城市排水管網(wǎng)測繪及信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李瑞宗 張孟山

（海南地質(zhì)綜合勘察設(shè)計(jì)院 海南?？?570206）

1 引言

城市排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)的建設(shè)作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)城市的健康發(fā)展具有重要作用。城市排水管網(wǎng)的布設(shè)、管理是城市規(guī)劃建設(shè)與管理的重要內(nèi)容[1]。目前我國城市管網(wǎng)管理仍然比較落后，主要是因?yàn)槌鞘泄芫W(wǎng)種類繁多、形式復(fù)雜，再加上城市規(guī)劃的落后，使得城市排水管網(wǎng)需要不斷的布設(shè)、修改、增加。在挖掘施工過程中，往往是在沒有城市管線現(xiàn)勢圖的情況下進(jìn)行的，使得城市管網(wǎng)在施工過程中遭受了不同程度的損壞，給城市人民的生活和生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失[2-5]。

隨著我國城市規(guī)模的迅速擴(kuò)大和人口數(shù)量的劇增，排水管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施已不能滿足新時(shí)代的發(fā)展需要。因此，我們亟需運(yùn)用先進(jìn)的測繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，獲取城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)，并且建設(shè)一個(gè)具有城市排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、信息化管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控為一體的城市排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管網(wǎng)的信息化管理和管線數(shù)據(jù)的可視化顯示，這也是實(shí)現(xiàn)智慧城市的重要組成部分。

2 城市排水管網(wǎng)的調(diào)查與繪制

依據(jù)中中華人民共和國的《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》城市管網(wǎng)分為九大類，即排水、給水、人防、工業(yè)、電信、燃?xì)狻崃?、綜合管溝、電力等，上述大部分管線都埋設(shè)在地下，構(gòu)成了錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。城市地下管網(wǎng)種類繁多、形式復(fù)雜、管線敷設(shè)時(shí)間跨度大，因此需要不斷地對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行更新和維護(hù)。對(duì)與管網(wǎng)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、維護(hù)時(shí)，需要具備數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理與成圖的一體化能力，使用戶可以靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)城市管網(wǎng)進(jìn)行更新。

2.1 數(shù)據(jù)收集

在管線測量時(shí)，需要精確地測定地下管線的空間位置、走向、埋深、屬性（類型、管徑、管高、時(shí)間、單位等）[6]，統(tǒng)一采用CGCS2000坐標(biāo)系。城市排水管網(wǎng)的調(diào)查一般以1：100的地形圖作為底圖，根據(jù)城市管網(wǎng)分布的情況對(duì)城市地下管網(wǎng)的測繪和調(diào)查，測繪和調(diào)查時(shí)應(yīng)詳細(xì)繪制城市地下管網(wǎng)現(xiàn)勢圖和記錄調(diào)查表，供管線數(shù)據(jù)化、屬性錄入、整理成果時(shí)使用。各種管線的交叉點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、分支點(diǎn)應(yīng)全部調(diào)查。部分交叉點(diǎn)、分支點(diǎn)需要開挖，并詳細(xì)記錄。管線的編碼嚴(yán)格按照區(qū)號(hào)+管線類別+管線號(hào)+節(jié)點(diǎn)號(hào)。

城市排水管網(wǎng)的測繪，首先進(jìn)行控制測量和引控制點(diǎn)，然后對(duì)城市排水管網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，編制排水管網(wǎng)的現(xiàn)勢圖，供管網(wǎng)信息化平臺(tái)使用。為了方便城市排水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取，運(yùn)用全站儀和RTK（Realtime kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）采集外業(yè)數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)人員需要對(duì)測量成果進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)分析[7]。利用RTK需采集和人工記錄的外業(yè)數(shù)據(jù)主要有：

（1）鐵路、道路、居民地、水系、城市綠地、注記、行政界線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）雨水管線點(diǎn)、雨水管線線、雨水管線注記、污水管線點(diǎn)、污水管線線、污水管線注記、雨污合流管線點(diǎn)、雨污合流管線線、雨污合流管線注記共9項(xiàng)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。

（3）排水系統(tǒng)、檢查井、排水管、排水渠、排放口、排水泵站、閘門、閥門、易澇區(qū)域、城市受納水體（河道）、河道樁號(hào)、城市受納水體（湖泊）、管線點(diǎn)、污水廠、排水戶共15項(xiàng)專題數(shù)據(jù)。

