黃超 侯鵬生 宋海波 史超 丁凡椏

（1.水利部長江勘測技術研究所，湖北 武漢 430010；2.南水北調(diào)工程建設監(jiān)管中心，北京 100038）

南水北調(diào)中線干線工程于2003年2月開工建設，經(jīng)過十多萬建設者十余年努力，于2014年12月正式通水。其中，淅川二標段位于河南省淅川縣九重鎮(zhèn)境內(nèi)，渠道起點樁號8+400，呈北東向穿九重崗，終點樁號14+000，全長5.6km，為全挖方渠段，最大挖深49m。起點渠底高程139.044m，終點渠底高程138.82m，渠道縱坡比1∶25 000，沿線沖溝發(fā)育多，地形起伏較大。該渠段地下水豐富、膨脹性強、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、施工期滑坡多[1]，嚴重影響渠道邊坡的穩(wěn)定性，對南水北調(diào)工程的安全運行構(gòu)成一定威脅，是渠道安全監(jiān)控的重點地段之一[2]。

為加強淅川二標段渠道穩(wěn)定性監(jiān)控現(xiàn)代化管理，南水北調(diào)工程建設監(jiān)管中心以渠道安全監(jiān)控為核心，以信息化管理應用需求為導向，進行了一系列信息化建設，委托并重點支持水利部長江勘測技術研究所，研發(fā)了淅川二標段渠道安全監(jiān)控三維信息管理與分析系統(tǒng)平臺。

該平臺是以淅川二標段為典型區(qū)域，以工程建設和運行監(jiān)控管理數(shù)據(jù)為基礎，以三維信息管理與分析為主要目標的渠道運行管理、安全監(jiān)控和綜合分析系統(tǒng)平臺，并融合了多種高新信息技術，如低空無人機數(shù)字攝影測量技術，快速獲取區(qū)域高質(zhì)量渠道影像和地形資料；虛擬仿真技術，構(gòu)建淅川二標段真實三維仿真場景；數(shù)據(jù)庫技術，合理的存儲并管理已有的基礎地形、地質(zhì)、設計等建設資料和內(nèi)外觀監(jiān)測、地質(zhì)巡查、水下物探檢測、氣象水文等監(jiān)測資料；三維地理信息技術（GEOGRAPHIC IN?FORMATION SYSTEM，GIS），提供綜合查詢及穩(wěn)定性分析預警的輔助決策功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)基于SKYLINE GLOBLE 三維GIS 軟件構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫采用SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫管理軟件，體系結(jié)構(gòu)采用客戶端/服務器（CLIENT/SERVER，C/S）模式，多客戶端同時操作，連接存放在中心服務器上的安全監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架示意圖如圖1所示，采用3層體系結(jié)構(gòu)，具體分為應用層、平臺層、數(shù)據(jù)層，結(jié)構(gòu)層次清晰，可擴展性強，安全性高，便于后期維護更新。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 三維場景交互式漫游

交互式漫游提供三維場景漫游、地下模式瀏覽、渠道飛行動畫展示、二維地圖導航、場景環(huán)境設置等豐富易用的三維操作功能，用戶可以進行多種基本操作，如平移、放大、縮小、拖動、旋轉(zhuǎn)、居中、指北等，以獲得身臨其境的效果。同時狀態(tài)欄醒目的標注當前視口所在樁號及坐標位置信息，并隨著場景視點的變化實時更新。

地下模式瀏覽用于瀏覽地下布設的深部監(jiān)測儀器及抗滑樁等模型形態(tài)。渠道飛行動畫展示通過模擬從標段首部到尾部的飛行動畫。二維地圖導航用于輔助定位，與三維場景直接關聯(lián)，避免用戶在三維場景中迷失方向。場景環(huán)境設置包括天氣狀況、光照、明暗度等。

2.2 地形分析

地形分析不僅提供常用的地形量測功能，如坐標位置查詢、水平及垂直距離量測、渠坡坡度量測、面積量測等，可在場景中直接操作獲得量測結(jié)果，還增加了針對三維環(huán)境下地形分析的功能，包括等高線分析、渠坡坡向分析、地表剖面分析、填挖土方量分析等。

