面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周建康

(鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450052)

1 引言

城市地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是城市生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)日新月異，地下管線規(guī)模種類不斷擴(kuò)大，使用功能日趨復(fù)雜，地下空間開發(fā)利用與管理也越來越受到各方面重視。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和系統(tǒng)調(diào)研顯示，目前全國(guó)很多城市都已完成或正在建設(shè)各自的地下管線信息系統(tǒng)，但基本上都面向市政管理，而面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息化建設(shè)卻被忽略，這已逐漸不能適應(yīng)現(xiàn)代規(guī)劃理念的發(fā)展和需求，對(duì)我們的城鄉(xiāng)建設(shè)造成了嚴(yán)重的影響。面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)不僅可以為地下管線的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)和技術(shù)保障，為城鄉(xiāng)各項(xiàng)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工和管理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和輔助決策支持，還能為未來合理有效地開發(fā)利用地下空間，加強(qiáng)城鄉(xiāng)三維空間的統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

隨著數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我們城市生活中的滲透，信息化技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃當(dāng)中的應(yīng)用也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。怎樣將以GIS技術(shù)為代表的新技術(shù)、新理念融入城鄉(xiāng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程之中，成為當(dāng)前數(shù)字規(guī)劃、科學(xué)規(guī)劃的一種重要技術(shù)手段和保障。同樣，在地下管線的城鄉(xiāng)規(guī)劃信息化管理與應(yīng)用中，怎樣合理、有效地利用現(xiàn)代信息技術(shù)，創(chuàng)新地下管線規(guī)劃設(shè)計(jì)管理手段和理念，減少地下管線的施工和維護(hù)投入，成為城鄉(xiāng)規(guī)劃信息化的一個(gè)重要組成部分。本文在分析城鄉(xiāng)規(guī)劃中地下管線信息化建設(shè)的特點(diǎn)和面臨主要問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)。

2 面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)的特點(diǎn)和面臨的主要問題

2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)地下管線信息系統(tǒng)既有相同點(diǎn)，也有其不同點(diǎn)。系統(tǒng)具體的特點(diǎn)如下:

(1)數(shù)據(jù)的多樣性和海量特征

系統(tǒng)既需要管理管線數(shù)據(jù)，又需要其他輔助數(shù)據(jù)的支持，如地形圖、道路紅線、相關(guān)規(guī)劃成果數(shù)據(jù)等;既需要規(guī)劃管線、更離不開現(xiàn)狀管線;同時(shí)，數(shù)據(jù)量具有海量特征。

(2)平臺(tái)的單一性

由于在我國(guó)目前城鄉(xiāng)規(guī)劃行業(yè)及其相關(guān)行業(yè)，AutoCAD已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，并具有大量的Auto-CAD歷史數(shù)據(jù)。因此在系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，客戶端平臺(tái)很難有其他選擇，否則會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)用性和實(shí)施。

(3)歷史數(shù)據(jù)的可回溯性

為了保持規(guī)劃的一致性和合理性，系統(tǒng)對(duì)規(guī)劃管線歷史數(shù)據(jù)具有強(qiáng)烈的回溯需求。

(4)基于規(guī)劃的空間分析

系統(tǒng)的空間分析功能與傳統(tǒng)管線信息系統(tǒng)有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)管線信息系統(tǒng)的空間分析主要集中在現(xiàn)狀管線的斷面分析、緩沖分析、事故分析等上，而這里的系統(tǒng)空間分析對(duì)象包括現(xiàn)狀管線、規(guī)劃管線及其他規(guī)劃要素，空間分析功能不再需要事故分析，而主要為管線規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理中的規(guī)劃指標(biāo)分析，如管線的水平凈距、垂直凈距分析和高程分析等。

(5)標(biāo)準(zhǔn)化輔助設(shè)計(jì)功能需求

規(guī)劃信息化建設(shè)中，規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是其中重要的內(nèi)容。因此，系統(tǒng)需要具有標(biāo)準(zhǔn)化輔助設(shè)計(jì)功能，既可以提高管線規(guī)劃和設(shè)計(jì)的科學(xué)性，又可以保證成果數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)面臨的主要問題

