基于GIS技術的城市排水管網系統應用研究

劉 陽

（太原學院建筑與環境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

城市建設規模日益擴大，排水管網系統也越來越龐大，圖文資料越來越多。由于城市排水管網埋設于地下，結構復雜且信息量大，導致其管理存在數據分散、統籌規劃不力以及檢修不到位等問題，故實現城市排水管網的信息化管理已成為一項重要工作，利用先進的科學信息技術進行城市排水管網的數據資源管理、查詢統計以及空間分析，實現現代化管理已成為必然趨勢。GIS是一個集地理數據的采集、存儲、管理、計算、顯示、分析和描述為一體的綜合技術系統，實現了城市排水管網的資源管理、規劃設計、查詢統計、維護更新、分析優化、信息共享等功能，滿足了城市排水管網信息化建設的需求，為推進城市管理現代化發展提供了科學指導，具有重要意義。

1 GIS技術概述

GIS技術即地理信息系統，它以地理空間為基礎，通過地理模型分析，從而獲取、處理、管理和分析地理空間數據，是一個用于地理研究和地理決策的計算機技術系統，是國家信息資源的重要組成部分。其軟件構成圖如圖1所示。

近年來GIS技術在各行各業中被廣泛應用。GIS可為處理防災減災、城市環境資源等方面問題提供重要依據，可以將空間信息數據集成起來，層層分類，完整地表達客觀地理世界。利用GIS技術，人類可以便捷查詢全球地理空間數據以及對海量空間數據進行統一管理，城市排水管網附屬資源信息（排水管道、雨水與污水井、污水管道等）分布于不同的地理空間位置，通過GIS技術可以有效顯示這些附屬資源數據，并優化其網絡布局，對數據進行收集統計以及合理配置資源等，從而為城市排水管網科學管理提供有效支持[1]。

2 GIS技術特點與優勢

GIS技術將地圖獨特的可視化與地理分析等一般數據庫操作集成在一起，相比于其他計算機系統，其優勢主要表現在以下4個方面，①強大的可視化表達手段：GIS可視化是以圖形學、計算機科學、地理信息為基礎，以屏幕地圖的形式直觀、動態地顯示空間信息的一種方法和技術，形象地反映了地理要素的特征；②地理過程的演化模擬：GIS技術具有模擬以及預測地理復雜系統時空演化過程的能力；③空間決策支持：GIS技術可以通過對空間數據的查詢、模擬與分析，為決策者掌握復雜的空間數據提供依據；④快速的空間定位搜索：GIS技術可以對整合的空間數據進行自動分析，對所需要的資源數據信息進行快速空間定位查詢。其特點主要表現在以下三個方面①開放性：具有強大的可擴展性與連接性，GIS技術支持多種數據庫管理系統以及各類操作系統平臺，兼容性較強；②先進性：GIS系統采用了先進的互聯網計算機技術、數據庫技術以及地理信息處理技術，并不斷更新，可以遠程查詢數據，直接打印地圖與數據，且地圖精度較高；③發展性：為考慮GIS系統的進一步發展、擴展其性能以及與其他應用程序系統集成的方便性，在應用程序開發過程中，開發工具通常使用xml等[2-3]。

3 GIS在城市排水管網中的重要作用

在城市排水管網中GIS技術的主要作用是對排水管網空間數據進行綜合管理，使排水管網水力模型可視化表達，GIS信息化排水管網系統是一個綜合系統，GIS技術的應用將城市排水管網空間地理位置與屬性有效結合，并分類存儲與管理，使地下排水網被完整表達出來，排水管網地理信息管理系統可以根據用戶需要準確顯示輸出，滿足了相關部門對排水管網查詢統計的需要[4]。GIS在城市排水管網中的重要作用主要體現在以下4個方面：

（1）排水管網GIS技術的充分利用：GIS技術以其強大的空間數據集成與分析能力，建立了管網分析、運行管理與信息數據共享為一體的城市供排水系統，該“排水系統圖”清楚地顯示了排水設施的埋設深度、連接方式等信息，對排水管網的日常管護有重要意義[5]。

（2）GIS水力模型在排水管網中的作用：水力模型是從一系列水文水力學理論公式中抽象出來的一組數學模型，如管網物理屬性數據等，該模型能夠模擬污水管網在干燥和雨天的實際流量，并發現系統存在的問題，對排水管網優化起著重要作用，通過建立水力模型可以實現排水管網數據的分析整理，解決排水系統存在的問題[6]。

（3）GIS系統數據管理在排水管網中的作用：在排水管網中工作人員利用GIS技術可以對管道數據庫進行精確建設以及地形描繪，快速完成更新數據的任務，還可以實現格式的轉換，例如當工作人員需要將排水管線的CAD立體圖轉化為GIS可以處理的信息模式時，便可以用GIS數據管理將CAD格式轉換為地理信息，反之亦然，GIS數據管理可以將格式隨時隨地進行轉換，充分發揮出數據價值，實現資源共享，在一定程度上提高了城市排水管網的管理效率[7]。

