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1、地下管道地理信息系统地下管道地理信息系统 摘要: 目前，许多老城区由于建设初期技术不够发达只能应用人工纸质记录地下管道信息，随着年代的久远，造成许多信息遗失，不好管理和修复。并且伴随着城市的快速发展，地下管道网日趋复杂，城市地下管道信息更加难以靠人工管理。针对城市地下管道既具有空间信息，又有大量属性数据的特点，运用地理信息系统技术，设计了地下管道地理信息系统。本文主要阐述了该系统的应用前景、设计思想、系统的框架结构及其实现的技术结构；并结合实例，对工程信息数据的处理与管理、系统功能等进行了描述。该系统的建设，能有效解决“海量”管网信息的存储、管理、分析和应用等问题，也为管网改造、爆管抢修等业务
2、提供科学的数据支持。对提高工作效率、推进地下空间的开发与应用具有重要作用，更利于现代化建设的需要。 关键词:地下管道；地理信息系统；管理；数据 一、引言 城市各类地下管道是一个城市的基础设施，担负着信息的传输，能源的输送等重要工作，也是一个城市赖以生存和发展的物质基础。随着年代的久远，原来的手工记录的地下管道信息因各种原因遗失，还有城市建设的不断发展，地下空间的工程数量不断增加，相应的工程分布、工程图纸、工程状况等信息量呈指数增加，地下管道信息不全造成在施工时经常挖坏或挖断地下管道造成停电，停水，通信中断等一系列问题，并缺乏相应的分析能力，造成对事故处理不及时。况且，人工方式记录效率低，进程短
3、。随着时代的发展，信息技术的发展对城市地下空间的规划、建设、管理等提出了更高的要求，传统的人防管理模式已不适应现代城市建设的需求1。高效管理地下各类专业管线，满足决策，管理部门和施工单位的需要已成为城市信息管理当务之急。因此，设计基于地理信息系统的地下管道系统是非常有必要的。以城市地理信息为基础，运用地理信息系统技术对地下空间信息进行管理不仅适应了城市建设的科学化，合理化的要求；同时，还能对快速为应急提供指导意见2。具体设计过程如图1所示。建立基础系统系统的初步设计用户需求修改系统用户使用反馈软件检测最终产品软件规范系统文件 图1系统的总体设计思想 二、应用前景 地下管网地理信息系统不仅使地下
4、管线变暗为明，而且变明为动。在管网运行当中，利用网络分析和各种专业算法，可以动态模拟管道内各种参数，如温度、压力、密度、流量等，做出流动状态波动曲线图，据此推断管线上各装置的运行情况，合理调控，维持管网最佳经济运行。客户管理是管线权属单位最重要的管理内容，将客户端管段资料与城市管网管理系统连接，对计量器具编号，定位入库，为自动计量、自动查询、自动收费、自动计算损耗、维修管道等建立了良好的基础，改变城市水、电、气等资源的管理，使其更科学、有效、方便、安全。 三、系统总体设计思想及其实现 （一）系统总体设计思想系统设计以符合软件规范、有效提高工作效率、界面友好、便于实际运用和操作为指导思想。具体系
5、统的设计，采用软件工程面向对象的设计思路, 运用原型法, 使软件开发人员与地下空间管理单位人员实现交互，一方面保证系统实现过程与实际应用相符；另一方面使用户参与系统的开发,保证对系统的基本维护能力和深层次的应用。 （二）系统设计原则 根据设计思想, 进行系统设计须遵循一定的原则:(1)针对性：以提高信息管理效率、信息质量为准则，为决策者提供及时、准确、有效的信息, 向社会提供需求信息为出发点，体现实用价值；(2)规范性：系统软件的设计应符合编程规范,保证大系统开发中的软件源代码的编程风格的一致性；便于软件质量的检测，真正实现科学化；(3)完备性：包括数据的完备性和系统功能的完备性，数据的完备性
6、指数据中存储的图形及属性信息足以满足系统的正常运行和用户日常工作的需要；系统功能的完备性指根据需求设计各种模块，充分实现信息的有效管理；(4)可扩充性：系统的要素编码、功能和数据库必须根据发展的需要进行扩充，以保证系统的先进性；(5)安全性：信息防护是信息系统的重要课题。该系统通过利用数据访问及数据更新的权限设置等方法，确保数据安全，保障系统的信息安全。 （三）开发平台选择 GIS开发平台的选择对系统日后的建设、维护和扩展都起着十分重要的作用。我们在选择GIS开发平台是主要从以下几个方面考虑： （1）技术性能。GIS开发平台技术先进性决定了地理信息系统建立起来后能否满足现在和往后的功能需求。在
7、搭建GIS框架时除了要考虑当前的使用需求外，还应适当考虑到日后对系统升级的需要。 （2）价格成本。任何软件系统的建设都离不开资金的投入，GIS系统的开发建设也需要相当大的资金投入。在选择GIS平台时价格成本是必须考虑的因素，主要包括购买GIS平台的费用、二次开发的费用、系统维护费用和系统升级费用等。 （3）二次开发难易程度。二次开发主要是发生在GIS系统建设初期，但要使GIS系统具有更强的生命力和实用性，需根据实际情况对GIS功能不断完善。我们在选择GIS平台时，应选择开放式的、容易二次开发与维护的GIS平台。 （4）平台操作的难易性。平台操作的难易性主要影响到GIS系统的维护和操作，要尽量选
