（计算机软件与理论专业论文）供水管网地理信息系统的设计与实现.pdf

供水管网地理信息系统的设计与实现 摘要 作者在对国内已建成的供水管网地理信息系统的考察中发现，目前国内还没有出 现应用十分成功的g i s 供水管网管理系统。就供水行业的g i s 的开发，从用户分析、 系统设计、数据库建设到系统开发，仍没有非常成功的工程范例。 本文通过对地理信息系统的概念、发展、应用及相关实现技术的介绍，对供水管 网地理信息系统建立过程的研究，探讨了基于m a p i n f o 地理信息平台的系统设计，详细 描述了其中较有特色的分层体系结构。 同时，同一般数据库相比，g i s 数据库不仅要管理属性数据，还要管理大量的空间 数据，以描述空间位置分布及拓扑关系。而且，属性数据和空间数据之间具有不可分 割的联系。因此，作者对以四叉树编码为索引的空间数据组织技术进行详细阐述，结 合供水管网数据特点，给出供水管网地理信息系统的空间数据库组织策略。 作者结合参加郑州市自来水总公司立项的项目“供水管网地理信息系统”的经验 体会与实践，以本论文的理论研究成果为基础，开发了一个事故处理子系统，该系统 利用最短路径算法对爆管分析功能加以实现。该算法提供了网络拓扑追踪的功能，能 返回所有追踪到的点、线的拓扑i d 号，从而得到相应的属性数据。 总之，随着计算机技术的发展，g i s 技术也呈现出了数据标准化、系统集成化、平 台网络化的发展趋势，这些发展变化将使g i s 技术更加完善，也会给供水管网地理信 息系统带来更快、更好的发展。 关键词：供水管网；地理信息系统：空间数据；属性数据 堡查笪堕丝望堕垦墨篓塑堡生量壅翌 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，w a t e rs u p p l yn e t w o r km a t e r i a l sh a v eb e e na d o p t i n gt h ea r t i f i c i a l m e t h o dt om a n a g e ，t h i sc a u s ed i f f i c u l tt ok e e p ，d i f f i c u l t t os h a r ee t c s o ，i ti sq u i t eu r g e n t t om a k eu s eo fg i st e c h n o l o g yt or e a l i z et h ed e m a n df o rm o d e r n i z e dm a n a g e m e n to ft h e w a t e rs u p p l yn e t w o r k t h ea u t h o rf i n d st h a th a sn o tu s e dv e r ys u c c e s s f u lw a t e rs u p p l y n e t w o r kg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m a tp r e s e n t s u p p l y i n gw a t e ro f t h e d e v e l o p m e n t o f g i s ，s t i l lt h e r ei sn o tav e r ys u c c e s s f u lp r o j e c te x a m p l e i nt i f f s p a p e r ，t h ea u t h o rd e s i g n st h eg e n e r a l f t a m eo ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m b a s e d0 1 1m a p i n f o g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o np l a t f o r m ，a n d d e s c r i b e si nd e t a i lm o r ec h a r a c t e r i s t i cl a y e r ds o t = w a r ea r c h i t e c t u r e m e a n w h i l e ，t h ea u t h o re x p l a i n si nd e t a i lt h es p a t i a ld a t ao r g a n i z et e c h n o l o g y ，c o m b i n e d t h ed a t ac h a r a c t e r i s t i co f t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k ，p r o v i d e st h eo r g a n i z et a c t i c so f t h es p a t i a l d a t a b a s eb a s eo ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n