基于ArcGIS 的地下管网管理信息系统的设计与实现*——以泉州市为例<br/>

基于ArcGIS 的地下管网管理信息系统的设计与实现*——以泉州市为例

2014-04-14陈守伟

地矿测绘 2014年4期

陈守伟

(福建省地质测绘院，福建福州 350011)

0 引言

地理信息系统(GIS)是一门以计算机技术为支撑，侧重地理空间数据的采集、解译、图形化处理和综合分析应用的新技术［1］。它把地理实体的空间数据与相关联的属性数据有机地结合在一起，不同层次地满足了城市建设、居民生活对各种空间信息的需求，并凭借其独有的空间分析功能和可视化表达方式在各领域辅助人们管理和决策［2］。

城市综合地下管线是城市的“生命线”，也是城市基础设施的重要组成部分，更是发挥城市功能和确保城市经济、社会健康协调发展的重要物质基础［3-4］。随着城市规模不断扩大，地下管网体系越来越庞大，管理的复杂度逐年增加。信息时代城市的快速发展，客观上需要大量及时、准确、快速、有效的信息。然而，长期以来，城市地下管线资料多以图纸、图标和卡片等形式记录保存，采用人工方式管理［5］。随着时代和科学技术的发展，城市的现代化步伐日趋加快，这种传统管理方式的弊端越来越明显:难以高效地管理大量的管网数据资料，不能从海量管网数据中提取出有效的信息，严重制约了城市的快速发展。传统的管理方式与城市建设、管理、发展的矛盾日益突出，采用高新技术和方法来高效管理城市地下管网，满足决策、管理部门和施工单位的需要已成为当务之急［6］。为此，本文以泉州市为例，介绍了地下管网管理系统的设计与实现方法。该系统以Arc-GIS10 平台为基础，采用SOA 架构模式，Oracle11g 统一存储海量空间、非空间数据，通过C/S 进行数据的生产、编辑等管理，并结合B/S 模式进行数据的查询与统计分析。

1 系统设计

地下管网管理信息系统的建设是一项复杂的工程，系统的成功实施首先需要在系统分析、系统调研的基础上，对系统的逻辑结构、系统功能等以及数据库等进行总体设计。

1．1 系统建设目标

该系统建设的目标是:能够夯实地下管网数据基础，形成统一集中的地下管网数据库，全面、快速和准确地掌握地下管网的数量、质量、结构和空间布局，准确记录地下管网生命周期中各个阶段的信息，做到资源状况“一览无余”;促进管理行为优质、规范、高效，实现落地化、精细化资源管理;统一数据标准和数据框架，避免因标准不一而重复采集数据，节省人力物力;通过信息的积累和整合，提升信息公开和社会化信息服务水平。

1．2 系统建设原则

1．2．1 加强统筹，制度保障

统筹规划，精心组织，扎实推进，建立分工合理、责任明确的管理机制及权威高效的协调机制，并制定符合项目开展的技术规范和生产组织框架，保障系统建设工作的稳步推进。

1．2．2 综合集成，统一标准

在建设中应用和扩展，在应用中完善与提高，突出应用实效。针对不同的应用或服务对象、定制不同的信息服务产品，实现个性化、差异化和多元化服务。

1．2．3 建用并举，突出应用

在建设中应用和扩展，在应用中完善与提高，突出应用实效。针对不同的应用或服务对象，定制不同的信息服务产品，实现个性化、差异化和多元化服务。

1．2．4 分步实施，信息共享

以需求为导向，分步分块实施，逐步建立健全数据汇交、实时更新以及信息共享的机制。

1．3 系统总体架构

地下管网管理信息系统总体架构，如图1 所示。系统主要由地下管网数据库、数据管理子系统、数据查询子系统、系统管理子系统、网络与基础设施5 个部分组成。地下管网数据库是数据管理子系统、数据查询子系统所有的数据来源，提供统一的数据集中存储;数据管理子系统是地下管网数据库所有数据更新、维护的出入口，为数据查询子系统提供统一的数据查询浏览、统计分析等核心处理逻辑，从而实现数据的高效管理，为应用和服务提供有效支撑;数据查询子系统基于数据管理子系统提供的核心处理逻辑，直观、准确、动态地展示地下管网各个方面的信息，实现资源状况“一览无余”;系统管理子系统是系统运行维护方面资源的统一管理，实现组织机构、菜单、权限、数据字典、日志、统一认证等各子系统之间共性部分的衔接和管理;网络与基础设施是应用系统和数据库性能和生命力的保障，是应用系统和数据库运行和访问的承载，是为用户提供系统服务的有效保障。

