基于GIS的校園綜合管網管理系統設計與研究

胡 婷

（長春工業大學信息傳播工程學院，吉林長春 130021）

地下管線是學校的生命線，它就像人體內的“血管“和“神經”，擔負著物資、能源和信息的傳輸工作，是學校賴以生存和發展的物質基礎[1]。在科技信息高度發達的現今社會，紙質管線資料的缺點已經突顯出來：資料多不利于查詢，不直觀，不便于管理。將地下管線資料信息化存儲和管理，已經是學校地下管線管理的當務之急，也是信息時代發展的必然趨勢。采用GIS（地理信息系統）技術，利用其獨特的空間數據管理和分析功能來建立地下管網信息系統可以實現校園地下管網信息的數字化、科學化、現代化管理。本文將以長春工業大學校園綜合管網管理系統為例，對基于ARCGIS的管網信息系統的總體功能進行詳細的設計，并對系統實現技術進行分析。

1 GIS平臺選擇

本系統的GIS應用是從基礎空間管理、專題應用開始，逐步深化到綜合應用、輔助決策，是一個循序漸進、逐步擴展的過程，因此在選擇GIS平臺時考慮到以下幾個因素：(1)體系結構的伸縮性；(2)系統功能強度；(3)系統開放性；(4)系統成熟性。

ArcGIS是美國環境系統研究所(ESRI)在繼承已有的成熟技術基礎上，整合了GIS與數據庫、人工智能、網絡技術、軟件工程及其他多方面計算機技術，研發的新一代GIS軟件，為不同需求層次用戶提供全面的、可伸縮的GIS產品線和解決方案[2]。ESRI是GIS領域的先驅者和領跑者，而ArcGIS也代表了GIS軟件行業的最高技術水平。ArcGIS的策略是給出一套嶄新的應用方式，構造一個數據模型，設計一個完全開發的體系結構，使被廣泛接受的ARC/INFO的結構體系和應用得以兼容[3]。ArcGISEngine是ESRI公司在ArcGIS 9版本的基礎上推出的一款新產品，它不再是一個終端應用，不包括ArcGIS桌面的用戶界面，而是一套用于開發新應用程序的嵌入式的二次開發組件庫和工具庫。ArcGISEngine面向的用戶不是最終的使用者，而是GIS項目程序開發人員[4]。開發人員可以脫離ArcGISDesktop，單獨使用ArcGISEngine提供二次開發功能組件包，開發自己的GIS應用程序。本系統采用ArcGISEngine+ArcGISServer作為系統的基礎GIS平臺軟件。

2 系統的總體設計原則

(1)可靠性原則：主要體現在系統數據準確可靠，系統運行穩定，有較強的容錯能力和處理突發事件的能力。(2)實用性原則：主要體現在系統要滿足校園管理人員對各種地下管線管理的實際要求，并且界面友好，便于操作。(3)系統的先進性原則：主要體現在采用ArcGISEngine基于組件構造應用系統的開發方法,提高了系統的高度模塊化與集成性，使軟件系統更易于維護和擴展。(4)系統的安全性原則：體現在用軟件或硬件方式除去安全漏洞，保證管線數據安全地傳輸，確保校園管網管理工作正常有序地進行。

3 系統數據庫的建立

3.1 空間數據庫的建立

空間數據庫是面向地學及其相關對象信息的數據庫。與通用數據庫不同，空間數據庫存儲的不是傳統的數值、字符串這類單一性質的數據，而是借助圖形圖像表達的、與地理相關的數據類型，即二維、三維等特征的數據。系統的圖形圖像資料以及與圖形圖像相關的拓撲信息數據都存儲于空間數據庫。圖形資料主要指校園地形圖、校園三維DEM、管線位置圖。圖形資料包含點狀數據、線狀數據和面狀數據。點狀數據由節點和節點特征的標記組成，點由位置坐標定位，線狀數據由弧段和弧段特征的標記組成，面狀數據由面邊界弧段的采樣點表示。現有的圖形資料都是DWG格式，利用ArcG IS平臺的數據轉換模塊將它們轉換為柵格數據和矢量數據格式。柵格數據由規則的矩形柵格構成，每個柵格代表一個像元[5]，空間數據疊加和組合方便，但是圖形美觀性差，并且數據量大；矢量數據用點序列表示空間實體的邊界形狀，數據精度高，圖形美觀，數據量小，但是數據結構復雜。采用柵格矢量一體化的數據結構，進行互補，即在建立空間柵格索引的同時，傳統矢量型點線面數據結構也部分采用元子充填形式表示[5]。

3.2 屬性數據庫的建立

屬性數據主要指與空間位置沒有直接關系，但是描述實體特征信息的數據，它可以表示實體的類別、等級、數量，也可以表示對實體某一方面特征的統計信息。屬性數據的類型主要是數字和字符串。校園地下管網的信息（如管段信息、管點信息、變徑點信息、跳出點信息）以及管網上各種附屬設施的信息（如閥門信息、消防栓信息、水表信息、調壓設備信息、儲配站信息等）都是屬性數據，存儲在屬性數據庫中。屬性數據的錄入以手工輸入為主，信息來源主要是現存的紙質資料。存儲方式主要包含兩種，第一種方式是以圖形數據的圖層為依附，在ArcMap中，利用SHP文件自帶的數據庫文件進行存儲，使用SHP文件中自帶的屬性數據庫，只能夠對地物的基本信息進行存儲，起到方便查詢的索引功能；第二種方式是使用SQL Server關系數據庫進行存儲。在關系數據庫中每一個關系都表現為一張二維表格。

