重要涉水工程河床監(jiān)測預警分析平臺設計與應用

肖 仲 凱，蔡 璇，韋 立 新，仲 躋 文，于 慧

(長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011)

0 引 言

為響應國家關于“推動長江經濟帶高質量發(fā)展戰(zhàn)略”，落實水利部提出的“加快推進新時代水利現(xiàn)代化的指導意見”，需健全長江水災害監(jiān)測預警、災害防治、應急救援體系，圍繞水利信息技術的開發(fā)與應用，綜合運用物聯(lián)網、云計算、大數據分析、三維建模等新一代信息技術，為沿江涉水工程提供水災害監(jiān)測預警分析和豐富的應用解決方案，促進水利規(guī)劃、工程建設、運行管理和社會服務的智慧化[1]。

開展河床監(jiān)測分析能夠有效降低涉水工程運行安全風險，為工程防災減災提供依據。傳統(tǒng)的河床監(jiān)測分析手段是將多測次監(jiān)測成果進行比較分析，但由于成果數據分散，地形圖制式不統(tǒng)一，收集及整理的工作量較大，通過人工統(tǒng)計分析圖表、文字等形式來描述河床沖淤變化情況，成果分析效率較低且缺乏統(tǒng)一標準，無法做到快速、直觀展示河床的沖淤變化。設計和開發(fā)涉水工程河床監(jiān)測預警分析平臺能夠有效管理和科學分析涉水工程局部河床監(jiān)測數據信息，不僅可實現(xiàn)數據的儲存和標準化管理，而且能夠對河床演變特征進行高效分析[2-3]。

1 平臺設計原則及思路

1.1 設計原則

平臺設計原則主要考慮以下4點：① 數字化管理，通過信息化手段對河床監(jiān)測相關的地形數據、斷面數據、分析圖表、報告等基礎資料都進行數字化統(tǒng)一管理；② 安全性管理，通過地形數據加密處理以及網絡數據安全管理等手段，充分確保重要涉水工程地理信息、分析數據的高安全性管理；③ 模塊化原則，根據河床演變分析常規(guī)技術方法，例如等高線平面變化、河床沖淤變化、典型斷面比較等進行模塊化設計開發(fā)，做到可移植、可復制；④ 成熟易用原則，采用國際主流、成熟的體系架構來設計構建，實現(xiàn)快速查看河床模型，精準展示分析歷年多測次河床演變過程。

1.2 設計思路

基于微服務架構，以技術先進、柔性敏捷、漸進連續(xù)的設計思路，采用分布式、云化部署方式，堅持以創(chuàng)新為驅動，充分運用多波束、三維建模、物聯(lián)網、大數據等新技術實現(xiàn)對水利對象及活動的透徹感知、全面互聯(lián)、智能應用與泛在服務。

平臺采用B/S架構進行設計，并采用前后端分離的設計模式，所有需要大量計算的工作例如點云數據的存儲與分析處理，都通過后端分布式數據庫MySQL存儲以及分布式高性能應用服務器進行預處理和分析，通過后端統(tǒng)一注冊、發(fā)布的Restful微服務接口響應前端請求，在前端結合三維引擎快速完成三維模型數據的渲染和交互。

2 平臺功能及架構設計

2.1 平臺功能設計

運用三維仿真和離散數據網格化算法等技術，通過構建通用數據模型以及常用三維計算和分析方法，實現(xiàn)涉水工程局部地形點云數據和斷面數據的一鍵導入、數據自動去噪、快速生成三維仿真模型，并融合2D和3D技術，直觀、真實地展示涉水工程綜合特征和河床地形的三維信息，實現(xiàn)涉水工程三維河床模型的動態(tài)生成、專業(yè)化分析、演變動畫模擬及可視化交互，為河床監(jiān)測預警分析提供了一種科學有效、簡便直觀的分析途徑。平臺主要功能包括以下3個方面。

2.1.1平臺系統(tǒng)管理功能

考慮到該平臺涉及地形、水文數據信息，在平臺建設過程中，充分考慮了應用層、數據層、網絡層以及系統(tǒng)層幾個方面的安全設計與實施，從平臺訪問控制、權限控制、身份驗證、Https協(xié)議、系統(tǒng)安全漏洞防護、入侵檢測、病毒防護等多個方面入手，構建安全可靠、自主可控的水利應用平臺。

2.1.2涉水工程三維建模及河床模擬展示功能

(1) 根據重要涉水工程施工設計圖，1∶1建立三維仿真模型，結合GIS能夠清晰地展示現(xiàn)場兩岸堤防、灘地實景情況。

(2) 根據地形點云數據不同高程值賦予不同色值，生成河床三維模型，河床以曲面或網格的形式進行切換顯示，用戶可以清晰直觀地瀏覽和了解河床情況，同時可以根據需要切換已錄入系統(tǒng)的不同測次地形模型。

