基于Geodatabase的城市地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

呂衛(wèi)民　白曉龍　褚衍林

【摘 要】隨著城市地下電力管網(wǎng)設(shè)施的建設(shè)數(shù)量逐年增加，目前的電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理手段跟不上電力管網(wǎng)發(fā)展的需求，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法容易造成電力管網(wǎng)資料管理混亂、數(shù)據(jù)殘缺。建立新型的基于Geodatabase的城市地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，有助于提高數(shù)據(jù)管理的質(zhì)量，為基于GIS的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的建設(shè)提供支撐。

【關(guān)鍵詞】Geodatabase 地下電力管網(wǎng) 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

【Abstract】With the construction of urban underground power pipe network facilities， the existing data management methods can not keep up with the development of power network， The traditional data management method is easy to cause the chaos of the power network data management and the incomplete data.the establishment of a new type of urban underground power network database based on Geodatabase， improving the quality of data management， to provide support for the construction of data management system based on GIS.

【Keywords】Geodatabase ； Underground power network； Database construction

城市地下電力管網(wǎng)主要呈立體交叉網(wǎng)狀分布，在地下構(gòu)成了一個復(fù)雜的空間體系，具有分布集中性和不可見性的特點。傳統(tǒng)人工檔案管理模式應(yīng)用到電力管網(wǎng)接線復(fù)雜，電氣設(shè)備眾多的情況，既不能正確表達設(shè)備拓撲關(guān)系，同時信息冗余度大，且數(shù)據(jù)維護不便，更新周期長。本文通過建立基于Geodatabase的城市地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，將幾何拓撲分析和網(wǎng)絡(luò)拓撲模型有機整合為一體，為用戶提供了方便快捷建立數(shù)據(jù)庫的方法，通過該數(shù)據(jù)庫有效管理電力管線數(shù)據(jù)，為城市地下電力管網(wǎng)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)提供了堅實的基礎(chǔ)。

1數(shù)據(jù)準備

1.1數(shù)據(jù)分析

城市地下電力管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)涉及到建設(shè)局、規(guī)劃局、城建檔案館、路政等多個管理部門以及水務(wù)、電力、通信、消防等主管部門，還有煤氣公司、電信、移動、聯(lián)通等各管線專業(yè)公司等[1]，具有綜合性強、涵蓋面廣的特點。目前電力管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)來源于地圖和文檔數(shù)據(jù)，具體包括：

1.1.1圖形元素

指可以抽象的描述現(xiàn)實世界中物體位置的元素，包括數(shù)字制圖中的點、線、面狀要素。

（1）點要素：點要素是有特定的位置，維數(shù)為零的物體：包括單位標志（高層建筑、醫(yī)院、學校、一般單位、政府部門和公安局派出所這些地標性的物體）和管線節(jié)點。

（2）線要素：線要素是GIS中常用的維度為1的空間組分，表示對象和它們邊界的空間屬性，由一系列坐標表示：包括電力管網(wǎng)，地圖網(wǎng)格。

（3）面狀要素：面狀要素也稱為多邊形，是對湖泊、河流、地塊一類現(xiàn)象的描述，通常在數(shù)據(jù)庫中由一封閉曲線加內(nèi)點來表示，包括建筑物（指在圖上有平面形狀的建筑物）、小區(qū)、水域（江湖河）面和城市區(qū)劃。

1.1.2要素注記

按照相應(yīng)的標準標注在特定位置的文字，用于說明上述圖形元素的名稱。

1.1.3屬性信息

是表示單個的圖形元素主要屬性特征的信息。

1.2數(shù)據(jù)構(gòu)成

1.2.1地理數(shù)據(jù)庫

ArcGIS產(chǎn)品線為用戶提供一個可伸縮的，全面的GIS平臺，地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）是 ArcGIS 的原生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且是用于編輯和數(shù)據(jù)管理的主要數(shù)據(jù)格式，是一套獲取和管理GIS數(shù)據(jù)的全面的應(yīng)用邏輯和工具。

Geodatabase是ESRI公司在ArcGIS 8引入的一個全新的空間數(shù)據(jù)模型，是建立在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)之上的統(tǒng)一的、智能化的空間數(shù)據(jù)庫。它是在新的一體化數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新數(shù)據(jù)模型[2]。實現(xiàn)了Geodatabase之前所有（包括Coverage＼shape）空間數(shù)據(jù)模型都無法完成的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，即在一個公共模型框架下對GIS通常所處理和表達的地理空間特征如矢量、柵格、TIN、網(wǎng)絡(luò)、地址進行同一描述。同時，Geodatabase是面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型，其地理空間特征的表達較之以往的模型更接近我們對現(xiàn)實事物對象的認識和表達。

