金有杰，劉 娜，蔣寧遠(yuǎn)

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)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；3.浙江滴石信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

空間數(shù)據(jù)作為水庫(kù)工程安全監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其信息獲取的完整性、管理的科學(xué)性以及數(shù)據(jù)的精確性將直接影響水庫(kù)工程安全監(jiān)測(cè)工作的成效[1]。相對(duì)于單一性水庫(kù)工程，流域、區(qū)域性水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)的空間數(shù)據(jù)管理過(guò)程更加復(fù)雜，數(shù)據(jù)量成倍增長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建設(shè)和維護(hù)過(guò)程中具有動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。對(duì)海量、異構(gòu)、動(dòng)態(tài)的水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理和科學(xué)應(yīng)用具有一定難度，相關(guān)技術(shù)方法的研究有待加強(qiáng)。

GIS具有空間數(shù)據(jù)管理、可視化交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析以及二次開(kāi)發(fā)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]，能解決水庫(kù)群安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理、可視化交互、批量化處理等難題。本文充分利用GIS技術(shù)特點(diǎn)，從空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理和應(yīng)用服務(wù)功能定制兩個(gè)方面出發(fā)，研究了水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)管理、批量化信息交互等關(guān)鍵技術(shù)，提出了地圖空間服務(wù)、變形成果計(jì)算與可視化、重力壩穩(wěn)定分析等空間數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)的高效管理和科學(xué)應(yīng)用，進(jìn)一步提升了流域、區(qū)域性水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)信息化管理和服務(wù)水平。

1 空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理

1.1 空間數(shù)據(jù)分類與存儲(chǔ)

水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)主要包括流域或區(qū)域基礎(chǔ)地理信息、大壩結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所涉及的空間數(shù)據(jù)等。由于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述均可歸屬于點(diǎn)、線、面、體4個(gè)類型之一，因此可根據(jù)不同地物的空間特點(diǎn)進(jìn)行類型劃分（圖1）。利用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)空間信息定位精確和柵格結(jié)構(gòu)以規(guī)則格網(wǎng)表達(dá)大范圍面狀地物的優(yōu)勢(shì)[2]，采用矢量—柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)各類空間數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組，進(jìn)而提高專題空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理效率。

構(gòu)建矢量—柵格一體化空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，以三維坐標(biāo)記錄地物空間信息，并描述相鄰地物的拓?fù)潢P(guān)系；再由柵格單元充填，使水庫(kù)地物具有柵格性質(zhì)。柵格單元大小將直接影響整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精度和存儲(chǔ)效率，若柵格過(guò)大，則導(dǎo)致有效信息的丟失；若柵格過(guò)小，則造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的成倍增長(zhǎng)，增加計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)。因此，本文先利用式（1）定義柵格單元大小，再采用線性四叉樹(shù)編碼法（Morton碼）對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)空間信息進(jìn)行初始編碼，然后在建立四叉樹(shù)十進(jìn)制編碼表的基礎(chǔ)上建立排序表，進(jìn)行二維行程編碼，進(jìn)一步壓縮存儲(chǔ)空間，提升存儲(chǔ)效率，這樣既保證了地物描述的精細(xì)化程度，又最大化地縮減了數(shù)據(jù)冗余度，提升了存儲(chǔ)效率。

式中，i=1,2,3,...,n，n為區(qū)域多邊形數(shù)；H為網(wǎng)格邊長(zhǎng)；{Ai}為研究區(qū)域內(nèi)所有多邊形的面積序列。

