海堤可視化監測系統開發與應用

張鵬，黃銘

（合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥230009）

海堤可視化監測系統開發與應用

張鵬，黃銘

（合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥230009）

海堤作為一種特殊的水工建筑物，經常受到潮汐、臺風等因素的影響，運行工況復雜。結合海堤運行的特點，利用ArcGIS強大的地理信息處理能力和ArcGIS Engine豐富的組件庫，在Visual Studio（簡稱VS）平臺上借助C#編程語言實現了海堤可視化監測系統的開發。系統內置的數學建模分析模塊能夠調用實時監測數據并對其進行分析預測，便于及時了解海堤的運行狀態，保證海堤安全。工程實例證明，該系統較好地實現了海堤安全監測中的二維與三維可視化操作，對空間數據庫和屬性數據庫以及安全監測數據進行了系統的管理，內置的數學建模分析模塊對監測數據的分析和預測結果較好。

海堤；可視化；安全監測；系統開發

海堤是沿海地區常見的壩工建筑物，具有防御臺風抵擋潮水、保證堤內廣大人民群眾生命財產安全和堤內經濟建設和諧發展的重要作用［1］。與一般的水工建筑物相比，海堤具有延續長，涉及范圍廣，工作環境復雜等特點，而且由于海堤基礎大多為軟土地基，穩定性差，對施工和運行的安全性造成了一定的影響。

為保證海堤安全，必須加強堤防的安全監測，但是由于海堤上布置的監測點較多，監測項目繁雜，監測部位空間分布廣，各監測點采集的監測數據量也很大。為此，可以通過在VS平臺上開發構建基于地理信息系統（GIS）技術的海堤可視化安全監測系統，以實現海堤安全監測的可視化、數據庫管理以及監測數據的分析預測等，為采取及時有效的防范措施提供條件［2］。

1 開發環境

1.1ArcGIS與ArcGIS Engine

ArcGIS是由美國Esri公司開發的全球領先的GIS平臺軟件，它具有強大的地圖制作、空間數據管理、空間分析、空間信息整合等功能。ArcGIS Engine則是一個簡單的、獨立于應用程序的ArcObjects編程環境，具有完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫［3］。

1.2Visual Studio

VS是目前較為流行的Windows平臺應用程序開發環境，支持多語言開發，具有強大的可視化設計界面［4］。VS強大的接口功能可以直接調用ArcGIS Engine組件庫及外部程序，實現GIS可視化系統的開發。

1.3 C#編程語言

C#作為一種完全面向對象的編程語言，其主要用來創建在.NET Framework上運行的各種應用程序。與其他編程語言相比，C#具有代碼簡單、功能強大、類型安全等優點，可以實現應用程序的快速開發［5］。

本文即是在VS 2008平臺上，調用ArcGIS Engine提供的GIS控件，利用C#語言編程，實現海堤監測模型的可視化顯示、數據管理和信息查詢以及對監測數據的建模分析預測等。

2 系統總體設計

2.1 結構設計

整個系統的開發過程，采用經典的三層結構，即數據層、邏輯層和應用層［6］。系統的三層體系結構如圖1所示。最底層是數據層，主要包括二維及三維GIS數據、屬性數據以及監測點采集到的監測數據等；中間邏輯層由VS開發平臺、Arc?GIS Engine組件和C#編程語言組合而成，用于構建整個安全監測系統；應用層則是由各個功能模塊組成的海堤可視化監測系統。

2.2 功能設計

系統的功能設計主要體現在3個方面：可視化、數據管理及監測數據分析預測。其中：（1）可視化功能模塊可以實現對二維和三維海堤視圖的瀏覽和查看；（2）數據管理功能模塊可以進行屬性信息和監測信息的查詢、超級鏈接的建立和查看以及系統數據庫的調用、更新和維護；（3）建模分析預測模塊能夠通過建立數學模型對監測數據進行建模分析，并利用模型進行預測。

圖1 系統總體結構圖Fig.1System structure

3 監測數據分析方法

海堤安全監測中主要的監測項包括位移監測、潮位監測、滲壓監測及波浪爬高監測等。該安全監測系統中的數學建模分析模塊可以針對不同監測項的數據特點而選取合適的建模方法對監測數據進行分析。本文選用受潮汐等因素影響較為顯著的堤身內滲壓測項，對其進行建模分析。在對海堤實測滲壓數據定性分析的基礎上，以水工建筑物監測中應用最廣的多元統計回歸模型建模分析為例，選取合理的自變量因子，建立潮位、時效影響下的多元統計回歸因果模型。