（4）GIS系統用戶管理在排水管網中的應用：普通用戶分配到各區域進行排水管網的故障維修，負責管理該區域，對故障進行分析并上傳到排水管網地理信息系統，其余維修人員可以通過GIS的信息反饋了解哪個區域出現故障以及故障的難度。一旦問題難以解決，所有的維修人員都能以最快的速度到達現場并進行協同維護，以達到信息傳輸的效果。

4 GIS在城市排水管網中的應用

4.1 基于GIS技術優化城市排水管網系統設計結構

在傳統的工作方式中，城市排水管網信息內容基本都是按照工程圖紙圖表敘述，如設計方案等，都是人工管理，無法進行管網結構設計與城市地質圖相一致的動態管理。在這種情況下，就要利用GIS技術對城市排水管網結構進行優化，其結構見圖2，在城市排水管網地理系統中，需要實現數據查詢編輯、空間分析等功能，C／S模式滿足了GIS數據復雜操作的需求，因此，我們以數據庫網絡服務器為管理中心，采用C／S與B／S復合結構，采用C/S模式實現了排水管網數據輸入的編輯功能，且所有C/S模式的功能在B/S模式中都能實現的，這樣既完成了數據備份功能，保證了數據安全，又兼顧網絡服務器的負載平衡，保證系統的可用性和開放性[8]。

4.2 構建數據共享平臺

GIS排水管網具有完善的附件數據，且可以對管道數據進行輸入與編輯，通過利用GIS技術建立全面準確的排水管網數據庫（如圖3所示），工作人員可以便捷的獲取自己所需要的數據，也可以根據實際情況對數據進行更改與更新，GIS系統可以實現與通用CAD數據或其他測量數據等多種數據格式的數據轉換，以此來實現資源數據共享，資源共享即各單位建立其GIS數據標準，將其提交至綜合地理信息系統的運行維護單位聯合更新，統一建檔供專業管道單位以及排水管網施工單位免費使用；信息共享即專業管道單位以及排水管網施工單位及時反饋施工信息，以便相關部門及時更新數據信息，使專業排水管網施工單位能夠進行管道維護和預警。GIS排水管網數據處理主要有數據編輯、合成與轉換，最后形成空間數據庫與屬性數據庫[9-10]。

4.3 三維觀測功能

利用GIS三維觀測功能構建地下排水管網管線立體圖，可以清楚了解各管道的空間關系及其位置，實現了地下排水管網的多維可視化顯示系統，繪制了地下排水管網的動態圖，還可以對管網進行標注與模擬，實現對排水管網位置、尺寸等信息收集，施工單位可以從任何角度對整個管網系統進行觀察和分析，也可以通過系統生成的管網斷面圖對其進行分析，查詢管網的運行狀態及兩者之間的關系，更好地進行綜合管理，城市排水系統的水位、水質、流向以及流速數據的三維觀測展示圖[11]，見圖4所示。

在水位數據方面，結合排水管網對象的直徑與深度等相關屬性數據，可以同步并直觀地獲得水位數據和充水度的動態變化過程。當該節點產生積水或被淹沒時，該節點會以高亮形式被突出顯示，以形成溢流節點和滿管流管道的三維空間分布圖；在水質數據方面，可以快速、直觀地獲得不同管網對象的水質差異，結合水質標準信息，當管網水質達到標準時，會在三維場景中突出管網對象，并進行顯示，以形成滿足各水質標準節點與管道三維空間分布圖。此外，GIS排水管網系統還可以模擬不同降雨事件下積水節點等在三維空間的分布情況，為市政的內澇與溢流治理提供堅實的技術支撐[12]。

4.4 基于GIS的城市排水管網數字化管理

為構建以GIS技術為基礎的城市排水管網系統，首先要建立管網空間數據庫，將數據連接起來，且空間數據庫的規模與處理能力應隨著系統發展及時更新，在圖5構建的城市排水管網管理系統中，城市排水管網相關空間數據信息存儲在空間數據庫中，且這些數據信息通過數據傳輸通道轉移到目標程序進行業務處理，信息可以按屬性分類存儲，不僅方便管理與操作，而且不受系統指令限制。并在原有的基礎上優化了空間數據庫的管理模式和結構，使數據管理更加智能化，能隨著技術的發展進行更新[13-14]。

5 結語

GIS技術在城市排水管網中的應用解決了管網運行中常見的問題，其強大的空間分析能力為管網生產調度提供了準確的數據支持和科學的輔助分析手段，本文從GIS技術優化城市排水管網系統設計結構、構建數據共享平臺、三維觀測功能、基于GIS的城市排水管網數字化管理4個方面入手分析了GIS技術在在城市排水管網系統中的應用，以期促進城市排水管網的運行效率。