楊 陽(yáng),王佳林,許后磊

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,江蘇南京 210098)

大壩及其監(jiān)測(cè)信息可視為一個(gè)具有時(shí)空分布的多維動(dòng)態(tài)系統(tǒng),在整個(gè)工作運(yùn)行的周期內(nèi),其自身結(jié)構(gòu)性狀及對(duì)外在因素的響應(yīng)都會(huì)不斷地發(fā)生變化.大壩安全監(jiān)測(cè)[1]是確切了解這種變化以及分析和預(yù)測(cè)這種變化趨勢(shì)的有效手段之一.全面的監(jiān)測(cè)信息分析不僅可以保證大壩的正常工作以及壩體異常的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和檢修加固,而且可以提高大壩結(jié)構(gòu)壽命評(píng)判的可靠性.固有的安全監(jiān)測(cè)方法是一種簡(jiǎn)單的將某幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及環(huán)境量羅列成表成圖,再加以分析輸出的方法.隨著水利建設(shè)的發(fā)展,各種高壩會(huì)越來(lái)越多,高壩往往監(jiān)測(cè)儀器數(shù)量多、類(lèi)型復(fù)雜,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大、時(shí)空分布廣.固有的安全監(jiān)測(cè)方法很難滿(mǎn)足多維度大容量數(shù)據(jù)分析的需要,更不利于人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律,分析評(píng)判壩體結(jié)構(gòu)狀態(tài).

相對(duì)于數(shù)值和文字等符號(hào)信息,人對(duì)圖片和色彩等形象信息的理解和感知效率更高,可視化正是據(jù)此用圖像色彩來(lái)充分表現(xiàn)信息.可視化運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及人機(jī)交互技術(shù),將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形和圖像顯示,從空間三維及時(shí)間維度去體現(xiàn)信息[2].信息可視化技術(shù)較早應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)[3],并取得了較好的應(yīng)用效果,而在大壩監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,這種技術(shù)的應(yīng)用還處于探索階段[4-5].如何將大容量和多類(lèi)型的大壩監(jiān)測(cè)信息在多維空間上以多種視圖靈活可變地表現(xiàn)出來(lái),是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題.為此,筆者通過(guò)Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)代碼,對(duì)不同的大壩監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行統(tǒng)一化處理,以時(shí)空上的場(chǎng)量表現(xiàn)這種信息,并應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖示的變換、縮放及查詢(xún)功能,最終實(shí)現(xiàn)了大壩監(jiān)測(cè)信息的可視化.

1 可視化類(lèi)型

大壩信息包括大壩監(jiān)測(cè)信息、壩體結(jié)構(gòu)形狀、監(jiān)測(cè)儀器分布形式及監(jiān)測(cè)類(lèi)型,其中大壩監(jiān)測(cè)信息是大壩信息的核心信息.依據(jù)大壩信息的特點(diǎn),可將大壩信息分為3類(lèi):(a)大壩數(shù)字信息,即壩體及外部環(huán)境數(shù)字信息,包括降雨量、溫度、水位、壩體狀態(tài)參數(shù)及壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息,這些信息描述了大壩的數(shù)值特征;(b)大壩空間信息,包括壩體空間幾何形狀、河谷地貌形態(tài)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及上下游河道幾何參數(shù)等信息,這些信息描述了大壩的三維空間特征;(c)大壩時(shí)間信息,即時(shí)間維度下各個(gè)參數(shù)的變化情況,包括澆筑完成時(shí)間、首次蓄水時(shí)間和運(yùn)行期加固、洪水和地震等發(fā)生的時(shí)間,這些信息從時(shí)間上反映了大壩的重大事件及壩體性狀的突變情況.大壩監(jiān)測(cè)信息的多維可視化是基于這3類(lèi)信息的可視化,是將其以多維空間圖示化的方式緊密結(jié)合、宏觀表達(dá)、形象體現(xiàn)的信息集成和知識(shí)表達(dá)手段.

