河湖岸线监测管理系统设计与实现

金 晶， 孙昱昌， 王志林， 赵林章

(1.江苏省工程勘测研究院有限责任公司， 江苏 扬州 225002；2.南京大学地理与海洋科学学院， 江苏 南京 210029；3.江苏省泰州引江河管理处， 江苏 泰州 225321)

河流两侧(周边)水路边界一定范围内的带状区域即为岸线资源，既具有行洪、调蓄和维护河流健康的自然与生态环境功能属性，在一定情况下又是具有利用价值的土地资源属性[1]。《关于全面推行河长制的意见》中，明确提出了加强河湖水域岸线管理保护，加强执法监管、建立河湖日常监管巡查制度等方面的工作要求。岸线资源的监管存在点多、面广、工作量大的特点，是一项复杂的系统工程。传统的河湖岸线监管多以人工巡查、分级上报、市民投诉等形式开展，存在信息采集不及时、来源及形式单一、覆盖面不全等问题，难以实现实时、常态化的综合巡查和全局监管。此外，传统的管理单位多存在专业技术人员配备不足，监管手段信息化、现代化程度低等问题，造成河湖岸线监管的低效率。河湖岸线监测管理系统基于富客户端、三维地理信息系统和空间数据库等技术进行设计与开发，可为河湖岸线工程监管技术的升级、日常监管巡查制度的完善及河湖岸线资源的保护等提供强大的技术支持。

1 监测方式及系统目标

1.1 监测方式

河湖岸线监测管理系统以低空遥感数据采集为主要的监测方式，基于无人机平台获取高精度影像数据和倾斜摄影测量数据，通过无人机航空视频巡查，三维倾斜摄影模型构建及对比分析、照片取证等方式对河湖管理范围内水域及岸线动态变化情况进行监测观察，发现非法侵占河道水域岸线和航道、破坏河道及航道工程设施、违法取水排污、乱占滥用岸线等违法违规行为，准确反映河湖工程监管中存在的问题[2]。此外，还通过阶段性的购买卫片，加入卫星遥感相关数据，达到全方位的监测功能覆盖。通过监测对比，发现河湖工程监管中存在的问题，并跟踪问题整治及整改落实等情况。

1.2 系统目标

河湖岸线监测管理系统基于河道/湖泊管理单位的监测需求及工作实际，用先进的航测遥感、地理信息等新技术、新设备，研究构建全方位、全区域监测河、湖工程的信息化管理监测系统平台，重点寻求河湖岸线空间管控的技术突破，为管理单位实时提供所辖区域的河湖岸线实况信息，通过监测发现水生态和水环境变化等问题，找出河湖及岸线监管中的薄弱环节，为水利管理部门实施监管及相关决策提供可靠的技术支撑。

2 系统构建步骤

(1)沟通确定监测范围。基于泰州引江河试点监测区域的地籍管理、确权划界及河湖管理制度建设等已有成果，识别地籍区划、河湖岸线管理范围、及河湖管理功能分区范围等，在系统监测底图上标注各类范围线及其属性。

(2)沟通确定具体监测内容及需求。识别河湖监管目标及内容，结合河长制八大任务，分解各区域管理内容及其目标，形成区域管理要求。将可通过监测手段实现、或辅助完成的任务进行识别、区分归类，以确定监测系统的监测内容及功能目标，构建监测内容及目标体系。在此基础上确定系统监测项目清单，监测成果形式及展示效果等需求。

(3)组装硬件设备及开展软件研发。采购无人机及遥感采集相机，完成信息采集设备组装。明确系统构建软硬件条件，确定开发平台及管件技术，对系统进行功能模块构建及组合。

(4)构建监测基底信息数据库。管理三维地形数据、正射影像数据、航拍视频和三维模型数据等，在沟通确定监测范围、边界及内容基础上，将管理范围、功能区划等专题矢量数据进行入库。

(5)监测数据采集及监测信息获取。通过无人机搭载视频拍摄相机获取采集区域监测视频，通过无人机搭载五镜头倾斜摄影相机，获取监测实景图片，并通过smart3D软件，处理形成三维立体实景模型。

(6)监测数据分析及事件登记。一是通过观看航拍视频，以管理网格内具体管理要求为依据，发现是否存在不符合该区域管理规定的事项，对问题事项进行系统登记录入；其次，通过三维立体模型，配合系统实现的量测工具，对关键部位进行指标量测和分析，界定是否存在问题项及问题量化程度；将不同时期形成的三维模型进行对比，辅助分析问题产生及发展情况。

(7)问题跟踪及处理。问题事件录入提交后，进入待办事项流程，按照管理部门的职责分工，系统使用人员根据相应的管理权限进行问题处理。对目前已经存在的问题，给与重点关注和跟踪监测，处理结果录入系统并提交结案请求后，方可实现问题销项。

