管線地理實體編碼體系與組織管理模式探索

周 靜 嚴建國 鄧曉紅

(南京市城市地下管線數字化管理中心, 江蘇 南京 210000)

0 引言

地下管線作為市政基礎設施,是城市智慧管理和安全運行的關鍵。為全面摸清地下管線的現狀,國內很多城市通過開展管線普查、管線數據庫建設、管線信息系統研發，建立了各具特色的管線信息化管理模式,實現管線數據的綜合管理與應用。然而,隨著智慧城市的建設,對各類地理信息資源的空間特征、屬性特征與組織管理體系要求逐步提高,為滿足各類管理需求,地理實體數據成為新型測繪產品的主要代表。

地理實體是獨立存在,并可唯一性標識的自然或人工地物目標和對象[1],也是政府管理的基礎單元和基礎內容[2],是多源數據融合的基本單位[3]。2009年,國家基礎地理信息中心基于地理信息公共服務平臺的需求,設計了基于圖元的實體數據模型。為落實相關要求,各省市陸續開展基礎地理信息實體化的相關研究和建設工作。然而,在當前研究和應用領域,地理實體的構建基本圍繞道路、河流、房屋、院落等基礎地理實體開展[4-5],對于城市地下管線鮮有涉及,區別于其他基礎地理信息,地下管線數據具有特殊的空間結構特征和屬性組織關系,其表達與應用體系相對薄弱,尤其是在管理領域,管線數據長期面臨多源異構、共享困難等問題,其分類體系、編碼方式難以統一,不同單位生產的管線數據更新管理模式相對獨立,也不利于數據的輔助分析和綜合應用。

1 管線地理實體與編碼體系

1.1 管線地理實體定義、層次劃分與表達

按照地理實體分類原則,地理實體可分為基礎地理實體和擴展地理實體[6],基礎地理實體主要是指對現實世界實體對象的抽象,擴展地理實體一般指行業性、專業性的地理信息經實體化形成的地理實體[7-8]。由于管線數據屬性信息和空間拓撲結構的特殊性,本文引入基礎地理實體和擴展地理實體相結合的方式對其進行定義和表達。管線地理實體是指敷設于地下、出露于地表和架空,用于傳送能源、信息和排泄廢物等的管道(溝、廊)、線纜等及其附屬設施,包括管點地理實體和管段地理實體(圖1)。管點地理實體是指由管線的附屬設施、特征點組成的點狀地理實體,具有一定的運營管理和空間輔助意義,包括管線的設施、設備、配件與輔助特征,其中,輔助特征點僅用于構建連續的管線拓撲網絡,不存在實體對象,在本文使用擴展地理實體對其進行抽象表達,因此,在管點地理實體中,設施實體、設備實體、配件實體為基礎地理實體,輔助實體為擴展地理實體。

圖1 管線地理實體構建層次結構圖

管段地理實體是指由管點基本地理實體作為起止點構成的連續管段,包括供電管段、雨水管段、天然氣管段等。

地理實體數據的表達由點、線、面圖元組成,為對管線地理實體進行實體化表達(圖2),李先波提出了基于圖元的地理對象實體化規則[9];李元復等提出了基于交叉路口綜合匹配度的城市道路實體化構建方法[10]。根據管線數據特征,管點地理實體的實體化按照要素分類,對具有明確空間位置的附屬設施與特征點抽象為點圖元進行表達;管線地理實體的構建原則是:(1)由管點基本地理實體作為起止點相連的連續性線段為一個獨立的管段地理實體;(2)因擴展地理實體分割而形成的線段為管段地理實體的圖元;(3)管段地理實體可由多個圖元組成,兩者是一對多的關系。

圖2 管段實體化示意圖

1.2 管線地理實體分類與編碼體系

地理實體數據分類是實現數據管理與共享的基礎,當前,涉及管線數據分類的標準較多,尚未形成統一的原則和標準[11],為兼顧管線信息共享需求,本文基于《管線要素分類代碼與符號表達》[12]與《管線數據標準》[13],按照功能、特征、實體的原則,對管線地理實體的類別進行編碼設計。

管線地理實體類別代碼為層次碼結構,由四層、六位阿拉伯數字組成,見圖3。

圖3 管線地理實體分類編碼規則

本文提出的管線功能代碼為1位代碼,主要依據管線地理實體的大類進行劃分,例如電力管線編碼為1,信息與通訊管線編碼為2。

功能主特征碼是依據各類管線地理實體所傳輸的介質和功能主特征進行分類,為2位代碼,例如,電力管線地理實體的功能主特征碼見表1。

表1 電力管線功能主特征代碼表

實體類代碼依照管線地理實體對象分類進行編碼設計,所有的管線實體類分為管段、設備、設施、配件、輔助等,如電力類供電管線實體類分類代碼見表2。

表2 管線實體類代碼表

管線實體子類代碼是指管點地理實體和管段地理實體的實體對象的編碼,例如,供電管線地理實體的類別代碼如表3所示。

表3 管線實體分類編碼示例表

1.3 管點實體編碼規則

地理實體在被人類認識和表達的過程中,是由幾何形態、語義特征和屬性信息共同描述的[14]。在對于地理實體的數字化表達中,編碼是對象化的基礎認證,結合管線地理實體的特征和結構,本文融合空間信息、語義信息和屬性信息進行實體編碼規則設計。管點地理實體編碼規則是以行政區劃、分幅格網作為基本空間單元,再賦予實體分類編碼、特征碼和順序碼,確保編碼在絕對空間上的唯一性。具體編碼規則見圖4。

