基于WebGIS 的西藏大壩強震監測分析系統設計實現*

王國聞 臧燁祺 吳升杰 郭永剛

（西藏農牧學院，西藏 林芝 860000）

大壩強震監測分析技術隨著計算機技術及網絡通信技術的發展，各種數學理論與方法的完善，不再是簡單的記錄獲取、簡單的譜分析技術。它是一個包含地質學、水工結構、結構動力學、數學、電子技術、計算機等多學科交叉融合的應用技術。與傳統的水電工程安全監測手段相比，大壩強震監測在安全方面有其獨特的優勢，強震監測為實時監測，能夠第一時間發現大壩異常，為震后救災工作、驗證大壩安全性及抗震結構設計合理性提供幫助。目前，我國對于大壩抗震監測以及相關數據的處理雖在不斷發展，但還是據西方國家有不小的差距，特別是在西藏地區。由于西藏地區發展水平的限制，目前仍處于起步階段，但西藏水資源豐富，擁有相當數量的大壩，而西藏地震帶眾多，因此，大壩強震監測系統對于西藏來說是十分需要且迫切需要的，本系統采用B/S 結構，與傳統C/S 結構開發的強震監測系統相比具有升級簡單、表現方法多樣、跨平臺性、維護開銷小等優點。同時，結合WebGIS 技術方便科研人員對震源機制、傳播途徑等深入研究及管理人員準確定位監測點、監測臺站等地理信息。

1 大壩強震監測系統設計方案

1.1 總體架構設計

由于B/S 架構具有總體擁有成本低、維護簡單、開發簡單、跨平臺、無需安裝，可以通過瀏覽器軟件隨時隨地的進行業務操作。由于客戶端采用瀏覽器軟件，故無需維護服務端軟件。同時，系統的擴展非常容易，只需要修改服務端代碼就可以實現系統更新擴展。基于以上優勢，采用B/S 架構構建強震監測分析系統。總體結構包括Web 客戶端、服務端、數據存儲端、采集端四部分構成。

1.1.1 Web 客戶端。Web 客戶端又稱用戶端，與服務端向對應，提供用戶交互界面，處理少量的事務邏輯，同時將服務器響應的各種Web 資源以圖表、圖像等形式呈現給用戶。本系統采用Arc GIS API for JavaScript、html、jquery、JavaScript 等開發客戶端界面，以google 瀏覽器為界面展示瀏覽器，發送請求到服務器并將服務器的返回結果進行展示。

1.1.2 服務端。服務端是一種針對性的服務程序，為客戶端提供數據資源、處理業務邏輯、數據加工等服務。同時，服務程序需要托管到服務器管理軟件中，目前較為流行的網絡服務器管理軟件包括Apache、IIS、Nginx 等，由于本系統采用微軟的Visual Studio作為開發平臺，因此本系統采用微軟IIS 作為網絡服務器管理軟件托管本系統服務程序，以及使用ArcGIS Server 提供各種地理信息服務［3］。

1.1.3 數據存儲端。數據存儲是將數據通過特定的數據格式記錄到計算機硬盤或外部特定的存儲介質中。數據存儲服務是通過網絡將多個終端產生的數據進行集中存儲，具有保證數據存儲共享性、節省磁盤成本等特點。本系統采用MySQL 數據庫與MongoDB數據庫相結合，MySQL 存放設備信息、臺站信息、文件信息、警報信息、用戶信息等數據存儲對象。MongoDB 存儲管理監測數據。MySQL 是關系型數據庫管理系統中最具代表性的數據管理系統，將數據根據關系分類保放在不同的表中，能提高數據存取效率及操作的靈活性，在Web 應用方面MySQL 應用較為廣泛。MongoDB 一個基于分布式文件存儲的數據庫,介于關系數據庫和非關系數據庫之間的產品，是非關系數據庫當中功能最豐富，最像關系數據庫的。它支持的數據結構非常松散，是類似json 的bson 格式，因此可以存儲比較復雜的數據類型。

1.1.4 采集端。數據采集，又稱數據獲取，是利用傳感器獲取數據，并將數據輸入到系統內部的一個接口。隨著通信技術及計算機技術的發展，數據采集技術被應用在社會的各個領域。采集得到的數據是各種物理量轉換后的電信號，可以是模擬量，也可以是數字量。采集方式是隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數據重復采集。采集的數據是瞬時值，也可是某段時間內的一個特征值。準確的數據測量是數據采集的基礎。數據量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。本系統采用接觸式量測方法，將傳感器放在監測點，采集震動數據。將采集的數據傳輸到上位機，由上位機進行簡單處理后上傳到服務器。采集端數據拾取方式分為3 種，觸發式數據拾取、定時數據拾取及實時數據拾取。觸發式數據拾取是當地震來臨時及時采集數據并上傳；定時數據拾取是為采集日常數據；實時數據拾取是為檢測設備工作狀態及采集當前時間下的數據。

