重要涉水工程河床监测预警分析平台设计与应用

肖 仲 凯，蔡 璇，韦 立 新，仲 跻 文，于 慧

(长江水利委员会水文局 长江下游水文水资源勘测局，江苏 南京 210011)

0 引 言

为响应国家关于“推动长江经济带高质量发展战略”，落实水利部提出的“加快推进新时代水利现代化的指导意见”，需健全长江水灾害监测预警、灾害防治、应急救援体系，围绕水利信息技术的开发与应用，综合运用物联网、云计算、大数据分析、三维建模等新一代信息技术，为沿江涉水工程提供水灾害监测预警分析和丰富的应用解决方案，促进水利规划、工程建设、运行管理和社会服务的智慧化[1]。

开展河床监测分析能够有效降低涉水工程运行安全风险，为工程防灾减灾提供依据。传统的河床监测分析手段是将多测次监测成果进行比较分析，但由于成果数据分散，地形图制式不统一，收集及整理的工作量较大，通过人工统计分析图表、文字等形式来描述河床冲淤变化情况，成果分析效率较低且缺乏统一标准，无法做到快速、直观展示河床的冲淤变化。设计和开发涉水工程河床监测预警分析平台能够有效管理和科学分析涉水工程局部河床监测数据信息，不仅可实现数据的储存和标准化管理，而且能够对河床演变特征进行高效分析[2-3]。

1 平台设计原则及思路

1.1 设计原则

平台设计原则主要考虑以下4点：① 数字化管理，通过信息化手段对河床监测相关的地形数据、断面数据、分析图表、报告等基础资料都进行数字化统一管理；② 安全性管理，通过地形数据加密处理以及网络数据安全管理等手段，充分确保重要涉水工程地理信息、分析数据的高安全性管理；③ 模块化原则，根据河床演变分析常规技术方法，例如等高线平面变化、河床冲淤变化、典型断面比较等进行模块化设计开发，做到可移植、可复制；④ 成熟易用原则，采用国际主流、成熟的体系架构来设计构建，实现快速查看河床模型，精准展示分析历年多测次河床演变过程。

1.2 设计思路

基于微服务架构，以技术先进、柔性敏捷、渐进连续的设计思路，采用分布式、云化部署方式，坚持以创新为驱动，充分运用多波束、三维建模、物联网、大数据等新技术实现对水利对象及活动的透彻感知、全面互联、智能应用与泛在服务。

平台采用B/S架构进行设计，并采用前后端分离的设计模式，所有需要大量计算的工作例如点云数据的存储与分析处理，都通过后端分布式数据库MySQL存储以及分布式高性能应用服务器进行预处理和分析，通过后端统一注册、发布的Restful微服务接口响应前端请求，在前端结合三维引擎快速完成三维模型数据的渲染和交互。

2 平台功能及架构设计

2.1 平台功能设计

运用三维仿真和离散数据网格化算法等技术，通过构建通用数据模型以及常用三维计算和分析方法，实现涉水工程局部地形点云数据和断面数据的一键导入、数据自动去噪、快速生成三维仿真模型，并融合2D和3D技术，直观、真实地展示涉水工程综合特征和河床地形的三维信息，实现涉水工程三维河床模型的动态生成、专业化分析、演变动画模拟及可视化交互，为河床监测预警分析提供了一种科学有效、简便直观的分析途径。平台主要功能包括以下3个方面。

2.1.1平台系统管理功能

考虑到该平台涉及地形、水文数据信息，在平台建设过程中，充分考虑了应用层、数据层、网络层以及系统层几个方面的安全设计与实施，从平台访问控制、权限控制、身份验证、Https协议、系统安全漏洞防护、入侵检测、病毒防护等多个方面入手，构建安全可靠、自主可控的水利应用平台。

2.1.2涉水工程三维建模及河床模拟展示功能

(1) 根据重要涉水工程施工设计图，1∶1建立三维仿真模型，结合GIS能够清晰地展示现场两岸堤防、滩地实景情况。

(2) 根据地形点云数据不同高程值赋予不同色值，生成河床三维模型，河床以曲面或网格的形式进行切换显示，用户可以清晰直观地浏览和了解河床情况，同时可以根据需要切换已录入系统的不同测次地形模型。

