基于实景三维GIS的水利工程信息化管理平台研究

严亚敏

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

水是生命之源、生产之要、生态之需，水与国民经济发展和人民的健康稳定生活息息相关，建国后，我国修建了诸多水利工程，这些水利工程由于建设年代不同，在建设过程中自动化和信息化标准不同，水平不同。随着信息化技术的不断发展和进步，信息技术在多个行业中均得到了广泛的利用，在水利工程领域也不例外。水利工程行业中科学合理的应用信息化技术可以对工程设计、施工以及后期的运维管理均有着较大的辅助作用[1]。近年来，随着水利工程信息化管理需求的增加及工程设计、施工以及后期的运维管理过程中大量生产和应用数据的不断产生和积累，使得水利工程的管理难度随之加大；同时，传统的水利工程管理模式存在图表等信息化方法、信息采集时效性较差、数据可视化效果较为薄弱、缺乏对数据进行有效的分析等问题，无法对水利工程实现实时、可视化的管理。

当前，数据自动化采集和传输机制逐渐完善，数据获取方式多样，数据成果丰富。如何将丰富的多源数据进行融合、浏览及分析，有效提高水利工程的管理与决策水平，有力地服务于水利工程设计、施工以及后期的运维管理等全生命周期管理成为目前水利行业研究的重点和热点。本课题致力于对水利工程的全景、视频、三模型、DEM、DLG及监测数据等多源数据从采集、集成到应用的全过程研究，利用三维GIS技术、数据库管理技术以及计算机网络技术建设水利工程信息化管理平台，实现水利工程的建模、仿真及可视化，有效提高水利工程的信息化管理水平与决策效率。技术路线图如图1所示。

图1 技术路线图

1 关键技术研究

1.1 基于不规则倾斜摄影的实景三维建模技术研究

实景三维模型纹理逼真，具有良好的可视化功能；同时三维实景模型具有良好的数学精度，具有可量测性，因此将三维实景模型作为水利工程信息化管理的基础数据，可以直观、真实、准确的反映水利工程现状。然而，水利枢纽工程多处于高山峡谷区域，地形高差较大，采用常规的倾斜摄影方式无法保证无人机安全，同时无法获取峡谷底部、侧壁及坝体清晰的影像数据，无法建立项目需求的三维实景模型。本课题采用无人机，使用分层不规则倾斜摄影的影像获取方式，即将摄区分为三个不同航摄高度，采用自动+手动的航摄方式，从不同方向对摄区进行摄影，获取影像数据；内业采用各层影像数据融合、不同层影像同名点匹配等数据处理方法进行空三计算及三维建模，建立纹理清晰、精度良好的实景三维模型，解决了大高差、窄深峡谷区域航摄困难的技术难题[2]。

1.2 地面三维实景模型与水下DEM数据融合方法研究

实景三维模型仅提供了地面三维模型，而水下地形多为DEM数据，需要将二者进行数据融合，以满足水利工程可视化管理对水上水下三维一体化的需求。通过研究，本方案提供一套实景三维模型与水下DEM模型融合的技术手段，不仅满足水利工程三维建模的视觉需求，更可以将产品应用于水利分析(淹没分析、库容统计等)领域。

实景三维模型采用切片式模型的存储方式，而水下DEM采用三角网存储方式，因此，两者不能直接集成。本方案首先对每一个涉及到水面的实景三维模型切片模型进行剔除，剔除时为了保证剔除水面之后模型边缘的齐整性，不能直接采用删除三角形的方式，而是通过拉伸水面多边形形成空间体模型，并与三维模型进行布尔差运算，从而达到剔除水面的目的。另外，通过限制拉伸模型的高度，避免剔除伸出湖面的树木模型。针对水下三维地形建模，依托水下地形数据与水面范围多边形，采用构建约束Delaunay三角网的方式实现，即按照三维模型的切片方式对水下DEM进行切片，并将水下DEM融入到原来的三维模型中，最后借助三维建模软件重新导出模型切片，实现水下DEM模型与地面实景三维模型的无缝集成，完成水库库坝区外观三维场景搭建[3-4]。如图2所示。

图2 三维实景模型与DEM数据融合流程

1.3 视频轨迹联动技术研究

无人机航飞视频具有数据获取效率高、清晰度好的优势，目前已在河道及库区巡查等方面进行了广泛应用，但如何将视频实时传输至服务器，及时发现“问题点”并进行响应是急需解决的技术难题。课题设计了外置GPS定位传输设备的方案，起飞后通过移动通讯网络将无人机实时位置及拍摄的视频传输至服务器。在对大量视频和无人机轨迹的关系研究后，总结了视频帧、无人机POS点以及飞行速率三者间的关系，消除了视频帧与实际航飞位置的系统误差。在此基础上，通过获取视频拍摄轨迹，实现地图与视频播放进度间的“可操作、可交互”。用户在浏览视频的过程中，能够标记当前的问题，系统自动解算问题对应的准确坐标，存储在数据库中，实现水库全貌的视频轨迹联动巡检[5]。