d r e a l i z e s t h ec r a s hh a n d l i n gf u n c t i o no nt h i sb a s i s i naw o r d ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fg i st e c h n o l o g y ，i tw i l l a l s o b r i n g b e t t e r d e v e l o p m e n t t ot h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k ；g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ； s p a t i a ld a t a a t t r i b u t ed a t a 供水管网地理信息系统的设计与实现 第一章绪论 1 1 论文研究的工作背景 城市地下管线是城市基础设旌的重要组成部分，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。地下管线布设现状的基础资料是城市规划、城市设计、施工建设和城市管理的重 要依据，是城市宝贵的建设基础资料，应妥善保管，并充分利用，发挥其应有的价值。 目前，我国许多城市地下部分管线的使用时间已相当长，如何科学合理地管理和利用 管线信息，是长期以来困扰着各城市管线管理部门的一大难题。 具体到城市供水管线管理，随着城市建设的飞速发展，在对部分老管线更新、改造 的同时，又铺设了新的管线，使城市的供水管网系统也越来越庞大，许多供水管线的 填埋情况复杂、资料不清，有些管线甚至仅凭当时施工工人记忆去寻找，造成诸多设 计上的失误和旌工中的事故。而现在国内绝大部分水司对现有的管网资料采用手工绘 制图纸的办法来进行管理，这在客观上造成如下突出问题： 难于保存：一些纸张地图很容易污损、撕坏、老化，查询时费时、费力、费人、 费事。 难于共享：由于信息没有统一的格式、企业内部没有统一的系统，所有数据没 有统一的管理和维护，导致企业内部各个部门之间无法共享地图数据。 图纸与管线实际位置有出入：由于没有利用电子地图及城市坐标，管线走向、 埋深、管线改管、设施维修情况等内容不能及时准确地反映在图纸资料上。 难于统计：由于数据资料数量很大，数据格式多样化导致无法进行一致的数据 统计。 难于分析：综合查询和分析在日常工作中占有较大比重，例如：人工判断已有 管道的供水能力能否满足新建工程的供水需求时，没有现时、直观的资料，就必须花 费大量的时间和人力物力。 查找资料效率较低：人工处理地图及相关资料的速度很慢，尤其碰到一些紧急 情况，如需要临时关闭某个阀门时，由于没有现时、直观的资料和快速的查询手段， 很难快速地确定应该关闭哪些阀门，并判断出相应的影响范围。 在供水公司业务分工中，管网管理部门负责管网信息的维护和修改，设计部门 ，3 供水管甄地理信息系统的设计与实现 负责管网设计，这样两者的地图信息在统一到地图数据库中时必须解决数据一致性问 题。 无法查到地下其它专业管线与供水管网的位置情况：f h 于没有其它专业管线的 资料，在供水管网施工与维修时无法方便、准确得知地下详细情况，特别是工作点附 近是否有电线、电信光纤等线路。而当地理信息系统建成后，可将其它管线做为单独 显示的图层，方便位置查阅，甚至可通过立体图显示相对位置情况。 以郑州市供水系统为例，其d n l 0 0 以上管线总长近1 2 0 0 公里，供水面积达1 3 0 余平方公里，管线上各种属性设备达5 万多个，户外支干线破损事故处理每年1 4 0 0 多 次，凭借图纸、经验和记忆来手工管理、查询和统计如此纷繁的数据资料，是非常困 难的。许多城市由于自来水管道破损造成的水泄漏损失己达其输送量的四分之一，对 事故不能及时发现，发现后难以迅速制定和实施应急方案是其中的重要原因。 由此可见采用人工方法，借助图纸、各类卡片来管理城市供水管网系统，已越来 越难以满足实际需要。所以，利用先进的管理方式实现对供水管网现代化管理的需求 是相当迫切的。业内众多有识之士已达成共识：使用计算机，借助g i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 技术来进行供水管网管理、管网设计及事故处理等已是势在必行。 1 2i lls 是现阶段管线管理信息化必不可少的技术基础 在构建管线信息系统时，要考虑的一个重要问题是技术方案。从国内外的既往的 实践来看，用计算机实现管线管理曾经或正在采取的技术方案主要有四种。 1 】 第一种方案是走管理信息系统( h a s ) 的路子，运用关系数据库管理系统( d b m s ) ，对 现有管线的坐标数据和卡片信息实施整理录入，放置在数据库系统的一个或多个数据 表中，在d b m s 上开发常规的属性数据管理功能，如录入、修改、删除、查询等。这 种方式可以有效地管理现有管道属性数据和各类设备的卡片资料，便于查询和分类， 但这样的系统完全不管理图形，无法解决各类图件的维护问题，更谈不上基于空问数 据的检索和分析。 第二种方案是m i s 结合图形系统。