基于Geodatabase的城市地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

呂衛(wèi)民　白曉龍　褚衍林

【摘 要】隨著城市地下電力管網(wǎng)設(shè)施的建設(shè)數(shù)量逐年增加，目前的電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理手段跟不上電力管網(wǎng)發(fā)展的需求，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法容易造成電力管網(wǎng)資料管理混亂、數(shù)據(jù)殘缺。建立新型的基于Geodatabase的城市地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，有助于提高數(shù)據(jù)管理的質(zhì)量，為基于GIS的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的建設(shè)提供支撐。

【關(guān)鍵詞】Geodatabase 地下電力管網(wǎng) 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

【Abstract】With the construction of urban underground power pipe network facilities， the existing data management methods can not keep up with the development of power network， The traditional data management method is easy to cause the chaos of the power network data management and the incomplete data.the establishment of a new type of urban underground power network database based on Geodatabase， improving the quality of data management， to provide support for the construction of data management system based on GIS.

【Keywords】Geodatabase ； Underground power network； Database construction

城市地下電力管網(wǎng)主要呈立體交叉網(wǎng)狀分布，在地下構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的空間體系，具有分布集中性和不可見性的特點(diǎn)。傳統(tǒng)人工檔案管理模式應(yīng)用到電力管網(wǎng)接線復(fù)雜，電氣設(shè)備眾多的情況，既不能正確表達(dá)設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系，同時(shí)信息冗余度大，且數(shù)據(jù)維護(hù)不便，更新周期長。本文通過建立基于Geodatabase的城市地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，將幾何拓?fù)浞治龊途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ陀袡C(jī)整合為一體，為用戶提供了方便快捷建立數(shù)據(jù)庫的方法，通過該數(shù)據(jù)庫有效管理電力管線數(shù)據(jù)，為城市地下電力管網(wǎng)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1數(shù)據(jù)分析

城市地下電力管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)涉及到建設(shè)局、規(guī)劃局、城建檔案館、路政等多個(gè)管理部門以及水務(wù)、電力、通信、消防等主管部門，還有煤氣公司、電信、移動(dòng)、聯(lián)通等各管線專業(yè)公司等[1]，具有綜合性強(qiáng)、涵蓋面廣的特點(diǎn)。目前電力管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)來源于地圖和文檔數(shù)據(jù)，具體包括：

1.1.1圖形元素

指可以抽象的描述現(xiàn)實(shí)世界中物體位置的元素，包括數(shù)字制圖中的點(diǎn)、線、面狀要素。

（1）點(diǎn)要素：點(diǎn)要素是有特定的位置，維數(shù)為零的物體：包括單位標(biāo)志（高層建筑、醫(yī)院、學(xué)校、一般單位、政府部門和公安局派出所這些地標(biāo)性的物體）和管線節(jié)點(diǎn)。

（2）線要素：線要素是GIS中常用的維度為1的空間組分，表示對(duì)象和它們邊界的空間屬性，由一系列坐標(biāo)表示：包括電力管網(wǎng)，地圖網(wǎng)格。

（3）面狀要素：面狀要素也稱為多邊形，是對(duì)湖泊、河流、地塊一類現(xiàn)象的描述，通常在數(shù)據(jù)庫中由一封閉曲線加內(nèi)點(diǎn)來表示，包括建筑物（指在圖上有平面形狀的建筑物）、小區(qū)、水域（江湖河）面和城市區(qū)劃。

1.1.2要素注記

按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注在特定位置的文字，用于說明上述圖形元素的名稱。

1.1.3屬性信息

是表示單個(gè)的圖形元素主要屬性特征的信息。

1.2數(shù)據(jù)構(gòu)成

1.2.1地理數(shù)據(jù)庫

ArcGIS產(chǎn)品線為用戶提供一個(gè)可伸縮的，全面的GIS平臺(tái)，地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）是 ArcGIS 的原生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且是用于編輯和數(shù)據(jù)管理的主要數(shù)據(jù)格式，是一套獲取和管理GIS數(shù)據(jù)的全面的應(yīng)用邏輯和工具。

