基于GIS的水工程安全监测信息管理系统设计与应用

金有杰，周克明，王海妹，雷 雨，李 东

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京210012)

基于GIS的水工程安全监测信息管理系统设计与应用

金有杰1，2，周克明1，2，王海妹1，雷 雨1，李 东1

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京210012)

利用GIS在数据管理、可视化和空间分析等方面的技术优势，结合水工程安全自动化监测的实际业务需求，基于GIS平台研发水工程安全监测信息管理系统，构建属性信息、监测数据与空间信息一体化数据管理体系，在C/S、B/S混合模式架构下实现安全监测信息的可视化查询、资料分析、信息化管理与成果输出等功能。系统在全国多个水工程安全监测自动化系统中投入应用，提高水工程自动化安全监控的工作效率和可靠性。

水工程安全监测；信息管理系统；GIS；设计

我国已建成的各类水坝8.7万余座，在防洪、灌溉、供水及发电等诸多方面发挥了巨大的社会经济效益[1]。近年来，水工程安全自动化监测技术快速发展，针对大坝主体及周边环境开展的自动化安全监测工作贯穿于工程始终，基本达到了反馈设计、指导施工以及运行状态监控的目的[2]。综合目前国内已建的水工程安全自动化监控系统来看，在形成全面而复杂的安全空间监测网络体系的同时，自动化采集的数据信息量庞大且冗杂；测点、仪器的属性信息与空间位置关系模糊。造成监控人员获取指定信息的难度加大，安全信息发布滞后，管理者无法及时了解大坝安全状态并快速准确做出决策。因此，构建更加完善的水工程安全监测信息管理系统，实现安全监测信息实时发布、可视化查询和数据管理已经显得十分必要[3]。

地理信息系统(GIS)作为获取、整理、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，由于其强大的数据管理、空间分析和可视化显示功能，近年来得到了广泛关注和迅猛发展[4]。ArcGIS是美国环境系统研究所推出的一套GIS软件产品，具有海量异构数据存储、分析、管理、预测等功能，利用其提供的开发平台与工具可以创建专业领域的客户化GIS应用程序，具有良好的系统集成性，可以提供多层次、多功能的信息服务[5]。因此，基于GIS平台充分应用ArcEngine组件库、Map服务、DotNET平台等先进信息技术，结合水工程安全自动化监测的实际需要，开展安全监测信息管理系统的研究与应用工作，进一步提高水工程安全监测方面的自动化信息管理与分析水平，丰富和发展安全监测系统的研发方式和应用实例。

1 系统设计

1.1 系统架构

系统基于GIS平台，在DotNET开发环境下利用ArcEngine组件库进行开发。由于目前国内大部分大坝水库管理单位已经具备稳定的局域网络系统，并考虑B/S与C/S两种常用软件架构的优缺点，系统采用B/S与C/S的混合模式架构。即在水库管理区局域网内部，建立统一的数据库系统和软件系统入口，通过客户端应用程序或浏览器操作的方式对监测信息进行访问与管理。混合模式的系统架构交互性强、维护成本低、应用复杂度低，是对两种单一模式的有效集成[6]，对专业性强、安全性要求高的水工程安全监测系统更加适用。

1.2 信息管理流程

信息管理主要涉及数据的采集、编码、建库、处理、维护等问题，由于用户对信息管理的需求不同，信息系统的流程又是用户个性的反映[7]。针对水工程自动化监测系统的管理要求，系统以相应行业规范和标准为依据，设计和建立安全监测信息处理与管理流程，如图1所示。系统对仪器和测点信息进行唯一性编码，为数据采集和测点信息管理奠定基础；通过分布式监测系统采集信息，将实时数据采用后台处理的方式进行预处理；进而构建数据信息库，并对涉及的空间信息、属性数据进行集成管理；海量数据通过高效的检索技术手段以图形、图表等多元化方式进行展现，结合科学合理的分析模型进行资料分析，最终为用户提供辅助决策。此外，在系统运行的全生命周期内，系统维护工作贯穿始终。

图1 信息流程示意

1.3 功能模块设计

基于GIS平台的水工程安全监测信息管理系统主要由数据查询与管理、图形空间信息管理、项目信息管理、资料分析以及系统管理5大模块组成(如图2)。5大模块的主要功能分别是①数据查询与管理模块提供不同数据源的监测数据检索、可视化查询、过程线与报表等基本功能，以图表的形式直观显示监测信息并提供多元输出方式；②图形空间信息管理模块中对库区所处流域的基础地理信息数据、重点监测区域与典型断面的图形信息、测点和仪器的空间分布图形等进行编辑、显示和管理；③项目信息管理模块实现了项目的资料管理，并对仪器和测点所涉及的基本信息及计算公式等进行有效管理；④资料分析模块针对采集数据进行整编与预处理，并采用多种分析手段，对指定区域或时间段的监测资料进行分析比较；⑤系统管理模块主要实现了系统使用人员的权限和信息管理，增强系统的安全性和操作的便捷性。

