（计算机软件与理论专业论文）基于arcsde的城市地下综合管网信息系统设计与实现.pdf

基于a r c s d e 的城市地下综合管网信息系统设计与实现 摘要 地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是城市规划、建设和管理的重要基础信 息。城市地下管线就像人体的“神经 和“血管”，日夜担负着传送信息输送血液的功 能，是城市得以正常运转的物质基础，被称为城市“生命线”。建立管网信息系统对维 护城市“生命线”的正常运行，保证人民的正常生产、生活和社会发展具有重大的现实 意义和深远的历史意义。 论文在介绍城市地理信息系统的概念和发展现状的基础上指出城市地下管网信息 系统是城市地理信息系统的重要组成部分，分析了当前城市地下管网管理的现状，指出 了空间数据库和空间数据引擎技术应用于城市地下管网管理的必要性和优越性。在介绍 空间数据库基本概念的基础上，着重分析了e s r i 公司的空间数据库引擎a r c s d e 能将空 间数据和属性数据集成在数据库中的这一关键技术。 地下管网数据组织与数掘库设计是建立地下综合管网信息系统的前提和基础，空间 数据库设计更是地下综合管网信息系统开发设计的核心。论文介绍了管网数据组织的内 容和方法，为解决当前多数地下管网信息系统采用文件一关系数据模型的系统设计在管 网数据管理和空间分析方面的不足，论文提出采用面向对象的数据模型g e o d a t a b a s e 。 应用a r c s d e 空间数据引擎结合o r a c l e 数据库平台实现对地下管网空间数据和属性数据 一体化管理的方法，在此基础上完成了管网空间数据库的数据模型和数据结构设计并提 出数据库优化的两个方向。 论文设计研究了城市地下综合管网信息系统的总体结构和功能模块：分析了系统用 户需求，论述了系统的设计原则、目标、开发方式和开发平台工具，在此基础上，完成 了系统总体结构设计和图形显示编辑、查询、断面分析、空间量测、统计报表打印、爆 管分析等具体功能模块的设计与实现。 其中断面分析和爆管分析是管网g i s 中两个重要的空间分析功能，论文主要论述了 断面分析和爆管分析的功能任务、工作流程和具体实现方法，对断面和投影的图形展现、 动态生成比例尺和坐标刻度等一些细节问题做出了分析，并给出了爆管分析在管网系统 中的应用实例。 最后，对论文的主要工作进行了总结，对需要进一步深入研究的内容提出了自己的 设想。 关键词：地下综合管网：空间数据库；a r c s d e ；系统设计；空间分析 u d e s i g na n dr e a l i z a t l 0 no fi n t e g r a t e du r b a n u n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r ki n f o r m a t l 0 n s y s t e mb a s e d 0 na r c s d e a b s t r a c t u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fu r b a ni n f r a s t r u c t u r e ，a n dw h i c h o f f e rm a j o ri n f o r m a t i o ni nt h eu r b a np r o g r a m m i n g ，c o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t u r b a n u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sa r ej l a s tl i k et h e “n e r v o u s ”a n d v a s c u l a r ”o fh u m a nb o d y , w h i c h t r a n s m i ti n f o r m a t i o na n dt r a n s p o r te n e r g y i ti st h em a t e r i a lb a s i so ft h eu r b a n sd e v e l o p m e n t a n di sc a l l e d “l i f e l i n e ”i th a sg r e a tr e a l i s t i ca n df a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c et os e tu pu p gi s w h i c hi sc a l l e du r b a n “l i f e l i n e ”，t om e e tp e o p l e sd a i l yl i f ea n ds o c i a ld e v e l o p m e n t o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p ta n dt h ep r e s e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o