(3) 用戶可以在三維場景上選擇疊加工程段實時水位。

2.1.3河床監(jiān)測預警分析功能

(1) 地形數據疊加沖淤分析。系統(tǒng)支持兩個測次模型的疊加分析，用戶選擇待分析的模型后，平臺自動計算當前模型和所選模型網格節(jié)點高程差，以可視化方式給出疊加沖淤分析的結果。

(2) 河床沖淤演變動畫模擬。演變動畫以循環(huán)播放的形式動態(tài)展示一定時期內不同測次的河床演變過程。

(3) 等高線變化分析。系統(tǒng)根據模型散點數據，繪制每個模型的地形等高線，支持多測次地形等高線變化分析。

(4) 固定斷面分析。可以選擇不同測次的斷面數據，以圖表形式展示多測次的斷面比較分析結果。

(5) 自定義斷面分析。系統(tǒng)根據手動選擇斷面的起點和終點動態(tài)生成多測次斷面分析比較圖表。

(6) 河道坡比計算。系統(tǒng)根據手動選擇斷面的起點和終點自動計算河道坡比。

(7) 河床最深點統(tǒng)計預警分析。根據平臺已有地形數據統(tǒng)計工程河段河床最深點和涉水工程附近河床最深點，以圖表形式展示變化趨勢，并根據涉水工程特性設定河床沖刷幅度極值預警和極限沖刷預警。

(8) 預警提示。平臺結合數據統(tǒng)計、幅度變化和人工干預給出監(jiān)測預警提示，供工程養(yǎng)護管理單位決策參考。

(9) 場景漫游。平臺可以自動漫游、巡檢工程河段水下河床及堤防情況。

2.2 平臺架構設計

平臺架構采用5層架構設計，分別是感知層、資源層、數據層、服務層以及應用層，如圖1所示。感知層采用物聯(lián)網技術，為平臺提供重點涉水工程的各類感知數據的泛在感知與采集，例如水位、高程、流速、流量、斷面、視頻等信息，實現(xiàn)涉水工程的及時、全面、準確、穩(wěn)定的監(jiān)測、監(jiān)視與監(jiān)控。資源層是基于分布云化資源提供平臺所需的計算、存儲以及網絡資源。數據層通過構建基礎數據庫、散點數據庫、斷面數據庫、三維數據庫、系統(tǒng)管理數據庫等提供平臺的水文數據管理。服務層通過不斷提煉與沉淀平臺應用所需的共通功能，實現(xiàn)平臺共通服務，為應用層的應用快速構建提供支撐。應用層結合業(yè)務需要，基于涉水工程數據與服務層提供的共通能力，構建河床三維場景、等高線變化分析、斷面分析等業(yè)務應用。

平臺采用輕量化HTML5/WebGL建模方法實現(xiàn)3D場景，遙感影像能真實有效地描述地表特征，是三維地形仿真的重要數據來源[4-5]，實現(xiàn)快速建模、運行時輕量化的3D可視化效果，充分還原涉河工程本身和周圍的場景。采用插值算法完成數據的預處理，基于HTML5，應用2D/3D引擎完成河床三維模型的建立。

3 典型案例應用

按照平臺系統(tǒng)功能及架構設計的建設目標，目前已完成了南京大勝關長江大橋河床監(jiān)測預警分析平臺(見圖2)的研發(fā)工作，并建立了南京大勝關長江大橋三維場景仿真模型。平臺將南京大勝關長江大橋常規(guī)河床監(jiān)測數據進行集中統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了包括三維河床模擬展示、地形數據疊加沖淤分析、沖淤演變動畫模擬、等高線變化分析、自定義斷面分析、河道坡比計算、河床最深點統(tǒng)計預警分析、三維場景漫游等河床監(jiān)測預警分析功能，并支持基礎監(jiān)測數據動態(tài)更新和統(tǒng)計分析查詢。

4 關鍵技術研究

4.1 三維建模技術

在參考涉水工程圖紙及相關尺寸信息的基礎上，首先將3DMax系統(tǒng)單位比例與顯示單位比例設置成一致，在虛擬環(huán)境的設計中，結合實體的建模原則，正確處理不同構筑物模型之間的差異，結合“真實建模”的原則及模型大小，完成單個涉水工程的建模。例如跨江大橋的建模需結合橋梁結構特點，分析主要橋梁組件結構(如T梁、蓋梁柱式墩、輕型橋臺等)構件圖的幾何和拓撲關系，對組件進行參數化設計，實現(xiàn)組件的三維建模[6-7]。

