基于GIS的航电枢纽安全监测信息管理系统设计与应用

肖亚子，邱山鸣，李守雷，周靖鸿，杨学彬，李 明

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

安全监测工作贯穿水电工程的设计、施工、运行管理整个过程，是掌握监测对象性态、预测其将来发展动向、保证工程安全必备和有效的手段[1]。安全监测信息系统，是将安全监测资料及其与监测资料分析有关的各种信息进行综合管理，是提高监测技术人员数据处理、评价与应用的重要工具。

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)应用于安全监测工程中，可以充分发挥它所具有的强大的空间数据可视化、信息管理和空间分析等功能。这已成为GIS应用的一个新的发展方向。

作为近些年GIS发展的重要代表，倾斜摄影技术(Oblique Photography Technique)具有兼顾真实地貌展示与地理信息集成的优势，在工程建筑、城市三维数字模型创建中已有应用[2-3]。

1 航电枢纽安全监测信息管理系统总体架构与功能设计

1.1 系统总体架构

系统总体架构采用3层架构体系，由运行支撑层、数据层和应用管理层组成。系统的核心部分为数据层，运行支撑层是整个监测信息系统正常稳定运行的保证，应用管理层是信息系统用户(访问端)与服务器的交互操作体现。系统总体架构见图1。

图1 系统总体架构

运行支撑层为系统安全、稳定、高效运行提供可靠保证。严格按照国家有关保密政策的要求部署运行。运行网络内部采用硬件防火墙技术、身份认证技术和加密数据传输技术，具备漏洞扫描、入侵检测、数据包过滤、防病毒、身份认证、数据加密和主机监控等能力。同时建立高性能的服务器系统，支持海量信息存储，支持高密集的信息计算，支持多用户并发访问、运行稳定、安全可靠。对于存储系统具有空间数据的安全高效存储备份能力，并预留扩展空间。

数据层是安全监测信息系统的核心内容，由空间数据库和监测数据库组成。空间数据库主要包括点线面数据、三维倾斜摄影数据、仪器测点图层、属性数据及元数据等；监测数据库是监测信息系统运行的基础数据，主要包括系统管理信息、工程信息、原始测值信息、整编测值信息等信息。

应用管理层主要包括系统用户与服务器的交互操作(以网页形式展示)，以及业务功能操作，为安全评价分析、安全决策提供依据。

1.2 系统业务功能设计

系统的业务功能主要包括工程管理、数据管理、报表管理、可视化浏览以及系统管理共5个方面。通过对监测数据与地理信息的结合，形成一个具有可视化功能的安全监测信息管理系统，各功能模块的设计思路见图2。

图2 系统业务功能模块设计示意

2 航电枢纽安全监测信息管理系统功能实现

本系统采用浏览器/服务器(B/S)架构，网络(WEB)服务器使用微软互联网信息服务(IIS6.0)，后台采用NODE.JS服务器环境。前、后端均采用Javascript语言开源框架，前后端交互使用Ajax方式。

2.1 系统开发及运行环境

2.1.1操作系统

操作系统是构建整个系统的基础，是整个系统安全可靠的保证。我们选择Microsoft Windows 2008 Server作为本系统项目的服务器操作系统。监测信息系统的访问端支持Windows、Mac OS等操作系统的谷歌Chrome开发环境的浏览器。

2.1.2监测数据库平台

由于关系型数据库的技术成熟，目前商业数据库软件主要有：SQL SERVER、ORACLE、MYSQL等。因安全监测数据在日积月累过程中将形成海量数据体态，从数据库平台稳定性和应用普遍程度看，SQL SERVER能够满足当前及今后数据存储需求。本系统选择SQL SERVER 2008R2作为系统的数据库平台。

2.1.3空间数据库及GIS应用平台

在利用GIS技术的系统中，需要利用已有的GIS基础平台，在已有平台上进行二次开发，来实现专业应用功能，从国内近几年来建立GIS系统的经验看，一个好的系统一般都有一套非常适合于具体应用的GIS平台。为支持民族产业，本项目采用国产软件超图作为GIS支持平台。

倾斜摄影模型集成了实景纹理和三维坐标信息，通过在后处理过程中通过坐标系设置可完成在世界级地理坐标系(WGS84)、2000国家大地坐标系(CGCS2000)等通用坐标系内的模型坐标匹配。三维模型空间数据存储及在线发布采用超图iServer 9D。

2.1.4开发工具

开发工具采用Visual Studio Code，用Javascript语言实现系统的前、后端代码编写。在超图SuperMap 9D提供的接口基础上，进行二次开发，实现系统的可视化场景功能。

2.2 三维数字模型构建及可视化实现

2.2.1模型构建

采用哈瓦MEGA-V8II1050型四轴八旋翼无人机，搭载“1垂直+4倾斜”五镜头相机对某航电枢纽工程执行1∶500精度控制的倾斜摄影作业。使用自动化建模软件(CC、街景工厂、PhotoScan等)生产倾斜摄影三维数据，生成OSGB格式成果文件，完成倾斜摄影模型构建。

采用超图iDesktop软件对倾斜摄影模型OSGB格式文件转换成s3m格式并生成配置文件，使用超图iServer服务完成倾斜摄影模型的加载和发布。

2.2.2可视化实现

作为开源三维地图引擎杰出代表，Cesium无需安装插件，在支持WebGL的浏览器环境内均能创建三维虚拟地球和二维平面地图[4]。因原生Cesium加载3DTiles格式文件时，范围较大时可能会出现服务奔溃。考虑到倾斜摄影模型发布的流畅性和稳定性，系统采用超图基于Cesium定制开发的的无插件三维地图开发包(SuperMap WebGL 3D)，调用二次开发接口实现可视化场景的加载和交互。

