上海市地下管線全生命周期地理信息系統的設計與實現
——以楊浦區為例

陳功亮，陳艷華，朱 律

（上海市測繪院，上海 200063）

地下管線是城市賴以生存與發展的物質基礎，被稱為城市的“生命線”，地下管線數據的現勢性、準確性、可靠性對城市的建設和運行有著深遠的影響[1]。隨著城市規模的擴大和現代化程度的不斷提高，城市地下管網也越來越龐大、密集，種類也越來越繁多[2]。上海市鋪設地下管線已有150多年歷史，全市地下管線已超過12萬公里，呈現出縱橫交錯、隱蔽性強、密度高的特點。城市“生命線”的飛速發展帶來的地下管線運行管理問題也日趨復雜[3]。目前，上海市雖然已經完成了中心城區地下管線基礎信息普查工作，外環建成區的普查工作也已全面展開，但是地下管線全生命周期的規劃審批、工程許可、核查管理、運行維護四個環節并沒有通過建立共享平臺來實現數據的共建共享，管線規劃管理的精細化水平離習總書記精細“繡花”的要求仍有一定差距[4]、智能化水平與全球城市的地位還不相適應，如何合理配置管線空間資源，實現對管線全生命周期的精細化、標準化管理成為當前上海市地下空間開發建設中亟待解決的問題。

針對上述問題，上海市規劃和國土資源管理局探索建立了覆蓋地下管線全生命周期的數據庫和規劃管理機制。在此基礎上，上海市測繪院設計并實現了基于GIS技術的地下管線全生命周期信息系統，在數據庫和管理機制之間架起一座橋梁，確保二者有機融合，為實現管理工作線上運轉、數據有效沉淀、成果互聯互通、數據系統化管理提供技術保障。本文結合該系統在楊浦區試點運行的經驗積累，對系統的設計基礎、總體架構和功能實現等方面進行了介紹，為其他城市和地區開展同類工作提供借鑒和參考。

1 系統的設計基礎

1.1 協調兼容的地下管線綜合數據庫

目前，規劃審批和工程許可環節的成果主要采用文件管理的形式，尚未建立統一的數據庫，不同設計單位根據自身的繪圖標準和習慣繪制管線規劃圖和工程設計圖，電子數據成果無法達到入庫標準。上海市城市規劃設計研究院已經研究編制了《上海市管線規劃成果數據標準》和《上海市管線工程平面設計圖數據標準》，上海市測繪院再次修訂了《上海市地下管線測繪規范》。上述標準和規范規定了不同階段的管線數據內容和要素分類、數據結構、數據交換文件命名規則、數據內容交換格式和元數據等，確定了不同管線工程的GIS分層標準、GIS圖層屬性以及CAD制圖標準和GIS的對應關系。這些數據標準的修訂不僅滿足各自規劃管理的需要，保證各自環節的數據能有效沉淀到數據庫內，還滿足下游環節成果數據標準兼容上游環節成果數據標準的基本要求，便于上下環節之間的協調銜接、互聯互通，確保數據生產、入庫、管理的統一性。

目前，上海市地下管線現狀數據來源多樣，不同來源數據的精度、管線內部屬性等存在差異。上海市測繪院對楊浦區的現狀管線數據進行了試點整理入庫。通過內業判斷、資料調繪、外業探查、管線單位校核等方式，對該院歷史積累的楊浦區綜合管線數據、歷年新建管線跟蹤測量數據和管線單位專業數據進行整合、甄別、清洗，并進行接邊處理，形成更高精準度的3299km現狀管線數據庫。再將近年規劃管線項目30個(管線長度104km)、2017年管線工程許可項目14個（管線長度19km）、2017年管線跟蹤測量項目24個（管線長度17km）的數據入庫，研發了數據生產軟件，將管線規劃審批、工程許可、跟測、竣工、廢棄處置、現狀等規劃管理全生命周期各個階段的信息關聯，將各階段的批文號、許可證號、合格證號等全生命周期規劃管理的信息一并沉淀下來，還聯合上海市城建檔案館研究將管線電子竣工檔案納入庫中，形成了涵蓋規劃管理全生命周期所有階段的數據庫，實現管線規劃管理信息化全覆蓋。同時建立現狀管線數據修補機制，在管線規劃或施工階段，發現不明管線（含功能廢棄的管線）、管線位置不準的，落實了補測、驗收、資料歸檔、數據入庫等工作。已按規劃拆除的廢棄管線，其具體數據要納入到測繪報告中；暫不具備拆除條件的，新建替代管線工程的測繪報告也要應當包括廢棄管線的具體數據，一并入庫。