no ft h eu r b a n g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h i st h e s i s i n d i c a t e st h a tt h eu r b a nu n d e r g r o u n dp i p e l i n e n e t w o r kg i si sa ni m p o r t a n tp a r to fu g i s ，a n da n a l y s e st h ec u r r e n tm a n a g e m e n ta c t u a l i t y , c l a r i f i e st h en e c e s s i t ya n ds u p e r i o r i t yt h a ta p p l y i n gs p a t i a ld a t a b a s et e c h n i q u ea n ds d et ot h e m a n a g e m e n to fu r b a nu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r k ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t o fs p a t i a ld a t a b a s e ，t h e na n a l y s e se m p h a t i c a l l ye s r i sa r c s d ew h i c hc a ni n t e g r a t es p a t i a l d a t aa n da t t r i b u t ed a t a t h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r kd a t ao r g a n i z a t i o na n dt h ed a t a b a s ed e s i g na r et h e p r e m i s ea n df o u n d a t i o no fb u i l d i n gu pt h eu n d e r g r o u n di n t e g r a t e dp i p e l i n en e t w o r kg i s ，a n d s p a t i a ld a t a b a s ed e s i g ni st h ec o r eo ft h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fu n d e r g r o u n di n t e g r a t e d p i p e l i n en e t w o r kg i s t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n t e n t sa n dm e t h o do ft h ep i p e l i n en e t w o r k d a t ao r g a n i z a t i o n m o s to fc u r r e n tu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r ku s ef i l e r e l a t i o nd a t am o d e l s i i i f o rt h o s es h o r t a g e st h a tt h e s em o d e l sh a v ei nt h ed a t am a n a g e m e n ta n dn e t w o r ks p a t i a l a n a l y s i s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dam e t h o dt h a tr e a l i z e st h ei n t e g r a t i v em a n a g e m e n to fs p a t i a l d a t aa n dp r o p e r t yd a t ao fu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r kb yc o m b i n i n ga r c s d ew i t ho r i c l e d a t a b a s ew h i c hu s i n gg e o d a t a b a s es p a t i a ld a t am o d e l o nb a s eo fw h i c ht h ep a p e rd e s i g n s i n t e g r a t e du n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r kd a t am o d l ea n dd a t as t r u c t u r e ，t h e ng i v e st w o d i r e c t i o