基于3DGIS-ARK平台的万安大坝安全监测智能系统设计与应用

雷苏琪，刘 兵，胡斌斌

(1.国家能源集团江西电力有限公司 万安水力发电厂，江西 万安 343800； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 3.长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430010； 4.湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 引 言

随着物联网、无人机、虚拟现实等新技术的逐渐成熟，其相关应用为大坝安全监测的智慧化管理提供了技术支持。在大坝安全监测中，可直观表达的三维可视化以及监测资料的管理和分析都是智慧化大坝管理的重要内容。基于三维可视化的安全监测资料管理，能够全方位直观表现监测对象的整体工作性态和监测量的变化趋势[1]，是大坝智能系统研究的重要方向之一。郑敏等[2]以三峡大坝泄洪坝段为对象开发了大坝安全监测可视化系统，陈军[3]介绍了大坝三维可视化系统以及相关的资料分析功能，苏海涛[4]提出了在大坝可视化场景中监测方法的实施。

随着三维可视化技术的发展以及BIM+GIS技术的应用，大坝的可视化建设也趋向于多数据源化、平台化。杨明奇等[5]使用Cesium和Geoserver融合构建了地址数据形变监测可视化，杨阳等[6-7]研究了多维度的大坝监测数据图形化方法，建立了多维的信息可视化场量，实现了监测信息的多方位可视化表达。周志浩等[8]进行了BIM模型与变形监测可视化表达的适应性分析。

本文结合万安大坝安全监测智能系统的建设需求，介绍了自主研发的基于3DGIS-ARK平台的大坝安全监测智能系统的设计与实现。该系统通过无人机贴近摄影测量对工程区域进行精细化三维实景建模，完成了万安大坝地上下三维一体化基础地理环境的构建，搭建了统一的三维地理信息基础平台，用以直观展示大坝实景场景。结合万安大坝安全监测资料，实现了所有类型监测仪器、所有测点对象空间可视化，并通过安全监测可视化，直观展示监测资料，使智慧化大坝的运行管理更加全面有效。

1 系统架构与设计

1.1 数据库设计

万安大坝监测数据库由基础地理数据库、三维数据库、安全监测数据库、系统管理数据库组成，结合了万安大坝监测数据的组成与结构进行设计，如图1所示。

1.2 系统架构设计

该系统采用面向服务的体系架构(SOA)，将整个体系规划为资源层、数据层、平台服务层(应用支撑层)、业务应用层、标准规范体系及运维保障体系。SOA面向服务架构的特点，通过接口实现各模块间的通信，降低模块之间的耦合度，使平台具有更好的服务性、多源融合性[9]。系统的总体架构及各部分之间的关系如图2所示。

图1 数据库结构

1.3 系统模块设计

该系统总体上分为7个模块：工程可视化、监测可视化、可视化管理、坝顶视准线、监测管理、分析评价和系统管理。其中，前 4 个模块是三维可视化模块，通过三维模型数据关联安全监测数据，对模型进行管理和操作，直观展示监测仪器类型、仪器布设位置、仪器数据变化等。系统整体模块设计如图3所示。

2 系统关键技术

2.1 大坝高精度三维建模

高精度三维重建的目的是获取目标场景的精细三维结构信息。在该系统中，应用贴近摄影测量，实现对目标亚厘米级超高分辨率影像的高效自动化采集。实际工作流程包含以下两方面。

(1) “从无到有”的策略。当拍摄目标不存在初始场景信息时，需要先通过常规飞行或人工控制无人机，拍摄目标场景少量的数据并重建目标的粗略场景信息。

图2 系统总体架构

图3 系统模块设计

(2) “由粗到细”的思想。将现有场景数据转到WGS84参考椭球，并以此作为拍摄目标的初始场景数据，对拍摄目标进行贴近航迹规划，让无人机根据规划的航迹飞行，自动高效地获取覆盖物体表面的高分辨率、高质量的影像，然后进行空中三角测量处理，恢复影像精确的位置姿态参数，为目标的精细化三维重建提供基础[10]。

