劉超 黃銘 舒星

摘要：針對(duì)臨江岸坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布廣、可視化程度低、需要實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理等特點(diǎn)，利用Visual Studio平臺(tái)開(kāi)發(fā)了具有二維、三維地理信息可視化和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理及預(yù)測(cè)的臨江岸坡安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。在CIS平臺(tái)下分別利用TIN表面和柵格表面兩種建模方法建立了臨江岸坡的三維地理信息模型。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用VB語(yǔ)言構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。通過(guò)建立Access數(shù)據(jù)庫(kù)，將大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如位移、滲壓、雨量等進(jìn)行匯總，方便管理。工程實(shí)例證明，該信息系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了岸坡安全監(jiān)測(cè)中的二維、三維可視化顯示，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)管理，數(shù)學(xué)建模分析模塊可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：臨江岸坡；可視化；建模分析；監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV871.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.010

岸坡失穩(wěn)破壞是岸坡治理工程中經(jīng)常遇見(jiàn)的災(zāi)害之一。隨著人類(lèi)活動(dòng)的日益頻繁，工程岸坡穩(wěn)定問(wèn)題越來(lái)越突出。岸坡的治理涉及范圍廣，管理難度較大，河流兩岸往往分布著眾多城市，人口密度大，一旦發(fā)生岸坡失穩(wěn)破壞，往往導(dǎo)致較大的生命財(cái)產(chǎn)損失。目前岸坡治理存在許多問(wèn)題，如防洪標(biāo)準(zhǔn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、岸坡年久失修、缺乏對(duì)岸坡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以及對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析處理。

岸坡安全監(jiān)測(cè)是依據(jù)布置在岸坡中各部位的大量監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備來(lái)產(chǎn)生時(shí)序數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理、計(jì)算、分析來(lái)了解岸坡的工作狀態(tài)，保障其安全運(yùn)行。一般情況下，岸坡上布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目比較繁雜，監(jiān)測(cè)部位空間分布較廣，形成了復(fù)雜的空間監(jiān)測(cè)體系，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量很大。因此，有必要開(kāi)發(fā)岸坡安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)岸坡安全監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)分析和可視化顯示，為采取及時(shí)有效的防范措施提供條件。

本文基于安全監(jiān)控系統(tǒng)，便捷應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立監(jiān)控模型，揭示在水位、降雨等影響下岸坡位移、滲壓變化規(guī)律，預(yù)測(cè)岸坡位移、滲壓變化趨勢(shì)。采用ArcGIS Engine和C#程序相結(jié)合的開(kāi)發(fā)手段，在VisualStudio平臺(tái)上，根據(jù)岸坡安全監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，研究建立安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)空間數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理以及分析結(jié)果可視化等功能，實(shí)現(xiàn)岸坡安全監(jiān)測(cè)的信息化、可視化和系統(tǒng)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臨江岸坡安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、二維及三維地理數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)等。邏輯層在VS開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，利用ArcGIS Engine組件和C#編程語(yǔ)言建立各功能模塊并實(shí)現(xiàn)各模塊之間的關(guān)聯(lián)。應(yīng)用層可以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的交互式應(yīng)用。

1.2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能主要有：系統(tǒng)簡(jiǎn)介，監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊地形二維、三維可視化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)。其中：系統(tǒng)簡(jiǎn)介模塊可以使用戶方便快捷地了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能：可視化模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維和三維臨江岸坡周邊地形、地貌的瀏覽；數(shù)據(jù)管理分析模塊可以進(jìn)行屬性信息和監(jiān)測(cè)信息管理以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用、更新和維護(hù)：數(shù)據(jù)管理分析模塊能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析及預(yù)測(cè)。系統(tǒng)功能模塊如圖l所示。