仍使用m i s 来存放和处理属性数据，对设计图、 竣工图、管线全图、大样图等图件，则通过另外的图形系统( a u t o c a d 、c o r e l d r a w 等) 来录入，以文件的形式单独存储。在这种方案中，属性数据和图形数据是分离的，彼 此不相关联虽然对图件维护提供了手段，但图形数据仅仅停留在复制图件的水平上， ，4 供水管礴地理信息系统的设计与实现 图件本身所蕴涵的丰富信息不能被系统自动识别、提取和利用。本质上看，这种方案 只是把m i s 的思路简单扩展到了图形数据上。 第三种方案是采用数据库和图形挂接的方法，或采用桌面图形信息系统，它是对 传统m i s 思路的一次真正意义上的超越。基本思路是：在属性数据表中扩展字段来存 储对应图形的图元号或数据索引，将图形与对应的属性记录关联起来，从而实现图数 互查。在系统的具体实现上，可以在d b m s 和图形系统上同时作二次开发，自行构建； 也可以使用现成的桌面图形信息系统( 如a u t o c a dm a p 等) 作为平台来开发。由于实 现了图形和属性的关联，使得单个图元具有了”意义“，为基于空间数据的检索分析奠定 了基础。但是，这样的系统存在以下缺陷： 图形和属性的松散耦合导致关联关系的维护比较复杂。 虽然单个图元的属性得到了管理，但图元间的相互关系( 称为拓扑信息，如管 线与管线的贯穿、阀门三通等管点与管线间的连接关系等等) 无法有效管理，从而使 得很多重要豹深层的分析( 如多边形叠置、路径分析、关阀分析等) 难以完成，即使 能实现，效率也极低。 对海量数据的一体化管理缺乏手段。以地形图为例，一个城市的1 ：5 0 0 的地形图 有数千幅之多，如果将全部图幅合并在一个图形文件中，文件的字节数将是惊人的， 对这样的巨型文件实施显示、查询。几乎是不可能的，桌面图形信息系统一般只能以 单一图幅作为管理单位，这又使图形数据的整体性遭到破坏，图幅接边困难，跨图幅 的实体被人为地切断，妨碍了空间分析和检索。 o - - 维数据处理能力低下。管线系统中通常要处理高程( 如计算自由水头) 、压力 数据等，这些数据的处理要依据数字地形模型( d 1 m ) 而这一技术方案对此种需求不能 很好地满足。 第四种方案则是采用地理信息系统来统一管理图形、属性、拓扑信息。管线信息 和与管线相关的地形、环境信息从根本上讲是地理信息。地理信息除了具有信息的一 般特性，如共享性、客观性外，还具有区域分布性( 具有空间定位的特点) 、数据量巨大、 信息载体多样等特殊性质，这就决定了传统数据库管理的观念与方法不能有效地管理 和分析纷繁复杂的地理信息，而g i s 技术可以将地理信息相关的空间位置、属性特征 及时域特征进行统一的管理，按一种新的方式组织和使用地理信息，以便更有效地分 析和生产新的地理信息；同时地理信息系统的应用也改变了地理信息分发和交换的方 一， 供水管网地理信息系统的设计与实现 式。作为新的通用技术，g i s 并非仅仅在所管理的数据内容方面与众不同，在理论和方 法上也有很多特色，相应地许多新的重要功能也是传统方法无法提供的。例如，地理 信息系统特别重视对海量空间数据的有效管理，特别重视对拓扑结构的管理和拓扑关 系的自动生成，特别强调与空间相关的查询统计、空间分析( 多边形叠置、缓冲分析、 网络分析等) 和三维模型分析，提供多种空间数据录入和输出手段，等等。而这些功 能正是一个完备的管网信息系统所应具备的。 通过对以上几种管线信息系统技术方案的分析，我们可以看到，为了真正实现对 供水管线空间数据、属性数据、拓扑关系的一体化管理，充分利用现有管线及地形数 据，必须利用g i s 技术。 1 3 论文课题来源 本课题来源于郑州市i h 来水总公司立项的项目：供水管网地理信息系统。郑州市 自来水总公司现有管网现状图7 0 0 余张，均为手工绘制纸质图纸，图纸规格为5 0 0 m m x 5 0 0 m m ，比例为1 ：1 0 0 0 ，采用四角坐标。背景地形图为1 9 8 6 年购自郑州市规划局， 随着城市建设的飞速发展，该版本背景地形图与实际对比相差较大。供水管网定位采 用参照地物地貌相对位置定位。由于郑州市自来水总公司管网管理有管网处管理，营 业处、工程公司等多个部门应用。且各部门之间地理位置相对分散，要求该系统建立 在网络构架之上。 结合郑州市自来水总公司具体实际情况情况，课题组选用m a p i n f o 公司产品作为地 理信息平台，对该系统进行了比较明确的设想，拟分二期实施。 一期设想：实现在管网处内部使用的目标。 购置最新版本电子地图： 根据管网现状图( 纸质) 资料，采用扫描原图，与电子地形图坐标配准后，将 原有管网资料利用系统提供的绘图工具绘制在电子地形图上，完成纸质管网图的数字 化； 实现供水管网地理信息系统的基本功能( 查询、统计、管理、专题图制作、日 常工作报表、爆管分析、关阎搜索等功能) ： 。 二期设想：实现在郑州市自来水总公司相关部门的使用及用户的查询。 6 供水管网地理信息系统的设计与实现 笔者作为课题组成员，全程参与了该系统的考察、信息平台选择、需求分析、系 统设计等前期工作。现该项目已进行到管网图纸数字化阶段。 