Geodatabase是ESRI公司在ArcGIS 8引入的一個(gè)全新的空間數(shù)據(jù)模型，是建立在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)之上的統(tǒng)一的、智能化的空間數(shù)據(jù)庫。它是在新的一體化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新數(shù)據(jù)模型[2]。實(shí)現(xiàn)了Geodatabase之前所有（包括Coverage＼shape）空間數(shù)據(jù)模型都無法完成的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，即在一個(gè)公共模型框架下對(duì)GIS通常所處理和表達(dá)的地理空間特征如矢量、柵格、TIN、網(wǎng)絡(luò)、地址進(jìn)行同一描述。同時(shí)，Geodatabase是面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型，其地理空間特征的表達(dá)較之以往的模型更接近我們對(duì)現(xiàn)實(shí)事物對(duì)象的認(rèn)識(shí)和表達(dá)。

1.2.2數(shù)據(jù)組織

地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要有矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩種類型，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用點(diǎn)串序列來表示空間實(shí)體的邊界形狀和分布； 柵格模型由規(guī)則的正方形或矩形柵格組成，每個(gè)柵格代表 1個(gè)像元，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是像元陣列，像元由行列號(hào)確定它的位置。這兩種數(shù)據(jù)的組織方式為：

（1）矢量數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)的邏輯存儲(chǔ)是由要素類和要素?cái)?shù)據(jù)集進(jìn)行。要素類是具有相同空間制圖表達(dá)（如點(diǎn)、線或面）和一組通用屬性列的常用要素的同類集合，常用的三個(gè)要素類分別是點(diǎn)、線和面，相關(guān)聯(lián)的要素互相組織起來，成為要素?cái)?shù)據(jù)集。

在同一幾何網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)連接點(diǎn)和邊的各種要素類，必須組織到同一要素?cái)?shù)據(jù)集中。地下電力管網(wǎng)中，有各種管道節(jié)點(diǎn)、管網(wǎng)段，它們分別對(duì)應(yīng)點(diǎn)或線類型的要素類，將其全部納入地下電力管網(wǎng)模型中去，這些要素類須放在同一要素?cái)?shù)據(jù)集下。對(duì)于共享公共幾何特征的要素類，如：用地、水系、行政區(qū)塊等。為保持公共關(guān)系不變，將這些要素類放到同一個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集中。

（2）柵格數(shù)據(jù)。影像和柵格數(shù)據(jù)通常以原始格式進(jìn)行存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)集的集合通常非常大，因此，擁有良好的管理功能至關(guān)重要。

在三種存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)的方法（存儲(chǔ)為文件系統(tǒng)中的文件、在地理數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)，或者從地理數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理而存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中）中，選擇將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在在地理數(shù)據(jù)庫中以柵格數(shù)據(jù)集的形式提供使用。柵格數(shù)據(jù)集是存儲(chǔ)在磁盤或地理數(shù)據(jù)庫中的任何柵格數(shù)據(jù)模型，它是構(gòu)建其它數(shù)據(jù)集的最基本的柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型[3]。柵格數(shù)據(jù)集可以是組織成一個(gè)或多個(gè)波段的任何有效的柵格格式。每個(gè)波段由一系列像素（單元）數(shù)組組成，每個(gè)像素都有一個(gè)值。采用ArcGIS 支持的柵格數(shù)據(jù)集文件格式，主要為TIFF格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

2.1概念模型設(shè)計(jì)

