基于Geodatabase的城市地下管线数据模型设计与应用

王雅鹏，张喜英

（1.山西省地球物理化学勘查院，山西 运城 044004）

基于Geodatabase的城市地下管线数据模型设计与应用

王雅鹏1，张喜英1

（1.山西省地球物理化学勘查院，山西 运城 044004）

针对城市地下管线数据的特点以及不同部门管线数据结构不一致问题，利用Geodatabase表达地理空间对象的优势，以地下管线全生命周期为主线，设计了一种基于Geodatabase的城市地下管线统一数据模型，并进行了管线数据库构建的标准化研究，实现了多源异构管线数据的一体化存储，分析了该模型在地下管线编辑建库系统中的应用情况，实现了标准化的管线信息建库和管理，为城市地下管线信息共享提供新的思路。

地下管线；地理数据库；数据模型；数据结构；多源异构

城市地下管线是城市的生命线，是城市基础设施中非常重要的一部分，具有统一性、精确性、完整性和基础性的特点。地下管线种类主要分为给水、排水、热力、电力、燃气、工业和综合管沟管廊等，管线信息的采集形式多样，并且存在于8个不同的部门，每个部门的管线数据结构各不相同，各个部门之间形成了“信息孤岛”，给管线信息化建设和管理造成了极大困难。

近些年来，随着我国现代化城市建设的快速发展，城市地下管线事故层出不穷，造成了很多负面影响，智能化的城市地下管线信息化建设已迫在眉睫[1-4]。城市地下管线信息化就是要充分利用GIS技术来采集、管理、更新和维护城市地下管线数据，开发利用城市地下管线信息资源，促进地下管线信息的交流和资源共享[5]。

不可否认，当前我国城市地下管线信息化建设已经取得了一些可喜成果，但仍存在以下问题[6-7]：

1）信息管理缺乏统一的监督机构，信息化建设缺乏统一规划。

2）资料离散存储、数据不全、准确性差、利用困难。

3）信息资源产权部门化，信息共享程度低。

4）信息动态更新程度比较低，缺少长期有效的机制保证。

5）城市建设发展速度超快，基础设施建设进度跟不上。

针对当前城市地下管线信息化建设中存在的问题，本文提出一种基于Geodatabase的城市地下管线统一数据模型，并进行了管线数据库构建的标准化研究，通过具体实例验证了该方案的可行性。

1 基于Geodatabase的地下管线数据模型

城市地下管线可抽象为管线点和管线线，管线点和管线线之间存在着丰富的拓扑关系。地下管线是环状网和树状网构成的复杂网络，并呈现出“低耦合高内聚”的特性，即同一要素集内管线点和管线线密切相关，而不同要素集间关联性却微乎其微。

Geodatabase模型是ESRI公司在ArcGIS系列软件中引入的一种全新的面向对象的空间数据模型，该模型是对关系数据库的扩展，实现了几何要素和属性数据的无缝整合，可以定义对象和要素之间的关联，支持多用户、长事务编辑，并提供强大的空间分析功能。鉴于Geodatabase模型的诸多优势，不同领域的科研人员和开发机构都对Geodatabase的数据模型进行研究[8-10]。

针对地下管线数据特点和Geodatabase表达空间数据的优势，本文设计了一种基于Geodatabase的地下管线统一数据模型。如图1所示，该模型主要包括管线点要素类、管线线要素类、注记要素类、索引图要素集和要素关联类。

图1 基于Geodatabase的地下管线数据模型

管线点要素类、管线线要素类和注记要素类与传统Geodatabase数据模型中的要素类没有区别，分别把管线点、管线线和管线注记作为单独的要素类进行存储，每种要素类都有各自的属性和空间参考。该模型在传统Geodatabase模型的基础上增加了索引图要素集和关联要素类。

索引图要素集主要针对城市地下管线业务而设计，服务于地下管线全生命周期的各个阶段，包括图幅索引图和任务索引图两种。图幅索引图依据国家分幅标准构建索引图，包括矩形分幅、经纬度分幅和带状分幅3种。任务索引图依据任务来分幅，方便管理人员进行任务分配，了解任务进展情况，有助于外业人员查看自己的任务区域，统计工程各阶段的负责人、任务内容、完成情况等。例如，某燃气部门按派发时间来统计燃气管道的布设情况，工作人员可按派发时间构建任务索引图，并快速生成燃气管道的布设专题图提供给管理人员。

