基于3DGIS-ARK平臺的萬安大壩安全監測智能系統設計與應用

雷蘇琪，劉 兵，胡斌斌

(1.國家能源集團江西電力有限公司 萬安水力發電廠，江西 萬安 343800； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 3.長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010； 4.湖北省水利信息感知與大數據工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著物聯網、無人機、虛擬現實等新技術的逐漸成熟，其相關應用為大壩安全監測的智慧化管理提供了技術支持。在大壩安全監測中，可直觀表達的三維可視化以及監測資料的管理和分析都是智慧化大壩管理的重要內容。基于三維可視化的安全監測資料管理，能夠全方位直觀表現監測對象的整體工作性態和監測量的變化趨勢[1]，是大壩智能系統研究的重要方向之一。鄭敏等[2]以三峽大壩泄洪壩段為對象開發了大壩安全監測可視化系統，陳軍[3]介紹了大壩三維可視化系統以及相關的資料分析功能，蘇海濤[4]提出了在大壩可視化場景中監測方法的實施。

隨著三維可視化技術的發展以及BIM+GIS技術的應用，大壩的可視化建設也趨向于多數據源化、平臺化。楊明奇等[5]使用Cesium和Geoserver融合構建了地址數據形變監測可視化，楊陽等[6-7]研究了多維度的大壩監測數據圖形化方法，建立了多維的信息可視化場量，實現了監測信息的多方位可視化表達。周志浩等[8]進行了BIM模型與變形監測可視化表達的適應性分析。

本文結合萬安大壩安全監測智能系統的建設需求，介紹了自主研發的基于3DGIS-ARK平臺的大壩安全監測智能系統的設計與實現。該系統通過無人機貼近攝影測量對工程區域進行精細化三維實景建模，完成了萬安大壩地上下三維一體化基礎地理環境的構建，搭建了統一的三維地理信息基礎平臺，用以直觀展示大壩實景場景。結合萬安大壩安全監測資料，實現了所有類型監測儀器、所有測點對象空間可視化，并通過安全監測可視化，直觀展示監測資料，使智慧化大壩的運行管理更加全面有效。

1 系統架構與設計

1.1 數據庫設計

萬安大壩監測數據庫由基礎地理數據庫、三維數據庫、安全監測數據庫、系統管理數據庫組成，結合了萬安大壩監測數據的組成與結構進行設計，如圖1所示。

1.2 系統架構設計

該系統采用面向服務的體系架構(SOA)，將整個體系規劃為資源層、數據層、平臺服務層(應用支撐層)、業務應用層、標準規范體系及運維保障體系。SOA面向服務架構的特點，通過接口實現各模塊間的通信，降低模塊之間的耦合度，使平臺具有更好的服務性、多源融合性[9]。系統的總體架構及各部分之間的關系如圖2所示。

圖1 數據庫結構

1.3 系統模塊設計

該系統總體上分為7個模塊：工程可視化、監測可視化、可視化管理、壩頂視準線、監測管理、分析評價和系統管理。其中，前 4 個模塊是三維可視化模塊，通過三維模型數據關聯安全監測數據，對模型進行管理和操作，直觀展示監測儀器類型、儀器布設位置、儀器數據變化等。系統整體模塊設計如圖3所示。

2 系統關鍵技術

2.1 大壩高精度三維建模

高精度三維重建的目的是獲取目標場景的精細三維結構信息。在該系統中，應用貼近攝影測量，實現對目標亞厘米級超高分辨率影像的高效自動化采集。實際工作流程包含以下兩方面。

(1) “從無到有”的策略。當拍攝目標不存在初始場景信息時，需要先通過常規飛行或人工控制無人機，拍攝目標場景少量的數據并重建目標的粗略場景信息。

圖2 系統總體架構

圖3 系統模塊設計

(2) “由粗到細”的思想。將現有場景數據轉到WGS84參考橢球，并以此作為拍攝目標的初始場景數據，對拍攝目標進行貼近航跡規劃，讓無人機根據規劃的航跡飛行，自動高效地獲取覆蓋物體表面的高分辨率、高質量的影像，然后進行空中三角測量處理，恢復影像精確的位置姿態參數，為目標的精細化三維重建提供基礎[10]。

