基于ArcGIS 的地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*——以泉州市為例

陳守偉

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福建 福州 350011)

0 引言

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門(mén)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐，側(cè)重地理空間數(shù)據(jù)的采集、解譯、圖形化處理和綜合分析應(yīng)用的新技術(shù)［1］。它把地理實(shí)體的空間數(shù)據(jù)與相關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合在一起，不同層次地滿足了城市建設(shè)、居民生活對(duì)各種空間信息的需求，并憑借其獨(dú)有的空間分析功能和可視化表達(dá)方式在各領(lǐng)域輔助人們管理和決策［2］。

城市綜合地下管線是城市的“生命線”，也是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，更是發(fā)揮城市功能和確保城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)健康協(xié)調(diào)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)［3-4］。隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下管網(wǎng)體系越來(lái)越龐大，管理的復(fù)雜度逐年增加。信息時(shí)代城市的快速發(fā)展，客觀上需要大量及時(shí)、準(zhǔn)確、快速、有效的信息。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，城市地下管線資料多以圖紙、圖標(biāo)和卡片等形式記錄保存，采用人工方式管理［5］。隨著時(shí)代和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城市的現(xiàn)代化步伐日趨加快，這種傳統(tǒng)管理方式的弊端越來(lái)越明顯:難以高效地管理大量的管網(wǎng)數(shù)據(jù)資料，不能從海量管網(wǎng)數(shù)據(jù)中提取出有效的信息，嚴(yán)重制約了城市的快速發(fā)展。傳統(tǒng)的管理方式與城市建設(shè)、管理、發(fā)展的矛盾日益突出，采用高新技術(shù)和方法來(lái)高效管理城市地下管網(wǎng)，滿足決策、管理部門(mén)和施工單位的需要已成為當(dāng)務(wù)之急［6］。為此，本文以泉州市為例，介紹了地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)以Arc-GIS10 平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用SOA 架構(gòu)模式，Oracle11g 統(tǒng)一存儲(chǔ)海量空間、非空間數(shù)據(jù)，通過(guò)C/S 進(jìn)行數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、編輯等管理，并結(jié)合B/S 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，系統(tǒng)的成功實(shí)施首先需要在系統(tǒng)分析、系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能等以及數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

1．1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

該系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是:能夠夯實(shí)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，形成統(tǒng)一集中的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，全面、快速和準(zhǔn)確地掌握地下管網(wǎng)的數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和空間布局，準(zhǔn)確記錄地下管網(wǎng)生命周期中各個(gè)階段的信息，做到資源狀況“一覽無(wú)余”;促進(jìn)管理行為優(yōu)質(zhì)、規(guī)范、高效，實(shí)現(xiàn)落地化、精細(xì)化資源管理;統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)框架，避免因標(biāo)準(zhǔn)不一而重復(fù)采集數(shù)據(jù)，節(jié)省人力物力;通過(guò)信息的積累和整合，提升信息公開(kāi)和社會(huì)化信息服務(wù)水平。

1．2 系統(tǒng)建設(shè)原則

1．2．1 加強(qiáng)統(tǒng)籌，制度保障

統(tǒng)籌規(guī)劃，精心組織，扎實(shí)推進(jìn)，建立分工合理、責(zé)任明確的管理機(jī)制及權(quán)威高效的協(xié)調(diào)機(jī)制，并制定符合項(xiàng)目開(kāi)展的技術(shù)規(guī)范和生產(chǎn)組織框架，保障系統(tǒng)建設(shè)工作的穩(wěn)步推進(jìn)。

1．2．2 綜合集成，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

在建設(shè)中應(yīng)用和擴(kuò)展，在應(yīng)用中完善與提高，突出應(yīng)用實(shí)效。針對(duì)不同的應(yīng)用或服務(wù)對(duì)象、定制不同的信息服務(wù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、差異化和多元化服務(wù)。