1 4 论文研究的技术线路 本系统将在目前强大的m a p i n f o 平台功能的基础上深入调查和研究系统的具体 需求、业务流程，针对自来水公司的空间数据动态更新及存储管理特点，进行系统总 体设计、资料收集、编码和数据库结构设计等工作，采用v b 作为主要设计语言，开发 一个适用于数据管理工作的g i s 应用系统，为自来水公司管网信息化管理提供一个强 有力的、实用的工具。【2 】 根据自来水公司现有的现状管网图、电子地图等数据资料，通过电子地图数据转 换和现状管网图纸资料的扫描矢量化及管网元素的属性数据录入等操作，建立起系统 的空间数据库和属性数据库，将自来水公司供水管网统一管理起来，实现信息资源共 享，提高管网管理效率。具体开发流程将严格按照软件开发规范和流程进行。 1 5 论文的组织 本文拟从五个部分来进行研究。其中第三部分和第四部分是本文的重点。 第一部分主要介绍本文的工作背景及论文组织。 第二部分简要介绍地理信息系统的一些基本知识和概念。 第三部分主要介绍供水管网地理信息系统的设计。主要包括以下内容： 系统需求分析概要，以简要说明需求分析中应考虑的基本内容。 系统总体结构设计，其中包括了一个完整系统( 包括硬件和软件) 应具有的组 成成分和组织结构。 软件体系结构设计，详细描述本项目的分层体系结构，说明各层的重要作用和 相互关系。 数据库详细设计。 第四部分对系统空间数据组织和爆管分析功能实现作以阐述。 第五部分主要对全文做以简要总结。 7 一 供水管网地理信息系统的设计与实现 第二章g l s 及相关技术综述 g i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 技术作为一种空间信息处理 与分析技术，是在信息空间中构建与现实地理空间相对应的虚拟地理信息空间( 数字 地球、数字城市) ，并在管理与决策中应用的核心技术，具有广泛的应用前景。近年来， g i s 技术应用已从主要为政府部门提供管理和决策服务，逐步拓展到为企业和社会提供 服务。g i s 技术融入信息技术的主流并进入千家万户已成为一个不可逆转的潮流。 3 2 1g i s 的定义 地理信息( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n ) 是指与空间地理分布有关的信息，它表示地表 物体和环境固有的数量、质量、分布特征以及它们之间联系和规律的数字、文字、图 形、图象等的总称。【4 】 地理信息属于空间信息。它与一般的信息的区别在于它具有区域性、多维性和动 态性。区域性是指物体的定位特征，且这种定位特征是通过公共的地理基础来体现。 例如，用经纬网或公共网坐标来识别空间位置，并指定特定的区域。所谓多维性是指 在一个坐标位置上具有多个专题和属性信息。例如，在一个地面点上，可取得高程， 交通等多种信息。动态性是指地理信息的动态变化特征及时序特性，从而使地理信息 常以时间尺度划分成不同时间段信息。 有地理信息的以上特性可以看出g i s 是- - 1 7 多技术交叉的空间信息科学，它依赖 于计算机科学、地理学、测量学、地图学、统计学等基础性学科，又取决于计算机硬 件与软件技术、航天技术、遥感技术的进步与成就。要给出g i s 的准确定义是困难的， 因为g i s 涉及面太广，站在不同角度给出的定义就不同。通常可以从四种不同的途径 来定义g i s 。 ( 1 ) 面向功能的定义 g i s 是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。 ( 2 ) 面向应用的定义 这种方式根据g i s 应用领域的不同，将g i s 分为各类应用系统。例如土地信息系 统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。 ( 3 ) 工具箱方式定义 一8 一 供水管网地理信息系统的设计与实现 g i s 是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。这种定义 强调g i s 提供的用于处理地理数据的工具。 ( 4 ) 基于数据库的定义 g i s 是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并提供一个对数据进行操作的 操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。 虽然g i s 是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学，基本技术是数 据库、图形学和空间分析。因此，可以这样定义：g i s 是在计算机硬件和软件的支持下， 运用计算机科学和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据， 以提供规划、管理、决策和研究所需的空间信息的系统。 2 2 发展历史 地理信息系统的存在与发展已历经四十余年。用户的需要、技术的进步、应用方 法论的提高，以及有关组织机构的建立都深深地影响着地理信息系统的发展。综观g i s 的历史，大致可以划分为如下四个阶段： 0 6 0 年代为地理信息系统初创阶段。这一阶段以加拿大第一个地理信息系统 ( c g i s ) 建成为标志。该阶段的g i s 开发以使用基础计算机语言为特征，即直接在计 算机硬件平台上进行开发。 