基于地理實體的排水管網上下游分析算法研究

宋磊，張現軍

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 25010)

1 引 言

城市排水管線不斷完善與快速增長，管線的管理帶來了挑戰。傳統的排水管線管理系統，側重于數據的展示與屬性查詢，借助GIS平臺特定的數據結構進行空間分析[1～3]。王萌等人提出建立城市排水GIS系統精細拓撲模型，通過對數據結構的重新組織提高管網分析的運算效率[4]。農宇等人在ArcGIS和超圖平臺的基礎上，通過數據處理生成平臺的幾何網絡數據，在此基礎上進行排水管線的上下游分析[5，6]。傳統連通算法的優化，需要對數據進行分塊或增加索引結構，以提高數據分析的效率。隨著管線數據更新頻率增加，原始數據變化后，用于連通性分析的中間數據也需要同步更新，無疑增加了系統維護的工作量，也無法保證分析結果的現勢性。本文基于地理實體構建排水管網數據結構，在管線實體中增加邏輯關系及流向屬性，通過遞歸遍歷實體間的鄰接與流向，實現排水管線的上下游分析功能。

2 系統架構與管線實體數據

2.1 系統架構

排水管網上下游分析算法的選擇需要適合系統的總體架構。本文探討了在B/S架構下，用戶在頁面端更新數據庫中排水管網實體數據。排水管線分析服務通過遍歷實體數據中的關聯關系，實時的進行排水管網的上下游分析。如圖所示，系統分為用戶界面層、應用層、系統服務層與數據層。數據層保存排水管網實體數據和基礎地理數據，是算法的基礎。系統服務層是用戶編輯數據、應用分析的媒介，讓用戶在界面層操作信息傳遞至后臺，并返回結果。應用層是算法的實現，前端傳遞的參數結合實體數據之間的關聯關系，做出復雜的應用分析。用戶界面層是向用戶提供服務的入口，用戶可以在界面層進行地圖瀏覽、查看分析結果和專題圖等。

圖1 系統架構圖

2.2 排水管線地理實體

地理實體是現實世界中占據一定空間位置，單獨具有同一屬性或完整功能，可以唯一標識的自然地物或人工設施。其特點是具有唯一編碼并能夠自由的組合或聚合，應用于不同方向[7，8]。

排水管網上下游分析算法依賴標準的排水地理實體數據。標準的數據格式是算法分析的基礎，也是結果分析正確與否的保障。以往數據建庫，面向地理要素，注重空間位置與屬性的表達，可以很好滿足數據的展示與統計的需求。但隨著排水管網數據更新速度加快，用戶對數據分析的實時性與效率有了更高要求。傳統的系統維護由數據生產、數據治理、制作幾何網絡數據、服務更新等流程組成，存在數據制作周期長、對系統維護人員要求高、大數據量下效率低等缺點。

排水管線地理實體分為排水管點，排水管段，排水獨立井和排水溝道四個類別，每個類別都有自己的分類代碼和圖元編碼。地理實體的唯一編碼由分類碼、位置碼、時間碼和順序碼組成，通過地理實體的編碼可以獲取不同類別間地理實體的關聯關系，聚合為綜合管線實體，也可以是小區地理實體組成部分。利用排水管網實體中排水管點、排水管線的關聯關系以及圖元信息，不僅能夠滿足上下游分析的需要，而且對以后數據的挖掘留出了拓展空間。上下游分析算法主要操作對象是管線實體，如圖2所示，管線實體的結構由實體編碼、管線編號、管線類型、流向、起點信息以及終點信息組成。管線間的關聯關系如圖3所示，數字代表管線，大寫字母代表管點。管線2與管線3的終點A是管線1的起點，同時也是管線1的起點，管線1的終點B是管線4與管線5的起點。管線關聯關系中，最常見的是管線2，1，4組成的流向關系，圖3展示的是復雜的管線連接情況，也是算法需要著重考慮的情況。每段管線都有唯一的實體編碼，管線間通過起點點號與終點點號進行關聯。通過管線的數據結構并結合流向信息可以進行管網的上下游分析。

