南水北调中线膨胀土渠道安全监控的三维信息管理与分析系统设计及实现

黄超 侯鹏生 宋海波 史超 丁凡桠

（1.水利部长江勘测技术研究所，湖北 武汉 430010；2.南水北调工程建设监管中心，北京 100038）

南水北调中线干线工程于2003年2月开工建设，经过十多万建设者十余年努力，于2014年12月正式通水。其中，淅川二标段位于河南省淅川县九重镇境内，渠道起点桩号8+400，呈北东向穿九重岗，终点桩号14+000，全长5.6km，为全挖方渠段，最大挖深49m。起点渠底高程139.044m，终点渠底高程138.82m，渠道纵坡比1∶25 000，沿线冲沟发育多，地形起伏较大。该渠段地下水丰富、膨胀性强、结构面发育、施工期滑坡多[1]，严重影响渠道边坡的稳定性，对南水北调工程的安全运行构成一定威胁，是渠道安全监控的重点地段之一[2]。

为加强淅川二标段渠道稳定性监控现代化管理，南水北调工程建设监管中心以渠道安全监控为核心，以信息化管理应用需求为导向，进行了一系列信息化建设，委托并重点支持水利部长江勘测技术研究所，研发了淅川二标段渠道安全监控三维信息管理与分析系统平台。

该平台是以淅川二标段为典型区域，以工程建设和运行监控管理数据为基础，以三维信息管理与分析为主要目标的渠道运行管理、安全监控和综合分析系统平台，并融合了多种高新信息技术，如低空无人机数字摄影测量技术，快速获取区域高质量渠道影像和地形资料；虚拟仿真技术，构建淅川二标段真实三维仿真场景；数据库技术，合理的存储并管理已有的基础地形、地质、设计等建设资料和内外观监测、地质巡查、水下物探检测、气象水文等监测资料；三维地理信息技术（GEOGRAPHIC IN⁃FORMATION SYSTEM，GIS），提供综合查询及稳定性分析预警的辅助决策功能。

图1 系统总体结构框架

1 系统体系结构设计

系统基于SKYLINE GLOBLE 三维GIS 软件构建，数据库采用SQL SERVER 数据库管理软件，体系结构采用客户端/服务器（CLIENT/SERVER，C/S）模式，多客户端同时操作，连接存放在中心服务器上的安全监控数据，实现数据共享。系统的总体结构框架示意图如图1所示，采用3层体系结构，具体分为应用层、平台层、数据层，结构层次清晰，可扩展性强，安全性高，便于后期维护更新。

2 系统主要功能

2.1 三维场景交互式漫游

交互式漫游提供三维场景漫游、地下模式浏览、渠道飞行动画展示、二维地图导航、场景环境设置等丰富易用的三维操作功能，用户可以进行多种基本操作，如平移、放大、缩小、拖动、旋转、居中、指北等，以获得身临其境的效果。同时状态栏醒目的标注当前视口所在桩号及坐标位置信息，并随着场景视点的变化实时更新。

地下模式浏览用于浏览地下布设的深部监测仪器及抗滑桩等模型形态。渠道飞行动画展示通过模拟从标段首部到尾部的飞行动画。二维地图导航用于辅助定位，与三维场景直接关联，避免用户在三维场景中迷失方向。场景环境设置包括天气状况、光照、明暗度等。

2.2 地形分析

地形分析不仅提供常用的地形量测功能，如坐标位置查询、水平及垂直距离量测、渠坡坡度量测、面积量测等，可在场景中直接操作获得量测结果，还增加了针对三维环境下地形分析的功能，包括等高线分析、渠坡坡向分析、地表剖面分析、填挖土方量分析等。

2.3 基础信息管理

基础信息管理用于对渠道基础信息的查询、修改、删除、导出等功能。基础信息包括原始地形、施工及竣工地质和渠道设计等信息。其中地形信息有渠道原始地貌线、水系点、水系线、管线、交通线等；地质信息有地层分区、岩性分区、地质界线、滑坡线、裂隙线、裂隙密集带、膨胀性分区等；设计信息有设计线、抗滑桩、穿渠建筑物等。

此外，还有相关工程图档文件及报告文档，如原始地形地质平面图、施工布置图、竣工工程地质报告等。基础信息数据存放在基础信息数据库中，以点、线、面矢量要素及三维模型的形式通过合理的配色展示在场景中，用户可以直接进行具体信息的查询浏览。