統一的地下管線全生命周期規劃管理數據庫將一個城市基礎地理信息、各種管線的空間信息及它們復雜的屬性信息一體化存儲，分類、分層地進行存儲管理，可以為電力、通信、燃氣等行業規劃的編制提供全面基礎支撐，為區域乃至全市范圍內發展需求模型計算分析提供詳實的規劃、在建和現狀數據；也能夠為行業管理部門、應急處置部門提供區域內精確的各類三維空間數據，為行業管理部門統籌規劃、協調管理提供便利。

1.2 覆蓋地下管線規劃管理全生命周期的管理制度

協調兼容的地下管線數據庫能夠為規劃管理提供強大的支撐，與之同時，規劃管理也要滿足地下管線數據庫的信息精準、更新及時的管理需求。規劃審批和工程許可環節中，設計單位須按分別按照《上海市管線規劃成果數據標準》和《上海市管線工程平面設計圖數據標準》制作電子報件，在窗口受理時利用數據預檢工具對電子報件的信息完整性、圖層組織和命名正確性、屬性字段輸入完整性、屬性值正確性與規范性逐一進行檢查，確保電子報件符合入庫標準。經辦人在審理時增加了填寫成果入庫流轉單環節，提出管線規劃圖、工程圖入庫要求。在文書打印送達時增加打印送達規劃核查告知單、檔案核查辦理需知，向管線建設單位告知管線工程批后的規劃核查管理要求，以強化提高規劃核查階段的管理。然后打印成果入庫流轉單，并按流轉要求將數據和案卷流轉至成果管理部門進行成果入庫，最后再移交至檔案館歸檔。將跟蹤測量、竣工驗收、檔案驗收等管理信息一并沉淀到數據庫中，以滿足地下管線數據庫的信息精準、更新及時的管理需求。楊浦區試點運行中，通過組建微信群，共享“挖掘城市道路許可”和“道路修復”信息。規劃執法部門可以按照“挖掘城市道路許可”信息及時核查管線的開工復驗，測繪質檢管理部門可以按照“挖掘城市道路許可”信息及時對跟蹤測量工作進行現場監督檢查，按照“道路修復”信息督促測繪單位及時送檢測繪成果，進一步提高了規劃核查管理的效率。

1.3 關鍵技術

本管線系統由于覆蓋地下管線規劃管理的全生命周期，涉及內容多，在整個系統中使用了許多不同類型的技術來保證系統的正常運行。系統使用的核心技術主要包括：

（1）海量數據存儲與管理技術

系統運用Oracle空間數據庫來存儲系統所需的矢量、影像、基礎地形、管線、三維模型等海量數據，通過空間數據引擎ArcSDE，實現空間數據的高效率訪問[5]，支持大量用戶在同一數據上執行各種應用，并使數據爭用最小，保證數據使用便捷順暢高效。

（2）B/S、C/S相結合的多層分布技術

C/S結構可以提供數據的高效訪問、實現復雜的空間數據編輯等特點，B/S可以用于滿足大量用戶對空間信息的訪問需求。系統針對不同管線單位的實際情況，合理選擇架構方式開發網絡地理信息系統，采用B/S與C/S相結合的多層分布式技術以滿足客戶的不同需求，并根據實際情況配置胖、瘦客戶端。

（3）XML和Web Service技術

XML用來標記文件使其具有結構性，它可以讓標記者自己來標記所要定義的信息。XML只用元素和屬性來描述數據,而不提供數據的顯示方法，因此，其標記的數據獨立于平臺和語言，具有靈活性、多樣性及內容與形式分離等半結構化特征。Web Service使用開放的XML標準，有助于在分布式網絡環境下交換數據，其簡單性和可擴展性使得大量異構平臺之間的數據具有互操作性的特點。

