CN107576311A - 一种基于三维gis的水库巡检实时监测方法 - Google Patents

一种基于三维gis的水库巡检实时监测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，包括:移动端平台与监控中心进行通信，传递地理位置坐标和现场环境信息；监控中心构建水库巡检时空数据库，记录巡检任务信息；利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库区域三维数字场景模型，展现巡检任务的巡检轨迹信息和现场环境属性信息；实时更新巡检任务进展，在水库区域三维数字地理场景展现完整的巡检路线变化，提供巡检信息实时浏览；在水库巡检任务结束后，保存巡检任务中所采集的空间数据和历史资料信息，提供三维数字地理场景中的任意视角的任务回溯，提交水库巡检数字化报告。本发明可较为准确地模拟巡检任务的现场情况和进展，达到水库巡检任务监控的信息化、实景化、有效化的目的。

Description

一种基于三维GIS的水库巡检实时监测方法
技术领域
本发明涉及地理信息和水利信息化技术领域，具体是一种基于三维GIS的水库巡检实时监测方法。
背景技术
随着水利事业的快速发展，中国兴建起一大批水利工程，已有各类水库超过8万座。按照国家水库管理的有关规定，确保水库工程安全，需要派遣专门人员定期对水库进行巡视检查。目前水库巡检主要通过人工现场巡视为主，巡检情况需要等到人员巡检完毕提交报告后才能了解，水库巡检的信息化程度和实施效率低下。水库管理部门对于巡检效果难以把握，水库现场情况无法实时了解，而且也无法对巡检人员的实际巡检路线进行实时监督，水库巡检任务的管理缺乏时效性，难以达到对水库管理工作的高标准要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服上述水库巡检工作管理的问题，提出一种基于三维GIS的水库巡检实时监测方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，包括如下步骤：
第一步、移动端平台与监控中心进行通信，传递地理位置坐标和现场环境信息；
第二步、监控中心根据巡检任务实时传递的地理位置坐标和现场环境信息，构建水库巡检时空数据库，记录巡检任务信息；
第三步、利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库区域三维数字场景模型，在水库区域三维数字场景模型中展现巡检任务的巡检轨迹信息和现场环境属性信息；
第四步、根据时间变化，实时更新巡检任务进展，在水库区域三维数字地理场景展现完整的巡检路线变化，提供巡检信息实时浏览；
第五步、在水库巡检任务结束后，保存巡检任务中所采集的空间数据和历史资料信息，提供三维数字地理场景中的任意视角的任务回溯，提交水库巡检数字化报告。
进一步的，所述第一步具体为：水库巡检人员使用移动端平台，每隔相同时间段将地理位置坐标通过无线网络传输至监控中心，上传数据附上时间戳表明进度，移动端平台同时对现场环境信息进行录入，并传送至监控中心。
进一步的，所述现场环境信息包括水库现场的照片、视频或环境监测数据。
进一步的，所述第二步中监控中心根据地理位置坐标和现场环境信息构建水库巡检时空数据库具体步骤为：在支持OGC地理数据类型标准的数据库平台中，将每个时刻采集到的地理位置坐标Pi和现场环境信息(E1,E2…En)i根据其数据结构特征存放构成空间对象Oi，Oi＝(Pi,(E1,E2…En)i)，其时间标记Ti为数据采集附加的时间戳，则一个巡查位置在空间的状态Si可用空间对象Oi和时间标记Ti的组合(Oi,Ti)来完整表达，巡查状态的变化用前后状态的向量Si+1-Si予以表达，每个巡检状态按照时间标记Ti变化而前后链接成序列(S1,S2…Sn)即形成巡检轨迹信息L，在时空时空数据库具体实现中，地理位置坐标Pi、现场环境信息(E1,E2…En)i和时间标记Ti为存储实体，状态变化向量和巡检轨迹信息L为空间分析和数据库运算的逻辑表达对象。
进一步的，所述第三步还包括将水库巡检过程中采集的现场环境信息，按照其空间位置放置在三维场景中，作为巡检内容实时情况和野外环境变化的重要补充信息。
