基于GIS的水工程安全監測信息管理系統設計與應用

金有杰，周克明，王海妹，雷 雨，李 東

(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)

基于GIS的水工程安全監測信息管理系統設計與應用

金有杰1，2，周克明1，2，王海妹1，雷 雨1，李 東1

(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)

利用GIS在數據管理、可視化和空間分析等方面的技術優勢，結合水工程安全自動化監測的實際業務需求，基于GIS平臺研發水工程安全監測信息管理系統，構建屬性信息、監測數據與空間信息一體化數據管理體系，在C/S、B/S混合模式架構下實現安全監測信息的可視化查詢、資料分析、信息化管理與成果輸出等功能。系統在全國多個水工程安全監測自動化系統中投入應用，提高水工程自動化安全監控的工作效率和可靠性。

水工程安全監測；信息管理系統；GIS；設計

我國已建成的各類水壩8.7萬余座，在防洪、灌溉、供水及發電等諸多方面發揮了巨大的社會經濟效益[1]。近年來，水工程安全自動化監測技術快速發展，針對大壩主體及周邊環境開展的自動化安全監測工作貫穿于工程始終，基本達到了反饋設計、指導施工以及運行狀態監控的目的[2]。綜合目前國內已建的水工程安全自動化監控系統來看，在形成全面而復雜的安全空間監測網絡體系的同時，自動化采集的數據信息量龐大且冗雜；測點、儀器的屬性信息與空間位置關系模糊。造成監控人員獲取指定信息的難度加大，安全信息發布滯后，管理者無法及時了解大壩安全狀態并快速準確做出決策。因此，構建更加完善的水工程安全監測信息管理系統，實現安全監測信息實時發布、可視化查詢和數據管理已經顯得十分必要[3]。

地理信息系統(GIS)作為獲取、整理、分析和管理地理空間數據的重要工具、技術和學科，由于其強大的數據管理、空間分析和可視化顯示功能，近年來得到了廣泛關注和迅猛發展[4]。ArcGIS是美國環境系統研究所推出的一套GIS軟件產品，具有海量異構數據存儲、分析、管理、預測等功能，利用其提供的開發平臺與工具可以創建專業領域的客戶化GIS應用程序，具有良好的系統集成性，可以提供多層次、多功能的信息服務[5]。因此，基于GIS平臺充分應用ArcEngine組件庫、Map服務、DotNET平臺等先進信息技術，結合水工程安全自動化監測的實際需要，開展安全監測信息管理系統的研究與應用工作，進一步提高水工程安全監測方面的自動化信息管理與分析水平，豐富和發展安全監測系統的研發方式和應用實例。

1 系統設計

1.1 系統架構

系統基于GIS平臺，在DotNET開發環境下利用ArcEngine組件庫進行開發。由于目前國內大部分大壩水庫管理單位已經具備穩定的局域網絡系統，并考慮B/S與C/S兩種常用軟件架構的優缺點，系統采用B/S與C/S的混合模式架構。即在水庫管理區局域網內部，建立統一的數據庫系統和軟件系統入口，通過客戶端應用程序或瀏覽器操作的方式對監測信息進行訪問與管理。混合模式的系統架構交互性強、維護成本低、應用復雜度低，是對兩種單一模式的有效集成[6]，對專業性強、安全性要求高的水工程安全監測系統更加適用。

1.2 信息管理流程

信息管理主要涉及數據的采集、編碼、建庫、處理、維護等問題，由于用戶對信息管理的需求不同，信息系統的流程又是用戶個性的反映[7]。針對水工程自動化監測系統的管理要求，系統以相應行業規范和標準為依據，設計和建立安全監測信息處理與管理流程，如圖1所示。系統對儀器和測點信息進行唯一性編碼，為數據采集和測點信息管理奠定基礎；通過分布式監測系統采集信息，將實時數據采用后臺處理的方式進行預處理；進而構建數據信息庫，并對涉及的空間信息、屬性數據進行集成管理；海量數據通過高效的檢索技術手段以圖形、圖表等多元化方式進行展現，結合科學合理的分析模型進行資料分析，最終為用戶提供輔助決策。此外，在系統運行的全生命周期內，系統維護工作貫穿始終。

