FME 及ArcGIS 在城市地下管線數(shù)據(jù)庫建設(shè)中的應(yīng)用

李 明，姜俊亮，陳 赫，張德建

（吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院（吉林省建筑工程質(zhì)量檢測中心），吉林 長春 130011）

0 引言

城市地下管線是綜合性較強(qiáng)的基礎(chǔ)市政建設(shè)工程，要求對(duì)各類地下工程管線進(jìn)行歸納整理等綜合規(guī)劃。近些年我國地下管線工程得到了廣泛的應(yīng)用，但錯(cuò)綜復(fù)雜的管線也給現(xiàn)代蓬勃向上的社會(huì)后續(xù)發(fā)展帶來巨大的隱患性難題，在未來城市地下管線的安排上應(yīng)將現(xiàn)有管線梳理清楚，并結(jié)合工程規(guī)劃等辦法，制定出一套科學(xué)合理的管線處理方案。自來水管線作為城市地下管線的重要組成部分，近些年，隨著城市化的推進(jìn)，我國市政建設(shè)在發(fā)展的同時(shí)也帶來了日漸增多的各類管線問題，經(jīng)常出現(xiàn)城市道路的二次挖掘現(xiàn)象，不僅影響人們的日常生活，還造成了交通擁堵的現(xiàn)象，都是由于前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等方面不夠完善，致使已建成道路下方的管線較為雜亂無章，這也是影響后期施工的困難所在。同時(shí)存在圖紙缺失、圖紙老化，坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一、不能形成統(tǒng)一完善圖紙，與城市發(fā)展規(guī)劃不配套等諸多問題。因此，建立一套完整統(tǒng)一的地下自來水管線數(shù)據(jù)庫，在城市自來水日常管理工作中尤為必要。

1 城市地下管線數(shù)據(jù)庫概述及數(shù)據(jù)庫建設(shè)的意義

1.1 城市地下管線數(shù)據(jù)庫概述

城市地下管線數(shù)據(jù)庫是以計(jì)算機(jī)軟件、硬件、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的條件下，利用地理信息科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下城市管線及其附屬設(shè)施的矢量空間和屬性信息進(jìn)行要素輸入、要素編輯、要素存儲(chǔ)、空間信息查詢統(tǒng)計(jì)、信息分析、屬性維護(hù)、數(shù)據(jù)更新和數(shù)據(jù)輸出的計(jì)算機(jī)輔助管理系統(tǒng)。本文從地下管線綜合治理的實(shí)際需求出發(fā)，建立一套同時(shí)包含三維管線要素信息和城市基礎(chǔ)地形信息相結(jié)合的一體化矢量要素信息數(shù)據(jù)庫模型，將表達(dá)城市地下三維管線與城市基礎(chǔ)地形位置的矢量信息，以及將城市管線與城市基礎(chǔ)地形的屬性信息存儲(chǔ)在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫的不同圖層中，從而實(shí)現(xiàn)城市地下管線與城市基礎(chǔ)地形要素錄入、要素編輯、要素查詢和自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)。當(dāng)城市地下三維管線或城市基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，具有管理員權(quán)限的用戶可以使用系統(tǒng)的城市管線要素編輯或城市地形要素編輯功能，對(duì)發(fā)生變化的城市管線數(shù)據(jù)或城市地形數(shù)據(jù)進(jìn)行管理更新，通過系統(tǒng)的人工查詢功能，可看到最新的管線分布圖，通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)功能，可對(duì)管線數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，提高管線綜合管理效率，從而避免由于設(shè)計(jì)圖紙與施工現(xiàn)狀不符，造成的破損管線事故。矢量空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化的存儲(chǔ)方式，提高系統(tǒng)空間查詢的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)各類拓?fù)潢P(guān)系和信息屬性自動(dòng)分析查詢，提高管線管理查詢的速度和效率。

