城市地下管網水質可視化預警系統研發及應用

王子成，楊碩文，陳亞軍，許后磊，汪國斌

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

城市地下管網水質可視化預警系統研發及應用

王子成，楊碩文，陳亞軍，許后磊，汪國斌

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

針對城市地下管網空間復雜性及其部分管道水質監控信息化程度的不足，基于三維GIS軟件SuperMap強大的圖形數據處理能力，開發了城市地下管網水質可視化預警系統。將三維可視化場景、管道模型和監測成果與SuperMap軟件系統有機地融合，建立直觀、有效的城市地下管網三維可視化場景，能夠動態展示和實時交互式地查詢可視化模型信息；同時通過對水質監控指標的閾值進行設置，系統能夠自動識別異常監控指標值，并將異常信息推送給監控人員，從而達到監控預警的目的。該系統為城市地下管網水質監控提供了一個直觀交互式的信息可視化管理平臺及監控預警平臺，具有一定的實際意義和應用價值。

城市地下管網；水質監控；SuperMap；可視化；預警

目前我國城市化建設已進入快速發展階段，城市地下管網水質污染事件越發頻繁，嚴重影響了城市居民的日常生活，水質污染成為城市快速發展過程中亟需解決的問題。解決該問題最好的辦法不是事后補救，而是事前監控，避免此類事件發生。隨著計算機技術、通信技術和可視化技術的不斷進步，其在各個領域的應用也隨之增多，利用這些技術對城市地下管網水質變化進行動態實時可視化監控正成為一種解決城市地下管網水質污染問題的新途徑。目前，國內外許多學者對城市水質監測預警已經作了一些研究。黃健等[1]基于對水質監測、預警及應急業務的分析，對城市水質監測預警平臺進行了研究；羅侃等[2]開發了城市供水水質監測及應急處理系統；美國為加強對水質監控的力度，開發了地下水的預警系統[3]，包括原水和管網水。綜合來看，這些水質監測系統的可視化程度不足，大多停留在二維上，且可視化信息交互能力不足，如何構建一個功能強大、實時交互且實用的水質可視化監控預警系統還有待進一步研究。鑒此，本文以我國昆明市經開區部分地下管網為依托，對城市地下管網水質可視化監測預警的控制問題進行研究，以期提高城市地下管網的管理和監控水平。

1 城市地下管網水質可視化預警系統結構

為了直觀、實時、準確地獲取城市地下管網水質監控信息,掌控城市地下管網部分管道的區域位置信息、管道屬性及管道水質監測信息，按照城市地下管網水質監控特點，將城市地下管網水質可視化預警系統體系結構劃分為3大方面：三維可視化場景創建、監測信息模型可視化和水質監測預警，具體結構如圖1所示。

圖1 預警系統結構

2 城市地下管網水質可視化預警實現方法

2.1 三維可視化場景創建

為了真實地展現城市地下管網，必須構造出一個逼真的三維可視化場景，該場景是對城市地下管網所在區域的地理環境的可視化，主要包括地形、地面建筑物、道路、樹木和地下管網。

2.1.1 地形場景創建

由于城市地下管網水質可視化預警系統關注的重點是管道水質的監測，對地形模型的精度和質量要求不高，另外，大多城市地勢起伏不大，相對平坦，因此選擇由美國國家航天局NASA、美國國家圖像測繪局NIMA、德國與意大利航天機構共同完成的全球地形數據系統來獲取數字高程模型，而創建三維地形場景所需的遙感影像數據可以通過谷歌地球獲取；最后在SuperMap軟件中分圖層(柵格圖層、影像圖層)分別導入數字高程模型和影像數據，根據兩者的坐標文件自動配準，生成地形模型。SuperMap是亞洲最大的、技術國際領先的GIS平臺軟件，具有功能齊全的軟件體系,且在城市市政、道路、水利等領域廣泛使用。

2.1.2 地面要素建模

地面要素包括地面建筑物、道路、樹木等[4-5]，其建模主要采用人工建模的方式來完成。首先對這些地面要素進行三維建模，然后利用3ds Max對其進行貼圖處理，針對不同的地面要素分別賦予不同材質，通過SuperMap Max Plugin插件直接把地面要素模型導入到SuperMap軟件中，在導入過程中可以設置模型所在位置的經度、緯度及高程，實現場景中地面要素的構建。同時，也可以將三維模型另存為3DS文件，以此作為其可視化的基礎。3DS文件是3ds Max的一種二進制存儲格式，里面包含模型的網格信息、網格節點坐標信息和紋理坐標信息，通過SuperMap軟件分別讀取文件中不同信息，并對不同的要素信息進行編號，建立其與真實場景中要素的映射關系，實現地面要素構建。

2.1.3 地下管網構建

城市地下管網水質可視化預警系統中主要包含城市污水管和城市雨水管兩類管道，這些管道直接利用SuperMap軟件中的管道創建模塊進行構建。具體過程如下：①根據現場測繪的管道位置信息圖紙，在場景二維影像平面圖相應位置上繪制直線，直線代表管道；②對繪制的直線進行符號化，根據管道實際輪廓或外形選擇對應的三維符號，并在三維場景中生成地下管網。