（4）二、三維一體化技術

相對于二維GIS，三維GIS不僅提供了三維的視覺認知，而且提供了三維空間分析方法與功能。系統采用二維、三維平臺結合一體化的方式來構建地下管線的共享發布系統，實現了數據存儲與管理、可視化、分析功能等多方面的二三維一體化應用，使用戶能夠同在瀏覽逼真的三維管線的同時也能實現復雜的統計分析功能，實現 “地上地下一體化”、“專業綜合一體化”的總體框架[6]。

2 系統模塊設計

根據地下管線全生命周期規劃管理制度和管線綜合數據庫的要求，系統模塊主要分為數據更新模塊、綜合管理模塊以及共享發布模塊。

數據更新模塊主要實現了對入庫的管線數據進行檢測和對在庫的管線數據進行不定期維護。通過以窗口檢查的形式，運行集成了AutoCAD檢查等一系列檢查功能的窗體應用程序，對上交給管線管理部門的數據成果的標準性和規范性進行檢查，保證了管線入庫數據的現勢性與準確性。同時設計并實現了數據檢測子系統，可以提供給管線數據生產單位預先進行自檢，提高數據質量。對于現狀管線數據的更新，通過把需要更新的局部范圍內的數據提取出來用作修測的數據源，只對其中相應的內容進行更新，來節省成本和提高更新效率。

綜合管理模塊是整個信息系統的核心樞紐，用B/S架構進行開發，包括查詢、比對、統計分析、權限管理及系統管理等功能。針對不同權限的管線職能部門和不同類型的管線數據，在采用用戶名和密碼登陸的基礎上，對系統用戶根據權限進行分組，并進行分級管理，設定各自的操作權限，以網頁方式為不同層面的管理人員提供相應的綜合管線管理服務。

共享發布模塊主要實現地下管線數據在二維三維模式下的瀏覽發布，用戶可在此基礎上進行地下管線的檢查詢統計、量測比對、圖形打印、斷面圖制作和輸出以及相關的業務功能。系統部署在上海市政務外網上，使權屬單位通過該系統不僅僅可以瀏覽查詢管線數據，也能通過該系統進行管線數據的申請、上傳與下載[7]。

3 系統架構設計

本系統基于目前IT技術中流行而比較成熟的“N”層結構方案[8]。系統的架構體系如圖1所示:

圖1 系統架構設計圖Fig.1 System architecture design

整個地下管線管理系統平臺的系統架構可以分為基礎設施層、數據層、服務層、應用層等四個層次。基礎設施層主要包括服務器主機、存儲、網絡、安全設備、路由設備及其它外圍設備，還包括服務器虛擬化軟件平臺、操作系統、GIS平臺、數據庫系統等；數據層主要包括規劃、許可、跟測和竣工等各階段地下管線數據，以及相關的基礎地形數據、航空影像數據、元數據、用戶信息數據、文檔數據等；服務層是以WEB服務為中心的信息系統，它不是一種孤立的系統，而是一個存在于WEB上的服務中心和一個分布式服務系統，包含各類基礎地理信息和地下管線的瀏覽、查詢、分析等服務；應用層則包括涵蓋地下管線規劃審批、工程許可和規劃核查的全過程，以B/S和C/S相結合的方式開發，實現規劃審批、工程許可、規劃核查等管理工作的平臺上運轉，確保城市地下管線安全，同時為將來地下管線的安全運行和應急保障提供數據服務。

4 系統實現

整個系統依托ArcGIS平臺，利用SSM（Spring、Spring MVC、Mybatis）框架進行開發搭建，C/S架構系統基于ArcMap Editor開發，B/S架構系統后臺數據服務采用ArcGIS Server 發布，前端使用CMV開發實現。綜合管線數據采用Oracle Spatial存儲，利用ArcSDE進行連接調用。系統在楊浦區進行了試點運行，實現的主要功能包括：

