基于Geodatabase的城市地下管線數(shù)據(jù)模型設計與應用

王雅鵬，張喜英

（1.山西省地球物理化學勘查院，山西 運城 044004）

基于Geodatabase的城市地下管線數(shù)據(jù)模型設計與應用

王雅鵬1，張喜英1

（1.山西省地球物理化學勘查院，山西 運城 044004）

針對城市地下管線數(shù)據(jù)的特點以及不同部門管線數(shù)據(jù)結構不一致問題，利用Geodatabase表達地理空間對象的優(yōu)勢，以地下管線全生命周期為主線，設計了一種基于Geodatabase的城市地下管線統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，并進行了管線數(shù)據(jù)庫構建的標準化研究，實現(xiàn)了多源異構管線數(shù)據(jù)的一體化存儲，分析了該模型在地下管線編輯建庫系統(tǒng)中的應用情況，實現(xiàn)了標準化的管線信息建庫和管理，為城市地下管線信息共享提供新的思路。

地下管線；地理數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)結構；多源異構

城市地下管線是城市的生命線，是城市基礎設施中非常重要的一部分，具有統(tǒng)一性、精確性、完整性和基礎性的特點。地下管線種類主要分為給水、排水、熱力、電力、燃氣、工業(yè)和綜合管溝管廊等，管線信息的采集形式多樣，并且存在于8個不同的部門，每個部門的管線數(shù)據(jù)結構各不相同，各個部門之間形成了“信息孤島”，給管線信息化建設和管理造成了極大困難。

近些年來，隨著我國現(xiàn)代化城市建設的快速發(fā)展，城市地下管線事故層出不窮，造成了很多負面影響，智能化的城市地下管線信息化建設已迫在眉睫[1-4]。城市地下管線信息化就是要充分利用GIS技術來采集、管理、更新和維護城市地下管線數(shù)據(jù)，開發(fā)利用城市地下管線信息資源，促進地下管線信息的交流和資源共享[5]。

不可否認，當前我國城市地下管線信息化建設已經(jīng)取得了一些可喜成果，但仍存在以下問題[6-7]：

1）信息管理缺乏統(tǒng)一的監(jiān)督機構，信息化建設缺乏統(tǒng)一規(guī)劃。

2）資料離散存儲、數(shù)據(jù)不全、準確性差、利用困難。

3）信息資源產(chǎn)權部門化，信息共享程度低。

4）信息動態(tài)更新程度比較低，缺少長期有效的機制保證。

5）城市建設發(fā)展速度超快，基礎設施建設進度跟不上。

針對當前城市地下管線信息化建設中存在的問題，本文提出一種基于Geodatabase的城市地下管線統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，并進行了管線數(shù)據(jù)庫構建的標準化研究，通過具體實例驗證了該方案的可行性。

1 基于Geodatabase的地下管線數(shù)據(jù)模型

城市地下管線可抽象為管線點和管線線，管線點和管線線之間存在著豐富的拓撲關系。地下管線是環(huán)狀網(wǎng)和樹狀網(wǎng)構成的復雜網(wǎng)絡，并呈現(xiàn)出“低耦合高內(nèi)聚”的特性，即同一要素集內(nèi)管線點和管線線密切相關，而不同要素集間關聯(lián)性卻微乎其微。

Geodatabase模型是ESRI公司在ArcGIS系列軟件中引入的一種全新的面向對象的空間數(shù)據(jù)模型，該模型是對關系數(shù)據(jù)庫的擴展，實現(xiàn)了幾何要素和屬性數(shù)據(jù)的無縫整合，可以定義對象和要素之間的關聯(lián)，支持多用戶、長事務編輯，并提供強大的空間分析功能。鑒于Geodatabase模型的諸多優(yōu)勢，不同領域的科研人員和開發(fā)機構都對Geodatabase的數(shù)據(jù)模型進行研究[8-10]。

