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g i s 在煤气管网管理信息系统中的应用 研究生签字：弗笨1 暂 斛剥程字宏张 要 城市燃气管道的安全直接关系着人民群众的生命财产安全，而城市建设工程 又难免会与城市地下管网相冲突。担负西安西郊大部分区域煤气供应的西安市煤 气公司，在近年多次遇到由于道路施工而破坏煤气管道的情况。在道路施工时准 确定位各种地下管道的位置，成为各项建设工程的掣肘之事。以地理信息系统为 基础的城市地下管网管理查询系统，能够通过直观的图形显示界面显示城市地下 管线的准确位置，是解决这一问题的有效方法。 本文以西安市煤气公司中压管线g i s 系统为背景，介绍了地理信息系统( g i s ) 的最新技术进展及应用于城市地下管网管理的方法和步骤，着重分析了采用将 i n t e m e t 技术与g i s 相结合的产物一w e b g i s 系统的框架及作用；并据此给出了 实现课题背景项目的框架结构，描述了系统所要实现的主要功能，并详细说明了 这些功能的具体实现。在分析煤气管网数据关系及存储策略的基础上，设计出了 课题背景项目的数据库结构及图层划分。文中在分析g i s 系统所采用的矢量地图 和栅格地图各自优缺点的基础上，提出了在煤气g i s 系统中采用栅矢一体化的思 路并加以实现，从而即利用了矢量图可以无级缩放和数据库关联性强的优点，又 利用了栅格图更新快、能够反映最新城市风貌的优点。 在本文的最后，给出了整个煤气管网中压管线g i s 系统软件的具体实现以及 在开发研究中面临的问题和今后需要进一步发展的方向。 关键词：地理信息系统( g i s ) ；w e b g i s ；城市地下管网；煤气 a p p l i c a t i o n o fg i si nc o a lg a s p i p e l i n e n e t w o r k m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m d i s c i p l i n e ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n s t u d e n t s i g n a t 一山中哆 8 u p e 州s o r 啦嘣哪厶i 乃z 沆 a b s t r a c t t h es a f e t yo fc o a lg a sp i p e l i n e si nc i t i e si n f l u e n c e sd i r e c t l y1 i v e sa n dw e a l t ho f p e o p l e a tt h es a m et i m e ，t h ec o n f i i c ti s i n e v i t a b l eb e t w e e nt h ec i t yc o n s t r u c t i o n p r o j e c t sa n d t h eu n d e r g r o u n d p i p e l i n e n e t w o r ko f c i t i e g i nx r a nc o a lg a s c o m p a n y , w h i c hp r o v i d e sc o a l g a s f o rt h em o s ta r e a so fw e s ts u b u r b so fx i ，a nc i t y , t h e i n s t a n c e st h a tc o a l g a sp i p e l i n e s a r ed e s t r o y e db e c a u s eo fr o a dc o n s t r u c t i o na r e e n c o u n t e r e daf e wt i m e si nr e c e n ty e a r s f o rv a r i o u sc i t yc o n s t r u c t i o np r o j e c t s t n e k e yp o i n ti sh o w t od e t e c tc o r r e c t l yt h ep o s i t i o no fa l lk i n d so f u n d e r g r o u n dp i p e l i n e s t h ec i t yu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r km a n a g e m e n ta n di n q u i r i n gs y s t e mb a s e do n g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) ，w h i c h i s c a p a b l e o fd i s p l a yt h ec o r r e c t p o s i t i o no fc i t yu n d e r g r o u n dp i p e l i n e sb y u s eo fi n t u i t i o n a lg r a p h i c sd i s p l a yi n t e r f