金有杰，王海妹，雷 雨，李 東

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

大壩安全實測信息三維可視化方法研究與應(yīng)用

金有杰1，2，王海妹1，雷 雨1，李 東1

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

基于大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，采用矢量-柵格混合模型進行二三維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，并以空間數(shù)據(jù)管理引擎與對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式對多維異構(gòu)數(shù)據(jù)集成管理；進而形成場景模型建立流程和監(jiān)測信息三維可視化方法，實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測三維可視化實施方案并進行應(yīng)用。研究成果能夠兼顧大壩安全監(jiān)測二維和三維信息的優(yōu)勢，提高多維信息存儲與管理效率，進一步提升監(jiān)測信息的直觀性和實時性。

大壩安全；三維可視化；數(shù)據(jù)集成；實測信息

0 引言

水庫大壩的安全運行是涉及社會公眾安全、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展的大事，對其進行安全監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警是確保水庫大壩安全運行、降低大壩風(fēng)險、保障公共安全的重要措施[1]。近年來，隨著自動化監(jiān)測水平的不斷提高與完善，各類監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水庫大壩工程中，為大壩安全監(jiān)測提供了大量的觀測資料與可靠的數(shù)據(jù)來源。大壩安全信息的傳統(tǒng)可視化手段主要包括文本、數(shù)據(jù)報表和二維圖形等方式，其缺乏更符合現(xiàn)實世界空間維度的顯示方式，對庫區(qū)環(huán)境的描述以及監(jiān)測信息的直觀性、準(zhǔn)確性表達(dá)等方面存在缺陷。大壩安全監(jiān)測三維可視化涵蓋了大壩的三維場景模型建立、監(jiān)測信息三維展示2 方面內(nèi)容。三維場景模型能夠全方位展示大壩的復(fù)雜空間模型[2-3]，而監(jiān)測信息的三維顯示可以極大提升用戶對監(jiān)測信息的感知能力和可視化效果。

當(dāng)前，水利水電行業(yè)開展三維可視化研究已經(jīng)取得了一些成果[4-11]，其中鐘登華等提出了對工程可視化輔助設(shè)計（VCAD）理論的構(gòu)成體系和實現(xiàn)方法，并將 CATIA 引入心墻堆石壩施工仿真建模中，實現(xiàn)了堆石壩施工場景的遠(yuǎn)程交互；陳志明等基于Skyline 構(gòu)建漳河水庫三維場景，建立了交互式展示庫區(qū)地理形態(tài)及建筑物的三維可視化平臺；燕喬等將混凝土拱壩施工過程與三維可視化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)大壩澆注過程的動態(tài)顯示。前人的研究成果豐富且具有借鑒意義，但整體上仍處于探索階段，對于大壩安全監(jiān)測信息的三維展示，尤其是基于自動化實測數(shù)據(jù)的三維可視化應(yīng)用案例還不多。因此，本研究利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)結(jié)合大壩真實的空間結(jié)構(gòu)特征，兼顧庫區(qū)場景模型的三維可視化表達(dá)，重點研究多維信息的管理與集成、庫區(qū)場景建設(shè)及監(jiān)測信息三維表達(dá)等關(guān)鍵技術(shù)，形成大壩安全監(jiān)測三維可視化方案。

1 多維數(shù)據(jù)集成

1.1 二三維轉(zhuǎn)換

現(xiàn)有空間構(gòu)模方法歸納為基于面、體和混合模型的三大類構(gòu)模體系。考慮到二維數(shù)據(jù)信息擁有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和成熟的業(yè)務(wù)處理流程，且大壩安全監(jiān)測涉及的數(shù)據(jù)信息包括庫區(qū) DEM、邊界、典型斷面矢量圖、歷史數(shù)據(jù)曲線等多種復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，故本研究采用矢量與柵格混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。在這個模型中，空間目標(biāo)分為點、線、面、體四大類，并對地物的空間坐標(biāo)、形狀大小和拓?fù)湫畔⑦M行描述，如表1所示。