針對地下管線數(shù)據(jù)特點和Geodatabase表達空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，本文設計了一種基于Geodatabase的地下管線統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型。如圖1所示，該模型主要包括管線點要素類、管線線要素類、注記要素類、索引圖要素集和要素關聯(lián)類。

圖1 基于Geodatabase的地下管線數(shù)據(jù)模型

管線點要素類、管線線要素類和注記要素類與傳統(tǒng)Geodatabase數(shù)據(jù)模型中的要素類沒有區(qū)別，分別把管線點、管線線和管線注記作為單獨的要素類進行存儲，每種要素類都有各自的屬性和空間參考。該模型在傳統(tǒng)Geodatabase模型的基礎上增加了索引圖要素集和關聯(lián)要素類。

索引圖要素集主要針對城市地下管線業(yè)務而設計，服務于地下管線全生命周期的各個階段，包括圖幅索引圖和任務索引圖兩種。圖幅索引圖依據(jù)國家分幅標準構建索引圖，包括矩形分幅、經(jīng)緯度分幅和帶狀分幅3種。任務索引圖依據(jù)任務來分幅，方便管理人員進行任務分配，了解任務進展情況，有助于外業(yè)人員查看自己的任務區(qū)域，統(tǒng)計工程各階段的負責人、任務內(nèi)容、完成情況等。例如，某燃氣部門按派發(fā)時間來統(tǒng)計燃氣管道的布設情況，工作人員可按派發(fā)時間構建任務索引圖，并快速生成燃氣管道的布設專題圖提供給管理人員。

要素關聯(lián)類是針對管線數(shù)據(jù)的特征而設計，通過關聯(lián)類型建立兩個不同管線要素類之間的關系（其關聯(lián)類型為枚舉類型，主要包括點-線關聯(lián)、點-面關聯(lián)、線-面關聯(lián)等），可以通過一種要素類快速找到另外一種要素類。例如，通過建立管線點（主要素類）和管線線（次要素類）之間的關聯(lián)要素類，關聯(lián)類型為點-線，可以用于管線點線聯(lián)動編輯，幫助系統(tǒng)在移動管線點要素時迅速找到關聯(lián)要素集的點并實現(xiàn)聯(lián)動，可顯著提高管線數(shù)據(jù)的編輯效率。同樣可以把管線點和注記要素類建成關聯(lián)數(shù)據(jù)類，實現(xiàn)管線點和注記的聯(lián)動編輯。

基于Geodatabase的地下管線統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型能夠實現(xiàn)管線要素信息的統(tǒng)一描述，可以更完整地描述管線信息并服務于地下管線全生命周期。此外，還支持網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集、關系類、拓撲和幾何網(wǎng)絡構建，允許定義管線對象之間的關系和規(guī)則，是一種統(tǒng)一、智能的空間數(shù)據(jù)模型，為城市地下管線數(shù)據(jù)庫標準化設計和地下空間綜合信息服務平臺建設奠定了基礎。

2 城市地下管線數(shù)據(jù)庫標準化設計

2.1 標準化城市地下管線數(shù)據(jù)庫構成分析

基于Geodatabase的地下管線統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，利用數(shù)據(jù)倉庫技術、海量空間數(shù)據(jù)存儲技術、實體級的空間數(shù)據(jù)管理技術，通過元數(shù)據(jù)管理，有效組織空間數(shù)據(jù)，完成城市地下管線數(shù)據(jù)庫構建。標準化城市地下管線數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)據(jù)字典、管線對象表、管線注記表和系統(tǒng)表4個大類。

1）數(shù)據(jù)字典，主要包括管線點作業(yè)類型表、管線井蓋材料表、管線埋設方式表、管線特征點類型表、管線狀態(tài)表、管線地面特征狀態(tài)表、給水管線類型表、給水管線構筑物附屬設施表、給水管線規(guī)格表、給水管線材質表、排水管線類型表、排水管線附屬設施表、排水管線材質表、電力管線類型表、電力管線附屬設施表、電信管線類型表、電信管線附屬設施表、燃氣管線類型表、燃氣管線附屬設施表、熱力管線類型表、熱力管線附屬設施表、工業(yè)管線類型表、工業(yè)附屬設施表。是對各種管線屬性域的一種標準約束，每種約束均按照國家相關標準進行取值。

