2010地下综合管网GIS管理系统的设计与建设

　　摘要：地下管网资料的手工管理方式与城市化发展的矛盾日益突出，这种现实要求管网管理单位尽快建立管网信息管理的计算机系统，为了有效管理和利用管网数据，管网信息系统必须以地理信息系统为基础来建立。本文阐述了综合管网管理信息化的发展状况，建立地下综合管网GIS的要求及其设计思想、原则，提供了基于ArcGISEngine的城市管网信息管理系统的解决方案，采用组件式GIS技术(ArcGISEngine)、空间数据引擎技术(ArcSDE)、关系数据库(SQLServer2005)技术开发的城市地下综合管网地理信息管理系统。

　　【关键词】ArcGIS地下综合管网信息系统

　　1.前言

　　地下综合管网是城市赖以生存和发展的生命线。由于历史和现实的各种原因，我国城市地下管线管理滞后于城市的发展和国际同行业水平，其混乱无序的状况，已成为我国城市建设和国民经济发展的瓶颈之一，传统的管线探测普查及管线资料管理已不能满足日益提高的城市建设需求。

　　地下管线信息和与之相关的地形、环境信息从根本上是地理信息GIS技术将地理信息相关的空间位置、属性特征进行统一管理，按一种全新的方式组织和使用地理信息。采用GIS技术、开发面向网络、实现信息共享的地下管线信息系统已成为大家的公识。本文研究的主要目的是探索在新的技术和社会背景下，建立一个基于ArcGISEngine技术开发的，满足城市管网市政、规划管理需要的地下综合管网管理。

　　2.综合管网管理信息化的发展过程

　　从国内外的发展来看，在计算机构建综合管网信息系统时，经历了以下几个过程。

　　第一种是走管理信息系统的路子，运用数据库管理系统(MIS)，对综合管网资料整理录入，放在数据库系统中，具有常规的属性数据管理功能，如录入、修改、查询等。这种方式可有效管理综合管网属性数据和资料。便于查询分类，但不具备管理图形能力，不能对空间数据进行检索和分析。

　　第二种是MIS与图形相结合，但仍使用MIS来存放和处理属性数据，图形则另外通过图形系统(如AutoCAD)来录入，以文件形式单独存储。这种方案只是把MIS的思路简单扩展到图形数据上。属性数据和图形数据分离，彼此不相关联，图形本身所蕴涵的丰富信息不能被系统自动识别、提取和利用。

　　第三种是图形和数据库挂接，或采用桌面信息系统。它是利用属性数据表中扩展字段来存储对应图形的数据索引，将图形与对应的属性记录关联起来，从而实现目数互查。由于实现了图形和属性的关联，使图元具有了意义，为基于空间数据的检索分析奠定了基础。但它也有很大缺陷：图形和属性的松散耦合导致关联关系的维护比较复杂。图元间的拓扑关系无法有效的管理，许多重要的深层次分析难以完成，即使能实现，效率也很低。一般只能对单一图幅进行管理，对海量数据的一体化管理缺乏有效手段，不利于空间分析和检索。三维数据处理能力也比较低。

　　综合管网信息和与之相关的地形、环境信息从根本上是地理信息。地理信息具有空间定位、数据量巨大、信息载体多的特点，由于传统的MIS的数据模拟主要针对简单对象，因此其管理的概念和方法很难有效管理和分析复杂的地理信息。地理信息系统是一种管理和研究空间位置和属性数据的信息系统。它对空间数据或属性数据进行分析处理，研究各种空间实体及相互关系，根据实际需求，通过多种因素综合分析，适时提供多种空间和动态的地理信息，满足人们对空间信息的要求，并借助特有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策、动态模拟和统计分析等服务。GIS技术将地理信息相关的空间位置、属性特征进行统一管理，按一种全新的方式组织和使用地理信息。由于GIS技术的不断发展以及它所具有的特点和优点，采用地理信息系统来真正实现综合管网的空间数据、属性数据、拓扑关系的一体化管理，已成为构建综合管网信息系统的必由之路。

　　3.系统设计思想

　　(1)地下综合管网GIS，包括了城市地下各类综合管网，系统较为庞大，要合理划分子系统，应使子系统面向用户。

　　(2)系统在具有整体性的前提下，各子系统模块应具有统一性。

　　(3)子系统或功能模块要具有可分性和唯一性。也就是在功能上不与其他子系统重复，而在系统内是唯一的，这就减少了模块之间的相互影响，简化了开发工作。

　　(4)按功能相关性和完整性的原则，把逻辑功能和信息交换紧密的部分以及在同一任务下的处理过程放在同一子系统中。

　　(5)功能模块与系统主控部分要有很强的接口能力，使模块具有可拆卸性，以便与更新和不断优化。

　　4.设计目标

　　本管网地理信息系统开发重点包括地下管线数据包括空间数据、属性数据的一体化存储、数据的共享及各专业管线数据的独立存取，主要设计目标：

　　(1)各类专业管线空间数据库的设计，在同一个关系型数据库(SQLSEVER)中实现各类管线空间数据的分库分层管理，使不同专业管线数据可以独立存取。

　　(2)各类专业管线属性数据库的设计,包括各类管线及管线设备对应的属性表设计;各类专业管线应用数据库的设计，包括各类管线应用数据的存储设计，如自来水、煤气管线的爆漏历史数据等。