总体按照以下步骤实现高精度三维重建工作：① 贴近航迹规划；② 空中三角测量；③ 三维重建。

2.1.1 贴近航线规划

对万安大坝进行贴近摄影测量，将表面拆分为单个或多个平面分别进行航线设计，如图4所示。

2.1.2 空中三角测量

在航飞工作完成后，通过空间距离的约束对影像进行分组，在组内利用空间覆盖约束条件去除重叠区域较小或狭窄的匹配对，并对中心参考影像和相邻影像进行匹配和相对定向，构建组内自由网。以无人机影像的GPS坐标为约束进行“绝对定向”，将自由网归化到GPS坐标系下，将各分组得到的影像外方位元素进行综合，并以此作为初值，用于整体的GPS辅助的自检校光束法平差，完成所有影像的区域网构建。通过对贴近摄影数据进行区域网构建，获取高精度的空中三角测量处理成果。

2.1.3 三维重建

(1) 密集匹配。结合空中三角测量解算的外方位元素，采用双向密集匹配方法或多视密集匹配算法生成密集点云，准确获取多视影像上的同名像点并计算对应地物点的三维坐标。

(2) 不规则三角(TIN)网构建。密集匹配后，经滤波剔除部分离散的点，在去噪、优化等处理以降低数据冗余后，进行表面三角网重建。

(3) 纹理映射与多细节层次(LOD)显示。根据重建的TIN网进行纹理映射(图5)，主要包括2个部分：① 纹理优选，根据生成的三角面网格，结合畸变参数和影像内外方位元素，将TIN投影到影像上，进行可见性分析，找出三角面片对应所有影像的纹理，根据一定原则优选出最佳纹理；② 纹理提取，通过选择最优纹理，反投影到物方三角面片上，对三角面片上的纹理采取匀光、匀色处理，最后生成不同细节层次的纹理。

图5 表面纹理映射

2.2 可视化平台建设

2.2.1 可视化场景集成

实现安全监测的可视化表达需要完成安全监测可视化数据的融合和集成，具体包括三维地形模型、实景三维模型、建筑物、地质体以及监测仪器等三维模型数据。

该系统利用公共影像及地形数据，综合大坝重点区域高精度数字正射影像(DOM)与数字高程模型(DEM)，构建万安大坝的大范围基础地形模型。集成的三维模型成果包括三维地形模型、实景三维模型、大坝建筑物三维模型及监测仪器三维模型，以统一的坐标系、数据标准将所有模型集成到统一的平台，实现三维场景可视化。三维场景集成流程与技术框架如图6所示。

图6 可视化场景集成框架

2.2.2 可视化平台特性

采用3DGIS-ARK建设三维地理信息平台。 3DGIS-ARK平台作为自主研发的行业三维地理信息平台，其采用B/S与C/S双架构体系，提供多元数据集成、全方位可视化管理、专业模型分析等服务，具有完整的三维地理信息服务方案。该平台以OpenGL为基础，采用OSG技术，在海量数据集成与调度、水工建筑与三维地形的无缝镶嵌、BIM模型集成与融合中表现优秀。在3DGIS-ARK平台中，将万安大坝工程范围内的GIS模型和大坝建筑物BIM模型进行融合，将多级地形地貌与三维建筑物进行无缝镶嵌，并在平台中对BIM+GIS多模型进行协同管理[11]。基于3DGIS-ARK建设的万安大坝可视化平台主要特性如下。

(1) 三维模型的精细化表达与任意浏览。根据三维模型数据所在空间位置与三维场景浏览视点的距离，建立多级模型细节层次，确保三维场景中精细模型的正确表达与渲染。动态计算当前场景中应加载的数据模型，实现工程数据的多尺度调度与展示。有效组织宏观、微观、室内室外、地上地下的空间三维数据，采用动态交互的可视化手段，实现在三维场景下的任意浏览与漫游。

