管線地理實體編碼體系與組織管理模式探索

周 靜 嚴建國 鄧曉紅

(南京市城市地下管線數(shù)字化管理中心, 江蘇 南京 210000)

0 引言

地下管線作為市政基礎設施,是城市智慧管理和安全運行的關鍵。為全面摸清地下管線的現(xiàn)狀,國內(nèi)很多城市通過開展管線普查、管線數(shù)據(jù)庫建設、管線信息系統(tǒng)研發(fā)，建立了各具特色的管線信息化管理模式,實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的綜合管理與應用。然而,隨著智慧城市的建設,對各類地理信息資源的空間特征、屬性特征與組織管理體系要求逐步提高,為滿足各類管理需求,地理實體數(shù)據(jù)成為新型測繪產(chǎn)品的主要代表。

地理實體是獨立存在,并可唯一性標識的自然或人工地物目標和對象[1],也是政府管理的基礎單元和基礎內(nèi)容[2],是多源數(shù)據(jù)融合的基本單位[3]。2009年,國家基礎地理信息中心基于地理信息公共服務平臺的需求,設計了基于圖元的實體數(shù)據(jù)模型。為落實相關要求,各省市陸續(xù)開展基礎地理信息實體化的相關研究和建設工作。然而,在當前研究和應用領域,地理實體的構建基本圍繞道路、河流、房屋、院落等基礎地理實體開展[4-5],對于城市地下管線鮮有涉及,區(qū)別于其他基礎地理信息,地下管線數(shù)據(jù)具有特殊的空間結構特征和屬性組織關系,其表達與應用體系相對薄弱,尤其是在管理領域,管線數(shù)據(jù)長期面臨多源異構、共享困難等問題,其分類體系、編碼方式難以統(tǒng)一,不同單位生產(chǎn)的管線數(shù)據(jù)更新管理模式相對獨立,也不利于數(shù)據(jù)的輔助分析和綜合應用。

1 管線地理實體與編碼體系

1.1 管線地理實體定義、層次劃分與表達

按照地理實體分類原則,地理實體可分為基礎地理實體和擴展地理實體[6],基礎地理實體主要是指對現(xiàn)實世界實體對象的抽象,擴展地理實體一般指行業(yè)性、專業(yè)性的地理信息經(jīng)實體化形成的地理實體[7-8]。由于管線數(shù)據(jù)屬性信息和空間拓撲結構的特殊性,本文引入基礎地理實體和擴展地理實體相結合的方式對其進行定義和表達。管線地理實體是指敷設于地下、出露于地表和架空,用于傳送能源、信息和排泄廢物等的管道(溝、廊)、線纜等及其附屬設施,包括管點地理實體和管段地理實體(圖1)。管點地理實體是指由管線的附屬設施、特征點組成的點狀地理實體,具有一定的運營管理和空間輔助意義,包括管線的設施、設備、配件與輔助特征,其中,輔助特征點僅用于構建連續(xù)的管線拓撲網(wǎng)絡,不存在實體對象,在本文使用擴展地理實體對其進行抽象表達,因此,在管點地理實體中,設施實體、設備實體、配件實體為基礎地理實體,輔助實體為擴展地理實體。

圖1 管線地理實體構建層次結構圖

管段地理實體是指由管點基本地理實體作為起止點構成的連續(xù)管段,包括供電管段、雨水管段、天然氣管段等。

地理實體數(shù)據(jù)的表達由點、線、面圖元組成,為對管線地理實體進行實體化表達(圖2),李先波提出了基于圖元的地理對象實體化規(guī)則[9];李元復等提出了基于交叉路口綜合匹配度的城市道路實體化構建方法[10]。根據(jù)管線數(shù)據(jù)特征,管點地理實體的實體化按照要素分類,對具有明確空間位置的附屬設施與特征點抽象為點圖元進行表達;管線地理實體的構建原則是:(1)由管點基本地理實體作為起止點相連的連續(xù)性線段為一個獨立的管段地理實體;(2)因擴展地理實體分割而形成的線段為管段地理實體的圖元;(3)管段地理實體可由多個圖元組成,兩者是一對多的關系。