2.3 基礎信息管理

基礎信息管理用于對渠道基礎信息的查詢、修改、刪除、導出等功能。基礎信息包括原始地形、施工及竣工地質(zhì)和渠道設計等信息。其中地形信息有渠道原始地貌線、水系點、水系線、管線、交通線等；地質(zhì)信息有地層分區(qū)、巖性分區(qū)、地質(zhì)界線、滑坡線、裂隙線、裂隙密集帶、膨脹性分區(qū)等；設計信息有設計線、抗滑樁、穿渠建筑物等。

此外，還有相關工程圖檔文件及報告文檔，如原始地形地質(zhì)平面圖、施工布置圖、竣工工程地質(zhì)報告等。基礎信息數(shù)據(jù)存放在基礎信息數(shù)據(jù)庫中，以點、線、面矢量要素及三維模型的形式通過合理的配色展示在場景中，用戶可以直接進行具體信息的查詢?yōu)g覽。

長期以來，傳統(tǒng)的民事行政法律監(jiān)督主要依靠當事人申請啟動，檢察機關自行依職權(quán)啟動的較少。公益訴訟作為一項新增職能，人民群眾尚缺乏了解，需要加大宣傳，動員群眾參與。同時，公益損害危及群眾切身利益，如不及時處理，可能造成損害擴大或難以修復等問題，引發(fā)群眾不滿。這就要求檢察機關改變民事行政監(jiān)督“坐堂辦案、等米下鍋”的傳統(tǒng)辦案模式，主動出擊，積極作為。

2.4 監(jiān)測信息管理

監(jiān)測信息管理針對渠道監(jiān)測數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改、查詢、導出等，監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括渠道表面外觀、深部監(jiān)測以及水下物探檢測、氣象降雨量、水位和巡查檢測等，其中表面外觀監(jiān)測有水平和垂直位移監(jiān)測；深部監(jiān)測有含水量儀、滲壓計、土體位移計、測壓管、測斜管等。

數(shù)據(jù)形式主要有監(jiān)測數(shù)值表格、檢測影像和報告文檔等。監(jiān)測信息主要存放在監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫和文件服務器中。用戶可分類導入最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能在三維場景中通過監(jiān)測點直接查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)和實時繪制過程變形曲線圖，以及查閱巡查監(jiān)測報告、斷面監(jiān)測月報、專家巡查報告、階段性監(jiān)控結(jié)論等文檔。

2.5 穩(wěn)定性分析預警

系統(tǒng)將渠道穩(wěn)定性級別確定為四個級別，分別為（一級）穩(wěn)定、（二級）較不穩(wěn)定、（三級）不穩(wěn)定和（四級）極不穩(wěn)定。

穩(wěn)定性分析預警功能主要提供智能輔助分析決策功能，利用基于監(jiān)測數(shù)據(jù)與地質(zhì)經(jīng)驗結(jié)合的預警模型，通過綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，推測渠道穩(wěn)定性，確定穩(wěn)定性級別，同時結(jié)合基礎地質(zhì)信息對不穩(wěn)定區(qū)域進行原因分析和預警提醒，并生成穩(wěn)定性分析報告，提供給監(jiān)管人員以輔助分析決策。

2.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理用于后臺管理，主要包括用戶管理、系統(tǒng)日志管理、數(shù)據(jù)庫維護管理等。用戶管理用于管理登錄名及密碼，確定用戶的權(quán)限，不同的等級擁有不同的操作權(quán)限。系統(tǒng)日志管理記錄用戶操作日志。數(shù)據(jù)庫維護管理提供完善的備份和恢復數(shù)據(jù)的能力，確保在數(shù)據(jù)遭到破壞時能對數(shù)據(jù)進行恢復，保證數(shù)據(jù)的安全性。

