金 晶， 孫昱昌， 王志林， 趙林章

(1.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司， 江蘇 揚州 225002；2.南京大學地理與海洋科學學院， 江蘇 南京 210029；3.江蘇省泰州引江河管理處， 江蘇 泰州 225321)

河流兩側(cè)(周邊)水路邊界一定范圍內(nèi)的帶狀區(qū)域即為岸線資源，既具有行洪、調(diào)蓄和維護河流健康的自然與生態(tài)環(huán)境功能屬性，在一定情況下又是具有利用價值的土地資源屬性[1]?！蛾P(guān)于全面推行河長制的意見》中，明確提出了加強河湖水域岸線管理保護，加強執(zhí)法監(jiān)管、建立河湖日常監(jiān)管巡查制度等方面的工作要求。岸線資源的監(jiān)管存在點多、面廣、工作量大的特點，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的河湖岸線監(jiān)管多以人工巡查、分級上報、市民投訴等形式開展，存在信息采集不及時、來源及形式單一、覆蓋面不全等問題，難以實現(xiàn)實時、常態(tài)化的綜合巡查和全局監(jiān)管。此外，傳統(tǒng)的管理單位多存在專業(yè)技術(shù)人員配備不足，監(jiān)管手段信息化、現(xiàn)代化程度低等問題，造成河湖岸線監(jiān)管的低效率。河湖岸線監(jiān)測管理系統(tǒng)基于富客戶端、三維地理信息系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)庫等技術(shù)進行設(shè)計與開發(fā)，可為河湖岸線工程監(jiān)管技術(shù)的升級、日常監(jiān)管巡查制度的完善及河湖岸線資源的保護等提供強大的技術(shù)支持。

1 監(jiān)測方式及系統(tǒng)目標

1.1 監(jiān)測方式

河湖岸線監(jiān)測管理系統(tǒng)以低空遙感數(shù)據(jù)采集為主要的監(jiān)測方式，基于無人機平臺獲取高精度影像數(shù)據(jù)和傾斜攝影測量數(shù)據(jù)，通過無人機航空視頻巡查，三維傾斜攝影模型構(gòu)建及對比分析、照片取證等方式對河湖管理范圍內(nèi)水域及岸線動態(tài)變化情況進行監(jiān)測觀察，發(fā)現(xiàn)非法侵占河道水域岸線和航道、破壞河道及航道工程設(shè)施、違法取水排污、亂占濫用岸線等違法違規(guī)行為，準確反映河湖工程監(jiān)管中存在的問題[2]。此外，還通過階段性的購買衛(wèi)片，加入衛(wèi)星遙感相關(guān)數(shù)據(jù)，達到全方位的監(jiān)測功能覆蓋。通過監(jiān)測對比，發(fā)現(xiàn)河湖工程監(jiān)管中存在的問題，并跟蹤問題整治及整改落實等情況。

1.2 系統(tǒng)目標

河湖岸線監(jiān)測管理系統(tǒng)基于河道/湖泊管理單位的監(jiān)測需求及工作實際，用先進的航測遙感、地理信息等新技術(shù)、新設(shè)備，研究構(gòu)建全方位、全區(qū)域監(jiān)測河、湖工程的信息化管理監(jiān)測系統(tǒng)平臺，重點尋求河湖岸線空間管控的技術(shù)突破，為管理單位實時提供所轄區(qū)域的河湖岸線實況信息，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)水生態(tài)和水環(huán)境變化等問題，找出河湖及岸線監(jiān)管中的薄弱環(huán)節(jié)，為水利管理部門實施監(jiān)管及相關(guān)決策提供可靠的技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)構(gòu)建步驟

(1)溝通確定監(jiān)測范圍。基于泰州引江河試點監(jiān)測區(qū)域的地籍管理、確權(quán)劃界及河湖管理制度建設(shè)等已有成果，識別地籍區(qū)劃、河湖岸線管理范圍、及河湖管理功能分區(qū)范圍等，在系統(tǒng)監(jiān)測底圖上標注各類范圍線及其屬性。