n so fd a t a b a s eo p t i m i z a t i o n t h et h e s i sf o c u s e so nt h eo v e r a l ld e s i g no ft h eu r b a nu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r k i n t e g r a t e dg i sa n dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ef u n c t i o nm o d u l e s t h et h e s i s d i s c u s s e st h ep r i n c i p l ea n dt a r g e to fs y s t e mo v e r a l ld e s i g n ，a n dt h e nc o m p l e t e st h es y s t e m t o t a ls t r u c t u r ed e s i g n ，g r a p h i cd i s p l a y , e d i t ，s e a r c h ，s e c t i o na n a l y s i s ，s p a t i a lm e a s u r e m e n t , s t a t i s t i c a lf o r m so u t p u ta n ds oo na c c o r d i n g 幻t h es y s t e mt o t a lt a r g e t ，t h ed e s i g np r i n c i p l ea n d t h ec u s t o m e rd e m a n d s e c t i o na n a l y s i sa n db u r s t i n ga n a l y s i si st w oo ft h ei m p o r t a n ts p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n s o fu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r ki n t e g r a t e dg i s t h et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h e s ew o r k p r o c e s s ，f u n c t i o n a lt a s k , a n di m p l e m e n tm e t h o d s p r o b l e m ss u c ha sg r a p h i c sd i s p l a y i n g ，t h e g e n e r a t i n go fd y n a m i cs c a l e sa n dg r a d u a t i o n sa r ea n a l y z e di nt h i sa r t i c l et o o t h ep a p e ra l s o g i v e sa p p l i c a t i o ne x a m p l e so fb u r s t i n ga n a l y s i s a tl a s t ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h em a i nj o ba n dp u t sf o r w a r dt h ew o r kn e e dt od oi nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：i n t e g r a t e du n d e r g r o u n dp i p e l i n e n e t w o r k ；s p a t i a ld a t a b a s e ； a r c s d e ；s y s t e md e s i g n ；s p a t i a la n a l y s i s i v 浙江师范大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声 明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 涨青， 日期：沙i ) 年万月 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采 用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名：力呔煳、 导师签名： 日期节i ；月，日 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺r 觉遵- 浙江师范大学研究! e 学术道德规范管j 1 e 条例。 我的学位论文中凡引用 也人已经发表或未发爱的成聚、数据、脱点等， 均已, j l ( i s o i 王明并详细列： ：仃天文献的轵称、作肯、年份、刊物名称和 ：版文献的：l ：版杉l 构、：i 版地彝i 叛次等内容。