GIS時空數(shù)據(jù)模型在城市地下管線數(shù)據(jù)庫中的應用研究

速云中

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510510)

1 引言

城市地下管線建設(shè)與延伸是城市化進程加深的重要體現(xiàn)，在城市經(jīng)濟發(fā)展中起重要作用。信息管理系統(tǒng)負責地下管線系統(tǒng)的實時、動態(tài)監(jiān)管，以便有效開展維修、調(diào)度等工作。隨著管線數(shù)量和布設(shè)復雜程度的增加，信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的歷史查詢及數(shù)據(jù)更新功能需求越發(fā)強烈，為彌補傳統(tǒng)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫功能的不足，需引入GIS 時空數(shù)據(jù)模型，對有關(guān)經(jīng)驗進行總結(jié)。

2 GIS 時空數(shù)據(jù)模型搭建

2.1 模型選擇

常規(guī)GIS 空間數(shù)據(jù)庫多采用關(guān)系級模型，新時空數(shù)據(jù)模型可在原空間模型基礎(chǔ)上增加時間標記，即對原有模型進行升級和擴充。總結(jié)現(xiàn)有研究成果，按時間標記水平不同，可分為關(guān)系級模型、元組級模型和屬性級模型三類。其中，關(guān)系級模型在產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的同時建立序列式快照存入相應數(shù)據(jù)庫。元組級模型中各元組對應一個時間標記，若某元組的某項屬性發(fā)生變化，即形成新元組和時間標記[1]。屬性級模型中元組的每一屬性對應一個時間標記，要想有效處理時間標記，就要用到變長字段值。對這三種模型做橫向?qū)Ρ龋瑢傩约壞Ｐ蛿?shù)據(jù)冗余有限，處理時間標記更便捷，以其作為城市地下管線信息管理系統(tǒng)的時空數(shù)據(jù)模型。

2.2 修測類型

城市地下管線相關(guān)信息處于不斷增加、變化、更新狀態(tài)，頻繁發(fā)生事件的更新和廢除，導致地下管線空間或?qū)傩愿淖?，其中事件即為修測類型。當此類事件發(fā)生時，將發(fā)生節(jié)點記為修測工程號，并將其與修測類型一同記錄在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單元，輔助模型搭建。

2.3 數(shù)據(jù)模型

基于以上理論，劃分地下管線系統(tǒng)的點與線。其中，管點包括節(jié)點、X 坐標、Y 坐標、修測類型和修測時間；管線包括線段、起始點、終結(jié)點、修測類型和修測時間。具體數(shù)據(jù)模型如圖1 所示。

3 城市地下管線時空數(shù)據(jù)庫搭建

城市地下管線時空數(shù)據(jù)庫分為建設(shè)階段和管理階段。

3.1 管線建設(shè)階段的時空數(shù)據(jù)庫搭建

地下管線工程建設(shè)階段有場地勘察、線路規(guī)劃、方案設(shè)計、具體施工、質(zhì)量驗收等環(huán)節(jié)，均產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)和圖形資料，時空數(shù)據(jù)庫按時間節(jié)點發(fā)展順序搭建[2]。具體是疊加多個空間數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)變化繪制各時間段狀態(tài)數(shù)據(jù)，變化與疊加一一對應，以索引方式記錄空間關(guān)系和變化，最終數(shù)據(jù)在時間維度上動態(tài)呈現(xiàn)。管線建設(shè)階段各環(huán)節(jié)時空數(shù)據(jù)庫模型如圖2 所示。

管線工程建設(shè)各階段因重復審批產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)用版本方式管理。建設(shè)階段時空數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)表中添加字段，標記審批階段、更新狀態(tài)等。時間字段為時序的標志字段，需根據(jù)業(yè)務屬性劃分時間單位。如材料入庫時間節(jié)點審批，將時間單位設(shè)為材料到場時間。

圖2 建設(shè)階段各環(huán)節(jié)時空數(shù)據(jù)模型

3.2 管線管理階段的時空數(shù)據(jù)庫搭建

將城市地下管線系統(tǒng)管理階段的時空數(shù)據(jù)庫設(shè)置為四個模塊，分別用于原始數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、變更數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的存儲。各模塊用途如表1 所示。

