1、本科毕业论文（20 届）关于建立龙岩市地下管线信息系统的探讨所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期基于 ArcGIS 在龙岩市的地下管线信息系统的建立【摘要】在当前城市地下管线信息化进程中，管线应急业务的预警、处理能力在城市地下综合管线地理信息系统中的重要地位不容小觑。将地下管线的现场监测设备所采集的实时数据与地下管线的地理空间数据相结合，实现地理信息与实时信息的数据无缝连接，将为城市地下管网的监测、预警、应急指挥体系起到重要的信息支撑。基于此目的，本文拟从技术和应用的角度上利用 GIS 的集成方法对城市地下管线信息系统的建立进行探讨和实践。【关键词】城市地下管线;GIS ;数据库
2、1.引言 .11.1 城市地下管线的背景 .11.2 城市地下管线的研究现状 .11.3 基于 GIS 在城市地下管线中的优势 .12. 城市地下管线信息系统技术路线 .12.1GIS 技术的应用 .12.2 基于 GIS 技术对地下管线系统设计的技术路线 .13.地下管网地理信息系统的概述和建立 .23.1 城市地下管线信息系统的设计 .23.2 城市地下管线数据的采集 .23.3 城市地下管线数据的存储 .43.3.1.数据的质量要求 .43.4.地下管线的数据库系统设计 .43.4.1.数据库特点 .43.4.2 数据库系统 .54城市地下管线系统的主要功能 .64.1 数据查询功能 .
3、64.2 数据编辑功能 .64.3 数据的动态更新 .64.4 实景三维可视化 .64.5 带参数的模拟功能 .64.6 输出功能 .65城市地下管线系统的应用 .75.1 地下管网的综合分析 .75.2 地下管网的预警和自动定位 .75.3 海量数据的自动更新和共享 .8结束语 .8致谢 .8参考文献 .911.引言1.1 城市地下管线的背景城市地下管线是城市重要的基础设施之一，也是城市的重要组成部分。当前的城市化和城镇化的进程的不断加快，为了保证目前现代化城市的高效，有序，安全的运转，城市地下管线充当着重要的角色。由于长时间的积累，目前现有的城市地下管线的状况和数据是非常不清晰的，一方面是
4、现有的资料所描述的管线信息和实际地下管线的情况不符合。其二是城市化的进程当中，城市的各方面的设施在不断地变更和新增当中，因此所照成了城市地下管线的资料的空白。因此传统的资料和文献已经不能够满足目前高速发展的城市化的进程。建立一个完备的清晰的具有更新能力的城市地下管线系统是目前的重中之重。1.2 城市地下管线的研究现状1998 年 1 月“数字地球”的提出引起了各国政府、科研机构、IT 产业的广泛关注， “数字国家” 、“数字城市”相继启动，大部分进行普查的城市还建立了地下管线信息管理系统。据不完全统计，2000至 2006 年我国开展城市地下管线普查和信息系统的建设城市为 127 个。在国内基
5、于 GIS 的现代化的研究城市地下管线已经有了很大的进展。如李浩利用二维 GIS 平台软件(ArcGIS)和三维 GIS 平台软件（CityMaker）建立一个二三维一体化的地下管线地理信息系统，建立二维管线数据和三维管线模型的一一对应的关系，利用三维 GIS 平台软件展示三维地下管线场景和分析结果、响应用户操作；游建泳，戴黎明，吴斌利用数据采集与监视控制系统（SCADA）系统结合 GIS 平台进行实时监测数据库，进而实现设备的实时运行数据与图形数据的集成应用；陈银川，何国富，傅丽莉，张善发，徐连军，基于 GIS 技术开发一套城市排水管网动态规划管理评价系统（EasyPlanning）,在传统
6、平台管理、编辑、查询功能的基础上，进一步强化人性化功能。目前的 GIS 在城市地下管线当中的应用是一个十分热门和兴起的领域。但是当前的城市地下管线系统还是存在着诸多问题，例如现在国家的法律法规不够完善，由于加入了 GIS 的应用新的技术标准还不够完备，管线权属单位缺乏相互之间的统筹协调。相信不久的将来地下管线信息化能够为政府的决策方面提供极大地服务。不仅改变传统管理方式，提高工作效率和管理水平，其次产生经济效益、社会效益和环境效益。1.3 基于 GIS 在城市地下管线中的优势GIS 具有采集信息，分析，组织，存储和管理地理空间数据的强大功能。利用计算机技术与空间数据相结合的手段来对城市的地下管