a c e ， c a ns o l v ee f f e c t i v e l yt h ep r o b l e ma b o v e b a s e do nm e d i u mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kg i ss y s t e mo fx i a nc o a lg a s c o m p a n y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sf i r s t l yt e c h n o l o g yp r o g r e s so f g i sa n dt h em e l o da n d p r o c e s so fg i si nc i t yu n d e r g r o u n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ta p p l i c a t i o n ，t h e w 曲g i s w h i c hi sd e r i v e df r o mt h ec o m b i n a t i o no fi n t e r n e tt e c h n o l o g ya n dg i s ，a n d i t ss t r u c t u r ea sw e l la sf u n c t i o na r ea n a l y z e de m p h a t i c a l l y ；s e c o n d l v f r o ma b o v e a n a l y s i s ，t h es t r u c t u r eo fr e a l i z i n gt h ep r o j e e ti sp r e s e n t e d ，a n d 也em a i nf u n c t i o n so f t h es y s t e ma r ci n d u e e d ：f i n a l h - t h i sp a p e rd e s i g n st h ed a t a b a s es t r u c t u r ea n d g r a p h i c s h i e r a r c h yo nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed a t ar e l a t i o n s h i p sa n ds a v i n gs t r a t e g yo fc o a l g a sp i p e l i n en e t w o r k ，m o r e o v e r , b a s e do na n a l y z i n gr e s p e c t i v e l yt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fv e c t o rg r a p h i c sa n dg r i dg r a p h i c su s e di ng i ss y s t e m ，t h ep a d e r p r e s e n t sa n d r e a l i z e st h ei d e ao f i n t e g r a t i n gg r i dg r a p h i c sa n dv e c t o rg r a p h i c s ，s ob o t h t h ea d v a n t a g e so fv e c t o rg r a p h i c s ，w h i c hc a nb es t e p l e s sz o o m e da n dh a v es t r o n g r e l e v a n c eo fd a t a b a s e ，a n dt h ea d v a n t a g e so f 研d g r a p h i c s ，w h i c ht h eu p d a t ei sf a s t a n dc a nr e f l e c tu pt od a t ec i t ys c e n e ，c a nb em a d eu s c a tt h el a s to ft h ep a p e r ，t h ed e t a l l e ds o f t w a r er e a l i z a t i o no fc o a l g a sm e d i u m p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kg i ss y s t e mi sg i v e n t h ep r o b l e m si n r & da n dt h e r e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u t u r ea r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：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 ( g i s ) ；w e b g i s ；t h ec i t yu n d e r g r o u n d p i p e l i n en e t w o r k ；c o a lg a s 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 信息化是当代世界经济和社会发展的大趋势，信息化程度的高低是衡量一个 社会综合国力和科技发展水平的重要标志，计算机科学的发展为满足这种要求提 供了可能性。