基于GIS技術(shù)的義烏市地下綜合管線信息系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

歲秀珍，陳 浩，劉 勤，虞獻軍

(1.義烏市大地數(shù)字測繪有限公司，浙江 義烏 322000；2.義烏市勘測設(shè)計研究院，浙江 義烏 322000)

管線數(shù)據(jù)是城市順利發(fā)展的重要“生命線”和基本保障體系，地下管線數(shù)據(jù)信息的完整性、準(zhǔn)確性和時勢性為城市進行可持續(xù)發(fā)展，各方面有序運行提供了一個重要的支撐體系[1].城市可持續(xù)發(fā)展離不開地下管線系統(tǒng)地建設(shè)，政府部門也對地下管線信息系統(tǒng)越來越重視.基于老式的管線管理思路存在一系列的缺點，如圖片和表格內(nèi)容描述不一致，在進行管線統(tǒng)計分析時，處理速度緩慢，不利于相關(guān)部門的決策分析[2].開展城市作業(yè)如：規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理等工作時，經(jīng)常遇到埋設(shè)在地下的管線被破壞，相繼引發(fā)一系列的危害性事件.針對上述問題，很多學(xué)者進行相關(guān)研究[3]，韋斌[4]采用B/S和C/S架構(gòu)相結(jié)合方式進行系統(tǒng)總體設(shè)計和功能實現(xiàn)，解決了地下管線信息管理、應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新等問題.陸旭龍，等[5]基于WebGIS的城市綜合管線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，建成網(wǎng)絡(luò)化綜合管線系統(tǒng).丁鵬輝，等[6]針對地下管線信息系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)提出了一些新的方法與思路.趙俊蘭，等[7]運用Java開發(fā)地下管線智能管理系統(tǒng)—NCUTWebGis的過程,構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)集成方案.萬迪[8]在Arcgis和AutoCAD軟件基礎(chǔ)上，基于C/S和B/S混合模式實現(xiàn)了地下管線內(nèi)外業(yè)一體化的模式.陳穎彪，等[9]以廣州大學(xué)城管道數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)，對管線數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型進行相關(guān)分析研究.史玉峰，等[10]將ArcGIS Engine應(yīng)用到地下管線信息管理中，設(shè)計、開發(fā)了基于ArcGIS Engine的地下管線信息系統(tǒng).于治深[11]在普灣區(qū)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫建設(shè)，建成普灣區(qū)地下綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫及信息化管理平臺.

在眾多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，義烏市管線系統(tǒng)是將客戶端和服務(wù)器有機的結(jié)合起來，采用網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)模式進行識別，主要運用C/S/S和B/S/S兩種處理模式，以ArcGIS提供的相應(yīng)接口作為軟件開發(fā)基礎(chǔ)，同時將桌面與瀏覽器相結(jié)合、Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲測量管線數(shù)據(jù).系統(tǒng)布設(shè)在局域網(wǎng)內(nèi)和其他相關(guān)部門進行網(wǎng)絡(luò)連通，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享共用.

1 系統(tǒng)目標(biāo)

對義烏市政府部門和各個權(quán)屬單位的需求情況進行全面調(diào)研，義烏市對地下管線基礎(chǔ)設(shè)施信息的管理需求情況，結(jié)合義烏市現(xiàn)有管線信息系統(tǒng)的實際情況，以及政府對未來地下管線信息系統(tǒng)的發(fā)展要求，確立系統(tǒng)的規(guī)劃方案為:建設(shè)一個全面完整的義烏市地下管線信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)必須具備準(zhǔn)確性和時勢性，且能夠滿足各單位對管線數(shù)據(jù)的要求，能夠滿足一站式服務(wù)和集中式管理，能對地下管線進行一系列的設(shè)計和空間分析.