7、线实现实时监测和预警。利用地理信息系统对可能发生的情况进行预警，并且实施预设方案来进行处理。或者对已经发生的突发情况，利用 GIS 来发现情况发生的位置，并启动应急预案，实现高效、准确的处理突发情况，将事情的影响降低到最小。地下管线分为地下管道和地下电缆两大类，没有包括地下人防巷道。地下管道又分为：给水、排水、燃气、热力和工业等五类。地下电缆又分为：电力和电信两类 1。通过 GIS 系统对地下管线的动态监测数据与地理空间位置实现无缝连接，为管理人员提供准确的位置和管线数据，提高管理人员的工作效率和管理水平。2. 城市地下管线信息系统技术路线2.1GIS 技术的应用随着计算机技术的高速进步，拥有
8、强大的空间数据管理能力和空间分析能力的 GIS 技术在城市地下管线当中起着重要作用。利用 GIS 技术对收集到的研究区内的各种数据进行整理，建立研究区地下管线信息数据库,实现图形与相关属性数据的集成管理，进行相关评价因子的分析提取，结合相应模型，对研究区的地下管线系统进行综合分析；实现地下管线系统的数据自动化更新；并且可以实现地下管线系统的全面预警和自动定位。2.2 基于 GIS 技术对地下管线系统设计的技术路线2正确的技术路线是系统成功与否的关键所在，通过对 GIS 技术的研究和学习国内外学者对于地下管线系统的信息化研究，作者提出了建立城市地下管线信息系统的基本过程如下：（1）收集现有的管线
9、资料，对资料不全面或者超过一定年限的区域进行管线普查。记录管线的平面位置和管线的属性数据。建立监察机制保证获得的管线数据的可靠性和完整性。（2）制定系统总体设计方案，根据地下管线类型的多样性和复杂性来设计系统，包括系统的模块，系统的功能设计，软硬件的选择等多方面因素。（3）数据的采集、处理和建立数据库系统。根据地下管线系统的综合情况，按规范的采集管线数据，且对数据进行数字化等的处理，设计合理的数据结构，从而建立地下综合管线数据库。（4）根据不同的需求建立与之相对应的算法分析，根据所要实现的综合分析、全面预警和自动定位、数据的共享和自动化更新建立相应的模块。并且要对系统进行不断的更新和维护。3.
10、地下管网地理信息系统的概述和建立3.1 城市地下管线信息系统的设计新开发的地下管网地理信息系统在 MAPGIS 的平台上进行搭建，其中包括了五大体系，排水管线系统，给水管线系统，电信管线系统，热力管线系统，路灯管线系统。首先对这五大系统先进行结构上的设计。将这五个系统作为子系统分别进行设计和建立。最后将这个系统整合到一个完整的系统上来，将有交叉的部分的进行特别的标注从而对相交的管点和管线进行分析。这样一个既分类又整合的完整的城市地下管线大系统就可以构建完善。3.2 城市地下管线数据的采集城市地下管线数据的采集必须利用外业收集和内业处理成果相互结合的工作方法，利用地理信息系统将来处理原有的专业的
11、管线数据和资料，再根据目前的实际情况予以添加和修改。探测的测绘人员利用打开井盖进行实地调查和仪器相互结合、解析法测绘、同时对管线的属性数据进行详细的登记和标注。具体如表 3-1 所示，外业工作人员在采集雨水管道信息后做的记录。又如图 3-3 将雨水管线的数据表格导入到 ArcGIS 之后生成的雨水管线属性表。对新增的正在搭建建筑物的管线系统和将来规划内的用地的管线系统规定必须严格的按照管线的要求进行设计和施工。同时也必须采用监理审查机制进行实时跟踪的指导、监督、管理和协助；并且与城市地下管线的地理信息系统相同步，达到信息的实时共享。通过这样的方法对城市的旧的管线数据和新增的管线数据实行结构和内
