论文-基于GIS的地下空间信息管理系统的设计与实现

基于GIS的地下空间信息管理系统的设计与实现摘要:针对城市地下空间既具有空间分布信息,又有大量属性数据的特点,运用地理信息系统技术和计算机技术,对地下空间的信息管理系统(USMIS)及其应用进行了研究。主要阐述了该系统的设计思想、系统的框架结构及其实现的技术结构;并结合某市USMIS开发实例,对工程信息数据的处理与管理、系统功能等进行了描述。该系统的建设,将使USMIS成为地下空间日常管理的得力工具,对提高工作效率、推进地下空间的开发与应用具有重要作用,同时该系统也是构成人防指挥自动化系统的重要组成部分。关键词:地下空间;人防工程;信息管理;GIS一、引言数字地球、数字城市是近几年来地球空间信息科学研究的热点。在现代化城市建设中,已开始广泛应用地理信息系统(GIS)技术处理空间数据及其有关各种城市信息的管理模式,这种高新技术的应用对现代化城市的总体规划、合理布局、综合平衡、科学决策等起着重要作用。随着城市建设的不断发展,地下空间的工程数量不断增加,相应的工程分布、工程图纸、工程状况等信息量呈指数增加。信息技术的发展对城市地下空间的规划、建设、管理等提出了更高的要求,传统的人防管理模式已不适应现代城市建设的需求。做好地下空间工程信息的有效管理,对地下空间的开发与利用、城市规划、城市建设及城市经济的协调发展等方面有着重要意义。鉴于此,开发基于GIS的地下空间信息管理系统(UndergroundSpaceManagementInformationSystem,USMIS)是很有必要的。以城市地理信息为基础,运用计算机技术对地下空间信息进行管理,不仅适应了人防建设科学化、正规化的要求;同时,适应了现代高技术战争的要求,达到快速反应,符合战时指挥自动化的要求。对于有效抵抗敌战略空袭和远程火力打击,保存战争潜力等有重要作用。具体系统设计的实现过程，如图一所示。二、系统总体设计思想及其实现2.1系统总体设计思想系统设计以符合软件规范、有效提高工作效率、界面友好、便于实际运用和操作为指导思想。具体系统的设计,采用软件工程面向对象的设计思路,运用原型法,使软件开发人员与地下空间管理单位人员实现交互,一方面保证系统实现过程与实际应用相符;另一方面使用户参与系统的开发,保证对系统的基本维护能力和深层次的应用。2.2系统设计原则根据设计思想,进行系统设计须遵循一定的原则:(1)针对性:以提高信息管理效率、信息质量为准则,为决策者提供及时、准确、有效的信息,向社会提供需求信息为出发点,体现实用价值;(2)规范性:系统软件的设计应符合编程规范,保证大系统开发中的软件源代码的编程风格的一致性;便于软件质量的检测,真正实现科学化;(3)完备性:包括数据的完备性和系统功能的完备性,数据的完备性指数据中存储的图形及属性信息足以满足系统的正常运行和用户日常工作的需要;系统功能的完备性指根据需求设计各种模块,充分实现信息的有效管理;(4)可扩充性:系统的要素编码、功能和数据库必须根据发展的需要进行扩充,以保证系统的先进性;(5)安全性:信息防护是信息系统的重要课题。该系统通过利用数据访问及数据更新的权限设置等方法,确保数据安全,保障系统的信息安全。2.3系统的框架体系结构系统设计的基本思想是以图(图形、图像)为基础,在城市平面图上管理城市地下空间的各种工程信息;将空间数据与属性数据相结合,使系统操作更加方便、管理能力增强。系统的总体结构包括空间数据库、属性数据库的建立,空间数据、属性数据的浏览、输入与输出、双向查询等。系统具备普通MIS(ManagementInformationSystem)的基本功能,与普通MIS的区别在于对空间数据的管理,能够进行空间查询和基本的空间分析。系统的总体框架结构，如图二所示。2.4系统实现的技术结构系统可以在VC++、VB、Delphi等软件开发环境下,结合组件式GIS软件MapX或MapObject等开发出C/S、B/S等模式的信息管理系统。