圖4 管點地理實體編碼規則

該編碼規則包括行政區劃6位代碼,地理格網(1∶500地形圖分幅格網編號)9位編碼,管點實體分類6位編碼,順序碼3位,校驗碼1位。通過該編碼規則可以較好地實現與當前管線數據的映射,降低地理實體數據處理的難度,也能夠實現對實體對象較為全面的特征表達。若管點地理實體因廢棄被拆除,則編碼不再被其他管點地理實體占用,新增管點地理實體隨已有編碼遞增。

1.4 管段實體編碼規則

根據管線地理實體的定義,管段地理實體與管點地理實體具有一定的拓撲關聯關系,不同類型的管點地理實體將連續的管段分解為圖元的概念進行表達,因此，需要通過編碼將不同圖元的管段建立連接關系,實現對管段地理實體的完整表達。

管段地理實體在空間上以行政區劃、分幅格網作為基本單元,再通過實體分類編碼、順序碼、圖元順序碼、特征碼和校驗碼保證編碼的唯一性，編碼規則如圖5所示。

圖5 管段地理實體編碼規則

該編碼規則包括行政區劃6位代碼,地理格網(1∶500地形圖分幅格網編號)9位編碼,管點實體分類6位編碼,圖元順序碼2位,順序碼3位,校驗碼1位。若管段地理實體分布在兩個空間單元內,則以其線段中點所在位置為準。

2 管線地理實體屬性結構體系

2.1 管線地理實體基本屬性結構

基本屬性結構(表4)用來表達管線地理實體的名稱、類別、產生時間、消亡時間、使用狀態、權屬、空間位置等,所有管點地理實體與管段地理實體的基本屬性結構一致,能夠滿足相關數據管理、更新的需要,同時能夠表達管線地理實體的時空狀態。

表4 管線地理實體基本屬性結構表

2.2 管線地理實體擴展屬性結構

不同類型的管線地理實體具備特殊的功能要求,所以通過擴展屬性結構來描述不同地理實體的特征差異與專業化屬性,例如電力管線地理實體包括電壓值、總孔數、占用孔數、線纜條數等擴展屬性,給水管線地理實體包括防腐類型、保護材質等擴展屬性,這在一定程度上改變了傳統的以統一屬性結構進行綜合管線信息管理的模式,建立了綜合管線數據、專業管線數據之間結構統一的數據組織基礎,運用地理實體的概念建立了不同類型的管線信息交互和映射通道。

3 管線地理實體數據管理模式與應用驗證

3.1 管線地理實體數據管理模式

基于新型基礎測繪的相關要求,地理實體數據將改變傳統數據的管理方式,建立不同專題、不同類型管線數據的邏輯關聯關系[15],從而解決多源數據的共享難題。地理實體數據從采集、生產、管理、更新到應用的模式都將與傳統數據管理模式有所區別,傳統的管線數據組織是通過測繪數據直接分層管理、獨立存儲的方式開展的,無法實現各類專業信息、空間信息、屬性信息、關系型信息的統一管理。而基于地理實體的管線數據組織管理模式是以現有的管線測繪數據為基礎,提取出基礎空間信息和屬性信息,從專業管線數據中提取出專業運營信息,同時根據管理特征提取出管線地理實體之間的關系信息,通過唯一編碼將各類信息融合管理,實現索引構建,不同信息可獨立存儲,兼顧分布式存儲和大數據檢索的需求,使邏輯模型和現實地理信息對象更加統一。在數據更新方面,由于管線地理實體充分融合了各管線專業特征,管線權屬單位可依據統一數據標準完成本專業管線地理實體的采集和更新,然后統一更新至管線地理實體數據庫,而管線地理實體數據庫發生變化,也可通過唯一編碼實現專業管線數據的協同更新,改變當前綜合管線與專業管線數據異構并行的管理方式,實現管線一張圖的共同維護和利用。管線地理實體數據管理模式如圖6所示。

圖6 管線地理實體數據管理模式

基于統一編碼的構建,實現了管線地理實體與基礎地理信息數據、三維模型數據、專題應用數據等相關數據的信息互聯,能夠便利地進行各類屬性信息的掛接和調用,通過“一碼關聯”形成了滿足多元化應用需求的數據組織模型。

3.2 管線地理實體應用場景

面向管線管理應用需求,以地理實體數據為基礎,能夠實現各類相關社會管理要素、專業要素的關聯,能夠為綜合管理與應用建立一個全面精準的管線基礎信息資源庫,同時也為管線大數據分析挖掘提供條件。通過地理實體編碼建立各類管線信息和基礎地理信息統一管理的平臺系統,能夠滿足各類復雜分析應用的場景需求,形成多元化的服務產品,滿足社會公眾、政府管理、行業管理的需要。

4 結束語

本文基于新型測繪數據產品要求,立足于當前管線信息管理的難題和問題,提出顧及結構特征的管線地理實體定義,通過對管點地理實體和管線地理實體的編碼體系和屬性結構進行研究,形成較為完整的管線地理實體數據模型,并在突破傳統數據管理模式的基礎上,形成以管線地理實體為核心的新型管線信息管理模式,逐步推進多源管線信息的共享與融合,形成統一的管線地理實體服務和產品,為智慧城市建設、智慧管網運營提供精準的信息支撐。