從當(dāng)前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況來看，系統(tǒng)建設(shè)面臨的主要問題為GIS與CAD的集成問題。一直以來，在GIS與CAD領(lǐng)域形成的分割應(yīng)用、信息共享與互操作瓶頸等問題同樣成為面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的障礙，影響著系統(tǒng)的建設(shè)成本、推廣實(shí)施與運(yùn)行效率。一方面在城鄉(xiāng)規(guī)劃、測(cè)繪、市政等行業(yè)，Auto-CAD成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各單位存在大量的DWG數(shù)據(jù)及許多基于AutoCAD的應(yīng)用系統(tǒng)，AutoCAD支持下的管線數(shù)據(jù)及其他相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)成為系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源;另一方面，由于這些用戶受制于操作習(xí)慣和已有的專業(yè)系統(tǒng)，很難脫離開CAD環(huán)境，但是僅憑CAD技術(shù)，又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足系統(tǒng)的應(yīng)用和業(yè)務(wù)需求。因此，如何將CAD技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于兩者無縫集成的數(shù)據(jù)共享與互操作，為地下管線的規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理工作提供方便、快捷的技術(shù)手段，提高地下管線規(guī)劃、管理與決策工作的效率和質(zhì)量，成為面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)建設(shè)面臨的主要問題。本文中系統(tǒng)采用FDO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了GIS與CAD的無縫集成應(yīng)用，較好地解決了這個(gè)問題。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)是以GIS技術(shù)為核心，采用C/S模式，應(yīng)用動(dòng)態(tài)管理與同步建庫的技術(shù)方案，圍繞管線數(shù)據(jù)質(zhì)量保證、標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量監(jiān)理、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新、CAD與GIS無縫集成等關(guān)鍵技術(shù)問題，充分利用Auto-CAD的強(qiáng)大圖形編輯設(shè)計(jì)功能與GIS的強(qiáng)大空間分析與管理功能，兼顧規(guī)劃應(yīng)用中管線數(shù)據(jù)的CAD特征需求與信息化管理需要，建立面向城鄉(xiāng)規(guī)劃、建設(shè)與管理的地下管線信息系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)路線

系統(tǒng)技術(shù)路線的核心是解決GIS與CAD的集成問題，要能在AutoCAD環(huán)境中允許用戶無縫的直接訪問多種空間或非空間的數(shù)據(jù)庫和文件格式，而不需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這樣既防止數(shù)據(jù)丟失，又可以提高生產(chǎn)效率，減少系統(tǒng)維護(hù)成本。這里采用Autodesk公司的最新FDO技術(shù)較好地解決了這一問題。

(1)FDO技術(shù)概述

FDO(Feature Data Object)空間數(shù)據(jù)訪問技術(shù)是一種用于操作、定義和分析地理空間信息而不用考慮其具體存儲(chǔ)的技術(shù)。FDO技術(shù)最初是由Autodesk公司為其地理空間信息類產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)，旨在通過一種公共的機(jī)制來訪問和處理各種地理空間數(shù)據(jù)源。2006年，Autodesk已將FDO數(shù)據(jù)訪問技術(shù)作為開源地理空間基金會(huì)(OSGeo，Open Source Geospatial Foundation)之下的一個(gè)開源項(xiàng)目發(fā)布。

通過使用FDO數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，用戶將不需使用GIS應(yīng)用軟件把不同的數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換成所支持的格式，就能使所有人可以單獨(dú)的瀏覽和使用存儲(chǔ)在GIS應(yīng)用系統(tǒng)或空間數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)，使得應(yīng)用程序不再受到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的束縛，并有助于實(shí)現(xiàn)信息的直接交換，避免產(chǎn)生更多的錯(cuò)誤。

(2)FDO技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理和結(jié)構(gòu)體系

FDO技術(shù)的功能實(shí)現(xiàn)主要依靠FDO Provider來完成。借助于FDO技術(shù)，針對(duì)每種現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，只要編寫一段程序，將原有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)“翻譯”到FDO API，就可以提供給使用FDO的應(yīng)用程序訪問。這個(gè)“翻譯”程序稱為FDO Provider。因此一個(gè)FDO Provider就是一個(gè) FDO API的實(shí)現(xiàn)，只要安裝了FDO Provider，應(yīng)用程序就可以通過調(diào)用FDO接口來直接訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而不再需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。Autodesk不僅制訂了FDO API的標(biāo)準(zhǔn)，還開發(fā)了一系列的FDO Provider提供給用戶。目前已有數(shù)十種開源和非開源的FDO Provider及使用FDO的GIS產(chǎn)品。

FDO技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 FDO數(shù)據(jù)訪問技術(shù)結(jié)構(gòu)體系

(3)FDO技術(shù)的特點(diǎn)和價(jià)值

FDO技術(shù)既與Autodesk的GIS產(chǎn)品集成，也同時(shí)作為一項(xiàng)獨(dú)立、開源的技術(shù)提供給開發(fā)人員。FDO技術(shù)的主要特點(diǎn)和價(jià)值如下:

①對(duì)地理空間要素?cái)?shù)據(jù)提供了豐富和一致的訪問接口

用戶不再需要了解不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的底層結(jié)構(gòu)。FDO提供給用戶的是一個(gè)基于要素的邏輯模型，而將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理細(xì)節(jié)隱藏起來。

②跨平臺(tái)，與平臺(tái)技術(shù)無關(guān)

支持Windows和Linux操作系統(tǒng)。

③支持和擴(kuò)展OpenGIS標(biāo)準(zhǔn)

FDO盡可能遵循OGC的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是簡(jiǎn)單要素(Simple Features)和WMS/WFS規(guī)范。