2.1.1 POLYVRT模型

建立電網(wǎng)管線概念模型，采用POLYVRT模型（POLYgon conVeRTor--多邊形轉(zhuǎn)換器）作為城市電力管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系模型的模型基礎(chǔ)，POLYVRT模型是一種以弧段（有序的坐標(biāo)集合，用于表示在給定的比例尺上窄到無法表示為面的地理要素）為基礎(chǔ)的拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型[4]，在POLYVRT模型中，弧段是由任意多個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)弧段是通過建立了一個(gè)連續(xù)走向點(diǎn)的目錄表來生成的，弧段具有特定的屬性信息，弧段由多個(gè)點(diǎn)狀實(shí)體來描述；管線是由任意多個(gè)弧段構(gòu)成，每條管線是通過建立一個(gè)連續(xù)走向弧段的目錄表來生成的，管線具有特定的屬性信息，管線由多個(gè)弧段實(shí)體來描述。這種結(jié)構(gòu)不僅存儲(chǔ)了圖形元素的幾何信息，而且還存儲(chǔ)了圖形元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。

2.1.2數(shù)據(jù)基類

城市電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)基類由電力管網(wǎng)基類和電力管網(wǎng)要素屬性信息基類構(gòu)成，電力管網(wǎng)基類，這個(gè)類里封裝了所有空間位置信息的數(shù)據(jù)以及對(duì)這些數(shù)據(jù)的操作；電力管網(wǎng)要素屬性信息基類，這個(gè)類里封裝了所有空間屬性信息以及對(duì)這些屬性的操作。

（1）電力管網(wǎng)基類。電力管網(wǎng)基類包含點(diǎn)狀實(shí)體、線狀實(shí)體、面狀實(shí)體和特征點(diǎn)三類數(shù)據(jù)（參見圖1）。點(diǎn)狀實(shí)體由節(jié)點(diǎn)和指明節(jié)點(diǎn)特征的點(diǎn)標(biāo)記組成，節(jié)點(diǎn)由包含x（精度值）、y（緯度值）和z（高程值）字段的幾何坐標(biāo)構(gòu)成；線狀實(shí)體由弧段和指明線特征的線標(biāo)記組成，弧段由一系列節(jié)點(diǎn)組成，線特征標(biāo)記由幾何坐標(biāo)和文本信息標(biāo)注組成；面狀實(shí)體由多邊形和指明面特征的面標(biāo)記組成，多邊形由一系列弧段組成，面特征標(biāo)記由幾何坐標(biāo)和文本信息標(biāo)注組成。其中特征點(diǎn)由點(diǎn)標(biāo)記、線標(biāo)記和面標(biāo)記構(gòu)成，點(diǎn)標(biāo)記除包括點(diǎn)狀實(shí)體的文本信息標(biāo)注外還包括單位標(biāo)志文本信息標(biāo)注；線標(biāo)記除包括線狀實(shí)體的文本信息標(biāo)注外還包括地圖網(wǎng)格文本信息標(biāo)注；面標(biāo)記包括建筑物、小區(qū)、水域面和城市區(qū)劃的文本信息標(biāo)注。

（2）電力管網(wǎng)要素屬性信息基類。電力管網(wǎng)要素屬性信息基類包括，點(diǎn)狀實(shí)體屬性、線狀實(shí)體屬性、面狀實(shí)體屬性和特征點(diǎn)屬性（參見圖2）。實(shí)體屬性存儲(chǔ)各要素實(shí)體的主要屬性信息，能夠準(zhǔn)確的描述各要素實(shí)體的屬性特性。電力管網(wǎng)要素屬性信息基類所包含的屬性參見圖3。

2.2數(shù)據(jù)匹配

數(shù)據(jù)庫的建設(shè)需要將概念模型中的實(shí)體轉(zhuǎn)化為ArcGIS中的數(shù)據(jù)模型，這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程主要考慮各實(shí)體的自身特征和數(shù)據(jù)模型額匹配關(guān)系，制定匹配規(guī)則進(jìn)行匹配。

