基于GIS的城市地下综合管网信息系统设计及实现

 摘要：地下综合管网是城市的生命线。本文在研究城市地下综合管网关键技术的基础上，重点论述了地下综合管网信息系统的总体结构设计，功能模块设计等内容。
 关键字：地下管网   系统设计   空间分析

Abstract: Underground pipeline is the lifeline of city. This paper studies the essential technology of the city underground pipeline, discussed the structural design, function design of the underground pipeline information system.

1. 综述
 城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是保证城市生产、生活正常运转的重要基础条件，是城市的“生命线”。
 由于管、线、网具有量大、隐蔽、更新快及安全性要求高等特点，传统的效率低下的人工管理和纸介质的存储方式已无法满足现代化的管理要求。由于归属不一，管线单位各自施工，导致施工现场管理混乱、无序。因此，科学、准确、完整地描述和可视化地再现城市地下管网信息资料，在城市规划发展中成为一个突出与急需解决的问题。
 要想建立完整、准确的城市地下基础设施信息库，为城市规划、建设和管理以及领导决策快速、有效的提供地下管网信息，必须建立城市地下综合管网信息系统。
 近年来软件技术、网络技术、数据库技术、虚拟现实技术与地理信息系统(GIS)技术的发展以及在各领域中的应用，为城市基础设施的数字化管理提供了基础，也为城市地下管网的信息化管理提供了技术基础。因此，用计算机技术实现地下综合管网管理，步入规范化、自动化、科学化的轨道，不仅是迫切的需要，而且也是切实可行的。
 城市地下管网传统管理方式急需解决以下难题：
 (1) 城市地下管网资料以图纸、图表等纸介质记录保存和管理，资料不全、查询不便、更新速度慢，造成信息与现状不符，严重影响城市建设中规划、管理、施工和服务的质量和水平，在建设施工中，经常发生挖断或损坏地下管线的严重事故，经济损失严重。
 (2) 地下管网信息分类存放，很难以直观的形式表达管网的综合状况，不能满足规划、管理和施工的需求，难以对现有的信息进行深层次的综合统计和分析，不能给城市建设的决策部门提供全面的决策信息。
 (3) 现有的地下管网信息系统针对某一类或某几类管线来设计，不同的行业（如供水、供气、供电、电信、有线电视等）以及同一行业的不同部门之间，使用自己的标准和平台进行开发，带来数据无法共享的问题，通用性不够，难以全盘规划、综合利用地下空间资源。
 因此，设计一种地下综合管网信息系统的数据模型，对提高软件的通用性能和开发投资具有很好的社会经济效益。
 本文是研究项目“昆山市陆家镇地下综合管网信息系统”的设计与实现。该系统可对给水、排水、燃气、热力、电力、路灯、通信、交通信号、有线电视、工业管线进行综合管理。对于具有地铁等其他管网的城市，也可进行扩展研究。
2. 关键技术研究
 2.1. 地下综合管网空间数据模型和空间数据结构设计
 空间数据库是GIS的核心。地下综合管网信息系统中数据类型多、数据量大、各类数据间又有交叉复杂的拓扑关系，因此数据结构的合理性非常重要。
 通过分析当前城市中各类管网信息系统的建设现状，归纳出共同点，从而设计一种综合管网地理信息系统的数据模型。在设计的数据模型基础上，以Oracle数据库为基础建立综合管网信息系统的系统原型。采用的建模工具主要为Vc++6.0和Oracle 9i。
 2.2. 空间分析研究
 要充分发挥地下综合管网信息系统规划设计、故障分析等功能，就需要研究空间数据拓扑、缓冲分析和最短路径分析等空间分析技术。
 矢量数据拓扑关系在空间数据查询和分析中十分重要。如爆管处理与事故分析是利用多源环状空间数据模型进行网络追踪分析，先建立相关管段的拓扑关系，再分析出需要关闭的阀门和故障危害的范围。地下管网大多沿道路敷设，可利用空间分析模型根据道路中心线和指定宽度建立缓冲区，并提取该缓冲区内的地形信息。最短路径分析也是地下管网信息系统的重要功能。地下管网的矢量地图表达和网络拓扑结构的构建是实现最短路径分析系统的不可或缺的基础工作，而最短路径算法的高效实现则是最短路径分析系统的核心。
 2.3. 多源空间数据组织管理
 本系统涉及AutoCAD采集的管线矢量数据、遥感影像数据、管线统计资料和GPS测量数据等多源数据。目前GIS多源空间数据的集成主要朝着三个方向发展，一是通过建立统一的数据交换标准进行空间数据交换；二是建立开放式地理数据互操作规范进行地理信息系统互操作；三是GIS数据中间件技术。本系统通过开发相应的数据接口来访问和操作特定的数据源。
3. 系统总体结构设计
 单类管网信息系统是建设综合管网信息系统的必由之路，综合管网信息系统是单类管网信息系统发展的必然结果。随着单类管网的运行和推广及在城市规划当中曾经起过的作用，各级政府和城市建设规划相关部门逐渐认识到单类管网信息系统的不足，从而加深了对综合管网信息系统重要性、紧迫性和社会经济效益的认识。因此，综合管网信息系统在建设信息化社会和“数字城市”的重大机遇中必能获得更大推广，前景看好。
 系统总体设计应要遵循以下原则。
 （1）为了给不同层次的管理人员提供直观、形象的查询统计功能，系统应界面友好，能实现全图形化维护、管理及查询检索功能和图形对象与属性数据的双向连动，以便用户方便的了解相关信息，做出相关的分析和决策。
 （2）针对城市地下综合管网有电力、给水、排水、燃气、暖气等多种类型的特点，设计分层管理体制，可对不同层综合管网和地图进行开关操作，允许不同层综合管网具有不同的属性结构。
 （3）查询手段丰富：系统可根据不同条件对综合管网进行查询、统计，并可提供丰富的分析和输出功能。
 （4）系统可实现给水、排水、煤气等专业综合管网之间的数据传递，使城市综合管网综合管理部门同各专业综合管网管理部门之间建立完善的综合管网管理体系成为可能。
 （5）数据接口转换使系统实现与若干其它数据格式间的数据转换，从而达到数据资源的共享。
 图1是地下综合管网信息系统总体结构图。
 

