大坝安全实测信息三维可视化方法研究与应用

金有杰，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）

大坝安全实测信息三维可视化方法研究与应用

金有杰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）

基于大坝安全自动化监测系统实测数据，采用矢量-栅格混合模型进行二三维数据的结构转换，并以空间数据管理引擎与对象关系数据库相结合的方式对多维异构数据集成管理；进而形成场景模型建立流程和监测信息三维可视化方法，实现大坝安全监测三维可视化实施方案并进行应用。研究成果能够兼顾大坝安全监测二维和三维信息的优势，提高多维信息存储与管理效率，进一步提升监测信息的直观性和实时性。

大坝安全；三维可视化；数据集成；实测信息

0 引言

水库大坝的安全运行是涉及社会公众安全、社会稳定和经济发展的大事，对其进行安全监测、预测预警是确保水库大坝安全运行、降低大坝风险、保障公共安全的重要措施[1]。近年来，随着自动化监测水平的不断提高与完善，各类监测系统广泛应用于水库大坝工程中，为大坝安全监测提供了大量的观测资料与可靠的数据来源。大坝安全信息的传统可视化手段主要包括文本、数据报表和二维图形等方式，其缺乏更符合现实世界空间维度的显示方式，对库区环境的描述以及监测信息的直观性、准确性表达等方面存在缺陷。大坝安全监测三维可视化涵盖了大坝的三维场景模型建立、监测信息三维展示2 方面内容。三维场景模型能够全方位展示大坝的复杂空间模型[2-3]，而监测信息的三维显示可以极大提升用户对监测信息的感知能力和可视化效果。

当前，水利水电行业开展三维可视化研究已经取得了一些成果[4-11]，其中钟登华等提出了对工程可视化辅助设计（VCAD）理论的构成体系和实现方法，并将 CATIA 引入心墙堆石坝施工仿真建模中，实现了堆石坝施工场景的远程交互；陈志明等基于Skyline 构建漳河水库三维场景，建立了交互式展示库区地理形态及建筑物的三维可视化平台；燕乔等将混凝土拱坝施工过程与三维可视化技术相结合，实现大坝浇注过程的动态显示。前人的研究成果丰富且具有借鉴意义，但整体上仍处于探索阶段，对于大坝安全监测信息的三维展示，尤其是基于自动化实测数据的三维可视化应用案例还不多。因此，本研究利用自动化监测系统的实时数据结合大坝真实的空间结构特征，兼顾库区场景模型的三维可视化表达，重点研究多维信息的管理与集成、库区场景建设及监测信息三维表达等关键技术，形成大坝安全监测三维可视化方案。

1 多维数据集成

1.1 二三维转换

现有空间构模方法归纳为基于面、体和混合模型的三大类构模体系。考虑到二维数据信息拥有稳定的数据结构和成熟的业务处理流程，且大坝安全监测涉及的数据信息包括库区 DEM、边界、典型断面矢量图、历史数据曲线等多种复杂数据结构，故本研究采用矢量与栅格混合数据结构实现二、三维数据的结构转换。在这个模型中，空间目标分为点、线、面、体四大类，并对地物的空间坐标、形状大小和拓扑信息进行描述，如表1所示。

表1 二三维数据分类与转换

矢量与栅格混合模型既保证了对局部地物以矢量结构进行精准空间描述，又能够以规则的栅格结构简化数据存储并提高集成效率。尤其在栅格模型中可以利用八叉树结构特点解决地物的宏观描述，八叉树数据结构可以看成是二维栅格数据中的四叉树在三维空间的推广，是将三维空间 V 按 X，Y，Z 这 3个方向从中间进行分割，把 V 分割成 8个立方体；然后根据每个立方体中所含的目标决定是否对各立方体继续进行八等分的划分，按此规则一直分割到不再需要分割或达到规定的层次为止。如果层次数为n，则八叉树与 2 n × 2 n × 2 n 的三维栅格对应，可以用来表达大坝内部非均匀变化的监测信息。