12、容上的统一，必须按照 GIS 数据的技术要求来规范的整理数据。该方案的工作流程如图 3-1 所示。外业数据收集 工程监理数据处理 计算机监理数据存储 竣工验收成果城市地下管线数据库图 3-1 管线普查与建库一体模式化3城市地理信息系统需要的数据内容包括：管线分布的平面位置、管线的高程数据、深度数据、管线类型、管线利用情况、管线的连接关系、管线材质、管线和管井的规格、管线的权属单位等其他一些数据。为了达到所要求管线数据的准确性精度。从最开始的普查测量的各个环节都需要严格把控和进行质测区：龙州工业园高新区 管线类型：雨水 权属单位：龙岩好源工贸有限公司 管线点类别 平面坐标（m） 高程（m） 埋深
13、 (m)预编点号管线点号连接点号埋设方式管线材料管径/断面尺寸(mm) 特征点 附属物 X Y 地面 管（沟块）底Y1 Y1 Y2 直埋 塑料 200 起止点 暗点 2784260.606 501462.261 410.430 409.880 0.550 Y2 Y2 Y1 直埋 塑料 200 拐点 暗点 2784251.664 501461.553 410.290 409.690 0.600 Y2 Y2 Y3 直埋 砼 400 拐点 暗点 2784251.664 501461.553 410.290 409.090 1.200 Y3 Y3 Y2 直埋 砼 400 三通 暗点 2784252.1
14、49 501504.407 410.419 409.089 1.330 Y3 Y3 Y4 直埋 砼 400 三通 暗点 2784252.149 501504.407 410.419 409.089 1.330 Y3 Y3 Y7 直埋 塑料 200 三通 暗点 2784252.149 501504.407 410.419 409.519 0.900 Y4 Y4 Y3 直埋 砼 400 三通 暗点 2784252.780 501560.128 410.140 408.720 1.420 Y4 Y4 Y5 直埋 砼 400 三通 暗点 2784252.780 501560.128 410.140 4
15、08.720 1.420 Y4 Y4 Y8 直埋 塑料 200 三通 暗点 2784252.780 501560.128 410.140 409.240 0.900 Y5 Y5 Y4 直埋 砼 400 直线点 暗点 2784253.547 501627.930 409.704 408.154 1.550 Y5 Y5 Y6 直埋 砼 400 直线点 暗点 2784253.547 501627.930 409.704 408.154 1.550 Y6 Y6 Y5 直埋 砼 400 终止点 暗点 2784252.861 501684.875 409.400 408.000 1.400 Y7 Y7 Y
16、3 直埋 塑料 200 起止点 暗点 2784260.528 501503.145 410.390 409.790 0.600 Y8 Y8 Y4 直埋 塑料 200 起止点 暗点 2784260.411 501557.876 410.180 409.580 0.600 表 3-1：龙岩好源工贸有限公司（雨水）管线表图 3-2 龙岩市龙工路段路灯属性表图 3-3 雨水管线属性表4量的控制。可以采取在城市地下管线数据采集和整理的过程中，采用工程质量监理机制，在管线数据导入管线数据库系统的过程中，采用计算机成果的监理机制。管线普查的工程监理必须按照国家的法律法规和相关的技术规范、质量标准和事先要求的
17、设计文件对普查的目标进行施工施行的质量控制，和进行进度上的控制、数据质量结果的控制 2。其中数据的结果是最为重要的质量控制。计算机的成果监理是在施工人员在进行数据的处理和数据的转化的过程中提供相关的专业指导和技术咨询，保证数据在数据格式和数据的一致性，因此计算机成果监理必须与测绘的作业监理的图幅检查结合起来。3.3 城市地下管线数据的存储地下管线数据库系统采用对象-关系的空间数据存储方式，使用用户能够自定义类型可扩展 SQL 的类型系统，原理是将几何类型作为对象扩展关系数据库管理系统，使用扩展的几何类型存储管理要素的几何形状，这种扩展后的数据库称为对象关系数据库 3。这是目前空间数据存储管理的
