上海市地下管线全生命周期地理信息系统的设计与实现——以杨浦区为例

陈功亮，陈艳华，朱 律

（上海市测绘院，上海 200063）

地下管线是城市赖以生存与发展的物质基础，被称为城市的“生命线”，地下管线数据的现势性、准确性、可靠性对城市的建设和运行有着深远的影响[1]。随着城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城市地下管网也越来越庞大、密集，种类也越来越繁多[2]。上海市铺设地下管线已有150多年历史，全市地下管线已超过12万公里，呈现出纵横交错、隐蔽性强、密度高的特点。城市“生命线”的飞速发展带来的地下管线运行管理问题也日趋复杂[3]。目前，上海市虽然已经完成了中心城区地下管线基础信息普查工作，外环建成区的普查工作也已全面展开，但是地下管线全生命周期的规划审批、工程许可、核查管理、运行维护四个环节并没有通过建立共享平台来实现数据的共建共享，管线规划管理的精细化水平离习总书记精细“绣花”的要求仍有一定差距[4]、智能化水平与全球城市的地位还不相适应，如何合理配置管线空间资源，实现对管线全生命周期的精细化、标准化管理成为当前上海市地下空间开发建设中亟待解决的问题。

针对上述问题，上海市规划和国土资源管理局探索建立了覆盖地下管线全生命周期的数据库和规划管理机制。在此基础上，上海市测绘院设计并实现了基于GIS技术的地下管线全生命周期信息系统，在数据库和管理机制之间架起一座桥梁，确保二者有机融合，为实现管理工作线上运转、数据有效沉淀、成果互联互通、数据系统化管理提供技术保障。本文结合该系统在杨浦区试点运行的经验积累，对系统的设计基础、总体架构和功能实现等方面进行了介绍，为其他城市和地区开展同类工作提供借鉴和参考。

1 系统的设计基础

1.1 协调兼容的地下管线综合数据库

目前，规划审批和工程许可环节的成果主要采用文件管理的形式，尚未建立统一的数据库，不同设计单位根据自身的绘图标准和习惯绘制管线规划图和工程设计图，电子数据成果无法达到入库标准。上海市城市规划设计研究院已经研究编制了《上海市管线规划成果数据标准》和《上海市管线工程平面设计图数据标准》，上海市测绘院再次修订了《上海市地下管线测绘规范》。上述标准和规范规定了不同阶段的管线数据内容和要素分类、数据结构、数据交换文件命名规则、数据内容交换格式和元数据等，确定了不同管线工程的GIS分层标准、GIS图层属性以及CAD制图标准和GIS的对应关系。这些数据标准的修订不仅满足各自规划管理的需要，保证各自环节的数据能有效沉淀到数据库内，还满足下游环节成果数据标准兼容上游环节成果数据标准的基本要求，便于上下环节之间的协调衔接、互联互通，确保数据生产、入库、管理的统一性。

目前，上海市地下管线现状数据来源多样，不同来源数据的精度、管线内部属性等存在差异。上海市测绘院对杨浦区的现状管线数据进行了试点整理入库。通过内业判断、资料调绘、外业探查、管线单位校核等方式，对该院历史积累的杨浦区综合管线数据、历年新建管线跟踪测量数据和管线单位专业数据进行整合、甄别、清洗，并进行接边处理，形成更高精准度的3299km现状管线数据库。再将近年规划管线项目30个(管线长度104km)、2017年管线工程许可项目14个（管线长度19km）、2017年管线跟踪测量项目24个（管线长度17km）的数据入库，研发了数据生产软件，将管线规划审批、工程许可、跟测、竣工、废弃处置、现状等规划管理全生命周期各个阶段的信息关联，将各阶段的批文号、许可证号、合格证号等全生命周期规划管理的信息一并沉淀下来，还联合上海市城建档案馆研究将管线电子竣工档案纳入库中，形成了涵盖规划管理全生命周期所有阶段的数据库，实现管线规划管理信息化全覆盖。同时建立现状管线数据修补机制，在管线规划或施工阶段，发现不明管线（含功能废弃的管线）、管线位置不准的，落实了补测、验收、资料归档、数据入库等工作。已按规划拆除的废弃管线，其具体数据要纳入到测绘报告中；暂不具备拆除条件的，新建替代管线工程的测绘报告也要应当包括废弃管线的具体数据，一并入库。

统一的地下管线全生命周期规划管理数据库将一个城市基础地理信息、各种管线的空间信息及它们复杂的属性信息一体化存储，分类、分层地进行存储管理，可以为电力、通信、燃气等行业规划的编制提供全面基础支撑，为区域乃至全市范围内发展需求模型计算分析提供详实的规划、在建和现状数据；也能够为行业管理部门、应急处置部门提供区域内精确的各类三维空间数据，为行业管理部门统筹规划、协调管理提供便利。

