水庫群工程安全監測空間數據管理與應用

金有杰，劉 娜，蔣寧遠

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3.浙江滴石信息技術有限公司，浙江 杭州 310000）

空間數據作為水庫工程安全監測的基礎數據，其信息獲取的完整性、管理的科學性以及數據的精確性將直接影響水庫工程安全監測工作的成效[1]。相對于單一性水庫工程，流域、區域性水庫群工程安全監測的空間數據管理過程更加復雜，數據量成倍增長，監測系統在建設和維護過程中具有動態變化的特點。對海量、異構、動態的水庫群工程安全監測空間數據進行高效管理和科學應用具有一定難度，相關技術方法的研究有待加強。

GIS具有空間數據管理、可視化交互、數據存儲與分析以及二次開發等技術優勢[2]，能解決水庫群安全監測空間數據的動態管理、可視化交互、批量化處理等難題。本文充分利用GIS技術特點，從空間數據動態管理和應用服務功能定制兩個方面出發，研究了水庫群工程安全監測空間數據的分類存儲、動態管理、批量化信息交互等關鍵技術，提出了地圖空間服務、變形成果計算與可視化、重力壩穩定分析等空間數據應用服務方法，實現了對水庫群工程安全監測空間數據的高效管理和科學應用，進一步提升了流域、區域性水庫群工程安全監測信息化管理和服務水平。

1 空間數據動態管理

1.1 空間數據分類與存儲

水庫群工程安全監測空間數據主要包括流域或區域基礎地理信息、大壩結構數據和自動化監測系統所涉及的空間數據等。由于空間數據結構的描述均可歸屬于點、線、面、體4個類型之一，因此可根據不同地物的空間特點進行類型劃分（圖1）。利用矢量數據結構對空間信息定位精確和柵格結構以規則格網表達大范圍面狀地物的優勢[2]，采用矢量—柵格一體化數據結構對各類空間數據進行結構重組，進而提高專題空間數據的存儲和管理效率。

構建矢量—柵格一體化空間數據結構時，以三維坐標記錄地物空間信息，并描述相鄰地物的拓撲關系；再由柵格單元充填，使水庫地物具有柵格性質。柵格單元大小將直接影響整個數據結構的精度和存儲效率，若柵格過大，則導致有效信息的丟失；若柵格過小，則造成數據存儲量的成倍增長，增加計算機存儲負擔。因此，本文先利用式（1）定義柵格單元大小，再采用線性四叉樹編碼法（Morton碼）對工程安全監測空間信息進行初始編碼，然后在建立四叉樹十進制編碼表的基礎上建立排序表，進行二維行程編碼，進一步壓縮存儲空間，提升存儲效率，這樣既保證了地物描述的精細化程度，又最大化地縮減了數據冗余度，提升了存儲效率。

式中，i=1,2,3,...,n，n為區域多邊形數；H為網格邊長；{Ai}為研究區域內所有多邊形的面積序列。

在對監測空間數據進行分類和數據結構重組的基礎上，建立專題數據庫對復雜空間信息和海量監測數據進行統一存儲和維護。將關系型數據庫SQL Server與空間數據管理引擎ArcSDE相結合，利用SQL Server對海量關系型數據表高效存儲以及ArcSDE對不同類型的空間、圖形數據有效管理的優勢[3-5]，實現安全監測數據、基本屬性和空間數據的融合。同時，對不同監測對象進行唯一編碼和建立多表關聯，形成數據聯動觸發機制，減少數據冗余，提高對空間數據動態 變化管理的適應性和時效性。

圖1 空間數據分類與存儲結構示意圖

1.2 動態管理流程

水庫群工程安全監測涉及的空間數據眾多，監測系統中儀器、測點由于運維需要，其空間數據存在變化的可能。基于GIS技術，本文采用數字化、可視化、批量化的動態配置方法對監測系統中測點、儀器等空間數據進行管理（圖2）。