进一步的，所述第三步还包括：如果上传的巡检位置坐标点过少，将巡检路线渲染显示在三维数字场景模型中时，基于空间插值的巡检路线高程值对巡检路线进行较正，具体为：按照巡检路线的前进方向，每隔一定的距离做水平面的垂直线，垂直线与数字高程模型相交点的高程作为巡检路线上该水平位置的高程值，以此为基础重新调整整个巡检路线的高程分布情况。
进一步的，所述第三步中利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库三维地理场景具体为：使用无人机在水库重点区域多角度采集高分辨率照片，通过倾斜摄影技术运算处理后生成对应的实际三维地理模型，并与水库区域的数字高程模型和高分辨率遥感正射影像相融合，利用三维GIS技术重建水库区域三维数字场景模型。
进一步的，所述第三步中巡检轨迹信息展布的具体方法如下：按照时间戳T从时空数据库中抽取巡检轨迹路径地理位置坐标，将每个坐标点绘制在三维数字场景模型中，然后根据坐标点的时间戳T判断在轨迹路径中的前后顺序，然后连接起来形成一条完整的巡检轨迹路线。
进一步的，所述第三步中现场环境属性信息展布的具体方法为：在水库巡检过程中，巡检人员使用获取设备采集关于水库实地环境的各种类型信息，即现场环境属性信息，在监控中心的监控平台，将各种类型的现场环境属性信息按照数据结构标准处理和融合存储至巡检时空数据库，展布时在三维数字场景模型中叠加对应时刻与位置的具体环境信息，各种类型的数据采用不同形态渲染展示。
进一步的，所述第四步中巡检任务进展实时动态更新的方法是：以当前时间点为界限，时间戳T早于或等于当前时间Tc的巡检位置标记在三维数字场景模型中，然后再将这些标记位置显示为路线，然后以一定时间频率Tg，不断循环从系统访问所需数据，在三维数字场景模型中删除旧的巡检路线和信息，刷新渲染绘制新的巡检内容，以达到随着时间变化动态且实时显示水库巡检信息的目的，Tg为1～5分钟。
本发明将时空数据库引入水库巡检任务信息的存储记录，将巡检人员使用的信息采集移动端上传的GPS地理位置坐标，附加采集地理位置时的时间标签，构建时空数据库，以此为基础构建按照时间序列变化的巡检轨迹信息，这样就能对巡检轨迹做到实时跟踪和历史记录重现，此外时空数据库中还保存有按时间点为特征的其他现场环境信息，如现场照片、视频和环境监测数据等；本发明利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术，借助于移动端地理位置通信、时空数据库、三维场景信息展示等手段，较为准确地模拟巡检任务的现场情况和进展，达到水库巡检任务监控的信息化、实景化、有效化的目的。实验结果表明，该技术无论是在现场情况查看、巡检进度跟踪还是巡检效果监督上均能较好地满足实际的需要。
附图说明
图1是本发明使用移动端平台传递地理位置和水库现场现场环境信息的示意图；
图2是本发明构建巡检任务的时空数据库，记录巡检任务信息的示意图；
图3是本发明利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库区域的三维数字地理场景和展示巡检路线和信息示意图；
图4是本发明实时更新巡检任务和巡检信息实时浏览的示意图；
图5是本发明保存巡检数据和信息，实际构建巡检监测平台提供任务回溯和报告的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明基于三维GIS的水库巡检实时监测方法其中一个实施例，包括以下步骤：
第一步、巡检人员利用移动端平台(例如手持信息采集移动端)与监控中心进行通信，传递地理位置坐标和现场环境信息(见图1)。
水库巡检人员使用移动端平台，每隔相同时间段将地理位置坐标通过无线网络(例WIFI、GSM/3G/4G、Zigbee以及互联网等)传输至监控中心，上传数据附上时间戳表明进度，移动端设备也对照片、视频、环境监测数据等水库现场现场环境信息进行录入，并传送至监控中心。移动端平台采集地理位置坐标的时间间隔为1～5分钟，坐标附加的时间戳包括年月日精确到秒。
第二步、监控中心根据巡检任务实时传递的地理位置坐标和现场环境信息，构建水库巡检时空数据库，记录巡检任务信息(见图2)。