1.2.2數(shù)據(jù)組織

地下電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要有矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩種類型，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用點串序列來表示空間實體的邊界形狀和分布； 柵格模型由規(guī)則的正方形或矩形柵格組成，每個柵格代表 1個像元，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實際上就是像元陣列，像元由行列號確定它的位置。這兩種數(shù)據(jù)的組織方式為：

（1）矢量數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)的邏輯存儲是由要素類和要素數(shù)據(jù)集進行。要素類是具有相同空間制圖表達（如點、線或面）和一組通用屬性列的常用要素的同類集合，常用的三個要素類分別是點、線和面，相關(guān)聯(lián)的要素互相組織起來，成為要素數(shù)據(jù)集。

在同一幾何網(wǎng)絡(luò)中充當連接點和邊的各種要素類，必須組織到同一要素數(shù)據(jù)集中。地下電力管網(wǎng)中，有各種管道節(jié)點、管網(wǎng)段，它們分別對應(yīng)點或線類型的要素類，將其全部納入地下電力管網(wǎng)模型中去，這些要素類須放在同一要素數(shù)據(jù)集下。對于共享公共幾何特征的要素類，如：用地、水系、行政區(qū)塊等。為保持公共關(guān)系不變，將這些要素類放到同一個要素數(shù)據(jù)集中。

（2）柵格數(shù)據(jù)。影像和柵格數(shù)據(jù)通常以原始格式進行存儲，這些數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)集的集合通常非常大，因此，擁有良好的管理功能至關(guān)重要。

在三種存儲柵格數(shù)據(jù)的方法（存儲為文件系統(tǒng)中的文件、在地理數(shù)據(jù)庫中進行存儲，或者從地理數(shù)據(jù)庫中進行管理而存儲在文件系統(tǒng)中）中，選擇將數(shù)據(jù)存儲在在地理數(shù)據(jù)庫中以柵格數(shù)據(jù)集的形式提供使用。柵格數(shù)據(jù)集是存儲在磁盤或地理數(shù)據(jù)庫中的任何柵格數(shù)據(jù)模型，它是構(gòu)建其它數(shù)據(jù)集的最基本的柵格數(shù)據(jù)存儲模型[3]。柵格數(shù)據(jù)集可以是組織成一個或多個波段的任何有效的柵格格式。每個波段由一系列像素（單元）數(shù)組組成，每個像素都有一個值。采用ArcGIS 支持的柵格數(shù)據(jù)集文件格式，主要為TIFF格式的數(shù)據(jù)進行存儲。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1概念模型設(shè)計

2.1.1 POLYVRT模型

建立電網(wǎng)管線概念模型，采用POLYVRT模型（POLYgon conVeRTor--多邊形轉(zhuǎn)換器）作為城市電力管網(wǎng)拓撲關(guān)系模型的模型基礎(chǔ)，POLYVRT模型是一種以弧段（有序的坐標集合，用于表示在給定的比例尺上窄到無法表示為面的地理要素）為基礎(chǔ)的拓撲數(shù)據(jù)模型[4]，在POLYVRT模型中，弧段是由任意多個點構(gòu)成，每個弧段是通過建立了一個連續(xù)走向點的目錄表來生成的，弧段具有特定的屬性信息，弧段由多個點狀實體來描述；管線是由任意多個弧段構(gòu)成，每條管線是通過建立一個連續(xù)走向弧段的目錄表來生成的，管線具有特定的屬性信息，管線由多個弧段實體來描述。這種結(jié)構(gòu)不僅存儲了圖形元素的幾何信息，而且還存儲了圖形元素之間的拓撲關(guān)系。

2.1.2數(shù)據(jù)基類

城市電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)基類由電力管網(wǎng)基類和電力管網(wǎng)要素屬性信息基類構(gòu)成，電力管網(wǎng)基類，這個類里封裝了所有空間位置信息的數(shù)據(jù)以及對這些數(shù)據(jù)的操作；電力管網(wǎng)要素屬性信息基類，這個類里封裝了所有空間屬性信息以及對這些屬性的操作。