2.2.2.1 三维模型加载

超图WebGL 3D开发包提供了s3m格式三维模型数据文件的加载接口——addS3MTilesLayerByScp，在Javascript语言环境中代码实现如下：

var viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer'， {})

var promise = viewer.scene.addS3MTilesLayer-ByScp('http://服务器IP:端口号/iserver/services/3D-工作空间名称/rest/realspace/datas/Config/config'， {name: '工程名称'})

2.2.2.2 空间数据加载

采用超图WebGL 3D的setQueryParameter空间数据加载接口，在Javascript语言环境中代码实现如下：

Cesium.when(promise， function(layers) {

layers[0].setQueryParameter({

url:'http:// 服务器IP:端口号/iserver/services/data-工作空间名称/rest/data'，

dataSourceName: '源数据集名称'，

dataSetName: '数据表名称'，

}

}

系统可视化场景界面见图3。

图3 某航电枢纽安全监测信息系统可视化场景界面

2.3 系统功能实现

2.3.1工程管理

工程管理包括工程基础信息以及测点、仪器信息的管理。其中，测点与仪器的配置管理是整个监测信息系统正常运行的前提，同时要考虑使用的简单和功能的强大，界面设计与操作习惯尽量同施工过程以及实际的关联关系相一致，并且在满足基本信息存储的基础上，允许用户扩展要存储的属性信息，以便满足未预见的新型仪器和测量项目的需要。系统以目录树并按各种分类的方式对测点与仪器进行统一管理，并将测点与仪器进行关联，实现测点与仪器的联动查询。测点与仪器管理功能模块中还包含测点与仪器的添加、删除、编辑、刷新等功能，实现测点仪器的统一管理。

2.3.2数据管理

数据管理是对系统数据库中存储的所有测量数据进行全面管理和维护，包括测值查询/显示、数据维护、成果计算(手动)等功能模块。实现各种数据的查询方式、对原始观测数据进行成果计算、浏览查询结果和计算成果、新增及编辑测值等功能。

针对航电枢纽，常规监测仪器和手段主要包括：渗压计、测缝计、钢筋计、土压力计、视准线观测、水准观测、平面变形观测等。针对以上内、外观监测仪器及手段，定制具有通用性的数据库表结构，以及图形绘制模块。同时预留普适性的自动化数据接口，为自动化数据接入提供条件。

此外，当时各个图书馆为吸引社会力量的广泛支持,自身所做的努力也是有目共睹的，如果除去社会人士的图书捐赠和建馆捐款，仅仅依靠当时的政府，图书馆是不可能有那么惊人的发展的。社会各界发展出了多种不同形式的参与方式，给予了社会大众更多参与图书馆建设的可能，使热情的民众不会因为途径过少和门槛过高而被拒之于千里之外，形成了可观的社会影响。当时造成社会力量参与图书馆建设的因素，大部分现在依旧存在着，尤其是图书馆的财政状况，尽管现在的财政比当时有所改善，但是不可否认地方图书馆依旧面临着严峻的经费问题。面对这样的状况，图书馆需要一些契机将社会对图书馆的兴趣激发出来，使它们转向对图书馆有利的方向。

2.3.3报表管理

报表管理模块包含三大功能，分别是过程线管理、特征值管理与报告管理。其中，过程线管理与特征值管理分别实现过程线(图)与特征值(表)的编制、浏览与导出保存；报告管理模块利用预设的报告模板实现用户设定时间范围内的报告数据自动统计与文档的自动生成。

2.3.4可视化浏览

空间可视化模块后台数据服务使用SuperMap iServer 9D进行空间数据管理并发布空间数据服务，监测数据库(基于Microsoft SQL Server)通过测点ID与空间数据库进行关联。三维倾斜摄影数据文件体量较大，可使用SuperMap iDesktop对倾斜摄影数据进行纹理压缩并转换成s3m格式，提升加载速度。

空间可视化浏览界面除了提供三维模型的基础漫游，也可进行测点测值查询和浏览。在地图上单击相应位置测点，可根据用户选择显示历时过程线、实时监测数据、测点信息等。

2.3.5系统管理

系统管理主要包括对整个监测信息管理系统的配置和维护。系统针对不同的用户可设置不同的权限，对系统及数据进行有效的安全管理。同时添加系统操作日志，可追溯非法操作行为。

3 结 论

本文设计和实现了基于GIS的航电枢纽安全监测信息管理系统，结合倾斜摄影技术建立枢纽区的三维数字模型，在微观和宏观上实现了对传统监测仪器的可视化管理。主要特点如下：

(1)开发了适用性强的数据导入模块，覆盖了航电工程的各种监测类型，为安全监测数据、资料提供了高效的信息化管理手段。

(2)采用倾斜摄影技术建立了整个枢纽工程的三维数字模型，1∶500的高精度控制可以满足枢纽区真实三维场景呈现，为监测点布设、增补及查询提供有力的可视化技术支撑。

(3)采用国产GIS软件SuperMap，建立了航电枢纽工程的空间数据库。结合Microsoft SQL Server数据库平台，将空间信息与属性信息进行融合，实现了对安全监测仪器的空间信息与属性信息的统一管理。

(4)通过系统的可视化功能可实现对枢纽区外部建筑物和监控对象的总貌、监控布局架构总貌、监测数据、历时曲线图等的实时浏览和查询，显著提高了监测数据分析和管理效率。

(5)软件前、后端均采用主流开源框架，为后续运行维护以及功能拓展奠定了良好基础。