水库群工程安全监测空间数据管理与应用

金有杰，刘 娜，蒋宁远

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3.浙江滴石信息技术有限公司，浙江 杭州 310000）

空间数据作为水库工程安全监测的基础数据，其信息获取的完整性、管理的科学性以及数据的精确性将直接影响水库工程安全监测工作的成效[1]。相对于单一性水库工程，流域、区域性水库群工程安全监测的空间数据管理过程更加复杂，数据量成倍增长，监测系统在建设和维护过程中具有动态变化的特点。对海量、异构、动态的水库群工程安全监测空间数据进行高效管理和科学应用具有一定难度，相关技术方法的研究有待加强。

GIS具有空间数据管理、可视化交互、数据存储与分析以及二次开发等技术优势[2]，能解决水库群安全监测空间数据的动态管理、可视化交互、批量化处理等难题。本文充分利用GIS技术特点，从空间数据动态管理和应用服务功能定制两个方面出发，研究了水库群工程安全监测空间数据的分类存储、动态管理、批量化信息交互等关键技术，提出了地图空间服务、变形成果计算与可视化、重力坝稳定分析等空间数据应用服务方法，实现了对水库群工程安全监测空间数据的高效管理和科学应用，进一步提升了流域、区域性水库群工程安全监测信息化管理和服务水平。

1 空间数据动态管理

1.1 空间数据分类与存储

水库群工程安全监测空间数据主要包括流域或区域基础地理信息、大坝结构数据和自动化监测系统所涉及的空间数据等。由于空间数据结构的描述均可归属于点、线、面、体4个类型之一，因此可根据不同地物的空间特点进行类型划分（图1）。利用矢量数据结构对空间信息定位精确和栅格结构以规则格网表达大范围面状地物的优势[2]，采用矢量—栅格一体化数据结构对各类空间数据进行结构重组，进而提高专题空间数据的存储和管理效率。

构建矢量—栅格一体化空间数据结构时，以三维坐标记录地物空间信息，并描述相邻地物的拓扑关系；再由栅格单元充填，使水库地物具有栅格性质。栅格单元大小将直接影响整个数据结构的精度和存储效率，若栅格过大，则导致有效信息的丢失；若栅格过小，则造成数据存储量的成倍增长，增加计算机存储负担。因此，本文先利用式（1）定义栅格单元大小，再采用线性四叉树编码法（Morton码）对工程安全监测空间信息进行初始编码，然后在建立四叉树十进制编码表的基础上建立排序表，进行二维行程编码，进一步压缩存储空间，提升存储效率，这样既保证了地物描述的精细化程度，又最大化地缩减了数据冗余度，提升了存储效率。

式中，i=1,2,3,...,n，n为区域多边形数；H为网格边长；{Ai}为研究区域内所有多边形的面积序列。

在对监测空间数据进行分类和数据结构重组的基础上，建立专题数据库对复杂空间信息和海量监测数据进行统一存储和维护。将关系型数据库SQL Server与空间数据管理引擎ArcSDE相结合，利用SQL Server对海量关系型数据表高效存储以及ArcSDE对不同类型的空间、图形数据有效管理的优势[3-5]，实现安全监测数据、基本属性和空间数据的融合。同时，对不同监测对象进行唯一编码和建立多表关联，形成数据联动触发机制，减少数据冗余，提高对空间数据动态 变化管理的适应性和时效性。

图1 空间数据分类与存储结构示意图

1.2 动态管理流程

水库群工程安全监测涉及的空间数据众多，监测系统中仪器、测点由于运维需要，其空间数据存在变化的可能。基于GIS技术，本文采用数字化、可视化、批量化的动态配置方法对监测系统中测点、仪器等空间数据进行管理（图2）。