长期以来，传统的民事行政法律监督主要依靠当事人申请启动，检察机关自行依职权启动的较少。公益诉讼作为一项新增职能，人民群众尚缺乏了解，需要加大宣传，动员群众参与。同时，公益损害危及群众切身利益，如不及时处理，可能造成损害扩大或难以修复等问题，引发群众不满。这就要求检察机关改变民事行政监督“坐堂办案、等米下锅”的传统办案模式，主动出击，积极作为。

2.4 监测信息管理

监测信息管理针对渠道监测数据的添加、删除、修改、查询、导出等，监测数据主要包括渠道表面外观、深部监测以及水下物探检测、气象降雨量、水位和巡查检测等，其中表面外观监测有水平和垂直位移监测；深部监测有含水量仪、渗压计、土体位移计、测压管、测斜管等。

数据形式主要有监测数值表格、检测影像和报告文档等。监测信息主要存放在监测信息数据库和文件服务器中。用户可分类导入最新的监测数据，并能在三维场景中通过监测点直接查询监测数据和实时绘制过程变形曲线图，以及查阅巡查监测报告、断面监测月报、专家巡查报告、阶段性监控结论等文档。

2.5 稳定性分析预警

系统将渠道稳定性级别确定为四个级别，分别为（一级）稳定、（二级）较不稳定、（三级）不稳定和（四级）极不稳定。

稳定性分析预警功能主要提供智能辅助分析决策功能，利用基于监测数据与地质经验结合的预警模型，通过综合分析监测数据，推测渠道稳定性，确定稳定性级别，同时结合基础地质信息对不稳定区域进行原因分析和预警提醒，并生成稳定性分析报告，提供给监管人员以辅助分析决策。

2.6 系统管理

系统管理用于后台管理，主要包括用户管理、系统日志管理、数据库维护管理等。用户管理用于管理登录名及密码，确定用户的权限，不同的等级拥有不同的操作权限。系统日志管理记录用户操作日志。数据库维护管理提供完善的备份和恢复数据的能力，确保在数据遭到破坏时能对数据进行恢复，保证数据的安全性。

3 系统相关的关键技术

3.1 低空无人机数字摄影测量

渠道三维场景是整个系统平台的基础，高质量的三维场景能够更真实地还原渠道地理形态。为构建渠道精细化的虚拟三维场景，项目组结合无人机低空数字航空摄影技术[3]，采用固定翼式专业级摄影测量无人机SKYWEAVER C210，采集渠道高质量影像和地形数据。

首先以淅川二标段为航测目标，将航测目标区圈定在约4 km×7 km范围内。航测范围与渠道走向保持一致，并尽量将渠道置于航测中心区。飞行航高设定在相对渠道500m高度，确保了地面分辨率优于0.1m，以满足建立高质量三维虚拟场景的需求。

数据采集完成后，通过专业软件的处理[4、5]，如构建测区、定向元素计算、光束法空中三角测量计算、数字影像核线重采样、影像匹配、影像与地形出图等步骤流程，最终获取了淅川二标段的高分辨率正射影像数据（DIGITAL ORTHOPHOTO MAP ,DOM）和高精度数字高程模型（DIGITAL ELEVA⁃TION MODE，DEM）数据。

3.2 基于SKYLINEGLOBE平台的三维场景构建

SKYLINEGLOBE 是当今最为成熟的集三维空间建模、分析与海量数据管理于一体的三维GIS系统平台软件，它可以利用海量的遥感航测影像数据、数字高程数据以及其它二三维数据源搭建出一个三维仿真场景。

软件主要包括TERRABUILDER、TERRAEX⁃PLORER、TERRAGATE 三个系列产品，其中TER⁃RABUILDER用于融合海量的遥感航测影像数据、高程和矢量数据，以此来创建有精确三维模型景区的地形数据库。TERRAEXPLORER 用于三维场景数据操作分析，TERRAGATE 是一个发布地形数据库的服务器，允许用户通过网络来访问地形数据库[6]。

淅川二标段渠道三维场景是由地表三维场景模型和渠道桥梁及周边附属建筑三维模型组成。地表三维场景模型是利用获取的高精度DEM数据和高分辨率DOM 数据，通过TERRABUILDER 构建，其中DEM提供渠道地形起伏特征，DOM提供地表纹理特征。