城市建設(shè)的主要組成內(nèi)容與城市生存和發(fā)展的主動(dòng)脈是城市地下三維管線。具有體量大、范圍廣、種類繁多、復(fù)雜分布、變化極大、增長快、形成時(shí)間較長等特點(diǎn)，觸及城市發(fā)展的各個(gè)角落，是關(guān)乎人民生活的基礎(chǔ)性事業(yè)。以往的二維線畫圖管理模式很難對(duì)大量的管線圖形信息進(jìn)行有效的表述和表達(dá)，現(xiàn)在管線三維模型能夠直觀地表述管線的三維特征紋理和各類型管線間的空間拓?fù)潢P(guān)系，能夠?yàn)榭蛻糁庇^、真實(shí)地展示城市地下三維管線的空間立體分布信息，因此在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)管線的三維顯示與管理可使系統(tǒng)的直觀性和可操作性得到進(jìn)一步改觀，使得原有錯(cuò)綜復(fù)雜的管線能夠清晰明了地顯示在用戶和管理者面前。

城市地下三維管線矢量要素?cái)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為載體，依據(jù)地理信息科學(xué)軟件為基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)，具有能夠綜合治理城市地下管線數(shù)據(jù)信息資源，實(shí)現(xiàn)地下管線的要素信息存儲(chǔ)、空間查詢、選擇定位、空間分析、三維仿真可視化等功能，從而形成一套完整的城市地下三維綜合管線數(shù)據(jù)庫。

1.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)的意義

1）整合治理城市地下管線矢量要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源信息，推動(dòng)城市地下管線矢量信息要素空間數(shù)字化平臺(tái)信息化建設(shè)，通過資源的集中管理、分布應(yīng)用實(shí)現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)庫各應(yīng)用管理維護(hù)部門間的信息資源共享共建。

2）通過城市地下矢量數(shù)據(jù)資源管理數(shù)字化、可視化實(shí)現(xiàn)資源決策。整合地理信息科學(xué)技術(shù)，將地形圖元素和地下空間矢量信息融合到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)三維的展示形式，為城市決策數(shù)字化和可視化，提供科學(xué)合理的決策信息。

3）提高相關(guān)人員在面對(duì)突發(fā)公共安全事件和處置突發(fā)公共事件的領(lǐng)導(dǎo)分析決策指揮能力。突發(fā)事故發(fā)生后，便于地方政府在第一時(shí)間掌握突發(fā)災(zāi)害發(fā)生的地理位置及其周邊要素矢量地下管線布置狀態(tài)，高效利用相關(guān)資源，快速完成突發(fā)事故應(yīng)急處置，使危害程度降到最低，即在可控范圍內(nèi)。

4）提高授權(quán)管理城市地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用戶管理能力。即可查詢局部地區(qū)城市地下管線數(shù)據(jù)庫的各部分城市管線細(xì)節(jié)，亦能查詢各管線區(qū)域的宏觀分布；既能分析單一管線情況，又能分析多種管線的多種分布關(guān)系；亦可用于指導(dǎo)施工，用來做新區(qū)設(shè)計(jì)，讓管理變得心應(yīng)手。

2 軟件平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫主要功能

2.1 軟件平臺(tái)