（4）排水管網(wǎng)網(wǎng)格、在線監(jiān)測點(diǎn)、在線監(jiān)測視頻、電子井蓋、排水管點(diǎn)健康度、排水管線健康度共6項(xiàng)排水設(shè)施管理數(shù)據(jù)。

（5）接口業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等排水業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析是指數(shù)據(jù)管線探測采集后，由數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)軟件生成的管線數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的工序后導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。在實(shí)際生產(chǎn)中，管線數(shù)據(jù)必須經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量檢查后方能入庫。一般來講，數(shù)據(jù)分析要經(jīng)過“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)整理→數(shù)據(jù)編輯→數(shù)據(jù)檢查→導(dǎo)入數(shù)據(jù)”等幾個(gè)反復(fù)的過程才能滿足系統(tǒng)中管線數(shù)據(jù)的生產(chǎn)質(zhì)量和要求。數(shù)據(jù)分析采用程序自動(dòng)分析與人工分析相結(jié)合的分析方式：（1）程序分析，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)對(duì)象編寫對(duì)應(yīng)的檢查程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的分析方式；（2）人工分析，把數(shù)據(jù)成果與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)資料進(jìn)行人工比對(duì)，彌補(bǔ)程序沒有辦法分析的內(nèi)容。數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測

2.3 數(shù)據(jù)處理與成圖

在繪制管線圖前，先對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后按照數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)要求，建立管網(wǎng)空間屬性數(shù)據(jù)庫，滿足排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、編輯、處理、分析等功能。最后利用GIS軟件實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)的可視化顯示與管理[8]。數(shù)據(jù)處理作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理作業(yè)流程

3 系統(tǒng)架構(gòu)

城市排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)管理平臺(tái)涉及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)、中間件技術(shù)、Web技術(shù)、視頻技術(shù)、排水模型技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)等，是一個(gè)具有分布式、管網(wǎng)復(fù)雜的系統(tǒng)。在搭建城市排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)過程中，部分專業(yè)應(yīng)用模塊需要強(qiáng)大的實(shí)時(shí)操作和復(fù)雜的邏輯分析功能支持，如管網(wǎng)的編輯和數(shù)據(jù)更新維護(hù)，拓?fù)錂z查，這比較適合于采用C/S體系；而部分應(yīng)用功能需要更廣泛的人使用和共享，如管網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)布和查詢，這比較適合采用B/S體系[9-10]。因此，系統(tǒng)體系根據(jù)應(yīng)用的具體要求選擇C/S和B/S相結(jié)合的方式構(gòu)建，這樣既可以滿足復(fù)雜功能的開發(fā)和使用要求，又可以盡可能在網(wǎng)絡(luò)上共享數(shù)據(jù)和功能[7]。平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)主要分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。城市排水信息系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

（1）基礎(chǔ)層?；A(chǔ)層即通過傳感網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境信息。要實(shí)現(xiàn)信息化的城市排水管網(wǎng)管理就必須要建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)，而基礎(chǔ)層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分。涉及到的感知設(shè)備包括巡查終端、視頻探頭、北斗定位設(shè)備、電子標(biāo)識(shí)等。數(shù)據(jù)的野外采集需要通信網(wǎng)絡(luò)和北斗導(dǎo)航地位系統(tǒng)的支持[8-9]。

圖3 城市排水信息系統(tǒng)總體框架

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換、處理中心，負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)，接收基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求，進(jìn)行數(shù)據(jù)更新處理。數(shù)據(jù)類型包括矢量地圖、影像地圖、地下管網(wǎng)、屬性信息數(shù)據(jù)等。

（3）服務(wù)層。服務(wù)層即建設(shè)所需的信息平臺(tái)，包括地下管網(wǎng)的數(shù)據(jù)編輯、查詢、統(tǒng)計(jì)、接口等。

（4）應(yīng)用層。應(yīng)用層涉及的業(yè)務(wù)應(yīng)用主要包括排水管網(wǎng)設(shè)施施工管理、排水管網(wǎng)中心業(yè)務(wù)綜合管理、排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)維護(hù)管理、平臺(tái)運(yùn)維管理、平臺(tái)與外系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口管理。