（1）電力管網(wǎng)基類。電力管網(wǎng)基類包含點狀實體、線狀實體、面狀實體和特征點三類數(shù)據(jù)（參見圖1）。點狀實體由節(jié)點和指明節(jié)點特征的點標記組成，節(jié)點由包含x（精度值）、y（緯度值）和z（高程值）字段的幾何坐標構(gòu)成；線狀實體由弧段和指明線特征的線標記組成，弧段由一系列節(jié)點組成，線特征標記由幾何坐標和文本信息標注組成；面狀實體由多邊形和指明面特征的面標記組成，多邊形由一系列弧段組成，面特征標記由幾何坐標和文本信息標注組成。其中特征點由點標記、線標記和面標記構(gòu)成，點標記除包括點狀實體的文本信息標注外還包括單位標志文本信息標注；線標記除包括線狀實體的文本信息標注外還包括地圖網(wǎng)格文本信息標注；面標記包括建筑物、小區(qū)、水域面和城市區(qū)劃的文本信息標注。

（2）電力管網(wǎng)要素屬性信息基類。電力管網(wǎng)要素屬性信息基類包括，點狀實體屬性、線狀實體屬性、面狀實體屬性和特征點屬性（參見圖2）。實體屬性存儲各要素實體的主要屬性信息，能夠準確的描述各要素實體的屬性特性。電力管網(wǎng)要素屬性信息基類所包含的屬性參見圖3。

2.2數(shù)據(jù)匹配

數(shù)據(jù)庫的建設(shè)需要將概念模型中的實體轉(zhuǎn)化為ArcGIS中的數(shù)據(jù)模型，這個轉(zhuǎn)換的過程主要考慮各實體的自身特征和數(shù)據(jù)模型額匹配關(guān)系，制定匹配規(guī)則進行匹配。

2.2.1數(shù)據(jù)模型

地理數(shù)據(jù)庫是為了更好的管理和使用地理要素數(shù)據(jù)，而按照一定的模型和規(guī)則組合起來的存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的容器。地理數(shù)據(jù)庫是按照層次型的數(shù)據(jù)對象來組織地理數(shù)據(jù)的，這些數(shù)據(jù)對象包括對象類（Object Classes）、要素類（Feature Classes）、要素數(shù)據(jù)集（feature dataset）。對象類是指存儲非空間數(shù)據(jù)的表格（Table） 。在Geodatabase中，對象類是一種特殊的類，它沒有空間特征。要素類是具有相同幾何類型和屬性的要素的集合，即同類空間要素的集合。要素類之間可以獨立存在，也可具有某種關(guān)系。當不同的要素類之間存在關(guān)系時，我們將其組織到一個要素數(shù)據(jù)集（Feature dataset）中。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集包含簡單要素的源要素創(chuàng)建而成，而且存儲了源要素的連通性，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集可作為網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)。ArcGIS中的數(shù)據(jù)關(guān)系見圖4：

2.2.2匹配規(guī)則

地下電力管網(wǎng)要素與Geodatabase 元素匹配，就是將概念模型中的對象與Geodatabase 中的元素互相匹配。將電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)基類進行擴充，建立描述電力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)網(wǎng)段和電力管網(wǎng)結(jié)點實體的數(shù)據(jù)類。地理實體是描述地理地物的最小單位，地下電力管網(wǎng)中描述的地理實體包括電力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)網(wǎng)段和電力管網(wǎng)結(jié)點三類地理實體，為了描述這三類地理實體，利用ArcGIS中提供的地理數(shù)據(jù)庫（GeoDatabase）和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集（Network datasets）以及Polyline、MapPoint、Polygon三種類型的數(shù)據(jù)類型，在電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)基類的基礎(chǔ)上建立描述電力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)網(wǎng)段和電力管網(wǎng)結(jié)點地理實體的幾何信息類庫，以此類表達地理實體類，這些地理實體類就具備了這些實體類為我們提供的各種實體顯示、編輯功能，匹配規(guī)則如圖5。

2.2.3 屬性擴展

ArcGIS中提供的地理數(shù)據(jù)庫（GeoDatabase）定制要素各自的行為和方法，以及要素之間的確認規(guī)則、連接規(guī)則和空間關(guān)系，并且生成集合網(wǎng)絡(luò)，電力管網(wǎng)段數(shù)據(jù)和電力管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)既是空間數(shù)據(jù)，又是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重要組成部分，是最為核心的數(shù)據(jù)，電力管網(wǎng)段數(shù)據(jù)擴展后的屬性表見表1和電力管網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)擴展后的屬性表見表2。