圖2 管段實體化示意圖

1.2 管線地理實體分類與編碼體系

地理實體數(shù)據(jù)分類是實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與共享的基礎,當前,涉及管線數(shù)據(jù)分類的標準較多,尚未形成統(tǒng)一的原則和標準[11],為兼顧管線信息共享需求,本文基于《管線要素分類代碼與符號表達》[12]與《管線數(shù)據(jù)標準》[13],按照功能、特征、實體的原則,對管線地理實體的類別進行編碼設計。

管線地理實體類別代碼為層次碼結構,由四層、六位阿拉伯數(shù)字組成,見圖3。

圖3 管線地理實體分類編碼規(guī)則

本文提出的管線功能代碼為1位代碼,主要依據(jù)管線地理實體的大類進行劃分,例如電力管線編碼為1,信息與通訊管線編碼為2。

功能主特征碼是依據(jù)各類管線地理實體所傳輸?shù)慕橘|(zhì)和功能主特征進行分類,為2位代碼,例如,電力管線地理實體的功能主特征碼見表1。

表1 電力管線功能主特征代碼表

實體類代碼依照管線地理實體對象分類進行編碼設計,所有的管線實體類分為管段、設備、設施、配件、輔助等,如電力類供電管線實體類分類代碼見表2。

表2 管線實體類代碼表

管線實體子類代碼是指管點地理實體和管段地理實體的實體對象的編碼,例如,供電管線地理實體的類別代碼如表3所示。

表3 管線實體分類編碼示例表

1.3 管點實體編碼規(guī)則

地理實體在被人類認識和表達的過程中,是由幾何形態(tài)、語義特征和屬性信息共同描述的[14]。在對于地理實體的數(shù)字化表達中,編碼是對象化的基礎認證,結合管線地理實體的特征和結構,本文融合空間信息、語義信息和屬性信息進行實體編碼規(guī)則設計。管點地理實體編碼規(guī)則是以行政區(qū)劃、分幅格網(wǎng)作為基本空間單元,再賦予實體分類編碼、特征碼和順序碼,確保編碼在絕對空間上的唯一性。具體編碼規(guī)則見圖4。

圖4 管點地理實體編碼規(guī)則

該編碼規(guī)則包括行政區(qū)劃6位代碼,地理格網(wǎng)(1∶500地形圖分幅格網(wǎng)編號)9位編碼,管點實體分類6位編碼,順序碼3位,校驗碼1位。通過該編碼規(guī)則可以較好地實現(xiàn)與當前管線數(shù)據(jù)的映射,降低地理實體數(shù)據(jù)處理的難度,也能夠?qū)崿F(xiàn)對實體對象較為全面的特征表達。若管點地理實體因廢棄被拆除,則編碼不再被其他管點地理實體占用,新增管點地理實體隨已有編碼遞增。

1.4 管段實體編碼規(guī)則

根據(jù)管線地理實體的定義,管段地理實體與管點地理實體具有一定的拓撲關聯(lián)關系,不同類型的管點地理實體將連續(xù)的管段分解為圖元的概念進行表達,因此，需要通過編碼將不同圖元的管段建立連接關系,實現(xiàn)對管段地理實體的完整表達。

管段地理實體在空間上以行政區(qū)劃、分幅格網(wǎng)作為基本單元,再通過實體分類編碼、順序碼、圖元順序碼、特征碼和校驗碼保證編碼的唯一性，編碼規(guī)則如圖5所示。

圖5 管段地理實體編碼規(guī)則

該編碼規(guī)則包括行政區(qū)劃6位代碼,地理格網(wǎng)(1∶500地形圖分幅格網(wǎng)編號)9位編碼,管點實體分類6位編碼,圖元順序碼2位,順序碼3位,校驗碼1位。若管段地理實體分布在兩個空間單元內(nèi),則以其線段中點所在位置為準。

2 管線地理實體屬性結構體系

2.1 管線地理實體基本屬性結構

基本屬性結構(表4)用來表達管線地理實體的名稱、類別、產(chǎn)生時間、消亡時間、使用狀態(tài)、權屬、空間位置等,所有管點地理實體與管段地理實體的基本屬性結構一致,能夠滿足相關數(shù)據(jù)管理、更新的需要,同時能夠表達管線地理實體的時空狀態(tài)。

