城市排水管网测绘及信息系统设计与实现

李瑞宗 张孟山

（海南地质综合勘察设计院 海南海口 570206）

1 引言

城市排水管网信息系统的建设作为城市的基础设施建设项目，对城市的健康发展具有重要作用。城市排水管网的布设、管理是城市规划建设与管理的重要内容[1]。目前我国城市管网管理仍然比较落后，主要是因为城市管网种类繁多、形式复杂，再加上城市规划的落后，使得城市排水管网需要不断的布设、修改、增加。在挖掘施工过程中，往往是在没有城市管线现势图的情况下进行的，使得城市管网在施工过程中遭受了不同程度的损坏，给城市人民的生活和生命财产造成了严重的损失[2-5]。

随着我国城市规模的迅速扩大和人口数量的剧增，排水管网等基础设施已不能满足新时代的发展需要。因此，我们亟需运用先进的测绘技术、计算机技术等，获取城市管网数据，并且建设一个具有城市排水管网数据采集、信息化管理、实时监控为一体的城市排水管网信息系统，实现对排水管网的信息化管理和管线数据的可视化显示，这也是实现智慧城市的重要组成部分。

2 城市排水管网的调查与绘制

依据中中华人民共和国的《城市地下管线探测技术规程》城市管网分为九大类，即排水、给水、人防、工业、电信、燃气、热力、综合管沟、电力等，上述大部分管线都埋设在地下，构成了错综复杂的地下管网网络。城市地下管网种类繁多、形式复杂、管线敷设时间跨度大，因此需要不断地对管网进行更新和维护。对与管网相关的各类数据进行更新、维护时，需要具备数据收集、数据分析、数据处理与成图的一体化能力，使用户可以灵活实现对城市管网进行更新。

2.1 数据收集

在管线测量时，需要精确地测定地下管线的空间位置、走向、埋深、属性（类型、管径、管高、时间、单位等）[6]，统一采用CGCS2000坐标系。城市排水管网的调查一般以1：100的地形图作为底图，根据城市管网分布的情况对城市地下管网的测绘和调查，测绘和调查时应详细绘制城市地下管网现势图和记录调查表，供管线数据化、属性录入、整理成果时使用。各种管线的交叉点、转折点、分支点应全部调查。部分交叉点、分支点需要开挖，并详细记录。管线的编码严格按照区号+管线类别+管线号+节点号。

城市排水管网的测绘，首先进行控制测量和引控制点，然后对城市排水管网进行联测，编制排水管网的现势图，供管网信息化平台使用。为了方便城市排水管网的数据获取，运用全站仪和RTK（Realtime kinematic，实时动态）采集外业数据，内业人员需要对测量成果进行严格的数据分析[7]。利用RTK需采集和人工记录的外业数据主要有：

（1）铁路、道路、居民地、水系、城市绿地、注记、行政界线等基础数据。

（2）雨水管线点、雨水管线线、雨水管线注记、污水管线点、污水管线线、污水管线注记、雨污合流管线点、雨污合流管线线、雨污合流管线注记共9项排水管网数据。

（3）排水系统、检查井、排水管、排水渠、排放口、排水泵站、闸门、阀门、易涝区域、城市受纳水体（河道）、河道桩号、城市受纳水体（湖泊）、管线点、污水厂、排水户共15项专题数据。

（4）排水管网网格、在线监测点、在线监测视频、电子井盖、排水管点健康度、排水管线健康度共6项排水设施管理数据。

（5）接口业务数据和其他业务数据等排水业务数据。

2.2 数据分析

排水管网数据分析是指数据管线探测采集后，由数据处理生产软件生成的管线数据，经过一定的工序后导入到数据库中。在实际生产中，管线数据必须经过严格的数据分析和质量检查后方能入库。一般来讲，数据分析要经过“数据转换→数据整理→数据编辑→数据检查→导入数据”等几个反复的过程才能满足系统中管线数据的生产质量和要求。数据分析采用程序自动分析与人工分析相结合的分析方式：（1）程序分析，针对不同的数据对象编写对应的检查程序实现自动化的分析方式；（2）人工分析，把数据成果与数据库设计资料进行人工比对，弥补程序没有办法分析的内容。数据分析和数据质量检测流程如图1所示。

图1 数据分析和数据质量检测

2.3 数据处理与成图

在绘制管线图前，先对外业数据进行数据分析，然后按照数据库存储要求，建立管网空间属性数据库，满足排水管网数据的存储、编辑、处理、分析等功能。最后利用GIS软件实现城市排水管网的可视化显示与管理[8]。数据处理作业流程如图2所示。