本項(xiàng)目采用ArcGIS 軟件平臺(tái)和FME 軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建設(shè)。ArcGIS 是美國Esri 公司集40 多年地理信息系統(tǒng)（GIS）咨詢和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，奉獻(xiàn)給用戶的一套完整的GIS 平臺(tái)產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的地圖制作、空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息整合、發(fā)布與共享的能力。它提供用于在2D 和3D 環(huán)境中顯示、分析、編譯和共享數(shù)據(jù)的工具。該平臺(tái)經(jīng)過多年的發(fā)展和不斷的完善，集成了ESRI 公司多年的GIS咨詢和研發(fā)成果，既能做到針對(duì)地圖的制作和管理，又能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，二次開發(fā)等操作。同時(shí)，該軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)的發(fā)布與共享方便，是當(dāng)前全球范圍最廣泛使用的GIS 軟件之一[1]?？臻g分析是ArcGIS 的核心和靈魂，提供了一組獨(dú)特的功能，可將基于位置的分析應(yīng)用于業(yè)務(wù)實(shí)踐。FME（Feature Manipulate Engine，簡稱FME）是加拿大Safe Software 公司開發(fā)的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng), 它是完整的空間ETL（Extract-Transform-Load）解決方案。該方案基于OpenGIS 組織提出的新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換理念“語義轉(zhuǎn)換”[2]，通過提供在轉(zhuǎn)換過程中重構(gòu)數(shù)據(jù)的功能[3]，實(shí)現(xiàn)了超過400 種不同空間數(shù)據(jù)格式(模型)之間的轉(zhuǎn)換,為進(jìn)行快速、高質(zhì)量、多需求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了高效、可靠的手段。Arcgis 軟件三維模型真實(shí)感不強(qiáng)，自動(dòng)化程度低，需要大量人工干預(yù)。FME 軟件自動(dòng)化集成后人工干預(yù)能力低，兩者集合會(huì)使平臺(tái)在高度自動(dòng)化操作的同時(shí)具有良好的人工干預(yù)能力。

2.2 數(shù)據(jù)庫功能

1）根據(jù)《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》CJJ 61—2003 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)城市地下管線數(shù)據(jù)庫，支持矢量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維管線模型。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)各種大地平面坐標(biāo)系與CGCS 2000 坐標(biāo)系的投影轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一，并可隨工程需要，建立工程坐標(biāo)系與數(shù)據(jù)庫坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，便于各種坐標(biāo)系下的隨意切換。

3）根據(jù)《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》CJJ 61—2003 標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)三維仿真可視化的符號(hào)展示。

4）按管道類型支持矢量數(shù)據(jù)分層選擇、按需查詢、按需管理和按需可視化顯示。

5）按任意位置查詢橫、縱斷面剖面圖。

6）在用戶需要位置進(jìn)行開挖分析模擬、特定場景進(jìn)行剪切模擬分析。

7）對(duì)管線數(shù)據(jù)的所在區(qū)域、長度、屬性、管徑、埋深及空間信息進(jìn)行展示查詢分析分類匯總信息表等。

8）具有爆管分析、斷面分析、碰撞分析、聯(lián)通性分析、凈距分析等空間分析查詢功能。

9）具有對(duì)管線矢量要素信息進(jìn)行新增、要素修改、要素刪除等要素編輯操作。

10）可實(shí)現(xiàn)以所見即所得的三維仿真可視化。

11）具有各種扯旗標(biāo)注功能和空間矢量信息量測功能。

12）能夠記錄用戶對(duì)各種管線數(shù)據(jù)編輯、維護(hù)等操作的日志記錄。

13）進(jìn)行二維、三維界面切換顯示。

14）具有軟件開發(fā)BS 模式和CS 模式結(jié)構(gòu)部署。

3 數(shù)據(jù)庫建立

基于CAD 平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，往往需要大量的人力，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息錄入，扯旗內(nèi)容標(biāo)注等過程，而使用FME 和ArcGIS 兩個(gè)平臺(tái)，可以省去人工信息錄入、人工扯旗標(biāo)注的過程，省去平移旋轉(zhuǎn)縮放圖形，來達(dá)到數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一致的繁瑣人工操作。下文將詳細(xì)講解在FME 和ArcGIS 平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化入庫和數(shù)據(jù)人工干預(yù)的過程。