工程管理专业实践性强，需要培养具备土建类工程技术以及管理、经济、法律等基本知识，能运用管理科学的理论、方法和手段，在工程建设和房地产领域从事工程技术、工程项目管理、工程咨询、房地产经营管理工作的应用型高级管理人才[1]。然而我国以学科教育为本位的普通高等教育达不到专业培养目标和就业要求[2～3]。目前，应用型本科工程管理专业教学模式主要存在如下问题：

(8)人工核查、补调及生成报表。对系统监测发现的问题，进行随机抽检复核，验证系统可靠性，模型构建效果不好的部位，或视频观察不够清晰的部位，进行人工补调，经核查后，完成监测信息的全部录入，通过系统生成问题分布统计及事件清单报表，在此基础上编制监测报告。

3 系统设计

3.1 系统整体结构设计

系统采用B/S(Browser/Server)架构来实现相关功能。B/S架构是基于Web浏览器的引用架构。系统基于空间数据库技术存储和管理矢量数据、附件数据(多媒体数据)、地形数据、影像数据和三维模型数据；基于WebBOS平台实现数据的管理调度以及事件登记、上报、跟踪和存档等业务功能；基于Cesium加载地形数据、遥感影像数据和三维模型数据，构建可交互的三维场景。系统结构如图1所示。

图1 河湖岸线监测系统结构

3.2 系统数据库设计

数据可分为背景地理数据、三维模型数据以及专题矢量数据三大类，涉及对象和数据种类多样。

(1)背景地理数据。包括正射影像数据和DEM数据，描述了目标地区的地形特征、水系特征等地表现象，可使水利管理人员更加直观地了解该地区的地形和水系的分布等情况。

(2)三维模型数据。主要是指倾斜摄影测量数据三维模型数据，系统中三维模型数据包括河道干流的重要水利工程数据和沿岸建筑物，或水利设施的三维模型数据。根据细节的丰富程度，三维模型数据分为简化三维模型和精细三维模型，系统根据不同建模对象在使用中的具体要求，自动加载不同细节层次的三维模型数据。

(3)专题矢量数据。主要包括管理范围数据以及各类功能区划数据。功能区划数据是进行河湖岸线监管的基础。功能区划分为变电所、闸站管理设施区、上下游管理区、船闸区、船闸管理设施区、水域、堤防护坡、风景区、桥梁及道路、堆土区和其他管理设施区等。

3.3 关键技术

3.3.1 WebGL

WebGL是一种3D绘图协议，该绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，Web开发人员可借助系统显卡来在浏览器里流畅地展示3D场景和模型。WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面[3]。

3.3.2 富客户端技术

(1)HTML5:由于最初浏览器不支持矢量数据的可视化，电子地图主要使用图片、Flash等技术模拟显示矢量数据，而这些技术并没有得到主流浏览器的支持。HTML5中新增了对矢量数据可视化的实现方法，目前已经得到了主流浏览器的支持(如IE9及以上版本、Firefox、Chrome、Opera等)。同时HTML5引入canvas标签，通过canvas可以动态生成图形、图表以及动画。通过基于HTML5 canvas标签可以在Web客户端完成本来需要在服务器端完成的渲染、计算工作，为服务器“减负”。相对于Flash和Sliverlight而言，HTML5最大的好处在于它是一种公开的技术，同时可以给网站带来更多的视频和音频等多媒体元素，赋予图片图形更多的交互可能。此外，其支持跨平台使用的特点也增强了可用性。

(2)CSS：层叠样式表是一种用来表现HTML(标准通用标记语言的一个应用)或XML(标准通用标记语言的一个子集)等文件样式的计算机语言。CSS不仅可以静态地修饰网页，还可以配合各种脚本语言动态地对网页各元素进行格式化。CSS 能够对网页中元素位置的排版进行像素级精确控制，支持几乎所有的字体字号样式，拥有对网页对象和模型样式编辑的能力。

(3)JavaScript：一种直译式脚本语言，是一种动态类型、弱类型、基于原型的语言，内置支持类型。它的解释器被称为JavaScript引擎，为浏览器的一部分，广泛用于客户端的脚本语言，最早是在HTML网页上使用，用来给HTML网页增加动态功能[4]。

3.3.3 Cesium

Cesium是基于JavaScript编写的使用WebGL的开源地图引擎。Cesium支持3D、2D、2.5D形式的地图展示，可以自行绘制图形，高亮区域，并提供良好的触摸支持，且支持绝大多数的浏览器和移动端设备。Cesium还支持基于时间轴的动态数据展示。Cesium 使用WebGL 来进行硬件加速图形，使用时不需要任何插件支持，但是浏览器必须支持WebGL。Cesium提供强大的三维展示功能，支持用户对三维场景进行流畅的交互式浏览[5]。

