基于Arc Engine的校園管網(wǎng)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魯 濤

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210089）

0 引言

我國大部分高等院校在建校之初,均利用圖紙及表格等保存各種資料,由于年代久遠(yuǎn),保存的資料丟失、毀壞或與實(shí)際不符的情況時(shí)有發(fā)生。近些年來,由于各類院校擴(kuò)建,使得校園原有的管線已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求,因此,舊管線需要更新。但由于管網(wǎng)資料不全,給施工帶來諸多不便。因此,校園管線數(shù)字化顯得尤為重要。

校園管線信息系統(tǒng)是一個(gè)包含三維坐標(biāo)、時(shí)間、圖形數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的多維系統(tǒng)。它能完成對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新,對(duì)管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的信息,對(duì)管網(wǎng)的突發(fā)事故提供決策支持,有利于校園地下管網(wǎng)的日常管理和維護(hù),使對(duì)地下管線的管理由經(jīng)驗(yàn)型向科學(xué)型轉(zhuǎn)變,做到優(yōu)化資源配置,提高管理效率,改善服務(wù)質(zhì)量。

校園地下管線綜合應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)可以為校園規(guī)劃和建設(shè)提供服務(wù)，為校園的健康發(fā)展提供相關(guān)的決策支持。它不僅能夠更好地管理各種主干線信息，及時(shí)對(duì)各種專業(yè)管線數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、維護(hù)，保證管線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且能夠?yàn)楣芾聿块T的宏觀決策提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的管線信息，為校園的規(guī)劃建設(shè)提供完善的管線資料，為保障校園的地下生命線的安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供強(qiáng)大的技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)，要求具有科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)用性和易操作性為原則滿足多層級(jí)用戶的功能設(shè)計(jì)，還應(yīng)具備軟件系統(tǒng)普遍應(yīng)具備的數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則：

（1）規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)性原則

（2）實(shí)用性原則

（3）安全性原則

（4）可擴(kuò)展性原則

（5）易操作性

1.2 系統(tǒng)需求分析

綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)是將G1S技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)學(xué)知識(shí)相結(jié)合，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)分析與處理等功能于一身的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

本文結(jié)合相關(guān)情況，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)空間分析功能的需求作了如下的歸納和總結(jié)：

（1）地圖顯示：包括地圖的二維和三維顯示。

（2）數(shù)據(jù)查詢：包括屬性查詢和條件查詢。

（3）最短路徑分析：最短路徑分析，就是確定起點(diǎn)和終點(diǎn)，在兩點(diǎn)之間尋找一條路徑最短的通路。

（4）連通分析：連通分析主要是檢測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)或邊)之間都是否存在連通的路徑

（5）爆管分析：爆管分析是指當(dāng)綜合管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生爆管時(shí)，快速定位爆管位置并制訂出關(guān)閥方案。

1.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以CAD數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)為主要源數(shù)據(jù)，其中CAD通過ArcGIS相關(guān)軟件的處理，然后轉(zhuǎn)換為Geodatabase數(shù)據(jù)格式入庫，而三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS支持的Multipatch格式也存入Geodatabase數(shù)據(jù)庫中。綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)以Geodatabase數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從中調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)。

綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)從技術(shù)和機(jī)制上實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理、設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)更新，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，切實(shí)發(fā)揮管線空間分析及輔助決策等功能。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.4 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)前面的體系結(jié)構(gòu)介紹，系統(tǒng)分為5大功能模塊，分別是圖層控制、三維瀏覽、屬性查詢、條件查詢和空間分析。對(duì)各功能模塊的具體描述如下：

1）圖層控制模塊

包括加入新的圖層，各個(gè)圖層的顯示、隱藏以及修改圖層名稱。

2）三維瀏覽模塊

將建筑、植物、設(shè)施等以三維的方式顯示出來。在三維環(huán)境中查看地物式較二維環(huán)境中要直觀形象得多，通過漫游、飛行等，用戶可以從不同的視角觀察地物各個(gè)方位的形態(tài)。

3）屬性查詢模塊

通過點(diǎn)擊地圖上感興趣的地物，可以查看其相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)和圖片。

4）條件查詢模塊

可以按照一個(gè)或者多個(gè)條件查詢符合條件的管線，并在地圖上高亮顯示。

5）空間分析模塊

空間分析模塊分為連通性分析和爆管分析。連通性分析即查看兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間是否可連通，若可連通，則顯示其之間的最短路徑。事故分析即當(dāng)某處發(fā)生事故時(shí)，為防止危害進(jìn)一步擴(kuò)大，需要關(guān)閉的相關(guān)閥門。

2 系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 原始數(shù)據(jù)的處理

本文的原始數(shù)據(jù)是CAD的dwg格式的測(cè)繪圖。首先，利用ArcMap的ArcToolbox中的工具將dwg格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以在ArcGIS中處理的shapefile文件。然后再在ArcMap中將各要素分門別類的從中提取出來，生成各自的圖層。

2.2 構(gòu)建幾何網(wǎng)絡(luò)

在提取到相關(guān)的管道數(shù)據(jù)與閥門節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，接下來需要做的便是構(gòu)建幾何網(wǎng)絡(luò)，只有構(gòu)建了幾何網(wǎng)絡(luò)之后，才能利用數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的空間分析，以輔助相關(guān)的規(guī)劃決策。建立幾何網(wǎng)絡(luò)的步驟如下：

