水电站施工测量数据动态管理系统研究

水电站施工测量数据动态管理系统研究

李 小 龙1,2，张 天 昊1，程 涛3，徐 军4，王 迪1

(1.东华理工大学 江西省数字国土重点实验室，江西 南昌 330013； 2.流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，江西 南昌 330013； 3.广西科技大学 汽车与交通学院，广西 柳州 545006； 4.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079)

摘要：针对传统的水电站施工测量数据数字化管理水平不高，利用不够深入等问题，设计了新的水电站施工测量数据动态管理系统，简化数据处理过程，动态构建三维模型，真实可靠地描述工程进度与质量。系统分为两部分：单机版的数据规范化处理子系统和WEB版的施工测量数据管理子系统。详细介绍了各子系统的功能设计，包括数据规范化处理、成果文件输出、测量数据入库、数据动态建模分析与可视化等。以西部某水电站为例，对该系统的科学性和可行性进行了验证，证明运用该系统可加强施工测量数据管理，充分挖掘数据中的有用信息,提高工程监管水平。

关 键 词：施工测量数据； 规范化处理； 动态管理； 三维建模； 进度分析

我国水能资源丰富，大型水电站较多，项目投入巨大，而且多建于崇山峻岭间。在建设阶段，管理部门对施工的进度及质量极为关心，但迫于工程巨大而分散、作业面较多、交通不便，不易及时掌握整体情况，给统一指挥调度带来不便。

在水电站土石工程施工建设过程中，几乎每个月都会对新挖掘部分进行竣工测量，以便掌握施工质与量，并核算工程量[1]。因此，施工测量数据是了解工程质量(超欠挖情况)和工程进度的有效途径[2-4]，但目前施工测量数据往往以平面图纸的形式提交，收集与查询管理很不方便，表达也不够直观。当前，有些水电站建设相关管理系统可对设计数据进行三维建模，并将模型分块存入数据库，赋加时间属性，以表现工程进展[5-8]。但是需要提前建模与分块，对施工进度的表现不够灵活，而且不能体现施工质量。

水电站施工测量数据以断面的形式进行处理及成果输出，本文根据此特点，构建一个完整的水电站施工测量数据动态管理系统。按照规定的格式处理数据，并将施工测量数据及时上传到数据库中，进行动态管理与三维建模[9-10]，并且随时查询工程进度,真正体现了动态建模、质量监管、进度查询，为统一调度指挥提供最可靠的信息源[11-13]。

1 系统总体框架

根据功能需求，水电站施工测量数据动态管理系统划分为单机版的数据规范化处理子系统和B/S模式的施工测量数据管理子系统，如图1所示。

图1 系统架构

数据规范化处理子系统是在AutoCAD基础上以插件方式二次开发而得，用于将测量数据的规范化、异常点剔除、三维模型建立测试、工程计量等功能集成到AutoCAD软件环境中，为施工测量数据管理子系统提供符合要求的数据。施工测量数据管理子系统主要用于测量数据的管理、工程进度分析、三维可视化，以网页的方式提供用户操作。三维控件通过Web Service读取施工测量数据，同时其他相关系统也可利用Web Service功能接口读取施工测量数据。

数据规范化处理子系统对设计数据和原始施工测量数据进行规范化处理，最终生成一个包含空间坐标的标准DAT文件。将此文件通过施工测量数据管理子系统导入到数据库中，并对规范化的断面数据进行动态建模、可视化与相关分析等。

2 数据规范化处理子系统

野外施工测量采集的原始空间数据是不规范的，需要进行规范化处理，以便符合施工测量数据管理子系统对数据的要求。根据实际测量数据处理工作情况，采用ObjectARX插件开发形式，将各种功能插件嵌入到AutoCAD中，进行规范化处理。该子系统体系结构如图2所示。

图2 数据规范化处理子系统体系结构

野外施工测量采集数据主要分为两类：一类是洞挖工程的测量数据，它是以断面形式采集;另一类是明挖回填工程的测量数据，它是以地形散点形式采集。洞挖断面数据的坐标是以各洞轴线为基础的工程坐标，即以里程、偏移量、高程形式表达的线性参考系坐标，不能直接构建三维TIN模型。所以，需要将工程坐标转换成统一坐标系下的空间直角坐标，以便建模后正确表现出各洞室的形状和位置。明挖回填工程的测量数据虽然是直接以统一坐标系下的空间直角坐标散点形式测量，但是在构建三维TIN模型和生成断面过程中，需要给出马道线，因此，需要提供辅助选取马道线的功能。

