 相比傳統三維GIS，數據采集速度快、建設費用更低，性價比相對較高，比較實用。

（2）豐富巡查取證功能。系統不僅可以實現傳統意義上將照片、錄像、文本等各類數據及時準確地傳遞到監控中心，而且可以將實景量測數據（如壩堤被盜采的實際范圍線、土方量和可量測影像）與位置（GPS）一起發送到監控中心，為決策指揮提供可靠的依據和數據支持。通過現場影像數據與歷史影像數據對比，系統也可以進行后續的損害評估、規劃重建等。

（3）創新績效考核功能。系統取消巡檢員“上班簽到、下班簽退”的工作機制，采用績效考核與巡檢軌跡相結合的模式，綜合考察巡查路線的路況、周邊環境等因素，將巡查路線合理劃分成若干段，并規定每段需要的時間；最后，通過巡查軌跡位置和時間與巡查線路規定值的對比，準確地反映巡查人員的工作量、工作效率和工作完成情況。

5 結語

采用移動終端技術開發的移動巡查系統已經越來越廣泛地應用在水利管理中，也取得了很多成績。筆者綜合運用實景三維GIS、近景攝影測量、無線通訊等技術設計的水庫移動巡查系統為水庫巡查管理提供了豐富、便捷的管理手段，從整體設計的角度闡述了系統建設目標、原則、技術架構和系統功能等，為類似系統的開發提供了基礎，同時對其他領域的推廣應用具有一定的借鑒意義。

[1]鐘登華.水利工程施工總布置動態信息可視化方法研究[J].水利學報，2003，（8）：91-92.

[2]江鹢.基于GPS、GIS和移動通信技術的國土資源移動巡查系統總體設計[J].測繪通報，2010，（6）：66-67.

[3]羅智.基于實景三維GIS和移動巡查技術的公路管理應用系統[A].中國測繪學會第九次全國會員代表大會暨學會成立50周年紀念大會論文集[C].北京：中國測繪學會，2009.

[4]沙海飛.基于GIS與數學模型集成的閘泵信息管理系統[J].水電自動化與大壩監測，2004，（4）：70-72.