(2)溝通確定具體監(jiān)測內(nèi)容及需求。識別河湖監(jiān)管目標及內(nèi)容，結(jié)合河長制八大任務(wù)，分解各區(qū)域管理內(nèi)容及其目標，形成區(qū)域管理要求。將可通過監(jiān)測手段實現(xiàn)、或輔助完成的任務(wù)進行識別、區(qū)分歸類，以確定監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容及功能目標，構(gòu)建監(jiān)測內(nèi)容及目標體系。在此基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)監(jiān)測項目清單，監(jiān)測成果形式及展示效果等需求。

(3)組裝硬件設(shè)備及開展軟件研發(fā)。采購無人機及遙感采集相機，完成信息采集設(shè)備組裝。明確系統(tǒng)構(gòu)建軟硬件條件，確定開發(fā)平臺及管件技術(shù)，對系統(tǒng)進行功能模塊構(gòu)建及組合。

(4)構(gòu)建監(jiān)測基底信息數(shù)據(jù)庫。管理三維地形數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)、航拍視頻和三維模型數(shù)據(jù)等，在溝通確定監(jiān)測范圍、邊界及內(nèi)容基礎(chǔ)上，將管理范圍、功能區(qū)劃等專題矢量數(shù)據(jù)進行入庫。

(5)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測信息獲取。通過無人機搭載視頻拍攝相機獲取采集區(qū)域監(jiān)測視頻，通過無人機搭載五鏡頭傾斜攝影相機，獲取監(jiān)測實景圖片，并通過smart3D軟件，處理形成三維立體實景模型。

(6)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及事件登記。一是通過觀看航拍視頻，以管理網(wǎng)格內(nèi)具體管理要求為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)是否存在不符合該區(qū)域管理規(guī)定的事項，對問題事項進行系統(tǒng)登記錄入；其次，通過三維立體模型，配合系統(tǒng)實現(xiàn)的量測工具，對關(guān)鍵部位進行指標量測和分析，界定是否存在問題項及問題量化程度；將不同時期形成的三維模型進行對比，輔助分析問題產(chǎn)生及發(fā)展情況。

(7)問題跟蹤及處理。問題事件錄入提交后，進入待辦事項流程，按照管理部門的職責分工，系統(tǒng)使用人員根據(jù)相應(yīng)的管理權(quán)限進行問題處理。對目前已經(jīng)存在的問題，給與重點關(guān)注和跟蹤監(jiān)測，處理結(jié)果錄入系統(tǒng)并提交結(jié)案請求后，方可實現(xiàn)問題銷項。

工程管理專業(yè)實踐性強，需要培養(yǎng)具備土建類工程技術(shù)以及管理、經(jīng)濟、法律等基本知識，能運用管理科學的理論、方法和手段，在工程建設(shè)和房地產(chǎn)領(lǐng)域從事工程技術(shù)、工程項目管理、工程咨詢、房地產(chǎn)經(jīng)營管理工作的應(yīng)用型高級管理人才[1]。然而我國以學科教育為本位的普通高等教育達不到專業(yè)培養(yǎng)目標和就業(yè)要求[2～3]。目前，應(yīng)用型本科工程管理專業(yè)教學模式主要存在如下問題：