论文中未；毫n j 】的内罕；为 本人的研究成果。 如仃违反本人接受处州i j 并承担。切贵f e 。 承潇入( 研究乍) ：鸟乞也孑 指导教 1 绪论 1 1 研究背景与国内外研究现状 1 1 1 研究背景 随着城市经济水平的提高、规模的扩大和发展步伐的加快，作为城市地下动脉的管 网也变得越来越复杂，越来越庞大。据统计，到2 0 0 4 年，全国建成城市各类管线总长 度约7 3 2 万公里，其中供水管线3 3 。3 3 万公里：供气管线1 3 0 2 万公里：排水管线1 9 8 6 万公里【l 】。它提供城市高质量高速度运转所必需的物质流、信息流、能量流、价值流， 从而保证各种生产经营和社会活动的正常进行，作为重要基础设施的城市地下管网是建 设现代化城市的前提，对加速实现城市现代化具有重要意义。 然而，在地下管网的日常管理中，数据采集、查询、转绘图档等工作效率低：在发 生爆管事故时无法对迅速确定需要关闭阀门以致延误了应急处理；库存管理信息资源利 用率低，且不方便；各专业管线管理部门无法做到信息共享等种种问题困扰着相关部门， 同时，传统的手工收集和管理管网数据及图件的方式已被证明无法满足当前日新月异的 发展和海量数据管理的要求，从而引发了数据应用的安全性、一致性、并发性与完整性 等问题口1 。尤其对于一个人口多、市政设施建设频繁且城市建设多头管理的大城市，管 网的规模和复杂程度是难以想象的。 随着地理信息科学的迅速发展和在市政建设领域的广泛应用，建立一个应用地理信 息系统( g i s ) 技术的能够为城市地下管网科学管理、规划设计以及辅助决策等工作服务 的城市地下综合管网信息系统，实现对城市地下管线全面的自动化、信息化管理已经成 为当务之急。 1 1 2 国内外研究现状 我国城市地下管网信息系统的研究主要经历了三个时期。 浙江师范人学硕1 ：学位论文 第一个时期是在8 0 年前，城市地下管线的权属部门和城建部门都建有完备的档案 室用来保存管线的竣工图和各种管线的数据信息，但随着管网数据量的几何级的增加， 这种手工管理方式远远跟不上城市发展的速度，弊端同益显现，成为有关管理部门的困 扰。 第二个时期是8 0 年到9 0 年初，我国开展了大规模的城市地下管网普查，并率先使 用计算机辅助制图技术( a u t o c a d ) 绘制管线分布图来摸清城市地下管网情况；使用 f o x p r o 等数据库管理系统独立存储，但这种方式很难统一利用和管理管线信息，并且 也难以对信息进行几时的更新。 第三个时期就是9 0 年代初期至中期，随着g i s 软件的广泛应用，应用g i s 于管线 空间信息和属性信息的管理也逐渐流行开来。9 0 年代初我国相继使用国外的g i s 平台， 有的用a u t o c a d 探索开发管线g i s 。与此同时，国产g i s 平台研制成功( 如m a p g i s ) ， 已有用户使用国产g i s 平台开发出了地下管线g i s ，由此城市地下综合管网的开发研究 在国内有了相当的基础。 从国内外的发展来看，计算机构建地下管网g i s 时，经历了以下几个阶段1 。 第一个阶段是运用数据库管理系统对综合管网资料保存，存储在数据库系统中。这 样的系统具备简单的属性数据管理功能，如录入、修改、查询等。这种方式虽然可有效 管理综合管网属性数据，便于查询分类，但不具备管理图形能力，不能对管线数据进行 检索和网络分析。 第二个阶段是管理信息系统与图形文件相结合来存储管理数据，但仍使用管理信息 系统来存放和处理属性数据，而图形数据则另外通过图形处理软件( 如m a p l n f o 等) 来 录入，以文件形式单独存储。但这种方案下属性数据和图形数据没有做到有机关联，图 形本身所关联的属性信息不能被系统自动关联、提取和显示。 第三个阶段是图形和数据库挂接。它是利用属性数据表中扩展字段来存储对应图形 的数据索引，将图形与对应的属性记录关联起来。但这种数据管理方式中图形和属性的 松散耦合导致关联关系的维护比较复杂，许多更高层次的分析无法展开；对海量数据空 间和属性数据的一体化管理也缺乏有效手段，不利于空间分析和检索。 第四个阶段则是采用空间数据库柬统一管理图形数据和属性数据。综合管网信息和 与之相关的地形、位置信息从根本上是地理信息，这些地理信息具有空间定位、数据量 巨大、信息载体多的特点。通过对输入系统的空间数据的各种操作和处理，研究各种地 2 l 绪论 理实体及相互关系，通过对多种地理要素的综合分析，迅速地满足应用的需要，并以图 表或数据等形式表示处理的结果。 由于g i s 系统具有的技术特点和优势，以地理信息系统技术为支撑，以地面永久性 建筑物空间和属性信息以及所有地下管线空间和属性信息作为基础数据资源，建成城市 地下管网信息管理系统已成为管理城市地下管网的必要手段，管网空间数据与其属性数 据的有机关联，为城市地下管网综合管理提供了强有力的技术支持手段。 1 2 城市地下综合管网信息系统概述 城市地下综合管网信息系统是地理信息科学在城市地下管线管理中的一个典型应 用。它是建立在地理信息系统平台上的应用系统，具有地理信息系统的基本功能，而且 它还能对城市地下管线进行空间分析以辅助决策，借助于地下管线的空间信息和属性信 息，利用g i s 技术、计算机图形学技术、空间数据库管理技术和软件工程等技术，对城 市地下管线进行的综合管理。 