《信息技术基础与应用》课件1第三章

案例3城市地下管网地理信息系统解决方案A3.1前言A3.2地下管网数据模型A3.3城市地下管网GIS功能模块设计A3.4系统运维巡检A3.5系统展望

1．数字城市与城市地下管网管理

数字城市起源于美国前副总统戈尔1998年提出的数字地球概念，是数字地球的一个组成部分。数字城市的概念可分为广义和狭义两种。A3.1前言广义的数字城市概念即城市信息化。狭义的数字城市是指利用数字城市理论，基于“3S(GIS、GPS、RS)”等关键技术，深入开发和应用空间信息资源，建设服务于城市规划、城市建设和管理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。数字城市的本质是建设空间信息基础设施并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。

城市地下管网是城市的“生命线”，是数字城市建设中的重要基础设施，对加速实现城市现代化具有重要意义。数字城市能提高地下管网综合管理的能力和效益，实现不同管线的共同管理，提高信息的共享程度，避免掘断光缆、凿穿煤气管道等事故的发生，同时，也可以使不同管线间的相互影响、相互干扰达到最小。

2．建立城市地下管网GIS的必要性

随着经济和社会的高速发展，我国城市发展已进入了快速增长时期，城市地下管线管理工作也取得了很大进展，但由于历史和现实的种种原因，地下管线管理仍滞后于城市建设发展的水平。城市地下管网传统管理方式主要存在以下问题：地下管线缺乏统一管理；地下管线有效监管力度不够。统计数字显示，全国每年因施工发生的地下管线事故造成的直接经济损失约50亿元，间接经济损失约400亿元。由于GIS技术的不断发展以及它所具有的特点和优势，采用GIS来真正实现城市地下管网的空间数据、属性数据和拓扑关系的一体化管理，已成为构建城市地下管网GIS的必由之路。将管理信息系统(MIS)与GIS融为一体，使管网空间图形与其属性数据库有机相连，为地下管网行业的经营管理提供了强有力的技术支持手段。

1．空间数据模型

地理信息系统管理空间数据的方式大致经历了如下发展历程：文件系统存储模式、混合数据存储模式、关系数据库存储模式和面向对象空间数据模型。在GIS中采用面向对象的数据模型，可以更好地模拟现实世界，提供更大的可扩展性，从而可以更充分地采用软件工程技术开发出高质量、易维护的GIS系统。A3.2地下管网数据模型面向对象技术的核心是对象(object)和类(class)，对象是指现实世界中的实体或现象，是系统构成的基本单位；类是具有部分相同属性和服务的一组对象的集合。

按照面向对象的思想，根据管线地物的实际特点，可把地下管网分为管点和管段，若干管点、管段组成一个专题层，同一地理空间的多个专题层组成一个工作区，一个或多个工作区构成一个完整的工程。这种自下而上的抽象过程与从上往下的分解过程，组成了管线信息系统的数据模型：一方面，它表达了地理空间的自然特性，接近人们对客观事物的理解；另一方面，它完整地表达了管线对象(大到工程、小到结点)之间的各种关系，用层次结构清晰地表达了这些关系。管线信息的数据组织就采用上述工程—工作区(管线图幅)—专题层的管理方式。

2．管网数据在OracleSpatial中的组织存储

OracleSpatial是Oracle公司推出的空间数据库组件，Oracle从9i引入了抽象对象数据类型(AbstractDataType)SDO_GEOMETRY，来表示空间数据类型。由于对象—关系型数据库Oracle所具有的优点，系统采用OracleSpatial实现地下管网空间数据和属性数据一体化管理。

在地下管网GIS中，根据地下管网要素类的不同可以将管线分成不同的图层。相应地，在OracleSpatial中，为每个管线图层建立一个元数据表。管线、管点数据采用MapInfo公司的Tab文件格式存储，可以通过MapInfoProfessional的EasyLoader工具将空间数据和属性数据一起上传到OracleSpatial中。通过EasyLoader上传管线数据层后，Oracle会自动建立一个MapInfo用户，并自动生成管线图层元数据表MAPINFO_MAPCATALOG。为地下管网建立元数据表后，能够使管网数据的管理和检索更加方便、快捷，保证了数据库中对管网空间数据和属性数据的一体化管理。