水库巡检时空数据库是一个包含了时态数据、空间数据和属性数据，并能同时处理数据对象的时间和空间属性的数据库。通过将时间概念引入到其中，分析空间信息随时间的变换，描述数据在某时刻、时段或沿时间轴变化的过程。
本步骤中，根据地理位置坐标和现场环境信息构建水库巡检时空数据库的方法是：在支持OGC地理数据类型标准的数据库平台中(本实例采用PostgreSQL+PostGIS)，将每个时刻采集到的地理位置坐标Pi和现场环境信息(E1,E2…En)i根据其数据结构特征存放构成空间对象Oi，Oi＝(Pi,(E1,E2…En)i)，其时间标记Ti为数据采集附加的时间戳，则一个巡查位置在空间的状态Si可以用空间对象Oi和时间标记Ti的组合(Oi,Ti)来完整表达，巡查状态的变化用前后状态的向量Si+1-Si予以表达，每个巡检状态按照时间标记Ti变化而前后链接成序列(S1,S2…Sn)即形成巡检轨迹信息L。在时空数据库具体实现中，地理位置坐标Pi、现场环境信息(E1,E2…En)i和时间标记Ti为存储实体，状态变化向量和巡检轨迹信息L等衍生内容为空间分析和数据库运算的逻辑表达对象，此种设计目的是符合数据库设计范式，减少数据冗余。
以巡检轨迹信息L作为时空数据库中巡检任务的主要标记，通过不同时间段巡检轨迹信息的检索和新位置信息的加入实现轨迹的实时跟踪和历史记录重现，按时间点为特征的其他现场环境信息，如现场照片、视频和环境监测数据等也以巡检轨迹作为时空数据库中的检索依据。
第三步、利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库区域三维数字场景模型，在水库区域三维数字场景模型中展现巡检任务的巡检轨迹信息和现场环境属性信息(见图3)。
本步骤中，使用无人机在水库坝体、消落带等水库重点区域多角度采集高分辨率照片，通过倾斜摄影技术运算处理后生成对应的实际三维地理模型，并与水库区域的数字高程模型(DEM)和高分辨率遥感正射影像(DOM)相融合，利用三维GIS技术重建水库区域的真实三维数字场景模型(即所述水库区域三维数字场景模型)。三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库三维数字场景模型的优势在于快速精确生成水库区域的测绘级别真三维地理模型，而且能够克服水库区域复杂地形对传统测绘方式造成的困难。
在水库区域三维数字场景模型中，将时空数据库中的巡检任务的巡检轨迹信息和现场环境属性信息渲染展布在三维数字场景中，用以模拟巡检工作进展情况，监控巡检实际动向，同时将水库巡检过程中采集的照片视频等现场环境信息，按照其空间位置放置在三维场景中，作为巡检内容实时情况和野外环境变化的重要补充信息。
巡检轨迹信息展布的具体方法如下：按照时间戳T从时空数据库中抽取巡检轨迹路径地理位置坐标，将每个坐标点绘制在三维数字场景模型中，然后根据坐标点的时间戳T判断在轨迹路径中的前后顺序，然后连接起来形成一条完整的巡检轨迹路线。在将巡检路线渲染显示在三维数字场景模型中时，如果由于上传的巡检位置坐标点过少，巡检点首尾连接成的巡检路线在地形起伏变化剧烈的地方可能会直接从数字高程模型内部穿过，与地面实际起伏不匹配，形成所谓“穿地”的错误。这种错误的原因是巡检路线的空间位置信息过少，计算机难以模拟巡检路线的实际形态，在三维数字场景模型进行了错误的渲染显示，本发明根据GIS空间插值理论，以数字高程模型为基准，对巡检路线的高程值变化进行较正。
基于空间插值的巡检路线高程值较正的方法是：按照巡检路线的前进方向，每隔一定的距离做水平面的垂直线，垂直线与数字高程模型相交点的高程作为巡检路线上该水平位置的高程值，以此为基础重新调整整个巡检路线的高程分布情况。通过巡检路线高程值较正可以使巡检路线的走势与实际的地形保持一致，消除部分区域采样点过少造成的巡检路线渲染展示错误，使其符合实际巡检环境形态。