(3) 用户可以在三维场景上选择叠加工程段实时水位。

2.1.3河床监测预警分析功能

(1) 地形数据叠加冲淤分析。系统支持两个测次模型的叠加分析，用户选择待分析的模型后，平台自动计算当前模型和所选模型网格节点高程差，以可视化方式给出叠加冲淤分析的结果。

(2) 河床冲淤演变动画模拟。演变动画以循环播放的形式动态展示一定时期内不同测次的河床演变过程。

(3) 等高线变化分析。系统根据模型散点数据，绘制每个模型的地形等高线，支持多测次地形等高线变化分析。

(4) 固定断面分析。可以选择不同测次的断面数据，以图表形式展示多测次的断面比较分析结果。

(5) 自定义断面分析。系统根据手动选择断面的起点和终点动态生成多测次断面分析比较图表。

(6) 河道坡比计算。系统根据手动选择断面的起点和终点自动计算河道坡比。

(7) 河床最深点统计预警分析。根据平台已有地形数据统计工程河段河床最深点和涉水工程附近河床最深点，以图表形式展示变化趋势，并根据涉水工程特性设定河床冲刷幅度极值预警和极限冲刷预警。

(8) 预警提示。平台结合数据统计、幅度变化和人工干预给出监测预警提示，供工程养护管理单位决策参考。

(9) 场景漫游。平台可以自动漫游、巡检工程河段水下河床及堤防情况。

2.2 平台架构设计

平台架构采用5层架构设计，分别是感知层、资源层、数据层、服务层以及应用层，如图1所示。感知层采用物联网技术，为平台提供重点涉水工程的各类感知数据的泛在感知与采集，例如水位、高程、流速、流量、断面、视频等信息，实现涉水工程的及时、全面、准确、稳定的监测、监视与监控。资源层是基于分布云化资源提供平台所需的计算、存储以及网络资源。数据层通过构建基础数据库、散点数据库、断面数据库、三维数据库、系统管理数据库等提供平台的水文数据管理。服务层通过不断提炼与沉淀平台应用所需的共通功能，实现平台共通服务，为应用层的应用快速构建提供支撑。应用层结合业务需要，基于涉水工程数据与服务层提供的共通能力，构建河床三维场景、等高线变化分析、断面分析等业务应用。

平台采用轻量化HTML5/WebGL建模方法实现3D场景，遥感影像能真实有效地描述地表特征，是三维地形仿真的重要数据来源[4-5]，实现快速建模、运行时轻量化的3D可视化效果，充分还原涉河工程本身和周围的场景。采用插值算法完成数据的预处理，基于HTML5，应用2D/3D引擎完成河床三维模型的建立。

3 典型案例应用

按照平台系统功能及架构设计的建设目标，目前已完成了南京大胜关长江大桥河床监测预警分析平台(见图2)的研发工作，并建立了南京大胜关长江大桥三维场景仿真模型。平台将南京大胜关长江大桥常规河床监测数据进行集中统一管理，实现了包括三维河床模拟展示、地形数据叠加冲淤分析、冲淤演变动画模拟、等高线变化分析、自定义断面分析、河道坡比计算、河床最深点统计预警分析、三维场景漫游等河床监测预警分析功能，并支持基础监测数据动态更新和统计分析查询。

4 关键技术研究

4.1 三维建模技术

在参考涉水工程图纸及相关尺寸信息的基础上，首先将3DMax系统单位比例与显示单位比例设置成一致，在虚拟环境的设计中，结合实体的建模原则，正确处理不同构筑物模型之间的差异，结合“真实建模”的原则及模型大小，完成单个涉水工程的建模。例如跨江大桥的建模需结合桥梁结构特点，分析主要桥梁组件结构(如T梁、盖梁柱式墩、轻型桥台等)构件图的几何和拓扑关系，对组件进行参数化设计，实现组件的三维建模[6-7]。

