地理信息系統(tǒng)(GIS)在管線工程設(shè)計、施工中的應(yīng)用

劉磊 山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司

1 常規(guī)設(shè)計施工方式

通信管線項目是配套建設(shè)的工程，是通信項目中最為復(fù)雜的建設(shè)項目，并且隨著工程建設(shè)要求的不斷提升，通信管線的施工需要具備更快的速度與更短的建設(shè)周期。此外通信管線的建設(shè)需要沿途進(jìn)行大量勘測調(diào)研，繪制草圖有很大的工作量，并且目前普遍缺少可視化的管理平臺。在編制設(shè)計階段，由于缺少信息化工具的支持，制圖以及編制階段面臨很大的工作量。尤其是在通信建設(shè)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)，會出現(xiàn)資源匱乏，路由不熟悉，參考物坐標(biāo)不明顯等問題，在設(shè)計交底以及配合驗收階段缺乏直觀性、可視化及整體性。

2 GIS系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式優(yōu)勢對比

GIS即地理信息系統(tǒng)，又稱地學(xué)信息系統(tǒng)，是一種管理地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將地理環(huán)境中的各項要素及地理空間的主要分布等進(jìn)行收集分析，并且利用計算機(jī)技術(shù)等將其建立為數(shù)據(jù)庫。奧維互動地圖是由北京元生華網(wǎng)公司開發(fā)的基于GoogleAPI、BaiduAPI、SogouAPI的跨平臺地圖瀏覽器，支持iOS(iPhone、iPad)、Android、Windows、WindowsPhone、Web 五大平臺。與傳統(tǒng)的踏勘選線流程相比，奧維地圖移動終端踏勘選線技術(shù)具備有如下優(yōu)勢：

(1）奧維地圖移動終端踏勘選線技術(shù)將現(xiàn)階段使用的googleearth地圖、百度地圖、搜狗地圖、opencycle等高線地圖等離線下載、野外導(dǎo)航、手機(jī)地圖位置分享、GPS記錄軌跡、AutoCAD上調(diào)線等不同軟件和設(shè)備的功能統(tǒng)一整合到奧維地圖界面下。

(2）奧維地圖移動終端踏勘選線過程中完全摒棄地形圖，不再需要在踏勘選線階段就大量購買管道沿線周邊大地理范圍的1：5萬、1：1萬等地形圖，既省去了購置無用地形圖的費(fèi)用，又避免了紙質(zhì)地形圖出現(xiàn)的老舊，購買周期長，更新地物不及時的缺點，完全利用奧維地圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行選線，在完成選線工作的同時也保證地形圖只在內(nèi)業(yè)階段使用，不進(jìn)入野外作業(yè)過程，防止國家測繪成果的泄密。

(3）奧維地圖移動終端踏勘選線技術(shù)省去了紙質(zhì)圖上作業(yè)和電子數(shù)據(jù)編輯之間繁瑣的數(shù)據(jù)矢量化工作，將外業(yè)工作與內(nèi)業(yè)工作全部落實在奧維地圖這一平臺之上，拋開了紙質(zhì)圖作業(yè)這一過程，大大簡化工作量，提高工作效率。

(4）奧維地圖中的遙感圖數(shù)據(jù)的時效性非常強(qiáng)，數(shù)據(jù)均為2005年以后的航天遙感數(shù)據(jù)，交通圖對道路情況的變化更新非常及時，這對踏勘人員在野外辨識地物、尋找線位、計劃踏勘路線都有非常大的幫助。

(5）奧維地圖軟件在移動終端上操作快捷簡便，所有現(xiàn)場的路由方案變更均可以在即時即地完成保存，地方有關(guān)部門給出的意見也可在與其結(jié)合過程中即時記錄，對路由的準(zhǔn)確性、合理性提供了保證，提高了選線工作的質(zhì)量。

(6）奧維地圖軟件可在多種硬件終端上使用，所需要的硬件設(shè)備僅僅是一款筆記本（僅用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理）和一臺平板電腦或者智能手機(jī)（野外踏勘選線用），這種電子終端攜帶和充電都非常方便，比起攜帶大量的圖紙要輕便的多，減輕了野外選線工作的負(fù)擔(dān)。

(7）奧維地圖移動終端踏勘選線技術(shù)具備記錄航跡功能，在野外行車期間可直接減少走錯路、走回頭路等情況，提高了踏勘效率，節(jié)省工期，降低人力、物力消耗。