(8)人工核查、補調(diào)及生成報表。對系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的問題，進行隨機抽檢復(fù)核，驗證系統(tǒng)可靠性，模型構(gòu)建效果不好的部位，或視頻觀察不夠清晰的部位，進行人工補調(diào)，經(jīng)核查后，完成監(jiān)測信息的全部錄入，通過系統(tǒng)生成問題分布統(tǒng)計及事件清單報表，在此基礎(chǔ)上編制監(jiān)測報告。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server)架構(gòu)來實現(xiàn)相關(guān)功能。B/S架構(gòu)是基于Web瀏覽器的引用架構(gòu)。系統(tǒng)基于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲和管理矢量數(shù)據(jù)、附件數(shù)據(jù)(多媒體數(shù)據(jù))、地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)；基于WebBOS平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理調(diào)度以及事件登記、上報、跟蹤和存檔等業(yè)務(wù)功能；基于Cesium加載地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建可交互的三維場景。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 河湖岸線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)可分為背景地理數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)以及專題矢量數(shù)據(jù)三大類，涉及對象和數(shù)據(jù)種類多樣。

(1)背景地理數(shù)據(jù)。包括正射影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，描述了目標地區(qū)的地形特征、水系特征等地表現(xiàn)象，可使水利管理人員更加直觀地了解該地區(qū)的地形和水系的分布等情況。

(2)三維模型數(shù)據(jù)。主要是指傾斜攝影測量數(shù)據(jù)三維模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中三維模型數(shù)據(jù)包括河道干流的重要水利工程數(shù)據(jù)和沿岸建筑物，或水利設(shè)施的三維模型數(shù)據(jù)。根據(jù)細節(jié)的豐富程度，三維模型數(shù)據(jù)分為簡化三維模型和精細三維模型，系統(tǒng)根據(jù)不同建模對象在使用中的具體要求，自動加載不同細節(jié)層次的三維模型數(shù)據(jù)。

(3)專題矢量數(shù)據(jù)。主要包括管理范圍數(shù)據(jù)以及各類功能區(qū)劃數(shù)據(jù)。功能區(qū)劃數(shù)據(jù)是進行河湖岸線監(jiān)管的基礎(chǔ)。功能區(qū)劃分為變電所、閘站管理設(shè)施區(qū)、上下游管理區(qū)、船閘區(qū)、船閘管理設(shè)施區(qū)、水域、堤防護坡、風景區(qū)、橋梁及道路、堆土區(qū)和其他管理設(shè)施區(qū)等。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 WebGL

WebGL是一種3D繪圖協(xié)議，該繪圖技術(shù)標準允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，通過增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，WebGL可以為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，Web開發(fā)人員可借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器里流暢地展示3D場景和模型。WebGL技術(shù)標準免去了開發(fā)網(wǎng)頁專用渲染插件的麻煩，可被用于創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)站頁面[3]。

3.3.2 富客戶端技術(shù)

(1)HTML5:由于最初瀏覽器不支持矢量數(shù)據(jù)的可視化，電子地圖主要使用圖片、Flash等技術(shù)模擬顯示矢量數(shù)據(jù)，而這些技術(shù)并沒有得到主流瀏覽器的支持。HTML5中新增了對矢量數(shù)據(jù)可視化的實現(xiàn)方法，目前已經(jīng)得到了主流瀏覽器的支持(如IE9及以上版本、Firefox、Chrome、Opera等)。同時HTML5引入canvas標簽，通過canvas可以動態(tài)生成圖形、圖表以及動畫。通過基于HTML5 canvas標簽可以在Web客戶端完成本來需要在服務(wù)器端完成的渲染、計算工作，為服務(wù)器“減負”。相對于Flash和Sliverlight而言，HTML5最大的好處在于它是一種公開的技術(shù)，同時可以給網(wǎng)站帶來更多的視頻和音頻等多媒體元素，賦予圖片圖形更多的交互可能。此外，其支持跨平臺使用的特點也增強了可用性。

(2)CSS：層疊樣式表是一種用來表現(xiàn)HTML(標準通用標記語言的一個應(yīng)用)或XML(標準通用標記語言的一個子集)等文件樣式的計算機語言。CSS不僅可以靜態(tài)地修飾網(wǎng)頁，還可以配合各種腳本語言動態(tài)地對網(wǎng)頁各元素進行格式化。CSS 能夠?qū)W(wǎng)頁中元素位置的排版進行像素級精確控制，支持幾乎所有的字體字號樣式，擁有對網(wǎng)頁對象和模型樣式編輯的能力。