(2) 基于三维地理信息的多专业协同技术。在三维地理信息平台支持下，有效解决三维地形、BIM、地质、专业模型等多源数据的融合，以及专业软件的接口与专业工具的开发，初步实现了监测、规划、枢纽设计、移民等多专业协同设计与管理。

(3) 安全监测业务深度融合。借助于三维地理信息平台的可视化表达能力，基于可视化组件，开发水工程安全性状的系列组件，并通过其与监测资料的深度融合，提高安全监测分析的快速反应能力。

(4) 空间量算和空间分析。实现了包括距离、面积、高度、坐标、角度、地形距离、地形面积等量测功能的空间量算，坡度分析、坡向分析、地形剖面分析等空间分析，任意等高距等高线自动生成等功能。

2.3 安全监测可视化

安全监测可视化是在三维可视化平台中，深度集成、融合安全监测业务数据，完成监测信息与监测点、监测断面，再到监测部位及大坝坝段部位的紧密关联，以及从数据的采集、处理，到分析及预警等全过程的可视化；基于实景空间的各类资料的快速查询和展示，快速定位异常监测数据，结合时间变化信息，实现多认知尺度、时空一体的可视化表达。具体的可视化内容如下。

(1) 大坝三维展示。在三维平台中，可对各类型模型进行查看和管理，如图7所示。通过图层操作，可实现对整个坝区宏观三维场景、大坝建筑物模型、大坝部位，以及监测设施的地上与地下、室内与室外下一体化漫游的可视化管理。

(2) 三维场景漫游。实现室内室外、地上地下无缝衔接和一体化的三维场景漫游，支持自动漫游、手动漫游。如图8所示，在三维场景中进行大坝漫游，以既定路线进行场景展示，可点击速度条或使用键盘控制漫游速度。

图8 大坝漫游

(3) 监测数据可视化。将监测设施及仪器模型放置在三维模型中，在图层中添加监测仪器图层、监测测点断面图层，通过模型操作接口关联测点属性数据。如图9所示，点击仪器测点或断面，可对监测仪器单体化模型、监测成果、考证表等进行交互式查看。

(4) 预警可视化。结合预警阈值，通过显示颜色、透明度、空间距离夸张放大比等方法，进行安全监测预警和异常数据的可视化表达，如图10所示，在预警可视化中，可以查看所有监测点的预警状态，绿色代表预警正常的测点，红色代表失效的测点，黄色代表有异常预警的测点。

图10 预警可视化

3 系统运行实例

在万安大坝中，对坝段进行BIM建模，并通过GIS+BIM技术进行模型融合，建立可视化平台。图11为万安大坝BIM模型的整体概况。图12展示了万安大坝廊道的可视化效果，在廊道漫游功能中，通过键盘鼠标模拟在廊道中行走漫游的效果。图13在三维可视化中集成了监测网布置，点击监测网点可查看监测网点的具体信息。

在万安大坝智能监测系统中，综合实现了环境量等专项监测和各仪器类型的监测数据集成。通过数据管理和分析评价，可查看和分析监测数据。图14为监测数据的图形展示。该图形展示了4种环境数据的监测过程线，包括上游水位、下游水位、日平均气温和日降雨量，根据不同的数据特征，分别使用柱状图、线图等进行数据展示。图15为基于包络线法的监测数据校验评价。在包络线校验中，通过包络线算法计算出测点数据的包络线范围，并标识出超限数据，通过审核操作可剔除超限数据。

图11 工程可视化——大坝模型

图12 工程可视化——廊道漫游

图13 监测可视化——监测网布置

图14 监测管理——数据展示

图15 分析评价——包络线检验

4 结 语

随着信息化的发展，可视化展示在大坝安全监测中发挥着越来越重要的作用。本文从万安大坝安全监测智能系统的设计出发，研究了该系统的架构、系统功能模块的组成，以及所应用的关键技术方案。该大坝安全监测智能系统以统一的三维地理信息平台为基础，为大坝运行管理提供了全面的信息展示与分析功能，在大坝安全监测管理中发挥着重要作用。