2.2.1數(shù)據(jù)模型

地理數(shù)據(jù)庫是為了更好的管理和使用地理要素?cái)?shù)據(jù)，而按照一定的模型和規(guī)則組合起來的存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的容器。地理數(shù)據(jù)庫是按照層次型的數(shù)據(jù)對(duì)象來組織地理數(shù)據(jù)的，這些數(shù)據(jù)對(duì)象包括對(duì)象類（Object Classes）、要素類（Feature Classes）、要素?cái)?shù)據(jù)集（feature dataset）。對(duì)象類是指存儲(chǔ)非空間數(shù)據(jù)的表格（Table） 。在Geodatabase中，對(duì)象類是一種特殊的類，它沒有空間特征。要素類是具有相同幾何類型和屬性的要素的集合，即同類空間要素的集合。要素類之間可以獨(dú)立存在，也可具有某種關(guān)系。當(dāng)不同的要素類之間存在關(guān)系時(shí)，我們將其組織到一個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集（Feature dataset）中。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集包含簡單要素的源要素創(chuàng)建而成，而且存儲(chǔ)了源要素的連通性，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集可作為網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)。ArcGIS中的數(shù)據(jù)關(guān)系見圖4：

2.2.2匹配規(guī)則

地下電力管網(wǎng)要素與Geodatabase 元素匹配，就是將概念模型中的對(duì)象與Geodatabase 中的元素互相匹配。將電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)基類進(jìn)行擴(kuò)充，建立描述電力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)網(wǎng)段和電力管網(wǎng)結(jié)點(diǎn)實(shí)體的數(shù)據(jù)類。地理實(shí)體是描述地理地物的最小單位，地下電力管網(wǎng)中描述的地理實(shí)體包括電力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)網(wǎng)段和電力管網(wǎng)結(jié)點(diǎn)三類地理實(shí)體，為了描述這三類地理實(shí)體，利用ArcGIS中提供的地理數(shù)據(jù)庫（GeoDatabase）和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集（Network datasets）以及Polyline、MapPoint、Polygon三種類型的數(shù)據(jù)類型，在電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)基類的基礎(chǔ)上建立描述電力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)網(wǎng)段和電力管網(wǎng)結(jié)點(diǎn)地理實(shí)體的幾何信息類庫，以此類表達(dá)地理實(shí)體類，這些地理實(shí)體類就具備了這些實(shí)體類為我們提供的各種實(shí)體顯示、編輯功能，匹配規(guī)則如圖5。

2.2.3 屬性擴(kuò)展

ArcGIS中提供的地理數(shù)據(jù)庫（GeoDatabase）定制要素各自的行為和方法，以及要素之間的確認(rèn)規(guī)則、連接規(guī)則和空間關(guān)系，并且生成集合網(wǎng)絡(luò)，電力管網(wǎng)段數(shù)據(jù)和電力管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)既是空間數(shù)據(jù)，又是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重要組成部分，是最為核心的數(shù)據(jù)，電力管網(wǎng)段數(shù)據(jù)擴(kuò)展后的屬性表見表1和電力管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)擴(kuò)展后的屬性表見表2。

2.4拓?fù)潋?yàn)證

拓?fù)潋?yàn)算是對(duì)電力設(shè)施空間數(shù)據(jù)模型拓?fù)潢P(guān)系的檢查，是構(gòu)建電力管網(wǎng)拓?fù)溥B通模型的前提，城市地下電力管網(wǎng)拓?fù)溥B通模型以電力設(shè)施空間數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，以面向?qū)ο蟮姆绞奖磉_(dá)電力設(shè)施[5]。電力管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷慕⑹请娏芫W(wǎng)分析的前提和基礎(chǔ)，合理的拓?fù)浔磉_(dá)可以完整存儲(chǔ)電力管網(wǎng)拓?fù)湫畔?，快速靈活的進(jìn)行電力管網(wǎng)分析與計(jì)算。通過幾何拓?fù)潢P(guān)系驗(yàn)算，可建立起正確的電力管網(wǎng)幾何拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

2.4.1中心線驗(yàn)算

電力管網(wǎng)中心線表示現(xiàn)實(shí)中的電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用抽行掃描的方法提取出電網(wǎng)管線段中心線的特征點(diǎn)，并進(jìn)行直線擬合，確定以管線的方向偏差、位置偏差和方向偏差的變化率為中心線提取的參數(shù)，該識(shí)別方法具有較高的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性。主要利用ArcToolBox中的制圖工具下的制圖綜合中的提取中心線工具，設(shè)置相應(yīng)的管道寬度和最小寬度后生成中心線。

