海堤可视化监测系统开发与应用

张鹏，黄铭

（合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥230009）

海堤可视化监测系统开发与应用

张鹏，黄铭

（合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥230009）

海堤作为一种特殊的水工建筑物，经常受到潮汐、台风等因素的影响，运行工况复杂。结合海堤运行的特点，利用ArcGIS强大的地理信息处理能力和ArcGIS Engine丰富的组件库，在Visual Studio（简称VS）平台上借助C#编程语言实现了海堤可视化监测系统的开发。系统内置的数学建模分析模块能够调用实时监测数据并对其进行分析预测，便于及时了解海堤的运行状态，保证海堤安全。工程实例证明，该系统较好地实现了海堤安全监测中的二维与三维可视化操作，对空间数据库和属性数据库以及安全监测数据进行了系统的管理，内置的数学建模分析模块对监测数据的分析和预测结果较好。

海堤；可视化；安全监测；系统开发

海堤是沿海地区常见的坝工建筑物，具有防御台风抵挡潮水、保证堤内广大人民群众生命财产安全和堤内经济建设和谐发展的重要作用［1］。与一般的水工建筑物相比，海堤具有延续长，涉及范围广，工作环境复杂等特点，而且由于海堤基础大多为软土地基，稳定性差，对施工和运行的安全性造成了一定的影响。

为保证海堤安全，必须加强堤防的安全监测，但是由于海堤上布置的监测点较多，监测项目繁杂，监测部位空间分布广，各监测点采集的监测数据量也很大。为此，可以通过在VS平台上开发构建基于地理信息系统（GIS）技术的海堤可视化安全监测系统，以实现海堤安全监测的可视化、数据库管理以及监测数据的分析预测等，为采取及时有效的防范措施提供条件［2］。

1 开发环境

1.1ArcGIS与ArcGIS Engine

ArcGIS是由美国Esri公司开发的全球领先的GIS平台软件，它具有强大的地图制作、空间数据管理、空间分析、空间信息整合等功能。ArcGIS Engine则是一个简单的、独立于应用程序的ArcObjects编程环境，具有完备的嵌入式GIS组件库和工具库［3］。

1.2Visual Studio

VS是目前较为流行的Windows平台应用程序开发环境，支持多语言开发，具有强大的可视化设计界面［4］。VS强大的接口功能可以直接调用ArcGIS Engine组件库及外部程序，实现GIS可视化系统的开发。

1.3 C#编程语言

C#作为一种完全面向对象的编程语言，其主要用来创建在.NET Framework上运行的各种应用程序。与其他编程语言相比，C#具有代码简单、功能强大、类型安全等优点，可以实现应用程序的快速开发［5］。

本文即是在VS 2008平台上，调用ArcGIS Engine提供的GIS控件，利用C#语言编程，实现海堤监测模型的可视化显示、数据管理和信息查询以及对监测数据的建模分析预测等。

2 系统总体设计

2.1 结构设计

整个系统的开发过程，采用经典的三层结构，即数据层、逻辑层和应用层［6］。系统的三层体系结构如图1所示。最底层是数据层，主要包括二维及三维GIS数据、属性数据以及监测点采集到的监测数据等；中间逻辑层由VS开发平台、Arc⁃GIS Engine组件和C#编程语言组合而成，用于构建整个安全监测系统；应用层则是由各个功能模块组成的海堤可视化监测系统。

2.2 功能设计

系统的功能设计主要体现在3个方面：可视化、数据管理及监测数据分析预测。其中：（1）可视化功能模块可以实现对二维和三维海堤视图的浏览和查看；（2）数据管理功能模块可以进行属性信息和监测信息的查询、超级链接的建立和查看以及系统数据库的调用、更新和维护；（3）建模分析预测模块能够通过建立数学模型对监测数据进行建模分析，并利用模型进行预测。

图1 系统总体结构图Fig.1System structure

3 监测数据分析方法

海堤安全监测中主要的监测项包括位移监测、潮位监测、渗压监测及波浪爬高监测等。该安全监测系统中的数学建模分析模块可以针对不同监测项的数据特点而选取合适的建模方法对监测数据进行分析。本文选用受潮汐等因素影响较为显著的堤身内渗压测项，对其进行建模分析。在对海堤实测渗压数据定性分析的基础上，以水工建筑物监测中应用最广的多元统计回归模型建模分析为例，选取合理的自变量因子，建立潮位、时效影响下的多元统计回归因果模型。

多元统计回归是判断某种监测项的测值序列与其他若干监测项相应测值序列间是否存在相关关系，并对存在的相关关系给出定量关系表达式，检验关系式的可信度、分析因变量和各自变量间的影响程度的一种方法［7］，其建模过程如下。