图2 测点动态管理流程图

测点、仪器空间数据动态管理的基础是空间数据的准确获取[6]，在仪器的安装过程中需对布设位置进行实际测量，并结合监测设计方案，对测点仪器的空间位置进行校正。利用ArcGIS加载仪器所在监测部位的设计图纸，将图形坐标转换为真实的空间坐标。在统一坐标系的基础上建立仪器的点状矢量图层，并设计仪器基本属性表结构；通过精确定位坐标点的输入，以GIS图形可视化的方式添加测点，并在属性表中配置基础空间信息，生成仪器和监测部位的空间分布图层；建立并指定仪器的唯一编码作为仪器空间数据表的主键，利用ArcSDE对空间图层进行存储，并依据主键值与SQL Server数据库中的关系型数据表进行关联，实现仪器空间数据、基本属性和监测数据的相互联动。

在仪器、测点空间数据管理过程中，本文通过设置测点的在用仪器、仪器状态（启用或停用）、启用时间等信息，在不影响原有仪器信息和状态的情况下，实现了对监测系统中任意仪器的动态维护。此外，由于对仪器所有信息进行了关联，所以仪器维护时，任何信息改变而造成的数据更新均能自动完成，从而提高了信息管理的效率和自动化水平。

1.3 批量化信息交互

通过人工方式对水库群海量空间数据进行逐一处理极易产生误操作，且工作量巨大[7-9]。此外，自动化安全监测系统在建设和维护过程中，相关仪器设备存在变更、维修、替换的可能，系统运行的动态变化特征对项目空间数据的管理提出了更高的要求。

本文以监测仪器和工程结构的空间数据为基础，根据空间定位数据在GIS数据处理平台上自动生成仪器矢量专题图层，并根据仪器编码和空间数据将仪器属性与监测数据等相关独立的数据表进行关联，形成多仪器记录的综合信息汇总表。结合矢量图形对仪器测点和工程结构进行可视化表达，在批量化自动处理的基础上，以可视化交互的方式实现多区域、多测点监测信息的批量配置和查询（图3、4）。根据每个监测仪器设定的安全阈值，在后台进行极值判定和异常判别，达到数据预警的目的。本文通过建立批量化的信息交互管理与查询方法，实现了与常用办公软件、数据库的对接，极大地提高了工程安全监测信息管理的工作效率，增强了工程建设与维护的便捷性。

图3 仪器批量化管理

图4 可视化交互查询

2 空间数据应用服务方法

在水库群工程安全监测空间数据管理的基础上，本文利用GIS二次开发平台开展了空间数据应用服务方法研究，开发了相应功能模块，提供了空间数据展示、计算与分析等服务。

2.1 地图空间服务

电子地图可直观描述流域或区域的地理特征，并准确反映水库大坝的空间分布情况。基于Esri开源框架ArcGIS Viewer For Flex，采用Flex并结合ArcGIS API for Flex库，在Adobe Flash Builder和MyEclipse平台进行GIS地图开发。通过Map标签和Layer子标签创建切片地图与专题图层，图层类型选择GraphicsLayer，通过Graphic标签依次添加点图层元素，元数据为存储在数据库中的各点属性数据（点名称、经纬度、类型等），通过BlazeDS以RemoteObject的方式传送到Flex中进行显示，形成跨空间尺度、定位精确、多信息联合展示的流域或区域性离线地图。其中，地图发布与测点图层叠加服务的核心代码为：

/**

*地图-测点图层叠加服务

* @param lon 经度

* @param lat 纬度

* @param attribute

* @param source 图片路径

* @return

*/

public function Map_Marker(lon:Number,lat:Number,attrib ute:Object,value:String,source:Object):Graphic

{

var mp:MapPoint;

var tempmp:MapPoint;

var markerSymbol:PictureMarkerSymbol;

tempmp=new MapPoint(lon, lat);

var image:Image=new Image();

image.data=source;

markerSymbol=new PictureMarkerSymbol(source,ima ge.contentWidth,image.contentHeight,0,0,0);

var myGraphicMarker:Graphic= new Graphic(tempmp,markerSymbol,attribute);

myGraphicMarker.toolTip=value;return myGraphicMarker;