而地理信息系统( 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 ，g i s ) 则为社会 信息化提供了通用的空间信息框架。g i s 将计算机技术和空间地理数据相结合， 通过系统建立、空间操作与模型分析，为地球科学、环境科学和工程设计、乃至 企业管理等方面的规划、管理和决策提供有用的信息。据估计，人类活动8 0 的 信息量与地理信息系统密切相关，因此g i s 开发和应用的前景和容量是不可限 量的。目前g i s 被认为是2 1 世纪支柱性产业，是信息产量的重要组成部分i z j 。 在煤气行业建立燃气管网地理信息系统( 简称燃气管网g i s ) 正成为各地煤 气公司实现管理科学化的一个发展趋势，因为应用燃气管网g i s 可以大大提高煤 气企业的管网管理的效率和生产运营效率，实现更科学的管理和决策，更好的服 务于用户，同时使企业自身得到发展。 1 2 课题的背景及意义 城市地下管网是一个纵横交错的巨大网络，具有十分复杂的空间和非空间属 性。传统工作方式中，这些管网信息一般经图纸图表描述( 例如，施工和竣工资 料图表) ，采用人工管理，长期以来，我们在管网资料的管理方面一直沿用这种 做法。由于城市市政建设大多难免与地下管网打交道，而不同的管网又分属不同 的部门，致使某项目建设部门在进行某项市政建设时，必须和多个相关部门进行 沟通。而在这些部门内部，因大规模市政建设而日益变化的参考建筑，使有些管 网资料失去了其原有的价值，设备管理相当困难，有关资料甚至只存在一些有经 验的技术人员的头脑里。各种图档资料的不齐全使我们在管理这样一个庞大的管 网时感到力不从心，当遇到紧急情况无法及时得知有关信息采取相应措施。 为了彻底改变这一现状，必须引入计算机技术一地理信息系统来管理城市的 地下管网资料。利用g i s 技术存储、管理和更新城市地下管道网络的空间数据库， 通过与g p s 、无线通讯、i n t e r a c t 、虚拟现实等高新技术的有机结合，在g i s 的 数据操作及空间分析技术的辅助下，建立广泛的实时数字管道信息用户服务体 系，赛现全数字化地下管道信息的实时发布、存储与检索，为地下管道管理提供 有效的技术支持。 论文研究工作来源于西安市煤气公司管网所委托西安工业学院进行的中压 管线g i s 应急预案系统项目( 以下简称煤气管网g i s ) ，是项目开发实施的前 期预研。 西安市煤气公司主要承担着西安市西郊地区的燃气供应，气体品种为水煤 气。管网所曾于2 0 0 0 年委托省测绘局进行过地下煤气管网的普查，但由于普查 亘室三些兰堕堡主兰篁笙兰 结果为纸图形式，无法将设备的属性进行综合管理，导致这些数据无法发挥应有 的效果：加之近年城市道路改扩建工程使原有道路发生多处变化，原先以道路中 心线( 红线) 为参照的图纸存在更新速度慢的问题，导致在实际抢修作业时参照 意义不大。 另外，纸图形式的资料无法满足中压应急预案的计算要求。当某一点发生泄 漏事故时，要求尽可能减少停止供气的区域。对于呈环状的煤气中压管网，在某 段发生泄漏事故时，需要重新调整供气压力以保证环路内其它节点的正常供气； 而这个计算采用以纸图为基础的手工方式通常需要大约1 天。采用以g i s 为基础 的计算机化计算，则可以在短短几分钟内生成各站的调压数据工作单。而这一切， 都必须以本项研究工作为基础。 本选题的意义如下： 1 将信息技术的最新发展w e b g i s 应用在城市设施管理上，提升城市设施 管理的技术水平； 2 城市设施管理是电子政务的重要组成部分，该选题可以推动电子政务的建 设； 3 有助于城市可持续发展。运用w e b g i s 来管理城市设施，可以实现城市设 施的动态、及时、全面地管理，充分利用设施资源，为决策提供正确的资料和数 据，促进城市持续发展； 4 充分利用己有的设备、软件和数据，最大限度减少系统更新换代中出现的 浪费； 5 降低信息技术进入门槛。节省管理人员的培训时间。 1 3 地理信息在城市管网管理的应用 1 3 1g i s 的概念 地理信息系统( 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 ，g i s ) 是近十年来发展起来 的一门新兴边缘学科。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，对现实世界( 资 源与环境) 各类空间数据及描述这些空间数据的属性进行采集、存储、管理、运 算、分析、显示和描述的技术系统，作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、 环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而 迅速的兴起和发展起来。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广 义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的 知识【3 】。 