總體按照以下步驟實現高精度三維重建工作：① 貼近航跡規劃；② 空中三角測量；③ 三維重建。

2.1.1 貼近航線規劃

對萬安大壩進行貼近攝影測量，將表面拆分為單個或多個平面分別進行航線設計，如圖4所示。

2.1.2 空中三角測量

在航飛工作完成后，通過空間距離的約束對影像進行分組，在組內利用空間覆蓋約束條件去除重疊區域較小或狹窄的匹配對，并對中心參考影像和相鄰影像進行匹配和相對定向，構建組內自由網。以無人機影像的GPS坐標為約束進行“絕對定向”，將自由網歸化到GPS坐標系下，將各分組得到的影像外方位元素進行綜合，并以此作為初值，用于整體的GPS輔助的自檢校光束法平差，完成所有影像的區域網構建。通過對貼近攝影數據進行區域網構建，獲取高精度的空中三角測量處理成果。

2.1.3 三維重建

(1) 密集匹配。結合空中三角測量解算的外方位元素，采用雙向密集匹配方法或多視密集匹配算法生成密集點云，準確獲取多視影像上的同名像點并計算對應地物點的三維坐標。

(2) 不規則三角(TIN)網構建。密集匹配后，經濾波剔除部分離散的點，在去噪、優化等處理以降低數據冗余后，進行表面三角網重建。

(3) 紋理映射與多細節層次(LOD)顯示。根據重建的TIN網進行紋理映射(圖5)，主要包括2個部分：① 紋理優選，根據生成的三角面網格，結合畸變參數和影像內外方位元素，將TIN投影到影像上，進行可見性分析，找出三角面片對應所有影像的紋理，根據一定原則優選出最佳紋理；② 紋理提取，通過選擇最優紋理，反投影到物方三角面片上，對三角面片上的紋理采取勻光、勻色處理，最后生成不同細節層次的紋理。

圖5 表面紋理映射

2.2 可視化平臺建設

2.2.1 可視化場景集成

實現安全監測的可視化表達需要完成安全監測可視化數據的融合和集成，具體包括三維地形模型、實景三維模型、建筑物、地質體以及監測儀器等三維模型數據。

該系統利用公共影像及地形數據，綜合大壩重點區域高精度數字正射影像(DOM)與數字高程模型(DEM)，構建萬安大壩的大范圍基礎地形模型。集成的三維模型成果包括三維地形模型、實景三維模型、大壩建筑物三維模型及監測儀器三維模型，以統一的坐標系、數據標準將所有模型集成到統一的平臺，實現三維場景可視化。三維場景集成流程與技術框架如圖6所示。

圖6 可視化場景集成框架

2.2.2 可視化平臺特性

采用3DGIS-ARK建設三維地理信息平臺。 3DGIS-ARK平臺作為自主研發的行業三維地理信息平臺，其采用B/S與C/S雙架構體系，提供多元數據集成、全方位可視化管理、專業模型分析等服務，具有完整的三維地理信息服務方案。該平臺以OpenGL為基礎，采用OSG技術，在海量數據集成與調度、水工建筑與三維地形的無縫鑲嵌、BIM模型集成與融合中表現優秀。在3DGIS-ARK平臺中，將萬安大壩工程范圍內的GIS模型和大壩建筑物BIM模型進行融合，將多級地形地貌與三維建筑物進行無縫鑲嵌，并在平臺中對BIM+GIS多模型進行協同管理[11]?；?DGIS-ARK建設的萬安大壩可視化平臺主要特性如下。

(1) 三維模型的精細化表達與任意瀏覽。根據三維模型數據所在空間位置與三維場景瀏覽視點的距離，建立多級模型細節層次，確保三維場景中精細模型的正確表達與渲染。動態計算當前場景中應加載的數據模型，實現工程數據的多尺度調度與展示。有效組織宏觀、微觀、室內室外、地上地下的空間三維數據，采用動態交互的可視化手段，實現在三維場景下的任意瀏覽與漫游。