多元統計回歸是判斷某種監測項的測值序列與其他若干監測項相應測值序列間是否存在相關關系，并對存在的相關關系給出定量關系表達式，檢驗關系式的可信度、分析因變量和各自變量間的影響程度的一種方法［7］，其建模過程如下。

設隨機變量y和m個變量x1，x2，…，xm有關，該關系可以表達為

該式即為y關于x1，x2，…，xm的多元線性回歸方程。式中

β0，β1，β2，…，βm為待估的回歸系數。

通過將監測數據帶入多元線性回歸方程組，利用最小二乘法求解，則可以確定回歸系數。定義回歸總離差平方和及回歸平方和分別為

則考察多元回歸方程回歸效果的重要指標復相關系數R為

復相關系數是因變量和方程中自變量的線性關系密切程度的表現，其值范圍是［0，1］，復相關系數越接近1表示這種關系越好。

4 工程實例

本文以上海市某海堤為例。該海堤為一線海堤，處在長江入海口南岸和杭州灣入海口北岸，全長約60 km，受臺風等自然災害的影響較為頻繁。

4.1二維可視化開發及數據管理

在二維可視化功能開發之初，需首先完成二維海堤GIS模型的建立。利用Google公司開發的谷歌地球（Google Earth，GE）軟件截取海堤及其周圍的高清遙感影像圖并將其導入到ArcGIS中，再利用配準工具（Georeferencing）將影像圖配準。將配準后的帶有空間坐標信息的影像圖根據實際情況劃分為海堤、丁壩、海水面、堤內渠道、堤內沼澤地等地理信息類圖層以及滲壓監測點、潮位監測點等監測類圖層。在為每個圖層添加相應的屬性數據并對圖形加以渲染之后，將整個地圖文件保存為“二維海堤模型.mxd”。

圖2 海堤二維可視化及屬性信息查詢Fig.22D visualization and attribute information inquiry of seawall

圖3 海堤二維可視化及監測數據管理Fig.32D visualization and monitoring data management of seawall

圖4 海堤三維可視化Fig.43D visualization of seawall

ArcGIS Engine為GIS系統的開發提供了一些功能非常強大的控件。在VS平臺上，調用ArcGIS Engine組件庫中的MapControl、ToolBarControl及TOCControl等控件并設置其屬性，利用C#編程實現系統所需的各種基本功能，如制圖板式的切換、各個控件之間的連接、鷹眼、狀態欄中坐標信息與比例尺的實時顯示等，完成整體框架的構建。

在系統主界面點擊“可視化功能模塊”按鈕，加載“二維海堤模型.mxd”文件即可看到二維海堤安全監測視圖。在二維可視化中，系統豐富的工具欄除了具有對海堤地圖的縮放、移動、識別、全范圍顯示、圖層管理等功能之外，還可以實現海堤監測點位置信息的查詢，監測數據的查詢、編輯以及搜索等，并可以超鏈接到現場圖片、海堤管理中心網站等。例如，將系統中的識別（Identify）按鈕點擊到海堤堤身處，即可顯示海堤基本監測信息，包括監測點的布置、海堤基本概況等（圖2）。

除了具有基本屬性信息的管理功能，在二維可視化中還可以實現海堤監測點監測數據的查詢。通過點擊系統菜單欄里的數據查看功能按鈕或者直接點擊具體的監測點，均可以看到該點所對應的監測數據，并可以實現數據的更新、編輯、導出等功能。例如在該海堤的安全監測中，潮位監測是靠豎立在丁壩附近的水尺，點擊該潮位監測點后，可以查看到的該測點的潮位數據值（圖3）。

4.2 三維可視化開發及數據管理

ArcScene是ArcGIS三維分析模塊的一部分，它具有管理和編輯三維GIS數據、創建3D圖層、進行3D分析等功能。在ArcScene中，首先將采集到的海堤周圍地形高程信息與配準后的影像圖相結合生成三維起伏地形，并制作海堤和丁壩等建筑物的三維模型［8］，保存為“三維海堤模型.sxd”文件。

三維可視化的開發是在基于VS平臺的程序設計窗體上分別添加TOCControl、SceneControl及OpenFileDia?log等控件，并為菜單（MenuStrip）控件添加例如Click等相應的事件，每個事件對應的功能同樣通過C#編程實現，開發出一個可以加載三維地圖文檔并對地圖進行操作的程序（圖4）。

三維可視化與二維可視化相比，可以更加直觀真實地實現海堤所在場景的瀏覽，方便對整個海堤周圍的地形有全面清晰的了解。如通過三維可視化程序工具條中的動畫導航（Navigate）功能可以對場景進行旋轉觀察，旋轉的同時還可以進行縮放；而選擇了飛行（Fly）工具后，鼠標將變成一只小鳥的形狀，可以通過鼠標的移動控制其飛行方向和速度，利用視角、場景屬性、地理位置以及時間等的變化來實現對場景的飛行瀏覽。在三維可視化中仍然可以通過點擊查看監測數據按鈕或直接點擊監測點來實現系統與外部數據庫的鏈接，隨時查看監測點數據。

