基于GIS技術(shù)的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉 陽

（太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

城市建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，排水管網(wǎng)系統(tǒng)也越來越龐大，圖文資料越來越多。由于城市排水管網(wǎng)埋設(shè)于地下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且信息量大，導(dǎo)致其管理存在數(shù)據(jù)分散、統(tǒng)籌規(guī)劃不力以及檢修不到位等問題，故實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)的信息化管理已成為一項(xiàng)重要工作，利用先進(jìn)的科學(xué)信息技術(shù)進(jìn)行城市排水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)資源管理、查詢統(tǒng)計(jì)以及空間分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理已成為必然趨勢(shì)。GIS是一個(gè)集地理數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、計(jì)算、顯示、分析和描述為一體的綜合技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市排水管網(wǎng)的資源管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)、查詢統(tǒng)計(jì)、維護(hù)更新、分析優(yōu)化、信息共享等功能，滿足了城市排水管網(wǎng)信息化建設(shè)的需求，為推進(jìn)城市管理現(xiàn)代化發(fā)展提供了科學(xué)指導(dǎo)，具有重要意義。

1 GIS技術(shù)概述

GIS技術(shù)即地理信息系統(tǒng)，它以地理空間為基礎(chǔ)，通過地理模型分析，從而獲取、處理、管理和分析地理空間數(shù)據(jù)，是一個(gè)用于地理研究和地理決策的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，是國家信息資源的重要組成部分。其軟件構(gòu)成圖如圖1所示。

近年來GIS技術(shù)在各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用。GIS可為處理防災(zāi)減災(zāi)、城市環(huán)境資源等方面問題提供重要依據(jù)，可以將空間信息數(shù)據(jù)集成起來，層層分類，完整地表達(dá)客觀地理世界。利用GIS技術(shù)，人類可以便捷查詢?nèi)虻乩砜臻g數(shù)據(jù)以及對(duì)海量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，城市排水管網(wǎng)附屬資源信息（排水管道、雨水與污水井、污水管道等）分布于不同的地理空間位置，通過GIS技術(shù)可以有效顯示這些附屬資源數(shù)據(jù)，并優(yōu)化其網(wǎng)絡(luò)布局，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)以及合理配置資源等，從而為城市排水管網(wǎng)科學(xué)管理提供有效支持[1]。

2 GIS技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

GIS技術(shù)將地圖獨(dú)特的可視化與地理分析等一般數(shù)據(jù)庫操作集成在一起，相比于其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面，①強(qiáng)大的可視化表達(dá)手段：GIS可視化是以圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理信息為基礎(chǔ)，以屏幕地圖的形式直觀、動(dòng)態(tài)地顯示空間信息的一種方法和技術(shù)，形象地反映了地理要素的特征；②地理過程的演化模擬：GIS技術(shù)具有模擬以及預(yù)測(cè)地理復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過程的能力；③空間決策支持：GIS技術(shù)可以通過對(duì)空間數(shù)據(jù)的查詢、模擬與分析，為決策者掌握復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)提供依據(jù)；④快速的空間定位搜索：GIS技術(shù)可以對(duì)整合的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)所需要的資源數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速空間定位查詢。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面①開放性：具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性與連接性，GIS技術(shù)支持多種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及各類操作系統(tǒng)平臺(tái)，兼容性較強(qiáng)；②先進(jìn)性：GIS系統(tǒng)采用了先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及地理信息處理技術(shù)，并不斷更新，可以遠(yuǎn)程查詢數(shù)據(jù)，直接打印地圖與數(shù)據(jù)，且地圖精度較高；③發(fā)展性：為考慮GIS系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展、擴(kuò)展其性能以及與其他應(yīng)用程序系統(tǒng)集成的方便性，在應(yīng)用程序開發(fā)過程中，開發(fā)工具通常使用xml等[2-3]。

