基于實景三維GIS的水利工程信息化管理平臺研究

嚴亞敏

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

水是生命之源、生產之要、生態之需，水與國民經濟發展和人民的健康穩定生活息息相關，建國后，我國修建了諸多水利工程，這些水利工程由于建設年代不同，在建設過程中自動化和信息化標準不同，水平不同。隨著信息化技術的不斷發展和進步，信息技術在多個行業中均得到了廣泛的利用，在水利工程領域也不例外。水利工程行業中科學合理的應用信息化技術可以對工程設計、施工以及后期的運維管理均有著較大的輔助作用[1]。近年來，隨著水利工程信息化管理需求的增加及工程設計、施工以及后期的運維管理過程中大量生產和應用數據的不斷產生和積累，使得水利工程的管理難度隨之加大；同時，傳統的水利工程管理模式存在圖表等信息化方法、信息采集時效性較差、數據可視化效果較為薄弱、缺乏對數據進行有效的分析等問題，無法對水利工程實現實時、可視化的管理。

當前，數據自動化采集和傳輸機制逐漸完善，數據獲取方式多樣，數據成果豐富。如何將豐富的多源數據進行融合、瀏覽及分析，有效提高水利工程的管理與決策水平，有力地服務于水利工程設計、施工以及后期的運維管理等全生命周期管理成為目前水利行業研究的重點和熱點。本課題致力于對水利工程的全景、視頻、三模型、DEM、DLG及監測數據等多源數據從采集、集成到應用的全過程研究，利用三維GIS技術、數據庫管理技術以及計算機網絡技術建設水利工程信息化管理平臺，實現水利工程的建模、仿真及可視化，有效提高水利工程的信息化管理水平與決策效率。技術路線圖如圖1所示。

圖1 技術路線圖

1 關鍵技術研究

1.1 基于不規則傾斜攝影的實景三維建模技術研究

實景三維模型紋理逼真，具有良好的可視化功能；同時三維實景模型具有良好的數學精度，具有可量測性，因此將三維實景模型作為水利工程信息化管理的基礎數據，可以直觀、真實、準確的反映水利工程現狀。然而，水利樞紐工程多處于高山峽谷區域，地形高差較大，采用常規的傾斜攝影方式無法保證無人機安全，同時無法獲取峽谷底部、側壁及壩體清晰的影像數據，無法建立項目需求的三維實景模型。本課題采用無人機，使用分層不規則傾斜攝影的影像獲取方式，即將攝區分為三個不同航攝高度，采用自動+手動的航攝方式，從不同方向對攝區進行攝影，獲取影像數據；內業采用各層影像數據融合、不同層影像同名點匹配等數據處理方法進行空三計算及三維建模，建立紋理清晰、精度良好的實景三維模型，解決了大高差、窄深峽谷區域航攝困難的技術難題[2]。

1.2 地面三維實景模型與水下DEM數據融合方法研究

實景三維模型僅提供了地面三維模型，而水下地形多為DEM數據，需要將二者進行數據融合，以滿足水利工程可視化管理對水上水下三維一體化的需求。通過研究，本方案提供一套實景三維模型與水下DEM模型融合的技術手段，不僅滿足水利工程三維建模的視覺需求，更可以將產品應用于水利分析(淹沒分析、庫容統計等)領域。

實景三維模型采用切片式模型的存儲方式，而水下DEM采用三角網存儲方式，因此，兩者不能直接集成。本方案首先對每一個涉及到水面的實景三維模型切片模型進行剔除，剔除時為了保證剔除水面之后模型邊緣的齊整性，不能直接采用刪除三角形的方式，而是通過拉伸水面多邊形形成空間體模型，并與三維模型進行布爾差運算，從而達到剔除水面的目的。另外，通過限制拉伸模型的高度，避免剔除伸出湖面的樹木模型。針對水下三維地形建模，依托水下地形數據與水面范圍多邊形，采用構建約束Delaunay三角網的方式實現，即按照三維模型的切片方式對水下DEM進行切片，并將水下DEM融入到原來的三維模型中，最后借助三維建模軟件重新導出模型切片，實現水下DEM模型與地面實景三維模型的無縫集成，完成水庫庫壩區外觀三維場景搭建[3-4]。如圖2所示。

圖2 三維實景模型與DEM數據融合流程

1.3 視頻軌跡聯動技術研究

無人機航飛視頻具有數據獲取效率高、清晰度好的優勢，目前已在河道及庫區巡查等方面進行了廣泛應用，但如何將視頻實時傳輸至服務器，及時發現“問題點”并進行響應是急需解決的技術難題。課題設計了外置GPS定位傳輸設備的方案，起飛后通過移動通訊網絡將無人機實時位置及拍攝的視頻傳輸至服務器。在對大量視頻和無人機軌跡的關系研究后，總結了視頻幀、無人機POS點以及飛行速率三者間的關系，消除了視頻幀與實際航飛位置的系統誤差。在此基礎上，通過獲取視頻拍攝軌跡，實現地圖與視頻播放進度間的“可操作、可交互”。用戶在瀏覽視頻的過程中，能夠標記當前的問題，系統自動解算問題對應的準確坐標，存儲在數據庫中，實現水庫全貌的視頻軌跡聯動巡檢[5]。