2.4.2結(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

電網(wǎng)管線結(jié)點(diǎn)的合并主要是將一定容差內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行合并，以保證結(jié)點(diǎn)位置的唯一性；節(jié)點(diǎn)合并的合并主要使用高級(jí)工具中的概化工具，設(shè)置最大允許偏移量，該值限制處理后的結(jié)果圖與原圖最大的偏移量，可對(duì)管線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，使節(jié)點(diǎn)達(dá)到理想的分布。

2.4.3線拓?fù)錂z查

電網(wǎng)管線段幾何拓?fù)潋?yàn)算，主要在判斷兩條電網(wǎng)管線段位置關(guān)系時(shí)提供一個(gè)“容許誤差”參數(shù)，如果兩個(gè)實(shí)體的交叉程度在某一規(guī)則限定的誤差內(nèi)則不認(rèn)為它們的位置關(guān)系為交叉，反之則它們的位置關(guān)系為交叉。主要利用檢查拓?fù)渲械牟荒茏韵嘟灰?guī)則，可對(duì)自相交的位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)，便于判斷和修改數(shù)據(jù)使用。

2.4.4點(diǎn)拓?fù)錂z查

電網(wǎng)管線段與電網(wǎng)管線節(jié)點(diǎn)幾何拓?fù)潋?yàn)算，主要在判斷電網(wǎng)管線節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)管線段位置關(guān)系時(shí)提供一個(gè)“容許誤差”參數(shù)，如果兩個(gè)實(shí)體的覆蓋程度在某一規(guī)則限定的誤差內(nèi)則認(rèn)為它們的位置關(guān)系為覆蓋，反之則它們的位置關(guān)系為非覆蓋，針對(duì)非覆蓋的情況需要調(diào)整節(jié)點(diǎn)或者線段的位置，使電網(wǎng)管線段覆蓋所有電網(wǎng)管線節(jié)點(diǎn)。主要利用拓?fù)錂z查中的端點(diǎn)必須被其他要素覆蓋的規(guī)則進(jìn)行檢查，對(duì)生成的拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行查看和修改修改。

3結(jié)語

本發(fā)明從目前電力管線現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)方式進(jìn)行研究，提出城市地下電力管網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)的方案，可面向電力系統(tǒng)各種應(yīng)用的，正確表達(dá)電力設(shè)施之間拓?fù)溥B接關(guān)系。實(shí)現(xiàn)完整存儲(chǔ)電網(wǎng)拓?fù)湫畔ⅲ瑸榭焖凫`活的進(jìn)行電網(wǎng)拓?fù)溥B通性分析與計(jì)算提供保障，為相應(yīng)的GIS圖形管理平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡?？?，吳榮興.當(dāng)前城市地下電力管線的建設(shè)問題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，（第S2期）.

[2]雷秋良，張繼宗，岳勇，羅春燕，孫福軍.GIS技術(shù)在非點(diǎn)源污染研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J].土壤通報(bào)，2008，（第3期）.

[3]杜紅悅，劉先林，宮輝力.基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，（第5期）.

[4]李金平，薛泮成，孟祥來.城市地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪工程，2004，（第4期）.

[5]曾祥輝，宋瑋，鄧健，楊以涵.面向?qū)ο蟮碾娏D形系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)[J].繼電器，2004，（第5期）.

作者簡介：呂衛(wèi)民（1979—），男，山東煙臺(tái)人，本科學(xué)歷，工程師，國網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，主要從事配電網(wǎng)規(guī)劃和項(xiàng)目管理工作；白曉龍（1986—），男，山東日照人，本科學(xué)歷，工程師，山東魯能軟件技術(shù)有限公司，主要從事電網(wǎng)GIS研究工作。褚衍林（1987—），男，山東棗莊人，本科學(xué)歷，工程師，山東魯能軟件技術(shù)有限公司，主要從事電網(wǎng)GIS研究工作。