3.1 空間數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集CAD 數(shù)據(jù)經(jīng)常存在缺少測量坐標(biāo)系、測量坐標(biāo)系混亂、線狀地物重復(fù)測量、地物存在重復(fù)的連續(xù)節(jié)點(diǎn)、線狀地物自相交、線狀地物間存在偽結(jié)點(diǎn)等拓?fù)溴e(cuò)誤，在以往的測量工作中使用CAD軟件成圖，不容易檢查出這些拓?fù)溴e(cuò)誤，不容易修改。本項(xiàng)目使用FME 軟件和ArcGIS 軟件相結(jié)合的方式，僅使用幾個(gè)簡單的ETLtools 轉(zhuǎn)換器就能快速查找出拓?fù)溴e(cuò)誤的位置，明確臟區(qū)后，可以自動(dòng)修改或者利用ArcGIS 軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)編輯功能，進(jìn)行拓?fù)溴e(cuò)誤的修改。

3.2 矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一

使用FME 軟件Offsetter，CoordinateSystemRemover，CoordinateSystemSetter 等3 個(gè)轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一加投影代號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)重新投影處理，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)投影處理

矢量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程中，往往會(huì)遇到不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，F(xiàn)ME 軟件提供的Affiner，2D4PCalculator，2D4PReprojector，2D7PCalculator，2D7PReprojector，3D7PReprojector，3DAffiner 等7 個(gè) 轉(zhuǎn) 換器，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的二維仿射變換、三維仿射變換、數(shù)據(jù)的二維四參數(shù)變換、三維七參數(shù)變換。Arcgis 軟件工具箱中的投影和變換工具箱，同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同投影下的相關(guān)轉(zhuǎn)化問題。

3.3 矢量數(shù)據(jù)拓?fù)溴e(cuò)誤查詢與修改

為糾正矢量數(shù)據(jù)拓?fù)溴e(cuò)誤，應(yīng)首先分析哪些矢量圖形數(shù)據(jù)會(huì)破壞數(shù)據(jù)集的拓?fù)湟?guī)則。本項(xiàng)目中主要為線要素，點(diǎn)要素的矢量空間拓?fù)鋯栴}。最先檢查線要素是否存在重復(fù)連續(xù)節(jié)點(diǎn)和線要素自相交、線要素間是否存在偽節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)要素與線要素是否相交、相離等空間拓?fù)鋯栴}，使用FME 軟件的以下轉(zhuǎn)換 器GeometryFilter，LineOnLineOverlayer，PointOn－PointOverlayer，GeometryValidator，F(xiàn)eatureWriter，PointOnLineOverlayer，Tester 等工具箱進(jìn)行連接相關(guān)組合，可以實(shí)現(xiàn)矢量圖形數(shù)據(jù)的檢查和自動(dòng)修改，并對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，方便對(duì)自動(dòng)修改不理想的地方，圖形拓?fù)溴e(cuò)誤的地方，進(jìn)行矢量圖形數(shù)據(jù)空間拓?fù)溴e(cuò)誤的修改與完善，如圖2 所示。

圖2 拓?fù)錂z查修改

其中FeatureWriter 轉(zhuǎn)換器能夠提供ArcGIS 平臺(tái)下的多種數(shù)據(jù)格式，如Shape 格式、Esri Geodatabase 格式、File Geodb Open API 格式等。

3.4 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)接

管線數(shù)據(jù)與管道檢修井間的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性鏈接，通過使用FME 軟件和ArcGIS 軟件相結(jié)合，僅需要用幾個(gè)空間鏈接的工具箱就能實(shí)現(xiàn)，省去了以往工作中人工手動(dòng)錄入的繁瑣程序，極大的提高了人員工作效率。

例如在管線的埋深，管徑，起止點(diǎn)坐標(biāo)、編號(hào)、流向及管線材質(zhì)等信息，可以通過Excel 表格記錄信息，使用FME 軟件的轉(zhuǎn)換器Counter，Coordinate－Extractor，F(xiàn)eature Merger，Attribute Creator，F(xiàn)eature Writer 等工具進(jìn)行屬性賦值，同時(shí)使用ArcGIS 軟件對(duì)賦值情況進(jìn)行抽查，檢驗(yàn)，并對(duì)錯(cuò)誤信息進(jìn)行修改，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)聯(lián)接