0 7 0 年代至8 0 年代中期，为地理信息系统的巩固发展期。这一时期，随着计算机 技术迅速发展，专业化人才不断增加，政府的需求加大，出现了专业化的g i s 软件平 台。美国环境系统研究所( e s 耐) 便成立于1 9 6 9 年。 0 8 0 年代中期至9 0 年代初期，这一阶段是g i s 技术在全世界范围迅速普及和发展 的时期。专业平台开发工作并入软件开发产业，软件平台完全市场化，咨询公司、软 件制造商大量涌现，并提供系列专业性服务，商业化的实用系统不断进入市场。 0 9 0 年代初期至现在为地理信息系统的用户时代，随着客户机服务器操作系统平 台的出现，分布式g i s 诞生，近几年分布式系统又从局域网发展到因特网( i n t e m e t ) ， 使g i s 应用迅速普及，不仅成为现代企业和各级政府进行科学经营管理的重要手段， 而且广泛应用于交通、电信、电力、市政等社会生活的方方面面，地理信息系统已经 发展成为现代社会最基本的服务系统。 我国地理信息系统的研究工作自8 0 年代处开始，经过二十多年的发展，取得了 o 供水管网地理信息系统的设计与实现 系列的研究和应用成果，并形成了一定的产业规模，已经具备了走向产业化的条件。 2 3g l s 的分类 g i s 应用面广，技术潜力大，且发展极为迅速，因此很难用一个固定的方法分类。 通常可以从下面几种角度来分类。以研究对象的性质和内容分类可分为综合性g i s 和 专题性g i s 。以研究对象的分布范围分类可分为全球性g i s 和区域性g i s 。以g i s 应 用功能分类可分为工具型g i s 和应用型g i s 。以g i s 的数据结构类型分类可分为矢量 数据结构、栅格数据结构和混合数据结构g i s 。 5 】 工具型的g i s 是指为g i s 的使用者提供一种技术支持，使用户能借助g i s 工具中 的功能直接完成应用任务，或者利用工具性g i s 加上专题模型完成应用任务。目前国 内外已经有很多工具型的g i s 。如a r c 椰o 、m a p n 师o 、s u p e r m a p 、m a p g i s 等。 应用型g i s 的开发分两类，一类是借助工具型g i s 开发的，另一类是为某专业部 门应用自行开发的，这种系统针对性明确，专业性强，系统开销小，适于在本专业中 推广应用。 矢量数据结构g i s 是以x ，y 坐标对来表示空间数据的点、线和面等图形的g i s 。 栅格数据结构的g i s 指以二维数组来表示空间各象元特征的g i s 。 混合数据结构的g i s 是由于矢量数据结构和栅格数据结构的特点不同，使用范围 不同，相互之间不能相互取代两产生了矢量数据结构和栅格数据结构并存的g s 。 2 4 g i s 的基本技术 g i s 软件一般由五部分组成，即空间数据输入、空间数据库组织、空间数据处理分 析、空间数据输出管理及应用模型组成。各部分之间的关系见图2 1 ，每一部分都有相 应的实现技术。【6 】 ( 1 ) 空间数据输入技术 空间数据输入的目的是将g i s 中各种数据源输入，并转换成计算机所要求的数据 格式进行存储。随着数据源的种类不同，输入设备以及系统选用的数据格式不同，就 需采用不同的技术。 大多数的空间数据是从纸制的地图输入的，其常用的方法是数字化和扫描。数字 化的效率低且代价高。扫描输入得到的是栅格数据，由于栅格数据不能反映点、线、 1 0 供水管网地理信息系统的设计与实现 面之间的拓扑关系，需将扫描得到的栅格数据转换成易于反映拓扑关系的矢量数据进 行存储。 图2 1g i s 主要模块 遥感数据是g i s 的另一个重要数据源，遥感数据输入到g i s 中较为容易，但通过 对遥感数据的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事，因此，在g i s 中融 入了图象处理技术。【7 】 ( 2 ) 空间数据库的组织技术 同一般数据库相比，g i s 数据库不仅要管理属性数据，还要管理大量的图形数据， 以描述空间位置分布及拓扑关系。而且，属性数据和图形数据之问具有不可分割的联 系。g i s 中数据库的数据量大，涉及内容多，这些特点决定了它既要采用关系型数据库 管理系统来管理数据，又要采用一些特殊的技术和方法来解决通常数据库没法管理的 空间数据问题。 栅格数据结构简单，便于空间分析和易于与遥感数据结合，但其数据量大、图形 质量差、不易表示拓扑关系。矢量数据结构的图形显示质量好、数据结构紧凑、易于 表示拓扑关系，但其数据结构复杂、信息复合难度大。因此，为了充分利用这两种数 据结构的优点，空间数据库一般采用混合型的数据结构。空间数据在垂直方向上按图 层进行组织，在水平方向上按图幅进行组织。 ( 3 ) 空间数据的处理与分析 g i s 提供一些基本和常用的空间数据处理和分析功能，其功能的强弱直接影响到 1 1 供水管网地理信息系统的设计与实现 g i s 的应用范围。因此，它是体现g i s 功能强弱的关键。 空间数据的处理提供了对空间数据的有效管理。它借鉴了c a d 和关系数据库中的 成熟技术，对地图上的图形数据和属性数据进行增加、删除和修改等操作。其中的关 键在于应将图形数据和属性数据紧密联系，保持其一致性。