18、主流方式。为了便于方便管理，将这些图幅设计成能够相互间具备空间索引功能，为了便于使用者和管理者进行查询分析，对所在地形图上的地理要素都进行相应的地理编码和标记。城市地下管线数据库由雨水、污水、给水、电力、电信、燃气、工业、路灯、等管线的索引图组成。城市地下管线系统的数据库要既要包含地下管线的空间分布数据、管线的拓扑关系模型和管线的属性数据 4。如图二所示。同时要对管线数据的对象进行要素类的编辑，要素类指是具有相同属性的集合,相同行为和规则的空间对象的集合，对象类是具有相同属性集,相同行为和规则的非空间对象的集合 5。对这些要素和对象进行编码，以便用户的查找。3.3.1.数据的质量要求数据是所有
19、 GIS 系统的核心内容，所有的地理信息系统都需要以数据为依托才能够充分的表现出来。因此对于空间数据的质量标准方面就必须有以下方面内容的要求：数据情况的说明，要求对地理数据的来源、数据的内容及其处理的过程做出准确、全面和详尽的说明 6。位置精度为空间实体的坐标数据与实体真是位置的接近程度，这当中就包括了数字基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度、像元定位精度 7。属性精度指的是空间实体的属性值和真实地物属性的相接近的层度。时间上的精度，城市地下管线信息系统对于数据的现势性和时效性的要求很高。还有包括数据在逻辑关系相一致的精度、数据的完整性约束、数据的表达形式合理性的约束。因为在管
20、线数据采集的过程中需要对管井打开进行实地的测量和提取数据。但是因为某些管井的被建筑物覆盖、井盖的破损较大、管井的水流量较大、管井内部的结构复杂等等这些原因都会影响到采集的数据在质量受到影响。3.4.地下管线的数据库系统设计3.4.1.数据库特点建立城市地下管线信息系统的数据库应该具备以下几个特点：（1）首先要有点和线的位置关系和拓扑关系，主要利用的是网络分析连通性分析的交汇点处连通的策略，即依据边线连通，交汇点处的连通、端点处连通。（2）要求数据库系统能够具备依据管线的不同类型来进行多图层的管理，不同的管线类型不同的图层，由于不同的管线类型之间可能会存在着管线的相交，但是并不存在着拓扑关系，由
21、于这种特殊的情况，解决且减少拓扑关系在不同的管线类型当中的复杂层度，同时提高使用者和管理者在对管线类型和管线数据查询的方便性，这就需要不同的管线类型之间实现 GIS 系统和数据库系统结构上的分层。（3）当建立起反映管线的三维特征的地下管线的地理信息系统。用三维地理的平台作为开发的框架基础，构建成可以维护和可以扩展的三维地下管线的地理信息系统。在三维的地下管线的信息系统当中必须能够对剖面信息结构的可视化，通过剖面的信息结构充分的了解地下管线系统的构造和拓扑情况。三维地信信息系统必须包含三个内容。三维地理信息的数据库是整个三维架构的核心，它必须要提供地表的建筑物、植被、道路、水系等模型。同时加以配
22、合数字地形模型形成三维构造的基本的框架结构。三维地下管线的系统也必须要有三维基础功能服务平台。通过服务平台可以用户自定义的加载符合我们所需要的模块，其中可以包含空间参考坐标系的变换、数据库数据的访问接口、三维网络的构建和拓扑分析。最后一个内容则是整合二维和三维地下管线数据库，对二三维的管线数据的一体化的处理，5设计出能够直接将二维数据转换为三维数据的绿色通道，构建出二三维数据相统一的数据结构和数据的内容。达到二三维数据一体化的要求。通过以上的三个内容就能够建立起完善的空间三维地下管线系统，能够做到清晰并且方便的描述出城市地下管线具体内容，也能够通过清晰表现城市地下管线系统的剖面情况，以便于我们
23、分析、管理和实时动态监测。3.4.2 数据库系统城市地下管线信息系统的数据库需要采用分层式的设计方法，即根据不同管线的类型来设计不同的层次的图层。根据不同层次的图层建立各自的数据库系统。城市基础设施系统、自来水管线系统、排水管线系统、热力管线系统、天然气管线系统、电信管线系统、电力管线系统。结合 ARCGIS 当中的网络分析功能模块，利用网络分析的连通性分析和流分析方法进行设计。如图 3-3 所示，设计的图层包含点和线段两种几何对象，根据不同图层的不同属性对点和线段进行编码和标记，可以在线段的线型，颜色、宽度、结点和端点的样式、点的颜色、点的大小上、点的类型进行根据不同属性的区分。其中对于道路
