基于实景三维GIS的水库移动巡查系统设计

刘俊婷，毛继国

（1.水利部河北水利水电勘察设计研究院，天津 300250；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204）

1 引言

中国是世界上水库数量最多的国家，现有8.7万座水库，由于缺少必需的维护经费，病险水库数量过半，达4万多座。从1954年有溃坝记录以来，全国发生溃坝的水库共3 515座，人类历史上最为惨烈的溃坝事件发生在1975年的淮河流域，包括河南省驻马店地区板桥、石漫滩两座大型水库在内的数十座水库漫顶垮坝，73.33 万hm2农田被毁灭，1 100 万人受灾，超过2.6万人死亡。如何保障水库安全运行，是摆在水利管理部门面前的重大课题。

巡查是水利部门开展水库安全检查的重要手段，并为后续相关决策提供重要支持。传统的巡查往往是携带纸质巡查表格到现场手工填写，拍摄照片或录像，然后回单位进行内业整理，效率较低下，难以满足管理要求。为此，迫切需要利用先进的技术手段来提高水库巡查的及时性、准确性和效率。基于实景三维GIS、移动GIS、GPS、移动通信、数据交换等技术的移动巡查系统为解决以上问题提供了重要的技术支撑。

2 系统目标和设计原则

实景三维GIS是在二维GIS的基础上，增加了连续的地面可量测影像库作为新的数据源，并通过开放的软件与GIS 无缝集成，从而给用户提供了一个更直观易用的实景可视化环境。移动GIS是以移动互联网为支撑、以智能手机或平板电脑为终端，结合北斗、GPS 或基站为定位手段的GIS 系统。移动巡查系统是在实景三维GIS 和移动GIS 有机结合的基础上，结合水库巡查业务设计的系统。利用实景三维GIS 不仅可以在传统二维地图上显示方位信息，而且可以显示详细的环境信息（水库所在的山体、边坡和狭长地表形态等复杂的地理环境），充分发挥移动GIS 灵活性、便捷性的特点。工作人员携带手持移动终端，到巡查现场进行记录、登记、取证、图形操作、业务数据查询和灾情上报等，完成日常型、专题型、突发型的巡查任务。

水库移动巡查系统设计原则是“统筹规划、专题设计、业务协同、信息共享”。水库管理涉及到水库建设、水库维修、水库监控和水库巡查等各个方面，必须统筹水库管理的各项业务，进行整体设计。在整体设计基础上，做好水库巡查系统的专题设计，使之符合总体规划的要求，并做好巡查相关的内外部业务协同管理，实现水库管理部门之间的信息共享。

3 系统设计

3.1 总体架构

基于实景三维GIS的水库移动巡查系统是一个整体的系统平台，采用分层架构进行设计，分为数据资源层、基础支撑层、应用系统层和安全运行保障体系、信息化标准规范体系，简称“三层两体系”。系统总体架构，如图1所示。

图1 水库移动巡查系统总体架构

（1）数据资源层是系统的信息集散和传输中心，好比是“信息仓库”，包括保存实景三维GIS 需要的近景影像库，存储地形、影像和行政区划等信息的基础空间库，存放巡查任务和考核数据等信息的巡查业务库，以及图片、录像等文件数据。

（2）基础支撑层是系统的理论基石，包括作为系统底图的实景三维GIS 系统、实现业务流程化办理的工作流引擎、移动终端设备和监控中心进行数据交换的系统以及实现信息共享的系统。