设随机变量y和m个变量x1，x2，…，xm有关，该关系可以表达为

该式即为y关于x1，x2，…，xm的多元线性回归方程。式中

β0，β1，β2，…，βm为待估的回归系数。

通过将监测数据带入多元线性回归方程组，利用最小二乘法求解，则可以确定回归系数。定义回归总离差平方和及回归平方和分别为

则考察多元回归方程回归效果的重要指标复相关系数R为

复相关系数是因变量和方程中自变量的线性关系密切程度的表现，其值范围是［0，1］，复相关系数越接近1表示这种关系越好。

4 工程实例

本文以上海市某海堤为例。该海堤为一线海堤，处在长江入海口南岸和杭州湾入海口北岸，全长约60 km，受台风等自然灾害的影响较为频繁。

4.1二维可视化开发及数据管理

在二维可视化功能开发之初，需首先完成二维海堤GIS模型的建立。利用Google公司开发的谷歌地球（Google Earth，GE）软件截取海堤及其周围的高清遥感影像图并将其导入到ArcGIS中，再利用配准工具（Georeferencing）将影像图配准。将配准后的带有空间坐标信息的影像图根据实际情况划分为海堤、丁坝、海水面、堤内渠道、堤内沼泽地等地理信息类图层以及渗压监测点、潮位监测点等监测类图层。在为每个图层添加相应的属性数据并对图形加以渲染之后，将整个地图文件保存为“二维海堤模型.mxd”。

图2 海堤二维可视化及属性信息查询Fig.22D visualization and attribute information inquiry of seawall

图3 海堤二维可视化及监测数据管理Fig.32D visualization and monitoring data management of seawall

图4 海堤三维可视化Fig.43D visualization of seawall

ArcGIS Engine为GIS系统的开发提供了一些功能非常强大的控件。在VS平台上，调用ArcGIS Engine组件库中的MapControl、ToolBarControl及TOCControl等控件并设置其属性，利用C#编程实现系统所需的各种基本功能，如制图板式的切换、各个控件之间的连接、鹰眼、状态栏中坐标信息与比例尺的实时显示等，完成整体框架的构建。

在系统主界面点击“可视化功能模块”按钮，加载“二维海堤模型.mxd”文件即可看到二维海堤安全监测视图。在二维可视化中，系统丰富的工具栏除了具有对海堤地图的缩放、移动、识别、全范围显示、图层管理等功能之外，还可以实现海堤监测点位置信息的查询，监测数据的查询、编辑以及搜索等，并可以超链接到现场图片、海堤管理中心网站等。例如，将系统中的识别（Identify）按钮点击到海堤堤身处，即可显示海堤基本监测信息，包括监测点的布置、海堤基本概况等（图2）。

除了具有基本属性信息的管理功能，在二维可视化中还可以实现海堤监测点监测数据的查询。通过点击系统菜单栏里的数据查看功能按钮或者直接点击具体的监测点，均可以看到该点所对应的监测数据，并可以实现数据的更新、编辑、导出等功能。例如在该海堤的安全监测中，潮位监测是靠竖立在丁坝附近的水尺，点击该潮位监测点后，可以查看到的该测点的潮位数据值（图3）。

4.2 三维可视化开发及数据管理

ArcScene是ArcGIS三维分析模块的一部分，它具有管理和编辑三维GIS数据、创建3D图层、进行3D分析等功能。在ArcScene中，首先将采集到的海堤周围地形高程信息与配准后的影像图相结合生成三维起伏地形，并制作海堤和丁坝等建筑物的三维模型［8］，保存为“三维海堤模型.sxd”文件。

三维可视化的开发是在基于VS平台的程序设计窗体上分别添加TOCControl、SceneControl及OpenFileDia⁃log等控件，并为菜单（MenuStrip）控件添加例如Click等相应的事件，每个事件对应的功能同样通过C#编程实现，开发出一个可以加载三维地图文档并对地图进行操作的程序（图4）。

三维可视化与二维可视化相比，可以更加直观真实地实现海堤所在场景的浏览，方便对整个海堤周围的地形有全面清晰的了解。如通过三维可视化程序工具条中的动画导航（Navigate）功能可以对场景进行旋转观察，旋转的同时还可以进行缩放；而选择了飞行（Fly）工具后，鼠标将变成一只小鸟的形状，可以通过鼠标的移动控制其飞行方向和速度，利用视角、场景属性、地理位置以及时间等的变化来实现对场景的飞行浏览。在三维可视化中仍然可以通过点击查看监测数据按钮或直接点击监测点来实现系统与外部数据库的链接，随时查看监测点数据。

图5 多元统计回归拟合曲线Fig.5Multivariate statistical regression curve

4.3 监测数据分析模块

建模分析模块可以实现对海堤渗压监测数据的分析预报。本文以多元统计回归模型为例，在安全监测系统中点击“数学建模”功能按钮即可进行多元统计回归建模分析。该模块能够调用指定监测点的监测数据进行分析并输出建模分析结果。

建立回归关联模型时，最重要的是确立模型结构即因变量和自变量因子形式。本文选取上海某海堤2004年10月1日～2004年10月6日共144组样本进行建模。以渗压S作为因变量，以前期潮位Hp和时效t作为主要影响因素。根据函数的幂级数展开思想和大坝监测应用的经验，选用前期潮位Hp的1～4次幂函数及监测时间序列t的1～3次幂函数作为初选因子［9］。经回归计算，得到最终模型为