圖5 多元統計回歸擬合曲線Fig.5Multivariate statistical regression curve

4.3 監測數據分析模塊

建模分析模塊可以實現對海堤滲壓監測數據的分析預報。本文以多元統計回歸模型為例，在安全監測系統中點擊“數學建模”功能按鈕即可進行多元統計回歸建模分析。該模塊能夠調用指定監測點的監測數據進行分析并輸出建模分析結果。

建立回歸關聯模型時，最重要的是確立模型結構即因變量和自變量因子形式。本文選取上海某海堤2004年10月1日～2004年10月6日共144組樣本進行建模。以滲壓S作為因變量，以前期潮位Hp和時效t作為主要影響因素。根據函數的冪級數展開思想和大壩監測應用的經驗，選用前期潮位Hp的1～4次冪函數及監測時間序列t的1～3次冪函數作為初選因子［9］。經回歸計算，得到最終模型為

其中模型復相關系數為0.9801，剩余標準差為0.017 7（高程m），可見擬合效果很好（圖5）。利用該模型對后期24 h的滲壓值進行預測，24個預測值與后期實測對比相對誤差為1.36%，效果較理想。

5 結論

本文以上海某海堤為例，在VS平臺上構建了基于GIS的海堤可視化安全監測系統。

（1）二維及三維可視化功能是整個系統的基礎，它使用戶更為直觀地了解海堤的基本狀況，如監測點布置、海堤所處環境等。

（2）系統具有較為完善的數據庫管理功能，對海堤空間數據、屬性數據和監測數據分類管理，可較為便捷地實現各類信息的查詢、篩選和編輯。

（3）選取了合適的自變量因子及因子形式對監測數據進行多元統計回歸模型建模，分析預測結果良好。除此之外，針對不同的監測數據項，還預留其他建模接口，便于擴展。

（4）可視化監測系統為海堤的運行管理提供了支持平臺，對保障海堤的安全具有重要的意義。

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Development and application of seawall visual monitoring system

ZHANG Peng，HUANG Ming
（School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

As a special hydraulic structure,seawall is always affected by tides,typhoons and other factors.Its operating conditions are complicated.In this paper,combined with the characteristics of the seawall running,the seawall visual monitoring system on Visual Studio(abbreviation VS)platform by using C#programming language was developed on the basis of the powerful geographic information processing capabilities of ArcGIS and the rich component library of ArcGIS Engine.The mathematical modeling analysis module in this system can call real?time monitoring data to do some analysis and forecasting,which can keep abreast of the operational status and ensure the safety of the seawall.Project example proves that this system achieves 2D and 3D visualization of seawall safety monitoring well,and it also manages the spatial and attribute database,and security monitoring data systematically. The analysis and prediction results of the mathematical modeling and analysis module to the monitoring data are good.

seawall；visualization；safety monitoring；system development

TV 698.1

A

1005-8443（2014）06-0637-05

秦皇島港建成全國最大防風抑塵墻

2013-11-13；

2013-11-27

國家自然科學基金資助項目（50979056）

張鵬（1988-），男，河南省駐馬店市人，碩士研究生，主要從事水工結構安全監測研究。

Biography：ZHANG Peng（1988-），male，master student.

本刊從秦皇島港股份有限公司獲悉，秦皇島港煤炭堆場防風網主體及附屬配套設施工程已于2014年11月15日前全部完工。防風網總長度達5 038 m，成為國內規模最大的防風網工程，其工藝達國際領先水平。防風網工程總投資近4億元，該工程歷時7 a，分期組織實施，一期工程在2008年10月建成投入使用，長1 717 m，2012年6月再添764 m，分別位于堆場北側和東側。2014年新建防風網2 557 m，位于煤三至五期及礦石堆場西側和煤五期堆場南側，對東港區最大的露天散貨堆場形成了“合圍”。目前，這座高23 m的鋼鐵長城，防風網板面積已超過11萬m2，可有效控制東港區煤炭和礦石堆場起塵、漂移、擴散，彌補冬春兩季風大、氣候干燥及灑水受限給防塵工作帶來的影響，提高東港區防塵能力。據衛生環保部門監測數據顯示，自防風網發揮作用以來，整個10月份，堆場邊界區域降塵較去年同期下降20.5%，TSP(總懸浮顆粒)同比下降27.3%，港口降塵能力得到顯著提升。（殷缶，梅深）