3.3 空間數據與屬性數據的關聯

建立好的空間地理數據文件通過空間數據引擎（ArcSDE）與SHP文件自帶的屬性數據庫文件關聯；SQLServer關系數據庫中的屬性數據與空間數據通過關鍵字關聯起來。本系統選用ID號作為關鍵字段，同一個地理對象在空間數據庫中的ID號與其在屬性數據庫中的ID號相同，從而實現了同一對象所有信息的連接[6]，使地理對象具有了意義，為基于空間數據的查詢分析奠定了基礎。

4 系統的功能實現

本系統主要包括管網管理模塊、管網分析模塊、三維管網模塊。

4.1 管網管理模塊

管網的管理模塊主要是對于空間數據和屬性數據的輸入、編輯、查詢和輸出。管網輸入主要應用ArcGis中Edieview控 件 的Edieview.MakePointByKey、Edieview.MakePoint、Edieview.MakeLine By Key和Edieview.MakeLine方法實現。用戶可以通過矢量畫圖的方式輸入新增加管線的圖形資料，通過文字錄入的方式輸入新增管線的編號、長度、類型等屬性數據。用戶對圖形信息可以進行基本的編輯，如平移、修改、刪除、查詢等，同樣對屬性信息也可以進行修改、查詢、刪除等基本操作。系統還提供了對圖形資料的輸出功能，用戶可以根據需求裁減底圖，選擇需要的管網層，關閉其它圖層，然后進行打印或圖片輸出。

4.2 管網分析模塊

管網的分析模塊主要分析可能發生的事故，以及在發生事故時提供輔助決策，包括檢修預警、爆管關閥分析、事故影響區域分析，充分體現了GIS管網系統的優越性。檢修預警功能是指系統搜索所有管網部件，按照管網管理條例，對到期檢修的管件、超期服役的管件以及維修次數超標的管件發出警告，提示用戶檢修或更換，并且管理管件的維修和更換記錄，便于管理。

爆管關閥分析是指在爆管或低壓作業的情況下，用戶指定問題管線，系統利用管線的拓撲關系，自動搜索與問題管線相關聯的管線和閥門，將應該關閉的閥門顯示給用戶，在現場關閉困難的情況下，系統可以向上查詢，即進行二級、三級搜索，提供多級關閥方案，生成事故搶修單。

事故影響區域分析功能主要是指在管網改建施工以及管網搶修過程中，分析將要受到影響的區域，以便進行警示。該功能利用ArcGIS的緩沖區（Buffer）分析，建立施工管線的緩沖區模型。然后將該模型與其它地理對象，如道路、建筑物、未施工管線等進行疊加分析，得到施工管線的緩沖區模型與其它地理對象疊加的部分，即施工管線對周邊環境的影響范圍，將其輸出，以便及時警示或出臺防范措施。

4.3 三維模塊

該模塊運用虛擬現實技術，實現三維設施數據、管線數據、三維地表數據以及校園景觀數據的一體化管理，提供全三維形式系統用戶界面，實現三維觀察、查詢功能，實現三維的縮放、任意角度觀察、單管追蹤、管道漫游，用戶可以在一個虛擬真實的全三維環境中，清晰明了觀察各管線的具體走向和屬性信息，查看管線與建筑、道路和其他管線的相對位置，實現對校園地下管線的橫、縱斷面分析、連通分析、上、下游分析等。

5 結語

利用GIS技術先進的空間數據管理和分析功能來構建長春工業大學校園地下管網信息系統，取代傳統的人工管理圖紙、文檔資料的作業方式，實現地下管網數據的信息化、科學化管理，同時，為預防管網事故以及處理突發事故提供了決策的依據。使用該系統，提高了管理者對校園管網管理的效率和質量，為學校的穩定發展保駕護航，使校園建設實現數字化、規范化、現代化、科學化。

[1]柳新華,白萍,周建國.遼寧科技大學管網GIS系統的建立[J].鞍山科技大學學報,2006,29(6):611-614.

[2]馬書明,張樹深,鄭洪波,等.跨界突發性大氣污染防范及應急系統設計與實現[J].大連理工大學學報,2013(58):24-28.

[3]黨安榮.ArcGIS 8Desktop地理信息系統應用指南[M].北京:清華大學出版社,2003:5.

[4]楊志國,伍彬彬,李群.基于Arcgis Engine下毒氣擴散后事故傷害程度等值線的生成與應用[J].中國安全生產科學技術,2011(7):32-36.

[5]喬淑娟,王華,崔陽.城市地下管網地理信息系統空間數據模型研究[J].計算機工程與設計,2006(17):3201-3203.

[6]胡婷,郭秀軍,賈永剛.基于GIS的區域工程地質信息系統分析與設計——以山東省公路建設工程地質信息輔助決策系統研發為例[J].測繪與空間地理信息,2008(6)：46-49.