4 排水設(shè)施信息化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺(tái)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件支持下，科學(xué)管理綜合分析那些表征地理環(huán)境的空間數(shù)據(jù)，以便對(duì)規(guī)劃、管理、決策和研究提供所需信息的系統(tǒng)[12]。系統(tǒng)采用ArcEngine進(jìn)行組件式開發(fā)，利用GeoDataBase存儲(chǔ)道路、居民地、水系等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，雨水管線點(diǎn)、雨水管線線、污水管線點(diǎn)等排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，排水管、排水渠、排水泵站等專題數(shù)據(jù)和地形圖等數(shù)據(jù)，通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)各類空間數(shù)據(jù)的訪問，著重承擔(dān)城市排水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理與分析、可視化分析等。

4.2 多尺度和無比例尺的空間地理信息庫

空間地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包含多種比例尺的地形圖和影像數(shù)據(jù)。在空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，比例尺的概念對(duì)用戶是透明的。一般地，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的窗口視野范圍，自動(dòng)調(diào)用和顯示相應(yīng)比例尺的數(shù)據(jù)；用戶也可以選擇任意范圍按要求輸出某一比例尺范圍的任意比例尺地圖。在數(shù)據(jù)庫中沒有地圖比例尺的概念，從而建立了無比例尺和多尺度城市空間地理信息數(shù)據(jù)庫。

4.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)和城市空間地理信息數(shù)據(jù)屬于大規(guī)模海量數(shù)據(jù)，通過對(duì)比在對(duì)國內(nèi)外主流關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，選擇了高穩(wěn)定性和高可靠性，并和GIS平臺(tái)無縫結(jié)合的Oracle數(shù)據(jù)庫平臺(tái)[13]，能夠?qū)崿F(xiàn)空間屬性數(shù)據(jù)的高效一體化存儲(chǔ)和管理，支持多用戶同時(shí)操作，高效準(zhǔn)確的空間索引機(jī)制，分布式多層應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)，高度可控的查詢能力，安全高效的管理能力。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以福州市的排水信息系統(tǒng)為例，進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市排水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)管、預(yù)警預(yù)報(bào)和信息化管理的目標(biāo)，將平臺(tái)架構(gòu)歸納為“一張圖、多種應(yīng)用”，一張圖即平臺(tái)建設(shè)統(tǒng)一的底圖，提供一整套專為排水信息交互及數(shù)據(jù)管理的地圖服務(wù)，為各個(gè)排水業(yè)務(wù)信息化管理系統(tǒng)提供可視化的支撐。

城市排水信息系統(tǒng)如圖4所示。城市排水信息系統(tǒng)的24個(gè)子系統(tǒng)分別為不同的使用對(duì)象服務(wù)，對(duì)象范圍包括排水管理上級(jí)主管部門、供排水管理中心、具體實(shí)施排水工作的單位和社會(huì)公眾等。系統(tǒng)從排水管理專業(yè)出發(fā)，用先進(jìn)的智能感知、GIS、時(shí)空定位技術(shù)，改變了原有排水設(shè)施管理工作模式，提升了管理工作水平，并且各個(gè)系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)排水管理系統(tǒng)間孤立運(yùn)行的模式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間互通合作和重要信息的快速網(wǎng)絡(luò)傳遞，進(jìn)一步提升了排水管理工作效率。

排水設(shè)施運(yùn)維管理如圖5所示。系統(tǒng)提供年月日的任務(wù)報(bào)表、計(jì)劃、考核和查詢，實(shí)時(shí)監(jiān)測任務(wù)的類型、任務(wù)辦理人、操作流程、操作記錄和地圖實(shí)時(shí)定位與顯示，可以有效為排水管網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)管理、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的目的。

圖4 城市排水信息系統(tǒng)

圖5 排水設(shè)施運(yùn)維管理系統(tǒng)

6 結(jié)束語

隨著智慧城市建設(shè)的投入，城市地下管網(wǎng)作為城市發(fā)展的血脈，在城市日常安全建設(shè)具有不可忽視的作用，因此，研究和開發(fā)城市排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)，基于ArcEngine組件式開發(fā)了城市排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)著重顧及系統(tǒng)平臺(tái)之間、功能之間的無縫連接、按需添加，為今后的系統(tǒng)功能擴(kuò)展和集成留下了擴(kuò)充余量，使系統(tǒng)能夠保持一定的先進(jìn)性、擴(kuò)充性、穩(wěn)健性。

本文提出的系統(tǒng)建設(shè)方案與建設(shè)思路，為實(shí)現(xiàn)城市地下管網(wǎng)信息化管理提供了合理的參考與借鑒，目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功在福州市進(jìn)行實(shí)施，這將豐富和完善城市排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)的理論架構(gòu)和實(shí)踐積累，并帶來了較好社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。