}

2.2 成果计算与展示

工程安全监测过程中仪器安装位置的空间合理性和数据精确性对监测成果的计算具有决定性影响。以大坝位移监测为例，引张线、正垂、倒垂等位移监测系统是大坝变形监测的主要观测手段，引张线仪和垂线坐标仪的安装位置、测值变化量以及线体的布设对于整个大坝位移监测成果的计算十分关键。成果涉及多种仪器、多个测点的联合计算，其过程繁琐、参数众多，测点之间相互关联，需采用自动化的监测和计算手段来实现。本文利用GIS技术对测点仪器的空间数据进行动态管理，可避免因为个别仪器损坏而影响整个变形监测系统的问题，便于对系统进行后期维护、更新改造，且对多点计算过程不产生任何改变。当动态测点仪器空间数据发生变化时，多点联合计算可自动更新、计算，极大地减少了工作量。

大坝的沉降、位移等将直接影响大坝的安全，排除仪器和系统误差，变形监测的精确度与仪器测点、监测基准点、工程结构原始位置等空间数据的准确度密切相关[10-11]。通过建立监测系统图形化表达方式，精确定位测点仪器的空间分布位置，并结合实时监测数据，自动生成大坝变形监测系统的监测图形，可直观展示大坝变形状态的二三维交互（图5、6）。

图5 监测成果二维平面示意图

图6 监测成果三维示意图

2.3 重力坝的稳定分析应用

稳定分析的目的是验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度，以重力坝挡水段面为例，其所受荷载主要包括坝体自重、静水压力、扬压力、泥沙压力、浪压力、动水压力、冰压力和地震荷载等。各类荷载的计算主要取决于当前大坝结构、库水位、泥沙淤积等相关数据，式（2）～式（5）为重力坝挡水段面主要荷载的计算公式，其中涉及的可变参数多为与空间信息相关的基础或实测数据。因此，利用大坝结构特征、测点空间分布以及自动化实时监测等数据，对重力坝稳定分析中所涉及的可变参数进行统一获取、管理、更新和调用，可实现对典型断面稳定性的实时定量分析。

式中，W为坝体自重；P为水平水压力；Pup为扬压力；Psk为水平淤沙压力；V为坝体体积，以单位长度的坝段为单位，通常把断面分成若干个简单的几何图形分别计算，涉及典型断面坝顶高程、坝基高程、坝顶宽度、下游折坡点、坡度等信息；γc为坝体混凝土的重度；H为计算点处的作用水头，单位：m；γw为水的重度，垂直方向水压力按水重计算；S为扬压力分区的面积，通过坝基结构几何计算获得；γsb为淤沙浮容重；h为淤沙高度；φs为淤沙内摩擦角。

本文基于GIS设计并开发了重力坝稳定分析功能模块，提供了荷载公式与参数配置（图7）、断面稳定分析两个功能界面。其中，荷载公式与参数配置功能可对各种工况下典型断面的荷载计算公式进行编辑，并录入固定的基本空间参数；断面稳定分析功能则可将实时监测数据代入已完成配置的荷载计算公式中，自动计算断面的各类荷载，并通过多种常用稳定分析算法进行计算，比较各种算法的分析成果，最终获得可靠性较高的分析结论。

图7 重力坝的稳定分析示意图

3 结 语

本文利用GIS技术在空间信息存储、管理、展示和二次开发等方面的优势，对水库群工程安全监测空间数据的管理方法进行了研究，提出了水库群安全监测空间数据分类与存储方法、动态管理流程以及批量化信息交互方法，并利用GIS二次开发平台研发了相关应用服务模块，实现了水库群海量异构空间数据的动态存储、管理和可视化应用，进一步提高了水库群工程安全监测空间数据的管理效率，增强了监测系统的可维护性，对流域、区域性大坝群安全监测信息管理具有一定借鉴价值。