构建城市地下管网GIS应充分实现GIS的多源地理信息一体化管理能力、空间查询、分析和辅助决策能力，紧密结合管网管理的工作需求，使系统既能提供所需要的各种管网图形、报表，同时具备分析功能。A3.3城市地下管网GIS功能模块设计

1．图形显示编辑模块设计

GIS的图形显示功能就是对电子地图的地图控制，主要包括地图的显示、全区域漫游、矢量缩放等。系统实现了对多种数据(包括遥感影像、地理底图、管网专题要素等)的输入和符号化显示。城市地下管网GIS系统的总体界面如图A3.1所示。

图A3.1城市地下管网GIS系统界面

2．查询模块设计

图形与属性交互查询的方式有两种：一是根据所选管线、管点查询相应属性，此为点击查询(又称图文查询)；二是根据属性条件查询相应图形，此为条件查询(又称文图查询)。

对从图形到属性信息的图文查询，用户只需双击某一图元，就会出现对话框显示该图元的基本信息和详细信息，包括属性信息和空间信息，并将其定位在屏幕中央。文图查询方式用于确定管网对象的某个或某些属性，比如街道名称、所属单位、埋设类型或材质等，可以是单一条件，也可以是组合条件。这种查询对于数据库管理系统来说是很简单的，用一条简单的Select语句加上已知的字段值限制，就可以从指定的表中提取所查询对象的完整数据记录。

3．断面分析模块设计

系统可对任意管线做横断面分析和纵断面分析。通过鼠标拖动形成剖面线，绘制出管线剖面图，在横剖面图上，可以分析各管线在垂直位置上的相互关系，描绘出管径类型、管网埋设坡度、深度变化等信息，并生成标准规范的断面图，便于在施工时正确掌握管线的埋深及相互关系。纵断面分析可以直观地考察管线的走向和坡度，纵断面对于有高程差的污水管线尤为重要，其中横断面分析效果如图A3.2所示。

图A3.2地下管网埋设横断面分析系统界面

4．量测模块设计

基于电子地图的空间量测是GIS的一个重要特色。通过鼠标在图上漫游，可获得当前任一点的空间位置坐标，系统提供了空间量测工具，可量测任意两点或多点之间的距离以及闭合面的面积，可以应用在设施查找定位、规划设计等方面。

5．统计报表打印模块设计

管线统计包括管径统计、管材统计、管线状态统计、检修统计等。统计结果可以以各种图表的形式表示。

通过选定范围可按需要输出图形。管线统计报表输出效果如图A3.3所示。

图A3.3系统报表输出界面

6．三维模块接口设计

三维管网能形象生动地表现管道间的相互关系和空间分布。系统利用VC++和OpenGL开发了综合地下管网的三维显示模块。

三维管网图将管网间错综复杂的空间特征关系多视角展示出来，通过开发三维管线信息查询功能，可以方便地查询捕捉到的管段、管点信息。三维管网的运行界面如图A3.4所示。

图A3.4三维管网的运行界面

在城市地下管网运维巡检管理中，针对城市水、电、燃气、暖气、网络线路的管理、日常运维巡检的管理、故障发现及上报处理流程等，通过故障检测设备及GPS坐标上报、GIS地图服务、工作流处理等手段，辅助运维人员进行监督管理，从而提高运维管理的效率。图A3.5和图A3.6所示分别为三维管网系统界面示意图和测试设备的示意图。A3.4系统运维巡检

图A3.5三维管网系统界面示意图

(a)界面示意图(b)测试设备

图A3.6三维管网系统界面示意图和测试设备三维管网系统的应用价值如下所述：

(1)通过GPS定位，实现自动考勤，避免巡检员缺勤；

(2)通过故障检测设备按预定轨迹方式设定巡检路线，避免巡检员漏检；

(3)巡检问题精确上报，避免谎报、误报，为运维部决策提供支持；

(4)为管线问题排除提供复合依据。

随着计算机和GIS技术的发展以及需求的不断深入，城市地下管网GIS也将不断发展。为了满足数字城市建设与管理的需要，需要从以下几个方面进行更深入的研究。A3.5系统展望

(1)优化城市地下管网的数据模型。地下管网数据模型的先进与否直接关系到城市地下管网GIS的性能，设计实用、合理的地下管网数据模型，是今后需要着力研究的问题之一。

(2)