1 2 1 城市地理信息系统介绍 1 基本概念 城市地理信息系统( u g i s ) 是地理信息系统的一个分支，是研究计算机技术与空 间地理分布数据的结合，通过海量数据管理及空间分析、网络分析和综合应用分析，为 各行提供信息。它通过运用计算机硬件、软件和网络技术，实现对城市各种空间、非空 间数据的输入、存贮、查询、检索、处理、分析、显示、更新等功能。它与其他信息系 统不同的是，其存储信息是经过地理编码的，具有基础性、区域性、共享性、综合性等 特征。u g i s 是超越城市问题传统解决方法的先进手段，并成为现代城市必不可少的基 础设施h 1 。 2 系统构成 u g i s 由五大要素构成：数据、硬软件环境和网络、规范标准、技术队伍以及组织 管理旧1 。涉及有关的计算机软硬件、空间数据的获取及计算机输入、空间数据模型及数 字表达、数据的数掘库采集、存储、显示等等? 其中软硬件靠采购：规范标准要结合 实际制订；技术队伍靠在实际工作中培养：组织管理靠借鉴他人成功经验和结合本地工 作实践；其中最关键的是数据，数据是u g i s 的“血液 ，是系统运行应用的基础。u g i s 浙江师范人学硕1 ：学位论文 的数据可分为两类：一类是基础数据，包括城市基础地形图、分层电子地图和交通、水 系、境界等信息；另一类是专题数据，即各种专业性的城市地理数据，如地下管网、土 地利用、环保等。 3 系统功能 城市地理信息系统的功能可概括为数据采集、转换和编辑、数据重构和转换、数据 分析与表达、查询检索以及成果输出等功能。 城市地理信息系统的主要功能包括以下四个方面： ( 1 ) 较强的空间信息查询和分析功能：采用u g i s 能对空间数据进行快速搜索和复 杂查询： ( 2 ) 较强的系统集成功能：系统可最大限度的对信息资源加以利用，它通过地理 相关性将不同的数据集成在一起，使不同部门和企业之间的数据共享和交流成为可能： ( 3 ) 辅助决策功能；对城市综合性问题( 如交通网络、投资环境、规划管理、企 业选址或工程效益) 进行综合评价分析，提出方案，供主管部门决策参考； ( 4 ) 自动制图功能。 1 2 2 城市地下综合管网信息系统概况 城市地下综合管网信息系统( u p g i s ) 是目前城市地理信息系统应用中的重要组成 部分，它是以地下管线的空间信息和属性信息为核心内容，利用地理信息系统技术、计 算机图形学技术、数据库管理技术和信息可视化技术，以地下管网信息为主要管理对象 的应用型地理信息系统。建立城市地下管网信息系统的主要目的是为用户快速提供实时 性强、真实准确的地下管线信息并能实现快速查询、综合分析，为城市管理、发展规划 提供依据。 u p g i s 不仅包括大部分的g i s 功能，而且主要分析城市管线与管线、管线与其他市 政设施、管线与其他基础建筑之间的相互位置关系，这些关系也是城市综合管网信息系 统查询、统计、分析、输出的最主要内容。城市地下管网信息系统应能快速提供现实性 强、真实准确的地下管线信息、并能实现快速查询、综合分析、辅助设计等操作，从而 为城市的发展预测、规划决策等管理提供可靠的依据。同时，它应不同于一个单纯的 m i s ( 信息管理系统) 、d s s ( 决策支持系统) 、o a ( 办公自动化系统) 等，而是在某种条件 下各系统的综合运用。不仅能应用于城市管线的日常管理工作，还应能够进行城市规划 4 l 绪论 的辅助设计等管理方面。 1 3 论文选题的意义和研究内容 1 3 1 城市地下管网的管理现状 改革开放以来，城市地下管线建设也进入一个新的高速发展期，但因为技术手段不 够先进，地下管网的管理水平远远落后于城市建设发展水平，城市地下管网传统管理方 式主要存在以下问题： ( 1 ) 权属不同，缺乏统一管理。各类地下管线大多属各个专责的产权部门管理，根据 管线类型由各专业公司负责管理，设计、施工、维修也由各专业公司自行决定，各公司 之间信息沟通甚少，各行业在施工时遇到问题才互相进行沟通协调。有的单位虽然进行 了管线普查，并且也已经建立了本行业的管线动态管理系统，但由于受行业管理限制和 部门利益驱使，缺乏沟通，很难实现资源共享，降低了数据的有效利用价值。 ( 2 ) 地下管线系统不够简明，易操作性不强。城市地下管网资料以图纸、图表等纸 介质记录保存和管理，资料不全、查询不便、更新速度慢，造成信息与现状不符；地下 管网信息分类存放，很难以直观的形式表达管网的综合状况，不能满足规划、管理和施 工的需求。 ( 3 ) 地下管线无法做到信息共享。专业管线管理部门缺乏监管要求各管线施工单位 按规定移交相关资料，无法形成统一的城市地下管线信息的档案系统：各管线专业部门 各自建立独立的专业管线管理系统，信息无法共享，无法形成城市综合地下管线g i s ； 对现有信息不能进行多层次综合统计和分析，不能给城建决策部门提供全面的决策信 息。 地下综合管网的安全运行是现代化城市高效率、高质量运转的基础。由于地下管线 现状资料的缺漏和偏差以及传统管理方式的低效率，在施工中损坏地下管线从而导致停 水、停电、停气、通讯中断等事故的例子层出不穷。因此，必须充分利用城市地下管线 普查结果和地下管线竣t n 量资料建立地下管线数据库，并运用g i s 技术对数据库进行 管理，从而达到建立城市综合管网管理信息系统，实现对地下管线信息的现代化管理的 目的。 