2）管線對象表，主要包括管線點、管線線、圖幅索引圖和任務索引圖4種類型，基本數(shù)據(jù)結構如表1所示。

表1 管線對象數(shù)據(jù)結構表

其中，F(xiàn)ields是不同要素類要創(chuàng)建的屬性字段集。對于管線點和管線線，F(xiàn)ields主要創(chuàng)建管線類要素的屬性字段集，所有字段均按國家標準創(chuàng)建；對于圖幅索引圖和任務索引圖，F(xiàn)ields則是針對城市地下管線業(yè)務而設計。

ExtensionDef是對管線類和索引圖類的擴展定義，主要包括基本擴展和本身擴展。通過定義該擴展，可以實現(xiàn)不同部門管線數(shù)據(jù)結構的統(tǒng)一，以及多源異構數(shù)據(jù)的一體化表達和存儲。

3） 管線注記表，包括管線點注記和管線線注記，在管線數(shù)據(jù)庫中將這兩個表單獨存儲，表結構均按標準設計，與管線對象表一樣實現(xiàn)擴展定義，便于一體化存儲。

表2 管線要素類表

4）系統(tǒng)表，此表是為滿足標準地下管線數(shù)據(jù)庫的管理需求而創(chuàng)建，包括管線要素類表、關聯(lián)要素類表。管線要素類表（表2）是當前數(shù)據(jù)庫所有管線對象的目錄，通過該目錄可以快速獲取管線對象的類型信息及擴展信息；關聯(lián)要素類表（表3）存儲了存在關聯(lián)關系的管線對象的信息與關聯(lián)類型，例如燃氣管線點與燃氣管線線2個對象之間必然存在相關關系，當燃氣線的位置信息發(fā)生改變時，燃氣點的數(shù)據(jù)必將發(fā)生改變，建立二者的關聯(lián)關系有利于數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)質量檢查、數(shù)據(jù)打包等后續(xù)操作。

表3 關聯(lián)要素類表

2.2 技術創(chuàng)新

在設計標準化管線數(shù)據(jù)庫的過程中，如何實現(xiàn)對各要素類的擴展定義是一個技術難點。結合Geodatabase本身的可擴展性，首先對管線數(shù)據(jù)庫本身進行擴展標記，然后對管線數(shù)據(jù)庫里的要素類進行擴展標記。對要素類進行擴展標記的實質是一個映射過程，這種映射是利用XML技術將系統(tǒng)所需的字段與管線對象的字段進行對應，這樣用戶在不修改管線對象的屬性字段的情況下就可以暢通無阻地在系統(tǒng)中使用管線對象。表2中的GSDefinition里面即存儲了不同管線要素類的擴展定義。以管線線擴展為例，擴展定義方法如下：

GSDefinition

"＜?xml version=""1.0"" encoding=""utf-8""?>＜GSClassExtensionBaseDef xmlns：xsi=""http：//www. w3.org/2001/XMLSchema-instance"" xmlns：xsd=""http：//www. w3.org/2001/XMLSchema"" xsi：type=""GSPipeLineExtensionDe f"">＜Version>1.0＜/Version>＜ClassExtensionType>PipeLine＜/ ClassExtensionType> ＜IsRecordTime>true＜/IsRecordTime>

＜CreatedFiledName>調(diào)查時間＜/CreatedFiledName>

＜UserFieldName>調(diào)查人員＜/UserFieldName>

…..