(3)JavaScript：一種直譯式腳本語言，是一種動態(tài)類型、弱類型、基于原型的語言，內(nèi)置支持類型。它的解釋器被稱為JavaScript引擎，為瀏覽器的一部分，廣泛用于客戶端的腳本語言，最早是在HTML網(wǎng)頁上使用，用來給HTML網(wǎng)頁增加動態(tài)功能[4]。

3.3.3 Cesium

Cesium是基于JavaScript編寫的使用WebGL的開源地圖引擎。Cesium支持3D、2D、2.5D形式的地圖展示，可以自行繪制圖形，高亮區(qū)域，并提供良好的觸摸支持，且支持絕大多數(shù)的瀏覽器和移動端設(shè)備。Cesium還支持基于時間軸的動態(tài)數(shù)據(jù)展示。Cesium 使用WebGL 來進行硬件加速圖形，使用時不需要任何插件支持，但是瀏覽器必須支持WebGL。Cesium提供強大的三維展示功能，支持用戶對三維場景進行流暢的交互式瀏覽[5]。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計主要功能包括數(shù)據(jù)管理、交互式瀏覽、對比分析、矢量數(shù)據(jù)查詢及編輯、量測、空間分析、飛行漫游、事件登記及管理等。

(1)數(shù)據(jù)管理。支持用戶對矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和各類多媒體數(shù)據(jù)進行上傳、下載。上傳至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)實際需求，選擇是否加載于三維場景中。同時系統(tǒng)支持用戶配置矢量數(shù)據(jù)的顏色、尺寸， 以及遙感影像的亮度和三維模型的偏移等，從而構(gòu)建個性化的三維場景。

(2)交互式瀏覽。河湖岸線監(jiān)測管理系統(tǒng)實現(xiàn)水利專題要素、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)與三維場景數(shù)據(jù)的無縫結(jié)合，提供三維地圖縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作。系統(tǒng)構(gòu)建的三維場景支持用戶對重點設(shè)施和重點區(qū)域進行全方位、多角度查看，場景真實、細節(jié)豐富；便于用戶全面、直觀了解管理區(qū)概況，發(fā)現(xiàn)管理范圍內(nèi)存在的監(jiān)管問題。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)二維線狀、面狀符號與三維場景的無縫貼合，通過三維地物與管理邊界的貼合顯示，可直觀反映監(jiān)測問題所屬的管理范圍，明確該范圍內(nèi)對應(yīng)的河湖岸線監(jiān)管規(guī)定。

(3)對比分析。系統(tǒng)支持對航拍影像、三維傾斜攝影實景模型等的歷史數(shù)據(jù)進行對比分析。遙感影像卷簾對比功能可選擇兩個不同時期的遙感影像加載進三維場景，通過拖動屏幕中間的卷簾，對比兩幅影像在同一位置的變化情況。三維模型對比功能采用分屏的方式，通過下拉框，顯示不同時期的三維模型。無論鼠標位于何處，另一模型上總存在與鼠標處在相同位置的標識，以輔助用戶查看同一位置發(fā)生的變化情況，幫助分析監(jiān)管問題的動態(tài)變化。

(4)矢量數(shù)據(jù)查詢及編輯。系統(tǒng)提供基礎(chǔ)信息在線查詢功能，可對矢量數(shù)據(jù)(點、線、面)及其屬性進行查詢、縮放、漫游查看和屬性更新，為編輯、使用和管理地理信息數(shù)據(jù)提供便利，為河湖水利工程設(shè)施的監(jiān)管提供支持。

系統(tǒng)支持的查詢功能包括定位查詢和屬性查詢兩類。1)定位查詢是指通過選擇要素名稱，三維場景自動定位到要素處?？筛鶕?jù)用戶輸入的查詢條件，自動定位到要素所在位置。2)屬性查詢是指點擊三維場景中的要素對象，自動展示該要素的詳細信息。