图2 功能结构示意

2 关键技术问题

2.1 数据库一体化管理

数据库是水工程安全监测信息管理系统的核心和基础，系统数据库设计与组织的优良将直接影响到系统数据的检索、存储以及输出的速度与效率。由于水工程安全监控涉及多种类型数据信息，需要存储与管理的信息量大、种类多、关系复杂。因此，合理设计系统数据库对系统开发与应用具有非常重要的作用[8-9]。

数据库实现中最重要的是数据表结构的设计，合理的设计数据表是顺利开发数据库的基础[10]。系统为仪器、测点、图表等对象进行唯一编码，并通过主键或索引约束技术将仪器测点信息与监测数据、空间信息进行关联，形成相互融合、冗余度小、关联性强的时空一体数据库。以仪器信息为例(如图3)，对监测仪器进行编码，并基于编码建立与仪器位置、监测数据、信息分组等数据表的关联体系。进而明确仪器的基本信息、空间信息和监测数据之间的相互关系。信息分组表又可以根据分组编码与报表、过程线表进行关联，形成仪器-数据-图表信息的无缝对接，提高数据查询速度和效率，减少数据冗余。

图3 仪器关联信息关系示意

2.2 空间信息设计与管理

系统涉及的空间信息主要包括：水工程所处流域基础地理信息、水工程结构信息以及仪器测点的空间分布等信息。部分空间信息设计情况如表1所示，根据GIS数据格式特点，将所有二维空间信息分为点、线及多边形三种数据结构进行存储，按照不同的专题类型进行分类分层的图形化管理。此外，由于CAD图形资料是工程项目中经常用来表述水工程建筑结构的一种资料形式，因此系统以现有CAD图形信息与GIS平台相结合，建立统一的工程坐标体系，形成CAD-GIS数据的跨平台兼容与管理流程。

表1 空间信息设计

将现有的图形资料作为基础数据源，与仪器、测点的空间信息相匹配，形成安全监测体系中重要的基础空间图形资料。

2.3 主要分析方法

2.3.1 统计模型

通常水工程安全分析工作关注的重点主要集中在坝体表面与内部的位移分析、渗流监测、外部变形及结构体应力应变分析等几个方面，对于这些问题的处理通常需要建立相应的分析模型。以土石坝沉降变形分析为例，运行期的土石坝沉降实质是土体内孔隙水逐渐排出，孔隙体积减小，土骨架和孔隙水受压力逐渐转移和调整的过程[11]。因此沉降主要由土体固结引起，同时考虑由库水位变化造成的水压力、湿化变形和上浮力的改变，以及温度变化引起的土体线胀和冻胀变化，建立面板堆石坝运行期的沉降变形统计模型[12]：

(1)

式中，δt为沉降的时效分量；δH为水压分量；δT为温度分量；H、Hi分别为坝前水深及平均水深；Ti为观测当天的温度，以及前i天的平均气温；t为从某天起算的时间；m1、m2、m3为样本数；a1、a2、b1、b2、b3、c1、c2为拟合系数。

2.3.2 空间插值分析

自动化监测仪器以点的形式进行布设，每一只仪器观测获得的物理量表征当前所在空间位置的水工程安全性状。然而，由于每个自动化监测项目的投入成本不同，布点设计方案差异性大，仪器布设常常无法面面俱到，监测点仪器采集信息无法完全表达所需要监测的空间范围。针对这类问题，利用测点仪器布设的空间位置关系和监测仪器信息，估算监测空白区域的数据信息，从而将监测数据由点向面进行推算，更加全面的了解和掌握全部监控范围的监测信息。常用的空间信息内插方法有反距离加权和克里金法。

(1)反距离加权法是一种确定性的插值方法，是基于相近相似原理，即距离越近的物体其属性越相似。该方法以估算点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离估算点越近的样本点赋予的权重越大。当权重值由距离平方的反比给出时，则为反距离平方法[13]，即

(2)

式中，Xj为预测点的数据值；Pi为已知点中第i个测点；di为预测点与已知点之间的几何距离；m表示已知测点集合的点个数。

(2)克里金方法是建立在地统计学基础上的一种插值方法，其原理是假设某种属性的空间变化既不是完全随机也不是完全确定。反之，空间变化可能包括3个影响因素：空间相关因素、偏移或结构和随机误差。克里金方法认为，当空间变量的结构性成分确定后，剩余的差异变化属于同质变化，不同位置之间的差异仅是距离的函数，可以表示为[14]

(3)

式中，Z(X0)为X0处的估计值；Z(Xi)为Xi处的观测值；λi为克里金权重系数；n为观测点个数。

3 应用与实现

系统基于GIS平台并结合水工程安全监测特点，充分利用空间数据库管理技术、AE组件以及SOA体系架构，开展水工程安全监测信息管理系统设计、研究工作。构建数据查询与管理、图形空间信息管理、项目信息管理、资料分析以及系统管理五大模块，实现了安全监测信息的高效存储与管理、可视化信息查询、科学客观的资料分析、多元化的信息输出以及风险预警预报等功能，为水工程安全监测系统提供了良好的软件支撑，对及时发现大坝安全隐患，降低事故风险发挥重要作用。