另外，为了便于空间分析 和提高效率，空间数据库中还应有反映拓扑关系的数据。这种拓扑数据可以从图形数 据中提取，也可以根据需要单列出来形成一种独立的数据结构。 空间数据的分析是指用户根据需要从现有的空间数据中得出隐含的重要结论，这 对于许多应用领域是至关重要的。由于空间数据一般包含两种数据结构：栅格数据结 构和矢量数据结构。相应的数据分析也分为两大类：栅格空间数据分析和矢量空间数 据分析。 矢量空间数据分析包括：面运算、网络分析、缓冲区分析等。栅格数据空间分析 包括：区域操作、统计分析和记录分析等。这些分析都有相应的算法实现。 ( 4 ) 应用模型 由于g i s 应用越来越广，常规系统提供的处理和分析功能很难满足所有用户的要 求。因此，一个优秀的g i s 应当为用户提供二次开发手段，以便用户开发新的空间分 析模块。 为了提供这样的功能可以构造一个二次开发环境和二次开发语言，让用户利用该 语言通过该环境去调用g i s 提供的功能，从而构建新的应用模型。如m a p i n f o 提供的 m a p b a s i c 二次开发环境。但这样实现的模型环境依赖性大，缺乏灵活性。 还可以利用a c t i v x 技术，将g i s 实现的功能打包进控件中。充分利用面向对象技 术，使构造的新的应用模型更加灵活，适应性更强。如m a p i n f o 公司的m a p x 控件和 e s i r 的m a p o b j e c t 控件。 另外，随着互联网技术的发展，分布式计算机技术不断完善。 8 】还可以将各领域 的g i s 的应用制成组件，再利用分布式的环境将不同的组件组装成新的应用模型。利 用组件技术不仅可以实现跨平台，还可使系统的互操作性、可扩充性和可复用性得到 提高。可利用m i c r o s o f t 的c o m d c o m 、o m g 组织的c o r b a 和s u n 的j a v ar m i 实现。 ( 5 ) 空间数据输出管理 g i s 中输出的数据种类很多，可能是输出地图、表格、文字、图象等。输出的介质 1 2 供水管网地理信息系统的设计与实现 可以是纸、光盘、磁盘、显示终端等。随着输出数据类型的不同和输出介质的不同需 配备不同软件，最终向用户报告分析结果。其中为了保证高精度和高质量的输出需要 解决：数据校正、图形修饰、误差消除和坐标变换等问题。【9 2 5 g i s 与其他相关技术的区别 g i s 与c a d 系统的区别：c a d 主要是利用计算机代替或辅助工程设计人员进行各 种设计。它处理的对象是规则的几何图形及其组合。因此，c a d 的图形处理功能极强， 属性功能很弱，其中的拓扑关系较为简单。g i s 的处理对象往往是自然目标，因此图形 处理难度大，属性功能十分重要，图形和属性之间联系紧密，常具有丰富的属性库和 符号库，它强调空间数据的分析功能，且数据源及输入数据的方法种类繁多，数据结 构复杂。1 0 g i s 与数字地图制图的区别：数字地图是模拟地图在计算机中的表示形式。它主要 考虑地形、地貌和其他专题要素在图上的表示，并以数字形式将地图存储、管理和在 绘图仪上输出。数字地图系统强调的是图的表示，通常只对图形数据进行管理，而缺 少对非图形数据的管理能力。g i s 是按数据库管理系统，将图形数据和属性数据统一进 行存储、处理和分析。它强调的是空间数据的结构和分析，因此，它不仅有图形数据 库，还有非图形数据库，并把两者结合起来进行深层次分析。 g i s 与事务处理系统的区别：g i s 处理的数据是空间数据，它不仅管理反映空间属 性的一般的数字、文字数据，还要管理反映地理分布特征及其之间拓扑关系的空间位 置数据，而且要把两者有机结合起来进行协调管理和分析。而事务数据处理系统的功 能着重查询检索，没有深层次的分析功能。此外，g i s 对计算机硬件和软件资源的要求 都比一般事务处理系统高。 2 6g 1 8 的发展动态 g i s 技术的发展始终同计算机信息技术的发展息息相关。随着计算机技术领域中面 向对象技术、分布式计算技术、网络技术、软件集成技术和数据库技术的发展，g i s 技术也呈现出了数据标准化、系统集成化、平台网络化的发展趋势： 1 u ( 1 ) 开放g i s 的研究。数据标准化意味着支持g i s 工作的数据结构和数据交换格式 的标准化，提供g i s 工作的基础数据接口的标准化。开放g i s 研究的目的是保证用户 - 1 3 供水管网地理信息系统的设计与实现 可以存取广泛分布在网络上的g i s 数据和处理单元，而不考虑数据和处理的源地和规 格。一个由用户和开发商组成的联盟( o g i s ) 已经成立并开始为g i s 的互操作与数据 共享制定标准。 ( 2 ) 关系型数据库( r d b m s ) 和g i s 的结合。利用r d b m s 存储g i s 数据，并通过 r d b m s 存取和操纵这些数据。新的r d b m s 也将支持新的对象一关系模型( o r a c l e ) ， 从而可以更好地支持空间数据类型。 ( 3 ) o ：s 组件( c o m p o n e n t ) 的开发。 1 2 系统集成化意味着g i s 的软件部件的对象 化。