2 可視化內(nèi)容和表現(xiàn)形式

根據(jù)大壩監(jiān)測(cè)過(guò)程,可將大壩監(jiān)測(cè)信息產(chǎn)生、采集和分析過(guò)程描述為:大壩在自身和外在環(huán)境的影響下,壩體結(jié)構(gòu)性狀發(fā)生變化,監(jiān)測(cè)儀器將這些信息以數(shù)值方式提取出來(lái),并通過(guò)計(jì)算分析還原為表征壩體狀態(tài)的信息.這一過(guò)程可視為一條監(jiān)測(cè)信息鏈(圖1),在這條信息鏈上,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)計(jì)算分析的結(jié)果是表征大壩和監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)的關(guān)鍵信息,是可視化的主要內(nèi)容,而大壩和監(jiān)測(cè)儀器是監(jiān)測(cè)信息的物質(zhì)基礎(chǔ),是可視化的次要內(nèi)容.

大壩監(jiān)測(cè)按類(lèi)型可分為變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和環(huán)境量監(jiān)測(cè)4種[6-7].大壩監(jiān)測(cè)所使用的儀器主要有正倒垂、引張線(xiàn)、視準(zhǔn)線(xiàn)、滲壓計(jì)、量水堰、測(cè)縫計(jì)、鋼筋計(jì)、溫度計(jì)、應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)和雨量計(jì)等,這些儀器一般分布于壩體內(nèi)部廊道、壩基、壩身和壩體表面.根據(jù)儀器類(lèi)型和測(cè)點(diǎn)位置,又可將監(jiān)測(cè)信息分為2種:(a)描述大壩上下游、左右岸及豎直向的向量信息;(b)記錄溫度、體積、濕度、流速等非方向性的標(biāo)量信息.

根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器的分布形式,可將信息可視化圖形分為平面測(cè)值圖、壩體多個(gè)剖面的空間測(cè)值云圖和等值線(xiàn)圖、結(jié)構(gòu)三維空間云圖.按照監(jiān)測(cè)信息時(shí)間點(diǎn)的不同,賦予信息動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,還可形成包含時(shí)間因素的多維時(shí)空可視化動(dòng)態(tài)圖.

圖1 監(jiān)測(cè)信息鏈Fig.1 Monitoring information chain

3 可視化方法

3.1 空間離散測(cè)點(diǎn)的連續(xù)化

由于壩體測(cè)點(diǎn)布局一般根據(jù)監(jiān)測(cè)類(lèi)型、監(jiān)測(cè)目的和儀器性能人為設(shè)定,其空間分布呈不規(guī)則離散狀態(tài),某些重要位置測(cè)點(diǎn)多,有些測(cè)點(diǎn)只分布在某一環(huán)線(xiàn)或平面上,因此難以按照等間距空間的統(tǒng)一算法對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行差值連續(xù)化處理.為此,采用Delaunay三角剖分算法[8]將離散的測(cè)點(diǎn)集合剖分成不均勻的三角形網(wǎng)格,如圖2所示.

Delaunay三角剖分得到的三角形網(wǎng)格具有2個(gè)重要特性:(a)空?qǐng)A特性,即在Delaunay三角形網(wǎng)格中,任一三角形外接圓范圍內(nèi)不會(huì)有其他點(diǎn)存在;(b)最大化最小角特性,即在散點(diǎn)集可能形成的三角剖分網(wǎng)格中,Delaunay三角剖分所形成的三角形的最小角最大.從這個(gè)意義上講,Delaunay三角形網(wǎng)格是“最接近于規(guī)則化”的三角形網(wǎng)格.如果上述2個(gè)重要特性存在,則三角剖分算法具有如下3個(gè)優(yōu)良屬性:(a)最接近性,即以最臨近的三點(diǎn)形成三角形.該屬性可保證空間任意測(cè)點(diǎn)只與最臨近的測(cè)點(diǎn)相關(guān)以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.(b)唯一性,即不論從區(qū)域何處開(kāi)始構(gòu)建,最終結(jié)果都是一致的.該屬性可保證連續(xù)化數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及重復(fù)剖分?jǐn)?shù)值的唯一性.(c)區(qū)域性,即新增、刪除、移動(dòng)某一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)只會(huì)影響臨近的三角形.該屬性可保證監(jiān)測(cè)儀器的增減僅對(duì)局部產(chǎn)生影響.