1.4 各类传感器监测值实时传输

利用基于物联网的水库安全实时监控技术，通过移动网络，实现应力、应变、渗压、位移等大坝安全重点关注指标的自动化采集与存储，确保信息采集的完整性、可靠性和实时性。针对不同传感节点配备的传感器类型可能不同，设计了统一的数据收集方案，制定了平台数据入库标准，为其他项目的监测应用提供参考依据。平台建设性地将测点标记在三维场景和VR全景中，有利于测点在空间上的管理，便于用户直观掌握水利工程运行态势，在空间和时间维度上进行推演和决策[6-7]。

1.5 多源数据的集成与管理

本项目涉及的数据成果多样，包含VR全景影像、三维模型、DEM、巡检视频及物联网监测数据，基础数据结构不统一，且数据量巨大。课题考虑数据尺度、可视化特点实现了上述数据在平台中的整合及应用，通过HTML5技术实现网页端的流畅预览，并达到多项目多点位不同场景的无缝切换。通过后台发布软件将三维模型、全景和视频数据生成标准化的REST服务，并将服务地址与其对应的项目及数据时间通过关系型数据库进行管理，保障了数据的有序管理和共享[8-9]。

2 平台功能

2.1 用户信息配置及权限管理

用户使用软件系统时，需先通过用户名和密码登录系统，进入相应的功能模块。各个用户都有对应的权限，管理员拥有所有编辑、浏览功能的权限，而普通用户在某些功能上则会有限制。

2.2 淹没效果模拟与数值统计

该模块是水利工程水文分析的核心功能，提供：

(1)特定水位淹没效果模拟：模拟某个固定水位下的淹没面，并叠加在三维场景上显示，如图3所示；

图3 淹没效果模拟界面图

(2)水位动态淹没效果模拟：指定有效水位区间及变化步长，模拟三维场景中的淹没面随水位动态变化的效果；

(3)库容与投影面积统计：每一个水位高程下的库容与表面积；

(4)数据表导出：提供一键导出库容(投影面积)统计表，如图4所示。

图4 库容表信息图

基于DEM进行库容计算，具有高精度、高效率的优点。此外，水上水下三维一体化模型与水面纹理的叠合，可以将各水位的淹没影响范围直观地展示给用户，同时满足视觉性与功能性的需求。

2.3 基于全景的设备间管理

采用全景技术实现坝体内设备间的三维仿真，并通过增加标注点层实现对设备间内所有设施的管理。采用全景技术实现的设备间管理，使得水利工程信息管理更加直观、高效。在实际生产中，通常会设置多个全景拍摄点，完善不同视角下的全景数据，以满足设备间所有细节的三维表达需求。设备点则记录了设备信息，并关联实时监测数据，将监测数据持续录入到数据库中，以便对历史资料进行调用。考虑到后续对设备进行更新升级，系统开放了设备点添加、信息编辑以及删除等操作[10-13]。

2.4 巡检模块

巡检主要用于问题点排查与记录，系统提供以下三种方式：①视频时空一体化浏览。视频轨迹与视频帧具有严格的对应关系，用户在观看视频时一旦发现问题，可触发生成问题点操作，系统会在轨迹对应位置自动生成问题点；②问题点标记。在地图界面通过鼠标点击的方式手动录入问题具体信息。③移动端问题上报。通过GPS或移动网络获取用户当前位置，并将该位置上报为问题点，从而进行记录[14]。

2.5 移动端模块

为便于现场管理，项目开发一套移动端软件，考虑手机兼容性，软件依托微信小程序平台。微信小程序主要功能为现场巡检。当发现问题时，进入“问题上报”模块，填写问题的具体内容，拍摄或上传现场照片，将问题上报到系统中。网页端获取移动端上报的问题，根据提交的坐标在地图上生成问题点。

3 结论

文章通过对采用多层不规则倾斜摄影技术三维实景模型、地面三维实景模型与水下DEM数据融合及视频轨迹联动等技术的研究，完成了水库库坝区外观三维场景搭建，利用三维GIS技术、数据库管理技术以及计算机网络技术建设水利工程信息化管理平台，建立了基础三维地理信息空间数据集成及其动态更新机制，为数字高程模型、三维模型、VR全景影像、巡检视频等多源数据提供了便捷的存储方案，实现了各类水利监测数据的接入及数据管理的高效性和历史追溯性，实现了水利工程的建模、仿真及可视化，有效提高了水利工程的信息化管理水平与决策效率。