在對(duì)監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重組的基礎(chǔ)上，建立專題數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)復(fù)雜空間信息和海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和維護(hù)。將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server與空間數(shù)據(jù)管理引擎ArcSDE相結(jié)合，利用SQL Server對(duì)海量關(guān)系型數(shù)據(jù)表高效存儲(chǔ)以及ArcSDE對(duì)不同類型的空間、圖形數(shù)據(jù)有效管理的優(yōu)勢(shì)[3-5]，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基本屬性和空間數(shù)據(jù)的融合。同時(shí)，對(duì)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行唯一編碼和建立多表關(guān)聯(lián)，形成數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)觸發(fā)機(jī)制，減少數(shù)據(jù)冗余，提高對(duì)空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài) 變化管理的適應(yīng)性和時(shí)效性。

圖1 空間數(shù)據(jù)分類與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 動(dòng)態(tài)管理流程

水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)涉及的空間數(shù)據(jù)眾多，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中儀器、測(cè)點(diǎn)由于運(yùn)維需要，其空間數(shù)據(jù)存在變化的可能?；贕IS技術(shù)，本文采用數(shù)字化、可視化、批量化的動(dòng)態(tài)配置方法對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)、儀器等空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理（圖2）。

圖2 測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)管理流程圖

測(cè)點(diǎn)、儀器空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理的基礎(chǔ)是空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取[6]，在儀器的安裝過(guò)程中需對(duì)布設(shè)位置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并結(jié)合監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，對(duì)測(cè)點(diǎn)儀器的空間位置進(jìn)行校正。利用ArcGIS加載儀器所在監(jiān)測(cè)部位的設(shè)計(jì)圖紙，將圖形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為真實(shí)的空間坐標(biāo)。在統(tǒng)一坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立儀器的點(diǎn)狀矢量圖層，并設(shè)計(jì)儀器基本屬性表結(jié)構(gòu)；通過(guò)精確定位坐標(biāo)點(diǎn)的輸入，以GIS圖形可視化的方式添加測(cè)點(diǎn)，并在屬性表中配置基礎(chǔ)空間信息，生成儀器和監(jiān)測(cè)部位的空間分布圖層；建立并指定儀器的唯一編碼作為儀器空間數(shù)據(jù)表的主鍵，利用ArcSDE對(duì)空間圖層進(jìn)行存儲(chǔ)，并依據(jù)主鍵值與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系型數(shù)據(jù)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)儀器空間數(shù)據(jù)、基本屬性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相互聯(lián)動(dòng)。

在儀器、測(cè)點(diǎn)空間數(shù)據(jù)管理過(guò)程中，本文通過(guò)設(shè)置測(cè)點(diǎn)的在用儀器、儀器狀態(tài)（啟用或停用）、啟用時(shí)間等信息，在不影響原有儀器信息和狀態(tài)的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中任意儀器的動(dòng)態(tài)維護(hù)。此外，由于對(duì)儀器所有信息進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，所以儀器維護(hù)時(shí)，任何信息改變而造成的數(shù)據(jù)更新均能自動(dòng)完成，從而提高了信息管理的效率和自動(dòng)化水平。

1.3 批量化信息交互

通過(guò)人工方式對(duì)水庫(kù)群海量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一處理極易產(chǎn)生誤操作，且工作量巨大[7-9]。此外，自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建設(shè)和維護(hù)過(guò)程中，相關(guān)儀器設(shè)備存在變更、維修、替換的可能，系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)變化特征對(duì)項(xiàng)目空間數(shù)據(jù)的管理提出了更高的要求。

本文以監(jiān)測(cè)儀器和工程結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)空間定位數(shù)據(jù)在GIS數(shù)據(jù)處理平臺(tái)上自動(dòng)生成儀器矢量專題圖層，并根據(jù)儀器編碼和空間數(shù)據(jù)將儀器屬性與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等相關(guān)獨(dú)立的數(shù)據(jù)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成多儀器記錄的綜合信息匯總表。結(jié)合矢量圖形對(duì)儀器測(cè)點(diǎn)和工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化表達(dá)，在批量化自動(dòng)處理的基礎(chǔ)上，以可視化交互的方式實(shí)現(xiàn)多區(qū)域、多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息的批量配置和查詢（圖3、4）。根據(jù)每個(gè)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)定的安全閾值，在后臺(tái)進(jìn)行極值判定和異常判別，達(dá)到數(shù)據(jù)預(yù)警的目的。本文通過(guò)建立批量化的信息交互管理與查詢方法，實(shí)現(xiàn)了與常用辦公軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接，極大地提高了工程安全監(jiān)測(cè)信息管理的工作效率，增強(qiáng)了工程建設(shè)與維護(hù)的便捷性。