浙江师范人学硕= l ：学位论文 1 3 2 应用空间数据库技术建立管网信息系统的必要性 城市管网信息管理系统作为城市地理信息系统的有机组成部分，对于提高整个城市 的信息化管理水平具有一定的促进作用。合理高效的管网信息管理系统不仅能够提高管 网的管理水平，同样能够提高城市居民的生活质量，运用地理信息科学技术来高效管理 地下各类专业管线，满足决策、管理和施工单位的需要，为社会提供多元化的服务等呻1 ， 已成为适应复杂多变的城市地下管网管理的迫切要求。 对信息的处理和分析，g i s 作为一种高速发展的高科技管理系统，成为建立管线管 理系统的首选h 3 。整个地下综合管网信息系统的每一阶段发展过程中都离不开数据库技 术强有力的支持，随着整个城市空间信息化的提高，数据正以惊人的几何级的速度增长。 如何处理海量数据的组织、存储、管理和分发是一个需要迫切解决的问题。因此对于数 据库的研究有很大的现实意义和潜在意义。 由于心c s d e 本身具有海量数据存储、多用户并发访问、版本管理等强大优 势，o r a c l e 是成熟的关系数据库，因此，基于a r c s d e 和o r a c l e 技术构建的空间数据库是 实现管网信息基础设施有效管理的可行性方案，具有无可替代的优越性和巨大的应用前 景： ( 1 ) 借助于地下管网g i s 强大的空间数据库、面向对象技术和成熟的商用数掘库系 统技术，构建对象一关系型的空间数据库，实现多源，多尺度数据的集成和一体化管理， 可以方便地对基础地理信息、管线信息进行修改和更新维护，为用户提供优质的数据服 务。 ( 2 ) 应用空间数据库的管网信息系统允许多用户通过使用版本管理和长事务处理访 问数据库。通过a r c s d e 与数据库构成了一种c l i e n t s e r v e r 的三重体系结构，支持多用 户并发访问、支持长事务处理和数据版本管理，保证了数据的一致性、安全性和访问数 据的高效性。 ( 3 ) 系统还提供了大量专业g i s 分析功能，例如：动态分段技术、缓冲区分析 ( b u f f e r ) 、叠加分析( o v e r l a y ) 、网络分析、三维分析、栅格分析等。在地下开挖施工 前，通过管线综合管理系统查询管线的分布现状，设计人员根掘提供的资料和数掘进行 分析，提出各种预估方案，应用决策方法选出最佳方案。 经过分析，通过采用e s r i 的空间数据库引擎a r c s d e 将空间数据和属性数据以统 一的数据模型存储在大型关系数据库管理系统( o r a c l e 9 i ) 中，对数据进行统一管理，直接 6 i 绪论 利用关系数据库的管理功能，充分发挥d b m s 的优化查询，提高数据的访问速度和海量 数据的存储和管理，是一种比较可行的解决方囊，在实践应用中也积累了相当多的成功 案例，具有很好的发展前景。 1 3 3 本文研究的主要内容 城市地下管线综合管理的信息化研究能够改变地下管线的无序管理状态，对用好管 线资源，实现科学管理，为城市地下管线规划、建设和管理服务，发挥积极的作用。因 此，通过应用g i s 技术，建立城市地下管网综合g i s ，对城市的安全和发展具有重大意 义8 1 。 结合“苏州市地下综合管网信息系统 项目的实施，为解决当前的地下管网g i s 大 多是将管网空间数据和属性数据分开进行管理的问题，论文探索了运用空间数据库引擎 a r c s d e 实现地下管网空间数据和属性数据一体化管理的途径，并对地下管网综合g i s 的系统设计、空间分析等相关技术进行了分析研究，论文研究的主要内容有： 1 城市地下综合管网空间数掘库设计 系统采集的管线矢量数据、遥感影像数据、管线统计资料和g p s 测量数据等多种 数据不能直接满足系统使用的需要，存在坐标系统和格式不统一等方面的问题，需要经 过数据预处理达到一致，为后续操作奠定基础。空间数据预处理包括数据转换和数据标 准化等内容。 要建立良好的地下管线信息系统首要设计出符合管线特征和系统功能需求的数据 结构，因为系统数据库的建立、各种算法的实现，都要基于一定的数据结构。当前地下 管网g i s 大多是基于文件一关系数据模型的，这种由文件系统存储空间数据、关系数据 库存储属性数据的混合管理模式不能有效地进行管网的海量数据管理和空间分析。通过 对空间数据一体化存储模式的分析，利用e s r i 的数据库引擎a r c s d e 将空间数据和属 性数据以统一的数据模型存储在大型关系数据库管理系统o m c l e 9 i 中实现对地下管网数 据的一体化管理，采用面向对象的数据模型g e o d a t e b a s e ，将地下管线抽象为管段和管 点，在此基础上设计出地下管网综合g i s 的数据结构并提出数据库优化的两个方向。 2 地下综合管网信息系统功能设计及实现 系统总体设计和功能模块设计是本文研究的主要内容之一。在调查用户需求的基础 上，通过对系统的设计原则、目标、开发方式和开发平台的分析，进行系统的总体设计， 研究与实现了基本图形编辑操作、图形和属性的灵活查询、空间量测、移动g i s 统计分 7 浙江师范人学硕卜学何论文 析、管网断面分析、爆管分析等g i s 功能。 3 空间功能模块分析与实现 断面分析和爆管分析是重要的空间分析功能。