圖2 排水管線地理實體圖

圖3 排水管線地理實體關系示意圖

3 上下游分析算法

我們以上游溯源分析算法為例(如圖4所示)，首先定義結果管線集合，用于保存查詢出來的管線編號，初始的結果管線集合為空。首先獲取用戶在地圖上選擇管點的點號，假設為圖3中的管點A，在數據庫中查找以該點為終點的管線，放入過程管線集合中，即由管點A查詢出管線2與管線3的過程。判斷過程管線集合長度是否為零，如果為零則說明沒有管線流向該管點，是管網的起始點，分析結束。如果過程管線集合長度不為零，則需要遍歷過程集合中的管線，遍歷管線是需要經過兩個判斷。首先判斷結果管線集合中是否包含過程集合中的管線，如果不在就新增到結果管線集合中，如果在就繼續判斷過程管線集合中下一條管線。遍歷過程管線集合結束后，過程管線集合置空。然后判斷管線實體中流向屬性，流向為正的選取起點點號作為結果，如果流向為反向，則選取終點點號作為結果，此過程就是通過判斷管線1，管線2的屬性信息查詢出管點C與管點D的過程。本算法選擇在判斷完所有的點號后，再進行遍歷新增點號，也就是廣度優先策略。為防止重復或者無限循環查找管線，在這個步驟中設置了管點集合，作為判斷管點是否已經參與計算的標志。第三步判斷新篩選出的管點是否在管點集合中，如果不在就加入管點集合中，然后再檢索終點為該點的管線集合，即查詢流向管點C或者管點D的過程管線集合。如此遞歸循環，不斷將新查詢的管線增加至結果管線集合中，直到新查詢管線個數為零，退出循環，輸出結果數據集。下游分析算法跟上游溯源分析算法類似，不同之處在于是尋找起點還是終點，內部邏輯是一致的。

圖4 系統結果圖

圖4 上游算法流程圖

該算法無須借助GIS開發平臺和專門的幾何網絡模型，直接在標準的管線實體數據庫中檢索，按照上下游分析的邏輯將管線查詢出來，并返回至前端。前端通過解析結果數據，把管線繪制在地圖視圖中。實現了管線編輯后能夠同步反應至分析結果中，并能利用該算法檢測管線數據中的錯誤，查找倒流錯誤的管線。

4 實例應用

該算法已經運用在濟南市排水管線綜合運營平臺中，在超過 1 280 000條排水管線數據中進行溯源分析，能夠流暢的輸出結果并繪制在地圖中。如圖所示，在小清河附近選擇一管點，設置搜索深度300，執行匯水分析，即本文描述的上游分析算法。經過不超過300次的遞歸分析后，查詢出流向此管點的309條管線。右側的表格顯示管線的屬性信息，地圖中繪制管線的位置與流向情況。閃爍的紅圈代表選擇的要分析的管點，高亮綠色代表分析出的管線，紅色箭頭代表流向，分析出的管點為了不掩蓋管線類型信息，采用了和管點圖層一致的管點符號顏色。根據此功能，能夠方便的掌握該管點的管線流向信息，并可以直觀地檢查是否存在數據錯誤。

5 結 語

本文提出的排水管網上下游分析算法簡單實用，在大數據量情況下依然能夠流暢分析出溯源結果，實踐證明是可行而且有效的。該算法不需要借助GIS平臺與特殊的數據結構，當用戶在前端更新管線或者管點數據，就可以反映在分析結果中，降低了排水管線運營平臺的維護成本。算法在局部的上下游分析中有著強大的優勢，對于全部管線流向展示可以采用Python工具，定期更新數據并成圖展示。目前算法還不支持多管點的溯源分析，是本算法的優化方向。