8、择容易操作维护的GIS平台。 （5）开发商开发经验。为保证开发的速度和质量，应优先考虑选择开发实力较强、具有GIS开发经验的开发商。在选择好开发平台后，开发商可根据客户的需求进行功能开发。 （6）维护服务。主要包括GIS平台供应商和系统开发商对GIS运行后的维护服务。 （7）GIS的发展趋势。选择符合GIS发展趋势的开发平台，有利于日后的系统升级和二次开发，这是影响GIS系统生命力的重要因素。 （四）系统的框架体系结构系统设计的基本思想是以图( 图形、图像)为基础，在城市平面图上管理城市地下空间的各种工程信息；将空间数据与属性数据相结合，使系统操作更加方便、管理能力增强3。系统的总体结构包括空
9、间数据库、属性数据库的建立，空间数据、属性数据的浏览、输入与输出、双向查询等。系统具备普通MIS( Management Information System) 的基本功能，与普通MIS的区别在于对空间数据的管理，能够进行空间查询和基本的空间分析。系统的总体框架结构，如图2所示。 图2系统的总体框架结构 （五）系统实现的技术结构系统可以在VC+、VB、Delphi等软件开发环境下，结合组件式GIS软件MapX或MapObject等开发出C/ S、B/ S等模式的信息管理系统。我们所设计的某市区的地下空间信息管理系统，采用Windows 2000 Server作为服务器平台，FrontPage
10、2000作为网页开发平台，JavaScript、VBScript、ASP3. 0、CSS作为动态网页开发技术，SQLServer 2000作为数据库服务器，MapInfo等面向对象开发语言为系统的开发平台。USMIS采用3层结构，即前端浏览器、Web服务器、GIS应用服务器和数据库服务器，系统技术结构如图3所示。图3地下管道地理信息系统的技术结构 四、管线数据转换与处理 （一）数据的获取 原始数据包括CAD地形数据，影像数据和管网数据。数据的获取来源包括图纸资料，遥感影像，实测数据，数字数据，文本资料等。原始数据中，CAD地形数据指1:2000标准地形数据，通过外业实测和内业修编来获取；影像数
11、据是最新航测遥感影像，通过航空摄影测量来获取；管网数据是含排水管网的地下综合管网数据，通过外业实测，调查，内业资料整理，信息录入来获取4。 （二）数据处理 数据处理指将原始数据处理成标准化数据，它包括数据分层，矢量化，信息筛选，类型转换，配准纠正，管网矢量生成等过程。数据处理流程图如图4所示。CAD标准地形数据管网数据影像数据数据分层配准纠正CAD标准分层数据管网矢量生成矢量化信息筛选类型转换标准影像图标准矢量图应用矢量图图4数据处理流程图 （1）数据分层管理地图数据进行分层管理，是计算机对图形管理的主要内容。对地形图内容的分层应根据地物要素的数据类型和专题内容，同时要适合图形编辑和图形输出的
12、条件进行分层。用户根据需求，将不同内容的图层进行组合，即可形成所需的图层。对城市地下空间工程信息的图形管理可以参考以下独立分层的方式进行，如表1所示。 层名类别说明注记文本用文本辅助说明各类情况, 包括市区名称、街道名、地名、大型建筑物名称、重要经济目标名称、重要标志等。地下工程面包括各类地下工程, 利用工程序号来区别某一具体工程。数据包括工程的长度、面积、组成线和面的点数、最大和最小坐标及中心点坐标等信息。交通设施线、面按照相应标准、等级分颜色表示, 辅助说明位置, 包括铁路、地铁、高速公路、高架桥、主干道、次干道、一般街道等等。公用设施面城市基础建筑、设施等, 包括公用绿地、体育场所、河流
13、、水系、防空警报器的设置等。居民地面各类居民点信息, 包括居民建筑、人口数量信息等。行政区划面境界边线组成各类行政区单元, 包括各城区、街道、社区等各类行政区划的大致位置和范围, 可按区内各下一级分区的大致范围或分区来查询地下空间情况。 表1图层信息分层简表 （2）矢量化 目的是制作矢量数据。对于标准分层的CAD数据，首先通过ArcGIS软件将其转换为分层的矢量数据；然后对关键数据进行编辑，筛选，转换等处理，以消除冗余，提高精度。矢量化后的数据分为线层，面层2大类数据，对其进行有序组合和符号化可生成矢量标准底图。 （3）管网矢量生成 管网矢量生成是根据管网数据的管点坐标和管线起止点生成矢量数据
14、，并赋予相应属性的过程。管网矢量生成利用ArcGIS开发的专用工具完成，其结果数据是地下管网的应用矢量数据。 五、系统功能 （一） 系统操作功能描述 （1）图形编辑功能 地图输入实现MapObjects地图数据格式.shp格式的图形输入，对于其它地图数据格式如AutoCAD的Dxf，南方测绘CASS软件数据格式 .dat文本文件数据格式的图形数据进行格式转换，然后再转入到系统中来。地图的显示和打印模块可完成对地图进行放大、缩小、漫游及分层管理等操作和图件的打印。地图编辑主要完成对地图的点、线、面等图形对象进行添加、删除、复制、拖动、裁剪等操作，并能对图形的属性数据进行编辑。地图测量提供用户量度
