太原理工大学GIS工程实践生产实习实习报告

1、成绩： GIS 工程实践生产实习实习报告地下管线管理信息系统设计与实现专业：地理信息系统班级：地信 1201姓名：指导教师：隋刚苏巧梅二一五年一月1. 实习目的：GIS工程实践生产实习是配合“GIS 设计与实现”课程教学而开设的实践环节，目的是让学生深入理解 GIS 设计与实现课程中讲述的内容， 熟悉 GIS 工程的基本内容和实施 GIS 应用工程的一般过程；提高学生应用 GIS 工具分析问题、解决问题的能力。2. 实习题目描述地下管线管理信息系统是一个为城市地下管线规划、建设、管理、决策服务的，以计算机网络为载体， GIS 软件为平台的应用型技术系统。它以数字地图为基础空间数据、 以空间信息

2、数据和属性信息数据为资源， 利用 GIS 的数据库管理、查询、统计和分析，从而为城市规划、管理提供技术决策支持。管线是城市规划、建设和管理的重要基础资料。随着城市功能的调整和城市建设的发展，城市地形地貌、用地、规划布局不断发生变化，新建、改建、扩建项目不断增加， 如何对城市管线特别是地下管线进行精确、 高效的管理将显得非常重要。尽快全面、系统地管理好管线信息，为合理地开发利用地下空间，如地下工程的规划、设计、施工及运行管理等提供坚实的信息基础。在规划管理上，往往只注重用地规模、性质、总平面布置、路网和建筑密度、间距等规划指标的控制， 而对基础设施和地下工程管线综合规划深度不够， 未能真正起到对

3、地下管线建设的指导与控制作用， 使得一些管线的敷设总是落后于建设的发展。而传统的手工办案方式已越来越跟不上信息时代的城市规划管理要求，建立城市管线管理信息系统已成为规划管理领域信息化建设的重要组成部分。地下管线种类繁多、分布广、管线敷设时间跨度大，并且伴随着城市规划建设的发展而日益增多， 同时还不断处于更新之中。 作为城市规划建设的一种宝贵资源，应充分加以全面和及时地开发利用。 因此加速建设管线信息系统建设， 实现管线数据即时可视化， 进行动态综合规划管理， 是城市规划中实现现代化运行管理的重要组成部分。地下管线信息系统一方面依赖各种比例尺的地形图，特别是以地形图为基础的专题管线图来管理其空间

4、地理位置信息；另一方面非空间信息（如管线材质、规格、管线高程，底程、埋设年代等）则一般是通过各种不同规格的表格数据形式来管理。这种相对独立且分散的基于文档的管理方法，其弊病是显而易见的：首先表现在于表格文档和地图文档的非同步更新，造成内容上的不一致和混乱；其次，纸质文档有不易查询、保存携带、复制和不便于保密等缺点。基于原有 GIS 二次开发平台开发的地下管线管理系统， 大多数只具有原平台提供的常用空间分析功能， 而缺少针对管线数据管理所需要的网络分析功能， 或者只提供了很简单的网络分析功能。一条管线就是由管线点按一定连接关系构成的线，代表实际管线的走向。在建立地下管线地理信息数据库后， 应用地

5、理信息系统网络分析和各种专业算法，可动态模拟出管道内各种参数，如温度、压力、密度、流量，做出这些物料的流动状态波动曲线图， 据此判断管线上各装置的运行情况， 发出停、开、升、降等各种指令，何时需开足马力，何时需关闭阀门，合理调控，以维持管线网的最佳运行状态。3. 实习要求：1 ）通过对某一 GIS 行业应用进行系统分析，确定基本需求；2 ）根据需求分析的结果设计相应的数据库，进行行业应用模型分析，描述相应功能实现的方法；3 ）按着规定的格式书写课程设计报告。4. 实习报告内容4.1需求分析地下管线信息系统实现对地下管线数据进行图形化的管理，具备向管线专业权属单位的专业管线信息系统提供数据共享的

6、能力，专业权属单位可通过此系统浏览管线信息， 当专业权属单位需要使用此信息时，付费后可通过此系统进行数据下载。经过具体的需求分析后，总结为如下几点：（ 1）能把管线信息数据及查询结果数据在地图上的适当的位置以适当的方式显示出来，具体编辑功能类似 AutoCAD，具体要求如下：·可选择任意范围内管线图；·地图放大后可显示线路中间的分隔线；·单击地图上的任一点，可分类显示该点的信息，单击分类表可显示详细信息。·地图上标注的数据可根据地图的缩放隐藏或显示；·数据在地图上的位置可根据需要进行调整；·可修改地图上的表示数据的符号, 能自行设置和