3 系統(tǒng)相關的關鍵技術

3.1 低空無人機數(shù)字攝影測量

渠道三維場景是整個系統(tǒng)平臺的基礎，高質(zhì)量的三維場景能夠更真實地還原渠道地理形態(tài)。為構(gòu)建渠道精細化的虛擬三維場景，項目組結(jié)合無人機低空數(shù)字航空攝影技術[3]，采用固定翼式專業(yè)級攝影測量無人機SKYWEAVER C210，采集渠道高質(zhì)量影像和地形數(shù)據(jù)。

首先以淅川二標段為航測目標，將航測目標區(qū)圈定在約4 km×7 km范圍內(nèi)。航測范圍與渠道走向保持一致，并盡量將渠道置于航測中心區(qū)。飛行航高設定在相對渠道500m高度，確保了地面分辨率優(yōu)于0.1m，以滿足建立高質(zhì)量三維虛擬場景的需求。

數(shù)據(jù)采集完成后，通過專業(yè)軟件的處理[4、5]，如構(gòu)建測區(qū)、定向元素計算、光束法空中三角測量計算、數(shù)字影像核線重采樣、影像匹配、影像與地形出圖等步驟流程，最終獲取了淅川二標段的高分辨率正射影像數(shù)據(jù)（DIGITAL ORTHOPHOTO MAP ,DOM）和高精度數(shù)字高程模型（DIGITAL ELEVA?TION MODE，DEM）數(shù)據(jù)。

3.2 基于SKYLINEGLOBE平臺的三維場景構(gòu)建

SKYLINEGLOBE 是當今最為成熟的集三維空間建模、分析與海量數(shù)據(jù)管理于一體的三維GIS系統(tǒng)平臺軟件，它可以利用海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其它二三維數(shù)據(jù)源搭建出一個三維仿真場景。

軟件主要包括TERRABUILDER、TERRAEX?PLORER、TERRAGATE 三個系列產(chǎn)品，其中TER?RABUILDER用于融合海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、高程和矢量數(shù)據(jù)，以此來創(chuàng)建有精確三維模型景區(qū)的地形數(shù)據(jù)庫。TERRAEXPLORER 用于三維場景數(shù)據(jù)操作分析，TERRAGATE 是一個發(fā)布地形數(shù)據(jù)庫的服務器，允許用戶通過網(wǎng)絡來訪問地形數(shù)據(jù)庫[6]。

淅川二標段渠道三維場景是由地表三維場景模型和渠道橋梁及周邊附屬建筑三維模型組成。地表三維場景模型是利用獲取的高精度DEM數(shù)據(jù)和高分辨率DOM 數(shù)據(jù)，通過TERRABUILDER 構(gòu)建，其中DEM提供渠道地形起伏特征，DOM提供地表紋理特征。

渠道周邊橋梁及房屋建筑三維模型通常采用3DS MAX、CATIA 等專業(yè)的三維建模軟件建模，然后再將模型導入場景中。

模型導入的方法是首先以模型底部中心點坐標、模型名稱或編號等信息生成特征點矢量要素文件，加載在地形場景中，通過模型名稱或編號與模型關聯(lián)，實現(xiàn)模型文件的導入[7]。整體的渠道三維場景構(gòu)建的流程圖如圖2所示。

圖2 渠道三維場景構(gòu)建的流程圖

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)與地質(zhì)經(jīng)驗結(jié)合的穩(wěn)定性分析預警

渠道穩(wěn)定性分析預警是當前渠道安全監(jiān)控工作的目標和核心，現(xiàn)場渠道穩(wěn)定性分析工作流程是地質(zhì)人員從監(jiān)測數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合膨脹土水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件及邊坡破壞機理等綜合分析，最終做出判斷預測。

因此，穩(wěn)定性分析預警功能的研發(fā)思路以渠道監(jiān)管特點為基礎，從GIS原理與理論出發(fā)，采用一種基于監(jiān)測數(shù)據(jù)與地質(zhì)經(jīng)驗相結(jié)合的膨脹土渠道穩(wěn)定性分析預警方法。