1.2 系統整體框架

基于WebGIS 技術構建的大壩強震監測分析系統整體框架主要分為客戶端、服務端、數據存儲端以及采集端，具體如圖1，客戶端主要是用戶使用的終端，目前本系統用戶主要通過web 瀏覽器實現對系統的操作，應用服務器端是系統開發的核心，主要承擔對前端和后臺數據的交互、業務邏輯處理、數據處理分析功能，數據存儲主要是對系統的多種數據進行存儲，采集端為系統提供基礎數據保證［1］。

圖1 系統整體結構圖

1.3 系統功能模塊

系統功能模塊包括地圖功能模塊、臺站特征模塊、實時檢測模塊、報警模塊、文件管理模塊、數據處理分析模塊、系統管理模塊，并且每個功能模塊又包含多個子模塊，以便于完成系統的多種操作，使系統具有編輯、分析、查詢、監測等多種功能［6］，具體如圖2 所示。

圖2 系統結構功能圖

2 開發關鍵技術

本系統開發過程中運用了多種目前的計算機前沿技術，其中包括采用微軟提供的ASP.NET 框架，運用HTML、CSS、JavaScript、JQuery、Bootstrap 構建前端界面，通過ArcGIS API for JavaScript 加載ArcGIS Server 及天地圖中地圖、要素等數據實現在線顯示。以C#作為后臺開發語言、Visual Studio 2019 為開發平臺開發后端應用程序，MySQL、MongoDB 作為本系統的數據庫，采用EntityFramework 進行數據庫連接。

2.1 ASP.NET 框架介紹

ASP.NET 是微軟提供用于開發web 應用程序的一整套的解決方案，包括驗證、緩存、狀態管理、調試和部署等全部功能。將界面邏輯與業務邏輯分開，簡化界面代碼編寫，業務邏輯代碼結構清晰，簡化數據庫連接及業務操作［2］。

2.2 JQuery 框架介紹

JQuery 使一種快速、簡潔的JavaScript 框架，它將JavaScript 常用功能方法封裝，提供了一種便捷的JavaScript 開發模式,具有高效靈活的樣式、id、標簽選擇器極大簡化了界面交互邏輯的實現，同時JQuery兼容各種主流瀏覽器。

2.3 Bootstrap 框架介紹

Bootstrap 為前端界面設計提供一系列整潔、優美的前端組件、css樣式，集成HTML、CSS、Java Script等技術。

2.4 ArcGIS API for JavaScript 介紹

由ESRI 開發的一組用于調用ArcGIS Server REST API 接口的JavaScript 腳本，提供CDN 與NPM 兩種JavaScript 引用模式，本系統采用CDN 引用模式。

3 系統功能設計

3.1 地圖功能模塊

本模塊地圖包括場址區地質構造分布及地震帶劃分圖層、潛在震源區域圖層、潛在震源區歷史地震分布圖層、場區烈度分布圖層、庫區地質構造及斷層分布圖層、行政區劃及交通圖層，這些地圖圖層由ArcGIS Server 及天地圖提供。本系統采用ArcGIS API for JavaScript 為以上圖層提供選取、縮放、查詢、瀏覽、編輯、添加要素信息功能。

3.1.1 空間數據編輯。空間數據編輯包括創建新的要素數據、修改刪除已存在的要素數據，是空間數據維護加工的基本環節，同時是WebGIS 二次開發的基本功能。本系統的空間數據編輯是對監測點、臺站點、庫區等要素信息的添加、刪除、修改，保證空間數據的正確性、實時性。

3.1.2 專題信息查詢。根據測點名稱、臺站名稱、庫區名稱等條件查詢特定區域并放大。

3.1.3 圖層信息管理。為方便科學研究、震后救災工作等，本系統使用不同的圖層。圖層信息管理主要實現對圖層的添加、刪除功能。

3.2 臺站特征模塊

為提高工作人員工作效率，精確定位到監測點、設備等信息，采用樹狀結構管理信息。以臺站為根節點，下屬節點分別為設備節點及監測點節點，設備節點設置下屬傳感器節點及通道信息節點。