　　(3)管网模型的设计，包括各类管线(自来水、煤气、电力、电信)类型的定义,非同类管线之间拓扑连接规则的定义，各种管线设备点与管线之间的匹配规则的定义。

　　(4)数据的远程维护、添加、编辑、更新及回存某类管线数据(包括图形及属性数据)，针对用户权限的不同，实现数据的分级管理。

　　5.ArcGISEngine技术介绍

　　作为嵌入式GIS，它能用来在一个组织内建立应用，为用户提供有针对性的GIS功能。进行GIS应用开发时彻底地脱离了ArcGIS桌面平台。ArcGISEngine开发包括三个关键部分：控件，工具条和工具，对象库。控件是ArcGIS用户界面的组成部分，你可以嵌入并在你的应用程序中使用。例如：一个地图控件和一个内容表控件可以加在应用中来展示和交互式运用地图。工具条是GIS工具的集合，在应用程序中用它来和地图和地理信息交互。如，工具包括：平移、缩放和、点击查询和与地图交互的各种选择工具。工具在应用界面上用工具条的方式展现。通过调用一套丰富的常规的工具和工具条，建立定制应用的过程被简化了。开发者可以很容易的将选择的工具拖放到定制应用中或创建自己定制的工具来实现与地图的交互。对象库是可编程ArcObjects组件的集合，包括几何图形到制图、GIS数据源和Goedatabase等一系列库。在Windows，UNIX，和Linux平台的开发环境下使用这些库，程序员可以开发出从低级到高级的各种定制的应用。相同的GIS库也是构成ArcGIS桌面软件和ArcGISServer软件的基础。

　　ArcGISEngine的五个组成部分概括如下：

　　(1)基本服务---由GIS核心ArcObjects构成，几乎所有GIS应用程序都需要，如要素几何体和显示;

　　(2)数据存取---ArcGISEngine可以对许多栅格和矢量格式进行存取，包括强大而灵活的地理数据库;

　　(3)地图表达---包括用于创建和显示带有符号体系和标注功能的地图的ArcObjects，及包括创建自定义应用程序的专题制图功能的ArcObjects;

　　(4)开发组件---用于快速应用程序开发的高级用户接口控件和用于高效开发的一个综合帮助系统。

　　(5)运行时选项---ArcGISEngine运行时可以与标准功能或其他高级功能一起部署。

　　除运行时选项外，这些部分都可以通过ArcGISEngine的软件开发工具包获得。ArcGISEngine运行时及其选项虽然也是自定义GIS应用程序开发不可或缺的一部分，但涉及到特定的应用程序部署，因此被认为是一个独立的组成部分。

　　6.基于SDE的C/S结构

　　采用基于SDE的C/S结构，空间数据和属性数据全部统一存放在关系型数据库中，SDE是位于RDBMS和客户端之间的空间服务器，与RDBMS集成于服务器端。SDE在客户端和服务器端都有API(应用程序接口)，客户端API用于处理客户端应用程序提出的请求，并把这个请求翻译成标准的SQL语言，然后通过服务器端的API建立与RDBMS的通讯，RDBMS统一管理图形和属性数据将满足要求的结果由SDE返回给客户端。系统总体结构图如下图：

　　图1总体结构图

　　7.系统功能结构设计

　　地下管线信息系统主要包括入库、查错、图形浏览、信息查询、分析和图形输出六个模块，系统的总体功能结构如图2所示：

　　图2系统功能结构图

　　7.1信息查询功能实现

　　空间查询与分析统计是GIS最重要的功能，也是GIS区别于其他信息系统的本质特征，它使地图图形信息以及各种专业信息的利用深度和广度大大增强，用户可以从中获取很多派生信息和新知识，可用来实现经济建设、环境和资源调查中的综合评价、规划、决策、预测等任务。本系统结合综合管网日常管理工作流程和模式，根据GIS软件的使用习惯设计了符合用户需求的查询功能。

　　7.2分析统计功能实现

　　系统分析统计功能主要是通过对空间数据库中的数据分析和数学计算来实现的。系统具体实现了以下统计和分析功能：管网工作的日常统计和爆管分析、纵横断面分析等。如利用AE提供的InetElementBarriers接口将管网网络中的可以关闭阀门设置为断点，利用InetSolver和ItraceFlowSolver接口来实现爆管分析。

　　8.系统实现的关键技术

　　8.1GeoDataBase

　　GeoDataBase是ESRI公司提出的全关系型的空间数据库模型，所有的空间数据以相同的格式存放，易于管理并且有效。在GeoDataBase中可以定制要素类各自的行为和方法，以及要素类之间的确认规则、连接规则和空间关系，并且可以生成集合网络。当要素移动时，边与边的连接关系能够被维护，相关的几何坐标自动地修改。ArcGIS中提供了根据建立的模型自动生成GeoDataBase数据框架的工具。

　　8.2 网络模型

　　网络是用于实现资源运输和信息交流的相互连接的线性特征。网络模型是对现实世界网络的抽象。在ArcInfo模型中，网络由Junction和Edge组成，Edge是组成网络的各种相互连接的线，Junction是Edge的终止点，Edge总在Junction处相交。在本系统Edge表现为各种管线，Junction表现为各种设备(如阀门、水表等)。建立良好的网络模型，可以实现多种网络分析功能。

　　9.结论

　　面对繁琐的地下管线数据，建立城市地下管线管理系统势在必行。使用GIS的可视化技术和图形属性一体化管理可以大大提高管线资料的信息化管理。随着地理信息系统对海量数据处理能力的提高，三维地下管线管理系统的建设已经逐渐成为现实，相信三维地下管线管理系统应该是下一代地下管线管理系统的发展趋势。

　　参考文献

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