2.2 監測信息模型可視化

2.2.1 儀器模型的構建

在城市地下管網水質可視化預警系統中，要及時準確獲取管道水質監控信息及城市地下管網部分管道的水質監測布置情況，必須在可視化場景中建立能真實反映且有效區分不同水質監測儀器形態的三維儀器模型。城市地下管網水質監控指標主要有化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮、磷、pH值等。由于這些監控指標值通過傳感器來獲取，而傳感器外形基本相同，若以傳感器三維模型作為監測儀器模型，則在可視化場景中難以有效區分，因此建立一套適合城市地下管網水質可視化預警系統的監測儀器三維模型是非常必要的。為了直觀、清晰地區分不同監測儀器，系統根據實際需要建立了相應的監測儀器三維模型，圖2從左到右依次為COD、氨氮及磷的監測儀器三維模型。

圖2 監測儀器三維模型

2.2.2 儀器模型與監測信息耦合

根據管網實際監測點的位置信息，建立監測儀器三維模型與實際監測點之間的位置映射關系，利用這種映射關系，把監測儀器三維模型加載到三維場景中指定坐標點。利用SuperMap在不同監測儀器模型屬性表中加入一個字段(InstrumentID)，作為該儀器的唯一標識符A，同時存儲監測信息的數據庫表也建立儀器編號的字段，作為該儀器監測信息的唯一標識符B，通過建立兩者之間的對應關系，實現地理空間數據庫與關系數據庫之間的聯動，即監測儀器模型與監測信息之間的耦合。

為了在三維場景中交互式拾取水質監測儀器模型，進而獲取水質監測數據信息，必須對鼠標點擊的屏幕坐標信息進行轉換，得到拾取點對應場景中的三維坐標點，該點包含于監測儀器模型所占據的空間中，以此拾取到相應的水質監測儀器模型。常用的三維拾取方法為針刺取點法[6]：①通過鼠標點擊，得到屏幕二維坐標系下的點O(Ox,Oy)；②從點O作一條垂直于屏幕向里的射線，射線經過各三維模型表面都會存在一個交點；③計算點O到各交點的距離，距離最短對應的表面交點為轉換的三維拾取點；④通過該三維拾取點的坐標位置信息判斷所拾取三維模型。在三維場景中利用針刺取點法可迅速獲取監測儀器模型，從而得到相應的監測信息。

2.3 水質監測預警

在城市地下管網水質監測預警中，需要利用實時采集的監測數據信息，同時根據監控指標的閾值動態計算，分析管道水質是否存在警情。水質監測預警基本流程如下：①水質監測儀器傳感器實時采集數據；②利用用于過程控制的OLE(OLE for process control,OPC)技術建立水質監測傳感器與水質可視化預警系統關聯，并把監測數據信息分類存儲于關系型數據庫表中；③根據監測數據和指標閾值[7-8]，可視化預警系統自動識別異常數據并預警；④系統將警情信息以短信和系統提示兩種方式推送給相關警情處理人員處置；⑤根據處置結果，判斷是否解除報警。流程具體如圖3所示。

2.3.1 監測數據庫設計

2.3.1.1 概念結構設計

根據水質可視化預警系統的需要，監測數據主要包括COD、氨氮、磷、pH值等安全監測信息。由于水質監測時間間隔較短，數據量會不斷增長，為了提高數據的檢索速度，縮短系統響應時間，將每種監測指標數據單獨存儲。監測傳感器采集的信號一般需要計算轉換，因此每種監測指標包括儀器考證信息、原始測值信息及數據整編信息，可以得出以下數據庫表實體：儀器考證信息實體、原始測值信息實體、數據整編信息實體。以儀器考證信息實體的E-R圖為例來說明，具體如圖4所示。

圖3 水質監測預警基本流程

圖4 儀器考證信息實體的E-R圖

2.3.1.2 邏輯結構設計

對系統所涉及的數據庫的概念結構進行轉化，使其成為關系型數據庫所支持的實際數據模型，用于存儲監測數據信息，以儀器考證信息表為例說明數據庫中表的設計，見表1。

表1 儀器考證信息表

2.3.2 實時預警

系統根據實際需要，將預警評價集劃分為3個等級，即綠色等級、橙色等級和紅色等級，綠色代表正常、橙色代表異常、紅色代表險情。由于不同類型管道中水質控制標準不一樣，以污水管水質各監測指標預警級別劃分為例來說明，具體見表2。系統以評價集的指標閾值劃分為依據，對實時采集的監測數據進行分析評價，及時動態地將數據分析結果呈現出來，若存在警情，則推送警情信息。

表2 監測指標預警級別劃分表[9-10]

