【文章內(nèi)容簡介】 ArcInfo、 Intergraph），有的甚至用 AutoCAD 探索開發(fā)管線 江蘇 大學畢業(yè)論文 3 信息管理系統(tǒng)。與此同時 ， 國產(chǎn) GIS 平臺研制成功（如 MapGIS），用國產(chǎn) GIS平臺也開發(fā)出了地下管線信息管理系統(tǒng)，如 1994 年開發(fā)成功的南京煉油廠綜合管線信息管理系統(tǒng) 、 江西南昌自來水管網(wǎng)信息系統(tǒng) 和蘇州市城市地下管網(wǎng)地理信息系統(tǒng) 等，由此城市地下管線信息管理系統(tǒng)的發(fā)展進入一個新的階段。 但是由于種種原因，目前城 市地下管線的管理存在若干問題。首先，由于地下管線現(xiàn)狀資料的缺漏和偏差而造成的盲目施工，時常損壞地下管線，導(dǎo)致停水、停電、停氣、通訊中斷，甚至引起災(zāi)害事故。其次，由于事先缺乏地下管線現(xiàn)狀資料，有些道路及管線工程無法按設(shè)計進行施工，不得不在現(xiàn)場修改設(shè)計方案，且覆土前又未進行竣工測量，造成管線數(shù)據(jù)的動態(tài)更新難以實施。此外，城市管線資料來源不明確，精度不可靠，且在傳統(tǒng)的管線資料管理模式下，圖文表格不統(tǒng)一，分類統(tǒng)計、檢索速度慢，不利綜合分析，存在較多弊端。所以要實現(xiàn)城市管理的科學化、現(xiàn)代化，就必須實現(xiàn)管線資料的數(shù)字化 管理，對城市內(nèi)的管線進行普查，并對管線資料的管理做出長遠規(guī)劃。 本文研究內(nèi)容 地下管線信息系統(tǒng)一方面依賴各種比例尺的地形圖，特別是以地形圖為基礎(chǔ)的專題管線圖來管理其空間地理位置信息；另一方面非空間信息（如管線材質(zhì)、規(guī)格、管線高程，底程、埋設(shè)年代等）則一般是通過各種不同規(guī)格的表格數(shù)據(jù)形式來管理。這種相對獨立且分散的基于文檔的管理方法，其弊病是顯而易見的：首先表現(xiàn)在于表格文檔和地圖文檔的非同步更新，造成內(nèi)容上的不一致和混亂；其次，紙質(zhì)文檔有不易查詢、保存攜帶、復(fù)制和不便于保密等缺點。 近幾年隨著計算機技 術(shù)的發(fā)展，有一些管線權(quán)屬單位也采用計算機技術(shù)進行地下管線信息的管理，如通過 AutoCAD 生成地下管線圖，用 Microsoft Excel 或Foxpro 保存管線、管點的屬性信息，這對地下管線信息的管理發(fā)揮著很大的作用，但也存在嚴重的不足，就是 地下管線探測 與信息技術(shù)分離， AutoCAD 只顯示空間數(shù)據(jù)，無法顯示屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)沒有有機的結(jié)合在一起；有時管線信息數(shù)據(jù)可能由于測量出現(xiàn)較大偏差或者人為的原因弄錯，在入庫時沒有一個合理的機制去進行數(shù)據(jù)正確性和合理性檢查；管線信息的查詢、統(tǒng)計、分析都要手工進行， 不僅效率低，而且容易出錯，無法形成科學、系統(tǒng)的事故分析和決策。 目前大多數(shù)系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)格式單一，數(shù)據(jù)互操作性不強，有的系統(tǒng)雖然支持多種數(shù)據(jù)格式，但在數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化中常常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、變形等問題。這樣使得系統(tǒng)無法和其它相關(guān)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享，造成多種系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的不一致，系統(tǒng)在使用時往往需要重新錄入數(shù)據(jù)，給用戶使用帶來很大不便?；谠?GIS二次開發(fā)平臺開發(fā)的地下管線管理系統(tǒng)，大多數(shù)只具有原平臺提供的常用空間分析功能，而缺少針對管線數(shù)據(jù)管理所需要的網(wǎng)絡(luò)分析功能，或者只提供了很簡單 江蘇 大學畢業(yè)論文 4 的網(wǎng)絡(luò)分析功能。 