2 監(jiān)控模型研究

目前，T程監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)建模分析方法有很多種，如灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、統(tǒng)計(jì)模型等。臨江岸坡安全監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目包括位移、水位、滲壓及雨量等。臨江岸坡監(jiān)測(cè)因其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之間有一定的相關(guān)關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有白組織、白適應(yīng)和自學(xué)能力，特別適合處理需要同時(shí)考慮許多因素和條件的問(wèn)題。結(jié)合二者的特點(diǎn)，針對(duì)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析方法的基本理論及其在臨江岸坡安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。基本BP算法包括兩個(gè)方面：信號(hào)的前向傳播和誤差的反向傳播，即計(jì)算實(shí)際輸出時(shí)按從輸入到輸出的方向進(jìn)行，而權(quán)值和閾值的修正從輸出到輸入的方向進(jìn)行。BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。圖2中：xi為輸入層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入變量，i=l，…，M；wn為隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)到輸入層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值，i=1，…，q；θ。為隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的閾值：Φ（x）為隱含層的激勵(lì)函數(shù)；Wki為輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)到隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值，k=l，…，L；ak為輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的閾值：ψ（x）為輸出層的激勵(lì)函數(shù)；0k為輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出變量。

2.1 信號(hào)的前向傳播

隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出變量為式中：nef，為隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入變量。

輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出變量為式中：netk為輸出層第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入變量。

2.2 誤差的反向傳播

誤差的反向傳播，即首先由輸出層開(kāi)始逐層計(jì)算各層神經(jīng)元的輸出誤差，然后根據(jù)誤差梯度下降法來(lái)調(diào)節(jié)各層的權(quán)值和閾值，使修改后網(wǎng)絡(luò)的最終輸出能接近期望值。對(duì)于每一個(gè)樣本p的二次型誤差準(zhǔn)則函數(shù)為系統(tǒng)對(duì)P個(gè)訓(xùn)練樣本的總誤差準(zhǔn)則函數(shù)為

根據(jù)誤差梯度下降法依次改變輸出層權(quán)值的修正量△wki、輸出層閾值的修正量△ak、隱含層權(quán)值的修正量△wij、隱含層閾值的修正量△θi：最后得到

3 安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程

安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程如下。

（1）構(gòu)建ArcGIS模型。利用ArcGIS分別構(gòu)建TIN模型及柵格模型。TIN模型是由矢量數(shù)據(jù)建立的，矢量要素包括點(diǎn)要素、線要素和多邊形要素等，要求要素必須具有Z值（高程）。在建立柵格模型時(shí)，通過(guò)與三維建模軟件Sketch Up結(jié)合，給地形加入真實(shí)紋理，使其更好地展現(xiàn)監(jiān)測(cè)位置真實(shí)地貌。

（2）構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，選用與輸出因子關(guān)系密切的因子作為輸入因子，以前文BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，利用VB語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的計(jì)算。

（3）應(yīng)用Visual Studio平臺(tái)，結(jié)合C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)具有二維、三維地理信息可視化和監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息管理及預(yù)測(cè)的安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。

4 工程實(shí)例

以某江堤崩岸監(jiān)測(cè)為例，構(gòu)建臨江岸坡安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)崩岸周邊地形的可視化顯示以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理及分析。

4.1 臨江岸坡ArcGIS模型建立

4.1.1 利用Arc GIS構(gòu)建TIN模型

在ArcGIS平臺(tái)上利用TIN表面建立臨江岸坡的二維地理信息模型。選取適當(dāng)大小的建模區(qū)域，對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行矢量化，矢量化的圖層包括監(jiān)測(cè)點(diǎn).道路、河道、江堤等。輸入各圖層的屬性信息，其中包括監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、深度等信息。通過(guò)高程信息的輸人生成地形TIN模型。

4.1.2 利用Arc GIS及SketCh Up構(gòu)建柵格模型

將構(gòu)建好的TIN模型導(dǎo)人三維設(shè)計(jì)軟件SketchUp，給模型添加紋理，使模型更真實(shí)地展現(xiàn)臨江岸坡周邊地形情況。將帶有真實(shí)紋理的三維柵格模型導(dǎo)出為Arc SCene可以識(shí)別的.mdb格式文件，在ArcSCene中顯示。