同時利用基于HTML5技術的Web編輯開發(fā)工具及圖形引擎軟件，將模型導入進行場景編輯。設定模型標簽、業(yè)務屬性參數等，為后續(xù)程序驅動的落地如數據綁定、數據展示等提供預處理，從而更好地滿足虛擬場景的實施需求。圖3為南京大勝關長江大橋三維建模。

4.2 數據插值、濾波及三角面生成算法

4.2.1數據插值與濾波

比較常用的插值算法有反距離權重插值和克里金插值[8-10]。本文所介紹的平臺使用了反距離權重插值算法(inverse distance weighting，IDW)。該方法假定每個測量點都有一種局部影響，而這種影響會隨著距離的增大而減小。算法的基本原理是對于平面內已有數據(xi，yi，zi)，通過距離加權插值法，根據坐標的屬性值zi實現(xiàn)對P點屬性值插值。如果P點的周圍有N個數據點，則P點的屬性值可變?yōu)?/p>

在原始數據中，可能存在一些干擾點，為此平臺采用了濾波算法來做處理。算法以粗處理為主，在輸入數據中計算每個點到K個臨近點的距離分布，對每一個點，計算它到所有臨近點的平均距離和標準差。以此標準差作為閾值，不滿足的將其定義為離群點，并在原始數據中剔除，完成濾波后再進行迭代，進一步剔除噪聲。濾波完成后，對每一個節(jié)點采用反距離加權法計算預測高程值，計算的時候當前點的高程值不作為輸入，預測的高程值和當前實際值差值大于一定限值，用預測高程值替代當前高程值。以南京大勝關長江大橋河床水下散點數據為例，插值后的格網數據如圖4所示。

4.2.2三角面生成

3D模型是由最基礎的三角形面拼接合成，例如1個矩形可以由2個三角形構成，1個立方體由6個面即12個三角形構成，以此類推，更復雜的模型可以由許多小三角形組合合成。TIN是由空間中離散分布的不均勻點組成的三角網絡模型，它是DEM的一個主要數據模型。本文平臺采用TIN模型來實現(xiàn)三角面的生成，TIN模型根據區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網絡，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內[11-12]。如果點不在頂點上，該點的高程通常通過線性插值的方法得到(在邊上用邊的2個頂點的高程，在三角形內則用3個頂點的高程)。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內連續(xù)但不可微。在構建TIN過程中，平臺采用了帶約束的Delaunay三角剖分算法，以解決實際河道中碰到的彎道或空白淺水區(qū)等實際數據所引起的三角網構建冗余問題。以南京大勝關長江大橋河床水下散點數據為例，三角網構建如圖5～6所示。

4.3 數據加密處理

為保證三維河床模型生成的準確性，同時便于與多測次地形數據的比較分析，對前端獲得的不同測次的散點地形數據物理坐標需要進行網格化加密處理，不同模型的網格節(jié)點個數和節(jié)點坐標值須一致。同時為了地形數據的安全性，平臺在數據加密處理時進行了旋轉和坐標歸零處理，例如以橋墩位置為中心，按一定角度進行旋轉，前端在生成模型時，再次進行了縮放處理，保證了數據的安全性。

4.4 集成多個河床演變分析模塊

平臺實現(xiàn)了對歷年多測次的局部地形監(jiān)測數據的標準化存儲和高效分析管理，集成開發(fā)了“疊加沖淤分析”“沖淤演變動畫模擬”“等高線變化分析”“河床斷面分析”等多個河床演變分析模塊。疊加沖淤分析模塊實現(xiàn)了任意選擇2個測次地形網格數據的沖淤計算，自動生成標準化沖淤圖，直觀展示河床沖淤狀態(tài)。沖淤演變動畫模擬模塊可任意選擇時間區(qū)間，平臺會生成區(qū)間的模擬演變動畫，動態(tài)展示工程局部河床的演變過程。等高線變化分析模塊實現(xiàn)了多測次等高線的選擇、疊加和比較分析。河床斷面分析模塊實現(xiàn)了固定斷面分析和手工斷面分析，固定斷面為預先設置的固定位置的斷面，手工斷面為用戶手工在三維地形圖上繪制的任意斷面，兩者都可以通過選擇不同的測次數據，將斷面展示到曲線圖，一次可選擇多個測次，不同測次以顏色區(qū)分，能夠動態(tài)顯示所選中斷面點的高程值，同時手工斷面可自動計算斷面起點和終點的河床坡比。這些可復制、移植的河床演變分析模塊能夠直觀、快速高效地實現(xiàn)對涉水工程局部河床演變的分析。