表1 時空數(shù)據(jù)庫不同模塊的用途劃分

時空數(shù)據(jù)庫構(gòu)建要點是時空數(shù)據(jù)與原有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有機結(jié)合，各模塊包含管線空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。建立修測工程表將各模塊連接為統(tǒng)一整體，由空間數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的主鍵字段構(gòu)成。形成的數(shù)據(jù)庫框架流程為：修測工程數(shù)據(jù)→原始數(shù)據(jù)模塊→計算機系統(tǒng)→變更數(shù)據(jù)模塊→實時數(shù)據(jù)模塊→數(shù)據(jù)庫功能操作/數(shù)據(jù)備份→歷史數(shù)據(jù)模塊[3]。

依上述流程，地下管線系統(tǒng)的時空數(shù)據(jù)查詢、分析、管理和追溯更便捷，可實現(xiàn)動態(tài)化數(shù)據(jù)管理。如將系統(tǒng)管點及管線屬性信息和空間信息錄入原始數(shù)據(jù)模塊，校驗處理后存入變更數(shù)據(jù)模塊，再按需求進行備份。為避免數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中按圖幅備份數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)進入實時數(shù)據(jù)模塊前重點處理三類事件：①新增時間，將管線屬性及空間數(shù)據(jù)全部存入實時數(shù)據(jù)模塊。②變更事件，檢測篩選出當前現(xiàn)狀數(shù)據(jù)模塊中需變更數(shù)據(jù)，進行變更處理，完成數(shù)據(jù)狀態(tài)更新，省去數(shù)據(jù)重新入庫步驟。③廢棄事件，檢測篩選并刪除實時數(shù)據(jù)模塊中失效或無用數(shù)據(jù)。GIS 時空數(shù)據(jù)庫中，單一屬性或空間數(shù)據(jù)變化均為時空數(shù)據(jù)變化，需完成管線信息的記錄和更新。產(chǎn)生新修測工程時，則更新修測信息表及現(xiàn)狀數(shù)據(jù)模塊。查詢既定數(shù)據(jù)時，輸入修訂工程號即可。還可通過管線屬性數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)，查找分析另外一種數(shù)據(jù)。若修訂工程號處于過去狀態(tài)，可利用歷史數(shù)據(jù)模塊的修測信息，恢復管線數(shù)據(jù)。

4 時空數(shù)據(jù)庫的具體應用

以城市地下供水管線巡檢為例，供水管線巡檢時空數(shù)據(jù)庫為綜合數(shù)據(jù)庫，將兩個及以上數(shù)據(jù)庫結(jié)合，滿足供水管線的監(jiān)督、巡檢。供水管線時空數(shù)據(jù)模型為 ： ，B 為系統(tǒng)時空過程集成方式，ST 為系統(tǒng)的時空對象信息，STDATEBASE為時空事件數(shù)據(jù)庫，STMODEL 是系統(tǒng)的時空數(shù)據(jù)模型[4]。

供水管線巡檢系統(tǒng)時空對象包括點、線、面三類，時空數(shù)據(jù)模型中，時間和空間為變量。其中，點要素指SCADA 檢點、設(shè)置所在點、管線節(jié)點等，用空間坐標和時間點表示；單個線要素存在兩個或以上有效坐標和時間點；面對象由點和線集成。供水管線巡檢使用監(jiān)測定位技術(shù)，獲取管線空間拓撲結(jié)構(gòu)，輔助以S為變量的ArcGIS 靜態(tài)數(shù)據(jù)，精準呈現(xiàn)管線的拓撲結(jié)構(gòu)、圖形數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及巡檢路線等[5]。

各時空對象有其獨特屬性，以單獨或關(guān)聯(lián)狀態(tài)存在。如點對象屬性有材質(zhì)、管徑、水壓等，屬性與具體時間點結(jié)合形成時態(tài)對象并描述對象點特征。屬性與時間線結(jié)合形成巡檢要素的時態(tài)對象，呈現(xiàn)某時段管線巡檢對象屬性特征的變動。如以時間T 為變量劃分供水管線巡檢時空要素類別，表示管線改線、擴張等施工進度，或監(jiān)測管線巡檢范圍等。然后屬性對象再以時間T 和空間S 為變量，展示完整的供水管線變更時態(tài)信息。

5 結(jié)論

基于GIS 時空數(shù)據(jù)模型的城市地下管線數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計、搭建和更新上更加便捷，時空數(shù)據(jù)庫進一步提高了地下管線信息管理系統(tǒng)功能完整性和運行效率，管線數(shù)據(jù)的查詢、調(diào)取等可快捷完成，確保數(shù)據(jù)庫信息實時更新，進而提高城市地下管線運營管理質(zhì)量。