基于GIS的校园综合管网管理系统设计与研究

胡 婷

（长春工业大学信息传播工程学院，吉林长春 130021）

地下管线是学校的生命线，它就像人体内的“血管“和“神经”，担负着物资、能源和信息的传输工作，是学校赖以生存和发展的物质基础[1]。在科技信息高度发达的现今社会，纸质管线资料的缺点已经突显出来：资料多不利于查询，不直观，不便于管理。将地下管线资料信息化存储和管理，已经是学校地下管线管理的当务之急，也是信息时代发展的必然趋势。采用GIS（地理信息系统）技术，利用其独特的空间数据管理和分析功能来建立地下管网信息系统可以实现校园地下管网信息的数字化、科学化、现代化管理。本文将以长春工业大学校园综合管网管理系统为例，对基于ARCGIS的管网信息系统的总体功能进行详细的设计，并对系统实现技术进行分析。

1 GIS平台选择

本系统的GIS应用是从基础空间管理、专题应用开始，逐步深化到综合应用、辅助决策，是一个循序渐进、逐步扩展的过程，因此在选择GIS平台时考虑到以下几个因素：(1)体系结构的伸缩性；(2)系统功能强度；(3)系统开放性；(4)系统成熟性。

ArcGIS是美国环境系统研究所(ESRI)在继承已有的成熟技术基础上，整合了GIS与数据库、人工智能、网络技术、软件工程及其他多方面计算机技术，研发的新一代GIS软件，为不同需求层次用户提供全面的、可伸缩的GIS产品线和解决方案[2]。ESRI是GIS领域的先驱者和领跑者，而ArcGIS也代表了GIS软件行业的最高技术水平。ArcGIS的策略是给出一套崭新的应用方式，构造一个数据模型，设计一个完全开发的体系结构，使被广泛接受的ARC/INFO的结构体系和应用得以兼容[3]。ArcGISEngine是ESRI公司在ArcGIS 9版本的基础上推出的一款新产品，它不再是一个终端应用，不包括ArcGIS桌面的用户界面，而是一套用于开发新应用程序的嵌入式的二次开发组件库和工具库。ArcGISEngine面向的用户不是最终的使用者，而是GIS项目程序开发人员[4]。开发人员可以脱离ArcGISDesktop，单独使用ArcGISEngine提供二次开发功能组件包，开发自己的GIS应用程序。本系统采用ArcGISEngine+ArcGISServer作为系统的基础GIS平台软件。

2 系统的总体设计原则

(1)可靠性原则：主要体现在系统数据准确可靠，系统运行稳定，有较强的容错能力和处理突发事件的能力。(2)实用性原则：主要体现在系统要满足校园管理人员对各种地下管线管理的实际要求，并且界面友好，便于操作。(3)系统的先进性原则：主要体现在采用ArcGISEngine基于组件构造应用系统的开发方法,提高了系统的高度模块化与集成性，使软件系统更易于维护和扩展。(4)系统的安全性原则：体现在用软件或硬件方式除去安全漏洞，保证管线数据安全地传输，确保校园管网管理工作正常有序地进行。

3 系统数据库的建立

3.1 空间数据库的建立

空间数据库是面向地学及其相关对象信息的数据库。与通用数据库不同，空间数据库存储的不是传统的数值、字符串这类单一性质的数据，而是借助图形图像表达的、与地理相关的数据类型，即二维、三维等特征的数据。系统的图形图像资料以及与图形图像相关的拓扑信息数据都存储于空间数据库。图形资料主要指校园地形图、校园三维DEM、管线位置图。图形资料包含点状数据、线状数据和面状数据。点状数据由节点和节点特征的标记组成，点由位置坐标定位，线状数据由弧段和弧段特征的标记组成，面状数据由面边界弧段的采样点表示。现有的图形资料都是DWG格式，利用ArcG IS平台的数据转换模块将它们转换为栅格数据和矢量数据格式。栅格数据由规则的矩形栅格构成，每个栅格代表一个像元[5]，空间数据叠加和组合方便，但是图形美观性差，并且数据量大；矢量数据用点序列表示空间实体的边界形状，数据精度高，图形美观，数据量小，但是数据结构复杂。采用栅格矢量一体化的数据结构，进行互补，即在建立空间栅格索引的同时，传统矢量型点线面数据结构也部分采用元子充填形式表示[5]。

3.2 属性数据库的建立

属性数据主要指与空间位置没有直接关系，但是描述实体特征信息的数据，它可以表示实体的类别、等级、数量，也可以表示对实体某一方面特征的统计信息。属性数据的类型主要是数字和字符串。校园地下管网的信息（如管段信息、管点信息、变径点信息、跳出点信息）以及管网上各种附属设施的信息（如阀门信息、消防栓信息、水表信息、调压设备信息、储配站信息等）都是属性数据，存储在属性数据库中。属性数据的录入以手工输入为主，信息来源主要是现存的纸质资料。存储方式主要包含两种，第一种方式是以图形数据的图层为依附，在ArcMap中，利用SHP文件自带的数据库文件进行存储，使用SHP文件中自带的属性数据库，只能够对地物的基本信息进行存储，起到方便查询的索引功能；第二种方式是使用SQL Server关系数据库进行存储。在关系数据库中每一个关系都表现为一张二维表格。