(2) 基于三維地理信息的多專業協同技術。在三維地理信息平臺支持下，有效解決三維地形、BIM、地質、專業模型等多源數據的融合，以及專業軟件的接口與專業工具的開發，初步實現了監測、規劃、樞紐設計、移民等多專業協同設計與管理。

(3) 安全監測業務深度融合。借助于三維地理信息平臺的可視化表達能力，基于可視化組件，開發水工程安全性狀的系列組件，并通過其與監測資料的深度融合，提高安全監測分析的快速反應能力。

(4) 空間量算和空間分析。實現了包括距離、面積、高度、坐標、角度、地形距離、地形面積等量測功能的空間量算，坡度分析、坡向分析、地形剖面分析等空間分析，任意等高距等高線自動生成等功能。

2.3 安全監測可視化

安全監測可視化是在三維可視化平臺中，深度集成、融合安全監測業務數據，完成監測信息與監測點、監測斷面，再到監測部位及大壩壩段部位的緊密關聯，以及從數據的采集、處理，到分析及預警等全過程的可視化；基于實景空間的各類資料的快速查詢和展示，快速定位異常監測數據，結合時間變化信息，實現多認知尺度、時空一體的可視化表達。具體的可視化內容如下。

(1) 大壩三維展示。在三維平臺中，可對各類型模型進行查看和管理，如圖7所示。通過圖層操作，可實現對整個壩區宏觀三維場景、大壩建筑物模型、大壩部位，以及監測設施的地上與地下、室內與室外下一體化漫游的可視化管理。

(2) 三維場景漫游。實現室內室外、地上地下無縫銜接和一體化的三維場景漫游，支持自動漫游、手動漫游。如圖8所示，在三維場景中進行大壩漫游，以既定路線進行場景展示，可點擊速度條或使用鍵盤控制漫游速度。

圖8 大壩漫游

(3) 監測數據可視化。將監測設施及儀器模型放置在三維模型中，在圖層中添加監測儀器圖層、監測測點斷面圖層，通過模型操作接口關聯測點屬性數據。如圖9所示，點擊儀器測點或斷面，可對監測儀器單體化模型、監測成果、考證表等進行交互式查看。

(4) 預警可視化。結合預警閾值，通過顯示顏色、透明度、空間距離夸張放大比等方法，進行安全監測預警和異常數據的可視化表達，如圖10所示，在預警可視化中，可以查看所有監測點的預警狀態，綠色代表預警正常的測點，紅色代表失效的測點，黃色代表有異常預警的測點。

圖10 預警可視化

3 系統運行實例

在萬安大壩中，對壩段進行BIM建模，并通過GIS+BIM技術進行模型融合，建立可視化平臺。圖11為萬安大壩BIM模型的整體概況。圖12展示了萬安大壩廊道的可視化效果，在廊道漫游功能中，通過鍵盤鼠標模擬在廊道中行走漫游的效果。圖13在三維可視化中集成了監測網布置，點擊監測網點可查看監測網點的具體信息。

在萬安大壩智能監測系統中，綜合實現了環境量等專項監測和各儀器類型的監測數據集成。通過數據管理和分析評價，可查看和分析監測數據。圖14為監測數據的圖形展示。該圖形展示了4種環境數據的監測過程線，包括上游水位、下游水位、日平均氣溫和日降雨量，根據不同的數據特征，分別使用柱狀圖、線圖等進行數據展示。圖15為基于包絡線法的監測數據校驗評價。在包絡線校驗中，通過包絡線算法計算出測點數據的包絡線范圍，并標識出超限數據，通過審核操作可剔除超限數據。

圖11 工程可視化——大壩模型

圖12 工程可視化——廊道漫游

圖13 監測可視化——監測網布置

圖14 監測管理——數據展示

圖15 分析評價——包絡線檢驗

4 結 語

隨著信息化的發展，可視化展示在大壩安全監測中發揮著越來越重要的作用。本文從萬安大壩安全監測智能系統的設計出發，研究了該系統的架構、系統功能模塊的組成，以及所應用的關鍵技術方案。該大壩安全監測智能系統以統一的三維地理信息平臺為基礎，為大壩運行管理提供了全面的信息展示與分析功能，在大壩安全監測管理中發揮著重要作用。