圖1 信息流程示意

1.3 功能模塊設計

基于GIS平臺的水工程安全監測信息管理系統主要由數據查詢與管理、圖形空間信息管理、項目信息管理、資料分析以及系統管理5大模塊組成(如圖2)。5大模塊的主要功能分別是①數據查詢與管理模塊提供不同數據源的監測數據檢索、可視化查詢、過程線與報表等基本功能，以圖表的形式直觀顯示監測信息并提供多元輸出方式；②圖形空間信息管理模塊中對庫區所處流域的基礎地理信息數據、重點監測區域與典型斷面的圖形信息、測點和儀器的空間分布圖形等進行編輯、顯示和管理；③項目信息管理模塊實現了項目的資料管理，并對儀器和測點所涉及的基本信息及計算公式等進行有效管理；④資料分析模塊針對采集數據進行整編與預處理，并采用多種分析手段，對指定區域或時間段的監測資料進行分析比較；⑤系統管理模塊主要實現了系統使用人員的權限和信息管理，增強系統的安全性和操作的便捷性。

圖2 功能結構示意

2 關鍵技術問題

2.1 數據庫一體化管理

數據庫是水工程安全監測信息管理系統的核心和基礎，系統數據庫設計與組織的優良將直接影響到系統數據的檢索、存儲以及輸出的速度與效率。由于水工程安全監控涉及多種類型數據信息，需要存儲與管理的信息量大、種類多、關系復雜。因此，合理設計系統數據庫對系統開發與應用具有非常重要的作用[8-9]。

數據庫實現中最重要的是數據表結構的設計，合理的設計數據表是順利開發數據庫的基礎[10]。系統為儀器、測點、圖表等對象進行唯一編碼，并通過主鍵或索引約束技術將儀器測點信息與監測數據、空間信息進行關聯，形成相互融合、冗余度小、關聯性強的時空一體數據庫。以儀器信息為例(如圖3)，對監測儀器進行編碼，并基于編碼建立與儀器位置、監測數據、信息分組等數據表的關聯體系。進而明確儀器的基本信息、空間信息和監測數據之間的相互關系。信息分組表又可以根據分組編碼與報表、過程線表進行關聯，形成儀器-數據-圖表信息的無縫對接，提高數據查詢速度和效率，減少數據冗余。

圖3 儀器關聯信息關系示意

2.2 空間信息設計與管理

系統涉及的空間信息主要包括：水工程所處流域基礎地理信息、水工程結構信息以及儀器測點的空間分布等信息。部分空間信息設計情況如表1所示，根據GIS數據格式特點，將所有二維空間信息分為點、線及多邊形三種數據結構進行存儲，按照不同的專題類型進行分類分層的圖形化管理。此外，由于CAD圖形資料是工程項目中經常用來表述水工程建筑結構的一種資料形式，因此系統以現有CAD圖形信息與GIS平臺相結合，建立統一的工程坐標體系，形成CAD-GIS數據的跨平臺兼容與管理流程。

表1 空間信息設計

將現有的圖形資料作為基礎數據源，與儀器、測點的空間信息相匹配，形成安全監測體系中重要的基礎空間圖形資料。

2.3 主要分析方法

2.3.1 統計模型

通常水工程安全分析工作關注的重點主要集中在壩體表面與內部的位移分析、滲流監測、外部變形及結構體應力應變分析等幾個方面，對于這些問題的處理通常需要建立相應的分析模型。以土石壩沉降變形分析為例，運行期的土石壩沉降實質是土體內孔隙水逐漸排出，孔隙體積減小，土骨架和孔隙水受壓力逐漸轉移和調整的過程[11]。因此沉降主要由土體固結引起，同時考慮由庫水位變化造成的水壓力、濕化變形和上浮力的改變，以及溫度變化引起的土體線脹和凍脹變化，建立面板堆石壩運行期的沉降變形統計模型[12]：