我们所设计的某市区的地下空间信息管理系统,采用Windows2000Server作为服务器平台,FrontPage2000作为网页开发平台,JavaScript、VBScript、ASP3.0、CSS作为动态网页开发技术,SQLServer2000作为数据库服务器,MapInfo等面向对象开发语言为系统的开发平台。USMIS采用3层结构,即前端浏览器、Web服务器、GIS应用服务器和数据库服务器，系统技术结构如图三所示。三、工程信息数据的处理与管理3.1工程信息的数据体系系统数据包括基础地图数据和地下空间的工程数据等。基础地图数据主要是用于工程分布定位及基本环境背景信息的显示,包括基本注记、交通设施、绿地、水系、公用设施、行政区划、及相关的社会经济要素等。工程数据包括工程的空间数据和属性数据。空间数据主要是工程的区域分布等;属性数据有工程建设单位、工程管理单位、工程建筑面积、工程建设时间、工程结构形式、埋深、宽度、高度、工程出入口及进排风口、工程报废时间、报废处理单位及手续情况、工程上部居民情况等。3.2数据的采集与处理矢量数据标准,建立矢量地图库。工程属性数据的获取,可以依靠工程记录档案等多途径获得。根据获得的数据,以MapX为嵌入式开发平台,完成基于图形的各种功能。3.3图形数据的分层管理对地图数据进行分层管理,是计算机对图形管理的主要内容。对地形图内容的分层应根据地物要素的数据类型和专题内容,同时要适合人防办公业务的需求以及图形编辑和图形输出的条件进行分层。用户根据需求,将不同内容的图层进行组合,即可形成所需的图层。对城市地下空间工程信息的图形管理可以参考以下独立分层的方式进行,如表一所示。图层信息分层简表表1层名类别说明注记文本用文本辅助说明各类情况,包括市区名称、街道名、地名、大型建筑物名称、重要经济目标名称、重要标志等。地下工程面包括各类地下工程,利用工程序号来区别某一具体工程。数据包括工程的长度、面积、组成线和面的点数、最大和最小坐标及中心点坐标等信息。交通设施线、面按照相应标准、等级分颜色表示,辅助说明位置,包括铁路、地铁、高速公路、高架桥、主干道、次干道、一般街道等等。公用设施面城市基础建筑、设施等,包括公用绿地、体育场所、河流、水系、防空警报器的设置等。居民地面各类居民点信息,包括居民建筑、人口数量信息等。行政区划面境界边线组成各类行政区单元,包括各城区、街道、社区等各类行政区划的大致位置和范围,可按区内各下一级分区的大致范围或分区来查询地下空间情况。四、系统功能4.1工程信息管理的功能模块根据用户需求,在城市地下空间信息管理系统中,一般要实现的功能模块,如图4所示。该功能模块结构,主要包括数据基础、工程信息管理、辅助决策系统、业务链接、演示系统等。工程信息管理是开发研究解决的关键性问题,辅助决策是优化思想的体现,业务链接体现了现代办公一体化的需求,演示系统是为网络客户、汇报、系统管理等进行的一种表现形式。其次,对各功能模块进行详细设计,设计内容包括:设计模块封面、菜单、子菜单、按钮、工具;对所实现功能详细设计程序框图,如数据来源、解决方案、数据输出以及技术难点;对空间查询、量算分析等专题进行建模,以及实现的技术思路等。4.2系统操作功能描述USMIS系统采用了B/S(浏览器/服务器)模式,在功能上可分为两大部分,即客户端信息查询模块及服务器端信息维护和服务模块。4.2.1服务器端功能描述(1)空间信息的管理和维护包括城市图形数据的增加、删除、编辑等功能,呈点、线、面等几何形状工程图形的增加、删除、编辑等操作,地图的放大、缩小、漫游、刷新等操作,地图的输出等功能。(2)属性信息和多媒体信息的管理和维护包括图层关联数据库的定义、修改功能,工程属性数据的录入和编辑功能,多媒体信息的录入和连接等功能,属性信息和多媒体信息的输出等功能。4.2.2客户端功能描述客户端功能包括地图操作、空间信息查询、属性查询、多媒体查询、专题信息的统计分析等功能。(1)地图操作包括地图的放大、缩小、漫游、刷新、输出等操作。(2)空间信息查询包括点、圆、矩形和多边形查询等,在地图上高亮度显示出查询结果,在数据浏览器中显示对应图形的属性信息,在多媒体浏览窗口显示对应的多媒体信息。(3)属性查询即条件查询,查询结果显示在数据浏览器中;选择排序字段,对数据进行排序;设置显示/隐藏字段;设置数据浏览器的字体和颜色;打开详细属性窗口,显示当前记录的详细信息;打印输出浏览器中的记录等。