g i s 是管理和研究空间数据的技术系统。在计算机软硬件支持下，它可以对 空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据( 包括地理实体的空间数 据和属性数据) 的有效管理、研究各种地理实体及相互关系，通过对多种地理要 素的综合分析，迅速地获取满足应用需要的信息，并以地图、图形或数据的形式 表示处理的结果。 相比与传统的管理信息系统( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) ，我们 可以从空间可视化、空间导向和空间思维三个方面重新认识地理信息系统。 a 空间可视化( s p a t i a lv i s u a l i z a i t o n ) ( 1 ) 空间地物轮瘠特征的可视化 信息系统是对现实世界的计算机模拟，而地理信息系统则突出了它对现实世 西安工业学院硕士学位论文 界空间关系的模拟。使用我们对于在空间中各事物的状态有一个非常直观的感 受。无论是在屏幕上展示一幅可以无级缩放和信息查询的地图，还是展现一幅三 维的地形模型，都使我们对现实世界空间关系的认识更为直观、具体。或许我们 可以用计算机科学中常用的“所见即所得”一词来解释这一点。 ( 2 ) 具有空间参照特点的地物专题属性信息的可视化 地理信息系统的空间可视化功能还包括对空间分布的地物的属性信息的图 形可视化，这一点是由地理信息系统的一个重要特征来保证的，即g i s 实现了空 间信息和属性信息的集成管理，并能够完善地建立二者之间的联系。这样空间地 物的专题属性特征就可以通过地理信息系统工具实现具有空间参照信息的可视 化。 b 空间导向( s p a t i a ln a v i g a t i o n ) 利用地理信息系统，我们不仅可以纵览研究区域的全域，还可以利用缩放和 漫游等g i s 所提供的基本功能深入到我们更感兴趣的区域去研究。 一个完善的地理信息系统提供了空间数据库功能，使用我们可以以小比例尺 查看全局，以中比例尺查看局部，以大比例尺查看细部。在比例尺不断增大的同 时，展现给用户的空间信息内容会不断更新。这些与地图学中强调的制图综合的 概念是相似的。 地理信息系统的空间导向功能还可以扶空间查询功能中得到体现。例如我们 可以通过空间查询找到“城市中的公园”，并即时将地图的显示范围缩放到所有 “公园”空间分布的范围内，这样同样是空间导向作用的体现。 c 空间思维( s p a t i a lt h i n k i n g ) 地理信息系统的空间数据库在存贮各地物的空间描述信息的同时，还存贮了 地物之间的空间关系，这一特点为进行空间分析提供了基础。 地理信息系统的空间思维，就是要利用g i s 数据库中已经存贮的信息，通过 g i s 的工具( 例如缓冲区分析、叠置分析) ，生成g i s 空间数据库中并求存贮的信 息。 地理信息系统将许多空间分析工具集成起来，并提供二次开发工具。在进行 空间分析时，用户将各种分析工具按所研究领域的专业模型组织成一个程序( 即 计算机可以识别和操作的思路) ，交由地理信息系统完成，最后提供空间可视化 的分析结果。 地理信息系统的空间思维功能使我们能够揭示空间关系、空间分布模式和空 间发展趋势等其它类型信息系统所无法完成的任务。 一些发达国家在g i s 的发展上已取得很大进展，许多城市已建立地下管网 g i s ，且已进入专业化应用与商品化生产阶段。国内也开始了管线g i s 应用的研 究，有的已取得了重大的应用成果【4 】。 1 3 2g i s 应用的方法 建立一个实用的地理信息系统一般有两种途径：一种是从底层开发，开发者 运用适当的高级语言和开发工具，针对用户的需求，建立自己的数学模型和数据 结构，最后得到一个拥有独立版权的地理信息系统。这种开发方式的特点是： a 对开发者的专业素质要求很高，既要求开发者透彻理解地理信息系统的 理论基础，又必须有很强的计算机知识和软件开发经验； b - 因为地理信息系统的复杂性，因此这种开发方式的周期较长，投资较大； 西安工业学院硕士学位论文 c 这种开发方式的风险比较高。可能由于开发者技术路线的失误，数据模 型和数据结构的不当，可能导致系统最后的失败。 建立实用地理信息系统的另一种途径是利用现有的g i s 工具进行开发，也就 是在某种g i s 平台之上进行二次开发。所谓g i s 工具或g i s 平台就是这样一类 软件，它并不针对地理信息系统的某种专题应用，而是提供地理信息系统的基本 功能，然后再利用其二次开发工具进行专题开发。根据本系统开发的具体情况， 决定采用选择合适的g i s 平台进行二次开发的模式。 1 3 3 建立城市管网g i s 的必要性 有关研究表明，8 0 信息和地理位置有关【3 】，因此，空间信息( 有关地理位置 的信息) 的管理和利用的成功与否直接关系到电子政务工程的成败。作为城市管 网的一部分，煤气管网是城市设施的重要部分，且直接关系到人民的生产和生活 安全。但目前大量行业的上下级各部门的数据仍旧是孤立的，不能方便地交换数 据，致使市政施工时给水网挖掘不知道煤气管的位置、污水管修复时可能破坏电 缆。另外，各个行业的系统都停留在c s 结构阶段，有的甚至是单机版，没有网 上空间信息发布的功能。 在城市规划管理中，城市地下管网的规划是非常重要的组成部分。