警情信息推送系統考慮了3種方式，短信、微信和系統提醒。當監控人員不在線(即沒有登錄預警系統)時，為了保證警情處置的及時性，系統自動將警情以手機短信和微信的方式推送給監控人員。其中，微信是通過申請微信公共服務號來實現的，利用其發送消息給用戶時，如果網絡暢通，那么用戶可以即時收到，不會出現延遲。系統提示以彈窗和聲音的方式來表現，當監控人員在線(即已登錄預警系統)時，這種方式能使其迅速地發現水質監控的情況并及時進行事故處理。考慮到水質若出現問題一般會持續一段時間，而這個時間相比系統采集數據間隔要長得多，若不進行設置，系統會持續報警彈窗和發出聲音，影響正常工作，因此當系統發現警情后可以在系統設置中對彈窗和聲音的顯示進行設置，決定其顯示與否。

2.3.3 應急對策

當發生警情時，需要采取有效的措施把監控指標控制在合理的范圍之內，對事故警情評估損失，并給出相應的總結報告[11]。具體程序如下：①根據水質可視化預警系統推送的警情信息對相應監測點位置的水質進行調查、取樣和初步評估；②根據警情的級別、影響范圍、危害程度等成立相應級別(區縣級、地市級、省級和國家級)的水質污染處置領導組；③根據領導組的統一部署開展水質事故救援、人員疏散和防止污染進一步擴散，同時進行原因調查，并及時披露事故相關信息；④在事故處置過程中要密切監控水質情況，實時分析評價，直到解除警報；⑤做好事故善后工作，對事故進行總結。

3 系統研發及工程實例

根據上述建立城市地下管網三維場景、監測儀器模型及管道水質監測預警的方法及技術路線，結合SuperMap強大的圖形數據處理能力，利用SQL Sever數據庫和Visual C#.NET編程，以國內昆明市經開區部分地下管網為例，開發了城市地下管網水質可視化預警系統。

3.1 管網區域可視化表達

圖5是SuperMap環境下該地區城市地下管網區域三維可視化場景，該區域主要包括地形、影像、房屋、樹木、道路、地下雨水管和污水管。

圖5 三維可視化場景

3.2 信息交互式查詢

通過鼠標在系統可視化三維場景中進行交互式操作，如選擇、平移、旋轉和縮放等，用戶能夠直觀清晰地查看到整個區域地下管網的布置情況，同時能夠快速、準確獲取管道的基本信息及監測數據信息。圖6顯示了監測儀器編號為WS-COD01交互式查詢結果。

圖6 監測數據信息查詢

3.3 警情實時分析

系統利用OPC技術實時獲取監測數據信息，并通過警情分析模塊對數據進行動態計算分析，主界面上直觀展示不同時間點監測指標的預警狀態，根據評價集對數據記錄進行顏色標注加以區分。圖7顯示了2015年11月20日昆明市昊恒混凝土公司(出水口)管道污水水質各指標預警分析結果。

圖7 預警分析結果

4 結束語

通過對城市地下管網水質監測預警需求進行分析，提出了滿足城市地下管網水質監測預警要求的體系結構內容，同時利用三維GIS系統，構建了城市地下管網水質可視化預警系統。應用表明，該系統能快速、準確獲取城市地下管網布置情況、監測信息及監測預警信息，為城市地下管網水質監測數據信息的科學管理和可視化監控提供了一條新途徑。

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DevelopmentandApplicationforVisualizationEarlyWarningSystemofUrbanUndergroundPipelinesaboutWaterQuality

WANG Zicheng，YANG Shuowen，CHEN Yajun，XU Houlei，WANG Guobin

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited., Kunming 650051, China)

In view of the complexities of urban underground pipelines and the insufficient level of information about the part of pipelines for water quality monitoring, the visualization early warning system of urban underground pipelines about water quality has been developed with the SuperMap which has the powerful three-dimensional graphics capabilities. In this system, the three-dimensional visualization of the scene, the pipes model, the monitoring results and the SuperMap system were combined together, and the three-dimensional scene of urban underground pipelines was built visually and effectively. The information of visualization model can be displayed dynamically and queried interactively in real time. Meanwhile, the system automatically identifies abnormal index value of monitoring instruments by setting up the thresholds of water quality monitoring indicators, and pushes abnormality information to monitoring persons, so as to achieve the purpose of monitoring and early warning. Therefore the system provides an intuitionistic and interactive visualization management and security control platform for urban underground pipelines, which has some practical meaning and application values.

urban underground pipelines; water quality monitoring; SuperMap; visualization; early warning

P208

A

0494-0911(2017)01-0134-05

王子成，楊碩文，陳亞軍，等.城市地下管網水質可視化預警系統研發及應用[J].測繪通報，2017(1)：134-138.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0030.

2016-03-14

國家“十二五”科技支撐計劃(2013BAB06B04)

王子成(1990—)，男，碩士，助理工程師，主要從事安全監測預警及GIS應用方面的工作。E-mail: wzctjdx@126.com