渠道周边桥梁及房屋建筑三维模型通常采用3DS MAX、CATIA 等专业的三维建模软件建模，然后再将模型导入场景中。

模型导入的方法是首先以模型底部中心点坐标、模型名称或编号等信息生成特征点矢量要素文件，加载在地形场景中，通过模型名称或编号与模型关联，实现模型文件的导入[7]。整体的渠道三维场景构建的流程图如图2所示。

图2 渠道三维场景构建的流程图

3.3 监测数据与地质经验结合的稳定性分析预警

渠道稳定性分析预警是当前渠道安全监控工作的目标和核心，现场渠道稳定性分析工作流程是地质人员从监测数据出发，结合膨胀土水文地质、工程地质条件及边坡破坏机理等综合分析，最终做出判断预测。

因此，稳定性分析预警功能的研发思路以渠道监管特点为基础，从GIS原理与理论出发，采用一种基于监测数据与地质经验相结合的膨胀土渠道稳定性分析预警方法。

首先沿着渠道中心线在渠段范围内进行网格化处理，将网格作为预警区域单元，以外观监测的垂直和水平、深部测斜管监测数据插值后结果，作为判断主要依据，进行稳定性判断分级，在确定级别后，进一步对不稳定区域进行深层和浅层原因分析，深层检查主要分析深部测斜管的同时段监测数据，浅层检查主要分析裂隙密集带、膨胀性及巡查裂隙等，最终推测不稳定的原因并直观呈现出来，提供管理人员辅助分析决策。

获得监测数据结果后，结合地质经验，以最近三个月结果作为分析判断的初始阈值，水平位移监测反映的是渠道水平方向的变化，通常向渠道中心线方向为正值，表明渠道边坡有变形趋势，以累计位移量为参考量；垂直位移监测反映的是渠道垂直方向的变化，通常向下沉方向为正值，表明监测点所在渠道边坡土体出现一定程度的沉降，以累计位移量为参考量；深部测斜管监测提供深部监测位移数据，具有两个方向数值，其中A 方向垂直于渠道。A方向位移向坡外偏移为正值，表明渠坡监测点向渠道方向产生位移。若A 方向监测值出现某一点或某一小段突变，即出现突变位移，表明存在滑动面。测斜管监测数据需要考虑这两种因素，

因此，将孔口和两测点在A 方向的累计位移量均作为参考量。系统提供初始的判断阈值如表1 所示。在不稳定原因分析方面，测斜管监测数值直接反映深部变化，若数值发生超出阈值情况，表明渠道深层发生变化，直接推断为深层原因。若预警单元属于中、强膨胀土区域，且处于裂隙密集带区域，同时坡面出现裂缝情况，很有可能测斜监测存在误差，也存在深层变化情况，同样推断为深层原因，其它情况均推断为浅层原因。

表1 监测要素稳定性分析预警判断阈值设置

4 系统应用

该系统基于SKYLINEGLOBE 三维GIS 平台，构建了渠道地表三维场景模型及周边桥梁、房屋三维建筑模型，并实现了三维建筑模型与地表三维模型的无缝拼接，共同构成淅川二标段渠道三维场景。系统选用.NET FRAMEWORK 开发平台，利用VISU⁃AL STUDIO.NET 2013集成开发环境开发，采用开放式与模块化结构，按功能分类，实现了场景漫游、地形分析、基础信息管理、监测信息管理以及稳定性分析预警等功能。系统功能实用，性能稳定，界面友好，运行流畅。

5 结语

淅川二标段渠道安全监控三维信息管理与分析系统，采用当前主流的高新技术，为监管人员搭建了基于虚拟三维仿真环境下的安全监控综合管理与分析平台，实现了三维仿真环境下的基础信息和监测信息的可视化展示、查询、维护等综合数据管理以及智能化稳定性辅助分析预警，实现了在统一的数据中心和业务平台支撑下，统一管理工程建设和运行基本信息，从而打破传统模式下的信息资源部门分割、地域分割，有效缓解了业务需求与信息资源不足、共享困难的矛盾，实现了工程建设、运行管理、日常监测和工程维护等数据信息的相互协同，为渠道运行安全管理提供专业、快速、准确的技术支撑。