4. 地下综合管网信息系统功能模块设计
 构建综合管网信息系统应充分利用GIS提供的多源地理信息一体化管理能力、空间查询、分析和辅助决策能力，重视综合管网数据特点，紧密结合管网管理的工作实际，一个运用GIS技术建立的城市地下综合管网信息系统，不仅能提供规划、决策所需要的各种综合管网图形（某种管网的专题图，反映各种综合管网空间关系的综合空间图，综合管网的纵横剖面图等）、报表，而且具备分析功能（计算图上综合管网长度、比较综合管网容量、空间查询、电子规划等），还要有一定的超前性。城市发展速度明显加快，管网变更频繁，管网管理方式、管理制度都不断改进，综合管网信息系统就应具有适当的弹性，能适应这种变化。
 地下综合管网信息系统功能模块见图2。
 
 以下是地下综合管网信息系统具体功能模块设计。
 （1）GIS基本功能
 包括图形文件转换、图层缩放漫游显示、地图编辑、专题图制作等。
 （2）查询统计功能
 系统对综合管网的各种属性及其属性结构进行查询、修改、删除、插入等管理与维护工作。具体有图文交互查询、统计图制作、属性查询、空间查询和空间量算（距离、面积量算）等操作。图3是地下综合管网属性信息查询界面。
 （3）空间分析功能
 包括最短路径分析、相交分析、缓冲区分析、空间位置分析、纵横断面图、故障分析和三维显示等功能。
 横断面分析可通过鼠标拖动形成剖面线，绘制出管线横断面图，在横断面图上，可以分析各管线在垂直位置上的相互关系。纵断面分析可通过选定单条管线，形成纵断面图，分析管线在纵断面上的位置关系。爆管分析是通过指定爆管位置，自动分析所需关闭阀门，变色显示爆管分析结果。图4是横断面分析界面。

 （4）规划设计功能
 包括工程规划（对将要铺设的管线,提供最佳铺设方案）和工程辅助设计。
 （5）系统维护功能
 包括图形编辑、属性数据管理、拓扑关系生成和数据检查修改。
 （6）图表输出功能
 包括报表输出和地图输出（不同比例尺制图输出）。对查询结果或用户需要的管线信息进行统计，报表输出。查询结果可以直接生成报表，图文并茂输出用户需要的信息。
5. 结语
 地下综合管网信息系统是数字城市建设的重要组成部分。通过相关研究，可解决综合管网数据模型建立、空间分析和多源数据组织管理等技术难题，因此，研究和开发地下综合管网信息系统具有较强的现实意义和应用前景。
 
参考文献
龚俊，王新洲等．城市地下管线信息管理系统的探讨[J]．地理空间信息．2005, 3(3):9-11
孟亚锋等.基于GIS 的地下管线管理信息系统[J]．建筑技术开发.2002, 29(4).