基于Geodatabase的城市地下电力管网数据库建设

吕卫民　白晓龙　褚衍林

【摘 要】随着城市地下电力管网设施的建设数量逐年增加，目前的电力管网数据管理手段跟不上电力管网发展的需求，传统的数据管理方法容易造成电力管网资料管理混乱、数据残缺。建立新型的基于Geodatabase的城市地下电力管网数据库，有助于提高数据管理的质量，为基于GIS的数据管理系统的建设提供支撑。

【关键词】Geodatabase 地下电力管网 数据库建设

【Abstract】With the construction of urban underground power pipe network facilities， the existing data management methods can not keep up with the development of power network， The traditional data management method is easy to cause the chaos of the power network data management and the incomplete data.the establishment of a new type of urban underground power network database based on Geodatabase， improving the quality of data management， to provide support for the construction of data management system based on GIS.

【Keywords】Geodatabase ； Underground power network； Database construction

城市地下电力管网主要呈立体交叉网状分布，在地下构成了一个复杂的空间体系，具有分布集中性和不可见性的特点。传统人工档案管理模式应用到电力管网接线复杂，电气设备众多的情况，既不能正确表达设备拓扑关系，同时信息冗余度大，且数据维护不便，更新周期长。本文通过建立基于Geodatabase的城市地下电力管网数据库，将几何拓扑分析和网络拓扑模型有机整合为一体，为用户提供了方便快捷建立数据库的方法，通过该数据库有效管理电力管线数据，为城市地下电力管网的GIS应用系统提供了坚实的基础。

1数据准备

1.1数据分析

城市地下电力管网的空间数据涉及到建设局、规划局、城建档案馆、路政等多个管理部门以及水务、电力、通信、消防等主管部门，还有煤气公司、电信、移动、联通等各管线专业公司等[1]，具有综合性强、涵盖面广的特点。目前电力管网空间数据来源于地图和文档数据，具体包括：

1.1.1图形元素

指可以抽象的描述现实世界中物体位置的元素，包括数字制图中的点、线、面状要素。

（1）点要素：点要素是有特定的位置，维数为零的物体：包括单位标志（高层建筑、医院、学校、一般单位、政府部门和公安局派出所这些地标性的物体）和管线节点。

（2）线要素：线要素是GIS中常用的维度为1的空间组分，表示对象和它们边界的空间属性，由一系列坐标表示：包括电力管网，地图网格。

（3）面状要素：面状要素也称为多边形，是对湖泊、河流、地块一类现象的描述，通常在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，包括建筑物（指在图上有平面形状的建筑物）、小区、水域（江湖河）面和城市区划。

1.1.2要素注记

按照相应的标准标注在特定位置的文字，用于说明上述图形元素的名称。

1.1.3属性信息

是表示单个的图形元素主要属性特征的信息。

1.2数据构成

1.2.1地理数据库

ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台，地理数据库（Geodatabase）是 ArcGIS 的原生数据结构，并且是用于编辑和数据管理的主要数据格式，是一套获取和管理GIS数据的全面的应用逻辑和工具。

Geodatabase是ESRI公司在ArcGIS 8引入的一个全新的空间数据模型，是建立在关系型数据库管理信息系统之上的统一的、智能化的空间数据库。它是在新的一体化数据存储技术的基础上发展起来的新数据模型[2]。实现了Geodatabase之前所有（包括Coverage＼shape）空间数据模型都无法完成的数据统一管理，即在一个公共模型框架下对GIS通常所处理和表达的地理空间特征如矢量、栅格、TIN、网络、地址进行同一描述。同时，Geodatabase是面向对象的地理数据模型，其地理空间特征的表达较之以往的模型更接近我们对现实事物对象的认识和表达。

1.2.2数据组织

地下电力管网数据主要有矢量数据和栅格数据两种类型，矢量数据结构用点串序列来表示空间实体的边界形状和分布； 栅格模型由规则的正方形或矩形栅格组成，每个栅格代表 1个像元，栅格数据结构实际上就是像元阵列，像元由行列号确定它的位置。这两种数据的组织方式为：

（1）矢量数据。矢量数据的逻辑存储是由要素类和要素数据集进行。要素类是具有相同空间制图表达（如点、线或面）和一组通用属性列的常用要素的同类集合，常用的三个要素类分别是点、线和面，相关联的要素互相组织起来，成为要素数据集。

在同一几何网络中充当连接点和边的各种要素类，必须组织到同一要素数据集中。地下电力管网中，有各种管道节点、管网段，它们分别对应点或线类型的要素类，将其全部纳入地下电力管网模型中去，这些要素类须放在同一要素数据集下。对于共享公共几何特征的要素类，如：用地、水系、行政区块等。为保持公共关系不变，将这些要素类放到同一个要素数据集中。