表1 二三維數(shù)據(jù)分類與轉(zhuǎn)換

矢量與柵格混合模型既保證了對局部地物以矢量結(jié)構(gòu)進行精準(zhǔn)空間描述，又能夠以規(guī)則的柵格結(jié)構(gòu)簡化數(shù)據(jù)存儲并提高集成效率。尤其在柵格模型中可以利用八叉樹結(jié)構(gòu)特點解決地物的宏觀描述，八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以看成是二維柵格數(shù)據(jù)中的四叉樹在三維空間的推廣，是將三維空間 V 按 X，Y，Z 這 3個方向從中間進行分割，把 V 分割成 8個立方體；然后根據(jù)每個立方體中所含的目標(biāo)決定是否對各立方體繼續(xù)進行八等分的劃分，按此規(guī)則一直分割到不再需要分割或達(dá)到規(guī)定的層次為止。如果層次數(shù)為n，則八叉樹與 2 n × 2 n × 2 n 的三維柵格對應(yīng)，可以用來表達(dá)大壩內(nèi)部非均勻變化的監(jiān)測信息。

1.2 異構(gòu)數(shù)據(jù)管理

大壩安全監(jiān)測綜合數(shù)據(jù)庫包含二、三維空間，圖形和監(jiān)測等數(shù)據(jù)，對于這些來源不同且具有異構(gòu)性的海量數(shù)據(jù)進行集成管理十分困難。傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)管理主要基于文件或關(guān)系數(shù)據(jù)庫的管理模式，其在數(shù)據(jù)安全性、空間信息處理及三維數(shù)據(jù)管理等方面還存在一些弊端，無法滿足用戶對異構(gòu)數(shù)據(jù)一體化存儲管理的需要。因此，本研究采用空間數(shù)據(jù)管理引擎與對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，對多維異構(gòu)數(shù)據(jù)進行集成管理，屏蔽源數(shù)據(jù)異構(gòu)性的同時保證數(shù)據(jù)的完整性，將邏輯上的整體數(shù)據(jù)組織成一個完整對象，進而存儲和管理復(fù)雜的三維數(shù)據(jù)關(guān)系，如圖1所示。

其中，大壩安全監(jiān)測的多維數(shù)據(jù)采用地理編碼，空間拼接及二、三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等技術(shù)進行集成，并利用空間數(shù)據(jù)管理引擎實現(xiàn)地物空間信息的管理，有利于大壩監(jiān)測空間與圖形、監(jiān)測等異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合。監(jiān)測和圖形數(shù)據(jù)主要利用對象關(guān)系數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)存儲與管理，即在原有關(guān)系模型的基礎(chǔ)上增加了元組、數(shù)組、集合等數(shù)據(jù)類型，通過空間拼接、編碼索引、結(jié)構(gòu)融合、數(shù)據(jù)映射等技術(shù)，將異構(gòu)數(shù)據(jù)集成統(tǒng)一管理。因此，充分運用對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢并配合空間數(shù)據(jù)庫管理跨維度數(shù)據(jù)信息，為異構(gòu)數(shù)據(jù)的海量存儲和管理提供了一條切實可行的途徑。

2 三維可視化方案

2.1 大壩三維模型與場景建立

大壩三維模型與場景建立是整個大壩安全監(jiān)測三維可視化方案構(gòu)建的重要組成部分，其中地形場景三維建模質(zhì)量的優(yōu)劣不僅關(guān)系到庫區(qū)地物的空間關(guān)系表達(dá)，也將直接影響到大壩安全實測信息三維可視化的正確與否。庫區(qū)地形的表達(dá)可以采用GIS 空間建模分析與大尺度數(shù)字高程模型相結(jié)合的方法，如圖2所示：通過對庫區(qū)邊坡、道路、辦公用地、庫區(qū)水域、壩基位置等進行高程實測處理，形成地表對象的高程點集；再結(jié)合庫區(qū)地形圖紙資料進行多層疊合，在統(tǒng)一坐標(biāo)系和投影轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，根據(jù)多圖層空間信息進行數(shù)字化模擬，形成庫區(qū)的矢量化地形等值線；進而基于等高線高程信息進行空間內(nèi)插分析，獲得面狀地形模型，并引入大尺度數(shù)字高程與面狀地形模型進行對比、校正，通過高程拉伸處理，最終形成尺度適宜、真實度高、可靠性強的庫區(qū)地形三維模型。

此外，大壩實體三維模型的構(gòu)建采用基準(zhǔn)控制點建模方法，即利用實際量測的大壩重要邊界點三維坐標(biāo)，建立大壩實體三維點狀模型，再通過點坐標(biāo)連接生成壩基、壩頂、壩體等關(guān)鍵部位的多邊形部件，最終以相鄰多邊形完成多角度兩兩相交處理，組合形成大壩實體三維模型。對庫區(qū)地形與大壩結(jié)構(gòu)進行相對獨立的實體建模之后，尚無法立刻構(gòu)建整個水庫的三維場景，需要對它們進行對接整合。通常利用實體模型向地形場景投影的方法，并采用平移、縮放、平滑處理等操作使大壩實體模型盡可能與地形場景相吻合。

