基于GIS的校園綜合管網(wǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計與研究

胡 婷

（長春工業(yè)大學(xué)信息傳播工程學(xué)院，吉林長春 130021）

地下管線是學(xué)校的生命線，它就像人體內(nèi)的“血管“和“神經(jīng)”，擔(dān)負著物資、能源和信息的傳輸工作，是學(xué)校賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。在科技信息高度發(fā)達的現(xiàn)今社會，紙質(zhì)管線資料的缺點已經(jīng)突顯出來：資料多不利于查詢，不直觀，不便于管理。將地下管線資料信息化存儲和管理，已經(jīng)是學(xué)校地下管線管理的當務(wù)之急，也是信息時代發(fā)展的必然趨勢。采用GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，利用其獨特的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能來建立地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)校園地下管網(wǎng)信息的數(shù)字化、科學(xué)化、現(xiàn)代化管理。本文將以長春工業(yè)大學(xué)校園綜合管網(wǎng)管理系統(tǒng)為例，對基于ARCGIS的管網(wǎng)信息系統(tǒng)的總體功能進行詳細的設(shè)計，并對系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)進行分析。

1 GIS平臺選擇

本系統(tǒng)的GIS應(yīng)用是從基礎(chǔ)空間管理、專題應(yīng)用開始，逐步深化到綜合應(yīng)用、輔助決策，是一個循序漸進、逐步擴展的過程，因此在選擇GIS平臺時考慮到以下幾個因素：(1)體系結(jié)構(gòu)的伸縮性；(2)系統(tǒng)功能強度；(3)系統(tǒng)開放性；(4)系統(tǒng)成熟性。

ArcGIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)在繼承已有的成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，整合了GIS與數(shù)據(jù)庫、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件工程及其他多方面計算機技術(shù)，研發(fā)的新一代GIS軟件，為不同需求層次用戶提供全面的、可伸縮的GIS產(chǎn)品線和解決方案[2]。ESRI是GIS領(lǐng)域的先驅(qū)者和領(lǐng)跑者，而ArcGIS也代表了GIS軟件行業(yè)的最高技術(shù)水平。ArcGIS的策略是給出一套嶄新的應(yīng)用方式，構(gòu)造一個數(shù)據(jù)模型，設(shè)計一個完全開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)，使被廣泛接受的ARC/INFO的結(jié)構(gòu)體系和應(yīng)用得以兼容[3]。ArcGISEngine是ESRI公司在ArcGIS 9版本的基礎(chǔ)上推出的一款新產(chǎn)品，它不再是一個終端應(yīng)用，不包括ArcGIS桌面的用戶界面，而是一套用于開發(fā)新應(yīng)用程序的嵌入式的二次開發(fā)組件庫和工具庫。ArcGISEngine面向的用戶不是最終的使用者，而是GIS項目程序開發(fā)人員[4]。開發(fā)人員可以脫離ArcGISDesktop，單獨使用ArcGISEngine提供二次開發(fā)功能組件包，開發(fā)自己的GIS應(yīng)用程序。本系統(tǒng)采用ArcGISEngine+ArcGISServer作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)GIS平臺軟件。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計原則

(1)可靠性原則：主要體現(xiàn)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確可靠，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有較強的容錯能力和處理突發(fā)事件的能力。(2)實用性原則：主要體現(xiàn)在系統(tǒng)要滿足校園管理人員對各種地下管線管理的實際要求，并且界面友好，便于操作。(3)系統(tǒng)的先進性原則：主要體現(xiàn)在采用ArcGISEngine基于組件構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法,提高了系統(tǒng)的高度模塊化與集成性，使軟件系統(tǒng)更易于維護和擴展。(4)系統(tǒng)的安全性原則：體現(xiàn)在用軟件或硬件方式除去安全漏洞，保證管線數(shù)據(jù)安全地傳輸，確保校園管網(wǎng)管理工作正常有序地進行。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立