3 GIS系統(tǒng)及在管線工程中的應(yīng)用

3.1 GIS在測繪工程中的運(yùn)用

(1）數(shù)據(jù)采集

GIS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式存在許多不同。它不再需要對測量目標(biāo)進(jìn)行實地測量，利用新技術(shù)對于目標(biāo)的地理信息進(jìn)行采集，在計算機(jī)內(nèi)建立一個關(guān)于地貌與地表物體信息的模型數(shù)據(jù)庫，在將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分類管理。通過這樣的手段，有兩點主要好處：

1）降低了對于人工的依賴，通過計算機(jī)可以更加高效的完成任務(wù)；

2）較少了外部因素的干擾，提高了測繪的精確性。但是GIS并不是獨(dú)立運(yùn)作的，它需要GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位配合，將衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)傳輸回系統(tǒng)內(nèi)部，進(jìn)行科學(xué)處理。并且在GIS平臺中，各個平臺之間不但自配產(chǎn)設(shè)備，且各個平臺傳感設(shè)備之間的數(shù)據(jù)可以互通，并且是一致的處理平臺上進(jìn)行處理，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)時代的優(yōu)越性。

(2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理

GIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理屬于預(yù)處理數(shù)據(jù)，處理方法是借助數(shù)據(jù)處理軟件。GIS的軟件可以識別各種類型的數(shù)字之間的聯(lián)系，并實現(xiàn)空間實體的連接。GIS數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，而最重要的是要確保數(shù)據(jù)拓?fù)湔_，在此基礎(chǔ)上才可以進(jìn)一步完成對其他向量數(shù)據(jù)與類向量數(shù)據(jù)的分析。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化中，測繪出現(xiàn)的交叉點會存在較小的錯位現(xiàn)象，準(zhǔn)確性難以保證。此外在測繪地圖上如果出現(xiàn)污點，其測繪結(jié)果的GIS在測繪工程中的運(yùn)用誤差性就更大了。而對于這種情況，GIS可以較好處理，這是基于其的污點自動處理功能，會自動排除干擾因素的影響。在最終由GIS將地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間模型，在有技術(shù)人員進(jìn)行分析模擬。

(3）數(shù)據(jù)精細(xì)測量

在進(jìn)行實際數(shù)據(jù)測量時，GIS使用電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)自動測繪，技術(shù)人員只需要對測繪系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置合理，讀數(shù)與操作誤差可以大致消除。對于測繪精度，主要依賴于衛(wèi)星定位技術(shù)精度，而目前已經(jīng)達(dá)到較高水平，對目前的精度要求可以忽略。并且，通過在測繪點之間設(shè)置回路，操作人員設(shè)置檢測的標(biāo)準(zhǔn)，通過對比分析，在各個測試點回饋的差異數(shù)據(jù)中進(jìn)行進(jìn)一步檢測，這使得GIS在現(xiàn)代測繪中得到廣泛運(yùn)用，測繪成果有很強(qiáng)的可信度。

(4）空間系統(tǒng)分析

GIS系統(tǒng)最為核心的功能是對于空間三維物體的分析。由于環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，以及涵蓋多種知識、多種學(xué)科，它具有很強(qiáng)的技術(shù)性，需要專業(yè)的操作。其中，需要考慮的學(xué)科知識有工程的經(jīng)濟(jì)性、物理力學(xué)性能考量以及最關(guān)鍵的地理學(xué)知識?？臻g分析是在遠(yuǎn)程測繪數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)整合，建立合理完善的空間模型。建立地理信息系統(tǒng)的模型比較復(fù)雜，但由于其操作簡單，智能化，得到了廣泛的認(rèn)可，GIS在工程中的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，為工程測繪打下了堅實的基礎(chǔ)。

(5）立體式輸出

GIS的一大優(yōu)勢還體現(xiàn)在立體式輸出，這就解決了傳統(tǒng)測繪工具在對于測繪工作后期的數(shù)據(jù)處理的巨大工程上。首先GIS有性能良好的內(nèi)置軟件，可以繪制較為精準(zhǔn)的前期圖紙，而這一步在傳統(tǒng)的繪制工程中往往耗時巨大，并且由于數(shù)據(jù)對比復(fù)核的問題，時間消耗還會成倍增加。并且，利用GIS還可以外接一些功能強(qiáng)大的繪制軟件，便捷高效的繪制高質(zhì)量的精準(zhǔn)圖紙。除了輸出較為直觀精確的三維地理信息圖樣之外，還可以利用一些其他外接軟件，將輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的處理，在測繪圖外還可以生成詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析報告，對于測繪工作的后期復(fù)核分析帶來較大的便利。

