線性參照模型在地下管網(wǎng)GIS中的應(yīng)用研究

蔣許鋒 關(guān) 昆 趙虎川 鄭紅立 郭立強(qiáng) 彭 玲

1天津市濱海新區(qū)規(guī)劃編制研究中心，天津，300450

2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049

3中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京，100094

4天津市測(cè)繪院，天津，300381

5津然華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，天津?00045

城市地下管線是指用于傳送能源、信息和排泄廢物的管道、管溝、管廊和線纜等及其附屬物，包括供水、排水、燃?xì)狻崃?、電力、通信、工業(yè)及其他類型，既有城市間的長(zhǎng)輸管線又有城市內(nèi)部的管線，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生命線［1］。城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和應(yīng)急等需要調(diào)查和測(cè)繪地下管線，建設(shè)地下管線地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)科學(xué)管理與共享應(yīng)用［2］。地下管網(wǎng)GIS主要是為了管理這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)橫縱斷面分析和爆管分析等空間分析功能［3，4］，滿足管理部門的資產(chǎn)管理、日常巡檢維修、安全應(yīng)急等基本需求，還為城市規(guī)劃、建設(shè)部門等其他部門提供數(shù)據(jù)支撐。

地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)建模是地下管網(wǎng)GIS的關(guān)鍵，但是，傳統(tǒng)的地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大都是面向測(cè)繪資料管理［5-7］，《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程CJJ61—2017》和《工程 測(cè) 量 規(guī)范（GB50026—2007）》對(duì)地下管線探測(cè)要求為：一般城市地下管線探測(cè)點(diǎn)布置間距為小于等于圖上15 cm，工廠和小區(qū)小于等于圖上10 cm，施工現(xiàn)場(chǎng)為地面10 m，彎曲點(diǎn)必須設(shè)點(diǎn)。由于埋深比高程在實(shí)際的管線開挖、維修和城市規(guī)劃工作中更具有實(shí)用性，為了保留埋深數(shù)據(jù)，管線要素設(shè)計(jì)為兩點(diǎn)式線段，但是造成了如下問題：①數(shù)據(jù)冗余，即兩點(diǎn)式的管線存儲(chǔ)方式導(dǎo)致了理論上（n－2）倍（n為一段管線的節(jié)點(diǎn)）的空間數(shù)據(jù)和管線屬性數(shù)據(jù)冗余；②顯示、傳輸和制圖效率低，數(shù)據(jù)記錄過多時(shí)，數(shù)據(jù)存取時(shí)I/O壓力大，制圖時(shí)反復(fù)符號(hào)化，顯示速度慢，用戶體驗(yàn)差；③空間查詢、分析效率低，海量的數(shù)據(jù)在空間查詢時(shí)需要反復(fù)計(jì)算空間關(guān)系，查詢、分析資源消耗大，運(yùn)行慢；④編輯維護(hù)困難，在管線編輯時(shí)抓取管線、獲取垂點(diǎn)、獲取連接點(diǎn)等操作效率低，容易造成程序不穩(wěn)定。

線性參照模型是在線狀要素的頂點(diǎn)處用M值（measure）來記錄地理現(xiàn)象或者地理事件的一種具體技術(shù)方法，是一種非常優(yōu)良的面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)建模方法。本文針對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理，利用M值記錄埋深或者頂點(diǎn)唯一編碼，分別稱為簡(jiǎn)要線性參照地下管網(wǎng)建模和復(fù)雜線性參照地下管網(wǎng)建模，能夠減少數(shù)據(jù)冗余，提升計(jì)算效率。該模型應(yīng)用于天津市燃?xì)夤芫W(wǎng)GIS系統(tǒng)中，具有較好的實(shí)用性。

1 線性參照模型

線性參照模型（linear referencing model）可以簡(jiǎn)單的理解為沿著線要素，獲取沿線某一點(diǎn)的屬性信息，主要用于將動(dòng)態(tài)事件與路徑聯(lián)系起來，因此又稱為動(dòng)態(tài)分段技術(shù)，常用于道路管理、制圖綜合等［8，9］。

在ArcGIS中，線性參照的具體實(shí)現(xiàn)方式是，在線狀要素內(nèi)部的頂點(diǎn)上增加M值，將（X，Y，Z）擴(kuò)充為（X，Y，Z，M），變?yōu)橐粋€(gè)長(zhǎng)整型值，通過該值來標(biāo)識(shí)動(dòng)態(tài)分段，從而實(shí)現(xiàn)將某一線段關(guān)聯(lián)到不同的屬性［10-12］。一方面，任意編輯這些線段的屬性，不會(huì)影響基礎(chǔ)線狀要素的幾何特征；另一方面，通過它又可以將若干不同的屬性與線段有機(jī)的組合起來了。顯然，線性參照模型是一種優(yōu)良的層次分明、面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型［13-15］。

將線性參照模型應(yīng)用于管線數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，利用M值在頂點(diǎn)上存儲(chǔ)一個(gè)值作為索引，通過索引將頂點(diǎn)與其屬性表鏈接起來，將兩點(diǎn)式的管線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多點(diǎn)線結(jié)構(gòu)，構(gòu)建線性參照管網(wǎng)模型，就能夠解決數(shù)據(jù)冗余問題，從而提升顯示、傳輸、查詢和分析效率。線性參照管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)。