地下管网 是城市的重要基础设施，担负着传输信息、输送能量、排污给水等多种职能，是 城市赖以生存和发展的物质基础之一，对地下管网的维护、管理，是城市管理的 重要内容。随着我国经济的发展、城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城 市的地下管网越来越庞大密集，种类也越来越繁多，暖气管道、自来水管道、煤 气管道、电缆线等在城市的整个地下纵横交错，通向四面八方。在维护修理各种 管线时，必须要有管线分布的详细图纸，尤其是在铺设新的管线时，新管道的挖 掘与埋藏必须要避开已经存在的管线，此时地下管网的管理及查询工作变得尤为 重要。 我国作为一个发展中国家，大部分城市的地下管网管理的方法及效率都不尽 人意e 而地下管线铺埋情况复杂，资料不清，管网埋于地下的管线又存在一定的 隐蔽性，因此造成了诸多设计上的失误和旌工中的事故或者旖工中重复开挖道路 等现象，形成一次次本可以避免的巨大经济浪费。尤其是近年来很多道路的改建、 扩建和新建，各类小区的兴建，使得地下管线发生了很大变化，以往的资料已经 过时，不能反应地下管网的真实情况。况且传统的图纸资料更新十分困难，查询 更是费时费力，对管网资料的手工管理、收集和绘制很难满足城市规划和管理的 实时需求。 相对而言，计算机己经广泛应用于当今社会各个领域，其高速的信息处理能 力大大节省力的劳动，由计算机来代替人的工作在多方面效益显著。借助于计算 机技术，用现代化手段对地下管网数据进行存储与处理，己经成为适应复杂多变 的城市地下管网管理的需要。同时，管网图纸资料的长期妥善保存、管线的合理 维护、信息的多样检索等问题也就迎刃而解，这必将提高管网管理的效率，降低 管理的成本，较之传统的手工管理方式，应用计算机技术管理地下管网的优势是 显而易见的。 西安工业学院硕士学位论文 1 4 论文的主要内容 煤气公司中压管网g i s 应急预案系统是一个庞大的工程，牵扯到几十万条数 据及几千种报表。本文研究工作仅是该项目的一个子项。煤气管网g i s 系统将完 成以下几项内容： a 建立煤气管网设备及运行管理的管理信息系统，对煤气公司提供的有关 数据进行分析，并建立有效的数据库进行管理。 b 建立煤气管网图。以现有的西安市道路电子地图为底图，建立煤气中压 管线图层，并通过数据库建立各种管线及设备的属性数据库。 c 采用地图方式显示煤气公司中压管线的分布情况，并显示鼠标指定位置 的管线口径、埋身、线位等情况及当前位置的地质情况，如断裂带等。 d 采用地图方式显示中压管线上阀门、排水器、调压站的分布情况，并显 示鼠标指定位置的设备参数，如设备型号、编号、维护状态等，并可直接进入有 关设备维护、压力记录等历史数据的查询等图表显示界面。 e 采用地图方式显示中压管线上每个调压站的管辖区域，并能用图表显示 各调压站管辖单位名称、户数等。 f 采用地图方式显示管线故障位置以方便实时紧急预案。 g 根据管线状态，设计应急预案：包括阀门切断位置、调整煤气压力计算( 水 力计算) 、针对煤气厂及各调压站的调度单生成、影响范围图形显示等。 h 建立煤气公司w e b g i s 网站系统，包括常用的地图信息发布和政策法规 安全咨询。 作为该系统的前期研究，论文工作的主要内容包括以下几点： a 从用户需求中整理系统的需求规约，设计系统的功能结构。 b 设计煤气管网g i s 系统的总体结构，包括系统网络架构、g i s 的实现方 法及软件架构。 c 分析空间数据的存储策略，建立g i s 系统的电子地图底图，并探讨采用栅 矢融合技术以建立快速准确的底图的技术可能。 d 分析煤气管网g i s 系统中的数据，建立适当的数据库进行有效的管理。 e 编制实现部分软件并录入演示数据。 1 5 论文的研究重点 a 实现栅格矢量一体化技术，通过前后台管理，将矢量和栅格数据有效的集 成，进行数据组织、管理和统计计算。栅格矢量一体化技术，使得我们可以利用 能够反映城市状况的航拍图资料( 栅格图) ，与反映线路状态的矢量图进行有机 结合，从而即保留了矢量图- i n 任意放大缩小不变形的优点，同时又避免了矢量 图更新困难的缺点。 b w e b g i s 实现方法：由于现存的城市设施管理系统暴露出种种不足，空间 数据交换和共享阻难，本选题试图用空间数据( 信息) 管理的最新理论和技术 网络地理信息系统管理煤气管网，用w e bg i s 实现城市煤气设施数据的网上发布， 使相关工程施工可以方便地查询到煤气管网的数据，从而减少市政其他项目施工 中对煤气管网的破坏。 1 6 国内外研究热点、研究现状及应用现状 1 6 i 目前g i s 的主要研究领域与发展趋势 a 组件g i s ( c o m p o n e n t sg i s ) 对于大部分用户来说，他们可能只需要部分而不是全部g 1 s 功能，而且大部 分的g i s 软件都需要进行二次开发才能满足用户的特殊需要，组件式g i s 是一 种全新的g i s 开发思想，它是将g i s 功能分散制作成a c t i v e xc o n t r o l 和 a u t o m a t i o n ，这些标准的a c t i v e xc o n t r o l 和a u t o m a t i o n 可以被任何支持它们的 开发环境所调用，以便在原有的或开发的信息系统中加入g i s 功能。