1．2．3 建用并舉，突出應(yīng)用

在建設(shè)中應(yīng)用和擴(kuò)展，在應(yīng)用中完善與提高，突出應(yīng)用實(shí)效。針對(duì)不同的應(yīng)用或服務(wù)對(duì)象，定制不同的信息服務(wù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、差異化和多元化服務(wù)。

1．2．4 分步實(shí)施，信息共享

以需求為導(dǎo)向，分步分塊實(shí)施，逐步建立健全數(shù)據(jù)匯交、實(shí)時(shí)更新以及信息共享的機(jī)制。

1．3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。系統(tǒng)主要由地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與基礎(chǔ)設(shè)施5 個(gè)部分組成。地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)來(lái)源，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ);數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)所有數(shù)據(jù)更新、維護(hù)的出入口，為數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽、統(tǒng)計(jì)分析等核心處理邏輯，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理，為應(yīng)用和服務(wù)提供有效支撐;數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)提供的核心處理邏輯，直觀、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地展示地下管網(wǎng)各個(gè)方面的信息，實(shí)現(xiàn)資源狀況“一覽無(wú)余”;系統(tǒng)管理子系統(tǒng)是系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)方面資源的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)組織機(jī)構(gòu)、菜單、權(quán)限、數(shù)據(jù)字典、日志、統(tǒng)一認(rèn)證等各子系統(tǒng)之間共性部分的銜接和管理;網(wǎng)絡(luò)與基礎(chǔ)設(shè)施是應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)性能和生命力的保障，是應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行和訪問(wèn)的承載，是為用戶提供系統(tǒng)服務(wù)的有效保障。

1．4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1．4．1 常規(guī)地圖操作功能

提供常見(jiàn)的地圖操作功能，如地圖的瀏覽、鷹眼導(dǎo)航、坐標(biāo)顯示、圖形選擇以及包括長(zhǎng)度和面積量測(cè)功能在內(nèi)的地圖測(cè)量功能。

1．4．2 空間查詢功能

系統(tǒng)提供多種方式的查詢統(tǒng)計(jì)功能，支持圖形與屬性雙向查詢統(tǒng)計(jì)，支持查詢結(jié)果的快速雙向定位顯示，并可將查詢結(jié)果以多種形式導(dǎo)出。系統(tǒng)可加載地理信息公共服務(wù)平臺(tái)(政務(wù)版)發(fā)布的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)作為管網(wǎng)數(shù)據(jù)的底圖，使管網(wǎng)數(shù)據(jù)的展示更加形象、直觀，增強(qiáng)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)分析能力。

1．4．3 網(wǎng)絡(luò)分析功能

系統(tǒng)提供橫斷面分析、縱斷面分析、爆管分析、連通性分析、埋深分析、碰撞分析、老化分析、緩沖區(qū)分析、下游追蹤等功能。

圖1 地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig． 1 The overall architecture of underground pipe network management information system

1．4．4 數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能

系統(tǒng)能夠?qū)肴鏏utoCAD、Excel、txt 等多種數(shù)據(jù)源成果，并可進(jìn)行屬性的編輯、克隆、圖形編輯、操作管理等功能。

1．4．5 故障管理功能

系統(tǒng)提供管網(wǎng)故障信息的日志管理，記錄故障管網(wǎng)的位置、故障管網(wǎng)、故障原因、處理情況、附件等，并支持故障位置的圖形展示。此外，系統(tǒng)提供歷史管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的歷史回溯。

1．4．6 圖件輸出功能

系統(tǒng)提供多種固定格式與自定義格式的統(tǒng)計(jì)報(bào)表打印輸出功能，支持多種比例尺的標(biāo)準(zhǔn)地形圖與專題制圖打印輸出功能。

1．4．7 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能

系統(tǒng)提供與ArcGIS、MapGIS、AutoCAD 等多種GIS 軟件與計(jì)算機(jī)輔助制圖軟件的交換格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出功能。并提供按當(dāng)前范圍、選擇范圍、行政區(qū)、圖層、圖幅等不同的導(dǎo)出方式。