系統(tǒng)目標(biāo)就是:

(1)對地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、各種各樣的管線數(shù)據(jù)進行動態(tài)管理，能夠?qū)α阈堑牡叵鹿芫€數(shù)據(jù)進行快速的整理，達到資源共享的目的；對管線數(shù)據(jù)進行實時更新，對外業(yè)探測的管線數(shù)據(jù)進行查錯檢驗，同時對已有資料數(shù)據(jù)進行管理；

(2)能夠突出顯示已有管線的分布情況，對每類管線進行專題顯示，具備空間分析、規(guī)劃分析、爆管分析等功能，并對分析結(jié)果進行輸出等功能.

2 系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)將客戶端和服務(wù)器有機的結(jié)合起來，采用網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)模式進行識別，主要體現(xiàn)為C/S/S和B/S/S；ArcGIS軟件組、桌面結(jié)合瀏覽器、Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等核心部件.系統(tǒng)布設(shè)在局域網(wǎng)內(nèi)和其他相關(guān)部門進行網(wǎng)絡(luò)連通實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享共用，為開展地下管線普查的城市提供一個可參考的依據(jù).網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)交換層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用層等不同層次構(gòu)成系統(tǒng)的總體框架(見圖1).網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)方式是通過計算機網(wǎng)路與各個管線使用單位通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行連接實現(xiàn)信息資源共享，通過各類標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP，HTTP，SOAP)與其他信息系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)和應(yīng)用；數(shù)據(jù)管理層主要用來進行數(shù)據(jù)存儲管理，在空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上基于GIS相關(guān)平臺，可以實現(xiàn)管線的綜合分析

圖1 綜合地下管線系統(tǒng)整體框架

和查詢，數(shù)據(jù)管理層起到一個支撐性的作用.數(shù)據(jù)交換層是建立在數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)之上，結(jié)合數(shù)據(jù)管理機制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中間件，三者相互關(guān)聯(lián)共同實現(xiàn)各處各類異質(zhì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的交換.業(yè)務(wù)邏輯層對業(yè)務(wù)進行抽象，以COM+/COM/DCOM以及WebServices的形式進行封裝，為上層的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供可用的服務(wù)支持.應(yīng)用層是根據(jù)管線系統(tǒng)提供一系列功能如數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計管理、數(shù)據(jù)查錯、數(shù)據(jù)更新入庫、空間分析、系統(tǒng)權(quán)限管理和地下管線網(wǎng)上共享發(fā)布系統(tǒng)等主要功能模塊，可方便進行定位、檢索查詢和統(tǒng)計分析，為城市相關(guān)職能部門在管理、規(guī)劃、決策方面提供支持.

2.2 系統(tǒng)功能

依據(jù)實際需求，義烏市地下管線系統(tǒng)利用相關(guān)技術(shù)將兩種模式(C/S、B/S)綜合應(yīng)用起來進行系統(tǒng)開發(fā).地下管線管理子系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)(見圖2)，管線系統(tǒng)主要是對大量基礎(chǔ)地形和海量管線數(shù)據(jù)進行維護更新、管理和控制，在系統(tǒng)內(nèi)可以按照需求對數(shù)據(jù)進行存儲形成數(shù)據(jù)字典，對入庫數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化管理，主要供局域網(wǎng)用戶實現(xiàn)對全市地下管線數(shù)據(jù)的動態(tài)管理和應(yīng)用，同時可以實現(xiàn)對系統(tǒng)及用戶的統(tǒng)一管理，能夠根據(jù)已有管線數(shù)據(jù)對每類管線進行空間分析和規(guī)劃分析，對管線數(shù)據(jù)進行更新入庫的管理功能.地下管線共享發(fā)布子系統(tǒng)采用B/S模式，能夠提供信息共享服務(wù)(見圖2)，滿足各權(quán)屬單位進行網(wǎng)上瀏覽、網(wǎng)上查詢，在線打印等功能.通過權(quán)限控制，提供給有需要的權(quán)屬單位更豐富、更靈活的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計等數(shù)據(jù)服務(wù).