1.2 异构数据管理

大坝安全监测综合数据库包含二、三维空间，图形和监测等数据，对于这些来源不同且具有异构性的海量数据进行集成管理十分困难。传统的大坝安全监测数据管理主要基于文件或关系数据库的管理模式，其在数据安全性、空间信息处理及三维数据管理等方面还存在一些弊端，无法满足用户对异构数据一体化存储管理的需要。因此，本研究采用空间数据管理引擎与对象关系数据库相结合的方式，对多维异构数据进行集成管理，屏蔽源数据异构性的同时保证数据的完整性，将逻辑上的整体数据组织成一个完整对象，进而存储和管理复杂的三维数据关系，如图1所示。

其中，大坝安全监测的多维数据采用地理编码，空间拼接及二、三维数据转换等技术进行集成，并利用空间数据管理引擎实现地物空间信息的管理，有利于大坝监测空间与图形、监测等异构数据的融合。监测和图形数据主要利用对象关系数据模型实现存储与管理，即在原有关系模型的基础上增加了元组、数组、集合等数据类型，通过空间拼接、编码索引、结构融合、数据映射等技术，将异构数据集成统一管理。因此，充分运用对象关系数据库的优势并配合空间数据库管理跨维度数据信息，为异构数据的海量存储和管理提供了一条切实可行的途径。

2 三维可视化方案

2.1 大坝三维模型与场景建立

大坝三维模型与场景建立是整个大坝安全监测三维可视化方案构建的重要组成部分，其中地形场景三维建模质量的优劣不仅关系到库区地物的空间关系表达，也将直接影响到大坝安全实测信息三维可视化的正确与否。库区地形的表达可以采用GIS 空间建模分析与大尺度数字高程模型相结合的方法，如图2所示：通过对库区边坡、道路、办公用地、库区水域、坝基位置等进行高程实测处理，形成地表对象的高程点集；再结合库区地形图纸资料进行多层叠合，在统一坐标系和投影转换的基础上，根据多图层空间信息进行数字化模拟，形成库区的矢量化地形等值线；进而基于等高线高程信息进行空间内插分析，获得面状地形模型，并引入大尺度数字高程与面状地形模型进行对比、校正，通过高程拉伸处理，最终形成尺度适宜、真实度高、可靠性强的库区地形三维模型。

此外，大坝实体三维模型的构建采用基准控制点建模方法，即利用实际量测的大坝重要边界点三维坐标，建立大坝实体三维点状模型，再通过点坐标连接生成坝基、坝顶、坝体等关键部位的多边形部件，最终以相邻多边形完成多角度两两相交处理，组合形成大坝实体三维模型。对库区地形与大坝结构进行相对独立的实体建模之后，尚无法立刻构建整个水库的三维场景，需要对它们进行对接整合。通常利用实体模型向地形场景投影的方法，并采用平移、缩放、平滑处理等操作使大坝实体模型尽可能与地形场景相吻合。

图2 大坝三维模型与场景建立流程图

2.2 信息三维可视化实测

准确表达监测点空间关系是实测信息三维展示的必要条件，监测仪器及测点的三维空间信息可以由仪器埋设方、部署方案设计方或水库管理单位处获得。由于信息来源于多方且数据复杂，很容易出现多方提供数据信息不一致，以及提供的坐标信息与实际空间坐标系统不一致的情况。以常用的 CAD设计图形数据为例，图形数据中会标明典型断面的结构和相应的仪器分布信息，但是其坐标系统只是相对的图形坐标，而非真实的空间坐标。为此，需要通过对地图坐标和 CAD 图形截取样本距离并计算样本比例，进而对 CAD 上所有坐标进行比例换算，获得与地图坐标统一的坐标系统。在规范后的坐标系统下，对监测仪器空间信息及相应的仪器信息进行存储、管理。