7、修改数据在地图上的显示符号；·可修改地图上显示属性数据。2）准确、全面的反映地下管线空间数据和属性数据，如矢量图的三维坐标数据、物探点号、测量点号、性质、位置、材质、附件名称（阀门、消火栓等）、管径、建设年代、管线的埋设方式等。3）将城市所有的地下管线以动态方式管理起来，使数据始终反映最新的现状，管线数据动态更新，可为城市规划、消防、电信、供电等部门提供大量的信息，同时为政府决策提供可靠的依据。4）能实现地下管线数据合理性与准确性检查，如地下排水管道后一节点的地面高程不能比前一节点的地面高程高20cm,各管点的物探点号不能出现重号情况，将拟建建议工程与已建管线叠加，避免地下管线相互冲

8、突。5）可准确地查询出管线的性质、位置、材质、附件名称（如阀门、消火栓、管径等）等，提供准确可靠的数据。6）可输出各种形式的综合图、专业图，对图形进行任意比例尺的缩放；可输出不同规格的图纸，将多幅图拼接输出，方便外业施工和管理。7）可对管线进行纵、横剖面处理，为管线设计部门非常方便地提供各种数据；可进行事故分析， 如当煤气管道发生爆列时， 可进行判断最近的哪一个阀门应该关闭；可进行交叉分析、垂直净距分析、三维分析、最短路径分析、缓冲区分析等8）地下管网综合查询：可按属性数据库中的字段名作任意查询，可统计任意区域内的阀门、消火栓等管线附件的个数， 通过给定某一具体位置查找到其周边某一距离内的管线

9、分布情况。这样，可在地下管线发生事故时，提出应急方案，划定危险区域。该功能可为公安消防部门结合地形图的位置，提供最佳事故处理路线，制定最佳解决方案。9）数据共享：系统应该满足开放性要求，作为城市规划管理级应用的综合性地下管线系统，应具备向管线专业权属单位的专业管线信息系统提供数据共享的能力。当管线专业权属单位需要此信息时，必须付费进行购买， 通过此获得合理回报。10）安全性：安全等级分为超级用户和普通用户。超级用户拥有全部权限，普通用户规定其对部分 ( 如编辑、查询、分析、图幅下载、管线统计、输出内任意选项的组合 ) 功能的访问权限。系统记录用户每次登录的情况，系统记录跟踪用户的使用情况，记录

10、用户对数据库进行写操作时访问的表名称和操作内容，非授权用户不得进入本系统。11）管线专业权属单位原来存储大量的管线数据，其格式有很大的不同有AutoCAD的 Dxf 格式，南方公司的CASS数据格式，为防止形成信息孤岛，系统需要提供各种数据格式接口进行数据的转入与转出。根据对整个项目的需求分析和客户业务流程建立系统的业务模型如图，其中“A”表示使用角色，也就是系统功能的使用者，“”表示系统需求中的实际需求用例，也就是系统使用者需求的功能或者系统必须提供的功能，“”表示了使用者和系统功能之间的关系，箭头表示使用者和功能之间的启动方向，也就是说明动作的开始和结束。A1：外业管理人员， A2：系统管

11、理人员， A3：系统维护人员， A4：内业管理人员A1A2A3测量调查数据导入数据统计图形编辑A4信息查询权限管理空间分析系统维护资料输出4.2系统功能1、管线数据的建立可以来源于管线探测成果数据， 也可以直接绘制成图。 探测成果按普查规程规定提交，计算机监理将外业普查管线数据转换为系统要求的中间格式数据， 并进行数据逻辑错误检查，转成 dwg格式文件，构成管线空间图形数据。2、管线图形及其属性保存管线图形可以单独分层分幅保存，也可以集成保存在一幅图中。管线属性记录存储在图形的扩展对象数据中或存储在数据库中。3、数据更新图形更新：系统提供各类管线绘制功能，新增加的管线可以方便地存入系统。属性更