圖3 儀器批量化管理

圖4 可視化交互查詢

2 空間數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)方法

在水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，本文利用GIS二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)展了空間數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)方法研究，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)功能模塊，提供了空間數(shù)據(jù)展示、計(jì)算與分析等服務(wù)。

2.1 地圖空間服務(wù)

電子地圖可直觀描述流域或區(qū)域的地理特征，并準(zhǔn)確反映水庫(kù)大壩的空間分布情況?；贓sri開(kāi)源框架ArcGIS Viewer For Flex，采用Flex并結(jié)合ArcGIS API for Flex庫(kù)，在Adobe Flash Builder和MyEclipse平臺(tái)進(jìn)行GIS地圖開(kāi)發(fā)。通過(guò)Map標(biāo)簽和Layer子標(biāo)簽創(chuàng)建切片地圖與專題圖層，圖層類型選擇GraphicsLayer，通過(guò)Graphic標(biāo)簽依次添加點(diǎn)圖層元素，元數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的各點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)（點(diǎn)名稱、經(jīng)緯度、類型等），通過(guò)BlazeDS以RemoteObject的方式傳送到Flex中進(jìn)行顯示，形成跨空間尺度、定位精確、多信息聯(lián)合展示的流域或區(qū)域性離線地圖。其中，地圖發(fā)布與測(cè)點(diǎn)圖層疊加服務(wù)的核心代碼為：

/**

*地圖-測(cè)點(diǎn)圖層疊加服務(wù)

* @param lon 經(jīng)度

* @param lat 緯度

* @param attribute

* @param source 圖片路徑

* @return

*/

public function Map_Marker(lon:Number,lat:Number,attrib ute:Object,value:String,source:Object):Graphic

{

var mp:MapPoint;

var tempmp:MapPoint;

var markerSymbol:PictureMarkerSymbol;

tempmp=new MapPoint(lon, lat);

var image:Image=new Image();

image.data=source;

markerSymbol=new PictureMarkerSymbol(source,ima ge.contentWidth,image.contentHeight,0,0,0);

var myGraphicMarker:Graphic= new Graphic(tempmp,markerSymbol,attribute);

myGraphicMarker.toolTip=value;return myGraphicMarker;

}

2.2 成果計(jì)算與展示

工程安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中儀器安裝位置的空間合理性和數(shù)據(jù)精確性對(duì)監(jiān)測(cè)成果的計(jì)算具有決定性影響。以大壩位移監(jiān)測(cè)為例，引張線、正垂、倒垂等位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是大壩變形監(jiān)測(cè)的主要觀測(cè)手段，引張線儀和垂線坐標(biāo)儀的安裝位置、測(cè)值變化量以及線體的布設(shè)對(duì)于整個(gè)大壩位移監(jiān)測(cè)成果的計(jì)算十分關(guān)鍵。成果涉及多種儀器、多個(gè)測(cè)點(diǎn)的聯(lián)合計(jì)算，其過(guò)程繁瑣、參數(shù)眾多，測(cè)點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)，需采用自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)和計(jì)算手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文利用GIS技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)儀器的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，可避免因?yàn)閭€(gè)別儀器損壞而影響整個(gè)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的問(wèn)題，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行后期維護(hù)、更新改造，且對(duì)多點(diǎn)計(jì)算過(guò)程不產(chǎn)生任何改變。當(dāng)動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)儀器空間數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，多點(diǎn)聯(lián)合計(jì)算可自動(dòng)更新、計(jì)算，極大地減少了工作量。