在监测测点空间信息得以正确的表达后，即可进一步实施大坝监测信息的三维可视化。大坝实测数据既包括描述变形位移、渗流水位等的矢量信息，也包括坝体温度、应力应变等标量信息。不论是矢量还是标量数据，对于大坝安全实测信息的三维显示都可以利用体数据结构进行表达，只是矢量体数据具有现实空间意义，而标量体数据表达的是物理量大小的变化。体数据可以定义为一个离散有界的三维空间上的采样函数，如果采样是规则有结构的，则这种体数据为规则结构[12]。大坝安全监测信息的体数据即各个测点所在坝体的三维数据，所有仪器测点与监测数据构成了大坝的监测体数据。测点在大坝结构的空间分布有 2种情况：1）监测点在坝体结构的三维方向上为等间距分布，如引张线和静力水准变形监测系统，这种均匀分布的空间结构令实测体数据可以构成规则的数据场；2）测点的分布是沿坝轴线、上下游及高程方向非均匀分布，实测信息在大坝空间上的采样具有有限性特征，三维数据场的表达是非连续且离散的，更为常见。因此，为了克服实测数据有限采样带来的非连续性问题，根据监测点相互之间的空间特征关系，并结合体数据结构特点，采用三维空间插值方法将实测数据进行多维度内插处理，形成实测信息的三维空间数据场。形函数插值算法是体数据三维空间内插的常用方法，即根据测点的空间非均匀分布特征，以三角形为基本构成要素形成棱柱或六面体，并以不规则空间体单元拟合坝体结构。其中，某点 P（非监测点）在空间中的测值可表示为

式中：Vi为第i 点的测值；N 为形函数矩阵，由监测点的空间坐标位置获得，形函数矩阵具体表示如下：

式中：ξi，ηi， ζi分别为第i个监测点的母单元坐标，ξ，η ，ζ 分别为所求非仪器监测点 P 的母单元坐标，利用形函数将三维坐标轴下的非均匀单元转换为等参单元，再根据公式（1）对非监测点 P 的测值进行内插计算。插值获得的 Vp如果与空间坐标轴相关，则利用等参单元将 Vp测值转换到原始坐标系。

由此，通过对监测点空间信息的有效管理，并基于空间内插方法的大坝实测信息体数据表达，将实测数据与三维场景模型相结合，明确大坝安全监测的三维可视化方法。其中，变形监测、渗流监测等矢量数据形成大坝关键部位实测位移、渗流信息的三维显示；另一方面，温度、应力应变等标量数据则通过三维内插形成温度场和应力场。最终实现大坝安全监测信息的三维可视化显示。

3 三维可视化应用

通过对二、三维数据集成和大坝安全三维可视化方案的研究，构建水库场景、大坝实体及监测系统模型，基于自动化监测系统实测数据完成监测信息的三维展示，实现大坝安全监测的三维表达与应用。形成功能结构如图3所示，主要包括三维仿真模型、监测信息可视化、交互操作和常规信息查询4个功能。

3.1 三维模型构建

三维仿真模型主要包括大坝实体模型、库区场景和典型断面结构建模等，用于构建整个库区宏观地理环境和微观坝体结构。采用面向对象关系型数据库与空间数据库管理引擎相结合的方式，对原有二维基础数据的利用率达到最大化，实现跨维度数据转化与管理，达到异构空间数据的无缝集成的目的，为三维模型的建立提供空间数据保障。大坝实体模型通过建立的大坝简易三维模型与地形场景相对接（如图4所示），展示库区的基本地形构造和坝体的主体核心结构。保障用户能够直观掌握水库及水利工程的宏观信息，同时为大坝典型断面结构和重点监测部位的安全评价与健康诊断提供图形依据。

3.2 信息可视化应用

图3 大坝安全监测三维可视化功能结构

在大坝实体建模的基础上，通过对自动化监测系统的实时、历史监测数据进行整编和预处理，并结合自动化监测硬件系统的特点，以二、三维交互的方式展示大坝安全实测数据。其中，大坝变形监测和渗流监测的观测成果为变形位移量和渗漏水位高程，在坝体结构三维模型上通过建立监测系统（如引张线、静力水准、垂线等系统）的仪器三维空间测点，将实测数据带入三维模型中，以图形的方式表达测值在三维空间的变化情况，实现矢量监测成果的三维可视化，如图5所示。对于温度、应力应变等标量观测项目，其监测成果所表达的物理量是不包含空间属性的，因此需要利用各个测点之间的空间位置关系进行三维内插，并将监测成果作为第三维度信息进行三维拉伸，实现标量成果的三维信息场，如图6所示。实测数据的三维处理为大坝安全监测信息的展示与分析提供了科学、直观的新手段，有利于更好地了解和掌握大坝安全性态。