3.1 空間數(shù)據(jù)庫的建立

空間數(shù)據(jù)庫是面向地學(xué)及其相關(guān)對象信息的數(shù)據(jù)庫。與通用數(shù)據(jù)庫不同，空間數(shù)據(jù)庫存儲的不是傳統(tǒng)的數(shù)值、字符串這類單一性質(zhì)的數(shù)據(jù)，而是借助圖形圖像表達的、與地理相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，即二維、三維等特征的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的圖形圖像資料以及與圖形圖像相關(guān)的拓撲信息數(shù)據(jù)都存儲于空間數(shù)據(jù)庫。圖形資料主要指校園地形圖、校園三維DEM、管線位置圖。圖形資料包含點狀數(shù)據(jù)、線狀數(shù)據(jù)和面狀數(shù)據(jù)。點狀數(shù)據(jù)由節(jié)點和節(jié)點特征的標記組成，點由位置坐標定位，線狀數(shù)據(jù)由弧段和弧段特征的標記組成，面狀數(shù)據(jù)由面邊界弧段的采樣點表示?，F(xiàn)有的圖形資料都是DWG格式，利用ArcG IS平臺的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將它們轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)格式。柵格數(shù)據(jù)由規(guī)則的矩形柵格構(gòu)成，每個柵格代表一個像元[5]，空間數(shù)據(jù)疊加和組合方便，但是圖形美觀性差，并且數(shù)據(jù)量大；矢量數(shù)據(jù)用點序列表示空間實體的邊界形狀，數(shù)據(jù)精度高，圖形美觀，數(shù)據(jù)量小，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用柵格矢量一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進行互補，即在建立空間柵格索引的同時，傳統(tǒng)矢量型點線面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也部分采用元子充填形式表示[5]。

3.2 屬性數(shù)據(jù)庫的建立

屬性數(shù)據(jù)主要指與空間位置沒有直接關(guān)系，但是描述實體特征信息的數(shù)據(jù)，它可以表示實體的類別、等級、數(shù)量，也可以表示對實體某一方面特征的統(tǒng)計信息。屬性數(shù)據(jù)的類型主要是數(shù)字和字符串。校園地下管網(wǎng)的信息（如管段信息、管點信息、變徑點信息、跳出點信息）以及管網(wǎng)上各種附屬設(shè)施的信息（如閥門信息、消防栓信息、水表信息、調(diào)壓設(shè)備信息、儲配站信息等）都是屬性數(shù)據(jù)，存儲在屬性數(shù)據(jù)庫中。屬性數(shù)據(jù)的錄入以手工輸入為主，信息來源主要是現(xiàn)存的紙質(zhì)資料。存儲方式主要包含兩種，第一種方式是以圖形數(shù)據(jù)的圖層為依附，在ArcMap中，利用SHP文件自帶的數(shù)據(jù)庫文件進行存儲，使用SHP文件中自帶的屬性數(shù)據(jù)庫，只能夠?qū)Φ匚锏幕拘畔⑦M行存儲，起到方便查詢的索引功能；第二種方式是使用SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行存儲。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中每一個關(guān)系都表現(xiàn)為一張二維表格。

3.3 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

建立好的空間地理數(shù)據(jù)文件通過空間數(shù)據(jù)引擎（ArcSDE）與SHP文件自帶的屬性數(shù)據(jù)庫文件關(guān)聯(lián)；SQLServer關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)通過關(guān)鍵字關(guān)聯(lián)起來。本系統(tǒng)選用ID號作為關(guān)鍵字段，同一個地理對象在空間數(shù)據(jù)庫中的ID號與其在屬性數(shù)據(jù)庫中的ID號相同，從而實現(xiàn)了同一對象所有信息的連接[6]，使地理對象具有了意義，為基于空間數(shù)據(jù)的查詢分析奠定了基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要包括管網(wǎng)管理模塊、管網(wǎng)分析模塊、三維管網(wǎng)模塊。