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)插

較常用的數(shù)據(jù)內(nèi)插方法有線(xiàn)性插值、樣條插值和最臨近插值方法等,這些插值方法難以適應(yīng)不同測(cè)點(diǎn)因位置不同產(chǎn)生的幾何位置變化,當(dāng)測(cè)值分布不均或不規(guī)則時(shí)易產(chǎn)生插值精度不高或使得插值圖形邊緣退化圖形模糊.為了保證插值的連續(xù)性以及對(duì)不同網(wǎng)格形狀的適應(yīng)性,這里參照有限元計(jì)算網(wǎng)格剖分方法[9],內(nèi)插計(jì)算采用形函數(shù)插值算法.在空間數(shù)值的內(nèi)插計(jì)算中,用2個(gè)三角行組成四邊形,按照測(cè)點(diǎn)不規(guī)則的空間分布形式形成棱柱或六面體,并用其來(lái)擬合壩體結(jié)構(gòu),由于形成單元的不規(guī)則性,用等參單元加以描述(圖3).圖3(a)為不規(guī)則形單元,可按等參單元規(guī)則轉(zhuǎn)換為圖3(b)所示規(guī)則形單元,轉(zhuǎn)換方法如下:

空間某點(diǎn)P的測(cè)值向量VP可表示為

式中:V i——第i點(diǎn)的測(cè)值向量;N——依據(jù)測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)得到的形函數(shù)矩陣.在空間六面體八節(jié)點(diǎn)單元中,N的元素可表示為

圖2 三角剖分網(wǎng)格Fig.2 Triangular meshes

圖3 空間八節(jié)點(diǎn)等參單元Fig.3 Eight-node isoperimetric elements

式中:ξi,ηi,ζi——i的母單元坐標(biāo);ξ,η,ζ——點(diǎn) P 的母單元坐標(biāo).插值計(jì)算時(shí)先將 xyz坐標(biāo)軸下的不規(guī)則單元用形函數(shù)轉(zhuǎn)換為等參單元,再按式(1)計(jì)算P點(diǎn)測(cè)值,若 VP為與坐標(biāo)軸有關(guān)的空間向量,則再用等參單元將 VP轉(zhuǎn)換為原始坐標(biāo)系下的測(cè)值.空間棱柱是空間六面體的簡(jiǎn)化,可參照有限元形函數(shù)[9]進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算.平面數(shù)值內(nèi)插是空間數(shù)值內(nèi)插的簡(jiǎn)化,采用平面三角形單元的形函數(shù)進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算,即令 i=1,2,3,可直接按式(1)進(jìn)行計(jì)算.