1．4．8 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)提供多種系統(tǒng)管理方式，包括:用戶管理、角色管理、菜單管理、日志管理、統(tǒng)一認(rèn)證中心管理等。

1．5 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是建立數(shù)據(jù)庫(kù)的核心與基礎(chǔ)，其合理性直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的性能。數(shù)據(jù)庫(kù)需要在與目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)組織和部門(mén)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研、了解現(xiàn)行系統(tǒng)的狀況、確定新系統(tǒng)的功能的基礎(chǔ)上，構(gòu)造合理的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，使應(yīng)用系統(tǒng)能有效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括1∶500 比例尺基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)和地下綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle+ArcGIS 平臺(tái)軟件，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地理數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)中，矢量數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)等以不同的邏輯結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。矢量數(shù)據(jù)的管段及各類管點(diǎn)數(shù)據(jù)在同一個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集(Feature Dataset)中存儲(chǔ)，管段及各類管點(diǎn)數(shù)據(jù)按照分類分別存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)集中的每個(gè)相應(yīng)的要素類中，即數(shù)據(jù)層;表格數(shù)據(jù)以O(shè)racle 表進(jìn)行存儲(chǔ);元數(shù)據(jù)以O(shè)racle 表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。為增強(qiáng)地下綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯性，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、挖掘等，設(shè)計(jì)了科學(xué)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系(管段記錄其所關(guān)聯(lián)的管點(diǎn)、管井、屬性、檔案附件等數(shù)據(jù))，通過(guò)數(shù)據(jù)的層層關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中融合和高效應(yīng)用。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2．1 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)是地理信息系統(tǒng)項(xiàng)目中投資最大的部分，地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)占整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)投資的70%或更多，并且這種比例在最近不會(huì)有明顯的改變［7］。地下綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)源主要為AutoCAD 等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)針對(duì)不同數(shù)據(jù)源，設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)體系。

城市地下綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、模型、格式、精度、存儲(chǔ)形態(tài)等差異甚大，要將種類繁多、數(shù)據(jù)量巨大的各類數(shù)據(jù)集成整合為支撐管網(wǎng)管理行為的數(shù)據(jù)庫(kù)，需要對(duì)各類業(yè)務(wù)及管理空間數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)據(jù)整合與整理工作。數(shù)據(jù)整合與整理通過(guò)要素抽取、梳理完善、空間化處理、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、編碼轉(zhuǎn)換、邏輯處理、關(guān)聯(lián)關(guān)系建立等步驟，形成數(shù)據(jù)整合與整理體系，如圖2 所示。數(shù)據(jù)整合可使各類數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一致的空間定位、相互疊加和套合。

2．2 主要功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)利用GIS+WebGIS 技術(shù)，總體實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下綜合管網(wǎng)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的二三維聯(lián)動(dòng)展示、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等功能。其中，分析模塊是系統(tǒng)功能的精髓，具備橫斷面分析、縱斷面分析、爆管分析、連通性分析、埋深分析、碰撞分析、老化分析、緩沖區(qū)分析、下游追蹤等功能。

2．2．1 二三維聯(lián)動(dòng)

二三維聯(lián)動(dòng)是以ArcGIS 平臺(tái)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了二三維一體化展示，展示效果，如圖3 所示。圖3 中左視圖為二維視圖，右視圖為三維視圖。二三維聯(lián)動(dòng)除能按照地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)合顯示，還能按照管網(wǎng)與地表的實(shí)際關(guān)系準(zhǔn)確地顯示管網(wǎng)，直觀地顯示各類管網(wǎng)間的穿插關(guān)系以及各類管網(wǎng)與地表構(gòu)筑物之間的空間關(guān)系。

2．2．2 縱橫斷面分析

縱橫斷面分析首先計(jì)算與縱橫斷面線相交的地下管網(wǎng)，然后計(jì)算各條管網(wǎng)與斷面的交點(diǎn)的水平或垂直投影位置與埋深，根據(jù)剖面上各管網(wǎng)的水平或垂直投影距離和埋深自動(dòng)計(jì)算合適的剖面圖比例尺，完成剖面圖的繪制，可以在斷面圖上進(jìn)行空間量算和獲取管網(wǎng)的信息。