15、点、长度、面积等方法，而视窗变换可以让用户可以任意放大、缩小、移动、返回前一视窗、快速放大、快速缩小，重做与恢复等。 (2)查询功能 查询模块要能够完成属性数据的浏览、查询、修改等操作。采用点选、矩形选择、多边形选择等工具进行交互式的选择查询范围，构造SQL条件查询，另外还要求能实现图形数据和属性数据的关联。 (3)管线分析 一个成熟的系统应具备一定的分析和帮助功能，一旦地下管线发生一些突发事情，系统能帮助管理者做到以下几方面的分析：事故分析：当出现事故时，能找到事故点，及对周围管线的影响：应用缓冲区分析：即定距离空间模式，分析管线及关闭障碍点对服务区域的影响；数字地面功能：分析管线的三维立体
16、状况；断面分析功能：自动提供任意地点的管线横断面，标出各管线断面的尺寸，里程和间距，同时自动提供任意管线的纵断面图，可观察管线的走向与坡度等信息；交叉分析：分析管线的立体交叉情况。 (4)数据统计 地下管线管理系统最终还要完成对管理的数据，信息分类统计，帮助决策者做出合理的判断。 (5)数据检查功能 程序检查：数据转换时生成合理的属性数据缺省值，用户编辑图形时能保证数据的合理性与正确性；入库数据检查：确保人库数据准确，包括管线属性内容检查，点号、线号重号检查，自流管线埋深检查防止出现倒流情况，在拟建管线的交叉情况检查。 (6)图形输出 图形输出模块要能按任意比例输出所需的任何一块管线图，相应的
17、属性数据输出至报表，或输出至Excel文件。 （二）系统特点 (1)数据库管理为核心 本文地下管线地理信息系统以SunwayGIS基础地理信息系统平台为基础，结合地下管线处理软件，以数据库管理为核心，实现对地下管线空间数据的采集、存储、处理及数据利用一体化管理为目标，提供简易、方便、高效的数据生产和管理方法，是易于维护、更新和实用的基础地理信息系统。 (2)内外整体解决方案 该系统包括了从外业数据采集、数据内业整理、数据建库、数据应用、数据库更新维护、数据交换与共享等GIS系统整体解决方案。 (3)统一的数据标准 数据的标准问题一直是困扰地理信息管理与应用的一个非常头疼的问题，由此而带来数据共
18、享矛盾是当今地理信息研究和应用的一个焦点。 该系统使用“模板” 技术封装了所有的数据标准。在系统建设开始，先制作了一个模板，当完成了模板制作，就相当于制定了一套数据标准。只有具有一定权限的管理员，才能对模板进行修改，从而保证了数据始终依据统一标准。 (4)数据整合功能 数据整合是地理信息系统建设的一个必要过程，也是地理信息系统建设“卡脖子”的地方，成为整个地理信息系统建设过程中耗资最大、工期最长的阶段，它严重影响着建库的进程。本文地下管线地理信息系统具有高效、有力的数据处理能力，适合处理多种多样的原始数据，最终使数据符合入库要求。 (5)信息映射机制 数据共享和GIS互操作是当今GIS研究和应
19、用的焦点之一，也是GIS向前发展必须解决的首要问题。本文地理信息系统采用 EPS平台特有的“信息映射机制” 技术实现了与国内外其他GIS软件的数据共享，它可以模拟客户方的系统环境运行。这些系统主要包括 Arc/ Info、ArcView、AutoCAD、Microstation、MapInfo、MapGIS、Geostar等，并且随着应用的深入，还会不断扩展一些与其他地方标准的交换接口。 (6)多源多尺度海量空间无缝数据的统一管理 系统管理的数据最终是存储在数据库中。它主要实现了地形数据、地下管线数据、影像数据、属性数据、文档资料的存储，还可支持影像数据和矢量数据的叠加显示，通过设置显示比例阀
20、值与数据动态加载特性，实现了海量数据、多空间尺度数据的动态浏览和逐级显示，图形和属性的相互查询，空间数据的简单统计和分析等一些 GIS的基本功能。 (7)时间特性 该系统不但拥有真三维的数据结构，而且实体对象还有时间描述，实现GIS基本数据结构描述从三维空间 (X、Y、Z)到四维空间 ( X、Y、Z、T)的过渡。借助时间特性，使得数据库的更新维护、历史数据的管理变得更加容易，方便了涉及时序GIS分析功能扩展与实现。 (8)数据库管理技术 在该系统的数据库表中直接可以挂接任何数据，如一张图片、一段音频数据、一段视频信息。 (9)多种数据采集更新手段 该系统提供了较为齐全的数据生产、维护、更新的手
21、段，因而使利用SunwayGIS建设的系统从一开始就是一个能进能出、可方便维护、快速更新的活库。 （三）信息管理的功能描述根据用户需求，在城市地下空间信息管理系统中，一般要实现的功能模块，如图5 所示。图5 系统功能模块结构 该功能模块结构，主要包括数据基础、工程信息管理、辅助决策系统、业务链接、演示系统等。工程信息管理是开发研究解决的关键性问题，辅助决策是优化思想的体现，业务链接体现了现代办公一体化的需求，演示系统是为网络客户、汇报、系统管理等进行的一种表现形式。其次，对各功能模块进行详细设计，设计内容包括：设计模块封面、菜单、子菜单、按钮、工具；对所实现功能详细设计程序框图，如数据来源、解