圖2 地下管線綜合管理信息系統(tǒng)基本功能

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

采用何種方法對海量空間數(shù)據(jù)進行存儲一直是測量行業(yè)難題[12].地下管線信息系統(tǒng)設(shè)計的管線種類繁多、數(shù)據(jù)龐大，再加上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(地形圖和其他專題數(shù)據(jù))，系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)較多，還有更為重要的是后期管線數(shù)據(jù)更新，將有更多的數(shù)據(jù)加入系統(tǒng)當(dāng)中.綜合考慮以上問題，數(shù)據(jù)存儲和管理問題是管線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，同時還須滿足數(shù)據(jù)快速查詢，除此之外還應(yīng)考慮可擴展性，便于后期對數(shù)據(jù)進行不斷擴充.基于此提出一種存儲媒介ArcSDE(見圖3)，它在空間數(shù)據(jù)庫管理的基礎(chǔ)上能夠?qū)⒑芏鄶?shù)據(jù)信息進行有效綜合，并且能將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)化為空間型數(shù)據(jù)庫[13]，同時能將空間信息和屬性信息有效地統(tǒng)一起來進行查詢和管理[14].義烏市地下綜合管線信息系統(tǒng)采用以O(shè)racle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，運用ArcSDE將數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來對海量數(shù)據(jù)的存儲問題進行實質(zhì)性的解決.

3.2 管線分析技術(shù)

(1)管線橫斷面分析

管線橫斷面分析是管線信息系統(tǒng)不可缺少的一部分，可作為地下管線改造及周邊建筑施工的重要依據(jù).用戶通過交互操作在屏幕上任意地方畫橫斷面線，系統(tǒng)自動捕獲用戶所畫橫斷面線，通過此線將與斷面相交的管線所在道路的分布情況顯示出來，能羅列出管線的各種屬性信息(管徑、管類、高程、每類管線之間的距離)，用戶能夠?qū)芫€與道路，管線與管線之間的空間位置管線做到一目了然.橫斷面分析關(guān)鍵技術(shù)在于如何確定橫斷面分析坐標(biāo)系統(tǒng)，建立的橫斷面坐標(biāo)軸[15]以用戶所畫橫斷面線作為橫坐標(biāo)軸(X軸)，坐標(biāo)原點為橫斷面線的起點，管線的埋深作為縱坐標(biāo)軸(Y軸).技術(shù)難點在于如何獲取與用戶操作的斷面線有關(guān)的管線數(shù)據(jù)，即需要獲取相交管線的交點信息及管線的埋深、管線管頂高程等相關(guān)屬性信息.根據(jù)上述問題，

圖3 SDE的存儲機制

系統(tǒng)采用ArcEngine提供的二次開發(fā)接口NetworkAnalysis類庫中提供相應(yīng)分析函數(shù)，可以獲得橫斷面線與管線相交點的坐標(biāo)信息，再根據(jù)管線交點坐標(biāo)搜索跟該點距離最近的上下兩管線點，根據(jù)最短距離分析搜索的兩管線點采用線性內(nèi)插方法得到相交處管點的地面高、管頂高程、埋深等信息.

假設(shè)已知兩點A、B的坐標(biāo)屬性值、地面高程、管線的管頂高和埋深(X1、Y1、Z1、ZT1、ZB1、X2、Y2、Z2、ZT2、ZB2)，設(shè)斷面跟管線相交于X3、Y3，利用線性內(nèi)插計算斷面跟管線交點Z3、ZT3、ZB3方法如下公式所示：

(1)

(2)

(3)

Z3=Z1+K(Z2-Z1)

(4)

ZT3=ZT1+K(ZT2-ZT1)

(5)

ZB3=ZB1+K(ZB2-ZB1)

(6)