（3）应用系统层是系统建设的核心。它运用基础支撑层的方法，利用数据资源层提供的各种信息，为移动巡查管理提供办理、查询、统计和分析的平台。

（4）信息化标准规范体系是引领信息化发展的基础，是实现“互联互通、业务协同、信息共享”的前提，必须遵循国内外技术标准和行业标准。

（5）安全运行保障体系是一套确保水库移动巡查系统安全运行的体系，需从技术、管理、运行诸方面综合考虑。

3.2 功能模块

水库移动巡查系统包括移动终端服务子系统和综合巡查管理子系统。系统功能组成，如图2所示。

图2 水库移动巡查系统功能组成

（1）移动终端服务子系统。移动终端服务子系统部署在移动终端，如手机、平板电脑等，供巡视员使用。它通过实景三维GIS 进行导航，通过无线通信技术与数据中心进行信息交流和业务处理。其功能包括业务数据查询，巡查任务接件、取证、上报，巡查轨迹记录，巡查案件上报，地图放大、缩小、漫游、旋转、定位、量测和制图输出，GPS 信号处理以及通信状态管理。

鉴于水库所在地地理环境的复杂性以及GPS和通信信号的不稳定性，需要考虑通信状态管理及GPS 信号处理和补充定位功能。在通信状态管理上，当移动通信信号不佳或中断时，无法实现移动终端与监控中心之间的通信，影响数据上传（如巡查记录、图片等），需提供基于消息队列的数据离线缓存机制；在GPS信号处理上，利用差分技术消除大部分信号折射、反射造成的漂移，按照格拉布斯准则剔除明显偏离的数据，经坐标转换后显示在三维实景GIS 地图上。对于无GPS 信号的地区，采用移动运营商的MPS信号进行补充定位。

（2）综合巡查管理子系统。综合巡查管理子系统部署在监控中心服务器，供监控管理人员使用。它以实景三维GIS为底图，以巡查任务的下达、跟踪为主要内容，以巡查轨迹回放和绩效考核为手段，实现水库移动巡查的流程化、规范化管理，功能包括业务数据管理、巡查任务分派及监控，巡查记录管理、巡查轨迹回放、巡查案件管理、地图操作、人员绩效考核和综合查询统计。

综合巡查管理子系统采用面向服务的思想进行开发设计，通过WebService 接口与移动终端服务子系统进行交互。移动终端服务子系统将需要传输的文本、图片和影像等数据，转换成规定格式的XML文件，通过Base64编码，发送到综合巡查管理子系统。基于数据交互技术，进行XML文件反序列化、解析，最终实现对数据的增加、删除、修改和查询操作。

4 系统主要特点

水库移动巡查系统和现有的主流系统相比，主要特点如下：

（1）增加实景导航功能。系统实现对水库沿线景观（如路面、边坡、绿化等）及设备（如水位仪、气象仪等）的影像浏览和实景导航。实景三维GIS 相比传统三维GIS，数据采集速度快、建设费用更低，性价比相对较高，比较实用。

（2）丰富巡查取证功能。系统不仅可以实现传统意义上将照片、录像、文本等各类数据及时准确地传递到监控中心，而且可以将实景量测数据（如坝堤被盗采的实际范围线、土方量和可量测影像）与位置（GPS）一起发送到监控中心，为决策指挥提供可靠的依据和数据支持。通过现场影像数据与历史影像数据对比，系统也可以进行后续的损害评估、规划重建等。

（3）创新绩效考核功能。系统取消巡检员“上班签到、下班签退”的工作机制，采用绩效考核与巡检轨迹相结合的模式，综合考察巡查路线的路况、周边环境等因素，将巡查路线合理划分成若干段，并规定每段需要的时间；最后，通过巡查轨迹位置和时间与巡查线路规定值的对比，准确地反映巡查人员的工作量、工作效率和工作完成情况。

5 结语

采用移动终端技术开发的移动巡查系统已经越来越广泛地应用在水利管理中，也取得了很多成绩。笔者综合运用实景三维GIS、近景摄影测量、无线通讯等技术设计的水库移动巡查系统为水库巡查管理提供了丰富、便捷的管理手段，从整体设计的角度阐述了系统建设目标、原则、技术架构和系统功能等，为类似系统的开发提供了基础，同时对其他领域的推广应用具有一定的借鉴意义。

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