圖2 測點動態管理流程圖

測點、儀器空間數據動態管理的基礎是空間數據的準確獲取[6]，在儀器的安裝過程中需對布設位置進行實際測量，并結合監測設計方案，對測點儀器的空間位置進行校正。利用ArcGIS加載儀器所在監測部位的設計圖紙，將圖形坐標轉換為真實的空間坐標。在統一坐標系的基礎上建立儀器的點狀矢量圖層，并設計儀器基本屬性表結構；通過精確定位坐標點的輸入，以GIS圖形可視化的方式添加測點，并在屬性表中配置基礎空間信息，生成儀器和監測部位的空間分布圖層；建立并指定儀器的唯一編碼作為儀器空間數據表的主鍵，利用ArcSDE對空間圖層進行存儲，并依據主鍵值與SQL Server數據庫中的關系型數據表進行關聯，實現儀器空間數據、基本屬性和監測數據的相互聯動。

在儀器、測點空間數據管理過程中，本文通過設置測點的在用儀器、儀器狀態（啟用或停用）、啟用時間等信息，在不影響原有儀器信息和狀態的情況下，實現了對監測系統中任意儀器的動態維護。此外，由于對儀器所有信息進行了關聯，所以儀器維護時，任何信息改變而造成的數據更新均能自動完成，從而提高了信息管理的效率和自動化水平。

1.3 批量化信息交互

通過人工方式對水庫群海量空間數據進行逐一處理極易產生誤操作，且工作量巨大[7-9]。此外，自動化安全監測系統在建設和維護過程中，相關儀器設備存在變更、維修、替換的可能，系統運行的動態變化特征對項目空間數據的管理提出了更高的要求。

本文以監測儀器和工程結構的空間數據為基礎，根據空間定位數據在GIS數據處理平臺上自動生成儀器矢量專題圖層，并根據儀器編碼和空間數據將儀器屬性與監測數據等相關獨立的數據表進行關聯，形成多儀器記錄的綜合信息匯總表。結合矢量圖形對儀器測點和工程結構進行可視化表達，在批量化自動處理的基礎上，以可視化交互的方式實現多區域、多測點監測信息的批量配置和查詢（圖3、4）。根據每個監測儀器設定的安全閾值，在后臺進行極值判定和異常判別，達到數據預警的目的。本文通過建立批量化的信息交互管理與查詢方法，實現了與常用辦公軟件、數據庫的對接，極大地提高了工程安全監測信息管理的工作效率，增強了工程建設與維護的便捷性。

圖3 儀器批量化管理

圖4 可視化交互查詢

2 空間數據應用服務方法

在水庫群工程安全監測空間數據管理的基礎上，本文利用GIS二次開發平臺開展了空間數據應用服務方法研究，開發了相應功能模塊，提供了空間數據展示、計算與分析等服務。

2.1 地圖空間服務

電子地圖可直觀描述流域或區域的地理特征，并準確反映水庫大壩的空間分布情況。基于Esri開源框架ArcGIS Viewer For Flex，采用Flex并結合ArcGIS API for Flex庫，在Adobe Flash Builder和MyEclipse平臺進行GIS地圖開發。通過Map標簽和Layer子標簽創建切片地圖與專題圖層，圖層類型選擇GraphicsLayer，通過Graphic標簽依次添加點圖層元素，元數據為存儲在數據庫中的各點屬性數據（點名稱、經緯度、類型等），通過BlazeDS以RemoteObject的方式傳送到Flex中進行顯示，形成跨空間尺度、定位精確、多信息聯合展示的流域或區域性離線地圖。其中，地圖發布與測點圖層疊加服務的核心代碼為：

/**

*地圖-測點圖層疊加服務

* @param lon 經度

* @param lat 緯度

* @param attribute

* @param source 圖片路徑

* @return

*/

public function Map_Marker(lon:Number,lat:Number,attrib ute:Object,value:String,source:Object):Graphic

{

var mp:MapPoint;

var tempmp:MapPoint;

var markerSymbol:PictureMarkerSymbol;

tempmp=new MapPoint(lon, lat);

var image:Image=new Image();

image.data=source;

markerSymbol=new PictureMarkerSymbol(source,ima ge.contentWidth,image.contentHeight,0,0,0);

var myGraphicMarker:Graphic= new Graphic(tempmp,markerSymbol,attribute);

myGraphicMarker.toolTip=value;return myGraphicMarker;