圖2 大壩三維模型與場景建立流程圖

2.2 信息三維可視化實測

準(zhǔn)確表達(dá)監(jiān)測點空間關(guān)系是實測信息三維展示的必要條件，監(jiān)測儀器及測點的三維空間信息可以由儀器埋設(shè)方、部署方案設(shè)計方或水庫管理單位處獲得。由于信息來源于多方且數(shù)據(jù)復(fù)雜，很容易出現(xiàn)多方提供數(shù)據(jù)信息不一致，以及提供的坐標(biāo)信息與實際空間坐標(biāo)系統(tǒng)不一致的情況。以常用的 CAD設(shè)計圖形數(shù)據(jù)為例，圖形數(shù)據(jù)中會標(biāo)明典型斷面的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的儀器分布信息，但是其坐標(biāo)系統(tǒng)只是相對的圖形坐標(biāo)，而非真實的空間坐標(biāo)。為此，需要通過對地圖坐標(biāo)和 CAD 圖形截取樣本距離并計算樣本比例，進而對 CAD 上所有坐標(biāo)進行比例換算，獲得與地圖坐標(biāo)統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。在規(guī)范后的坐標(biāo)系統(tǒng)下，對監(jiān)測儀器空間信息及相應(yīng)的儀器信息進行存儲、管理。

在監(jiān)測測點空間信息得以正確的表達(dá)后，即可進一步實施大壩監(jiān)測信息的三維可視化。大壩實測數(shù)據(jù)既包括描述變形位移、滲流水位等的矢量信息，也包括壩體溫度、應(yīng)力應(yīng)變等標(biāo)量信息。不論是矢量還是標(biāo)量數(shù)據(jù)，對于大壩安全實測信息的三維顯示都可以利用體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行表達(dá)，只是矢量體數(shù)據(jù)具有現(xiàn)實空間意義，而標(biāo)量體數(shù)據(jù)表達(dá)的是物理量大小的變化。體數(shù)據(jù)可以定義為一個離散有界的三維空間上的采樣函數(shù)，如果采樣是規(guī)則有結(jié)構(gòu)的，則這種體數(shù)據(jù)為規(guī)則結(jié)構(gòu)[12]。大壩安全監(jiān)測信息的體數(shù)據(jù)即各個測點所在壩體的三維數(shù)據(jù)，所有儀器測點與監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)成了大壩的監(jiān)測體數(shù)據(jù)。測點在大壩結(jié)構(gòu)的空間分布有 2種情況：1）監(jiān)測點在壩體結(jié)構(gòu)的三維方向上為等間距分布，如引張線和靜力水準(zhǔn)變形監(jiān)測系統(tǒng)，這種均勻分布的空間結(jié)構(gòu)令實測體數(shù)據(jù)可以構(gòu)成規(guī)則的數(shù)據(jù)場；2）測點的分布是沿壩軸線、上下游及高程方向非均勻分布，實測信息在大壩空間上的采樣具有有限性特征，三維數(shù)據(jù)場的表達(dá)是非連續(xù)且離散的，更為常見。因此，為了克服實測數(shù)據(jù)有限采樣帶來的非連續(xù)性問題，根據(jù)監(jiān)測點相互之間的空間特征關(guān)系，并結(jié)合體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點，采用三維空間插值方法將實測數(shù)據(jù)進行多維度內(nèi)插處理，形成實測信息的三維空間數(shù)據(jù)場。形函數(shù)插值算法是體數(shù)據(jù)三維空間內(nèi)插的常用方法，即根據(jù)測點的空間非均勻分布特征，以三角形為基本構(gòu)成要素形成棱柱或六面體，并以不規(guī)則空間體單元擬合壩體結(jié)構(gòu)。其中，某點 P（非監(jiān)測點）在空間中的測值可表示為