1.4 各類傳感器監測值實時傳輸

利用基于物聯網的水庫安全實時監控技術，通過移動網絡，實現應力、應變、滲壓、位移等大壩安全重點關注指標的自動化采集與存儲，確保信息采集的完整性、可靠性和實時性。針對不同傳感節點配備的傳感器類型可能不同，設計了統一的數據收集方案，制定了平臺數據入庫標準，為其他項目的監測應用提供參考依據。平臺建設性地將測點標記在三維場景和VR全景中，有利于測點在空間上的管理，便于用戶直觀掌握水利工程運行態勢，在空間和時間維度上進行推演和決策[6-7]。

1.5 多源數據的集成與管理

本項目涉及的數據成果多樣，包含VR全景影像、三維模型、DEM、巡檢視頻及物聯網監測數據，基礎數據結構不統一，且數據量巨大。課題考慮數據尺度、可視化特點實現了上述數據在平臺中的整合及應用，通過HTML5技術實現網頁端的流暢預覽，并達到多項目多點位不同場景的無縫切換。通過后臺發布軟件將三維模型、全景和視頻數據生成標準化的REST服務，并將服務地址與其對應的項目及數據時間通過關系型數據庫進行管理，保障了數據的有序管理和共享[8-9]。

2 平臺功能

2.1 用戶信息配置及權限管理

用戶使用軟件系統時，需先通過用戶名和密碼登錄系統，進入相應的功能模塊。各個用戶都有對應的權限，管理員擁有所有編輯、瀏覽功能的權限，而普通用戶在某些功能上則會有限制。

2.2 淹沒效果模擬與數值統計

該模塊是水利工程水文分析的核心功能，提供：

(1)特定水位淹沒效果模擬：模擬某個固定水位下的淹沒面，并疊加在三維場景上顯示，如圖3所示；

圖3 淹沒效果模擬界面圖

(2)水位動態淹沒效果模擬：指定有效水位區間及變化步長，模擬三維場景中的淹沒面隨水位動態變化的效果；

(3)庫容與投影面積統計：每一個水位高程下的庫容與表面積；

(4)數據表導出：提供一鍵導出庫容(投影面積)統計表，如圖4所示。

圖4 庫容表信息圖

基于DEM進行庫容計算，具有高精度、高效率的優點。此外，水上水下三維一體化模型與水面紋理的疊合，可以將各水位的淹沒影響范圍直觀地展示給用戶，同時滿足視覺性與功能性的需求。

2.3 基于全景的設備間管理

采用全景技術實現壩體內設備間的三維仿真，并通過增加標注點層實現對設備間內所有設施的管理。采用全景技術實現的設備間管理，使得水利工程信息管理更加直觀、高效。在實際生產中，通常會設置多個全景拍攝點，完善不同視角下的全景數據，以滿足設備間所有細節的三維表達需求。設備點則記錄了設備信息，并關聯實時監測數據，將監測數據持續錄入到數據庫中，以便對歷史資料進行調用。考慮到后續對設備進行更新升級，系統開放了設備點添加、信息編輯以及刪除等操作[10-13]。

2.4 巡檢模塊

巡檢主要用于問題點排查與記錄，系統提供以下三種方式：①視頻時空一體化瀏覽。視頻軌跡與視頻幀具有嚴格的對應關系，用戶在觀看視頻時一旦發現問題，可觸發生成問題點操作，系統會在軌跡對應位置自動生成問題點；②問題點標記。在地圖界面通過鼠標點擊的方式手動錄入問題具體信息。③移動端問題上報。通過GPS或移動網絡獲取用戶當前位置，并將該位置上報為問題點，從而進行記錄[14]。

2.5 移動端模塊

為便于現場管理，項目開發一套移動端軟件，考慮手機兼容性，軟件依托微信小程序平臺。微信小程序主要功能為現場巡檢。當發現問題時，進入“問題上報”模塊，填寫問題的具體內容，拍攝或上傳現場照片，將問題上報到系統中。網頁端獲取移動端上報的問題，根據提交的坐標在地圖上生成問題點。

3 結論

文章通過對采用多層不規則傾斜攝影技術三維實景模型、地面三維實景模型與水下DEM數據融合及視頻軌跡聯動等技術的研究，完成了水庫庫壩區外觀三維場景搭建，利用三維GIS技術、數據庫管理技術以及計算機網絡技術建設水利工程信息化管理平臺，建立了基礎三維地理信息空間數據集成及其動態更新機制，為數字高程模型、三維模型、VR全景影像、巡檢視頻等多源數據提供了便捷的存儲方案，實現了各類水利監測數據的接入及數據管理的高效性和歷史追溯性，實現了水利工程的建模、仿真及可視化，有效提高了水利工程的信息化管理水平與決策效率。