3 GIS在城市排水管網(wǎng)中的重要作用

在城市排水管網(wǎng)中GIS技術(shù)的主要作用是對(duì)排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，使排水管網(wǎng)水力模型可視化表達(dá)，GIS信息化排水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng)，GIS技術(shù)的應(yīng)用將城市排水管網(wǎng)空間地理位置與屬性有效結(jié)合，并分類存儲(chǔ)與管理，使地下排水網(wǎng)被完整表達(dá)出來，排水管網(wǎng)地理信息管理系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要準(zhǔn)確顯示輸出，滿足了相關(guān)部門對(duì)排水管網(wǎng)查詢統(tǒng)計(jì)的需要[4]。GIS在城市排水管網(wǎng)中的重要作用主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）排水管網(wǎng)GIS技術(shù)的充分利用：GIS技術(shù)以其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)集成與分析能力，建立了管網(wǎng)分析、運(yùn)行管理與信息數(shù)據(jù)共享為一體的城市供排水系統(tǒng)，該“排水系統(tǒng)圖”清楚地顯示了排水設(shè)施的埋設(shè)深度、連接方式等信息，對(duì)排水管網(wǎng)的日常管護(hù)有重要意義[5]。

（2）GIS水力模型在排水管網(wǎng)中的作用：水力模型是從一系列水文水力學(xué)理論公式中抽象出來的一組數(shù)學(xué)模型，如管網(wǎng)物理屬性數(shù)據(jù)等，該模型能夠模擬污水管網(wǎng)在干燥和雨天的實(shí)際流量，并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題，對(duì)排水管網(wǎng)優(yōu)化起著重要作用，通過建立水力模型可以實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析整理，解決排水系統(tǒng)存在的問題[6]。

（3）GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理在排水管網(wǎng)中的作用：在排水管網(wǎng)中工作人員利用GIS技術(shù)可以對(duì)管道數(shù)據(jù)庫進(jìn)行精確建設(shè)以及地形描繪，快速完成更新數(shù)據(jù)的任務(wù)，還可以實(shí)現(xiàn)格式的轉(zhuǎn)換，例如當(dāng)工作人員需要將排水管線的CAD立體圖轉(zhuǎn)化為GIS可以處理的信息模式時(shí)，便可以用GIS數(shù)據(jù)管理將CAD格式轉(zhuǎn)換為地理信息，反之亦然，GIS數(shù)據(jù)管理可以將格式隨時(shí)隨地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，充分發(fā)揮出數(shù)據(jù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)資源共享，在一定程度上提高了城市排水管網(wǎng)的管理效率[7]。

（4）GIS系統(tǒng)用戶管理在排水管網(wǎng)中的應(yīng)用：普通用戶分配到各區(qū)域進(jìn)行排水管網(wǎng)的故障維修，負(fù)責(zé)管理該區(qū)域，對(duì)故障進(jìn)行分析并上傳到排水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，其余維修人員可以通過GIS的信息反饋了解哪個(gè)區(qū)域出現(xiàn)故障以及故障的難度。一旦問題難以解決，所有的維修人員都能以最快的速度到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行協(xié)同維護(hù)，以達(dá)到信息傳輸?shù)男Ч?/p>

4 GIS在城市排水管網(wǎng)中的應(yīng)用

4.1 基于GIS技術(shù)優(yōu)化城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的工作方式中，城市排水管網(wǎng)信息內(nèi)容基本都是按照工程圖紙圖表敘述，如設(shè)計(jì)方案等，都是人工管理，無法進(jìn)行管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與城市地質(zhì)圖相一致的動(dòng)態(tài)管理。在這種情況下，就要利用GIS技術(shù)對(duì)城市排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)見圖2，在城市排水管網(wǎng)地理系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢編輯、空間分析等功能，C／S模式滿足了GIS數(shù)據(jù)復(fù)雜操作的需求，因此，我們以數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為管理中心，采用C／S與B／S復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用C/S模式實(shí)現(xiàn)了排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入的編輯功能，且所有C/S模式的功能在B/S模式中都能實(shí)現(xiàn)的，這樣既完成了數(shù)據(jù)備份功能，保證了數(shù)據(jù)安全，又兼顧網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的負(fù)載平衡，保證系統(tǒng)的可用性和開放性[8]。

4.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)共享平臺(tái)