24、图层的设计就可以相对简单一些，主要标记道路的中心线位置、道路的高程信息、道路的宽度信息、道路的交流流量信息，不同的颜色道路线段代表不同道路的交流流量。每个图层所建立数据库系统都必须包含两部分内容：（1）实景三维地下管线数据库系统建立能够表现实景的三维地下管线数据库，能够充分的表现地表上的基础地理设施建筑物、道路等其他地上模型和地下管线系统的相互关系，对于模拟的管线的突发情况的演示能够有非常清晰的效果。三维地下管线系统必须要求建立详细的实体属性信息表，这其中就要包括实体的编码、所属场景的编码、所属的图层、定位信息。同时也要建立起与二维 GIS 管线系统的联系，要求所设计的实体的编码和场景的编码一
25、一对应。这样就能够实现数据的无缝连接。（2）二维地下管线数据库系统二维的地下管线数据库系统主要采用是基于 ArcGIS 的地形数据集模型。二维的地下管线数据库其中包含了管线及其附属物的平面矢量数据和属性数据。它也是整个城市地下管线信息系统数据和核心来源。二维的管网数据可以通过 CAD 的格式中的数据导入，或者通过 Excel 当中所对应的坐标点属性数据，还可以通过我们手动编辑添加和修改。当线段的平面坐标通过数字化导入到数据库系统当中，需要提取出线段的两个端点，然后具有相同坐标的结点之间会相互匹配，这样就能够将数据当中点和线要素之间的相互连接起来。由于精度的原因，在不同结点在相互匹配的过程中会有
26、差距。如果两个点之间在一定的图 3-3 连通性分析数据和三维效果图6的范围内，就视为相同一个点。 4城市地下管线系统的主要功能4.1 数据查询功能数据查询的内容应该包括地下管线的平面位置、高程数据、拓扑关系、属性数据、管线的材质等等信息进行查询。因此管线数据的数据库在输入这些数据的同时就必须要考虑到这些信息的分类。不仅可以依据不同的要求来对所需要的数据进行查询还能够这些查询的数据结果进行统计。例如可以统计出某一管线的管线在特定区域内的管线长度。在某一特定的管线在规定的区域内有多少个管井。还可以统计出管线的当中的有破损的井盖数量和完好的井盖数量。而且还可以对这些统计的结果进行绘制成统计图，清晰的
27、表达统计的结果。因此为了满足这些功能的需要就要求数据在录入数据库系统的同时，在一定经济和时间可承受的范围内对于数据的分类当中尽可能的考虑周到和完善。最大可能限度的满足用户的需要。4.2 数据编辑功能当地下管线系统处于编辑状态的时候可以实现图中点和线的新增、删除和修改点和线的位置、状态、属性等方面的修改，增加和删除。当添加新的管线，可以利用已经设定好管线类型代码进行操作，这样的方法提高操作人员和后续维护人员的工作效率。在新增管线的时候能够自动的生成所需要操作的管线的类型，而且对于新增的属性信息方面也能够起到保证数据格式的便利。数据的编辑功能也能够满足对于已经录入系统的管线的点和线的数据进行删除。
28、能够通过鼠标选定要操作的目标管线，根据对话框的内容进行即时的删除操作，在数据库的系统内部形成自动化的同一。如果单独对于地下管线系统的属性数据方面的编辑就必须进入数据的系统查询到相关的数据内容，然后数据进行修改、新增、删除等操作。属性方面的编辑主要包含的是管网点属性和管网线的属性。在数据库当中完成编辑后，地图当中的管线的点和线会起到相对应的变化。4.3 数据的动态更新 数据的动态更新是十分重要的部分，它必须要求专门机构的专业维护人员进行日常的检测，对整个GIS 系统进行更新，对于那些新完成的城市基础地理项目需要严格按照操作规范要求严格把关外业，按照数据库系统的要求来规范内业的数据。从而保证城市地