④可以專注于解決業(yè)務(wù)問題

使用FDO技術(shù)不再需要耗費(fèi)開發(fā)資源去解決數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的問題，從而使用戶可以集中精力去解決業(yè)務(wù)問題。

⑤易用性

易于安裝、使用、維護(hù)和實(shí)施。

⑥可擴(kuò)展性

FDO作為開源技術(shù)，開發(fā)人員可以使用新的FDO Provider來擴(kuò)展FDO數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，支持目前尚未支持的數(shù)據(jù)格式。

基于以上分析和系統(tǒng)需求，系統(tǒng)選擇AutoCAD Map平臺(tái)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，采用FDO技術(shù)與ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎來實(shí)現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的管理和CAD與GIS的集成。即采用AutoCAD map 3D+ArcSDE+SQL Server的技術(shù)路線，通過FDO技術(shù)實(shí)現(xiàn)AutoCAD map 3D與ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫之間的通信，建立直接面向AutoCAD用戶的CAD與GIS集成應(yīng)用體系。

3.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)

基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用Visual Studio 2005和VBA作為開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程如圖3所示。

系統(tǒng)在建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)和解決了以下關(guān)鍵技術(shù)。

(1)管線標(biāo)準(zhǔn)體系建立。系統(tǒng)建設(shè)涉及許多標(biāo)準(zhǔn)化問題，只有符合一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，才能滿足數(shù)據(jù)的交換、共享、更新和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)，以CJJ61－2003《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》和GB50289－98《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》為基礎(chǔ)，結(jié)合鄭州市的地下管線本地化特征，面向AutoCAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和ArcSDE數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)，建立了面向規(guī)劃信息化的地下管線標(biāo)準(zhǔn)體系。如:《鄭州市地下管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》、《鄭州市地下管線數(shù)據(jù)庫字典》等。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖

(2)海量空間數(shù)據(jù)管理。海量空間數(shù)據(jù)的管理是系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)兼顧易用性、穩(wěn)定性、安全性、可擴(kuò)展性等原則，采用當(dāng)前流行的基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000和空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE相結(jié)合的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用FDO Provider for ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)庫訪問接口，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下管線數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，同時(shí)又可以利用ArcSDE數(shù)據(jù)庫作為橋梁，直接實(shí)現(xiàn)了與其他現(xiàn)有GIS系統(tǒng)及其他主流系統(tǒng)的集成應(yīng)用。

(3)GIS與CAD集成技術(shù)。這是當(dāng)前國(guó)內(nèi)GIS系統(tǒng)建設(shè)中普遍需要解決的問題。系統(tǒng)在建設(shè)過程中既充分利用了AutoCAD Map在圖形編輯、數(shù)據(jù)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)及GIS等方面的優(yōu)勢(shì)和ArcSDE在海量空間數(shù)據(jù)管理上的優(yōu)勢(shì)，又能滿足用戶操作習(xí)慣，兼容原有的CAD應(yīng)用系統(tǒng)，將兩個(gè)平臺(tái)置于一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)中，形成有機(jī)整體。具體實(shí)現(xiàn)思路參見上文系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分。

(4)系統(tǒng)與輔助數(shù)據(jù)的共享技術(shù)。建設(shè)專業(yè)系統(tǒng)時(shí)，如果對(duì)所需的各種數(shù)據(jù)在專業(yè)系統(tǒng)中分別入庫，往往帶來投入巨大、重復(fù)建設(shè)、建設(shè)周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)更新不一致等諸多問題。本系統(tǒng)針對(duì)所需要的各種數(shù)據(jù)根據(jù)其信息化管理情況，不再分別建庫;對(duì)已有的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、道路紅線數(shù)據(jù)庫等相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，采用FDO技術(shù)開發(fā)空間數(shù)據(jù)庫接口直接“引用”，該技術(shù)尤其適合我國(guó)目前大多數(shù)GIS系統(tǒng)采用ArcGIS平臺(tái)的現(xiàn)狀。

5 結(jié)語與展望

面向城鄉(xiāng)規(guī)劃的地下管線信息系統(tǒng)，較好地適應(yīng)了城鄉(xiāng)規(guī)劃中地下管線科學(xué)規(guī)劃、信息化管理與應(yīng)用的需求和發(fā)展趨勢(shì)，提高了城鄉(xiāng)規(guī)劃和建設(shè)的決策與管理水平，同時(shí)也提供了一個(gè)解決GIS與CAD集成問題的新技術(shù)和新思路。隨著FDO技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的深入，如何將其合理地應(yīng)用到城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的建設(shè)中，有待我們進(jìn)一步的嘗試和探索。

［1］OSGeo基金會(huì)全球網(wǎng)站(www.OSGeo.org)

［2］朱小羽.Autodesk布道GIS新理念［J］.軟件世界，2006，10:45～47