1．4 系统功能设计

1．4．1 常规地图操作功能

提供常见的地图操作功能，如地图的浏览、鹰眼导航、坐标显示、图形选择以及包括长度和面积量测功能在内的地图测量功能。

1．4．2 空间查询功能

系统提供多种方式的查询统计功能，支持图形与属性双向查询统计，支持查询结果的快速双向定位显示，并可将查询结果以多种形式导出。系统可加载地理信息公共服务平台(政务版)发布的基础地理信息数据作为管网数据的底图，使管网数据的展示更加形象、直观，增强管网数据的查询与统计分析能力。

1．4．3 网络分析功能

系统提供横断面分析、纵断面分析、爆管分析、连通性分析、埋深分析、碰撞分析、老化分析、缓冲区分析、下游追踪等功能。

图1 地下管网管理信息系统总体架构Fig． 1 The overall architecture of underground pipe network management information system

1．4．4 数据导入功能

系统能够导入如AutoCAD、Excel、txt 等多种数据源成果，并可进行属性的编辑、克隆、图形编辑、操作管理等功能。

1．4．5 故障管理功能

系统提供管网故障信息的日志管理，记录故障管网的位置、故障管网、故障原因、处理情况、附件等，并支持故障位置的图形展示。此外，系统提供历史管网数据管理功能，实现管网数据的历史回溯。

1．4．6 图件输出功能

系统提供多种固定格式与自定义格式的统计报表打印输出功能，支持多种比例尺的标准地形图与专题制图打印输出功能。

1．4．7 数据格式转换功能

系统提供与ArcGIS、MapGIS、AutoCAD 等多种GIS 软件与计算机辅助制图软件的交换格式数据导入与导出功能。并提供按当前范围、选择范围、行政区、图层、图幅等不同的导出方式。

1．4．8 系统管理功能

系统提供多种系统管理方式，包括:用户管理、角色管理、菜单管理、日志管理、统一认证中心管理等。

1．5 数据库设计

数据库设计是建立数据库的核心与基础，其合理性直接影响系统运行的性能。数据库需要在与目标系统应用相关组织和部门进行详细调研、了解现行系统的状况、确定新系统的功能的基础上，构造合理的数据库模式，使应用系统能有效地存储数据。地下管网管理信息系统数据包括1∶500 比例尺基础地形图数据和地下综合管网数据。

数据库采用Oracle+ArcGIS 平台软件，数据存储在地理数据库(Geodatabase)中，矢量数据和元数据等以不同的逻辑结构存储。矢量数据的管段及各类管点数据在同一个要素数据集(Feature Dataset)中存储，管段及各类管点数据按照分类分别存储在数据集中的每个相应的要素类中，即数据层;表格数据以Oracle 表进行存储;元数据以Oracle 表的形式进行存储。为增强地下综合管网数据库的逻辑性，便于数据的统计、分析、挖掘等，设计了科学的数据关联关系(管段记录其所关联的管点、管井、属性、档案附件等数据)，通过数据的层层关联实现数据的集中融合和高效应用。

2 系统实现

2．1 数据库建设

数据库建设是地理信息系统项目中投资最大的部分，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%或更多，并且这种比例在最近不会有明显的改变［7］。地下综合管网数据源主要为AutoCAD 等计算机辅助设计软件的数据格式存储的地下管网数据，该系统针对不同数据源，设计不同的数据库建设体系。

城市地下综合管网数据库包含的数据内容丰富、数据来源多样，数据标准、模型、格式、精度、存储形态等差异甚大，要将种类繁多、数据量巨大的各类数据集成整合为支撑管网管理行为的数据库，需要对各类业务及管理空间数据开展数据整合与整理工作。数据整合与整理通过要素抽取、梳理完善、空间化处理、格式转换、坐标转换、编码转换、逻辑处理、关联关系建立等步骤，形成数据整合与整理体系，如图2 所示。数据整合可使各类数据与基础地理数据实现一致的空间定位、相互叠加和套合。