4.2 系統(tǒng)可視化模塊構(gòu)建

4.2.1 臨江岸坡二維可視化

在VS平臺(tái)上，調(diào)用ArcGIS Engine組件庫(kù)中的MapControl、ToolBarControl及TOCControl等控件并設(shè)置其屬性，利用C#編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)控件之間的鏈接以及鷹眼、狀態(tài)欄中坐標(biāo)信息與比例尺的實(shí)時(shí)顯示等功能，完成整體框架的構(gòu)建。其中臨江岸坡二維可視化如圖3所示。

4.2.2 臨江岸坡三維可視化

基于VS平臺(tái)，在三維可視化窗體上分別添加相關(guān)控件，并為控件添加相應(yīng)的事件，最終實(shí)現(xiàn)臨江岸坡三維可視化顯示（見(jiàn)圖4）。三維可視化與二維可視化相比，可以更加直觀地實(shí)現(xiàn)對(duì)臨江岸坡場(chǎng)景的瀏覽。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與分析模塊構(gòu)建

4.3.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)管理與分析模塊

添加數(shù)據(jù)管理與分析模塊窗體，通過(guò)VS平臺(tái)提供的DataGridView控件，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與外部的Access數(shù)據(jù)庫(kù)建立鏈接，主要有位移數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)、滲壓數(shù)據(jù)及水位數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)管理與分析模塊窗體上添加數(shù)據(jù)分析控件，通過(guò)C#語(yǔ)言使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與數(shù)據(jù)分析控件建立鏈接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析及預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)管理與分析模塊界面見(jiàn)圖5。

4.3.2 模型預(yù)測(cè)成果分析

將時(shí)間、水位、前期雨量（前5d累計(jì)）作為輸入因子，臨江岸坡位移及滲壓作為輸出因子，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算界面見(jiàn)圖6。

以2015年7月25日至8月14日這一時(shí)段為例，采用前文所述建模方法建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模型，根據(jù)實(shí)測(cè)信息每天取1個(gè)訓(xùn)練樣本點(diǎn)，共21個(gè)樣本點(diǎn)。通過(guò)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的比較，求得位移擬合相對(duì)誤差△位移擬合=3.5%，滲壓擬合相對(duì)誤差A(yù)滲壓擬合=0.3%。對(duì)后3d位移、滲壓進(jìn)行預(yù)測(cè)，位移預(yù)測(cè)相對(duì)誤差△位移預(yù)測(cè)=1.5%，滲壓預(yù)測(cè)相對(duì)誤差A(yù)滲壓預(yù)測(cè)=1.7%，預(yù)測(cè)效果較好。其擬合及預(yù)測(cè)曲線分別見(jiàn)圖7、圖8。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某臨江岸坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，基于GIS與VS平臺(tái)構(gòu)建了岸坡可視化安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。

（1）通過(guò)二維及三維可視化模塊的建立，使用戶更加直觀地了解監(jiān)測(cè)設(shè)置情況及周邊地貌。

（2）系統(tǒng)具有較為完善的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域及周邊地形空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類(lèi)存儲(chǔ)，使用戶較為方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理。

（3）以某一監(jiān)測(cè)時(shí)段為例，選取了與位移、滲壓較密切的時(shí)間、水位及前期雨量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入因子，構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)訓(xùn)練結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，證明模型精度較高，取得了較好的位移、滲壓預(yù)測(cè)效果。所建模型可投人生產(chǎn)應(yīng)用，作為臨江岸坡安全管理決策的重要支撐。

（4）該安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了岸坡監(jiān)測(cè)的可視化、信息化及系統(tǒng)化，為臨江岸坡的運(yùn)行管理提供了支持平臺(tái)。