以南京大勝關長江大橋為例，涉水工程位于長江南京河段大勝關附近，位置見圖7。平臺通過入庫地形數據，可自定義選擇自動生成多測次的等高線變化圖，功能模塊展示如圖8所示。

4.5 河床監(jiān)測預警機制

平臺可根據各個涉水工程特性，設置特定的河床監(jiān)測預警機制。例如橋梁工程需重點關注跨江主橋墩附近區(qū)域河床的沖淤變化，隧道工程需重點關注隧道軸線位置上方河床的沖淤變化，碼頭工程需關注碼頭前沿河床沖淤變化。以南京大勝關長江大橋為例，平臺自動計算并展示橋墩附近河床最深點高程值，同時根據工程設計最大沖刷極值，動態(tài)顯示河床可沖刷厚度，分級別給出預警。如圖9所示，平臺右上角紅色框區(qū)域為預警模塊，當前主橋墩附近河床最深點高程為-43.57 m，處于正常狀態(tài)；當橋墩附近河床高程值小于等于極限沖刷值+5.00 m時，平臺會自動發(fā)出預警提示。

如果工程所在岸線存在河道崩岸險情或重點險工段，同時需建立河道邊坡崩岸險情動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測堤防、河道邊坡的水平位移值，發(fā)現(xiàn)異常波動值提前給出崩岸險情預警。

5 平臺功能拓展前景

5.1 融入底層感知物聯(lián)網絡

信息是智慧水利建設的基石。系統(tǒng)、整體、多類型地獲取信息，以及信息獲取之后的存儲、匯集、評價、校正和融合對智慧水利目標的實現(xiàn)至關重要[13]。智慧水利具有透徹感知、全面互聯(lián)、深度挖掘、智能應用及泛在服務等特征，各個層次互相關聯(lián)，彼此耦合，從業(yè)務、應用、數據、水利云、網絡、安全等方面形成一個完整體系[14]。目前水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測站已實現(xiàn)自動采集的各要素數據通過通信網絡發(fā)送到數據監(jiān)控中心[15-16]。針對某個重要涉水工程監(jiān)測預警分析平臺，可在其重點河床位置設置底層感知設備，構建感知物聯(lián)網絡，將重點河床面高程值、水位、流速、流向實時傳輸至平臺。同時可以利用高精度全自動三維形變實時監(jiān)測與預警技術，根據重要涉水工程特點建立監(jiān)控模型，實現(xiàn)重要涉水工程形變監(jiān)測安全預警，通過重點部位危險點的實時預警，可有效降低涉水工程運行安全風險，為工程防災減災提供依據，增強抗御自然災害的能力。

5.2 接入在線二維水沙模型

隨著理論水平的提高與計算機技術的進步，河流水沙數學模型得到了迅猛發(fā)展。由一維模型發(fā)展到二維、準三維、三維模型；由恒定流模型發(fā)展到非恒定流模型；由單一河道模型發(fā)展到復式道、分汊河道、干支流河道以及河網模型；由均勻沙模型發(fā)展到非均勻沙與寬級配泥沙模型；由懸沙、平衡輸沙、非耦合模型發(fā)展到全沙、非平衡輸沙、耦合模型[17]；由水沙模型發(fā)展到水沙、水質與水溫聯(lián)合模型等[18]。隨著水文信息服務理念的改變和服務領域的擴展，將推動智慧水文監(jiān)測體系的建立與應用[19]。收集工程所在河段的地形及水文資料，結合上下游水文測站共享數據和實時底層感知數據，可構建在線二維水沙自修正耦合模型。運用水文預報技術，將模型預先計算的流場成果接入該平臺，能夠模擬展示重要涉水工程所在局部河床的實時動態(tài)流場，為涉水工程的場景化應用提供基礎水文支撐。

6 結 語

現(xiàn)代信息技術的高速發(fā)展，為構造“天空地”一體化的智慧水文監(jiān)測體系提供了有效的技術支撐。重要涉水工程河床監(jiān)測預警分析平臺是基于3DMax構建，結合編輯開發(fā)工具聯(lián)合建模法，通過地形點云數據建立動態(tài)河床三維模型，利用等高線變化、疊加沖淤分析、河床沖淤動畫模擬、典型斷面比較、河床坡比計算等手段，能快速直觀地分析涉水工程局部河床沖淤演變過程，同時具有自動預警功能，為重要涉水工程的科學管理、隱患排查、安全維護提供了關鍵性技術支撐。設計研發(fā)此平臺有利于實現(xiàn)地形、水文監(jiān)測數據的統(tǒng)一共享、高效分析和多場景應用，有利于推動重要涉水工程安全管理規(guī)范化、精細化、智慧化。