本文通過廣泛 查閱相關(guān)文獻資料，開發(fā)并實現(xiàn)了地下管線信息系統(tǒng)，主要工作包括： （ 1） 設(shè)計了適于管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲的柵格矢量一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲管網(wǎng)數(shù)據(jù)，在保證管線數(shù)據(jù)全面、準確的同時，簡化了存儲操作，提高了管網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲效率。 （ 2） 討論了幾種常規(guī)空間網(wǎng)絡(luò)分析包括事故分析、縱橫斷面分析、緩沖區(qū)分析以及最短路徑分析問題的解決方案；采用深度優(yōu)先遍歷方法，實現(xiàn)了 Dijkstra算法。 （ 3） 數(shù)據(jù)錄入及入庫過程中實現(xiàn)完整性，合理性以及準確性檢查。 （ 4） 三維圖形顯示。 （ 5） 設(shè)計了 C/S 模式的網(wǎng)絡(luò)版地下管線信息系統(tǒng)，實 現(xiàn)了遠程管線數(shù)據(jù)的管理和非常完備的管線空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)編輯及維護功能。 論文的結(jié)構(gòu) 本文主要分為六章，其主要內(nèi)容概要如下： 第一章主要介紹了課題的背景和研究意義，概述了地下管線信息系統(tǒng)應(yīng)用范圍，總結(jié)了目前現(xiàn)有的城市地下管線信息管理系統(tǒng)中存在的不足，闡述了本文的主要研究工作。 第二章介紹了地理信息系統(tǒng)和地下管線信息系統(tǒng)的概念及其關(guān)系，論述了GIS 開發(fā)模式和組件式 GIS。 第三章分析了管線數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計了城市地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼和管線數(shù)據(jù)組織模型；論述了事故分析、最短路徑分析、緩沖區(qū)分析和縱、 橫斷面分析流程；采用深度優(yōu)先遍歷方法的實現(xiàn)了 Dijkstra 算法。 第四章對系統(tǒng)進行了需求分析，并根據(jù)需求分析明確了系統(tǒng)設(shè)計基本原則，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能模塊和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)字典。 第五章設(shè)計了城市地下管線信息系統(tǒng)基于 MapObjects 的 C/S 模式體系結(jié)構(gòu)，說明了構(gòu)成系統(tǒng)的幾個模塊的功能；對系統(tǒng)實現(xiàn)中的幾個關(guān)鍵問題，給出了解決方法。 第六章對總結(jié)全文工作，并對地下管線信息系統(tǒng)的下一步工作進行展望。 江蘇 大學畢業(yè)論文 5 第二章 相關(guān)理論與技術(shù)基礎(chǔ) 地 理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)的概念 地理信息系統(tǒng)（ GIS）是以采集、存儲、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng) [8]。美國國家地理信息與分析中心（ NCGIA）于 1988 年曾給地理信息系統(tǒng)下過一個定義：為了獲取存儲檢索分析和顯示空間定位數(shù)據(jù)而建立的計算機化的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) [9,10]。 GIS 是以計算機為基礎(chǔ)的新興技術(shù)，圍繞著這項技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用形成了一門交叉性、邊緣性的學科，主要涉及地理學、測量學、制圖學、攝影測量與遙感、計算機科學等領(lǐng)域 [11~13]。 GIS 是管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)、在計算機 軟硬件支持下，它可以對空間數(shù)據(jù)按地理坐標或空間位置進行各種處理、對數(shù)據(jù)（包括地理實體的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)）的有效管理、研究各種地理實體及相互關(guān)系，通過對多種地理要素的綜合分析，迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息，并以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果 [12~15]。 