基于實景三維GIS的水庫移動巡查系統(tǒng)設(shè)計

劉俊婷，毛繼國

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

1 引言

中國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，現(xiàn)有8.7萬座水庫，由于缺少必需的維護經(jīng)費，病險水庫數(shù)量過半，達4萬多座。從1954年有潰壩記錄以來，全國發(fā)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(fā)生在1975年的淮河流域，包括河南省駐馬店地區(qū)板橋、石漫灘兩座大型水庫在內(nèi)的數(shù)十座水庫漫頂垮壩，73.33 萬hm2農(nóng)田被毀滅，1 100 萬人受災(zāi)，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(xù)相關(guān)決策提供重要支持。傳統(tǒng)的巡查往往是攜帶紙質(zhì)巡查表格到現(xiàn)場手工填寫，拍攝照片或錄像，然后回單位進行內(nèi)業(yè)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(shù)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(shù)據(jù)交換等技術(shù)的移動巡查系統(tǒng)為解決以上問題提供了重要的技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)目標和設(shè)計原則

實景三維GIS是在二維GIS的基礎(chǔ)上，增加了連續(xù)的地面可量測影像庫作為新的數(shù)據(jù)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(huán)境。移動GIS是以移動互聯(lián)網(wǎng)為支撐、以智能手機或平板電腦為終端，結(jié)合北斗、GPS 或基站為定位手段的GIS 系統(tǒng)。移動巡查系統(tǒng)是在實景三維GIS 和移動GIS 有機結(jié)合的基礎(chǔ)上，結(jié)合水庫巡查業(yè)務(wù)設(shè)計的系統(tǒng)。利用實景三維GIS 不僅可以在傳統(tǒng)二維地圖上顯示方位信息，而且可以顯示詳細的環(huán)境信息（水庫所在的山體、邊坡和狹長地表形態(tài)等復雜的地理環(huán)境），充分發(fā)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(xiàn)場進行記錄、登記、取證、圖形操作、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢和災(zāi)情上報等，完成日常型、專題型、突發(fā)型的巡查任務(wù)。

水庫移動巡查系統(tǒng)設(shè)計原則是“統(tǒng)籌規(guī)劃、專題設(shè)計、業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享”。水庫管理涉及到水庫建設(shè)、水庫維修、水庫監(jiān)控和水庫巡查等各個方面，必須統(tǒng)籌水庫管理的各項業(yè)務(wù)，進行整體設(shè)計。在整體設(shè)計基礎(chǔ)上，做好水庫巡查系統(tǒng)的專題設(shè)計，使之符合總體規(guī)劃的要求，并做好巡查相關(guān)的內(nèi)外部業(yè)務(wù)協(xié)同管理，實現(xiàn)水庫管理部門之間的信息共享。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

基于實景三維GIS的水庫移動巡查系統(tǒng)是一個整體的系統(tǒng)平臺，采用分層架構(gòu)進行設(shè)計，分為數(shù)據(jù)資源層、基礎(chǔ)支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層和安全運行保障體系、信息化標準規(guī)范體系，簡稱“三層兩體系”。系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 水庫移動巡查系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)資源層是系統(tǒng)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(qū)劃等信息的基礎(chǔ)空間庫，存放巡查任務(wù)和考核數(shù)據(jù)等信息的巡查業(yè)務(wù)庫，以及圖片、錄像等文件數(shù)據(jù)。

（2）基礎(chǔ)支撐層是系統(tǒng)的理論基石，包括作為系統(tǒng)底圖的實景三維GIS 系統(tǒng)、實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程化辦理的工作流引擎、移動終端設(shè)備和監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)以及實現(xiàn)信息共享的系統(tǒng)。

（3）應(yīng)用系統(tǒng)層是系統(tǒng)建設(shè)的核心。它運用基礎(chǔ)支撐層的方法，利用數(shù)據(jù)資源層提供的各種信息，為移動巡查管理提供辦理、查詢、統(tǒng)計和分析的平臺。