＜StartNoFieldName>起點作業(yè)編號＜/StartNoFieldName>

＜EndNoFieldName>終點作業(yè)編號＜/EndNoFieldName>

……

＜DiameterFieldName>管徑＜/DiameterFieldName>

＜BuryMethodFieldName>埋設方式＜/BuryMethodFieldName>

＜/GSClassExtensionBaseDef>"

將上述擴展定義以XML格式存儲于系統(tǒng)表中，可以解決多源異構數(shù)據(jù)的字段匹配問題。

3 在地下管線普查入庫中的應用

城市地下管線普查入庫是一個非常復雜的過程，不同的部門有不同的普查方法和數(shù)據(jù)格式，即使同一個部門在不同的時期也可能采用不同的數(shù)據(jù)格式，這樣就會產(chǎn)生管線信息的資源冗余，增加管線編輯入庫的難度。通過系統(tǒng)提供的批量注冊工具，注冊本文設計的標準化管線數(shù)據(jù)庫，可將不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)結構與標準化數(shù)據(jù)結構一一對應，實現(xiàn)不同部門管線數(shù)據(jù)的一體化存儲和管理。

管線數(shù)據(jù)模型中的要素關聯(lián)類是專門針對管線數(shù)據(jù)類型而設計，在管線編輯入庫的過程中，通過添加可能存在聯(lián)動關系的圖層之間的關聯(lián)關系，可以快速實現(xiàn)管線的一些基本操作。例如關聯(lián)電力管線點和電力管線線圖層后，當電力點圖層中點移動時，電力線圖層中的線也會隨之移動，實現(xiàn)了地下管線數(shù)據(jù)在編輯過程中的點線聯(lián)動。圖2a為點移動前示意圖，圖2b為點移動后示意圖，這種方法實現(xiàn)了基于要素層次的點線聯(lián)動，提高了地下管線數(shù)據(jù)的編輯效率。同樣，通過設置管線點注記與管線點的關聯(lián)關系，在管線扯旗和編輯管線點時實現(xiàn)扯旗注記與管線點注記的聯(lián)動。

圖2 關聯(lián)后點移動示意圖

當有了上述的關聯(lián)關系后，可以快速進行關聯(lián)質量檢查。關聯(lián)質量檢查主要檢查外業(yè)勘察的管線點坐標與真實坐標是否吻合，管線線的起點作業(yè)編號和終點作業(yè)編號是否與管線點的作業(yè)編號相一致。如圖3所示，通過設置給水管線點和給水管線線的關聯(lián)關系，可以快速進行關聯(lián)檢查，當出現(xiàn)錯誤后，系統(tǒng)提供編輯工具方便用戶修復錯誤。比如管線方向轉向時可以快速修改方向，以及在轉向的同時快速轉換屬性等。實際應用證明，關聯(lián)質量檢查能顯著提升管線質量檢查的效率。

圖3 地下管線關聯(lián)信息質量檢查

4 結 語

利用Geodatabase構建的地下管線數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)了管線要素信息的統(tǒng)一描述。以管線全生命周期為基準進行城市地下管線數(shù)據(jù)庫標準化構建，促進了管線信息共享，實現(xiàn)了多源異構管線數(shù)據(jù)的一體化存儲。管線信息系統(tǒng)功能基本一致，數(shù)據(jù)庫結構基本相同，開發(fā)平臺趨于標準化，實現(xiàn)了管線信息的交流與共享。下一步將繼續(xù)完善城市地下管線信息共享平臺建設，為城市規(guī)劃設計和建設管理提供地下管線信息，降低地下管線數(shù)據(jù)更新成本，提高市民對地下管線事故處理的滿意度，提高信息化管理水平和工作效率。

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P208

B

1672-4623（2016）08-0084-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.028

王雅鵬，碩士研究生，主要從事測繪工程、地理信息系統(tǒng)等方面的開發(fā)與應用研究。

2015-09-17。

項目來源：四川省應急測繪與防災減災工程技術研究中心開放基金資助項目（K2015B014）。