（2）栅格数据。影像和栅格数据通常以原始格式进行存储，这些数据集和数据集的集合通常非常大，因此，拥有良好的管理功能至关重要。

在三种存储栅格数据的方法（存储为文件系统中的文件、在地理数据库中进行存储，或者从地理数据库中进行管理而存储在文件系统中）中，选择将数据存储在在地理数据库中以栅格数据集的形式提供使用。栅格数据集是存储在磁盘或地理数据库中的任何栅格数据模型，它是构建其它数据集的最基本的栅格数据存储模型[3]。栅格数据集可以是组织成一个或多个波段的任何有效的栅格格式。每个波段由一系列像素（单元）数组组成，每个像素都有一个值。采用ArcGIS 支持的栅格数据集文件格式，主要为TIFF格式的数据进行存储。

2 数据库设计

2.1概念模型设计

2.1.1 POLYVRT模型

建立电网管线概念模型，采用POLYVRT模型（POLYgon conVeRTor--多边形转换器）作为城市电力管网拓扑关系模型的模型基础，POLYVRT模型是一种以弧段（有序的坐标集合，用于表示在给定的比例尺上窄到无法表示为面的地理要素）为基础的拓扑数据模型[4]，在POLYVRT模型中，弧段是由任意多个点构成，每个弧段是通过建立了一个连续走向点的目录表来生成的，弧段具有特定的属性信息，弧段由多个点状实体来描述；管线是由任意多个弧段构成，每条管线是通过建立一个连续走向弧段的目录表来生成的，管线具有特定的属性信息，管线由多个弧段实体来描述。这种结构不仅存储了图形元素的几何信息，而且还存储了图形元素之间的拓扑关系。

2.1.2数据基类

城市电力管网数据基类由电力管网基类和电力管网要素属性信息基类构成，电力管网基类，这个类里封装了所有空间位置信息的数据以及对这些数据的操作；电力管网要素属性信息基类，这个类里封装了所有空间属性信息以及对这些属性的操作。

（1）电力管网基类。电力管网基类包含点状实体、线状实体、面状实体和特征点三类数据（参见图1）。点状实体由节点和指明节点特征的点标记组成，节点由包含x（精度值）、y（纬度值）和z（高程值）字段的几何坐标构成；线状实体由弧段和指明线特征的线标记组成，弧段由一系列节点组成，线特征标记由几何坐标和文本信息标注组成；面状实体由多边形和指明面特征的面标记组成，多边形由一系列弧段组成，面特征标记由几何坐标和文本信息标注组成。其中特征点由点标记、线标记和面标记构成，点标记除包括点状实体的文本信息标注外还包括单位标志文本信息标注；线标记除包括线状实体的文本信息标注外还包括地图网格文本信息标注；面标记包括建筑物、小区、水域面和城市区划的文本信息标注。

（2）电力管网要素属性信息基类。电力管网要素属性信息基类包括，点状实体属性、线状实体属性、面状实体属性和特征点属性（参见图2）。实体属性存储各要素实体的主要属性信息，能够准确的描述各要素实体的属性特性。电力管网要素属性信息基类所包含的属性参见图3。

2.2数据匹配

数据库的建设需要将概念模型中的实体转化为ArcGIS中的数据模型，这个转换的过程主要考虑各实体的自身特征和数据模型额匹配关系，制定匹配规则进行匹配。

2.2.1数据模型

地理数据库是为了更好的管理和使用地理要素数据，而按照一定的模型和规则组合起来的存储空间数据和属性数据的容器。地理数据库是按照层次型的数据对象来组织地理数据的，这些数据对象包括对象类（Object Classes）、要素类（Feature Classes）、要素数据集（feature dataset）。对象类是指存储非空间数据的表格（Table） 。在Geodatabase中，对象类是一种特殊的类，它没有空间特征。要素类是具有相同几何类型和属性的要素的集合，即同类空间要素的集合。要素类之间可以独立存在，也可具有某种关系。当不同的要素类之间存在关系时，我们将其组织到一个要素数据集（Feature dataset）中。网络数据集包含简单要素的源要素创建而成，而且存储了源要素的连通性，网络数据集可作为网络分析的基础。ArcGIS中的数据关系见图4：