}

2.2 成果計算與展示

工程安全監測過程中儀器安裝位置的空間合理性和數據精確性對監測成果的計算具有決定性影響。以大壩位移監測為例，引張線、正垂、倒垂等位移監測系統是大壩變形監測的主要觀測手段，引張線儀和垂線坐標儀的安裝位置、測值變化量以及線體的布設對于整個大壩位移監測成果的計算十分關鍵。成果涉及多種儀器、多個測點的聯合計算，其過程繁瑣、參數眾多，測點之間相互關聯，需采用自動化的監測和計算手段來實現。本文利用GIS技術對測點儀器的空間數據進行動態管理，可避免因為個別儀器損壞而影響整個變形監測系統的問題，便于對系統進行后期維護、更新改造，且對多點計算過程不產生任何改變。當動態測點儀器空間數據發生變化時，多點聯合計算可自動更新、計算，極大地減少了工作量。

大壩的沉降、位移等將直接影響大壩的安全，排除儀器和系統誤差，變形監測的精確度與儀器測點、監測基準點、工程結構原始位置等空間數據的準確度密切相關[10-11]。通過建立監測系統圖形化表達方式，精確定位測點儀器的空間分布位置，并結合實時監測數據，自動生成大壩變形監測系統的監測圖形，可直觀展示大壩變形狀態的二三維交互（圖5、6）。

圖5 監測成果二維平面示意圖

圖6 監測成果三維示意圖

2.3 重力壩的穩定分析應用

穩定分析的目的是驗算重力壩在各種可能荷載組合下的穩定安全度，以重力壩擋水段面為例，其所受荷載主要包括壩體自重、靜水壓力、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、動水壓力、冰壓力和地震荷載等。各類荷載的計算主要取決于當前大壩結構、庫水位、泥沙淤積等相關數據，式（2）～式（5）為重力壩擋水段面主要荷載的計算公式，其中涉及的可變參數多為與空間信息相關的基礎或實測數據。因此，利用大壩結構特征、測點空間分布以及自動化實時監測等數據，對重力壩穩定分析中所涉及的可變參數進行統一獲取、管理、更新和調用，可實現對典型斷面穩定性的實時定量分析。

式中，W為壩體自重；P為水平水壓力；Pup為揚壓力；Psk為水平淤沙壓力；V為壩體體積，以單位長度的壩段為單位，通常把斷面分成若干個簡單的幾何圖形分別計算，涉及典型斷面壩頂高程、壩基高程、壩頂寬度、下游折坡點、坡度等信息；γc為壩體混凝土的重度；H為計算點處的作用水頭，單位：m；γw為水的重度，垂直方向水壓力按水重計算；S為揚壓力分區的面積，通過壩基結構幾何計算獲得；γsb為淤沙浮容重；h為淤沙高度；φs為淤沙內摩擦角。

本文基于GIS設計并開發了重力壩穩定分析功能模塊，提供了荷載公式與參數配置（圖7）、斷面穩定分析兩個功能界面。其中，荷載公式與參數配置功能可對各種工況下典型斷面的荷載計算公式進行編輯，并錄入固定的基本空間參數；斷面穩定分析功能則可將實時監測數據代入已完成配置的荷載計算公式中，自動計算斷面的各類荷載，并通過多種常用穩定分析算法進行計算，比較各種算法的分析成果，最終獲得可靠性較高的分析結論。

圖7 重力壩的穩定分析示意圖

3 結 語

本文利用GIS技術在空間信息存儲、管理、展示和二次開發等方面的優勢，對水庫群工程安全監測空間數據的管理方法進行了研究，提出了水庫群安全監測空間數據分類與存儲方法、動態管理流程以及批量化信息交互方法，并利用GIS二次開發平臺研發了相關應用服務模塊，實現了水庫群海量異構空間數據的動態存儲、管理和可視化應用，進一步提高了水庫群工程安全監測空間數據的管理效率，增強了監測系統的可維護性，對流域、區域性大壩群安全監測信息管理具有一定借鑒價值。