式中：Vi為第i 點的測值；N 為形函數(shù)矩陣，由監(jiān)測點的空間坐標(biāo)位置獲得，形函數(shù)矩陣具體表示如下：

式中：ξi，ηi， ζi分別為第i個監(jiān)測點的母單元坐標(biāo)，ξ，η ，ζ 分別為所求非儀器監(jiān)測點 P 的母單元坐標(biāo)，利用形函數(shù)將三維坐標(biāo)軸下的非均勻單元轉(zhuǎn)換為等參單元，再根據(jù)公式（1）對非監(jiān)測點 P 的測值進行內(nèi)插計算。插值獲得的 Vp如果與空間坐標(biāo)軸相關(guān)，則利用等參單元將 Vp測值轉(zhuǎn)換到原始坐標(biāo)系。

由此，通過對監(jiān)測點空間信息的有效管理，并基于空間內(nèi)插方法的大壩實測信息體數(shù)據(jù)表達(dá)，將實測數(shù)據(jù)與三維場景模型相結(jié)合，明確大壩安全監(jiān)測的三維可視化方法。其中，變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測等矢量數(shù)據(jù)形成大壩關(guān)鍵部位實測位移、滲流信息的三維顯示；另一方面，溫度、應(yīng)力應(yīng)變等標(biāo)量數(shù)據(jù)則通過三維內(nèi)插形成溫度場和應(yīng)力場。最終實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測信息的三維可視化顯示。

3 三維可視化應(yīng)用

通過對二、三維數(shù)據(jù)集成和大壩安全三維可視化方案的研究，構(gòu)建水庫場景、大壩實體及監(jiān)測系統(tǒng)模型，基于自動化監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)完成監(jiān)測信息的三維展示，實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測的三維表達(dá)與應(yīng)用。形成功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括三維仿真模型、監(jiān)測信息可視化、交互操作和常規(guī)信息查詢4個功能。

3.1 三維模型構(gòu)建

三維仿真模型主要包括大壩實體模型、庫區(qū)場景和典型斷面結(jié)構(gòu)建模等，用于構(gòu)建整個庫區(qū)宏觀地理環(huán)境和微觀壩體結(jié)構(gòu)。采用面向?qū)ο箨P(guān)系型數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫管理引擎相結(jié)合的方式，對原有二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的利用率達(dá)到最大化，實現(xiàn)跨維度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與管理，達(dá)到異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的無縫集成的目的，為三維模型的建立提供空間數(shù)據(jù)保障。大壩實體模型通過建立的大壩簡易三維模型與地形場景相對接（如圖4所示），展示庫區(qū)的基本地形構(gòu)造和壩體的主體核心結(jié)構(gòu)。保障用戶能夠直觀掌握水庫及水利工程的宏觀信息，同時為大壩典型斷面結(jié)構(gòu)和重點監(jiān)測部位的安全評價與健康診斷提供圖形依據(jù)。

3.2 信息可視化應(yīng)用

圖3 大壩安全監(jiān)測三維可視化功能結(jié)構(gòu)

在大壩實體建模的基礎(chǔ)上，通過對自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實時、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整編和預(yù)處理，并結(jié)合自動化監(jiān)測硬件系統(tǒng)的特點，以二、三維交互的方式展示大壩安全實測數(shù)據(jù)。其中，大壩變形監(jiān)測和滲流監(jiān)測的觀測成果為變形位移量和滲漏水位高程，在壩體結(jié)構(gòu)三維模型上通過建立監(jiān)測系統(tǒng)（如引張線、靜力水準(zhǔn)、垂線等系統(tǒng)）的儀器三維空間測點，將實測數(shù)據(jù)帶入三維模型中，以圖形的方式表達(dá)測值在三維空間的變化情況，實現(xiàn)矢量監(jiān)測成果的三維可視化，如圖5所示。對于溫度、應(yīng)力應(yīng)變等標(biāo)量觀測項目，其監(jiān)測成果所表達(dá)的物理量是不包含空間屬性的，因此需要利用各個測點之間的空間位置關(guān)系進行三維內(nèi)插，并將監(jiān)測成果作為第三維度信息進行三維拉伸，實現(xiàn)標(biāo)量成果的三維信息場，如圖6所示。實測數(shù)據(jù)的三維處理為大壩安全監(jiān)測信息的展示與分析提供了科學(xué)、直觀的新手段，有利于更好地了解和掌握大壩安全性態(tài)。

圖4 場景融合示意圖

圖5 滲流水位三維顯示

圖6 溫度場三維顯示

4 結(jié)語

本研究基于大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，利用 GIS、虛擬現(xiàn)實等新興信息技術(shù)，對大壩安全監(jiān)測三維可視化關(guān)鍵技術(shù)進行研究和應(yīng)用，結(jié)論如下：