2.2.2匹配规则

地下电力管网要素与Geodatabase 元素匹配，就是将概念模型中的对象与Geodatabase 中的元素互相匹配。将电力管网数据基类进行扩充，建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点实体的数据类。地理实体是描述地理地物的最小单位，地下电力管网中描述的地理实体包括电力管网、电力管网网段和电力管网结点三类地理实体，为了描述这三类地理实体，利用ArcGIS中提供的地理数据库（GeoDatabase）和网络数据集（Network datasets）以及Polyline、MapPoint、Polygon三种类型的数据类型，在电力管网数据基类的基础上建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点地理实体的几何信息类库，以此类表达地理实体类，这些地理实体类就具备了这些实体类为我们提供的各种实体显示、编辑功能，匹配规则如图5。

2.2.3 属性扩展

ArcGIS中提供的地理数据库（GeoDatabase）定制要素各自的行为和方法，以及要素之间的确认规则、连接规则和空间关系，并且生成集合网络，电力管网段数据和电力管网节点数据既是空间数据，又是网络数据的重要组成部分，是最为核心的数据，电力管网段数据扩展后的属性表见表1和电力管网节点数据扩展后的属性表见表2。

2.4拓扑验证

拓扑验算是对电力设施空间数据模型拓扑关系的检查，是构建电力管网拓扑连通模型的前提，城市地下电力管网拓扑连通模型以电力设施空间数据模型为基础，以面向对象的方式表达电力设施[5]。电力管网拓扑模型的建立是电力管网分析的前提和基础，合理的拓扑表达可以完整存储电力管网拓扑信息，快速灵活的进行电力管网分析与计算。通过几何拓扑关系验算，可建立起正确的电力管网几何拓扑模型。

2.4.1中心线验算

电力管网中心线表示现实中的电力管网数据，采用抽行扫描的方法提取出电网管线段中心线的特征点，并进行直线拟合，确定以管线的方向偏差、位置偏差和方向偏差的变化率为中心线提取的参数，该识别方法具有较高的准确度和实时性。主要利用ArcToolBox中的制图工具下的制图综合中的提取中心线工具，设置相应的管道宽度和最小宽度后生成中心线。

2.4.2结点验算

电网管线结点的合并主要是将一定容差内的点进行合并，以保证结点位置的唯一性；节点合并的合并主要使用高级工具中的概化工具，设置最大允许偏移量，该值限制处理后的结果图与原图最大的偏移量，可对管线节点进行合并，使节点达到理想的分布。

2.4.3线拓扑检查

电网管线段几何拓扑验算，主要在判断两条电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的交叉程度在某一规则限定的误差内则不认为它们的位置关系为交叉，反之则它们的位置关系为交叉。主要利用检查拓扑中的不能自相交规则，可对自相交的位置进行标识，便于判断和修改数据使用。

2.4.4点拓扑检查

电网管线段与电网管线节点几何拓扑验算，主要在判断电网管线节点与电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的覆盖程度在某一规则限定的误差内则认为它们的位置关系为覆盖，反之则它们的位置关系为非覆盖，针对非覆盖的情况需要调整节点或者线段的位置，使电网管线段覆盖所有电网管线节点。主要利用拓扑检查中的端点必须被其他要素覆盖的规则进行检查，对生成的拓扑结果进行查看和修改修改。

3结语

本发明从目前电力管线现状出发，对空间数据库建设方式进行研究，提出城市地下电力管网的数据库建设的方案，可面向电力系统各种应用的，正确表达电力设施之间拓扑连接关系。实现完整存储电网拓扑信息，为快速灵活的进行电网拓扑连通性分析与计算提供保障，为相应的GIS图形管理平台提供数据支撑。

参考文献：

[1]胡海柯，吴荣兴.当前城市地下电力管线的建设问题[J].地下空间与工程学报，2011，（第S2期）.

[2]雷秋良，张继宗，岳勇，罗春燕，孙福军.GIS技术在非点源污染研究中的应用进展[J].土壤通报，2008，（第3期）.

[3]杜红悦，刘先林，宫辉力.基于ArcSDE的空间数据综合管理系统设计与实现[J].测绘科学，2009，（第5期）.

[4]李金平，薛泮成，孟祥来.城市地下管网信息系统设计与实现[J].测绘工程，2004，（第4期）.

[5]曾祥辉，宋玮，邓健，杨以涵.面向对象的电力图形系统的分析和设计[J].继电器，2004，（第5期）.

作者简介：吕卫民（1979—），男，山东烟台人，本科学历，工程师，国网山东省电力公司烟台供电公司，主要从事配电网规划和项目管理工作；白晓龙（1986—），男，山东日照人，本科学历，工程师，山东鲁能软件技术有限公司，主要从事电网GIS研究工作。褚衍林（1987—），男，山东枣庄人，本科学历，工程师，山东鲁能软件技术有限公司，主要从事电网GIS研究工作。