地理信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 廣義上講，地理信息系統(tǒng)由硬件設(shè)備、計算機軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素組成。硬件設(shè)備包括數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、輸入設(shè)備 (如數(shù)字化儀、掃描儀、全數(shù)字攝影測量工作站等 )、輸出設(shè)備（如矢量繪圖儀、柵格式繪圖設(shè)備等）；數(shù)據(jù)包括與地理實體相 關(guān)的各種定量數(shù)據(jù)和定性數(shù)據(jù)：用戶則是地理信息系統(tǒng)服務(wù)的對象[16~20]。 狹義的地理信息系統(tǒng)僅指計算機軟件，軟件部分由五個子系統(tǒng)組成（如圖 所示）。 江蘇 大學畢業(yè)論文 6 數(shù)據(jù)采集 是解決把現(xiàn)有資料轉(zhuǎn)換為計算即可處理的形式，按統(tǒng)一的參考坐標系統(tǒng)、統(tǒng)一的編碼、統(tǒng)一的標準和結(jié)構(gòu)組織到數(shù)據(jù)庫中的處理過程。數(shù)據(jù)的采集方法包括：現(xiàn)有地圖數(shù)字化、野外測量數(shù)據(jù)、航空攝影測量、數(shù)字式地理信息處理、屬性數(shù)據(jù)和文字信息的錄入等。 數(shù)據(jù)編輯 指對地理信息系統(tǒng) 中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)組織和修改等。包括空間數(shù)據(jù)編輯和屬性數(shù)據(jù)編輯，空間數(shù)據(jù)編輯就是利用地理信息系統(tǒng)軟件工具，對現(xiàn)有的己采集到的空間數(shù)據(jù)進行處理和再加工的過程。 數(shù)據(jù)存儲管理 地理數(shù)據(jù)不僅具有地理目標的空間位置與形狀的三維信息，而且還有空間關(guān)系和屬性信息；它不但描述地理目標的現(xiàn)狀，還可描述地理目標的過去和預(yù)測未來，可以具有第四維的時間信息；作為各種專題信息的公共空間載體，數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性、權(quán)威性要求很高，并與各類專題數(shù)據(jù)相關(guān)，涉及面廣，數(shù)據(jù)共享性強 [20~24]。 查詢與空間分析 對單幅或多幅專 題圖件進行分析運算和指標量算。地理信息系統(tǒng)的查詢與空間分析功能是 GIS 的主要特色功能，是區(qū)別于一般地圖制作系統(tǒng)的主要特點。 輸出與表示 輸出與表示是指將 GIS 內(nèi)的原始數(shù)據(jù)或經(jīng)過系統(tǒng)分析和轉(zhuǎn)換后重新組織的數(shù)據(jù)以某種用戶可以理解的方式提交給用戶；表示方式可以是地圖、表格、圖表、文字、數(shù)字、影像等。 本文所提到的地理信息系統(tǒng)均是指狹義上的地理信息系統(tǒng)。 地下管線 系統(tǒng) 地下管線的概念 一條管線就是由管線點按一定連接關(guān)系構(gòu)成的線，代表實際管線的走向。管線要實現(xiàn)在計算機內(nèi)的管理就必然面對如下問題： 空間數(shù)據(jù)輸入及其它格式轉(zhuǎn)換 空間查詢、統(tǒng)計、分析，規(guī)劃 制圖與輸出 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)編輯 空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及后臺 GIS 系統(tǒng) 圖 GIS 軟件的結(jié)構(gòu)組成 江蘇 大學畢業(yè)論文 7 ? 管線的起點、終點位置； ? 管線的屬性數(shù)據(jù)（如管徑、材料、埋設(shè)方式等）的特點及其表示方法； ? 管線點的性質(zhì)。 要解決上述問題，就必須對信息系統(tǒng)內(nèi)的每條管線給出嚴格的定義，這關(guān)系到整個地下管線信息系統(tǒng)的綜合查詢、網(wǎng)絡(luò)分析、斷面生成等綜合功能的實現(xiàn)。 地下管線分為地下管道和地下電纜兩大類： ? 地下管道包括給水、排水、煤氣、熱力及工業(yè)管道； ? 地下電纜包括電力及電信電纜。 