现场环境属性信息展布的具体方法如下：在水库巡检过程中，巡检人员使用移动端平台、专业水质监测工具、测绘设备、无人机航拍等数据获取设备采集关于水库实地环境的各种类型信息，例如水质监测数据、滑坡区域位置与状况、涉水违建建筑坐标、水库航拍高分辨率照片与视频、巡检过程文字报告等等，这些多来源多类型的水库相关信息即为现场环境属性信息。在监控中心的监控平台，将各种类型的现场环境属性信息按照数据结构标准处理和融合存储至巡检时空数据库，展布时在三维数字场景模型中叠加对应时刻与位置的具体环境信息，各种类型的数据采用不同形态渲染展示，如水质监测以连续监测曲线绘制、描述文章以文本框标识在场景中、视频和照片以展示台的方式放在三维场景中。
第四步、根据时间变化，实时更新巡检任务进展，在水库区域三维数字地理场景展现完整的巡检路线变化，提供巡检信息实时浏览(见图4)。
随着巡查任务的进行，在三维数字场景模型中进行水库巡检任务的实时动态更新，以空间位置时间戳和定时渲染绘制为基础。
本步骤中，巡检任务进展实时动态更新的方法是：以当前时间点为界限，时间戳T早于或等于当前时间Tc的巡检位置标记在三维数字场景模型中，然后再将这些标记位置显示为路线，然后以一定时间频率Tg，不断循环从系统访问所需数据，在三维数字场景模型中删除旧的巡检路线和信息，刷新渲染绘制新的巡检内容，以达到随着时间变化动态且实时显示水库巡检信息的目的，Tg为1～5分钟。
第五步、在水库巡检任务结束后，保存巡检任务中所采集的巡检路径、问题区域面积、航拍航线、滑坡区域位置等空间数据和实地环境监测信息、照片、视频、巡检文字报告等历史资料信息，提供三维数字地理场景中的任意视角的任务回溯，提交水库巡检数字化报告(见图5)。
本步骤中，当水库巡检人员完成巡检任务后，在移动端平台向监控中心提交巡检任务终止信号，巡检路线(巡检路径、航拍航线等)和其他地理位置信息(问题区域面积、滑坡区域位置等)存放至空间数据库，环境监测数据、影像视频和其他类型数组则存放至属性数据库。在三维数字地理场景中对巡检任务路径进行绘制重现、实际环境查看和任务状态回放，提供相应位置照片、采集数据等信息的浏览查看，并提供具体的水库巡检数字化报告，以供水库管理人员查阅。
经过上述步骤，可以实现在三维GIS对水库巡检的实时监测。图1-图5为运用本方法，基于三维GIS的水库巡检实时监测的各步骤效果图。可以看到，各步骤处理过程都很好地围绕三维环境下水库巡检实时监测展开，没有出现明显偏离。因此，最终得到巡检监控模式能够满足实际需求，能够较为准确地实时模拟水库巡检任务进展，为水库巡检的有效监测做出了贡献。
在传统的水库巡检工作过程中，整个过程存在着巡检动向不明确，巡检情况无法及时了解，巡检质量难以掌控的问题。本发明的创新点在于，将三维GIS和无人机倾斜摄影技术引入巡检监测中水库三维场景的构建，并在其中实时动态显示巡检进展。通过无人机倾斜摄影技术构建坝体、消落带等水库重点区域的实际三维地理模型，并与水库区域的数字高程模型(DEM)和高分辨率遥感正射影像(DOM)相融合，利用三维GIS技术重建水库区域的真实三维数字场景模型。水库区域由于地形复杂，传统测绘方式有很大的不便，无人机倾斜摄影技术利用无人机能够多角度快速方便采集水库地理环境照片，并处理生成相应的测绘级别真三维地理模型。将巡检时空数据库中的巡检路线、任务信息和采集到的照片视频等内容展示在三维数字场景模型中，可真实模拟巡检工作进展情况，监控巡检人员实际工作动向。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步、移动端平台与监控中心进行通信，传递地理位置坐标和现场环境信息；
第二步、监控中心根据巡检任务实时传递的地理位置坐标和现场环境信息，构建水库巡检时空数据库，记录巡检任务信息；
第三步、利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库区域三维数字场景模型，在水库区域三维数字场景模型中展现巡检任务的巡检轨迹信息和现场环境属性信息；
第四步、根据时间变化，实时更新巡检任务进展，在水库区域三维数字地理场景展现完整的巡检路线变化，提供巡检信息实时浏览；
第五步、在水库巡检任务结束后，保存巡检任务中所采集的空间数据和历史资料信息，提供三维数字地理场景中的任意视角的任务回溯，提交水库巡检数字化报告。