大壩的沉降、位移等將直接影響大壩的安全，排除儀器和系統(tǒng)誤差，變形監(jiān)測(cè)的精確度與儀器測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)、工程結(jié)構(gòu)原始位置等空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度密切相關(guān)[10-11]。通過(guò)建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖形化表達(dá)方式，精確定位測(cè)點(diǎn)儀器的空間分布位置，并結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)圖形，可直觀展示大壩變形狀態(tài)的二三維交互（圖5、6）。

圖5 監(jiān)測(cè)成果二維平面示意圖

圖6 監(jiān)測(cè)成果三維示意圖

2.3 重力壩的穩(wěn)定分析應(yīng)用

穩(wěn)定分析的目的是驗(yàn)算重力壩在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度，以重力壩擋水段面為例，其所受荷載主要包括壩體自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、浪壓力、動(dòng)水壓力、冰壓力和地震荷載等。各類荷載的計(jì)算主要取決于當(dāng)前大壩結(jié)構(gòu)、庫(kù)水位、泥沙淤積等相關(guān)數(shù)據(jù)，式（2）～式（5）為重力壩擋水段面主要荷載的計(jì)算公式，其中涉及的可變參數(shù)多為與空間信息相關(guān)的基礎(chǔ)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)。因此，利用大壩結(jié)構(gòu)特征、測(cè)點(diǎn)空間分布以及自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，對(duì)重力壩穩(wěn)定分析中所涉及的可變參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一獲取、管理、更新和調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)典型斷面穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)定量分析。

式中，W為壩體自重；P為水平水壓力；Pup為揚(yáng)壓力；Psk為水平淤沙壓力；V為壩體體積，以單位長(zhǎng)度的壩段為單位，通常把斷面分成若干個(gè)簡(jiǎn)單的幾何圖形分別計(jì)算，涉及典型斷面壩頂高程、壩基高程、壩頂寬度、下游折坡點(diǎn)、坡度等信息；γc為壩體混凝土的重度；H為計(jì)算點(diǎn)處的作用水頭，單位：m；γw為水的重度，垂直方向水壓力按水重計(jì)算；S為揚(yáng)壓力分區(qū)的面積，通過(guò)壩基結(jié)構(gòu)幾何計(jì)算獲得；γsb為淤沙浮容重；h為淤沙高度；φs為淤沙內(nèi)摩擦角。

本文基于GIS設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了重力壩穩(wěn)定分析功能模塊，提供了荷載公式與參數(shù)配置（圖7）、斷面穩(wěn)定分析兩個(gè)功能界面。其中，荷載公式與參數(shù)配置功能可對(duì)各種工況下典型斷面的荷載計(jì)算公式進(jìn)行編輯，并錄入固定的基本空間參數(shù)；斷面穩(wěn)定分析功能則可將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代入已完成配置的荷載計(jì)算公式中，自動(dòng)計(jì)算斷面的各類荷載，并通過(guò)多種常用穩(wěn)定分析算法進(jìn)行計(jì)算，比較各種算法的分析成果，最終獲得可靠性較高的分析結(jié)論。

圖7 重力壩的穩(wěn)定分析示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用GIS技術(shù)在空間信息存儲(chǔ)、管理、展示和二次開(kāi)發(fā)等方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)的管理方法進(jìn)行了研究，提出了水庫(kù)群安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)分類與存儲(chǔ)方法、動(dòng)態(tài)管理流程以及批量化信息交互方法，并利用GIS二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)研發(fā)了相關(guān)應(yīng)用服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)群海量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、管理和可視化應(yīng)用，進(jìn)一步提高了水庫(kù)群工程安全監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)的管理效率，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可維護(hù)性，對(duì)流域、區(qū)域性大壩群安全監(jiān)測(cè)信息管理具有一定借鑒價(jià)值。