目前国际上 比较流行的c o m p o n e n t sg 1 s 软件有e s r i 的m a p o b j e c t 、m a p i n f o 公司的m a p x 等钉。 b i n t e r n e t 或i n t r a n e tg i s 信息高速公路的建立极大地方便了世界各地用户间信息交换与信息查询。由 于g i s 能提供丰富的空间查询、空间分析及属性管理功能，因此g s 正在成为 i n t e m e t ( 国际互联网) 或i n t r a n e t ( 企业局域网) 的一个主要内容。目前用于i n t e m e t g i s 系统开发的工具主要有e s r i 的m a po b j e c t si m s ( i n t e m e t m a p s e v e r ) 和 a r c v i e w i m s 、m a p i n f o 公司的m a p x t r e m e 以及网络版的a u t o d e s k 等坤j 。 e 数据仓库( d a t aw a r e h o u s i n g ) 由于空间数据量非常大，这些数据大都分散在政府和私人机构及公司的各个 部门，数据的管理与使用变得非常的复杂。但同时由于这些空间数据具有极大的 科学和经济价值，因此大多数发达国家都比较重视空间数据库的建库工作，在这 些国家一般都有许多研究机构和政府部门参与到空间数据库建立的研究工作中。 目前在北美、欧洲、澳大利皿等国提出了s d i 或n s d i 的概念。s d i 的全称是s p a t i a l d a t ai n f r a s t r u c t u r e ，n s d i 的含义是n a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ，其字面意 思是( 国家) 空间数据基础设施。1 9 9 8 年6 月份在加拿大首都渥太华召开的第十届 国际地理信息工程学术会议更把s d i 作为本次会议的主题，可见国际上对地理空 河数据基础设旌建设的重视。我国国家测绘局也积极地推进我国s d i 的建设工 作，并提出规划模式，部分内容己经在实施当中1 7 1 。 d 3 dg i s 地球以及各种物体都是以三维空间的形式存在的，因此目前二维g i s 技术或 二维半( 平面x ，y 坐标加高程) g i s 对于完整的描述地球上的对象是有一定限制 的。真正的三维g i s 必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维 空间数据库，解决三维空间操作和分析问题。主要研究的方向包括：( 1 ) 三维数 据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；( 2 ) 三维数据的生成和管理；( 3 ) 地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作， 表面处理，栅格图象、全息图象显示，层次处理等。需要用三维空间来描述的应 用领域有如下几个方面：气象学、地质学、采矿学、石油勘探与开发、计算机辅 助设计与制造( c a o c a m ) 、医学影像和机器人学等。一个三维g i s 空间信息系 统应该能够模拟、表示、管理、分析与三维实体相关的信息，并提供决策支持【8 1 。 e g i s 与多媒体数据及g p s 和r s 的集成 遥感r s ( r e m o t es e n s i n g ) 指不接触物体本身，用遥感器收集目标物的电磁 波信息，经处理、分析后，识别目标物、揭示目标物几何形状大小、相互关系及 6 西安工业学院硕士学位论文 其变化规律的科学技术。遥感数据可以利用卫星通讯获得，遥感是g i s 更新和获 得数据的有力方式之一。 g i s 的空间数据库则通过信息高速公路实现全国乃至全球的数据交换和共 享i 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 依靠远程通讯而实现 高精度的定位和导航；它也是g i s 更新和获得数据的有力方式之一。欲让地理信 息在信息高速公路上川流不息，这就在技术上给我们提出了一个新的挑战：需要 建立一个自动化、智能化和实时化对地观测数据处理系统，实现r s ，g i s 和g p s ( 即3 s ) 整体结合，使之成为快速而实时的空间信息分析和决策支持工具。在 3 s 系统中，简单地说，g i s 相当于中枢神经，r s 相当于传感器，g p s 相当于定 位器，三者地共同作用将使地球能实时感受到自身地变化，使其在资源环境和区 域管理等众多领域中发挥巨大作用。g i s 与多媒体数据及g p s 和r s 的集成使得 基于空间数据的信息管理系统变得更加灵活多样，极大地拓宽了信息来源渠道， 方便用户对各种信息的存储与管理，同时能够建立起更加科学的决策系统。目前 在g i s 中可以使用多种形式的多媒体数据。比如在a r c v i e w 中通过使用h o t l i n k 或其它工具，可以把w o r d 文件、e x c e l 电子报表、v c d 声像资料、摄影像片、 卫星影像等纳入到g i s 系统中，用户可以根据需要对这些信息进行查询和管理。 g i s 与g p s 和r s 的集成问题已被研究了多年目前己进入实用开发阶段。 f 开放型g i s ( o p e ng i s ) 开放g i s 就是网络环境中对不同种类地理数据和地理处理方法的透明访问。 