3.3 流程及算法

流程為:(a)提取數(shù)據(jù)信息并分類(lèi);(b)進(jìn)行整編計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)化處理;(c)繪制壩體三維空間圖以及監(jiān)測(cè)信息的三維空間云圖和等值線(xiàn);(d)大壩監(jiān)測(cè)信息時(shí)間維度上的顯示變換等.根據(jù)流程利用Matlab軟件[10]及其圖像處理工具箱中的一些函數(shù)編寫(xiě)算法.算法所用到的一些主要函數(shù)及其功能如下:PLOT3(X,Y,Z,C)函數(shù),用于繪制三維空間多段線(xiàn),X,Y,Z分別為空間3個(gè)方向的點(diǎn)坐標(biāo)集合矩陣,C為繪制線(xiàn)的形式和顏色;MESH(X,Y,Z,C)函數(shù),用于繪制空間曲面;PATCH(X,Y,Z,C,inf)函數(shù),用于繪制空間面片;pcontour(n,C,pxyz,tri,value)函數(shù),用于繪制空間上測(cè)值相等的點(diǎn),可在空間上形成任意曲面的等值線(xiàn)圖,tri為使用delaunay函數(shù)劃分出的三角形編號(hào)矩陣,n為等值線(xiàn)個(gè)數(shù),C為等值線(xiàn)顏色,這里設(shè)置C=‘white',即等值線(xiàn)為白色;set(colorbar('vert'),'YTick',yTick,'YTickLabelMode','Manual','YTickLabel',Label)函數(shù),colorbar(色帶)控制三維空間場(chǎng)中,場(chǎng)量數(shù)值與云圖顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

4 可視化實(shí)例

4.1 大壩監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和儀器布置概況

本文以福建省境內(nèi)某碾壓混凝土重力壩為例來(lái)說(shuō)明大壩監(jiān)測(cè)信息可視化效果.該壩最大壩高115.0m,壩頂高程179.0m,由左至右共分為7個(gè)壩段.主要建筑物表面和內(nèi)部布置了變形、滲流、溫度、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目.變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要是壩體上下游、左右岸和垂向變形監(jiān)測(cè),滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要是壩基揚(yáng)壓力、壩體滲漏量和繞壩滲流監(jiān)測(cè),溫度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要是壩體內(nèi)部溫度及大壩表面溫度監(jiān)測(cè).壩體應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)以及壩體和閘墩裂縫計(jì)用于大壩應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)部監(jiān)測(cè).大壩監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置較為齊全,監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)良好,能較全面地獲取壩體各個(gè)方面的信息.

4.2 監(jiān)測(cè)儀器空間分布的可視化

大壩2個(gè)主要剖面溫度計(jì)、壩頂引張線(xiàn)及內(nèi)部電水平傾角計(jì)空間分布如圖4所示.從圖4可知:壩頂布置了11條引張線(xiàn),埋設(shè)點(diǎn)分別為EX1,EX2,…,EX12;壩體中部橫向布置了9個(gè)電水平傾角計(jì),分別為CL14,CL15,…,CL22;壩體2個(gè)主要剖面布置了58支溫度計(jì),一個(gè)剖面布置的溫度計(jì)分別為T(mén)5,T6,…,T38,另一個(gè)剖面布置的溫度計(jì)分別為T(mén)39,T40,…,T62.界面工具欄中可選擇對(duì)空間布置圖進(jìn)行保存、動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)、縮放、標(biāo)記修改等的交互功能.

圖4 監(jiān)測(cè)儀器的空間分布Fig.4 Spatial arrangement of monitoring instruments

4.3 壩體位移場(chǎng)的可視化

利用大壩正垂線(xiàn)、倒垂線(xiàn)、引張線(xiàn)和視準(zhǔn)線(xiàn)的空間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了大壩徑向變形的空間位移場(chǎng),如圖5所示.圖中網(wǎng)格表示大壩變形原始基準(zhǔn)測(cè)值,實(shí)體部分表示變形后的空間效果.為了突出顯示變形效果,將其放大了5000倍,云圖顯示了變形實(shí)際數(shù)值的大小.由此可見(jiàn),大壩頂部中間變形超過(guò)4.93mm,這與實(shí)際情況相符.圖5左下角滑塊所指數(shù)字為07,表示該圖顯示的是大壩2007年初的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),也可以拖動(dòng)滑塊動(dòng)態(tài)選擇2000—2009年初的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).這里還可以平移、縮放、旋轉(zhuǎn)空間視圖,放大檢查局部變形效果.點(diǎn)擊自動(dòng)動(dòng)畫(huà)效果圖功能鍵,視圖將從2000年逐年變換效果圖直至2009年.