12、新：定义管线类型并附加属性。4、查询图形查询：建立管线图形库以文件方式存储，可以方便地查询管线图形。属性查询：查询各类管线、井类属性。叠加查询：叠加查询地形图、规划图、红线图等，以对照分析现状各类图形、管线与规划管线之间的关系及其空间位置关系。查询管线断面信息：自动提取并绘制管线断面。5、统计自动统计各类管线属性信息，生成相应统计报表。功能模块设计 ：根据地下管线管理信息系统的需求， 按照结构化系统分析和设计思路， 此地下管线信息系统分为编辑模块、 数据查询统计模块、 管线分析模块、 数据检查模块、管线设计模块、图形数据输出及数据转换模块。地下管线信息系统由六大功能模块组成即图形编辑 数据检查

13、 数据查询、统计 管线分析 图形输出其中图形编辑涵盖了漫游、 缩放；生成点、线、面和多边形 ；旋转、平移、复制、删除 ；管点、线打断、合并；节点编辑、属性修改数据检查涵盖属性数据一致性、 完整性检查；管点重号检查；管线交叉检查；自流管线埋深检查；数据查询与统计涵盖任意区域查询；管线、点条件查询；图幅、综合统计管线分析涵盖事故分析；缓冲区分析；最短路径分析；纵、横断面分析图形输出涵盖带状图；综合管线图；数据转换涵盖数据导出各种 GIS 格式数据导入管线管理系统 ：地下管线信息系统是以城市地形图为基础，以各类管线数据为核心，进行各种图形数据的建立、 查询、叠加分析，提供了全面的规划管线管理信息化建

14、设解决方案。给水管线排水管线管数雨水管线据线管线图库处图。理通讯管线电力管线4.3数据库设计在系统建设中， 数据库也是我们整个系统的关键， 我们考虑将所有的管线信息包括空间数据和属性数据、 图像、文档都存储在数据库中。 由于系统数据量比较大，数据类型比较复杂，访问频率高，对数据库系统要求非常高。同时考虑数据库管理的灵活性， 如果把整个一个地区或一个城市的点或面层管线图作为一个图层存入数据库中， 这样虽然减少了控制的复杂度， 但增加了多用户并行操作的等待及锁定开销。 因此，在数据库设计时为了保存数据及管理的方便， 把每个点层或线层分幅为 250m*250m的分幅图，每个分幅图生成三个文件， 在数

15、据库中这种空间数库就是用 shape 文件形式保存。按性质划分，数据库可以分成两个，一个空间数据库，一个为属性数据库，前者有地形图形空间数据（ x,y 坐标等），和供水管网各组成成分（如水表、阀门等）的空间数据（ x,y 坐标等）组成，后者有图形属性数据（如房屋层数等）和供水管网个组成部分 （如水表和阀门等） 的属性数据（测点号、口径等）组成。按类型划分，本系统的数据库包括地形图数据、管端数据、管网阀门数据、管网水源数据、管网用户数据、排气阀门数据、排泥阀数据、消火栓数据、水表井数据、管网节点（如三通、四通、堵头）数据和其他（杂类管点）数据。1）空间数据库空间数据主要有地理地图数据，点文件（.

16、WT）、线文件（ .WL）、网文件（ .WN）组成，其中地理地图数据包括一些最基本的信息，如道路、建筑物等；阀门、消防栓、测压点等的空间数据形成点文件； 管段和管线的空间数据分别形成线文件和网文件，如下所示：地理底图库阀门消防栓空点文件（ .WT ）测压点间数.据线文件（ .WL ）管段网文件（ .WN ）管线2）属性数据库根据目前供水管理工作的实际情况，本系统属性数据库主要包括管线、管段、阀门、节点、排气阀、排污口（排泥阀）、消防栓、水表、水表井、用户、水源、水池、其他管点、测压点等数据类型，其属性数据库结构如下。管线数据库：节点数据库如下：水表数据库如下：接下来例举两个数据库结构，分别如下

17、：阀门数据库结构字段名称字段类型字段长度小数位编号数值型200名称字符型12型号数值型120规格数值型123生产厂家字符型30生产日期日期型10坐标浮点型113高程浮点型82开启方式字符型10方向字符型10埋设时间日期型10所在地点字符型24全开转数数值型81螺杆直径数值型123螺杆材料12简图管网测点数据结构字段名称字段类型字段长度小数位编号数值型200测点参数字符型12测点所在地字符型24连接简图测点建立时间日期型10测点接出管管径数值型12测点坐标数值型12当然还有用户数据库结构、消防栓、阀门、排泥阀、水源、水池数据库结构，就不再一一例举了。4.4 地下管线的空间分析：在城市地下管网信息