要素关联类是针对管线数据的特征而设计，通过关联类型建立两个不同管线要素类之间的关系（其关联类型为枚举类型，主要包括点-线关联、点-面关联、线-面关联等），可以通过一种要素类快速找到另外一种要素类。例如，通过建立管线点（主要素类）和管线线（次要素类）之间的关联要素类，关联类型为点-线，可以用于管线点线联动编辑，帮助系统在移动管线点要素时迅速找到关联要素集的点并实现联动，可显著提高管线数据的编辑效率。同样可以把管线点和注记要素类建成关联数据类，实现管线点和注记的联动编辑。

基于Geodatabase的地下管线统一数据模型能够实现管线要素信息的统一描述，可以更完整地描述管线信息并服务于地下管线全生命周期。此外，还支持网络数据集、关系类、拓扑和几何网络构建，允许定义管线对象之间的关系和规则，是一种统一、智能的空间数据模型，为城市地下管线数据库标准化设计和地下空间综合信息服务平台建设奠定了基础。

2 城市地下管线数据库标准化设计

2.1 标准化城市地下管线数据库构成分析

基于Geodatabase的地下管线统一数据模型，利用数据仓库技术、海量空间数据存储技术、实体级的空间数据管理技术，通过元数据管理，有效组织空间数据，完成城市地下管线数据库构建。标准化城市地下管线数据库主要包括数据字典、管线对象表、管线注记表和系统表4个大类。

1）数据字典，主要包括管线点作业类型表、管线井盖材料表、管线埋设方式表、管线特征点类型表、管线状态表、管线地面特征状态表、给水管线类型表、给水管线构筑物附属设施表、给水管线规格表、给水管线材质表、排水管线类型表、排水管线附属设施表、排水管线材质表、电力管线类型表、电力管线附属设施表、电信管线类型表、电信管线附属设施表、燃气管线类型表、燃气管线附属设施表、热力管线类型表、热力管线附属设施表、工业管线类型表、工业附属设施表。是对各种管线属性域的一种标准约束，每种约束均按照国家相关标准进行取值。

2）管线对象表，主要包括管线点、管线线、图幅索引图和任务索引图4种类型，基本数据结构如表1所示。

表1 管线对象数据结构表

其中，Fields是不同要素类要创建的属性字段集。对于管线点和管线线，Fields主要创建管线类要素的属性字段集，所有字段均按国家标准创建；对于图幅索引图和任务索引图，Fields则是针对城市地下管线业务而设计。

ExtensionDef是对管线类和索引图类的扩展定义，主要包括基本扩展和本身扩展。通过定义该扩展，可以实现不同部门管线数据结构的统一，以及多源异构数据的一体化表达和存储。

3） 管线注记表，包括管线点注记和管线线注记，在管线数据库中将这两个表单独存储，表结构均按标准设计，与管线对象表一样实现扩展定义，便于一体化存储。

表2 管线要素类表

4）系统表，此表是为满足标准地下管线数据库的管理需求而创建，包括管线要素类表、关联要素类表。管线要素类表（表2）是当前数据库所有管线对象的目录，通过该目录可以快速获取管线对象的类型信息及扩展信息；关联要素类表（表3）存储了存在关联关系的管线对象的信息与关联类型，例如燃气管线点与燃气管线线2个对象之间必然存在相关关系，当燃气线的位置信息发生改变时，燃气点的数据必将发生改变，建立二者的关联关系有利于数据编辑、数据质量检查、数据打包等后续操作。