4.4 壩體剖面溫度場(chǎng)的可視化

根據(jù)壩體2個(gè)主要剖面溫度監(jiān)測(cè)信息繪制了壩體剖面溫度云圖和等值線(xiàn)圖,如圖6所示.從圖6可以看出,壩體內(nèi)部溫度高于外部溫度,下游溫度高于上游溫度,下部溫度低于上部溫度.這種現(xiàn)象是由于蓄水期下游無(wú)水和壩體水深影響所致.

圖5 壩體空間位移場(chǎng)Fig.5 Spatial displacement field of dam

圖6 壩體剖面溫度場(chǎng)Fig.6 Temperature field of dam profile

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于可視化技術(shù)研究了大容量多維度大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖形化方法,實(shí)現(xiàn)了空間測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)化和多維時(shí)空顯示.通過(guò)多維時(shí)空顯示,可以方便快速地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中隱藏的關(guān)系和模式,為大壩安全評(píng)定和壩體狀態(tài)分析提供較為充分的依據(jù).如何充分利用現(xiàn)有的可視化、空間三維動(dòng)畫(huà)及知識(shí)信息的融合等技術(shù),實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測(cè)信息的遠(yuǎn)程采集、可視化分析、控制和可視化預(yù)警預(yù)測(cè),最終建立一個(gè)完整的遠(yuǎn)程信息可視化分析控制系統(tǒng),仍是有待研究的重要課題.

[1]吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2003:1-9.

[2]欒春娟,侯海燕.創(chuàng)新研究國(guó)際前沿的可視化分析[J].科技與管理,2009,11(1):28-30.(LUAN Chun-juan,HOU Hai-yan.Visualization analysis on international frontiers of innovation studies[J].Science-Technology and Management,2009,11(1):28-30.(in Chinese))

[3]孫揚(yáng),封孝生,唐九陽(yáng),等.多維可視化技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2008,35(11):1-7.(SUN Yang,FENG Xiao-sheng,TANG Jiuyang,et al.Survey on the research of multidimensional and multivariate data visualization[J].Computer Science,2008,35(11):1-7.(in Chinese))

[4]朱趙輝,顧沖時(shí),包騰飛,等.基于可視化和組件技術(shù)的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,29(6):486-489.(ZHU Zhao-hui,GU Chong-shi,BAO Teng-fei,et al.Study on dam safety monitoring system based on visualization and component technology[J].Journal of China Three Gorges University:Natural Sciences,2007,29(6):486-489.(in Chinese))

[5]李子陽(yáng),包騰飛,朱趙輝.基于TChart的大壩位移場(chǎng)可視化[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,36(4):496-500.(LI Ziyang,BAO Teng-fei,ZHU Zhao-hui.TChart-based visualization of dam displacement field[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2008,36(4):496-500.(in Chinese))

[6]郭金根,李?lèi)?ài)明.碾壓混凝土大壩內(nèi)部觀測(cè)設(shè)計(jì)綜述[J].大壩與安全,2002,36(6):16-18.(GUO Jin-gen,LI Ai-ming.Overview on internal monitoring design of compacted concrete dams[J].Large Dam and Safety,2002,36(6):16-18.(in Chinese))

[7]趙志仁,趙永.三峽工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2005,24(6):53-56.(ZHAO Zhi-ren,ZHAO Yong.Optimization study on the safety monitoring design of the Three Gorges Project[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2005,24(6):53-56.(in Chinese))

[8]DYER R,ZHANG H,MOLLER T.Voronoi-Delaunay duality and delaunay meshes[C]//ACM Symposium on Solid and Physical Modeling.New York:Association for Computing Machinery,2007:415-420.

[9]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998:112-172.

[10]求是科技.MATLAB7.0從入門(mén)到精通[M].北京:人民郵電出版社,2006:2-15.