(6）虛擬現(xiàn)實應(yīng)急應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在3D繪制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行更進(jìn)一步提高的新型測繪技術(shù)，在原有直觀視覺模擬的基礎(chǔ)上，還加入了對于其他感官體驗的模擬，如觸覺、聽覺等，將測繪點的事物狀態(tài)直接傳輸?shù)竭h(yuǎn)程處理平臺。這樣數(shù)據(jù)模擬的形式為許多領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的方向，通過身臨其境的感官體驗可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程方案的規(guī)劃，例如對于一些自然災(zāi)害的救援計劃設(shè)置，在以往只能依靠地形圖、災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行方案制定時，難免出現(xiàn)一些未曾考慮的突發(fā)狀況，但是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以更加高效的為人群規(guī)劃逃生路線，實時觀察災(zāi)害的變化情況，這對于未來的搶險救災(zāi)有著極為重要的意義。此外虛擬現(xiàn)實應(yīng)急技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合還可以應(yīng)用于災(zāi)害模擬、科教等等領(lǐng)域，實現(xiàn)更多實用的功能，比如通過集成室內(nèi)定位系統(tǒng)以及GPS，在虛擬現(xiàn)實場景中將救援人員的定位信息顯示出來，以便制定救援方案指揮救援；同時通過物聯(lián)網(wǎng)中的視頻監(jiān)控，查看實時視頻信息，以深入了解現(xiàn)場的實際情況。

(7）測繪應(yīng)急數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)

測繪應(yīng)急數(shù)據(jù)，在得到原始數(shù)據(jù)后，可以通過一系列加工處理軟件，在緊急情況下得出較為準(zhǔn)確的三維測繪圖像。在這一技術(shù)中，遙感影像一體化測圖系統(tǒng)以攝影測量技術(shù)為基礎(chǔ)，從序列影像中，確定物體的大小、形狀、位置信息，從而加快對全景圖的處理，加速對關(guān)鍵地物的數(shù)據(jù)提取，最后通過符號化、地圖整飾以及注記得到應(yīng)急圖件。

3.2 GIS在長途干線光纜項目中的應(yīng)用

(1)初步勘測中GIS的應(yīng)用

以往勘測光纜路由所用到的工具一般都是一些標(biāo)桿、大旗、測繩、地圖、測距儀、記錄本等，不管是在財力、物力還是人力上，都耗費(fèi)巨大。而且一旦遇上水草地、沖溝及沙漠等復(fù)雜地形，這些工具極易丟失。而如果在路由勘測時使用GIS，則上述問題就不會存在，一兩個人就可以完成勘測工作。如果初測是在野外進(jìn)行時，首先對地形地貌和地質(zhì)條件等情況進(jìn)行分析，在地圖上初步選定路由。其次，從路由上選取一些直線段點，并將其經(jīng)緯度輸進(jìn)GIS，且編進(jìn)同一條路由。最后，對這些點使用GIS導(dǎo)航功能進(jìn)行實地勘測，對地質(zhì)情況做好相應(yīng)的記錄，對標(biāo)樁號、航點進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。其具體操作方法就是在開始的的地方，將GIS打開，同時將航跡記錄功能開啟，保持GIS的開機(jī)記錄狀態(tài)貫穿于整個勘查過程。在勘查時可將碰到的障礙點或過程難點標(biāo)記為標(biāo)記點，并將路由長度、路由轉(zhuǎn)角角度等相關(guān)數(shù)據(jù)記錄到GIS中。完成勘查工作后，路由由此形成了。各個標(biāo)記點的距離可以通過此軟件很方便的測出來。同時還可將每個點的經(jīng)緯度和路由的總體距離很容易測量出來。

(2)使用GIS進(jìn)行詳細(xì)勘查

使用GIS進(jìn)行詳細(xì)勘查，不但能夠?qū)β酚蛇M(jìn)行記錄和測量距離，而且還可以對障礙點的位置進(jìn)行精確測量，從而更好的指導(dǎo)工作。長途光纜最主要的特點就是地形十分復(fù)雜，尤其是有許多山區(qū)彎道，若對路由轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量時使用傳統(tǒng)的勘查方法，費(fèi)時又費(fèi)力，其艱難自不用說。而在勘查時使用GPS后就不需要在進(jìn)行路由轉(zhuǎn)角的測量了，而在后期制圖時便可在圖上進(jìn)行路由轉(zhuǎn)角的測量，此方法不但準(zhǔn)確而且方便。