2.4拓撲驗證

拓撲驗算是對電力設(shè)施空間數(shù)據(jù)模型拓撲關(guān)系的檢查，是構(gòu)建電力管網(wǎng)拓撲連通模型的前提，城市地下電力管網(wǎng)拓撲連通模型以電力設(shè)施空間數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，以面向?qū)ο蟮姆绞奖磉_電力設(shè)施[5]。電力管網(wǎng)拓撲模型的建立是電力管網(wǎng)分析的前提和基礎(chǔ)，合理的拓撲表達可以完整存儲電力管網(wǎng)拓撲信息，快速靈活的進行電力管網(wǎng)分析與計算。通過幾何拓撲關(guān)系驗算，可建立起正確的電力管網(wǎng)幾何拓撲模型。

2.4.1中心線驗算

電力管網(wǎng)中心線表示現(xiàn)實中的電力管網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用抽行掃描的方法提取出電網(wǎng)管線段中心線的特征點，并進行直線擬合，確定以管線的方向偏差、位置偏差和方向偏差的變化率為中心線提取的參數(shù)，該識別方法具有較高的準確度和實時性。主要利用ArcToolBox中的制圖工具下的制圖綜合中的提取中心線工具，設(shè)置相應(yīng)的管道寬度和最小寬度后生成中心線。

2.4.2結(jié)點驗算

電網(wǎng)管線結(jié)點的合并主要是將一定容差內(nèi)的點進行合并，以保證結(jié)點位置的唯一性；節(jié)點合并的合并主要使用高級工具中的概化工具，設(shè)置最大允許偏移量，該值限制處理后的結(jié)果圖與原圖最大的偏移量，可對管線節(jié)點進行合并，使節(jié)點達到理想的分布。

2.4.3線拓撲檢查

電網(wǎng)管線段幾何拓撲驗算，主要在判斷兩條電網(wǎng)管線段位置關(guān)系時提供一個“容許誤差”參數(shù)，如果兩個實體的交叉程度在某一規(guī)則限定的誤差內(nèi)則不認為它們的位置關(guān)系為交叉，反之則它們的位置關(guān)系為交叉。主要利用檢查拓撲中的不能自相交規(guī)則，可對自相交的位置進行標識，便于判斷和修改數(shù)據(jù)使用。

2.4.4點拓撲檢查

電網(wǎng)管線段與電網(wǎng)管線節(jié)點幾何拓撲驗算，主要在判斷電網(wǎng)管線節(jié)點與電網(wǎng)管線段位置關(guān)系時提供一個“容許誤差”參數(shù)，如果兩個實體的覆蓋程度在某一規(guī)則限定的誤差內(nèi)則認為它們的位置關(guān)系為覆蓋，反之則它們的位置關(guān)系為非覆蓋，針對非覆蓋的情況需要調(diào)整節(jié)點或者線段的位置，使電網(wǎng)管線段覆蓋所有電網(wǎng)管線節(jié)點。主要利用拓撲檢查中的端點必須被其他要素覆蓋的規(guī)則進行檢查，對生成的拓撲結(jié)果進行查看和修改修改。

3結(jié)語

本發(fā)明從目前電力管線現(xiàn)狀出發(fā)，對空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)方式進行研究，提出城市地下電力管網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)的方案，可面向電力系統(tǒng)各種應(yīng)用的，正確表達電力設(shè)施之間拓撲連接關(guān)系。實現(xiàn)完整存儲電網(wǎng)拓撲信息，為快速靈活的進行電網(wǎng)拓撲連通性分析與計算提供保障，為相應(yīng)的GIS圖形管理平臺提供數(shù)據(jù)支撐。

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作者簡介：呂衛(wèi)民（1979—），男，山東煙臺人，本科學歷，工程師，國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，主要從事配電網(wǎng)規(guī)劃和項目管理工作；白曉龍（1986—），男，山東日照人，本科學歷，工程師，山東魯能軟件技術(shù)有限公司，主要從事電網(wǎng)GIS研究工作。褚衍林（1987—），男，山東棗莊人，本科學歷，工程師，山東魯能軟件技術(shù)有限公司，主要從事電網(wǎng)GIS研究工作。