(5)量測工具。包括長度量測、面積量測、高度量測、土方量計算等。其中長度量測分為直線繪制與貼地繪制兩種效果；高度量測分為海拔高度量測和相對高度量測。土方量計算可用于挖填方或淤積沖刷分析，以滿足對河底地形監(jiān)測的需要。

(6)空間分析。1)斷面線提取功能可由用戶在三維場景中任意選點繪制線段或折線，系統(tǒng)根據(jù)地形進行斷面線提取，并以圖片的形式輸出。2)河勢分析功能用于查看河底地形的淤積或沖刷狀況。用戶選擇不同時期三維地形數(shù)據(jù)，任選需分析的區(qū)域，系統(tǒng)將自動計算，結(jié)果以圖的形式繪制在三維場景中，紅色表示淤積，藍色表示沖刷，白色表示無明顯變化。通過河勢分析，可迅速掌握河底地形變化情況，輔助河底清淤等工作的開展。3)緩沖區(qū)分析，主要用于事件的篩選。用戶設(shè)置緩沖區(qū)半徑，并繪制點、線或者面，生成緩沖區(qū)多邊形，系統(tǒng)將根據(jù)此緩沖區(qū)，查詢在緩沖區(qū)內(nèi)記錄的事件，如，可繪制某河道兩側(cè)100 m的緩沖區(qū)范圍，并查詢范圍內(nèi)登記的違章違規(guī)項目。

(7)事件登記及管理。對于通過影像、地形、三維模型的查看與分析后發(fā)現(xiàn)的管理范圍內(nèi)存在的問題，如應(yīng)執(zhí)行卻未執(zhí)行的行為、應(yīng)禁止卻未禁止的事項及異常指標等，可通過事件管理功能進行圖上登記、上報、跟蹤與存檔。1)事件圖上登記。功能支持用戶在發(fā)現(xiàn)問題點后，直接在三維場景中登記，用戶點擊發(fā)現(xiàn)問題的位置后，可以將問題以點的形式標注在地圖上，添加問題描述，記錄新增事件?，F(xiàn)場巡查的文字、圖片、視頻、音頻等信息均可作為附件上傳到管理平臺，作為事件的輔助記錄；2)事件的查看。用戶可將時間范圍、事件狀態(tài)和空間范圍作為條件，進行篩選，通過點擊事件記錄，三維場景將自動跳轉(zhuǎn)到事件發(fā)生的位置，用戶可查看包括時間描述、空間位置、事件狀態(tài)、登記日期等在內(nèi)的基本信息。3)事件的跟蹤。支持用戶將事件的處置過程進行跟蹤記錄。對巡查登記的問題，可在系統(tǒng)中進行在線查詢并記錄審閱意見；4)事件存檔。管理者可以查看所記錄的事件,在事件處置完成之后，點擊“結(jié)案”按鈕，系統(tǒng)將對該事件進行封裝存檔。

5 結(jié) 語

推進河湖岸線監(jiān)管工作科技化、信息化，是順應(yīng)水利管理未來發(fā)展的必然趨勢和客觀要求，河湖岸線監(jiān)測管理系統(tǒng)通過低空遙感技術(shù)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，快速、全面、準確的反映河湖工程運行現(xiàn)狀；通過信息化的管理平臺進行監(jiān)測信息管理，很好地提高河湖岸線管理的效率，節(jié)省人力和時間投入；同時以系統(tǒng)記錄的方式保存監(jiān)測各環(huán)節(jié)信息，保證了監(jiān)管工作的可追溯性。系統(tǒng)以泰州引江河為試點河道開發(fā)，已取得良好的使用效果，可幫助水利管理單位更高效、及時的開展河湖岸線日常管理，為水利管理決策提供可靠的技術(shù)支撐，具有較高的應(yīng)用和推廣價值。