可实现互操作和自我管理的组件，使数据不仅能在应用系统内流动，还能在系统 间流动。原来的巨型g i s 系统现在正迅速走向组件化，分解为基本的g i s 组件。标准 的包装技术( w r a p p e r ) 已经出现，从而使g i s 应用的开发者可以利用这些元件快速地 组装g i s 应用软件。 ( 4 ) w e b g i s 的开发。【1 3 平台网络化意味着g i s 的工作平台将逐步从单机转入网络 工作环境。互联网，尤其是万维网( w w w ) ，已经成为g i s 的新的操作平台。g i s 在 互联网上的应用目前主要集中在空间数据的发放、地址的查询和地图的显示，并开始 出现更为复杂的g i s 应用。将来会允许对专家功能系统的存取。现在g i s 产品已经从 单机发展到基于计算机网络环境的客户机胡艮务器或浏览器明艮务器模式，这是计算机科 学与技术发展的结果。单机的g i s 系统，数据只能存储在单一的机器上，由一人操作， 而管线相关的数据资料极为庞大，依靠单个人员录入和维护是难以承担的，而且也与 管线管理的工作分工和业务流程矛盾，不利于数据动态更新和共享。网络版g i s 系统 允许多人并行编辑同一数据，利用操作系统和数据库提供的权限控制机制和互斥功能 来维护数据安全和统，允许多个部门依照业务流程动态维护管网数据，保证数据的 现势性，更重要的是，服务器上的管线数据可供所有需要的部门或客户随时查询检索， 便于及时处理事故、组织施工，强化社会服务职能，使管线数据的作用得到最大限度 的发挥。因此管线单位，特别是大中城市的管线管理单位，大都选用网络版g i s 系统。 1 4 供水管网地理信息系统的设计与实现 第三章供水管网地理信息系统的设计 a 1 系统需求分析 3 1 1 项目需求概述 作为供水企业的一名职工，在平日的工作中发现，现代城市供水管网已经构成了 规模巨大而复杂的管线网络系统，每个城市都累积了一大批供水管网设计、施工、竣 工的图件和表册资料。长期以来，各城市的供水部门都沿用人工方式来管理这些资料。 随着时间的推移，这种人工管理模式很难满足实际需要。为提高供水管线的管理水平， 供水管理部门希望建立供水管网地理信息系统。要求系统能存储全部管网图形和属性 信息，并可随时更新，能方便对管网信息进行双向查询，能对自来水爆管事故提出应 急方案与工程意见，并探索利用系统对自来水漏水区进行预测，对水质污染源的查询 提供线索，在此基础上逐步实现水压平差与自来水优化调度功能。同时，随着社会信 息化进程的加快，各企业内部网之间的互连，以及与i n t e m e t 的互连和信息共享都成为 发展的必然趋势。因此，供水管网地理信息系统的建立应力求达到用户受益、企业受 益、职工受益、社会受益的目标，成为企业管理的基础组成部分。所以该项目在需求 上具有以下特点：【1 4 】【1 5 】 信息种类较多，处理流程复杂。为用户提供水质、水压、停水区域及时问和为 企业决策者、技术人员、普通职工提供管网基础资料及管网运行状况等信息，是本系 统最基本也是最重要的任务。因此管网信息必须全面准确，管网信息的变化能及时反 映到各相关部门或用户。 具有较好的先进性。系统设计尽量采用成熟的先进技术，网络满足多媒体通信 要求，大型商业数据库及软件平台支撑工具采用较好的主流产品。系统结构设计必须 合理、技术先进，应采用当今流行的科学体系结构，数据处理速度快，并采用冗余技 术，具有数据安全防护功能。 使用方便，易学易用。该系统需要很多人轮班并行操作使用，或者一人操作多 个子系统。同时，考虑到供水企业现有人员和维护人员的计算机素质还不算太高，因 此本系统应具有友好的人机界面，操作简单灵活，各子系统的用户界面在外观和操作 方式上必须协调一致。 - 1 5 供水管网地理信息系统的设计与实现 具有较高的可靠性和可用性。系统应能长时间持续无故障运行，其核心设备网 络及数据库服务器应配备备份服务器，数据库数据必须定期复制和备份，当服务器出 现意外故障时，整个系统应能自动切换到备份服务器上继续工作，当网络出现故障时， 该系统能以本地方式运行，不会因局部故障而引起整个系统瘫痪。 系统易于管理维护。应具有简单方便的系统管理工具，包括：用户权限管理； 系统运行参数管理：运行日志管理；集成的网络管理和系统监控、调试、诊断工具等。 良好的系统伸缩性。由于各企业的条件和经费情况不同，其选择的功能模块和 软、硬件配置都不相同。因此，要求系统能方便地通过裁剪模块、替换软件接口和配 置系统参数来实现系统的装配和升级。 良好的性能价格比。由于供水企业的资金有限，因此在充分满足系统应用功能 需求、系统性能和保证系统安全可靠的前提下，必须选用价廉物美、经济实用的系统 和产品，提高性能价格比，这样对软件的可靠性和健壮性也就提出了更高的要求。 系统应具有良好的开放性，外部接口清晰标准。该系统可以连接很多台p c 工作 站，多种硬件设备，还可能同供水企业内外的其它网络互连，这就要求系统具有良好 的开放性，才能实现网络互连以及与其它设备的互连。 3 1 2 功能需求描述 供水管网地理信息系统应具有以下主要功能： 地形图的存储管理和漫游，地形图的局部修改和更新。 供水系统各组成部分的基础数据存储管理。 各种查询检索功能。 属性统计功能。 紧急事故处理和抢修工程通知功能。 一般的管道工程辅助设计功能。 