其中模型复相关系数为0.9801，剩余标准差为0.017 7（高程m），可见拟合效果很好（图5）。利用该模型对后期24 h的渗压值进行预测，24个预测值与后期实测对比相对误差为1.36%，效果较理想。

5 结论

本文以上海某海堤为例，在VS平台上构建了基于GIS的海堤可视化安全监测系统。

（1）二维及三维可视化功能是整个系统的基础，它使用户更为直观地了解海堤的基本状况，如监测点布置、海堤所处环境等。

（2）系统具有较为完善的数据库管理功能，对海堤空间数据、属性数据和监测数据分类管理，可较为便捷地实现各类信息的查询、筛选和编辑。

（3）选取了合适的自变量因子及因子形式对监测数据进行多元统计回归模型建模，分析预测结果良好。除此之外，针对不同的监测数据项，还预留其他建模接口，便于扩展。

（4）可视化监测系统为海堤的运行管理提供了支持平台，对保障海堤的安全具有重要的意义。

［1］黄铭，刘俊，潘翔.潮水影响下海塘渗压监测模型研究［J］.水电能源科学，2005，23（4）：48-50. HUANG M，LIU J，PAN X.Seawall Osmosis Monitoring Model Considering Tidewater Effect［J］.Water Resources and Power，2005，23（4）：48-50.

［2］周斌，叶伟，赵英杰，等.遥感与GIS技术在港口环境监测与管理中的应用初探［J］.水道港口，2006，27（6）：396-400. ZHOU B，YE W，ZHAO Y J，et al.Discussion on application of RS and GIS in port environment monitoring and management［J］. Journal of Waterway and Harbor，2006，27（6）：396-400.

［3］邱洪钢，张青莲，陆绍强.ArcGIS Engine开发从入门到精通［M］.北京：中国邮电出版社，2010.

［4］Nick Randolph，David Gardner.Visual Studio 2008高级编程［M］.李梦汶，任鸿，译.北京：清华大学出版社，2009.

［5］王兴举.C#语言环境下的Supermap Objects组件式开发［M］.北京：中国铁道出版社，2013.

［6］陈超，仇阿根，朱芳菲，等.基于ArcGIS Engine的土地信息管理系统的设计与实现［J］.全球定位系统，2012，37（2）：77-80. CHEN C，QIU A G，ZHU F F，et al.Design and Realization of Land Information Management System based on ArcGIS Engine［J］. GNSS World of China，2012，37（2）：77-80.

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Development and application of seawall visual monitoring system

ZHANG Peng，HUANG Ming
（School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

As a special hydraulic structure,seawall is always affected by tides,typhoons and other factors.Its operating conditions are complicated.In this paper,combined with the characteristics of the seawall running,the seawall visual monitoring system on Visual Studio(abbreviation VS)platform by using C#programming language was developed on the basis of the powerful geographic information processing capabilities of ArcGIS and the rich component library of ArcGIS Engine.The mathematical modeling analysis module in this system can call real⁃time monitoring data to do some analysis and forecasting,which can keep abreast of the operational status and ensure the safety of the seawall.Project example proves that this system achieves 2D and 3D visualization of seawall safety monitoring well,and it also manages the spatial and attribute database,and security monitoring data systematically. The analysis and prediction results of the mathematical modeling and analysis module to the monitoring data are good.

seawall；visualization；safety monitoring；system development

TV 698.1

A

1005-8443（2014）06-0637-05

秦皇岛港建成全国最大防风抑尘墙

2013-11-13；

2013-11-27

国家自然科学基金资助项目（50979056）

张鹏（1988-），男，河南省驻马店市人，硕士研究生，主要从事水工结构安全监测研究。

Biography：ZHANG Peng（1988-），male，master student.

本刊从秦皇岛港股份有限公司获悉，秦皇岛港煤炭堆场防风网主体及附属配套设施工程已于2014年11月15日前全部完工。防风网总长度达5 038 m，成为国内规模最大的防风网工程，其工艺达国际领先水平。防风网工程总投资近4亿元，该工程历时7 a，分期组织实施，一期工程在2008年10月建成投入使用，长1 717 m，2012年6月再添764 m，分别位于堆场北侧和东侧。2014年新建防风网2 557 m，位于煤三至五期及矿石堆场西侧和煤五期堆场南侧，对东港区最大的露天散货堆场形成了“合围”。目前，这座高23 m的钢铁长城，防风网板面积已超过11万m2，可有效控制东港区煤炭和矿石堆场起尘、漂移、扩散，弥补冬春两季风大、气候干燥及洒水受限给防尘工作带来的影响，提高东港区防尘能力。据卫生环保部门监测数据显示，自防风网发挥作用以来，整个10月份，堆场边界区域降尘较去年同期下降20.5%，TSP(总悬浮颗粒)同比下降27.3%，港口降尘能力得到显著提升。（殷缶，梅深）