论文主要论述了断面分析和爆管分析 的任务功能、工作流程和具体实现方法，并给出了这两种空间分析在管网系统中的应用 实例。 1 4 论文组织结构 论文共分六章。 第一章绪论。该章介绍了研究背景和国内外的研究现状，阐明了空间数据库技术 应用于城市地下管网管理的必要性和优越性，在对当前地下综合管网信息系统的分析基 础上提出了本文的主要研究内容。 第二章空间数据库和空间数据引擎。介绍了空间数据库的特征和应用a r c s d e 作 为空间数据引擎，成为在关系数据库管理系统中存储和管理多用户空间数据库的通路， 分担了d b m s 和g i s 之间对管理空间数据责任的优点。a r c s d e 支持高性能的空间数据 管理、支持长事务处理、支持流行的大型d b m s 、支持多种g i s 数据、支持海量数据、 支持多用户和版本管理，这成为服务器和客户端进行交流的良好基础。 第三章基于a r c s d e 的管网空间数据库的设计。首先论述了管网数据组织的内容 和方法，通过对空间数据一体化存储模式的分析，采用面向对象的数据模型g e o d a t a b a s e 设计方法将地下管线抽象为管段和管点，利用a r c s d e 与o r i c l e 实现对地下管网空间数 据和属性数据的一体化管理，在此基础上，完成了地下综合管网的数据模型和数据结构 设计并提出空间数据库优化的方法。 第四章城市地下管网信息系统设计与实现。在调查用户需求基础上论述了系统的 设计原则、目标、开发方式和平台，并设计与实现了系统总体结构和具体功能模块。 第五章空间分析模块实现。断面分析和爆管分析是地下管网g i s 的重要空间分析 功能。该章主要论述了断面分析和爆管分析的任务功能、工作流程和具体实现方法，并 给出了在管网系统中的应用实例。 第六章结论与展望。对论文的主要工作进行了总结，对需要进一步深入研究的内 容提出了自己的设想。 2 空间数据库和a r c s d e 空间数据引擎 2 1 空间数据库概述 2 1 1 空间数据的特点 空间数据是描述地理现象或地理实体的空间位置、形状、大小以及他们之间的关系 的数据，它具备三个基本特点：数据的空间性、与属性数据相关性和数据的时间性。空 间数据分析的任务就是要从大量的空间数据中发现空间对象之间的相互关系及反映其 演化规律，其空间特征决定了空间数据具有方向、层次、拓扑结构、层次和地理位置等 空间属性：其属性特征则表示空间数据所具备的空间对象客观存在的的类别和特征等数 据性质：其时间特征则描绘了空间对象随着时间的迁移行为和在各个量和质上的状态变 化。 空间数据的的最主要的内容就是数据的空间性，它反映了空间实体的空间位置及空 间实体之间的相对关系。通常以坐标数据来表示空间位置，这些坐标数据必须以同一坐 标系作为参考，不同坐标系之间应能相互转换。空间实体之间的位置相对关系是通过空 间拓扑信息来表示的，由于空间数据的复杂性及其所表征的系统的复杂性，目前还没有 很有效的方法来进行复杂的空间数据分析处理。 2 1 2 空间数据库的概念 空间数据库是地理信息系统的重要组成部分。在数据获取过程中，空间数据库用于 存贮和管理地图信息，涉及数据存储结构、空间数据索引技术；在数据处理系统中，它 既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处，数据提供的灵活性很强；在检索和输 出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。因此空间数据库技术是空间数 掘进出关系数据库的通道旧1 。然而，地理与地图数据以其惊人的数据量与空间相关的复 杂性，使得通用的数据库系统难以胜任。因此就要用现代的系统方法，在3 s 技术、数据 库技术、网络技术的指导下，对地理数掘进行科学的认识与抽象，将数据库化为计算机 1 0 2 空间数据库和空间数据引擎 处理时所需的形式与结构，形成综合性的信息系统。 空| 、日j 数据库体系是数据库领域的前沿研究热点，传统g i s 中空间数据库的管理能力 已不能满足当肖i g i s 对空间数据管理的需要。空间数据库技术的基本任务是解决空间数 据对象中几何属性在关系数据库中的存取问题，g i s 业内人士在这个基本任务研究的基 础上正在进行新的探索和尝试，以求得能满足g i s 各种需要的空间数据的管理模式和数 据模型。例如，三维空间数掘模型、时态g i s 空间数据模型、空间数据关系化模型、网 络g i s 空间数据模型等。因此完备的、高效的空间数据库是g i s 的坚实基础。 2 1 3 空间数据库的基本特征 空间数据库是地理信息系统中空间数据的存储场所，在地理信息系统中发挥着核心 的作用，是g i s 发展的技术支柱。除一般属性数据之外，空间数据库的数据模型和查询 语言还要提供对空间数据进行描述查询和分析的功能，它不仅具备通用的数据库系统特 征，还具有一般数据库不具备的某些特征，主要有如下六个方面【1 0 1 ： ( 1 ) 空间特征 空间特征是空间数据最主要的特征，描述了空间物体的位置、形态，并且包括相互 之间的空间拓扑关系。每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含了空间分布特征。 ( 2 ) 抽象特征 空间数据描述的是现实世界存在的地物，必须经过抽象处理。