3.5 扯旗標(biāo)注和符號(hào)顯示

在以往的CAD 管線圖中，注記扯旗需要人工手動(dòng)標(biāo)注，用ArcGIS 軟件可以根據(jù)用戶需求，實(shí)現(xiàn)多種多樣的動(dòng)態(tài)扯旗標(biāo)注，實(shí)時(shí)顯示標(biāo)注信息。同時(shí)ArcGIS 軟件具有定義查詢功能，可以根據(jù)用戶需求，獨(dú)立顯示某特定地區(qū)矢量數(shù)據(jù)。ArcGIS Desktop符號(hào)系統(tǒng)定制顯示功能強(qiáng)大，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行編輯制作自定義圖形符號(hào)。CAD 成圖效果與ArcGIS成圖效果對(duì)比如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)的標(biāo)注對(duì)比圖

3.6 數(shù)據(jù)庫檢查

CAD 平臺(tái)軟件不具備圖形和屬性自動(dòng)檢查能力，使用FME 和ArcGIS 軟件相結(jié)合的方式，利用模型構(gòu)建器，可以制作數(shù)據(jù)庫質(zhì)檢軟件，對(duì)數(shù)據(jù)庫成果質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括圖形矢量數(shù)據(jù)拓?fù)鋯栴}，屬性數(shù)據(jù)字段名稱，字段類型，屬性數(shù)據(jù)完整性、唯一性等?？梢允褂肍ME 軟件平臺(tái)的SchemaMapper 進(jìn)行字段屬性結(jié)構(gòu)的檢查。AttributeManager 工具能夠?qū)?shù)據(jù)庫中的字段屬性內(nèi)容進(jìn)行檢查校對(duì)分析。使用FME 軟 件 的GeometryFilter 工 具，LineOnLineOverlayer 工具，PointOnPointOverlayer，Geometry－Validator，F(xiàn)eatureWriter，PointOnLineOverlayer，Tester等工具箱進(jìn)行連接相關(guān)組合，可以進(jìn)行實(shí)現(xiàn)矢量圖形數(shù)據(jù)的檢查，完成矢量數(shù)據(jù)質(zhì)檢過程。

3.7 數(shù)據(jù)庫成果分析利用與日常維護(hù)

數(shù)據(jù)庫質(zhì)檢完成后，可以使用FME 和ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)空間分析，疊加分析，緩沖區(qū)分析，漏點(diǎn)分析，在市政綜合管線規(guī)劃利用中，供應(yīng)便利的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)在數(shù)據(jù)庫日常維護(hù)，在新建管線，管線遷建中提供便利。為管線巡線提供準(zhǔn)確位置信息。這些空間分析功能是以往CAD 平臺(tái)所不能提供的。

4 結(jié)語

FME 與ArcGIS 作為地理信息領(lǐng)域比較流行的GIS 軟件，獲得行業(yè)內(nèi)高度贊譽(yù)和普遍認(rèn)可。通過ETL 解決方案，實(shí)現(xiàn)超400 多種不同數(shù)據(jù)間的空間轉(zhuǎn)換,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建、編輯、分析的同時(shí)提供豐富的工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、管理、可視化分析建模。為滿足快速、高質(zhì)量、多需求的數(shù)據(jù)間轉(zhuǎn)換分析應(yīng)用提供高效可靠的技術(shù)手段。FME 和ArcGIS 兩款軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，把兩種軟件有機(jī)結(jié)合使用，能夠使用戶得到良好應(yīng)用體驗(yàn)。本工程中，兩款軟件得到合理的應(yīng)用，優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，提高了作業(yè)效率，避免了繁多的工作量。同時(shí)為市政綜合管線規(guī)劃提供有效空間利用信息。