(4)量算分析多点间的工程距离、工程面积等数据的量算,工程呈点、线、面等实体几何特征的量算等。(5)专题内容的统计、决策分析利用前述基本功能,对各种专题信息进行信息的采集、编辑、管理、分析和输出。在此基础上,针对不同的专题内容进行统计分析,指导地下工程的规划和施工、建设与发展等问题。对于专题分析与决策的内容,研究的深度和广度还不够,需要继续研究。4.3系统特点数字人防是数字城市的重要内涵,是国家基础信息设施建设的重要组成部分。USMIS作为数字人防建设的基础性工程,对于城市防空、反空袭等具有重要价值,同时也满足了办公信息化的要求。USMIS建设构成了数字人防建设的重要部件,具有如下特点:4.3.1USMIS国内不少单位对该系统的建设进行了研究和应用,但数据的规范性问题没有很好的解决。数据标准及其规范的建立可以实现资源共享,实现纵、横向信息媒介为连续纽带的完整体系。建立城市地下空间信息系统的基础是数据标准及规范的建立,本系统在此方面进行了有益的尝试。4.3.2城市地下空间信息系统采用先进的地理信息系统技术,将反映工程分布的空间信息与反映工程类型、性能等属性信息有机地结合起来,并将图片、录像、文本、虚拟现实技术等多媒体信息结合起来,突出增强了地下空间工程信息的可视化,提供了丰富的信息。作为人防指挥系统的子系统,既可以独立运行,亦有良好的接口,与政府网络等系统进行连接,达到信息共享的目的。4.3.3系统采用B/S模式,对系统的安全性提出了很高的要求。系统通过利用数据访问及数据更新的权限设置等方法,以提高系统数据的安全性,保障系统运行的流畅和信息安全。4.4某城市USMIS开发实例的客户端界面演示根据系统的设计思想、功能结构以及系统实现的技术结构,我们开发了某市区的USMIS系统。现将客户端浏览功能结构演示如下,如图5所示。(1)演示信息:包括城市总体行政区划的图形显示,及其下属区域的选取显示。根据市区工程的分布信息,建立管理信息的区域划分,如图5中的三色区域。(2)功能描述:可以利用按钮、或图标信息,实现功能操作,如图5的上面图标按钮显示,可实现诸如警报器分析、全区警报器、重要经济目标、人防出入口、通讯组织图、全区显示图、视区图形打印、视区图形编辑等。(3)工程介绍:可实现各级行政区域的工程明细显示和查询;采用文本、语音、摄影、图像等多媒体方式描述工程总体和单独的特征。(4)专题信息:主要包括工程定位等系统信息、人口掩蔽的区域设置、人口快速疏散的路径分析、全市区警报器的覆盖及测试信息等。(5)网络导航:可实现网络的浏览,访问各类网站,包括:各类各级人防资讯网、政府网站、社区网点、媒介网络等。五、结束语城市地下空间信息管理系统的开发,是适应当前信息社会中管理现代化、城市信息化的需要,对于办公一体化,提高工作效率具有推动作用;同时,这也是建设数字城市的重要组成部分,对于城市防空、指挥自动化建设等具有重要意义。目前,政府上网工程正在迅速发展,本文所研究的内容及其应用适应了这种社会需要;城市地下空间涉及人防业务,是涉密的,这点我们在与多个城市合作中是一直注意的。同时,该系统还有好多方面需要随着政府网络建设的发展进一步的深入和完善。由于篇幅的限制,本文没有提供程序设计的具体流程和代码,只提供了一些具体的思路;对于设计实例,由于防密需要,我们做了技术处理,有兴趣的单位可以和我们研究室共同开发,推动数字人防建设。参考文献:[1]周先华,余勤,何雷.城市人防管理信息系统的设计与实现[J],人防软科学研究,2001.2.[2]钱七虎.民防学[M],北京:国防工业出版社,1996.[3]陈述彭.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社.1999.[4]吴功和.国防工程地理信息系统设计与实现[J].东北测绘.25(1):17-19.[5]朱前飞.基于GIS的维修管理信息系统的研究J].电脑与信息技术.2000.2.17-19.[6]吴政宏,王胜利.高技术条件下人民防空[M].北京:军事科学出版社.2000.[7]安关峰,史勇,梅