1 6 管道维护管理功能。 管网运行调度功能。 多种输出功能等。 3 1 。3 性能需求描述 - 1 6 一 供水管网地理信息系统的设计与实现 存储容量：电子地图的引入使系统所管理的数据量大幅度增加，随着系统的不 断完善，数量级将很快达到g b 级。 操作响应时间：本地操作响应时间一般应小于1 秒；网络命令或消息响应时间 一般应小于5 秒。 网络带宽：1 0 0 m b 以太网可满足属性、空间信息和网络操作命令的传输要求。 3 1 4 运行需求 1 用户界面 一般供水企业的操作人员，多数是未使用过计算机或对计算机不太熟悉的用户， 因此要求更友好、更简单和更容易学习的用户界面。为了更好地确定用户的需求，可 以使用大量的快速原型，通过用户试用原型获得较准确的用户需求。 2 运行环境 网络服务器： c p u ：主频8 0 0 h z 以上 内存：至少1 2 8 m 硬盘：至少4 0 g 网卡：1 0 1 0 0 m 自适应快速以太网卡 p c 工作站： c p u ：p i i i 以上 内存：至少6 4 m 硬盘：至少2 0 g 网卡：1 0 1 0 0 m 自适应快速以太网卡 3 外部接口 用户接口。设计良好的人机交互界面，对于用户的各种操作( 包括错误操作) ， 系统均能给以相应的提示，用户依系统提示，通过简单的鼠标、键盘操作就可以驱动 程序运行。 软件接口。通过组件对象模型( c o m ) 接口，用开发各功能部件，对m a p i n f o 进行客户化。 其它接口。提供与其它数据格式的转换接口。 1 7 供水管网地理信息系统的设计与实现 4 故障处理 对一般性错误给出错误提示； 将各种错误和异常情况记录在日志文件内，以备事后检查分析故障原因： 当网络服务器出现故障时，可自动或手动完成备份服务器切换； 当整个网络故障时，可启动本地工作方式。 3 2 系统总体结构设计 3 2 1 系统的网络结构 随着i n t e m e t 的快速发展，w e b 服务正逐步进入供水管理部门的业务范围，基于供 水管网管理业务发展需要和系统的前瞻性的设计思路，系统采用通用的b r o w s e r w e b s e r v e r g i ss e r v e r 多层结构( 如图3 1 所示) ，由分布在各客户端的浏览器、w e b 服务器 和g i s 服务器组成。这样，可以通过供水公司的内部局域网，实现集中办公、统一管 理，同时城市居民可以通过i n t e m e t 查询停水信息。 1 7 1 8 】 1 马咖洲冯凰凰是 弋弋蓝 画画茴 绘图佚拥虮扭 6 ；f 史数靴仪 图3 1网络结构示意图 一1 8 供水管网地理信息系统的设计与实现 3 2 2 系统主要硬件组成 网络服务器：建议中心服务器选用专用服务器机型( 如c o m p a qp r o l i a n t6 0 0 0 服务器) 。另外考虑到数据的安全性和可靠性，应采用双电源、双硬盘、硬件智能容错 控制卡，并且每个服务器配置一个备份服务器。 网络设备：若干台1 0 1 0 0 m 自适应以太网网络交换机或h u b ；若干块1 0 1 0 0 m 自适应快速以太网网卡；若干k m 网线。 微机：主频p h i 以上；内存6 4 m b 以上；硬盘1 0 g b 。 o - v 程扫描仪：如c o n t e x ( a 0 幅面) 8 0 0 d p i 。 喷墨绘图仪：如h p 7 5 0 等。 数字化仪：a 0 幅面。 打印机：针式、喷墨或激光打印机若干台( 用于打印表格、抢修通知单等) 。 3 2 3 系统主要软件组成 操作系统：p c 工作站操作系统为w i n d o w s 9 8 或w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l ；网 络操作系统为w i n d o w sn ts e r v e r 或w m d o w s 2 0 0 0s e r v e r 。 软件平台：m a p i n f o 网络平台。 数据库软件：关系数据库管理系统r d m b s ( 服务器端为s q l s e r v e r ) 。 辅助工具：a u t o c a d 。 开发工具：v i s u a ls t u d i o6 0 ，其中v i s u a lb a s i c6 0 中文版为本系统的主要开发工 具。 3 2 4 系统的安全策略 数据安全是一个g i s 应用系统的重要组成部分，本系统充分考虑了安全因素，用 户在登录本系统时，必须输入用户名和相应的密码，系统经验证正确后，方能进入。 系统管理员可以对不同的用户设置不同的权限，以确保系统和数据的安全。 3 3 软件体系结构设计 3 3 1 关于面向对象技术 1 9 供水管网地理信息系统的设计与实现 1 、模块化技术 要编写出整个高质量的程序或软件应用系统必须应用面向对象技术，面向对象的 概念早在1 9 6 6 年就在仿真语言s i m u l a 6 7 中出现了，但直到模块化理论在7 0 年代和8 0 年代 经过稳步发展而成熟后，对象才成为模块化理论合乎逻辑的发展结果。因此，想要很 好地理解和应用面向对象技术，就必须深入地研究模块化技术。 1 9 】 y o u r d o n 和c o n