1）建立數(shù)據(jù)庫。

2）建立要素?cái)?shù)據(jù)集。

3）導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

4）生成網(wǎng)絡(luò)。利用ArcCatalog中的Geometric Network生成向?qū)Х謩e生成三個(gè)幾何網(wǎng)絡(luò)。

5）設(shè)置流向。在ArcMap中打開剛剛生成的幾何網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置源頭點(diǎn)的AncillaryRole字段為source或流入點(diǎn)的AncillaryRole字段為sink。

至此，幾何網(wǎng)絡(luò)便建好了。

2.3 地圖基本功能

地圖的基本操作是指對(duì)地圖實(shí)現(xiàn)放大、縮小、平移等基本功能。

2.4 三維瀏覽模塊

同地圖基本功能中的一些工具一樣，ArcGISEngine開發(fā)包中提供了ToolbarControl控件，可以加載已封裝好的工具到SceneControl中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三維瀏覽工具條包含了導(dǎo)航、平移、飛行、縮放、放大、縮小、全圖等基本操作按鈕。

對(duì)于二維視圖與三維視圖的切換，用戶既可以在菜單欄中的視圖菜單下進(jìn)行切換，也可以在圖層窗口上方的二維圖層/三維圖層進(jìn)行切換，還可以在視圖窗口左上角的二維視圖/三維視圖進(jìn)行切換，極大的方便了用戶的使用。

2.5 屬性查詢模塊

在管線管理系統(tǒng)中，屬性查詢是非常重要的一塊內(nèi)容。為此，本系統(tǒng)在主界面的下方設(shè)置了專門用來顯示屬性的表格。

在系統(tǒng)初始化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)讀取電力、雨水、自來水三種管線的屬性數(shù)據(jù)顯示在軟件下方的屬性數(shù)據(jù)表格中。

用戶可以在查詢菜單中切換表格中是顯示設(shè)施點(diǎn)屬性還是設(shè)施段數(shù)據(jù)。

圖2 二維視圖下屬性查詢

圖3 二維視圖下屬性查詢

當(dāng)用戶單擊屬性表中的某一組屬性時(shí)，視圖中會(huì)高亮顯示這組屬性所對(duì)應(yīng)的設(shè)施，并在表格右邊顯示其圖片，若是閥門節(jié)點(diǎn)，則顯示閥門節(jié)點(diǎn)的圖片，若是管線，則顯示管線的截面圖片。如圖2所示。

而當(dāng)用戶雙擊屬性表中的某一組屬性時(shí)，除了會(huì)出現(xiàn)單擊時(shí)的效果外，還會(huì)將主視圖的切換到此管線或閥門節(jié)點(diǎn)。如圖3所示

以上是在二維視圖下的屬性查詢，當(dāng)用戶在三維視圖下查詢時(shí)，一樣會(huì)將視圖切換到所查詢的管線或閥門節(jié)點(diǎn)，因?yàn)楣芫€是在地下，為方便用戶查看，會(huì)將查詢到的管線或閥門節(jié)點(diǎn)上浮到地表以上，并進(jìn)行高亮顯示，同時(shí)為了讓用戶能夠更直接的了解其所在位置，會(huì)在鷹眼上顯示出其位置。

2.6 條件查詢模塊

當(dāng)用戶需要按照特定的條件查找一些管道時(shí)，就用到了條件查詢模塊。

在選擇要查詢的圖層和字段名之后，相關(guān)的下拉框中會(huì)顯示此圖層所有要素這個(gè)字段存在的值以供選擇。

此功能模塊支持一個(gè)或多個(gè)查詢條件來進(jìn)行查詢。

點(diǎn)擊查詢后符合條件的要素會(huì)在地圖上高亮顯示出來。

2.7 空間分析模塊

空間分析功能是校園綜合管線信息系統(tǒng)的重要功能之一，空間分析功能是對(duì)管線進(jìn)行基礎(chǔ)分析，統(tǒng)計(jì)出一些必要的信息，輔助策劃或規(guī)劃，作為后繼工作的起點(diǎn)。

2.7.1 連通性分析

本系統(tǒng)的連通分析主要是研究從指定起點(diǎn)到終點(diǎn)能否連通。

地下管線紛繁復(fù)雜，有時(shí)用戶不一定能直觀看出兩點(diǎn)間的管線是否連通。為此，本系統(tǒng)建立了連通性分析。

用戶通過點(diǎn)擊菜單中的連通性分析時(shí)，彈出對(duì)話框讓用戶選擇要進(jìn)行連通性分析的管線，如圖4所示。

圖4 連通性分析

用戶選擇要進(jìn)行分析的圖層后，在圖上選擇要分析點(diǎn)間連通性的兩點(diǎn)。若兩點(diǎn)間的管道連通，則將兩點(diǎn)間的連通路徑用綠線表示出來，如圖5所示。若兩點(diǎn)間的管道不連通，則彈出對(duì)話框顯示不連通。

圖5 連通性分析

3 結(jié)論

本文通過對(duì)校園綜合管線信息系統(tǒng)需求分析、總體功能架構(gòu)設(shè)計(jì)的分析研究，結(jié)合Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)與開發(fā)了校園綜合管線信息系統(tǒng)。另外，設(shè)計(jì)高效、快速、實(shí)時(shí)、共享的綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，建立空間分析功能綜合、全面、實(shí)際的綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)，進(jìn)一步提高綜合管網(wǎng)信息管理的自動(dòng)化管理水平，不僅在校園建設(shè)與規(guī)劃方面，更在城市建設(shè)與規(guī)劃方面體現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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