2．2 主要功能实现

系统利用GIS+WebGIS 技术，总体实现对城市地下综合管网及相关数据库的二三维联动展示、查询、统计、分析等功能。其中，分析模块是系统功能的精髓，具备横断面分析、纵断面分析、爆管分析、连通性分析、埋深分析、碰撞分析、老化分析、缓冲区分析、下游追踪等功能。

2．2．1 二三维联动

二三维联动是以ArcGIS 平台为基础实现了二三维一体化展示，展示效果，如图3 所示。图3 中左视图为二维视图，右视图为三维视图。二三维联动除能按照地理坐标实现二三维的联合显示，还能按照管网与地表的实际关系准确地显示管网，直观地显示各类管网间的穿插关系以及各类管网与地表构筑物之间的空间关系。

2．2．2 纵横断面分析

纵横断面分析首先计算与纵横断面线相交的地下管网，然后计算各条管网与断面的交点的水平或垂直投影位置与埋深，根据剖面上各管网的水平或垂直投影距离和埋深自动计算合适的剖面图比例尺，完成剖面图的绘制，可以在断面图上进行空间量算和获取管网的信息。

2．2．3 连通性分析

连通性分析是查找给定管网设备之间的连通路径，如果存在连通路径，则返回并突出显示管线数最少的路径。

2．2．4 爆管分析

爆管分析是在爆管位置设置标志，基于网络拓扑进行网络追踪。因为燃气管网多为环状管网，所以需从爆管位置开始进行上游和下游双向追踪，查找与爆管位置相连的各条路径中离爆管位置最近的阀门，根据分析结果进一步分析关阀影响的用户。

2．3 应用系统的实现

地下管网综合管理系统采用空间海量数据管理技术、海量数据浏览展示技术、动态投影技术、数据服务技术、标准数据传输描述语言、代理服务技术GIS 与WebGIS 等关键技术，开发建设了桌面端、Web 端、三维平台和移动端4 大类地下综合管网信息系统。其中，桌面端(见图4)在实现数据检查、入库、编辑等管理功能基础上，实现查询分析、爆管分析、覆土分析、碰撞分析等业务功能，同时利用版本管理机制，实现数据的历史查询和回溯，支持数据的出图管理、权限控制等扩展功能;Web 端(见图5)以桌面端系统产生的数据为基础，基于网页浏览器实现数据的在线查询统计分析和下载共享等检索功能，实现跨部门、跨机构、跨网络的数据查询共享;三维平台实现数据的三维浏览，并结合二维的数据进行二三维联动浏览，同时基于三维数据实现数据的漫游、飞行等模拟真实环境的数据浏览功能;移动端(见图6)以桌面端系统产生的数据为基础，基于移动互联网或离线方式实现城市地下管线数据的在线查询、统计分析功能。三维平台地下管网管理信息系统，见图7。

图2 数据整合与整理体系Fig．2 Data integration and sorting system

图3 二三维一体化联动展示Fig．3 2D and 3D integration linkage display

图4 桌面端地下管网管理信息系统Fig．4 Desktop client's underground pipe network management information system

图5 Web 端地下管网管理信息系统Fig．5 Web client's underground pipe network management information system

3 结束语

本文介绍的地下管网管理信息系统的功能设计与系统的逻辑设计、存储设计同时进行，其重点在于系统的功能需求定位及与之对应的功能模块设计，是系统详细设计的基础。基于组件对象模型构建的ArcGIS 系列产品，针对不同数量级的专业地理信息系统的建设，提供了一系列的解决方案。基于COM、SOA等技术，利用ArcGIS 系列产品提供的通用组件进行二次开发，可以提高系统开发的速度，降低开发难度。

提高管理水平与管网系统的运行效率，实现科学管理是摆在城市地下管网管理部门面前的一项紧迫任务，城市地下管网的解决方案是目前该领域研究的热点。该地下管网管理信息系统解决了三维精细化和大场景显示、二三维联动、网络分析功能、地下管网预警等业内关键技术难题，为城市地下管网信息系统建设提供了宝贵的系统建设方案和实际运行管理经验。