1.2 覆盖地下管线规划管理全生命周期的管理制度

协调兼容的地下管线数据库能够为规划管理提供强大的支撑，与之同时，规划管理也要满足地下管线数据库的信息精准、更新及时的管理需求。规划审批和工程许可环节中，设计单位须按分别按照《上海市管线规划成果数据标准》和《上海市管线工程平面设计图数据标准》制作电子报件，在窗口受理时利用数据预检工具对电子报件的信息完整性、图层组织和命名正确性、属性字段输入完整性、属性值正确性与规范性逐一进行检查，确保电子报件符合入库标准。经办人在审理时增加了填写成果入库流转单环节，提出管线规划图、工程图入库要求。在文书打印送达时增加打印送达规划核查告知单、档案核查办理需知，向管线建设单位告知管线工程批后的规划核查管理要求，以强化提高规划核查阶段的管理。然后打印成果入库流转单，并按流转要求将数据和案卷流转至成果管理部门进行成果入库，最后再移交至档案馆归档。将跟踪测量、竣工验收、档案验收等管理信息一并沉淀到数据库中，以满足地下管线数据库的信息精准、更新及时的管理需求。杨浦区试点运行中，通过组建微信群，共享“挖掘城市道路许可”和“道路修复”信息。规划执法部门可以按照“挖掘城市道路许可”信息及时核查管线的开工复验，测绘质检管理部门可以按照“挖掘城市道路许可”信息及时对跟踪测量工作进行现场监督检查，按照“道路修复”信息督促测绘单位及时送检测绘成果，进一步提高了规划核查管理的效率。

1.3 关键技术

本管线系统由于覆盖地下管线规划管理的全生命周期，涉及内容多，在整个系统中使用了许多不同类型的技术来保证系统的正常运行。系统使用的核心技术主要包括：

（1）海量数据存储与管理技术

系统运用Oracle空间数据库来存储系统所需的矢量、影像、基础地形、管线、三维模型等海量数据，通过空间数据引擎ArcSDE，实现空间数据的高效率访问[5]，支持大量用户在同一数据上执行各种应用，并使数据争用最小，保证数据使用便捷顺畅高效。

（2）B/S、C/S相结合的多层分布技术

C/S结构可以提供数据的高效访问、实现复杂的空间数据编辑等特点，B/S可以用于满足大量用户对空间信息的访问需求。系统针对不同管线单位的实际情况，合理选择架构方式开发网络地理信息系统，采用B/S与C/S相结合的多层分布式技术以满足客户的不同需求，并根据实际情况配置胖、瘦客户端。

（3）XML和Web Service技术

XML用来标记文件使其具有结构性，它可以让标记者自己来标记所要定义的信息。XML只用元素和属性来描述数据,而不提供数据的显示方法，因此，其标记的数据独立于平台和语言，具有灵活性、多样性及内容与形式分离等半结构化特征。Web Service使用开放的XML标准，有助于在分布式网络环境下交换数据，其简单性和可扩展性使得大量异构平台之间的数据具有互操作性的特点。

（4）二、三维一体化技术

相对于二维GIS，三维GIS不仅提供了三维的视觉认知，而且提供了三维空间分析方法与功能。系统采用二维、三维平台结合一体化的方式来构建地下管线的共享发布系统，实现了数据存储与管理、可视化、分析功能等多方面的二三维一体化应用，使用户能够同在浏览逼真的三维管线的同时也能实现复杂的统计分析功能，实现 “地上地下一体化”、“专业综合一体化”的总体框架[6]。

2 系统模块设计

根据地下管线全生命周期规划管理制度和管线综合数据库的要求，系统模块主要分为数据更新模块、综合管理模块以及共享发布模块。

数据更新模块主要实现了对入库的管线数据进行检测和对在库的管线数据进行不定期维护。通过以窗口检查的形式，运行集成了AutoCAD检查等一系列检查功能的窗体应用程序，对上交给管线管理部门的数据成果的标准性和规范性进行检查，保证了管线入库数据的现势性与准确性。同时设计并实现了数据检测子系统，可以提供给管线数据生产单位预先进行自检，提高数据质量。对于现状管线数据的更新，通过把需要更新的局部范围内的数据提取出来用作修测的数据源，只对其中相应的内容进行更新，来节省成本和提高更新效率。

综合管理模块是整个信息系统的核心枢纽，用B/S架构进行开发，包括查询、比对、统计分析、权限管理及系统管理等功能。针对不同权限的管线职能部门和不同类型的管线数据，在采用用户名和密码登陆的基础上，对系统用户根据权限进行分组，并进行分级管理，设定各自的操作权限，以网页方式为不同层面的管理人员提供相应的综合管线管理服务。

共享发布模块主要实现地下管线数据在二维三维模式下的浏览发布，用户可在此基础上进行地下管线的检查询统计、量测比对、图形打印、断面图制作和输出以及相关的业务功能。系统部署在上海市政务外网上，使权属单位通过该系统不仅仅可以浏览查询管线数据，也能通过该系统进行管线数据的申请、上传与下载[7]。

3 系统架构设计

本系统基于目前IT技术中流行而比较成熟的“N”层结构方案[8]。系统的架构体系如图1所示:

图1 系统架构设计图Fig.1 System architecture design

整个地下管线管理系统平台的系统架构可以分为基础设施层、数据层、服务层、应用层等四个层次。基础设施层主要包括服务器主机、存储、网络、安全设备、路由设备及其它外围设备，还包括服务器虚拟化软件平台、操作系统、GIS平台、数据库系统等；数据层主要包括规划、许可、跟测和竣工等各阶段地下管线数据，以及相关的基础地形数据、航空影像数据、元数据、用户信息数据、文档数据等；服务层是以WEB服务为中心的信息系统，它不是一种孤立的系统，而是一个存在于WEB上的服务中心和一个分布式服务系统，包含各类基础地理信息和地下管线的浏览、查询、分析等服务；应用层则包括涵盖地下管线规划审批、工程许可和规划核查的全过程，以B/S和C/S相结合的方式开发，实现规划审批、工程许可、规划核查等管理工作的平台上运转，确保城市地下管线安全，同时为将来地下管线的安全运行和应急保障提供数据服务。

4 系统实现

整个系统依托ArcGIS平台，利用SSM（Spring、Spring MVC、Mybatis）框架进行开发搭建，C/S架构系统基于ArcMap Editor开发，B/S架构系统后台数据服务采用ArcGIS Server 发布，前端使用CMV开发实现。综合管线数据采用Oracle Spatial存储，利用ArcSDE进行连接调用。系统在杨浦区进行了试点运行，实现的主要功能包括：

4.1 基于地图切片技术的基础地理信息浏览

通过将常用的地图预存在服务器端，不需要对用户的请求进行实时计算和绘图[9]，能够在地图的显示方面具有速度的优越性，大大改善了地图的拖动、缩放以及不同比例尺下的快速浏览。可以通过平移、放大、缩小、缩略图等方式查询地形信息，提供选择结合政务地图、航空影像或者综合地形图来浏览二维管线的功能，如图2、图3所示：

图2 政务底图上浏览管线Fig.2 Browse the pipeline on the government base map

图3 航空影像底图上浏览管线Fig.3 Browse the pipeline on the aerial image base map

4.2 三维管线场景浏览

结合地表建筑与地下空间结构，提供任意角度和任意方式的三维场景浏览，方便城市的建设部门和管线权属机构，远距离浏览查询和形象地观测地下管线的复杂分布和相应的空间关系，充分实现管线信息的共享，如图4所示。

4.3 查询、量测、统计功能

通过一定的图形绘制操作和条件选择，可以查找所需地下管线数据，同时定位查询结果，并根据固定的统计条件对查询所得数据进行统计[10]。查询方式主要包括快速查询、空间查询和关键字查询。关键字查询即根据用户定义的关键字选取地下管线数据库中符合查询条件的地下管线数据信息，也可以选择属性查询、空间查询、管径查询、材质查询等作为辅助查询条件，确定查询范围。三种查询方式产生的查询结果均能进行统计，最终生成统计图表。

图4 三维管线场景浏览Fig.4 Three-dimensional pipeline scene

量测功能主要包括距离量测、面积量测和管间距离等。用户在面对可视区域的地下管线数据时，通过自主绘制简单图形，动态获取所需的图上距离、面积、角度等计量数值，便于地下管线查询定位后管线自身、管线之间、管线用地面积的估算，为管线的铺设规划和详细设计提供一定的参考和确认。

4.4 分析功能

分析功能从多方面为城市地下管线管理部门提供管线空间信息和属性信息，包括快速准确地对管线运行的突发事故作紧急处理、协助科学地进行地下管线的规划和辅助设计、指导市政工程的文明施工和预防性维护等。其中模拟开挖分析能根据用户定义的开挖区域和深度浏览开挖部分的地下管道，并自动计算施工开挖量，尽可能减少和避免施工开挖过程中产生地下管线安全隐患；纵横截面分析能将各类地下管线的颜色分类后，按照指定的颜色绘制地下管线截面，并将分析产生的各类地下管线详细信息如管径、地面高程、管线高程、规格和埋深等数据以列表窗口的形式展现，使得地下管线的空间分布信息展示得更加直观和清晰，相关分析界面如图5、图6所示：

图5 管线三维挖填方分析界面Fig.5 Analysis interface of the excavation and embankment of 3D pipeline

图6 管线横断面分析界面Fig.6 Analysis interface of the cross section of pipeline

4.5 比对功能

在系统中选择需要比对的相关图层，通过调整图层透明度或打开图层卷帘开关，结合系统自带的量测工具，可以比对相关管线的空间位置偏差。另外，用户还能将需要放入系统中比对的临时文件拖拽入指定窗口，系统会自动读取文件内容，并将文件内容绘制在图上，实现与已其他阶段已入库数据的直观比对。

5 结论

上海市地下管线全生命周期地理信息系统在地下管线全生命周期规划管理制度和管线综合数据库的基础上，利用行业内领先的WebGIS开发技术，搭建了服务于管线管理部门、政府职能单位、管线权属单位的一整套服务系统，实现了地下管线从规划审批、工程许可、核查管理到运行维护的全生命周期管理机制。本文总结了该系统在杨浦区试点运行的经验积累，希望可以为其他城市和地区提供借鉴。