1.1 簡(jiǎn)要線性參照管網(wǎng)模型

將M值直接記錄埋深，這種方式只是比一般的簡(jiǎn)單shape結(jié)構(gòu)多了一個(gè)頂點(diǎn)的埋深信息，使用簡(jiǎn)單方便。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，只需將修改或者讀取M值即可。如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)要線性參照管網(wǎng)模型Fig.1 Simple Linear Referencing Pipeline Model

1.2 復(fù)雜線性參照管網(wǎng)模型

將M值記錄點(diǎn)位編號(hào)，同時(shí)將點(diǎn)位編號(hào)與埋深、設(shè)備、探測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，形成復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，這種方式能夠完整的將設(shè)備、探測(cè)點(diǎn)與管線建立邏輯關(guān)系，這種方式還能夠?qū)⒐芫€事故（事件）與管線關(guān)聯(lián)起來，達(dá)到動(dòng)態(tài)分段管理的效果。但是，這種方式在查詢埋深時(shí)不如第一種方式簡(jiǎn)單；在數(shù)據(jù)預(yù)處理、刪除、編輯時(shí)操作復(fù)雜，容易導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。

圖2 復(fù)雜線性參照管網(wǎng)模型Fig.2 Complex Linear Referencing Pipeline Model

2 天津市燃?xì)夤芫W(wǎng)GIS系統(tǒng)構(gòu)建

本文將線性參照模型應(yīng)用于天津市燃?xì)夤芫W(wǎng)GIS。取得了較好的效果。該系統(tǒng)以ArcGIS軟件作為GIS平臺(tái)軟件，以Microsoft SQL Server作為數(shù)據(jù)軟件，以C#作為開發(fā)語言，開發(fā)了CS（client server）模式的編輯子系統(tǒng)和BS（browser server）的綜合應(yīng)用子系統(tǒng)［16］。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System Framework

2.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)包含天津市主城區(qū)內(nèi)部大約400 km2范圍內(nèi)的高壓、中壓、低壓管線。天津市地下管網(wǎng)探測(cè)技術(shù)規(guī)程要求不超過70 m探測(cè)一次、設(shè)備點(diǎn)和拐彎點(diǎn)必須探測(cè)一次，管線原始測(cè)繪數(shù)據(jù)量為133萬多條。采用簡(jiǎn)要線性參照管網(wǎng)模型設(shè)計(jì)管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按照管徑、材質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力對(duì)原始探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理后，M值記錄埋深。ArcGIS軟件中，利用Merge工具按照上述屬性進(jìn)行處理，然后利用交叉點(diǎn)工具在三通、多通節(jié)點(diǎn)和閥門處打斷。數(shù)據(jù)量由133.3萬條減少到33.6萬條，Shape文件大小由113MB降低到62.2 MB。

管線圖層包括管線、調(diào)壓設(shè)施、閥門、凝水缸、用戶點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)、氣源站、儲(chǔ)氣設(shè)施、計(jì)量設(shè)施、極性保護(hù)、探測(cè)點(diǎn)等。如表1所示。

表1 管線圖層Tab.1 Pipeline Layers

2.2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)編輯子系統(tǒng)、綜合應(yīng)用子系統(tǒng)等。

數(shù)據(jù)編輯子系統(tǒng)主要功能包括：圖形瀏覽、查詢定位、檢查入庫、數(shù)據(jù)編輯、工程圖打印、垂距分析、流向分析、爆管分析、橫斷面圖、縱斷面圖分析等（見圖4）。

圖4 編輯子系統(tǒng)功能Fig.4 Edit Sub-system Functions

綜合應(yīng)用子系統(tǒng)包括基于WebGIS后臺(tái)管理模塊和前端應(yīng)用模塊。后臺(tái)包括矢量數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布，瓦片更新、權(quán)限管理等。前端應(yīng)用包括圖形瀏覽、查詢定位、專題查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、拴點(diǎn)圖輸出、空間分析等（見圖5）。

圖5 綜合應(yīng)用子系統(tǒng)功能Fig.5 Application Sub-system Functions

2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

編輯子系統(tǒng)的功能采用C#+ArcObject二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。首先繼承ITool/ICommend將各種功能封裝為組件，再繼承IToolbar將各功能組件封裝為工具條，通過全局變量實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制。

應(yīng)用子系統(tǒng)基于ArcGIS Server二次開發(fā)。主要以切片圖層發(fā)布，專題圖層以定時(shí)伺服程序?qū)崿F(xiàn)切片自動(dòng)更新。后臺(tái)應(yīng)用程序采用.Net實(shí)現(xiàn)，前端主要以Silverlight實(shí)現(xiàn)（見圖6）。

圖6 應(yīng)用子系統(tǒng)Fig.6 Application Sub-system

3 結(jié)束語

隨著管網(wǎng)數(shù)據(jù)量的海量增長(zhǎng)，傳統(tǒng)面向測(cè)繪資料管理的管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型帶來的冗余性弊端會(huì)越來越明顯。將線性參照模型應(yīng)用到管網(wǎng)數(shù)據(jù)建模中，建立線性參照管網(wǎng)模型，能夠減少數(shù)據(jù)冗余，提升管線顯示、制圖、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析和共享效率。本文將該技術(shù)應(yīng)用到天津市燃?xì)夤芫W(wǎng)GIS中，取得了不錯(cuò)效果。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，管線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將與管網(wǎng)數(shù)據(jù)緊密結(jié)合應(yīng)用，線性參照模型的動(dòng)態(tài)分段技術(shù)還能發(fā)揮更大的作用。