(1)

式中，δt為沉降的時效分量；δH為水壓分量；δT為溫度分量；H、Hi分別為壩前水深及平均水深；Ti為觀測當天的溫度，以及前i天的平均氣溫；t為從某天起算的時間；m1、m2、m3為樣本數；a1、a2、b1、b2、b3、c1、c2為擬合系數。

2.3.2 空間插值分析

自動化監測儀器以點的形式進行布設，每一只儀器觀測獲得的物理量表征當前所在空間位置的水工程安全性狀。然而，由于每個自動化監測項目的投入成本不同，布點設計方案差異性大，儀器布設常常無法面面俱到，監測點儀器采集信息無法完全表達所需要監測的空間范圍。針對這類問題，利用測點儀器布設的空間位置關系和監測儀器信息，估算監測空白區域的數據信息，從而將監測數據由點向面進行推算，更加全面的了解和掌握全部監控范圍的監測信息。常用的空間信息內插方法有反距離加權和克里金法。

(1)反距離加權法是一種確定性的插值方法，是基于相近相似原理，即距離越近的物體其屬性越相似。該方法以估算點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離估算點越近的樣本點賦予的權重越大。當權重值由距離平方的反比給出時，則為反距離平方法[13]，即

(2)

式中，Xj為預測點的數據值；Pi為已知點中第i個測點；di為預測點與已知點之間的幾何距離；m表示已知測點集合的點個數。

(2)克里金方法是建立在地統計學基礎上的一種插值方法，其原理是假設某種屬性的空間變化既不是完全隨機也不是完全確定。反之，空間變化可能包括3個影響因素：空間相關因素、偏移或結構和隨機誤差。克里金方法認為，當空間變量的結構性成分確定后，剩余的差異變化屬于同質變化，不同位置之間的差異僅是距離的函數，可以表示為[14]

(3)

式中，Z(X0)為X0處的估計值；Z(Xi)為Xi處的觀測值；λi為克里金權重系數；n為觀測點個數。

3 應用與實現

系統基于GIS平臺并結合水工程安全監測特點，充分利用空間數據庫管理技術、AE組件以及SOA體系架構，開展水工程安全監測信息管理系統設計、研究工作。構建數據查詢與管理、圖形空間信息管理、項目信息管理、資料分析以及系統管理五大模塊，實現了安全監測信息的高效存儲與管理、可視化信息查詢、科學客觀的資料分析、多元化的信息輸出以及風險預警預報等功能，為水工程安全監測系統提供了良好的軟件支撐，對及時發現大壩安全隱患，降低事故風險發揮重要作用。

3.1 信息管理

圖4 儀器信息管理界面示意

系統構建時空一體化的信息管理體系，將關系型數據表、圖形數據以及空間數據有效集成。實現測點和儀器基本信息的增刪改功能，確保系統信息與監測硬件一一對應(如圖4)；對監測數據分為原始庫和整編庫進行分類管理，可以對監測異常數據信息進行判別和處理；圖表信息的管理方面，系統能夠針對不同的監測項目或儀器類型批量創建報表與過程線分組，并對分組進行管理；此外系統還提供了項目資料管理、人員信息權限管理等功能，提高系統的安全性與易操作性。

3.2 可視化查詢與輸出

通常水工程安全監測系統中布設的儀器少則幾十支多則成百上千支，而且每支儀器又包含監測的物理量和換算獲得的成果值等多種數據信息。如果用常規的點號檢索法對監測信息進行查詢，往往查詢速度慢、檢索效率低，而且需要相當熟悉儀器情況的專業技術人員才可以完成操作。本系統提供可視化數據查詢功能，實現了對庫區整體地理環境信息的宏觀查詢，以及對典型斷面上測點儀器信息的詳細查詢(如圖5)。此外系統還提供不同監測類型的報表、過程線查詢(如圖6)以及多種方式的圖表信息輸出功能，極大提高了數據查詢與輸出的時效性、便捷性和直觀性。

