基于時態GIS的城市地下管線數據庫建設

王晉耀

【摘要】本文將對于時態GIS和時空數據模型進行一些簡單的介紹，并且按照時態GIS的要求從日常的管理以及城市中地下管線來分析數據庫的建設。文中還將介紹以新的思路來建設數據庫，它將可以進行動態可視化展現的數據分析功能，除此之外還具有現有數據和歷史數據的查詢統計、規劃方案的比較以及分析地下管線使用程度等功能。

【關鍵詞】時態 GIS 城市地下管線 數據庫建立

城市的發達程度不僅僅取決于地面上的建設，地下管線系統的完善與否同樣是非常重要的，由于發展速度十分迅速，地下管線的管理工作在很大程度上要依靠數據庫，而在以往比較傳統的數據庫系統中，只可以對現有的數據進行查詢分析以及空間信息的管理，它只能被稱為靜態GIS。因為城市的迅速發展，地下管線的建設還需要考慮更多的問題，并且在規劃管理過程中還存在時空特征，因此靜態GIS已經無法滿足要求，基于時態GIS的數據庫建設的研究和發展就顯得十分重要。

一、時態 GIS

（1）基本概念

時態GIS包含了收集、分析、儲存、管理以及顯示地質隨時間變化狀況的功能。通常來說城市的地理信息主要是由時間、空間以及屬性這三個特征所構成的，他們可以體現出地質的情況和變化的過程。時態GIS也被人們稱為4DGIS，因為它增加了對時間維度的分析功能，這樣就可以追蹤到所需的地理變化信息并能加以分析，從而人們可以更加直觀的觀察地理的變化規律和情況。

（2）時空數據模型

建立起時空數據模型是時態GIS的關鍵所在。建立起時空數據模型就可以以此為基礎將不同尺度和時序空間數據相結合。時空數據模型需要將時空的關系進行合理的表達，這樣才能有利于時序分析功能的形成。目前位置比較典型的模型主要有空間和時間組合模型、空間時間的立體模型、時空數據模型、基態修正模型以及序列快照模型。在建立時空數據模型時需要充分考慮三點，包括表現時空語義、節約儲存空間、提高存取速度。其中表現時空語義包含了比較多的方面，有地質空間和有效時間結構，時空、時態和空間關系以及地理事件。

二、管線的時空數據特征

數據庫中的管理包含了建設的規劃管理以及日常管理，它們之間的數據是獨立的，互不干擾的，但是管線的建設規劃數據只收集到了最基礎的信息，內容的豐富度往往不夠。所以，需要從這兩個方面入手來研究數據的時空特征，對城市地下管線的時空數據組織要使用時態—語義—幾何特征的順序進行。

（1）規劃建設的時空特征

城市的市政部門在進行管線規劃和建設時是按照選線規劃、管線綜合、設計方案及竣工驗收的步驟進行的。在進行不同步驟時所產生的不同的數據，要對它們進行統一的組織管理，這樣就可以把工程正在進行的階段表示在 “市政管線一張圖”上，而且還可以體現出更新和審批過程的動態變化。數據組織時，建設的規劃數據需要針對不同階段建立起相應的數據庫，采用分庫的方式進行分別管理。即在后臺數據庫中，建立選線規劃、 管線綜合、 設計方案、 竣工驗收等各階段的數據庫。同一個管線建設工程要使用同一個編號相連接，并且對該工程進行再次審批時要選擇版本控制的管理方式。

（2）日常管理的時空特征

日常管理主要包括管線現狀和竣工這兩種數據。管線數據庫中的信息是通過相關部門使用物探方法來獲取的。伴隨著現代城市的飛快發展，地下管線就需要適時做出相應的調整，這也就導致數據會快速的更新。所以使用時間維度來動態管理數據是非常必要的。

城市地下管網的建設要考慮一定的變化因素，因為存在空間事件所以會對管網造成一定的影響，主要會產生的變化有出現、消失、延長、縮短、移動、旋轉和重現。出現是指多出一條管線段；消失是指減少一條管線段；延長是指某一條管線段的長度增加；縮短是指某一條管線段的長度減小；移動和旋轉都指管線段位置發生變化；重現是指消失后又再次出現。