4.1 基于地圖切片技術的基礎地理信息瀏覽

通過將常用的地圖預存在服務器端，不需要對用戶的請求進行實時計算和繪圖[9]，能夠在地圖的顯示方面具有速度的優越性，大大改善了地圖的拖動、縮放以及不同比例尺下的快速瀏覽。可以通過平移、放大、縮小、縮略圖等方式查詢地形信息，提供選擇結合政務地圖、航空影像或者綜合地形圖來瀏覽二維管線的功能，如圖2、圖3所示：

圖2 政務底圖上瀏覽管線Fig.2 Browse the pipeline on the government base map

圖3 航空影像底圖上瀏覽管線Fig.3 Browse the pipeline on the aerial image base map

4.2 三維管線場景瀏覽

結合地表建筑與地下空間結構，提供任意角度和任意方式的三維場景瀏覽，方便城市的建設部門和管線權屬機構，遠距離瀏覽查詢和形象地觀測地下管線的復雜分布和相應的空間關系，充分實現管線信息的共享，如圖4所示。

4.3 查詢、量測、統計功能

通過一定的圖形繪制操作和條件選擇，可以查找所需地下管線數據，同時定位查詢結果，并根據固定的統計條件對查詢所得數據進行統計[10]。查詢方式主要包括快速查詢、空間查詢和關鍵字查詢。關鍵字查詢即根據用戶定義的關鍵字選取地下管線數據庫中符合查詢條件的地下管線數據信息，也可以選擇屬性查詢、空間查詢、管徑查詢、材質查詢等作為輔助查詢條件，確定查詢范圍。三種查詢方式產生的查詢結果均能進行統計，最終生成統計圖表。

圖4 三維管線場景瀏覽Fig.4 Three-dimensional pipeline scene

量測功能主要包括距離量測、面積量測和管間距離等。用戶在面對可視區域的地下管線數據時，通過自主繪制簡單圖形，動態獲取所需的圖上距離、面積、角度等計量數值，便于地下管線查詢定位后管線自身、管線之間、管線用地面積的估算，為管線的鋪設規劃和詳細設計提供一定的參考和確認。

4.4 分析功能

分析功能從多方面為城市地下管線管理部門提供管線空間信息和屬性信息，包括快速準確地對管線運行的突發事故作緊急處理、協助科學地進行地下管線的規劃和輔助設計、指導市政工程的文明施工和預防性維護等。其中模擬開挖分析能根據用戶定義的開挖區域和深度瀏覽開挖部分的地下管道，并自動計算施工開挖量，盡可能減少和避免施工開挖過程中產生地下管線安全隱患；縱橫截面分析能將各類地下管線的顏色分類后，按照指定的顏色繪制地下管線截面，并將分析產生的各類地下管線詳細信息如管徑、地面高程、管線高程、規格和埋深等數據以列表窗口的形式展現，使得地下管線的空間分布信息展示得更加直觀和清晰，相關分析界面如圖5、圖6所示：

圖5 管線三維挖填方分析界面Fig.5 Analysis interface of the excavation and embankment of 3D pipeline

圖6 管線橫斷面分析界面Fig.6 Analysis interface of the cross section of pipeline

4.5 比對功能

在系統中選擇需要比對的相關圖層，通過調整圖層透明度或打開圖層卷簾開關，結合系統自帶的量測工具，可以比對相關管線的空間位置偏差。另外，用戶還能將需要放入系統中比對的臨時文件拖拽入指定窗口，系統會自動讀取文件內容，并將文件內容繪制在圖上，實現與已其他階段已入庫數據的直觀比對。

5 結論

上海市地下管線全生命周期地理信息系統在地下管線全生命周期規劃管理制度和管線綜合數據庫的基礎上，利用行業內領先的WebGIS開發技術，搭建了服務于管線管理部門、政府職能單位、管線權屬單位的一整套服務系統，實現了地下管線從規劃審批、工程許可、核查管理到運行維護的全生命周期管理機制。本文總結了該系統在楊浦區試點運行的經驗積累，希望可以為其他城市和地區提供借鑒。