3.2.1 設備子模塊。設備子模塊是為保障快速實時掌握設備信息，及時有效整合設備資源和提高設備使用效率，保障高效處理設備問題設立的。

3.2.1.1 設備信息管理。該功能是為了完成儀器設備現代化信息管理，具有設備信息高度集成、靈活性強、分配使用便捷、設備利用高效等優勢。設備信息管理主要實現功能包括設備基本信息的編輯功能、設備狀態查詢及設備開關機操作。

3.2.1.2 設備參數配置。強震監測設備需要設定特定參數實現自動監測報警功能，其中包括采樣參數的配置，配置采樣頻率、量程范圍、采樣通道、觸發通道等參數；觸發設置用設置觸發方式、閾值、長短時間窗等參數［5］；任務配置用于設置觸發日期、觸發時刻等信息；報警參數配置最大安全加速度、最小危害加速度，最大安全加速度是通過水工建筑物按抗震計算求得，最小危害加速度是通過抗震設計參數計算求得的相應測點能抵御的最大加速度；網絡參數設置與設備通信的服務器相關參數包括IP 地址、端口號。

3.2.1.3 設備通道信息顯示。一臺強震監測設備具有多個通道，設備通過通道與傳感器連接獲取數據。根據設備發送的配置信息，將通道信息顯示在用戶界面。并且，當設備端對通道信息進行修改時實時更新數據庫中通道信息。

3.2.1.4 下屬傳感器信息顯示。強震傳感器是用來監測采集震動信息的裝置。由于一臺設備具有多個傳感器，為方便傳感器的信息管理，設立傳感器信息顯示功能，顯示設備下屬傳感器型號、廠家、類型等信息。同時，為避免傳感器發生故障后需要人工檢查，減少人工成本，添加傳感器狀態實時顯示。

3.2.2 監測點管理。監測點是用于觀察震動來臨時位移、加速度等物理量變化的觀測點，監測點管理主要實現編輯監測點的位置、高程、經緯度信息等功能。

3.3 實時監測模塊與報警模塊

通過點擊地圖中監測點或設備點要素，以波形的形式實時顯示該點采集到的數據。在顯示波形時提供數據保存、波形凍結功能。根據設定的閾值由設備自主判斷是否發生警報信息，報警信息會實時顯示在地圖相應的監測點上，用戶可以在地圖中點擊出現感嘆號的監測點查看相關警報信息并處理；同時用戶可以查詢歷史警報信息。

3.4 文件管理與數據處理分析模塊

文件管理主要用于管理數據文件位置信息、文件名、文件下載。而數據源分析模塊是在系統接受需要處理的數據時可以進行以下操作：

3.4.1 文件查詢功能。通過文件名、臺站名、日期等條件聯合查詢得到滿足要求的文件。

3.4.2 處理分析功能。將文件數據加載后進行單位換算、錯點剔除、基線校正、濾波處理預處理工作；將預處理后數據分別進行積分處理、譜分析、統計分析、災害評估；分析報告下載。

3.4.2.1 單位換算。由于采集設備采集到的數據一般為電壓值，而水工抗震分析一般需要使用加速度。因此，需要對采集到的數據進行單位換算，換算方式為電壓值乘以標定系數得到的就是加速度值。

3.4.2.2 錯點剔除。由于外界信號干擾等原因，會出現一些突出的奇異點，這些奇異點會使之后的數據分析結果出現極大偏差，故本系統采用格拉布斯去除奇異點。

3.4.2.3 基線校正。由于地震振動是上下左右振動，因此產生的加速度是在零值（基線）上下振動。但是，由于設備存在低頻噪聲、低頻環境噪聲等原因會造成基線偏移現象，故使用零漂校正或直線趨勢校正進行基線校正。

3.4.2.4 濾波處理。由于水工建筑在未發生地震時以低頻振動為主，而需要監測的振動數據以高頻為主，因此需要對數據進行低頻濾波。

3.4.2.5 積分處理。通過對預處理后的數據進行一次、二次積分可以得到振動的速度及位移。

3.4.2.6 譜分析。獲取傅里葉譜、功率譜、反應譜。

3.4.2.7 統計分析。統計振動時長、最大幅值等信息。

3.4.2.8 災害評估。更具以上分析得到的數據對大壩進行災害評估，評價大壩在災后安全程度。

4 結語

本系統采用微軟ASP.NET 框架結合ArcGIS API for JavaScript，討論實現基于WebGIS 的大壩強震監測分析系統。該系統平臺實現對強震數據的實時獲取，并進行數據分析自動化，最后生成分析報表。本系統具有模塊化、易維護、跨平臺等多種優越性，為大壩強震監測分析提供新的實現方案和技術參考。