例如，在描述地下管 网中的一个阀门的时候可以抽象为一个点。 ( 3 ) 多种比例尺数据协调 在生产多种比例尺的空间数据时，尽量避免数据的重复采集。建立多种比例尺空间 数据库时，建立库体之间的逻辑联系，使之形成逻辑上无缝的任意比例尺的数据库。 ( 4 ) 非结构化特征 空间数据不能满足关系数据库的“结构化”要求。若将一条记录表达成一个空间对 象，它的数据项可能是变长的。 ( 5 ) 分类编码特征 每一个空间对象都有一个分类编码，这种分类编码往往是属于国家标准或行业标 准。编码方案应能基本上保持对已有编码体系的兼容性，又能克服它们所存在的缺点。 ( 6 ) 海量数据特征 空间数据量是巨大的，通常称海量数据。尤其是城市基础地理数据库融合了栅格、 浙江师范人学硕十学位论文 矢量、图像和属性数据，不仅数据量大，而且数据类型不同，一个城市的g i s 数损j 量可 能达几百个g b 。 2 2 空间数据的关系化管理 在传统的g i s 中，一般是将空间数据与属性数据完全分开来存放，并以属性表与空 间文件一一对应的方法和根据表的关键字与文件中空间对象的标识，来定位空间对象的 属性信息。目前，由于g i s 中管理的数据量逐渐增大，这种分离管理已经不能满足当前 数据管理的需要。随着大型关系型数据库技术的日益完善，其应用也日渐普及。在数据 管理方面，大型关系型数据库管理系统恰恰具备了文件系统所不具备的工具，同时还可 以实现空间数据与属性数据的一体化管理。因此，如何充分利用大型关系型数据库管理 系统已有的技术和强大的数据管理工具去管理复杂庞大的g i s 系统的数据，已成为g i s 界人士研究的课题，他们尝试用大型关系型数据库管理g i s 数据，从而形成新的g i s 系统 开发平台；而大型关系型数据库厂商也在积极扩展s q l 语句的查询功能，以支持对空间 数据的处理，两者正在相互渗入、相互促进。 表2 1 l 文件系统与大型关系型数据库管理系统数据管理性能对比 人型关系型数据库 性能文件系统 管理系统 易掌握性容易困难 成本 低 高 检索能力无有 数据安全管理凼难容易实现 数据完整性检查 困难 容易实现 并发控制困难容易实现 数据共享 凼难 容易实现 对空间数据及属性数据的一体化管理 难以实现容易实现 与操作系统的集成性无关 紧密相关 g i s 数据的关系化管理方式能使g i s 系统开发设计人员从庞大、烦琐的数据管理工作 中解脱出来，能充分应用现有的大型关系型数据库管理系统本身的数据管理功能( 检索、 完整性检查，安全保密机制、安全恢复机制、数据共享、并发控制、网络通讯、分布式 体系结构等) ，同时也给传统的g i s 应用软件开发平台带来了一种崭新的设计思想。从 表2 1 m l 可以明显地看出文件系统与大型关系型数据库管理系统在数据管理方面的差 异。 1 2 2 空问数据j 牢和空间数据引擎 2 3 空间数据库引擎s d e ( s p a t i a ld a t ae n g i n e ) s d e 、大型数据库管理系统、客户端g i s 应用程序是实现空间数据库的三个重要组 成部分，其核心是s d en 副。它为用户提供了访问空间数据库的统一接1 2 1 ，是g i s 中的关 键性技术，从体系结构上来看，空间数据库引擎可以分为三种体系：两层体系结构、三 层体系结构、两层与三层混合结构。当前使用最多的是两层体系结构，如下图2 1 所示。 ( a ) s d e 的三层结构图( b ) s d e 的两层结构图 图2 1s d e 的常见体系结构 2 3 1 空间数据引擎的基本特征 s d e 本身并没有自己专用的数据库，而是通过与其他通用的d b m s 的集成来管理空 间数据。基于商用数据库扩展的空间数据库引擎最大的优点在于对象级的数据存储机制 和支持扩展s q l 查询。由于目前的s d e 产品多数基于关系数据库系统，所以它们具有的 特性基本上类似。 s d e 具备以下的一些基本特性： ( 1 ) 高性能的数据处理能力 s d e 是实现数据和处理互操作的技术途径，调用组件的功能接口就可以实现对地 理信息的操作，这样不仅降低了系统开发的代价，而且发挥了有关组件的功能优势，使 系统获取高性能的数据处理能力。 ( 2 ) 支持海量数据无缝存储 s d e 采用连续的、不含拓扑逻辑的对象数据模型，将每一个空间地物视为一个对象， 浙江师范j ：学硕十学位论文 对每个连续层上的所有对象全部存储一起，真证实现了无缝集成的数据组织方式，达到对 海量数据的存储。 ( 3 ) 数据的网络化管理 随着空间信息系统的网络化，s d e 作为基础性数据访问服务也应该支持网络化管理 的特点。 ( 4 ) 多底层数据库平台支持，必须能轻松实现底层数据存储、管理系统的替换。这 些平台包括o r a c l e ，m i c r o s o f ts q ls e r v e r , i b md b 2 和i n f o r m i x 等，从而保证了对各种不同 的d b m s 的访问，而无需开发人员考虑d b m s 底层实现的差异。 ( 5 ) 数据的安全性管理。 2 3 2 空间数据引擎的高性能优点 系统的整体性能和数据一致性是s d e 的设计目标。由于实时信息系统需要很高的性 能，因此s d e 必须最大限度地加速系统的响应，降低网络流量。为保证s d e 的