表4 管線地理實體基本屬性結構表

2.2 管線地理實體擴展屬性結構

不同類型的管線地理實體具備特殊的功能要求,所以通過擴展屬性結構來描述不同地理實體的特征差異與專業(yè)化屬性,例如電力管線地理實體包括電壓值、總孔數(shù)、占用孔數(shù)、線纜條數(shù)等擴展屬性,給水管線地理實體包括防腐類型、保護材質(zhì)等擴展屬性,這在一定程度上改變了傳統(tǒng)的以統(tǒng)一屬性結構進行綜合管線信息管理的模式,建立了綜合管線數(shù)據(jù)、專業(yè)管線數(shù)據(jù)之間結構統(tǒng)一的數(shù)據(jù)組織基礎,運用地理實體的概念建立了不同類型的管線信息交互和映射通道。

3 管線地理實體數(shù)據(jù)管理模式與應用驗證

3.1 管線地理實體數(shù)據(jù)管理模式

基于新型基礎測繪的相關要求,地理實體數(shù)據(jù)將改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理方式,建立不同專題、不同類型管線數(shù)據(jù)的邏輯關聯(lián)關系[15],從而解決多源數(shù)據(jù)的共享難題。地理實體數(shù)據(jù)從采集、生產(chǎn)、管理、更新到應用的模式都將與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模式有所區(qū)別,傳統(tǒng)的管線數(shù)據(jù)組織是通過測繪數(shù)據(jù)直接分層管理、獨立存儲的方式開展的,無法實現(xiàn)各類專業(yè)信息、空間信息、屬性信息、關系型信息的統(tǒng)一管理。而基于地理實體的管線數(shù)據(jù)組織管理模式是以現(xiàn)有的管線測繪數(shù)據(jù)為基礎,提取出基礎空間信息和屬性信息,從專業(yè)管線數(shù)據(jù)中提取出專業(yè)運營信息,同時根據(jù)管理特征提取出管線地理實體之間的關系信息,通過唯一編碼將各類信息融合管理,實現(xiàn)索引構建,不同信息可獨立存儲,兼顧分布式存儲和大數(shù)據(jù)檢索的需求,使邏輯模型和現(xiàn)實地理信息對象更加統(tǒng)一。在數(shù)據(jù)更新方面,由于管線地理實體充分融合了各管線專業(yè)特征,管線權屬單位可依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準完成本專業(yè)管線地理實體的采集和更新,然后統(tǒng)一更新至管線地理實體數(shù)據(jù)庫,而管線地理實體數(shù)據(jù)庫發(fā)生變化,也可通過唯一編碼實現(xiàn)專業(yè)管線數(shù)據(jù)的協(xié)同更新,改變當前綜合管線與專業(yè)管線數(shù)據(jù)異構并行的管理方式,實現(xiàn)管線一張圖的共同維護和利用。管線地理實體數(shù)據(jù)管理模式如圖6所示。

圖6 管線地理實體數(shù)據(jù)管理模式

基于統(tǒng)一編碼的構建,實現(xiàn)了管線地理實體與基礎地理信息數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、專題應用數(shù)據(jù)等相關數(shù)據(jù)的信息互聯(lián),能夠便利地進行各類屬性信息的掛接和調(diào)用,通過“一碼關聯(lián)”形成了滿足多元化應用需求的數(shù)據(jù)組織模型。

3.2 管線地理實體應用場景

面向管線管理應用需求,以地理實體數(shù)據(jù)為基礎,能夠?qū)崿F(xiàn)各類相關社會管理要素、專業(yè)要素的關聯(lián),能夠為綜合管理與應用建立一個全面精準的管線基礎信息資源庫,同時也為管線大數(shù)據(jù)分析挖掘提供條件。通過地理實體編碼建立各類管線信息和基礎地理信息統(tǒng)一管理的平臺系統(tǒng),能夠滿足各類復雜分析應用的場景需求,形成多元化的服務產(chǎn)品,滿足社會公眾、政府管理、行業(yè)管理的需要。

4 結束語

本文基于新型測繪數(shù)據(jù)產(chǎn)品要求,立足于當前管線信息管理的難題和問題,提出顧及結構特征的管線地理實體定義,通過對管點地理實體和管線地理實體的編碼體系和屬性結構進行研究,形成較為完整的管線地理實體數(shù)據(jù)模型,并在突破傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模式的基礎上,形成以管線地理實體為核心的新型管線信息管理模式,逐步推進多源管線信息的共享與融合,形成統(tǒng)一的管線地理實體服務和產(chǎn)品,為智慧城市建設、智慧管網(wǎng)運營提供精準的信息支撐。