首先沿著渠道中心線在渠段范圍內(nèi)進行網(wǎng)格化處理，將網(wǎng)格作為預警區(qū)域單元，以外觀監(jiān)測的垂直和水平、深部測斜管監(jiān)測數(shù)據(jù)插值后結(jié)果，作為判斷主要依據(jù)，進行穩(wěn)定性判斷分級，在確定級別后，進一步對不穩(wěn)定區(qū)域進行深層和淺層原因分析，深層檢查主要分析深部測斜管的同時段監(jiān)測數(shù)據(jù)，淺層檢查主要分析裂隙密集帶、膨脹性及巡查裂隙等，最終推測不穩(wěn)定的原因并直觀呈現(xiàn)出來，提供管理人員輔助分析決策。

獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果后，結(jié)合地質(zhì)經(jīng)驗，以最近三個月結(jié)果作為分析判斷的初始閾值，水平位移監(jiān)測反映的是渠道水平方向的變化，通常向渠道中心線方向為正值，表明渠道邊坡有變形趨勢，以累計位移量為參考量；垂直位移監(jiān)測反映的是渠道垂直方向的變化，通常向下沉方向為正值，表明監(jiān)測點所在渠道邊坡土體出現(xiàn)一定程度的沉降，以累計位移量為參考量；深部測斜管監(jiān)測提供深部監(jiān)測位移數(shù)據(jù)，具有兩個方向數(shù)值，其中A 方向垂直于渠道。A方向位移向坡外偏移為正值，表明渠坡監(jiān)測點向渠道方向產(chǎn)生位移。若A 方向監(jiān)測值出現(xiàn)某一點或某一小段突變，即出現(xiàn)突變位移，表明存在滑動面。測斜管監(jiān)測數(shù)據(jù)需要考慮這兩種因素，

因此，將孔口和兩測點在A 方向的累計位移量均作為參考量。系統(tǒng)提供初始的判斷閾值如表1 所示。在不穩(wěn)定原因分析方面，測斜管監(jiān)測數(shù)值直接反映深部變化，若數(shù)值發(fā)生超出閾值情況，表明渠道深層發(fā)生變化，直接推斷為深層原因。若預警單元屬于中、強膨脹土區(qū)域，且處于裂隙密集帶區(qū)域，同時坡面出現(xiàn)裂縫情況，很有可能測斜監(jiān)測存在誤差，也存在深層變化情況，同樣推斷為深層原因，其它情況均推斷為淺層原因。

表1 監(jiān)測要素穩(wěn)定性分析預警判斷閾值設置

4 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)基于SKYLINEGLOBE 三維GIS 平臺，構(gòu)建了渠道地表三維場景模型及周邊橋梁、房屋三維建筑模型，并實現(xiàn)了三維建筑模型與地表三維模型的無縫拼接，共同構(gòu)成淅川二標段渠道三維場景。系統(tǒng)選用.NET FRAMEWORK 開發(fā)平臺，利用VISU?AL STUDIO.NET 2013集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，采用開放式與模塊化結(jié)構(gòu)，按功能分類，實現(xiàn)了場景漫游、地形分析、基礎信息管理、監(jiān)測信息管理以及穩(wěn)定性分析預警等功能。系統(tǒng)功能實用，性能穩(wěn)定，界面友好，運行流暢。

5 結(jié)語

淅川二標段渠道安全監(jiān)控三維信息管理與分析系統(tǒng)，采用當前主流的高新技術，為監(jiān)管人員搭建了基于虛擬三維仿真環(huán)境下的安全監(jiān)控綜合管理與分析平臺，實現(xiàn)了三維仿真環(huán)境下的基礎信息和監(jiān)測信息的可視化展示、查詢、維護等綜合數(shù)據(jù)管理以及智能化穩(wěn)定性輔助分析預警，實現(xiàn)了在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心和業(yè)務平臺支撐下，統(tǒng)一管理工程建設和運行基本信息，從而打破傳統(tǒng)模式下的信息資源部門分割、地域分割，有效緩解了業(yè)務需求與信息資源不足、共享困難的矛盾，實現(xiàn)了工程建設、運行管理、日常監(jiān)測和工程維護等數(shù)據(jù)信息的相互協(xié)同，為渠道運行安全管理提供專業(yè)、快速、準確的技術支撐。