18、系统中， 各种综合分析功能如事故分析、管线最短路径分析、缓冲区分析和纵、横断面分析等的实现，是系统的算法技术核心所在。在程序设计中算法设计是系统功能实现的前提与效率的保证。本文在系统的建设过程中，基于计算机算法结构技术，利用图的遍历、Dijkstra 等算法，设计、实现了管线信息系统中的事故分析、最短路径等空间分析算法。事故分析：在城市地下管网中，如给水、燃气、电力、电信、工业管道等管线，当一段管线某处发生事故， 如某一段管线断裂， 常需要定位事故发生地点，定位能够抑制事故继续扩大或制止事故的管线设施(如给水管网的阀门管点 )，并显示这些设施图，以供决策和采取相应措施。 以下以给水管网为例，

19、利用图的遍历算法，设计、实现城市地下管线信息系统中事故分析的深度优先遍历算法40,41。深度优先遍历是一种广义的先序遍历，起始顶点被作为参数并且成为被访问的第 1 个结点。在沿路径移动一直到“死胡同”或“设定的终止条件”过程中，将邻接顶点放到堆栈中，这样如果还有未被访问的顶点便返回并搜索其它路径。被访问过的顶点组成了从起始顶点出发可以到达的所有顶点的集合。最短路径分析：线性矢量图形节点划分为“端点”和“交叉点”，端点指的是在一条或者是两条线段上的点， 交叉点指的是在三条或者是三条线段之上的点。通过这种划分我们可将相邻节点距离的采集分为端点到交叉点， 交叉点到交叉点两个步骤来实现，由于端点到交叉

20、点之间是一维的搜索， 在端点较多的情况下可大大加速相邻节点距离采集的速度。 因原线性矢量图形存储的线段本身的不连续性， 比如一条连续线段在数据库中可能是分成多条线段来进行存储的， 故在确定线性矢量图形的端点和交叉点之前， 应首先对原矢量图形的线段进行合并， 这样就可大大提高计算速度和减少了存储空间。 采集相邻节点的距离分两个步骤来实现： 从端点到交叉点以及从交叉点到交叉点。 通过上面的定义可知从端点到交叉点之间有且只有一条线段，采用一维搜索的方法搜索次数不超过合成线段的总数， 而且一旦满足条件即可进行下一次的搜索， 实现起来相对容易。 而交叉点到交叉点之间可能有多条的连接线段， 采用先前介绍的

21、深度优先遍历整个数据库来得到所有的相邻线段 ,图形中每个节点路径用沿己知最佳路径从起始节点到本节点的距离来标注，对应结构体内dLengthWeight 变量 ,并且用一个全局结构体来记录当前所能找到的从起点至终点的最优路径及其最短路径值 BestValue，其实这个算法的思想就是 Dijkstra 算法的变体。Dijkstra 算法是解最短路径问题的一个贪心算法，其基本思想是，在一个给定带权向量图 G=(V ，E)中，设置一个顶点集合 S 并不断地作贪心选择来扩充这个集合，一个顶点属于集合 S 当且仅当从源节点到该顶点的最短路径长度已知，初始时， S 中仅含有源节点， 设 u 是 G 的某一个

22、顶点， 我们把从源到 u 且中间只经过 S 中顶点的路径称为从源节点到 u 的特殊路径，并用数组 dist 来记录当前每个顶点所对应的最短特殊路径长度。 Dijkstra 算法每次从 V-S 中取出具有最短特殊路径长度的顶点 u，将 u 添加到 S 中，同时对数组 dist 作必要的修改。一旦 S 包含了所有 V 中顶点，dist 就记录了从源节点到所有其他顶点之间的最短路径。开始，一条路径也不知道， 故所有的节点都标注为无穷大， 当当前节点所在线段地理长度或此节点 nLengthWeight 值大于 BestValue 值时，此节点的邻接节点不必入栈，同时 ,此节点出栈，否则更新 BestV