同时利用基于HTML5技术的Web编辑开发工具及图形引擎软件，将模型导入进行场景编辑。设定模型标签、业务属性参数等，为后续程序驱动的落地如数据绑定、数据展示等提供预处理，从而更好地满足虚拟场景的实施需求。图3为南京大胜关长江大桥三维建模。

4.2 数据插值、滤波及三角面生成算法

4.2.1数据插值与滤波

比较常用的插值算法有反距离权重插值和克里金插值[8-10]。本文所介绍的平台使用了反距离权重插值算法(inverse distance weighting，IDW)。该方法假定每个测量点都有一种局部影响，而这种影响会随着距离的增大而减小。算法的基本原理是对于平面内已有数据(xi，yi，zi)，通过距离加权插值法，根据坐标的属性值zi实现对P点属性值插值。如果P点的周围有N个数据点，则P点的属性值可变为

在原始数据中，可能存在一些干扰点，为此平台采用了滤波算法来做处理。算法以粗处理为主，在输入数据中计算每个点到K个临近点的距离分布，对每一个点，计算它到所有临近点的平均距离和标准差。以此标准差作为阈值，不满足的将其定义为离群点，并在原始数据中剔除，完成滤波后再进行迭代，进一步剔除噪声。滤波完成后，对每一个节点采用反距离加权法计算预测高程值，计算的时候当前点的高程值不作为输入，预测的高程值和当前实际值差值大于一定限值，用预测高程值替代当前高程值。以南京大胜关长江大桥河床水下散点数据为例，插值后的格网数据如图4所示。

4.2.2三角面生成

3D模型是由最基础的三角形面拼接合成，例如1个矩形可以由2个三角形构成，1个立方体由6个面即12个三角形构成，以此类推，更复杂的模型可以由许多小三角形组合合成。TIN是由空间中离散分布的不均匀点组成的三角网络模型，它是DEM的一个主要数据模型。本文平台采用TIN模型来实现三角面的生成，TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内[11-12]。如果点不在顶点上，该点的高程通常通过线性插值的方法得到(在边上用边的2个顶点的高程，在三角形内则用3个顶点的高程)。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。在构建TIN过程中，平台采用了带约束的Delaunay三角剖分算法，以解决实际河道中碰到的弯道或空白浅水区等实际数据所引起的三角网构建冗余问题。以南京大胜关长江大桥河床水下散点数据为例，三角网构建如图5～6所示。

4.3 数据加密处理

为保证三维河床模型生成的准确性，同时便于与多测次地形数据的比较分析，对前端获得的不同测次的散点地形数据物理坐标需要进行网格化加密处理，不同模型的网格节点个数和节点坐标值须一致。同时为了地形数据的安全性，平台在数据加密处理时进行了旋转和坐标归零处理，例如以桥墩位置为中心，按一定角度进行旋转，前端在生成模型时，再次进行了缩放处理，保证了数据的安全性。

4.4 集成多个河床演变分析模块

平台实现了对历年多测次的局部地形监测数据的标准化存储和高效分析管理，集成开发了“叠加冲淤分析”“冲淤演变动画模拟”“等高线变化分析”“河床断面分析”等多个河床演变分析模块。叠加冲淤分析模块实现了任意选择2个测次地形网格数据的冲淤计算，自动生成标准化冲淤图，直观展示河床冲淤状态。冲淤演变动画模拟模块可任意选择时间区间，平台会生成区间的模拟演变动画，动态展示工程局部河床的演变过程。等高线变化分析模块实现了多测次等高线的选择、叠加和比较分析。河床断面分析模块实现了固定断面分析和手工断面分析，固定断面为预先设置的固定位置的断面，手工断面为用户手工在三维地形图上绘制的任意断面，两者都可以通过选择不同的测次数据，将断面展示到曲线图，一次可选择多个测次，不同测次以颜色区分，能够动态显示所选中断面点的高程值，同时手工断面可自动计算断面起点和终点的河床坡比。这些可复制、移植的河床演变分析模块能够直观、快速高效地实现对涉水工程局部河床演变的分析。