3.1 信息管理

图4 仪器信息管理界面示意

系统构建时空一体化的信息管理体系，将关系型数据表、图形数据以及空间数据有效集成。实现测点和仪器基本信息的增删改功能，确保系统信息与监测硬件一一对应(如图4)；对监测数据分为原始库和整编库进行分类管理，可以对监测异常数据信息进行判别和处理；图表信息的管理方面，系统能够针对不同的监测项目或仪器类型批量创建报表与过程线分组，并对分组进行管理；此外系统还提供了项目资料管理、人员信息权限管理等功能，提高系统的安全性与易操作性。

3.2 可视化查询与输出

通常水工程安全监测系统中布设的仪器少则几十支多则成百上千支，而且每支仪器又包含监测的物理量和换算获得的成果值等多种数据信息。如果用常规的点号检索法对监测信息进行查询，往往查询速度慢、检索效率低，而且需要相当熟悉仪器情况的专业技术人员才可以完成操作。本系统提供可视化数据查询功能，实现了对库区整体地理环境信息的宏观查询，以及对典型断面上测点仪器信息的详细查询(如图5)。此外系统还提供不同监测类型的报表、过程线查询(如图6)以及多种方式的图表信息输出功能，极大提高了数据查询与输出的时效性、便捷性和直观性。

图5 重点断面信息可视化查询

图6 监测信息历史过程线

3.3 数据预处理与资料分析

系统针对水工程安全监测关注的重点，提供了对采集数据的预处理和监测信息的分析功能。主要包括：原始数据的粗差判别与整编；利用逐步回归和相关性分析等数学统计模型实现任意监测项目分析模型的构建和成果预测(如图7)；对大坝的抗滑稳定性进行计算并结合规范要求获得最终稳定性评判结论；利用重点监测区域的有限监测数据通过空间插值方法，进行监测项目面域场的分析计算，如温度场(如图8)、渗流场等，并生成等值线图形。通过数据预处理与资料分析，提高监测数据的真实性与可靠性，并提供科学合理的分析结论。

图7 监测信息相关性分析

图8 典型断面温度场

3.4 分级报警

水工程安全监测实现了自动化的数据采集、高效的信息管理以及科学的资料分析，其最终还需要根据监测数据将分析结果及时传递到相关管理人员与责任人的手中。系统提供了监测信息分级预警预报的功能，根据不同监测仪器的数据合理范围和风险阈值，自动判别水工程安全是否存在隐患。根据监测数据量级的不同将风险划分等级，由系统的GSM功能模块进行短信预警，根据不同的风险等级将预警信息发送到不同级别的责任人手中，让相关管理人员及时了解水工程安全状态。

4 结 语

本文充分利用GIS技术在数据管理、显示和空间分析方面的优势，基于GIS平台研发水工程安全监测信息管理系统，构建了监测数据、属性信息和空间数据一体化的数据库管理体系，并在C/S与B/S混合模式架构下实现安全监测信息的查询、管理、分析与输出功能。系统在全国多个水工程安全监测自动化系统中投入运行，具有较好的稳定性和高效的数据查询与管理能力，大大提高了安全监控的效率和可靠性，可以使安全监测专业人员和上级主管部门及时掌握水工程的实际运行状态，指导水利水电工程的安全运行。

另一方面，随着云技术的快速发展，基于GIS云建设模式的计算平台会进一步为水工程安全监测系统提供更加高效的数据分析方式，更友好的信息管理模式以及低成本的使用地理信息资源。结合云GIS、三维仿真技术、专家评判系统做进一步研发，可为完善系统监测数据的高级分析和可视化操作功能，为水工程安全监测信息管理工作提供新的思路和方法。

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(责任编辑 王 琪)

Design and Application of GIS-Based Water Engineering Safety Monitoring Information Management System

JIN Youjie1，2, ZHOU Keming1，2, WANG Haimei1, LEI Yu1, LI Dong1

(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, Ministry of Water Resource, Nanjing 210012, Jiangsu, China; 2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, Jiangsu, China)

By using GIS’s technical advantages in data management, visualization and spatial analysis, and combined with the actual needs of water engineering safety auto-monitoring, the water engineering safety monitoring information management system based on GIS platform is developed. The attribute information, monitoring data and spatial information are integrated together in this system. The safety monitoring information functions including visualization query, data analysis, information management and result output are achieved under mixed mode framework of C/S and B/S. The system has been put into operation in some safety monitoring automation systems of water projects in China, which has improved the efficiency and reliability of automatic safety monitoring of water project.

water engineering safety monitoring; information management system; GIS; design

2015-06-26

水利部科技推广计划项目资助(TG1412)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(Y916014)

金有杰(1987—)，男，江苏南京人，工程师，硕士，主要从事基于3S集成技术的水利信息管理、分析、系统研发等工作.

TV698.2；TP311.52

A

0559-9342(2016)12-0102-05