23、alue，继续搜索邻节点。随着算法的进行和不断找到的路径， 标注随之改变， 使之反映出较好的路径。 在算法的进行过程中如果发现标注代表了从源节点到终节点的最短可能路径时， 就使它成为永久性的，不再进行修改。 在程序模块的初始化过程中， 不相邻的两个节点问的距离初始化为 -1，相当于无穷大。考虑到两个节点之间不连通的情况，在程序中也增加了阀值控制避免进入死循环。缓冲区分析 ：缓冲区分析是地理信息系统重要的空间分析功能之一。 线状目标缓冲区的生成是点、线、面三种基本空间矢量要素缓冲区生成的关键和基础。 线状目标缓冲区总的生成分两个阶段， 即单个线状目标缓冲区多边形的独立生成过程和多个线状目标缓冲区

24、多边形间的重叠合并过程。 首先介绍任意线状目标等距缓冲区自动生成的算法，再介绍不同线状目标缓冲区多边形间的重叠合并算法。独立线状目标缓冲区的自动生成：在基于矢量数据格式的地理信息系统中， 任何线状目标的空间形态主要是通过“折线”的方式来表示的，因此，所谓的线状目标缓冲区的生成实际上等价于“折线”缓冲区的生成问题。 通过分析折线的形态特征会发现任何形状的折线都是由折线端点、 折线上的线段和线段间的拐点三个基本要素所构成。 显然，要设计折线缓冲区的生成算法， 必需从构成折线的三要素着眼。 下面分别介绍折线端点、折线上的线段和线段间的拐点的缓冲区生成算法， 然后再将它们组合在一起形成任意折线等距缓冲

25、区的自动生成算法。不同线状目标缓冲区的重叠合并：由不同线状目标生成的缓冲区多边形有时会出现重叠现象如图 3.6(a)，实际应用中，这种情况的最后缓冲区应该是合并后的缓冲区。纵横断面分析在实际应用中， 经常需要了解某处的管线铺设情况， 最直观也最常用的方法就是查询某处管线埋设的剖面情况。 为此，可以对该处进行剖切， 显示该处所有管线的剖面相对位置， 便于施工人员了解情况。 按工程对管线断面信息的需求和绘制管线断面的需要。4.5 数据检查1 排水倒流检查对于相连通的排水管线段，求出管线层上相对的管点，求出管底(内底 )高程，判断沿水流方向前一节点不能比后一节点高20cm。2 管线交叉检查由于信息系

26、统空间数据性质的不同，导致要以全三维方式建立地下管线空间数据的拓扑关系，两者之间的拓扑计算方法和拓扑检查方法有些不同之处。如通用地理信息系统中在对两根相交管线进行拓扑运算时，对所交叉的两根线段不能通过属性判断是否要进行打断。 由于地下管线的性质， 对图形进行线拓扑运算时， 首先对在图层上相交叉的两线段进行属性判断，就会有以下三种情况：（ 1）两线段的管线性质不同，例一根是煤气管道一根是自来水管道，它们根本就不可能相交。（ 2）两线段的管线性质相同且交点在同一高程上，则需对线段进行打断。（ 3）同性质两线段不在同一平面上，但有一个“三通或四通点状地物在同一 X 、Y 坐标上，必须对线段进行打断。

27、在具体求图层内交点的方法是顺序遍历图层内的每一管线， 依次与其他管线段求交点，直线求交完毕，则删除。一旦有交点，用插值法求各管线交点处管顶高程，管底高程，判断两管线是否有交叉。3 管线点重号检查管线信息经过编码后， 通过属性表的关键字段管线段号和图上点号来要唯一的标识管线和管点实体，MapObjects 控件内建了用标准SQL 表达式进行特征选择和查询的功能， 我们利用这个功能顺序遍历整个图层所有纪录，取出管线段号(或图上点号 )的值然后进行查询，判断其查询结果是否多于两个，如果出现了重号情况，更改其中一个为图层上管线段号(或图上点号 )的最大值递增 1。4.6 地下管线信息系统的实现整个地下管线信息系统采用 C/S 模式，包括服务器端和客户端。 服务器端负责管理客户的访问，界面图如图一；客户端主要提供内业人员对管线数据的管理功能，界面图如图二，以下各小节介绍具体的各功能模块的实现。服务器界面客户端主界面图5. 总结：本文在广泛参考国内外有关地理信息系统的文献的基础之上， 通过对国内外现有的有关地理信息系统开发技术、 方法的比较和分析， 针对地下管线信息系统开发中的一些关键技术