4.1 管網(wǎng)管理模塊

管網(wǎng)的管理模塊主要是對于空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的輸入、編輯、查詢和輸出。管網(wǎng)輸入主要應(yīng)用ArcGis中Edieview控 件 的Edieview.MakePointByKey、Edieview.MakePoint、Edieview.MakeLine By Key和Edieview.MakeLine方法實現(xiàn)。用戶可以通過矢量畫圖的方式輸入新增加管線的圖形資料，通過文字錄入的方式輸入新增管線的編號、長度、類型等屬性數(shù)據(jù)。用戶對圖形信息可以進行基本的編輯，如平移、修改、刪除、查詢等，同樣對屬性信息也可以進行修改、查詢、刪除等基本操作。系統(tǒng)還提供了對圖形資料的輸出功能，用戶可以根據(jù)需求裁減底圖，選擇需要的管網(wǎng)層，關(guān)閉其它圖層，然后進行打印或圖片輸出。

4.2 管網(wǎng)分析模塊

管網(wǎng)的分析模塊主要分析可能發(fā)生的事故，以及在發(fā)生事故時提供輔助決策，包括檢修預(yù)警、爆管關(guān)閥分析、事故影響區(qū)域分析，充分體現(xiàn)了GIS管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)越性。檢修預(yù)警功能是指系統(tǒng)搜索所有管網(wǎng)部件，按照管網(wǎng)管理條例，對到期檢修的管件、超期服役的管件以及維修次數(shù)超標的管件發(fā)出警告，提示用戶檢修或更換，并且管理管件的維修和更換記錄，便于管理。

爆管關(guān)閥分析是指在爆管或低壓作業(yè)的情況下，用戶指定問題管線，系統(tǒng)利用管線的拓撲關(guān)系，自動搜索與問題管線相關(guān)聯(lián)的管線和閥門，將應(yīng)該關(guān)閉的閥門顯示給用戶，在現(xiàn)場關(guān)閉困難的情況下，系統(tǒng)可以向上查詢，即進行二級、三級搜索，提供多級關(guān)閥方案，生成事故搶修單。

事故影響區(qū)域分析功能主要是指在管網(wǎng)改建施工以及管網(wǎng)搶修過程中，分析將要受到影響的區(qū)域，以便進行警示。該功能利用ArcGIS的緩沖區(qū)（Buffer）分析，建立施工管線的緩沖區(qū)模型。然后將該模型與其它地理對象，如道路、建筑物、未施工管線等進行疊加分析，得到施工管線的緩沖區(qū)模型與其它地理對象疊加的部分，即施工管線對周邊環(huán)境的影響范圍，將其輸出，以便及時警示或出臺防范措施。

4.3 三維模塊

該模塊運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)三維設(shè)施數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)、三維地表數(shù)據(jù)以及校園景觀數(shù)據(jù)的一體化管理，提供全三維形式系統(tǒng)用戶界面，實現(xiàn)三維觀察、查詢功能，實現(xiàn)三維的縮放、任意角度觀察、單管追蹤、管道漫游，用戶可以在一個虛擬真實的全三維環(huán)境中，清晰明了觀察各管線的具體走向和屬性信息，查看管線與建筑、道路和其他管線的相對位置，實現(xiàn)對校園地下管線的橫、縱斷面分析、連通分析、上、下游分析等。

5 結(jié)語

利用GIS技術(shù)先進的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能來構(gòu)建長春工業(yè)大學(xué)校園地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的人工管理圖紙、文檔資料的作業(yè)方式，實現(xiàn)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的信息化、科學(xué)化管理，同時，為預(yù)防管網(wǎng)事故以及處理突發(fā)事故提供了決策的依據(jù)。使用該系統(tǒng)，提高了管理者對校園管網(wǎng)管理的效率和質(zhì)量，為學(xué)校的穩(wěn)定發(fā)展保駕護航，使校園建設(shè)實現(xiàn)數(shù)字化、規(guī)范化、現(xiàn)代化、科學(xué)化。

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[6]胡婷,郭秀軍,賈永剛.基于GIS的區(qū)域工程地質(zhì)信息系統(tǒng)分析與設(shè)計——以山東省公路建設(shè)工程地質(zhì)信息輔助決策系統(tǒng)研發(fā)為例[J].測繪與空間地理信息,2008(6)：46-49.