GIS排水管網(wǎng)具有完善的附件數(shù)據(jù)，且可以對(duì)管道數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入與編輯，通過利用GIS技術(shù)建立全面準(zhǔn)確的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫（如圖3所示），工作人員可以便捷的獲取自己所需要的數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改與更新，GIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與通用CAD數(shù)據(jù)或其他測(cè)量數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以此來實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)共享，資源共享即各單位建立其GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將其提交至綜合地理信息系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)單位聯(lián)合更新，統(tǒng)一建檔供專業(yè)管道單位以及排水管網(wǎng)施工單位免費(fèi)使用；信息共享即專業(yè)管道單位以及排水管網(wǎng)施工單位及時(shí)反饋施工信息，以便相關(guān)部門及時(shí)更新數(shù)據(jù)信息，使專業(yè)排水管網(wǎng)施工單位能夠進(jìn)行管道維護(hù)和預(yù)警。GIS排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理主要有數(shù)據(jù)編輯、合成與轉(zhuǎn)換，最后形成空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫[9-10]。

4.3 三維觀測(cè)功能

利用GIS三維觀測(cè)功能構(gòu)建地下排水管網(wǎng)管線立體圖，可以清楚了解各管道的空間關(guān)系及其位置，實(shí)現(xiàn)了地下排水管網(wǎng)的多維可視化顯示系統(tǒng)，繪制了地下排水管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)圖，還可以對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)注與模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管網(wǎng)位置、尺寸等信息收集，施工單位可以從任何角度對(duì)整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行觀察和分析，也可以通過系統(tǒng)生成的管網(wǎng)斷面圖對(duì)其進(jìn)行分析，查詢管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)及兩者之間的關(guān)系，更好地進(jìn)行綜合管理，城市排水系統(tǒng)的水位、水質(zhì)、流向以及流速數(shù)據(jù)的三維觀測(cè)展示圖[11]，見圖4所示。

在水位數(shù)據(jù)方面，結(jié)合排水管網(wǎng)對(duì)象的直徑與深度等相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，可以同步并直觀地獲得水位數(shù)據(jù)和充水度的動(dòng)態(tài)變化過程。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生積水或被淹沒時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)以高亮形式被突出顯示，以形成溢流節(jié)點(diǎn)和滿管流管道的三維空間分布圖；在水質(zhì)數(shù)據(jù)方面，可以快速、直觀地獲得不同管網(wǎng)對(duì)象的水質(zhì)差異，結(jié)合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)信息，當(dāng)管網(wǎng)水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)在三維場(chǎng)景中突出管網(wǎng)對(duì)象，并進(jìn)行顯示，以形成滿足各水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)與管道三維空間分布圖。此外，GIS排水管網(wǎng)系統(tǒng)還可以模擬不同降雨事件下積水節(jié)點(diǎn)等在三維空間的分布情況，為市政的內(nèi)澇與溢流治理提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐[12]。

4.4 基于GIS的城市排水管網(wǎng)數(shù)字化管理

為構(gòu)建以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)，首先要建立管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)連接起來，且空間數(shù)據(jù)庫的規(guī)模與處理能力應(yīng)隨著系統(tǒng)發(fā)展及時(shí)更新，在圖5構(gòu)建的城市排水管網(wǎng)管理系統(tǒng)中，城市排水管網(wǎng)相關(guān)空間數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫中，且這些數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)傳輸通道轉(zhuǎn)移到目標(biāo)程序進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，信息可以按屬性分類存儲(chǔ)，不僅方便管理與操作，而且不受系統(tǒng)指令限制。并在原有的基礎(chǔ)上優(yōu)化了空間數(shù)據(jù)庫的管理模式和結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)管理更加智能化，能隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行更新[13-14]。

5 結(jié)語

GIS技術(shù)在城市排水管網(wǎng)中的應(yīng)用解決了管網(wǎng)運(yùn)行中常見的問題，其強(qiáng)大的空間分析能力為管網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)的輔助分析手段，本文從GIS技術(shù)優(yōu)化城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建數(shù)據(jù)共享平臺(tái)、三維觀測(cè)功能、基于GIS的城市排水管網(wǎng)數(shù)字化管理4個(gè)方面入手分析了GIS技術(shù)在在城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期促進(jìn)城市排水管網(wǎng)的運(yùn)行效率。