表3 关联要素类表

2.2 技术创新

在设计标准化管线数据库的过程中，如何实现对各要素类的扩展定义是一个技术难点。结合Geodatabase本身的可扩展性，首先对管线数据库本身进行扩展标记，然后对管线数据库里的要素类进行扩展标记。对要素类进行扩展标记的实质是一个映射过程，这种映射是利用XML技术将系统所需的字段与管线对象的字段进行对应，这样用户在不修改管线对象的属性字段的情况下就可以畅通无阻地在系统中使用管线对象。表2中的GSDefinition里面即存储了不同管线要素类的扩展定义。以管线线扩展为例，扩展定义方法如下：

GSDefinition

"＜?xml version=""1.0"" encoding=""utf-8""?>＜GSClassExtensionBaseDef xmlns：xsi=""http：//www. w3.org/2001/XMLSchema-instance"" xmlns：xsd=""http：//www. w3.org/2001/XMLSchema"" xsi：type=""GSPipeLineExtensionDe f"">＜Version>1.0＜/Version>＜ClassExtensionType>PipeLine＜/ ClassExtensionType> ＜IsRecordTime>true＜/IsRecordTime>

＜CreatedFiledName>调查时间＜/CreatedFiledName>

＜UserFieldName>调查人员＜/UserFieldName>

…..

＜StartNoFieldName>起点作业编号＜/StartNoFieldName>

＜EndNoFieldName>终点作业编号＜/EndNoFieldName>

……

＜DiameterFieldName>管径＜/DiameterFieldName>

＜BuryMethodFieldName>埋设方式＜/BuryMethodFieldName>

＜/GSClassExtensionBaseDef>"

将上述扩展定义以XML格式存储于系统表中，可以解决多源异构数据的字段匹配问题。

3 在地下管线普查入库中的应用

城市地下管线普查入库是一个非常复杂的过程，不同的部门有不同的普查方法和数据格式，即使同一个部门在不同的时期也可能采用不同的数据格式，这样就会产生管线信息的资源冗余，增加管线编辑入库的难度。通过系统提供的批量注册工具，注册本文设计的标准化管线数据库，可将不同数据源的数据结构与标准化数据结构一一对应，实现不同部门管线数据的一体化存储和管理。

管线数据模型中的要素关联类是专门针对管线数据类型而设计，在管线编辑入库的过程中，通过添加可能存在联动关系的图层之间的关联关系，可以快速实现管线的一些基本操作。例如关联电力管线点和电力管线线图层后，当电力点图层中点移动时，电力线图层中的线也会随之移动，实现了地下管线数据在编辑过程中的点线联动。图2a为点移动前示意图，图2b为点移动后示意图，这种方法实现了基于要素层次的点线联动，提高了地下管线数据的编辑效率。同样，通过设置管线点注记与管线点的关联关系，在管线扯旗和编辑管线点时实现扯旗注记与管线点注记的联动。

图2 关联后点移动示意图

当有了上述的关联关系后，可以快速进行关联质量检查。关联质量检查主要检查外业勘察的管线点坐标与真实坐标是否吻合，管线线的起点作业编号和终点作业编号是否与管线点的作业编号相一致。如图3所示，通过设置给水管线点和给水管线线的关联关系，可以快速进行关联检查，当出现错误后，系统提供编辑工具方便用户修复错误。比如管线方向转向时可以快速修改方向，以及在转向的同时快速转换属性等。实际应用证明，关联质量检查能显著提升管线质量检查的效率。

图3 地下管线关联信息质量检查

4 结 语

利用Geodatabase构建的地下管线数据模型实现了管线要素信息的统一描述。以管线全生命周期为基准进行城市地下管线数据库标准化构建，促进了管线信息共享，实现了多源异构管线数据的一体化存储。管线信息系统功能基本一致，数据库结构基本相同，开发平台趋于标准化，实现了管线信息的交流与共享。下一步将继续完善城市地下管线信息共享平台建设，为城市规划设计和建设管理提供地下管线信息，降低地下管线数据更新成本，提高市民对地下管线事故处理的满意度，提高信息化管理水平和工作效率。

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P208

B

1672-4623（2016）08-0084-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.028

王雅鹏，硕士研究生，主要从事测绘工程、地理信息系统等方面的开发与应用研究。

2015-09-17。

项目来源：四川省应急测绘与防灾减灾工程技术研究中心开放基金资助项目（K2015B014）。