圖5 重點斷面信息可視化查詢

圖6 監測信息歷史過程線

3.3 數據預處理與資料分析

系統針對水工程安全監測關注的重點，提供了對采集數據的預處理和監測信息的分析功能。主要包括：原始數據的粗差判別與整編；利用逐步回歸和相關性分析等數學統計模型實現任意監測項目分析模型的構建和成果預測(如圖7)；對大壩的抗滑穩定性進行計算并結合規范要求獲得最終穩定性評判結論；利用重點監測區域的有限監測數據通過空間插值方法，進行監測項目面域場的分析計算，如溫度場(如圖8)、滲流場等，并生成等值線圖形。通過數據預處理與資料分析，提高監測數據的真實性與可靠性，并提供科學合理的分析結論。

圖7 監測信息相關性分析

圖8 典型斷面溫度場

3.4 分級報警

水工程安全監測實現了自動化的數據采集、高效的信息管理以及科學的資料分析，其最終還需要根據監測數據將分析結果及時傳遞到相關管理人員與責任人的手中。系統提供了監測信息分級預警預報的功能，根據不同監測儀器的數據合理范圍和風險閾值，自動判別水工程安全是否存在隱患。根據監測數據量級的不同將風險劃分等級，由系統的GSM功能模塊進行短信預警，根據不同的風險等級將預警信息發送到不同級別的責任人手中，讓相關管理人員及時了解水工程安全狀態。

4 結 語

本文充分利用GIS技術在數據管理、顯示和空間分析方面的優勢，基于GIS平臺研發水工程安全監測信息管理系統，構建了監測數據、屬性信息和空間數據一體化的數據庫管理體系，并在C/S與B/S混合模式架構下實現安全監測信息的查詢、管理、分析與輸出功能。系統在全國多個水工程安全監測自動化系統中投入運行，具有較好的穩定性和高效的數據查詢與管理能力，大大提高了安全監控的效率和可靠性，可以使安全監測專業人員和上級主管部門及時掌握水工程的實際運行狀態，指導水利水電工程的安全運行。

另一方面，隨著云技術的快速發展，基于GIS云建設模式的計算平臺會進一步為水工程安全監測系統提供更加高效的數據分析方式，更友好的信息管理模式以及低成本的使用地理信息資源。結合云GIS、三維仿真技術、專家評判系統做進一步研發，可為完善系統監測數據的高級分析和可視化操作功能，為水工程安全監測信息管理工作提供新的思路和方法。

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(責任編輯 王 琪)

Design and Application of GIS-Based Water Engineering Safety Monitoring Information Management System

JIN Youjie1，2, ZHOU Keming1，2, WANG Haimei1, LEI Yu1, LI Dong1

(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, Ministry of Water Resource, Nanjing 210012, Jiangsu, China; 2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, Jiangsu, China)

By using GIS’s technical advantages in data management, visualization and spatial analysis, and combined with the actual needs of water engineering safety auto-monitoring, the water engineering safety monitoring information management system based on GIS platform is developed. The attribute information, monitoring data and spatial information are integrated together in this system. The safety monitoring information functions including visualization query, data analysis, information management and result output are achieved under mixed mode framework of C/S and B/S. The system has been put into operation in some safety monitoring automation systems of water projects in China, which has improved the efficiency and reliability of automatic safety monitoring of water project.

water engineering safety monitoring; information management system; GIS; design

2015-06-26

水利部科技推廣計劃項目資助(TG1412)；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金(Y916014)

金有杰(1987—)，男，江蘇南京人，工程師，碩士，主要從事基于3S集成技術的水利信息管理、分析、系統研發等工作.

TV698.2；TP311.52

A

0559-9342(2016)12-0102-05