以南京大胜关长江大桥为例，涉水工程位于长江南京河段大胜关附近，位置见图7。平台通过入库地形数据，可自定义选择自动生成多测次的等高线变化图，功能模块展示如图8所示。

4.5 河床监测预警机制

平台可根据各个涉水工程特性，设置特定的河床监测预警机制。例如桥梁工程需重点关注跨江主桥墩附近区域河床的冲淤变化，隧道工程需重点关注隧道轴线位置上方河床的冲淤变化，码头工程需关注码头前沿河床冲淤变化。以南京大胜关长江大桥为例，平台自动计算并展示桥墩附近河床最深点高程值，同时根据工程设计最大冲刷极值，动态显示河床可冲刷厚度，分级别给出预警。如图9所示，平台右上角红色框区域为预警模块，当前主桥墩附近河床最深点高程为-43.57 m，处于正常状态；当桥墩附近河床高程值小于等于极限冲刷值+5.00 m时，平台会自动发出预警提示。

如果工程所在岸线存在河道崩岸险情或重点险工段，同时需建立河道边坡崩岸险情动态监测系统，动态监测堤防、河道边坡的水平位移值，发现异常波动值提前给出崩岸险情预警。

5 平台功能拓展前景

5.1 融入底层感知物联网络

信息是智慧水利建设的基石。系统、整体、多类型地获取信息，以及信息获取之后的存储、汇集、评价、校正和融合对智慧水利目标的实现至关重要[13]。智慧水利具有透彻感知、全面互联、深度挖掘、智能应用及泛在服务等特征，各个层次互相关联，彼此耦合，从业务、应用、数据、水利云、网络、安全等方面形成一个完整体系[14]。目前水文自动监测系统中，监测站已实现自动采集的各要素数据通过通信网络发送到数据监控中心[15-16]。针对某个重要涉水工程监测预警分析平台，可在其重点河床位置设置底层感知设备，构建感知物联网络，将重点河床面高程值、水位、流速、流向实时传输至平台。同时可以利用高精度全自动三维形变实时监测与预警技术，根据重要涉水工程特点建立监控模型，实现重要涉水工程形变监测安全预警，通过重点部位危险点的实时预警，可有效降低涉水工程运行安全风险，为工程防灾减灾提供依据，增强抗御自然灾害的能力。

5.2 接入在线二维水沙模型

随着理论水平的提高与计算机技术的进步，河流水沙数学模型得到了迅猛发展。由一维模型发展到二维、准三维、三维模型；由恒定流模型发展到非恒定流模型；由单一河道模型发展到复式道、分汊河道、干支流河道以及河网模型；由均匀沙模型发展到非均匀沙与宽级配泥沙模型；由悬沙、平衡输沙、非耦合模型发展到全沙、非平衡输沙、耦合模型[17]；由水沙模型发展到水沙、水质与水温联合模型等[18]。随着水文信息服务理念的改变和服务领域的扩展，将推动智慧水文监测体系的建立与应用[19]。收集工程所在河段的地形及水文资料，结合上下游水文测站共享数据和实时底层感知数据，可构建在线二维水沙自修正耦合模型。运用水文预报技术，将模型预先计算的流场成果接入该平台，能够模拟展示重要涉水工程所在局部河床的实时动态流场，为涉水工程的场景化应用提供基础水文支撑。

6 结 语

现代信息技术的高速发展，为构造“天空地”一体化的智慧水文监测体系提供了有效的技术支撑。重要涉水工程河床监测预警分析平台是基于3DMax构建，结合编辑开发工具联合建模法，通过地形点云数据建立动态河床三维模型，利用等高线变化、叠加冲淤分析、河床冲淤动画模拟、典型断面比较、河床坡比计算等手段，能快速直观地分析涉水工程局部河床冲淤演变过程，同时具有自动预警功能，为重要涉水工程的科学管理、隐患排查、安全维护提供了关键性技术支撑。设计研发此平台有利于实现地形、水文监测数据的统一共享、高效分析和多场景应用，有利于推动重要涉水工程安全管理规范化、精细化、智慧化。