开放g i s 的目的是提供一套具有开放界面规范的通用组件，开发者根据这些规范 开发出交互式组件，这些组件可以实现不同种类地理数据和地理处理方法间的透 明访问。 目前多用户、跨平台的o p e ng i s 技术正在被国外的许多研究机构、政府部 门和高等院校所研究和开发利用。开放型g i s 的研究和应用使得各政府部门及企 业之间不同格式的数据能够方便地互访，有利于网络g i s 及分布式g i s 空间数 据库的建立，使g i s 的应用领域及其功能大大拓宽。 g 虚拟现实技术 虚拟现实是目前g i s 研究领域的另一重要方向。虚拟现实是对人类真实世界 某一部分或某一过程的逼真模拟，给人提供视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等信 息，令人完全置身于虚拟世界中，感受与现实系统一致或接近，从而让人产生一 种虽幻犹真的沉浸感。美国m u l t i g e n 公司生产的m u l t i g e n 软件已可以利用地理 信息中心的数字地形海拔数据( d t e d ) 、数字文化特征数据( d e a d ) 和与之配套的 航空或卫星照片，快速高效地构造任何地区的地形地貌和文化特征。 h 面向对象技术( o b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y ) 面向对象方法为人们在计算机上直接描述物理世界提供了一条适合于人类 思维模式的方法，面向对象的技术在g i s 中的应用，即面向对象的g i s ，已成为 g i s 的发展方向。这是因为空间信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂、 琐碎，面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、结构清晰、组织 有序的方法，因而倍受重视。s m a l l w o r l dg i s 是目前面向对象g i s 中最为典型的 代表；一些传统的g i s 也开始部分采用面向对象的技术，如a r c i n f o7 0 i n t e r g r a p h 的t i g r i s ，s y s t e m 9 ，f a c e t 系统等。 i 时空系统( s p a t i o t e m p o r a ls y s t e m ) 传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。在许多应 黯领域中，如环境监测、地震救援、天气预报等，空间对象是随时间变化的，而 这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。过去g i s 忽略时态主要 是受设备的限制，也有技术方面的原因，近年来，对g i s 中时态特性的研究变得 十分活跃，即所谓“时空系统”。通常把g i s 的时间维分成处理时间维( t r a n s a c t i o n t i m ed i m e n s i o n ) 和有效时间维( v a l i dt i m ed i m e n s i o n ) 。处理时间又称数据库时间或 系统时间，它指在g i s 中处理发生的时间。有效时间亦称事件时间或实际时间， 它指在实际应用领域事件出现的时间。时空系统主要研究时空模型，时空数据的 表示、存储、操作、查询和时空分析。目前比较流行的作法是在现有数据模型基 础上扩充，如在关系模型的元组中加入时间。在对象模型中引入时间属性。在这 种扩充的基础上如何解决扶表示到分析的一系列问题仍有待进一步研究例。 1 , 6 2 国内外研究现状 目前常用的g i s 软件已达4 0 0 多种，它们大小不一，风格各异。国外较著名 的有越配，i n f o 、g e n a m a p 、m g e 等；国内较著名的有m a p g i s 、g e o s t a r 和c i t y s t a r 等。虽然g i s 起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到一百多 个领域。 g i s 应用系统软件大致分为三个层次： a 基础软件平台，以计算机硬件和系统软件为基础。是衡量一个国家g i s 研究、发展和软件水平的标志，是g i s 软件产业首先要发展的； b 应用软件开发平台； c 应用软件系统。 在空间数据库管理方面，目前存在几种模式：一种是g i s 软件商自行开发面 向对象数据库管理系统，如l a s e rs c a n 公司的g a d ，或是在关系数据库管理系 统基础上开发的空间数据管理模块，如e r s i 公司的s d e ；另一种模式是数据库 软件商直接在关系数据库管理系统之上扩展的空间数据管理功能，如o r a c l e 、 i n f o m i x 等软件的可选模块都已具有管理空阿数据的能力。 在实现互操作方面，国际上各大公司和相关组织正致力于建立开放的互操作 协议。目前g i s 最突出的问题是地理空间数据互不兼容的困难，虽然大部分g i s 软件都有数据转换工具，但是数据冗余大且易造成信息丢失，一种较好的解决方 法是实现空间数据及其操作的标准化。