（4）信息化標準規(guī)范體系是引領(lǐng)信息化發(fā)展的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)“互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)協(xié)同、信息共享”的前提，必須遵循國內(nèi)外技術(shù)標準和行業(yè)標準。

（5）安全運行保障體系是一套確保水庫移動巡查系統(tǒng)安全運行的體系，需從技術(shù)、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(tǒng)包括移動終端服務(wù)子系統(tǒng)和綜合巡查管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)功能組成，如圖2所示。

圖2 水庫移動巡查系統(tǒng)功能組成

（1）移動終端服務(wù)子系統(tǒng)。移動終端服務(wù)子系統(tǒng)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(shù)與數(shù)據(jù)中心進行信息交流和業(yè)務(wù)處理。其功能包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢，巡查任務(wù)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(zhuǎn)、定位、量測和制圖輸出，GPS 信號處理以及通信狀態(tài)管理。

鑒于水庫所在地地理環(huán)境的復雜性以及GPS和通信信號的不穩(wěn)定性，需要考慮通信狀態(tài)管理及GPS 信號處理和補充定位功能。在通信狀態(tài)管理上，當移動通信信號不佳或中斷時，無法實現(xiàn)移動終端與監(jiān)控中心之間的通信，影響數(shù)據(jù)上傳（如巡查記錄、圖片等），需提供基于消息隊列的數(shù)據(jù)離線緩存機制；在GPS信號處理上，利用差分技術(shù)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(shù)據(jù)，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后顯示在三維實景GIS 地圖上。對于無GPS 信號的地區(qū)，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(tǒng)。綜合巡查管理子系統(tǒng)部署在監(jiān)控中心服務(wù)器，供監(jiān)控管理人員使用。它以實景三維GIS為底圖，以巡查任務(wù)的下達、跟蹤為主要內(nèi)容，以巡查軌跡回放和績效考核為手段，實現(xiàn)水庫移動巡查的流程化、規(guī)范化管理，功能包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、巡查任務(wù)分派及監(jiān)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(tǒng)計。

綜合巡查管理子系統(tǒng)采用面向服務(wù)的思想進行開發(fā)設(shè)計，通過WebService 接口與移動終端服務(wù)子系統(tǒng)進行交互。移動終端服務(wù)子系統(tǒng)將需要傳輸?shù)奈谋尽D片和影像等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成規(guī)定格式的XML文件，通過Base64編碼，發(fā)送到綜合巡查管理子系統(tǒng)。基于數(shù)據(jù)交互技術(shù)，進行XML文件反序列化、解析，最終實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢操作。

4 系統(tǒng)主要特點

水庫移動巡查系統(tǒng)和現(xiàn)有的主流系統(tǒng)相比，主要特點如下：

（1）增加實景導航功能。系統(tǒng)實現(xiàn)對水庫沿線景觀（如路面、邊坡、綠化等）及設(shè)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(tǒng)三維GIS，數(shù)據(jù)采集速度快、建設(shè)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(tǒng)不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上將照片、錄像、文本等各類數(shù)據(jù)及時準確地傳遞到監(jiān)控中心，而且可以將實景量測數(shù)據(jù)（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(fā)送到監(jiān)控中心，為決策指揮提供可靠的依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。通過現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)與歷史影像數(shù)據(jù)對比，系統(tǒng)也可以進行后續(xù)的損害評估、規(guī)劃重建等。

（3）創(chuàng)新績效考核功能。系統(tǒng)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(jié)合的模式，綜合考察巡查路線的路況、周邊環(huán)境等因素，將巡查路線合理劃分成若干段，并規(guī)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(guī)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(jié)語

采用移動終端技術(shù)開發(fā)的移動巡查系統(tǒng)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)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(shù)設(shè)計的水庫移動巡查系統(tǒng)為水庫巡查管理提供了豐富、便捷的管理手段，從整體設(shè)計的角度闡述了系統(tǒng)建設(shè)目標、原則、技術(shù)架構(gòu)和系統(tǒng)功能等，為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供了基礎(chǔ)，同時對其他領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

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