(2)縱斷面分析

縱斷面分析主要是根據(jù)管線的屬性信息分析它的鋪設(shè)狀況以及地上情況，并且能夠把管線的屬性信息(管類、管徑、管頂高等)標(biāo)注出來，可以直觀的看出管線沿著某條道路的鋪設(shè)情況.它的計算方法如下公式所示：

(7)

(8)

yn=th0

(9)

yn+1=thi

(10)

rn=rth0

(11)

rn+1=rthi

(12)

其中：li—i段管線的地面實測長度;

k—縱橫坐標(biāo)的比例系數(shù);

th0—i段管線的起點管頂標(biāo)高;

thi—第i段管線的終點管頂標(biāo)高；

rth0—第i段管線的起點地面標(biāo)高;

rthi—第i段管線的終點地面標(biāo)高.

管線縱斷面計算模型公式：

Vsn=(xn@yn,xn+1@yn+1)

(13)

道路斷面計算模型公式：

Rsn=(xn@rn,xn+1@rn+1)

(14)

(3)爆管分析

爆管分析的設(shè)計原理是，以事故所在點為中心，向四周查詢網(wǎng)絡(luò)中所涉及到的所有管類，遍歷每個管線節(jié)點，一直搜尋到與事故有關(guān)聯(lián)的管線特征點(閥門和檢修井).爆管分析的關(guān)鍵技術(shù)難點是它的算法設(shè)計問題.算法設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是互相影響和依賴，密不可分的[16].概括地說，怎樣構(gòu)建抽象的數(shù)據(jù)模型，組建針對管線的數(shù)學(xué)模型，是算法設(shè)計的主要核心內(nèi)容.對地下管線的數(shù)據(jù)組成成份進行分析，管線主要由點和線構(gòu)成.管線點有許多的特征和附屬物構(gòu)成，構(gòu)成管線的主要屬性部分，特征點構(gòu)成管線的節(jié)點，一般的測量點為中間過度節(jié)點，防止超長管線的出現(xiàn)，這些點代表著管線的實地情況.爆管分析搜尋的目標(biāo)對象主要是閥門和檢修井，并且只能是一條管線的結(jié)點位置處.依據(jù)上述情況，建立圖4所示分析模型，采用樹狀的形式表示管線網(wǎng)絡(luò)，將事故發(fā)生點作為根結(jié)點，每條管線的特征點作為結(jié)點，邊代表一條管線，按管點管線的組成關(guān)系構(gòu)成樹，需要注意的是，該網(wǎng)絡(luò)圖中每條樹狀路徑的最終結(jié)點將都會為閥門或檢修井.

根據(jù)爆管分析的設(shè)計原理，只要按順序遍歷，遍歷樹的每一個結(jié)點即對管線結(jié)點做一次訪問，在此基礎(chǔ)之上判斷結(jié)點的特征情況，找到滿足要求的所有的管線點.圖4的樹狀模型中，采用先序遍歷的遍歷序列分別是①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、可采用兩種算法進行樹狀網(wǎng)絡(luò)遍歷，遞歸算法和非遞歸算法.遞歸算法具有編碼簡單操作直觀的優(yōu)點，但處理進度緩慢，且占用內(nèi)存不利于大數(shù)據(jù)量信息處理，因此采用非遞歸函數(shù)實現(xiàn)樹的遍歷.采用非遞歸遍歷時，需要設(shè)立一個堆棧存放尚未處理的子樹.首先把根結(jié)點放入堆棧中，以后每次從堆棧中取一個結(jié)點.先訪問該結(jié)點，然后把該結(jié)點從堆棧中剔除，如此重復(fù)，直到堆棧為空.其程序設(shè)計主要代碼參(見圖5).