3.3 空间数据与属性数据的关联

建立好的空间地理数据文件通过空间数据引擎（ArcSDE）与SHP文件自带的属性数据库文件关联；SQLServer关系数据库中的属性数据与空间数据通过关键字关联起来。本系统选用ID号作为关键字段，同一个地理对象在空间数据库中的ID号与其在属性数据库中的ID号相同，从而实现了同一对象所有信息的连接[6]，使地理对象具有了意义，为基于空间数据的查询分析奠定了基础。

4 系统的功能实现

本系统主要包括管网管理模块、管网分析模块、三维管网模块。

4.1 管网管理模块

管网的管理模块主要是对于空间数据和属性数据的输入、编辑、查询和输出。管网输入主要应用ArcGis中Edieview控 件 的Edieview.MakePointByKey、Edieview.MakePoint、Edieview.MakeLine By Key和Edieview.MakeLine方法实现。用户可以通过矢量画图的方式输入新增加管线的图形资料，通过文字录入的方式输入新增管线的编号、长度、类型等属性数据。用户对图形信息可以进行基本的编辑，如平移、修改、删除、查询等，同样对属性信息也可以进行修改、查询、删除等基本操作。系统还提供了对图形资料的输出功能，用户可以根据需求裁减底图，选择需要的管网层，关闭其它图层，然后进行打印或图片输出。

4.2 管网分析模块

管网的分析模块主要分析可能发生的事故，以及在发生事故时提供辅助决策，包括检修预警、爆管关阀分析、事故影响区域分析，充分体现了GIS管网系统的优越性。检修预警功能是指系统搜索所有管网部件，按照管网管理条例，对到期检修的管件、超期服役的管件以及维修次数超标的管件发出警告，提示用户检修或更换，并且管理管件的维修和更换记录，便于管理。

爆管关阀分析是指在爆管或低压作业的情况下，用户指定问题管线，系统利用管线的拓扑关系，自动搜索与问题管线相关联的管线和阀门，将应该关闭的阀门显示给用户，在现场关闭困难的情况下，系统可以向上查询，即进行二级、三级搜索，提供多级关阀方案，生成事故抢修单。

事故影响区域分析功能主要是指在管网改建施工以及管网抢修过程中，分析将要受到影响的区域，以便进行警示。该功能利用ArcGIS的缓冲区（Buffer）分析，建立施工管线的缓冲区模型。然后将该模型与其它地理对象，如道路、建筑物、未施工管线等进行叠加分析，得到施工管线的缓冲区模型与其它地理对象叠加的部分，即施工管线对周边环境的影响范围，将其输出，以便及时警示或出台防范措施。

4.3 三维模块

该模块运用虚拟现实技术，实现三维设施数据、管线数据、三维地表数据以及校园景观数据的一体化管理，提供全三维形式系统用户界面，实现三维观察、查询功能，实现三维的缩放、任意角度观察、单管追踪、管道漫游，用户可以在一个虚拟真实的全三维环境中，清晰明了观察各管线的具体走向和属性信息，查看管线与建筑、道路和其他管线的相对位置，实现对校园地下管线的横、纵断面分析、连通分析、上、下游分析等。

5 结语

利用GIS技术先进的空间数据管理和分析功能来构建长春工业大学校园地下管网信息系统，取代传统的人工管理图纸、文档资料的作业方式，实现地下管网数据的信息化、科学化管理，同时，为预防管网事故以及处理突发事故提供了决策的依据。使用该系统，提高了管理者对校园管网管理的效率和质量，为学校的稳定发展保驾护航，使校园建设实现数字化、规范化、现代化、科学化。

[1]柳新华,白萍,周建国.辽宁科技大学管网GIS系统的建立[J].鞍山科技大学学报,2006,29(6):611-614.

[2]马书明,张树深,郑洪波,等.跨界突发性大气污染防范及应急系统设计与实现[J].大连理工大学学报,2013(58):24-28.

[3]党安荣.ArcGIS 8Desktop地理信息系统应用指南[M].北京:清华大学出版社,2003:5.

[4]杨志国,伍彬彬,李群.基于Arcgis Engine下毒气扩散后事故伤害程度等值线的生成与应用[J].中国安全生产科学技术,2011(7):32-36.

[5]乔淑娟,王华,崔阳.城市地下管网地理信息系统空间数据模型研究[J].计算机工程与设计,2006(17):3201-3203.

[6]胡婷,郭秀军,贾永刚.基于GIS的区域工程地质信息系统分析与设计——以山东省公路建设工程地质信息辅助决策系统研发为例[J].测绘与空间地理信息,2008(6)：46-49.