29、下管线系统的时效性和完整性。数据的动态更新能够在未来的趋势当中可能会应用到大量的传感器设备和传感器系统实现数据的自动化更新。利用大量的传感器设备对城市地下管线进行实时动态监测，对于监测的结果自动化的导入数据库系统。通过这种方法能够大量的节约专业维护人员的工作量。4.4 实景三维可视化城市地下管线系统的实景三维可视化能够非常的直观变现城市的地下管线和地表上基础设施、道路的相互关系。也可以来观察地下管线系统的剖面情况。形象化的反应管线的管井深度，管井的尺寸大小。在给水排水系统当中进行水流量参数的模拟当中，实景三维的可视化能够非常的清晰观察到管道中水的流量情况和判断在管道的接边处是否会出现冲突。在发
30、生冲突的情况的时候，实景三维的可视化能够观测到状况对周边的地表环境所带来的影响。4.5 带参数的模拟功能带参数的模拟分析功能是网络分析当中取值随着条件而定，条件不同取值也不相同。例如：排水系统当中应用带参数的模拟系统，对当中管井的最大水流量设定，不同的管井可承受的流量的大小是不相同的。然后用一定的水流量来进行模拟通过管井，观察哪一个管井最先达到它的最大值。通过这种方法可以反向预估某地区的降雨量达到多大的时候在那些区域容易造成险情。那么可通过该方法对将要开发的市政项目利用带参数的网络分析模块，利用该地区的平均降雨量和最大降雨量作为参照模拟该地区的排水的可能的最大承受限度，从而根据这些数据来对该地
31、区设计排水管网的管井大小和管道大小。因此利用 ArcGIS 当中带参数的网络分析模块来对城市地下管线系统做险情预估和判断。74.6 输出功能可以根据用户的需要通过利用绘图仪、打印机和各种可输出设备将图形数据和属性数据导出。可以导出表格数据也可以导出图形数据等用户所需要的结果。例如：原来的二维平面的矢量数据主要是通过CAD 来加以表达，而采用对应坐标点 Excel 来表达属性数据。这样的方法并不能够很好的表达城市地下管线的情况。利用 GIS 系统提供表格数据在表到数据属性方面也并不是十分的完整。当前 GIS 的属性数据在输出方面也需要通过 ODBC 将数据转换为 Excel 表格从而输出。因此未
32、来在数据输出如何将属性数据和平面位置数据更加完整的配合在一起，打包成块一起输出将是未来的趋势。5城市地下管线系统的应用5.1 地下管网的综合分析地下管网的综合分析包括了给排水系统的水流量分析、电力电信系统的负荷分析、热力管道的热力值分析。可以对已经铺设好的地下管网进行全面的分析，分析其管线综合功能。也可以通过这样方法来探测一些因为城市地表建筑物、道路等设施无法发现的井盖进行模拟探测，探测它的所在位置。通过对管网的综合分析，建立起来的数据库系统，对于将来开发的市政项目方面就可以应用数据进行模拟，提供方案设计工程的填挖方量、管线铺设路线、管线的埋设深度、管线的设计尺寸。对于新的市政项目能够起到非常
33、大的作用，大大的提高了效率。如图 5-1 所示，通过三维实景来分析龙岩市某待开发路段的地下管线横断面的情况。清晰的看出改截面的地图高程、管线高程、规格、间距、埋深等重要信息。由于地下管线在各地都会受到气候、土壤等环境因素的影响，地下管线的深度具有严格的规定，因此系统的综合分析也应该具备覆土深度分析的能力，如图 5-2 所示，龙岩市某路段的特定点的覆土深度信息。5.2 地下管网的预警和自动定位GIS 系统下设计的城市地下管线信息系统能够设定每种管线的可以实行全面的监测。通过这些监测的数据，经过事先已经设定好的算法，可以提供全面的实时预警功能。例如在给排水系统当中的水流量的达到一定的数值，管线当中的水量已经达到一定的深度，就向该类型系统所对接的权属单位提醒，提供实时的数据结果。以此有关部门就可以在第一时间内采取相应的措施，争取将影响降到最小甚至为零。通过实时数据可以提供相对应的具体位置，实现完全的自动定位。天然气的管线当中提供的实时监控可以对全市的整条天然气管道进行监测，根据前后的天然气的通过率来判断天然气是否发生泄漏，如果有立刻启动预警，向所接入的权属单位提供当前的数据报告，采取相应的措施。也可以通过前后通过的天然气的降低率来估算出发生泄漏的具体位置，显示在地图上。 如图 5-3 所示当某个地区发生天然气泄漏图 5-1 地下管线横断面图