圖4 爆管分析結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 爆管分析核心代碼

3.3 監(jiān)理查錯技術(shù)

為保證管線數(shù)據(jù)質(zhì)量，能符合義烏市地下管線數(shù)據(jù)庫建立要求，測繪數(shù)據(jù)庫提交錄入系統(tǒng)前必須進行質(zhì)量檢查.需要從數(shù)據(jù)內(nèi)容、空間類、屬性類等進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗，從而確保管線探測單位提交的成果數(shù)據(jù)在格式上滿足系統(tǒng)要求，同時在邏輯上不存在矛盾關(guān)系.入庫前，首先對管線的表名稱、表結(jié)構(gòu)檢查，判斷表格式、數(shù)據(jù)字段與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是否一致，再對數(shù)據(jù)表中的X、Y值進行檢查，查看是否有重復(fù)坐標(biāo)，是否有不符合邏輯的坐標(biāo)信息，確保數(shù)據(jù)入庫后點的唯一性.基礎(chǔ)檢查通過后，進一步對管線的邏輯性進行檢查(權(quán)屬單位代碼、道路代碼、管線編碼檢查)，確保各項檢查正確無誤之后方可入庫.

程序主要實現(xiàn)思路：首先對入庫數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)范性進行判定和檢查，假如存在不合理的類別，程序?qū)⒆詣诱磉@些錯誤，并把錯誤反饋給用戶，倘若未發(fā)現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)程序會根據(jù)提交的數(shù)據(jù)庫建立臨時表，系統(tǒng)查錯程序會對臨時表進行邏輯性檢查.邏輯性檢查主要檢查管線的流向、超長管線、管線埋深、地面標(biāo)高、管線點和管線線段是否對應(yīng)等等.假使以上檢查都滿足預(yù)設(shè)規(guī)范要求，測量數(shù)據(jù)庫將會進行入庫處理，最終成果數(shù)據(jù)將會展現(xiàn)在用戶面前，系統(tǒng)查錯流程(見圖6).

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

系統(tǒng)以集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio .Net 2010

為基礎(chǔ)主要采取ArcGIS產(chǎn)品的組件和主流的數(shù)據(jù)庫：ArcEngine+ArcSDE+Oracle，其中Oracle數(shù)據(jù)庫運行在服務(wù)器端，主要設(shè)為系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，同時提供異地存儲功能；GeoDatabase提供空間數(shù)據(jù)關(guān)系存儲支持；ArcEngine作為開發(fā)系統(tǒng)支持環(huán)境，運行在客戶端操作系統(tǒng)中，通過ArcSDE提供的數(shù)據(jù)接口與空間數(shù)據(jù)庫進行連接.義烏市地下綜合管線信息系統(tǒng)的開發(fā)流程(見圖7，圖8).

圖6 管線監(jiān)理差錯流程圖

圖7 C/S開發(fā)流程

圖8 B/S開發(fā)流程

4.2 應(yīng)用效果

系統(tǒng)C/S版提供包括管線查詢統(tǒng)計、管網(wǎng)分析、數(shù)據(jù)更新與維護管理、參數(shù)配置管理等功能(見圖9).系統(tǒng)B/S版主要提供地圖操作、信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、綜合分析、系統(tǒng)管理等功能(見圖10).

圖9 管線管理子系統(tǒng)(C/S)

5 結(jié) 語

義烏市在創(chuàng)建數(shù)據(jù)城市的進程中，地下管線綜合管理信息系統(tǒng)是核心環(huán)節(jié)，通過對管線信息系統(tǒng)開發(fā)進行研究，可實現(xiàn)對各種管線進行動態(tài)管理、更新和維護，能夠確保義烏市地下管線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時勢性，其分析功能為規(guī)劃管理部門提供相應(yīng)的宏觀決策依據(jù)，能減少由于不正當(dāng)施工而造成的經(jīng)濟損失.該系統(tǒng)的建設(shè)實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化操作，大大的提高了工作效率，為政府節(jié)省了人力財力，同時為其他開展地下管線普查工作的城市提供一定的參考作用.

圖10 共享發(fā)布子系統(tǒng)(B/S)

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