(3)使用GIS繪制施工圖

施工圖的繪制中GIS的應(yīng)用以往在繪制施工圖時，首先設(shè)計人員一般都是依據(jù)詳細(xì)勘查時繪制的工作草圖，然后通過使用AUTOCAD軟件，最后把光纜路由繪制出來。而通過GIS的使用，在施工圖的繪制中則不需要這個步驟，它是按照一定的比例把GIS記錄的路由直接導(dǎo)入AUTOCAD軟件，然后在設(shè)計原則的指導(dǎo)下，稍微修飾一下路由，最后，一張精確的路由圖就繪制出來了。由此可以看出，使用GIS繪制施工圖，使得工作效率大幅度提升了。

3.3 GIS在光纜線路維護(hù)中的應(yīng)用

(1)光纜線路信息數(shù)據(jù)庫的建立

光纜線路竣工若干年后，由于地貌地形改變或者其他因素，尋找光纜線路及標(biāo)石存在巨大的難度。因此護(hù)線人員在光纜線路完工初期就可使用GIS系統(tǒng)對光纜線路和標(biāo)石進(jìn)行信息采集，再通過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理后，使之合并到相關(guān)的地圖上，便成為了光纜路由圖，并且可以進(jìn)行導(dǎo)航。日后若是需要查找某段標(biāo)石，便可使用GIS系統(tǒng)快速找到。如果標(biāo)石丟失，在路由探測儀的配合使用下也能對光纜線路進(jìn)行精確查找。

(2)故障點的計算和查找

以往都是使用OTDR來對光纜線路發(fā)生故障的故障點進(jìn)行查找，但OTDR有一個不足，它對故障點的位置的確定并不是其空間位置即經(jīng)緯度的確定，而是計算測量點與故障點沿光纜纖芯的距離。在一定程度上這給維護(hù)搶修帶來較大的難度。而如果在對光纜線路進(jìn)行維護(hù)管理的GIS系統(tǒng)中加入OTDR確定的故障點的信息，就能夠?qū)⒐收宵c的地理位置及其周邊情況準(zhǔn)確快速的確定，從而為故障點的維修帶來方便，贏得了搶修時間，不但使得光纜維護(hù)水平和工作效率獲得了提高，而且使通信損失大大降低。

3.4 GIS在架空電力、通信線路項目中的應(yīng)用

在架空電力、通信線路的路徑選擇過程中，傳統(tǒng)方式主要基于地形圖進(jìn)行。但是，普通地形圖通常缺乏時效性?，F(xiàn)代城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村的發(fā)展日新月異，經(jīng)常會出現(xiàn)圖紙信息與實地情況不符的現(xiàn)象。因此，圖上選線后需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場調(diào)查工作。而現(xiàn)場調(diào)查勞動強(qiáng)度大，效率低，工期長，且無法直觀的對路徑方案進(jìn)行多方位的考察。通過將GIS應(yīng)用在路徑選擇過程中，通過高清晰衛(wèi)星影像，同時借助數(shù)字高程模型進(jìn)行地形分析，再結(jié)合現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)查了解，實現(xiàn)路徑方案的優(yōu)化設(shè)計，提高電力線路抗御災(zāi)害的能力。另外，應(yīng)用GIS選擇和優(yōu)化路徑時還可以同時開展各類專題研究，提高方案確定過程的完整性和針對性，減少民房跨越、森林砍伐、公用設(shè)施遷移等政策處理問題，提升在經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等方面的綜合效益。

4 結(jié)束語

在架空電力線路的路徑選擇過程中把GIS應(yīng)用和層次分析法結(jié)合起來，能夠更好的優(yōu)化路徑方案，進(jìn)而為多方案的對比和取舍提供客觀依據(jù)。采用層次分析法，能夠?qū)Ω髀窂椒桨高M(jìn)行定量分析，優(yōu)化路徑方案。層次分析法是一種把定性分析與定量分析相結(jié)合的分析方式，不僅能夠主動響應(yīng)設(shè)計人員在路徑選擇中的主觀因素，同時還能對客觀存在的外界因素進(jìn)行分析處理。把層次分析法應(yīng)用在實際設(shè)計中，首先需要把衛(wèi)星影像與數(shù)字地理模型有效結(jié)合起來，得出多個備選方案；其次羅列出路徑方案評價的主要影響因素，包括路徑長度、曲折系數(shù)、交通情況、重要交叉穿越等；再在對比分析前選擇必要的影響因素，對于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中缺失的因素，則需要進(jìn)行詳細(xì)深入的現(xiàn)場調(diào)查，將實地調(diào)查結(jié)果和數(shù)據(jù)錄入至分析系統(tǒng)以進(jìn)一步處理。