国际上g i s 软件工业界已经制订了开放性 的地学数据互操作协议( o p e ng e o d a t ai n t e r o p e r a b i l i t ys p e c i f i c a t i o n ，o p e n o i s ) ， 正在将其付诸实施。 随着i n t e r n e t 的普及和发展，w e b g i s 的应用研究也在不断深入进行。与 传统的地理信息系统相比，w e b g i s 具有如下特点：适应性强。适应于不同的软 硬件平台：应用面广，网络功能将使g i s 更容易被全社会所接受，真正实现g i s 无所不在，无所不能；现势性强，网上发布数据，能真正做到实时更新；维护社 会化，数据的采集、录入、分析和发布，将在社会的调节下进行；使用简单。 我国g i s 的软件研究与开发是在8 0 年代中后期，起步较晚但发展和进步非 常快。我国在微机平台上的g i s 基础软件产品已经初具规模，近两年与国外软件 产品的技术差距正迅速缩短，在不少方面与国外软件的水平相当，有些方面甚至 超过了国外软件。 西安工业学院硕士学位论文 1 7 论文章节安排 第一章绪论主要介绍论文的背景、来源和意义；对g i s 的国内外研究热点、 研究现状及应用现状；对论文研究主要内容、研究重点作了介绍。 第二章煤气管网g i s 系统的结构设计，介绍了所设计的煤气管网g i s 系统 的需求规约、硬件平台、软件结构和开发环境。 第三章煤气管网g i s 系统中的地图，在介绍电子地图的种类及各自特点的 基础上，给出了本系统所采用的地图模式及汲取各种地图优势的栅矢融合技术及 实现方法。 第四章煤气管网g i s 系统中的数据分析及数据库设计。 第五章煤气管网g i s 系统的实现。 第六章结论，总结了论文的主要工作，并对g i s 在煤气管网中应用进行了 展望。 2 煤气管网g i s 系统结构设计 2 煤气管网g i s 系统结构设计 在燃气行业建立g i s 燃气管网地理信息系统正成为各地燃气公司实现管理 科学化的一个发展趋势，因为应用g i s 燃气管网地理信息系统可以大大提高管网 管理的效率。它能通过图形数据库和专题图库储存大量的与燃气管网有关的数 据，彻底改变传统的资料保管形式；建立为燃气管网维护、规划、管线设计、管 道旖工和竣工资料查询服务的空间信息库，以及由决策支持系统、图像理解和智 能询问系统支持的管理决策系统。g i s 系统还可通过系统的拓扑结构图对抢修决 策的制定起到支持作用，当某段管线出现故障需要处理时，g i s 系统能提出优化 的决策措施。 i n t e m e t 改变了我们的世界。当前，i n t e r a c t 已不仅仅是一种单纯的技术手段 了，它已演变成为一种经济方式网络经济。人们的生活也已离不开i n t e m e t 。 大量的应用正由传统的c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 方式向b r o w e r s e r v e r ( 浏览 器服务器) 方式转移，g i s 技术也是如此。g i s 技术和i n t e m e t 技术的融合，正 逐渐形成一种新的技术，称为w e b g i s 。 本章在提出煤气公司g i s 系统功能需求后，首先介绍了w e b g i s 的结构及其 与传统g i s 系统的区别、分析了两者各自的优缺点，并在对煤气管网g i s 系统 功能分析的基础上，给出了不同功能的实现方法、硬件和软件的开发平台和运行 平台。 2 1 煤气管网g i s 系统的功能描述 2 1 1 用户对煤气管网g i s 系统的功能需求 论文研究背景项目将实现以下功能： a g i s 供气数据查询：公众及相关部门可通过互联网访问本系统，进行有 关煤气停气范围的图形方式查询，同时网站将介绍相关的安全用气常识和相关法 律法规。扩展功能包括用户缴费查询等。本功能计划向公众开放。 b g i s 管网数据查询：相关部门可通过互联网访问本系统进行有关煤气管 线数据( 如位置坐标、口径、埋深、周边环境、维护维修记录等) 及供气设备管 辖用户范围的图形方式查询，同时网站将介绍相关的煤气管网安全常识、应急预 案和相关法律法规。由于本功能牵扯到管线设备等关键数据，计划仅向通过安全 认证的客户开放。 c g i s 数据维护：各种数据的录入、修改、删除等，具体包括管线设备管 理、辖区管理、设备维护管理、历史记录管理、权限管理等。本功能仅向具有相 应操作权限的系统维护人员开放。 d 应急预案生成：当发生紧急事件时，根据预先安排的预案通知相关人员 进行相应处理( 派工作单和报告单) ，具体内容如指派人员关断相关位置的阀门、 通过水力计算得到调整后的供气压力并发出给供气厂和各调压站的调压通知。本 功能仅向具有相应权限的煤气管网技术人员开放。 西安工业学院硕士学位论文 2 1 2 煤气管网系统的需求规约 根据用户的需求，可以整理出煤气管网g i s 系统的顶层实体关系图如下： o 一般访问 内网业务用户 图2 i 煤气管网g i s 系统顶层实体关系图 系统维护员 西安市煤气管网g i s 系统的核心是西安市电子地图底图及在其基础上添加的 煤气管网数据；对于这些数据的管理和维护将是本系统的核心。在此基础上，本 系统将采用多种结构实现不同用途的查询，并完成其他非核心的联机事务处理 ( 如留言板、举报等) 。考虑到本次实现将作为未来用户实施全部g i s 的基础。 在设计中首先规划出未来完整的煤气管网