2．2．3 連通性分析

連通性分析是查找給定管網(wǎng)設(shè)備之間的連通路徑，如果存在連通路徑，則返回并突出顯示管線數(shù)最少的路徑。

2．2．4 爆管分析

爆管分析是在爆管位置設(shè)置標(biāo)志，基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)追蹤。因?yàn)槿細(xì)夤芫W(wǎng)多為環(huán)狀管網(wǎng)，所以需從爆管位置開(kāi)始進(jìn)行上游和下游雙向追蹤，查找與爆管位置相連的各條路徑中離爆管位置最近的閥門(mén)，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步分析關(guān)閥影響的用戶。

2．3 應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

地下管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)采用空間海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、海量數(shù)據(jù)瀏覽展示技術(shù)、動(dòng)態(tài)投影技術(shù)、數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸描述語(yǔ)言、代理服務(wù)技術(shù)GIS 與WebGIS 等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)建設(shè)了桌面端、Web 端、三維平臺(tái)和移動(dòng)端4 大類地下綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)。其中，桌面端(見(jiàn)圖4)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢查、入庫(kù)、編輯等管理功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)查詢分析、爆管分析、覆土分析、碰撞分析等業(yè)務(wù)功能，同時(shí)利用版本管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歷史查詢和回溯，支持?jǐn)?shù)據(jù)的出圖管理、權(quán)限控制等擴(kuò)展功能;Web 端(見(jiàn)圖5)以桌面端系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于網(wǎng)頁(yè)瀏覽器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線查詢統(tǒng)計(jì)分析和下載共享等檢索功能，實(shí)現(xiàn)跨部門(mén)、跨機(jī)構(gòu)、跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)查詢共享;三維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維瀏覽，并結(jié)合二維的數(shù)據(jù)進(jìn)行二三維聯(lián)動(dòng)瀏覽，同時(shí)基于三維數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的漫游、飛行等模擬真實(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)瀏覽功能;移動(dòng)端(見(jiàn)圖6)以桌面端系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)或離線方式實(shí)現(xiàn)城市地下管線數(shù)據(jù)的在線查詢、統(tǒng)計(jì)分析功能。三維平臺(tái)地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，見(jiàn)圖7。

圖2 數(shù)據(jù)整合與整理體系Fig．2 Data integration and sorting system

圖3 二三維一體化聯(lián)動(dòng)展示Fig．3 2D and 3D integration linkage display

圖4 桌面端地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)Fig．4 Desktop client's underground pipe network management information system

圖5 Web 端地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)Fig．5 Web client's underground pipe network management information system

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，其重點(diǎn)在于系統(tǒng)的功能需求定位及與之對(duì)應(yīng)的功能模塊設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?；诮M件對(duì)象模型構(gòu)建的ArcGIS 系列產(chǎn)品，針對(duì)不同數(shù)量級(jí)的專業(yè)地理信息系統(tǒng)的建設(shè)，提供了一系列的解決方案?；贑OM、SOA等技術(shù)，利用ArcGIS 系列產(chǎn)品提供的通用組件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可以提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的速度，降低開(kāi)發(fā)難度。

提高管理水平與管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理是擺在城市地下管網(wǎng)管理部門(mén)面前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)，城市地下管網(wǎng)的解決方案是目前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。該地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)解決了三維精細(xì)化和大場(chǎng)景顯示、二三維聯(lián)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)分析功能、地下管網(wǎng)預(yù)警等業(yè)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)難題，為城市地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)建設(shè)提供了寶貴的系統(tǒng)建設(shè)方案和實(shí)際運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。

圖6 移動(dòng)端地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)Fig．6 Mobile client's underground pipe network management information system

圖7 三維平臺(tái)地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)Fig．7 3D platform's underground pipe network management information system

［1］ 梁榮昱，胡曉倩．電力地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)［J］． 渝州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，18(1):20 -24．

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