4 系统功能实现

系统设计主要功能包括数据管理、交互式浏览、对比分析、矢量数据查询及编辑、量测、空间分析、飞行漫游、事件登记及管理等。

(1)数据管理。支持用户对矢量数据、影像数据、地形数据、三维模型数据和各类多媒体数据进行上传、下载。上传至系统的数据，用户可根据实际需求，选择是否加载于三维场景中。同时系统支持用户配置矢量数据的颜色、尺寸， 以及遥感影像的亮度和三维模型的偏移等，从而构建个性化的三维场景。

(2)交互式浏览。河湖岸线监测管理系统实现水利专题要素、基础信息数据与三维场景数据的无缝结合，提供三维地图缩放、旋转、平移等操作。系统构建的三维场景支持用户对重点设施和重点区域进行全方位、多角度查看，场景真实、细节丰富；便于用户全面、直观了解管理区概况，发现管理范围内存在的监管问题。同时，系统实现二维线状、面状符号与三维场景的无缝贴合，通过三维地物与管理边界的贴合显示，可直观反映监测问题所属的管理范围，明确该范围内对应的河湖岸线监管规定。

(3)对比分析。系统支持对航拍影像、三维倾斜摄影实景模型等的历史数据进行对比分析。遥感影像卷帘对比功能可选择两个不同时期的遥感影像加载进三维场景，通过拖动屏幕中间的卷帘，对比两幅影像在同一位置的变化情况。三维模型对比功能采用分屏的方式，通过下拉框，显示不同时期的三维模型。无论鼠标位于何处，另一模型上总存在与鼠标处在相同位置的标识，以辅助用户查看同一位置发生的变化情况，帮助分析监管问题的动态变化。

(4)矢量数据查询及编辑。系统提供基础信息在线查询功能，可对矢量数据(点、线、面)及其属性进行查询、缩放、漫游查看和属性更新，为编辑、使用和管理地理信息数据提供便利，为河湖水利工程设施的监管提供支持。

系统支持的查询功能包括定位查询和属性查询两类。1)定位查询是指通过选择要素名称，三维场景自动定位到要素处。可根据用户输入的查询条件，自动定位到要素所在位置。2)属性查询是指点击三维场景中的要素对象，自动展示该要素的详细信息。

(5)量测工具。包括长度量测、面积量测、高度量测、土方量计算等。其中长度量测分为直线绘制与贴地绘制两种效果；高度量测分为海拔高度量测和相对高度量测。土方量计算可用于挖填方或淤积冲刷分析，以满足对河底地形监测的需要。

(6)空间分析。1)断面线提取功能可由用户在三维场景中任意选点绘制线段或折线，系统根据地形进行断面线提取，并以图片的形式输出。2)河势分析功能用于查看河底地形的淤积或冲刷状况。用户选择不同时期三维地形数据，任选需分析的区域，系统将自动计算，结果以图的形式绘制在三维场景中，红色表示淤积，蓝色表示冲刷，白色表示无明显变化。通过河势分析，可迅速掌握河底地形变化情况，辅助河底清淤等工作的开展。3)缓冲区分析，主要用于事件的筛选。用户设置缓冲区半径，并绘制点、线或者面，生成缓冲区多边形，系统将根据此缓冲区，查询在缓冲区内记录的事件，如，可绘制某河道两侧100 m的缓冲区范围，并查询范围内登记的违章违规项目。

(7)事件登记及管理。对于通过影像、地形、三维模型的查看与分析后发现的管理范围内存在的问题，如应执行却未执行的行为、应禁止却未禁止的事项及异常指标等，可通过事件管理功能进行图上登记、上报、跟踪与存档。1)事件图上登记。功能支持用户在发现问题点后，直接在三维场景中登记，用户点击发现问题的位置后，可以将问题以点的形式标注在地图上，添加问题描述，记录新增事件。现场巡查的文字、图片、视频、音频等信息均可作为附件上传到管理平台，作为事件的辅助记录；2)事件的查看。用户可将时间范围、事件状态和空间范围作为条件，进行筛选，通过点击事件记录，三维场景将自动跳转到事件发生的位置，用户可查看包括时间描述、空间位置、事件状态、登记日期等在内的基本信息。3)事件的跟踪。支持用户将事件的处置过程进行跟踪记录。对巡查登记的问题，可在系统中进行在线查询并记录审阅意见；4)事件存档。管理者可以查看所记录的事件,在事件处置完成之后，点击“结案”按钮，系统将对该事件进行封装存档。

5 结 语

推进河湖岸线监管工作科技化、信息化，是顺应水利管理未来发展的必然趋势和客观要求，河湖岸线监测管理系统通过低空遥感技术采集监测数据，快速、全面、准确的反映河湖工程运行现状；通过信息化的管理平台进行监测信息管理，很好地提高河湖岸线管理的效率，节省人力和时间投入；同时以系统记录的方式保存监测各环节信息，保证了监管工作的可追溯性。系统以泰州引江河为试点河道开发，已取得良好的使用效果，可帮助水利管理单位更高效、及时的开展河湖岸线日常管理，为水利管理决策提供可靠的技术支撑，具有较高的应用和推广价值。