22、决方案、数据输出以及技术难点；对空间查询、量算分析等专题进行建模，以及实现的技术思路等。六 总结城市地下管道地理信息系统的开发，是适应当前信息社会中管理现代化、城市信息化的需要，对于办公一体化，提高工作效率具有推动作用；同时，这也是建设数字城市的重要组成部分，对于城市建设、管理与维护等具有重要意义。本文在广泛参考国内外有关地理信息系统的文献的基础之上，通过对国内外现有的有关地理信息系统开发技术方法的比较和分析，针对地下管线信息系统开发中的一些关键技术一ComGIS、GIS控件( MapObjects )、系统数据编码和组织模型c/s模式体系结构等进行研究，提出了相应的算法，设计并实现了城市地下
23、管线系统。参考文献：1 张望军：清远市给排水管网管理系统的开发建设J，给水排水2001：27-34。2 杨华：VB与MATLABCOM组件在GPS数据处理中的应用J，矿山测量，2006：42 -44 。3 黄世秀：基于工作流的地籍管理信息系统的研究与开发D，合肥工业大学2004：25-30。4 陈述彭：地理信息系统导论M，北京科学出版社1999：45-53。5 朱前飞：基于GIS的维修管理信息系统的研究J，电脑与信息技术2000：56-67。6 安关峰，史勇，梅其岳：城市地下空间信息化探讨J，地下空间2002：23-28。7 张玉洁：地下管网综合管理系统的设计与实现，大连理工大学硕士学位论文2
24、003：15-27。8 杜良法，李先军：复杂条件下城市地下管线探测技术的应用J，地质与勘探，2007：119 -123。THE UNDERGROUND PIPES GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMSHAN Yong-qiang Abstract:Currently, many of the old city due to the initial stage of construction technology is not developed enough only artificial paper records underground pipes, as to
25、 the long history, resulting in the loss of many, hard to manage and repair. And along with the rapid development of the city, the underground pipeline network is becoming increasingly complex urban underground pipeline information more difficult to rely on manual management. Both spatial informatio
26、n, there are a large number of the characteristics of the attribute data, the use of geographic information system technology, designed underground pipeline geographic information system for urban underground pipeline. This article focuses on the application prospects of the system the technical str
27、ucture design idea, system framework and its implementation; combined with examples, the project information data processing and management, system functions are described. The construction of the system can be an effective solution to the storage, management, analysis and application of the mass pi
28、pe network information, and also provide scientific data to support the pipe network transformation, the squib repair business. Improve work efficiency, promote the development and application of underground space has an important role, is more conducive to the needs of modernization.Key words:Underground pipes; geographic information system; management; data