1）從二、三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和異構(gòu)數(shù)據(jù)管理 2個方面闡述了大壩安全監(jiān)測二、三維數(shù)據(jù)集成方案，采用二、三維數(shù)據(jù)集成方法能夠兼顧不同維度數(shù)據(jù)信息的各自優(yōu)勢，并達(dá)到多維數(shù)據(jù)的無縫對接與融合，提高三維信息的存儲、管理、查詢與顯示效率。

2）明確大壩實體模型、庫區(qū)場景及實測信息的三維可視化技術(shù)方案，并利用空間插值技術(shù)結(jié)合大壩安全監(jiān)測的實際需求，實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測三維可視化應(yīng)用，進一步提升了大壩安全監(jiān)測信息可視化的實時性和直觀性，為及時掌握大壩安全狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)安全隱患提供重要保障。

在本研究的基礎(chǔ)上，充分利用有限元分析理論和 GIS 空間分析技術(shù)，針對大壩安全監(jiān)測信息開展三維綜合評價工作是今后研究的重要方向。

[1] 王士軍，董福昌，崔信民，等. 水庫大壩安全信息三維可視化系統(tǒng)開發(fā)[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32 (2): 50-51.

[2] 楊陽，許后磊，方春暉. 基于監(jiān)測信息的壩體三維可視化及系統(tǒng)集成[J]. 水電能源科學(xué)，2011，29 (1): 122-124.

[3] 史超，周創(chuàng)兵，陳益峰. 3D GIS 平臺下大壩數(shù)值模型信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]. 水利學(xué)報，2006，37 (3): 336-341.

[4] 鐘登華，石志超，杜榮祥，等. 基于 CATIA 的心墻堆石壩三維可視化交互系統(tǒng)[J]. 水利水電技術(shù)，2015，46 (6): 16-21.

[5] 陳志明，李鵬，胡小梅，等. 漳河水庫三維仿真管理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 人民長江，2016，47 (12): 104-107.

[6] 張社榮，撒文奇，杜成波，等. 基于重力壩三維設(shè)計的CAD 動態(tài)交互系統(tǒng)開發(fā)[J]. 計算機應(yīng)用研究，2013 (1): 165-168.

[7] 白留星，張文龍，王勇飛. 基于網(wǎng)絡(luò)的三維可視化仿真技術(shù)研究與實現(xiàn)[J]. 人民長江，2010，41 (18): 79-82.

[8] 鐘登華，宋洋. 基于 GIS 的水利水電工程三維可視化圖形仿真方法與應(yīng)用[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2004(1):52-58.

[9] 劉嬈，李衛(wèi)東，呂陽. 電力系統(tǒng)運行狀態(tài)可視化技術(shù)綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2004，28 (8): 92-97.

[10] 燕喬，付艷艷，張釗，等. 混凝土拱壩施工仿真可視化研究與應(yīng)用[J]. 人民長江，2013，44 (20): 50-53.

[11] 黃敏清. 大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)研究[J]. 中國水運，2016，37 (3): 72-73.

[12] 管偉光，馬頌德. 三維體數(shù)據(jù)可視化技術(shù)[J]. CT 理論與應(yīng)用研究，1995，4 (1): 1-6.

Research and application of three dimensional visualization methods for dam safety monitoring information

JIN Youjie1,2, WANG Haimei1, LEI Yu1, LI Dong1
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resource, Nanjing 210012, China；2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Based on the measured data of dam safety automatic monitoring system, by using the vector and raster mixed model for the structure of the 2-3D data conversion, it does multi-dimensional heterogeneous data integration management which is through the method of combination for spatial data management and object relational database engine. Through the formation of 3D scene modeling process and monitoring information visualization methods, it realizes scheme of 3D visualization for dam safety monitoring and has been applied. Research results can give attention to both the advantage of 2D and 3D information for dam safety monitoring, improve the efficiency of multi-dimensional information storage and management, further enhance the visual and real-time of the monitoring information.

dam safety; three dimensional visualization; data integration; monitoring information

TV698

A

1674-9405(2017)01-0010-06

10.19364/j.1674-9405.2017.01.003

2016-09-12

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（Y916014）

金有杰（1987-），男，江蘇南京人，工程師，主要從事水利信息化和基于 3S 集成技術(shù)的水利信息管理、分析、系統(tǒng)研發(fā)等工作。