2.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于所述第一步具体为：水库巡检人员使用移动端平台，每隔相同时间段将地理位置坐标通过无线网络传输至监控中心，上传数据附上时间戳表明进度，移动端平台同时对现场环境信息进行录入，并传送至监控中心。
3.如权利要求2所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于：所述现场环境信息包括水库现场的照片、视频或环境监测数据。
4.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于所述第二步中监控中心根据地理位置坐标和现场环境信息构建水库巡检时空数据库具体步骤为：在支持OGC地理数据类型标准的数据库平台中，将每个时刻采集到的地理位置坐标Pi和现场环境信息(E1,E2…En)i根据其数据结构特征存放构成空间对象Oi，Oi＝(Pi,(E1,E2…En)i)，其时间标记Ti为数据采集附加的时间戳，则一个巡查位置在空间的状态Si可用空间对象Oi和时间标记Ti的组合(Oi,Ti)来完整表达，巡查状态的变化用前后状态的向量Si+1-Si予以表达，每个巡检状态按照时间标记Ti变化而前后链接成序列(S1,S2…Sn)即形成巡检轨迹信息L，在时空时空数据库具体实现中，地理位置坐标Pi、现场环境信息(E1,E2…En)i和时间标记Ti为存储实体，状态变化向量和巡检轨迹信息L为空间分析和数据库运算的逻辑表达对象。
5.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于：所述第三步还包括将水库巡检过程中采集的现场环境信息，按照其空间位置放置在三维场景中，作为巡检内容实时情况和野外环境变化的重要补充信息。
6.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于所述第三步还包括：如果上传的巡检位置坐标点过少，将巡检路线渲染显示在三维数字场景模型中时，基于空间插值的巡检路线高程值对巡检路线进行较正，具体为：按照巡检路线的前进方向，每隔一定的距离做水平面的垂直线，垂直线与数字高程模型相交点的高程作为巡检路线上该水平位置的高程值，以此为基础重新调整整个巡检路线的高程分布情况。
7.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于所述第三步中利用三维GIS和无人机倾斜摄影技术构建水库三维地理场景具体为：使用无人机在水库重点区域多角度采集高分辨率照片，通过倾斜摄影技术运算处理后生成对应的实际三维地理模型，并与水库区域的数字高程模型和高分辨率遥感正射影像相融合，利用三维GIS技术重建水库区域三维数字场景模型。
8.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于所述第三步中巡检轨迹信息展布的具体方法如下：按照时间戳T从时空数据库中抽取巡检轨迹路径地理位置坐标，将每个坐标点绘制在三维数字场景模型中，然后根据坐标点的时间戳T判断在轨迹路径中的前后顺序，然后连接起来形成一条完整的巡检轨迹路线。
9.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于：所述第三步中现场环境属性信息展布的具体方法为：在水库巡检过程中，巡检人员使用获取设备采集关于水库实地环境的各种类型信息，即现场环境属性信息，在监控中心的监控平台，将各种类型的现场环境属性信息按照数据结构标准处理和融合存储至巡检时空数据库，展布时在三维数字场景模型中叠加对应时刻与位置的具体环境信息，各种类型的数据采用不同形态渲染展示。
10.如权利要求1所述的基于三维GIS的水库巡检实时监测方法，其特征在于所述第四步中巡检任务进展实时动态更新的方法是：以当前时间点为界限，时间戳T早于或等于当前时间Tc的巡检位置标记在三维数字场景模型中，然后再将这些标记位置显示为路线，然后以一定时间频率Tg，不断循环从系统访问所需数据，在三维数字场景模型中删除旧的巡检路线和信息，刷新渲染绘制新的巡检内容，以达到随着时间变化动态且实时显示水库巡检信息的目的，Tg为1～5分钟。
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