数据规范化管理子系统输出的成果有3种：① 洞挖、明挖回填工程的测量断面图，与同位置设计断面对比，反映工程质量；② 洞挖、明挖回填工程的三维TIN模型，以此验证数据的正确性，确保施工测量数据管理子系统的三维控件能够正确地动态构建三维TIN模型；③ 规范化后的洞挖、明挖回填工程的测量数据上传文件，该文件按照规定的数据结构，以ASCII明码记录测量坐标、测量时间、工程量等信息，存储在一个DAT格式的文件中，最终通过施工测量数据管理子系统上传，经过解析，存储于施工测量数据库中。

该子系统总体上分为3个模块：数据录入模块、数据处理模块和成果输出模块，如图3所示。

图3 数据规范化处理子系统模块关系

数据录入模块主要是针对工程需要，进行数据录入，分为设计数据录入和测量数据录入。

数据处理模块分为洞挖数据处理及明挖回填数据处理，根据不同的需求对采集到的数据进行处理和转换，最终输出ASCII明码记录的包含断面及三角网坐标的临时文件，为成果输出模块提供预处理的数据源。

成果输出模块分为标准入库数据输出、断面图输出和三维TIN模型输出。标准入库数据用于通过施工数据管理子系统上传至施工测量数据库。断面图输出DWG格式的断面图，用于检查、审核与存档。TIN模型输出主要是输出反映实际洞室形状的洞挖三角网模型，以及反映原始地貌的明挖或填工程的三角网模型，用于检查数据处理结果的正确性。

3 施工测量数据管理子系统

施工测量数据管理子系统是整个系统的核心部分，体现了业务流程，是整个系统各个部分连接的纽带及成果展示平台。其体系结构如图4所示。

图4 施工测量数据管理子系统体系结构

该子系统采用基于WEB的B/S结构，图中的虚线框是三维控件部分和Web Service接口部分。该子系统分为后台功能模块及前台客户端，而后台功能在前台客户端操作界面中体现，所以主要以前台客户端功能为基础进行说明。概要内容如下：

(1) 测量数据管理模块。对施工测量数据进行管理，包括测量数据上传入库、各级审批流转和断面查询等操作，其中审批流转是监理部门及测量中心依次查看上传数据的断面图，确定超欠挖情况，并将合格数据插入数据库。

(2) 设计数据管理模块。对设计数据进行管理，包括设计数据的导入，查询等功能。设计数据作为对比分析工程质量的基准，需要进行入库与管理。

(3) 工程信息管理模块。对水电站土石工程信息进行管理，包括工程名称、工程编号、里程长度、设计土石方量及工程简介等，这些信息作为数据入库、查询分析的分类依据。

(4) 查询分析模块。核心功能之一，对施工数据进行查询，得到工程质量和施工进度。其表现形式有断面图、三维TIN模型、按月土石方统计图、工程里程形象进度图以及工程完工时间预测等。

(5) 系统管理模块。对系统相关信息进行管理，其功能如字典管理、用户管理、权限角色管理以及模块管理等。

4 系统实现

水电站施工测量数据动态管理系统以西部某建设中的水电站为例，使用实测的施工测量数据进行处理与分析，最终验证系统的可行性与实用性。数据规范化管理子系统采用插件技术，以Visual C++ 2008为开发平台，在AutoCAD 2007的ObjectARX开发软件包基础上开发实现[14]。最终编译成ARX插件，并嵌入到AutoCAD 2007中，实现数据规范化的相关功能。该子系统在Windows操作系统上单机运行，通过相应的插件，将设计数据和施工测量数据录入到该子系统中。之后经过相关处理(如坐标转换、马道选取等)，最终输出规范化的成果数据，包括断面图、用于验证可进行三维建模的TIN模型，及用于上传的标准入库文件，如图5所示。

施工测量数据管理子系统采用B/S结构，以ASP.NET + C# + JavaScript为开发语言组合，并结合AJAX、Web Service和ActiveX技术开发实现[15]。其中，三维控件是以ActiveX插件的形式嵌入到网页中，读取Web Service提供的规范化后的测量和设计数据，进行断面和模型的构建与显示。而工程进度统计图，则采用以纯JavaScript开发的JQurey插件完成，其运行示例如图6所示。

图5 数据规范化处理子系统示例

图6 施工测量数据管理子系统示例

水电站施工测量数据动态管理系统要求每个月至少对工程进行竣工测量一次，并快速对测量数据进行处理与上传，以便决策者能够及时对数据进行查询分析，掌握工程进展情况。

5 结 语

因水电站建设具有工程量巨大、作业面众多、交通不便的特点，提出了利用施工测量数据进行动态建模与分析的方法，及时表现工程进度与工程质量。设计了一套水电站施工测量数据动态管理系统，从原始施工测量数据的处理，到数据上传入库，再到可视化建模与分析，是一个完整的解决方案，并以我国西部某建设中的水电站施工测量数据为基础，进行系统开发与验证，得到了较好的实验效果，证明了方案的可行性。