各大類仍可向下細分，各類管線又設(shè)有不同的建筑物、構(gòu)筑物以及附屬設(shè)施，具體如表 所示。 表 地下管線的分類 專業(yè) 建（構(gòu)）筑物 附屬設(shè)施 給水 水源井、給水泵站、水塔、清水池、凈化池 閥門、水表、消火栓、排水閥、排泥閥、預(yù)留接頭、各種窨井 排水 排水泵站、沉淀池、化糞池、凈化構(gòu)筑物、暗溝、地面出口 檢查井、跌水井、水封井、仲洗井、沉泥井、排污裝置 燃氣、熱力、工業(yè) 抽水井、調(diào)壓房、煤氣站、鍋爐房、動力站、儲氣罐、冷氣塔 濃縮器、排氣 (排水、排污 )裝置、凝水缸、各種窨井 電力 變電所、配電室、電纜檢修井、各種塔（桿） 桿上變壓器、露天地面變壓器 通訊 電纜檢修井、控制室、變換站、塔、桿、增音站、差轉(zhuǎn)臺 交接箱、分線箱、各種窨井 這 些建、構(gòu)筑物和附屬設(shè)施按照其本身的運轉(zhuǎn)特性有機結(jié)合，構(gòu)成城市的生命線工程。以給水管網(wǎng)為例，它是一個由各種管道、水源、泵站、水塔、調(diào)節(jié)閥（減壓閥，止回閥等）、用戶等多種設(shè)施構(gòu)成的龐大而復(fù)雜的輸水管道系統(tǒng)。 地下管線 GIS 的幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)可以用如圖 所示的方法連接起來。 地下管線 管線的線 管線點 空間數(shù)據(jù) 屬性數(shù)據(jù) 空間數(shù)據(jù) 屬性數(shù)據(jù) 圖 地下管線的層次結(jié)構(gòu)示意圖 江蘇 大學畢業(yè)論文 8 地下管線信息系統(tǒng)與 GIS 的關(guān)系 地下管線信息系統(tǒng)的實現(xiàn)方式之一是由城市各職能部門和各有關(guān)行業(yè)的實體以各自成熟運行的專業(yè) (或?qū)ｎ} )GIS 以一定方式集成為一體。地下管線信息系統(tǒng)是以城市地下管線信息為主要對象的空間信息系統(tǒng)，地下管線信息自身有確定的空間定位，能夠自成體系，它是系統(tǒng)空間信息的一種組成部分。 地下管線信息系統(tǒng)就是在 GIS 基礎(chǔ)上開發(fā)出來的綜合性系統(tǒng)， 它與 GIS 系統(tǒng)一樣都包含 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)存儲管理 、查詢與空間分析 五個部分 [3,5,8]。 城市 地下管線信息系統(tǒng)是城市地理信息系統(tǒng)（ UGIS）重要的組成部分，是GIS 在城市管理中的現(xiàn)實應(yīng)用，是對 GIS 的發(fā)展和延伸。 地下管線系統(tǒng)的特點 從功能上來說，城市地下管線信息系統(tǒng)應(yīng)能快速提供現(xiàn)勢性強、真實準確的地下管線信息，并能實現(xiàn)快速查詢、綜合分析、輔助設(shè)計等操作，從而為城市的發(fā)展預(yù)測、規(guī)劃決策等管理提供可靠的依據(jù)。同時，它不同于一個單純的 MIS（信息管理系統(tǒng)）、 DSS（決策支持系統(tǒng)）、 OA（辦公自動化系統(tǒng)）等，它是在某種條件下各系統(tǒng)的綜合運用，不 僅應(yīng)用于城市管線的日常管理工作，還可以進行城市規(guī)劃的輔助設(shè)計等管理方面 [6,8]。 根據(jù)對城市地下管線信息系統(tǒng)的功能要求，可歸納出該系統(tǒng)的如下特征： (1)有效地實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)（圖形數(shù)據(jù)）和非空間數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）這兩種不同性質(zhì)數(shù)據(jù)的操作和管理。空間數(shù)據(jù)表示所描述特征的幾何位置，非空間數(shù)據(jù)是對此位置上特征的屬性描述，兩者有效的結(jié)合才能使“ GIS 的統(tǒng)計與分析”優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。 (2)所需存儲、處理的數(shù)據(jù)量大，內(nèi)容繁雜。地下管線信息系統(tǒng)以城市地下管線空間信息為主要操作對象，而任何城市的地下管線，都包括電力、通 訊、燃氣、熱力、上水、雨水、污水、工業(yè)及各種其它管道。它們隸屬于不同的專業(yè)部門管理、建設(shè)和維修，但又是一個有機的整體。城市地下管線信息系統(tǒng)對這些空間特征的表示，甚至比常規(guī)地形特征描述更為復(fù)雜。 (3)點線相連