在日常操作的數據中可列為以下幾點：增加或者是刪除某條管線；將某條管線進行分割讓其變成多線段的管線；多條管線進行合并，使其變成一條管線。而具體的操作方法又分為三類，第一類是針對屬性事件，只需要修改屬性即可；第二類是針對包含空間，只需要對空間進行操作即可；第三類是包括屬性和空間兩種事件的情況，這就需要對兩者進行修改和操作才可。

三、時空數據結構設計

（1）空數據結構設計

因為在建設城市地下管線時的每個階段會有相應的數據，所以應該以時間為基點來創建模型。在操作時將空間進行疊加，將所有變化的數據記錄，用于狀態數據的繪制，空間的每次疊加就代表著數據正在變化，然后在使用索引的方法將時空的變化記錄下來。這樣，時間維度上所體現出的圖像就會是一個動態的對象。在建設管線數據庫時，在其結構中上要加入字段來表示審批階段、 數據版本和已經更新的數據。

（2）日常管理的時空數據結構設計

時空特征是日常管理中存在的一個特點，因此需要將管線數據庫分成現狀管線數據庫和歷史數據庫這兩類。數據庫中會記錄下地下管線生存的初始時間（探測時間）和終止時間（注銷時間） 等時態信息（在現狀管線數據庫中，終止時間為空）?，F狀管線數據庫可以按照功能進行分類，形成一個類似于機和網絡的數據庫。數據主要是由管線點、管線弧段以及網絡連接點所組成，在它們之間需要建立起具有一定聯系的連通性。歷史管線數據庫只是將管線點和管線弧段作為單位，它們之間沒有建立起相應的連接網絡，因此歷史數據庫只會儲存屬性和空間的信息。但是現狀和歷史管線數據庫有一個共同點就是都含有元數據。

1.管線元數據：現狀管線數據包含了各種管線的類別、管線所需的空間坐標、儲存文件的格式、文件的名稱、鋪設管線的長度、購買企業、購買方式、購買日期、管線質量監督機構、質量檢測報告。傳統的數據所包含的內容比較少，只有管線的種類、尺寸、注銷單位和注銷日期等。

2.管線點數據：包括平面坐標、高程、管點的種類（如三通、四通、閥門、小室、檢修井等）、 管線種類。

3.管線段數據：管線弧段是指將兩個管線點連接的管線，所包含的內容是比較少的，所儲存的數據信息有管線種類、管線的材料、管口的直徑、流向、管線的長度、所歸屬的公司、填埋的起點深度和終點深度等。

結束語：

對于現代高速發展的城市來說，基于時態GIS的城市地下管線數據庫的建設才能滿足發展的要求。時態GIS將各個種類的數據整合在了一起，從而實現了數據的動態展示和分析，這將更有利于地下管線建設工作的進行。本文對基于時態GIS的城市地下管線數據庫建設進行了簡單的分析和研究，將它運用到管線管理工作上，并提出了建設數據庫的一些方法和需要注意的方面，希望可以為城市的規劃和發展做出一定的貢獻。

參考文獻：

[1]王家耀，魏海平.時態GIS 的研究與進[J].海洋測繪，2004，24（5） ： 1-4.

[2]鄔倫，張晶，馬修軍.地理信息系統： 原理、方法和應用[M].北京：科學出版社，2002.

[3]舒紅，陳軍.地理數據模型中的時間語義[C]∥中國 GIS 協會第二屆年會論文集.北京： 中國 GIS 協會，1996.

[4]楊伯鋼，張保鋼.城市地下管線時空數據的組織與操作[J].測繪通報，2009（ 4） ： 56 - 57.

[5]劉榮，王超，夏吉祥，等. 天津市城市地下管線信息管理體制機制法制的研究與建立[C] ∥天津市城市規劃學會 2010 年“魅力天津·學會杯” 優秀學術論文集. 天津： 天津市規劃協會，2010.

[6]歐陽松南.地下管網數據的時空數據組織與更新[D].長沙： 中南大學，2009.