本文设计并实现的水电站施工测量数据动态管理系统具有以下4个特点：

(1) 体系结构完整。包括从原始测量数据处理，直到数据存储与分析的全过程。

(2) 动态建立模型。根据所选时间范围，动态检索数据并建立相应的三维模型，提高了应用灵活性。

(3) 时效性强。至少每月对新施工部分进行测量，并快速对数据进行处理与上传。

(4) 易于推广应用。在测量数据处理过程中，除辅助快速生成施工测量人员所必需的断面图外，经过简单操作便可以生成标准上传数据文件，减少处理人员的工作量，为进一步推广应用提供动力。

该系统的研究为水电站数字化建设的发展做出了一定贡献，但也存在一些不足之处，如动态构建复杂地下洞室与地上设施存在一定的局限性，而且尚未实现模型的任意剖切分析，需要在以后的研究中继续完善。

参考文献：

[1] LI X L, YANG J S, GUO B X, et al. Dynamic Modeling of Tunnel Survey Spatiotemporal Data[J]. Boletim de Ciências Geodésicas, 2014,20(2):354-375.

[2] 刘浦海,梁勇,张建生.水利水电工程测量[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[3] 岳建平,刘军.大型桥梁施工测量信息管理系统研制[J].测绘通报,2004(8):44-46.

[4] 李跃鹏，孟颖，王永强.大断面地下洞室收敛监测技术的改进与应用[J].人民长江,2015,46(16):38-42.

[5] 熊良宵,杨林德.深埋隧洞开挖造成的应力变化过程[J].中南大学学报:自然科学版,2009,40(1):236-242.

[6] 钟登华,王忠耀,李明超,等.复杂地下洞室群工程地质三维建模与动态仿真分析[J].计算机辅助设计与图形学学报,2007,19(11):1436-1441.

[7] 汪云甲,伏永明.矿井巷道三维自动建模方法研究[J].武汉大学学报:信息科学版,2006,31(12):1097-1110.

[8] 魏占营,王宝山,李青元.地下巷道的三维建模及C++实现[J].武汉大学学报:信息科学版,2005,30(7):650-653.

[9] Siyka Z, Alias A R, SHI W Z. Topological models and frameworks for 3D spatial objects[J]. Computers & Geosciences, 2004, 30(4): 419-428.

[10] 史波,郑敏.基于三维控制场的三维激光扫描点位精度评定[J].人民长江,2015,46(3):27-30.

[11] Munther J. Haddadin. Water issue in Hashemite Jorden[J]. Arab Study Quarterly,2000,22(5),54- 67.

[12] 杨广，核新林，李俊锋，等.基于物元模型的干旱区水资源承载力评价研究[J].人民长江，2009，40(21):52-54.

[13] 常进，赵小勇.PPC模型在水资源承载能力评价中的应用[J].人民黄河，2013，35(9):71-73.

[14] 李长勋.AutoCAD ObjectARX程序开发技术[M].北京:国防工业出版社,2005.

[15] 吴强,张杰.Web设计与开发——XHTML+CSS+ JavaScript + ASP.NET[M].北京:清华大学出版社,2011.

(编辑：赵凤超)

Research on dynamic management system for construction survey data of hydropower station

LI Xiaolong1,2, ZHANG Tianhao1,CHENG Tao3, XU Jun4,WANG Di1

(1.Key lab for Digital Land and Resources of Jiangxi Province, East China University of Technology, Nanchang 330013 China; 2.Key Laboratory of Watershed Ecology and Geographical Environment Monitoring, Nanchang 330013 China; 3.School of Transportation & Automotive, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006 China; 4.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University 430079, China)

Abstract: Aiming at low digitalization management level of traditional construction survey data for hydropower station and underutilization, a new dynamic management system of construction survey data is designed and in the system, the data processing is simplified and the construction progress and quality can be described using 3D modeling. The system consists of two parts: a stand-alone processing subsystem of data standardization and web-version of data management subsystem in construction surveying. Functional designs of the subsystems are introduced in detail, including data standardization process, results output, survey data input, data dynamic modeling, analyzing and visualization etc. Finally, taking a hydropower station in western China as an example, the entire system was developed and realized, and the scientificity and feasibility of its design were also verified. The system can help enhance the management of construction surveying data, fully explore the useful information, and improve the level of project supervision.

Key words: construction surveying data; data management standardization; dynamic management; 3D modeling; progress analysis

收稿日期：2016-11-23;

修回日期：2017-01-23

作者简介：李小龙，男，讲师，博士，主要从事地理信息科学方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]

文章编号：1001-4179(2017)16-0063-04

中图法分类号：TP391

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.16.014