图4 场景融合示意图

图5 渗流水位三维显示

图6 温度场三维显示

4 结语

本研究基于大坝安全自动化监测系统实测数据，利用 GIS、虚拟现实等新兴信息技术，对大坝安全监测三维可视化关键技术进行研究和应用，结论如下：

1）从二、三维数据转换和异构数据管理 2个方面阐述了大坝安全监测二、三维数据集成方案，采用二、三维数据集成方法能够兼顾不同维度数据信息的各自优势，并达到多维数据的无缝对接与融合，提高三维信息的存储、管理、查询与显示效率。

2）明确大坝实体模型、库区场景及实测信息的三维可视化技术方案，并利用空间插值技术结合大坝安全监测的实际需求，实现大坝安全监测三维可视化应用，进一步提升了大坝安全监测信息可视化的实时性和直观性，为及时掌握大坝安全状态、发现安全隐患提供重要保障。

在本研究的基础上，充分利用有限元分析理论和 GIS 空间分析技术，针对大坝安全监测信息开展三维综合评价工作是今后研究的重要方向。

[1] 王士军，董福昌，崔信民，等. 水库大坝安全信息三维可视化系统开发[J]. 水电自动化与大坝监测，2008，32 (2): 50-51.

[2] 杨阳，许后磊，方春晖. 基于监测信息的坝体三维可视化及系统集成[J]. 水电能源科学，2011，29 (1): 122-124.

[3] 史超，周创兵，陈益峰. 3D GIS 平台下大坝数值模型信息系统研究与应用[J]. 水利学报，2006，37 (3): 336-341.

[4] 钟登华，石志超，杜荣祥，等. 基于 CATIA 的心墙堆石坝三维可视化交互系统[J]. 水利水电技术，2015，46 (6): 16-21.

[5] 陈志明，李鹏，胡小梅，等. 漳河水库三维仿真管理信息系统设计与实现[J]. 人民长江，2016，47 (12): 104-107.

[6] 张社荣，撒文奇，杜成波，等. 基于重力坝三维设计的CAD 动态交互系统开发[J]. 计算机应用研究，2013 (1): 165-168.

[7] 白留星，张文龙，王勇飞. 基于网络的三维可视化仿真技术研究与实现[J]. 人民长江，2010，41 (18): 79-82.

[8] 钟登华，宋洋. 基于 GIS 的水利水电工程三维可视化图形仿真方法与应用[J].工程图学学报，2004(1):52-58.

[9] 刘娆，李卫东，吕阳. 电力系统运行状态可视化技术综述[J]. 电力系统自动化，2004，28 (8): 92-97.

[10] 燕乔，付艳艳，张钊，等. 混凝土拱坝施工仿真可视化研究与应用[J]. 人民长江，2013，44 (20): 50-53.

[11] 黄敏清. 大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究[J]. 中国水运，2016，37 (3): 72-73.

[12] 管伟光，马颂德. 三维体数据可视化技术[J]. CT 理论与应用研究，1995，4 (1): 1-6.

Research and application of three dimensional visualization methods for dam safety monitoring information

JIN Youjie1,2, WANG Haimei1, LEI Yu1, LI Dong1
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resource, Nanjing 210012, China；2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Based on the measured data of dam safety automatic monitoring system, by using the vector and raster mixed model for the structure of the 2-3D data conversion, it does multi-dimensional heterogeneous data integration management which is through the method of combination for spatial data management and object relational database engine. Through the formation of 3D scene modeling process and monitoring information visualization methods, it realizes scheme of 3D visualization for dam safety monitoring and has been applied. Research results can give attention to both the advantage of 2D and 3D information for dam safety monitoring, improve the efficiency of multi-dimensional information storage and management, further enhance the visual and real-time of the monitoring information.

dam safety; three dimensional visualization; data integration; monitoring information

TV698

A

1674-9405(2017)01-0010-06

10.19364/j.1674-9405.2017.01.003

2016-09-12

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，主要从事水利信息化和基于 3S 集成技术的水利信息管理、分析、系统研发等工作。