图2 数据处理作业流程

3 系统架构

城市排水管网信息系统管理平台涉及数据自动采集技术、数据库技术、GIS技术、中间件技术、Web技术、视频技术、排水模型技术以及系统集成技术等，是一个具有分布式、管网复杂的系统。在搭建城市排水管网信息系统过程中，部分专业应用模块需要强大的实时操作和复杂的逻辑分析功能支持，如管网的编辑和数据更新维护，拓扑检查，这比较适合于采用C/S体系；而部分应用功能需要更广泛的人使用和共享，如管网数据的发布和查询，这比较适合采用B/S体系[9-10]。因此，系统体系根据应用的具体要求选择C/S和B/S相结合的方式构建，这样既可以满足复杂功能的开发和使用要求，又可以尽可能在网络上共享数据和功能[7]。平台总体框架设计主要分为基础层、数据层、服务层、应用层。城市排水信息系统总体框架如图3所示。

（1）基础层。基础层即通过传感网络获取环境信息。要实现信息化的城市排水管网管理就必须要建设物联网，而基础层是物联网的核心，是信息采集的关键部分。涉及到的感知设备包括巡查终端、视频探头、北斗定位设备、电子标识等。数据的野外采集需要通信网络和北斗导航地位系统的支持[8-9]。

图3 城市排水信息系统总体框架

（2）数据层。数据层是数据存储、交换、处理中心，负责各类数据分类存储，接收基础层的数据处理请求，进行数据更新处理。数据类型包括矢量地图、影像地图、地下管网、属性信息数据等。

（3）服务层。服务层即建设所需的信息平台，包括地下管网的数据编辑、查询、统计、接口等。

（4）应用层。应用层涉及的业务应用主要包括排水管网设施施工管理、排水管网中心业务综合管理、排水管网数据维护管理、平台运维管理、平台与外系统数据接口管理。

4 排水设施信息化平台关键技术

4.1 地理信息系统（GIS）平台

地理信息系统（Geographic Information System，GIS），是在计算机硬件和软件支持下，科学管理综合分析那些表征地理环境的空间数据，以便对规划、管理、决策和研究提供所需信息的系统[12]。系统采用ArcEngine进行组件式开发，利用GeoDataBase存储道路、居民地、水系等基础数据，雨水管线点、雨水管线线、污水管线点等排水管网数据，排水管、排水渠、排水泵站等专题数据和地形图等数据，通过ArcSDE空间数据引擎实现对各类空间数据的访问，着重承担城市排水管网的数据输入、数据处理与分析、可视化分析等。

4.2 多尺度和无比例尺的空间地理信息库

空间地理信息基础数据库包含多种比例尺的地形图和影像数据。在空间基础数据库设计中，比例尺的概念对用户是透明的。一般地，系统根据当前的窗口视野范围，自动调用和显示相应比例尺的数据；用户也可以选择任意范围按要求输出某一比例尺范围的任意比例尺地图。在数据库中没有地图比例尺的概念，从而建立了无比例尺和多尺度城市空间地理信息数据库。

4.3 数据库技术

城市地下管网数据和城市空间地理信息数据属于大规模海量数据，通过对比在对国内外主流关系型数据库，选择了高稳定性和高可靠性，并和GIS平台无缝结合的Oracle数据库平台[13]，能够实现空间属性数据的高效一体化存储和管理，支持多用户同时操作，高效准确的空间索引机制，分布式多层应用程序体系结构，高度可控的查询能力，安全高效的管理能力。

5 系统实现

本文以福州市的排水信息系统为例，进行实践验证。该系统能够实现城市排水系统的动态监管、预警预报和信息化管理的目标，将平台架构归纳为“一张图、多种应用”，一张图即平台建设统一的底图，提供一整套专为排水信息交互及数据管理的地图服务，为各个排水业务信息化管理系统提供可视化的支撑。

城市排水信息系统如图4所示。城市排水信息系统的24个子系统分别为不同的使用对象服务，对象范围包括排水管理上级主管部门、供排水管理中心、具体实施排水工作的单位和社会公众等。系统从排水管理专业出发，用先进的智能感知、GIS、时空定位技术，改变了原有排水设施管理工作模式，提升了管理工作水平，并且各个系统摆脱了传统排水管理系统间孤立运行的模式，实现了系统间互通合作和重要信息的快速网络传递，进一步提升了排水管理工作效率。

排水设施运维管理如图5所示。系统提供年月日的任务报表、计划、考核和查询，实时监测任务的类型、任务办理人、操作流程、操作记录和地图实时定位与显示，可以有效为排水管网提供动态管理、实时动态监测的目的。

图4 城市排水信息系统

图5 排水设施运维管理系统

6 结束语

随着智慧城市建设的投入，城市地下管网作为城市发展的血脉，在城市日常安全建设具有不可忽视的作用，因此，研究和开发城市排水管网信息系统具有较强的现实意义。本文综合运用计算机技术、网络技术、地理信息系统技术、导航定位技术，基于ArcEngine组件式开发了城市排水管网信息系统。该系统着重顾及系统平台之间、功能之间的无缝连接、按需添加，为今后的系统功能扩展和集成留下了扩充余量，使系统能够保持一定的先进性、扩充性、稳健性。

本文提出的系统建设方案与建设思路，为实现城市地下管网信息化管理提供了合理的参考与借鉴，目前，该系统已经成功在福州市进行实施，这将丰富和完善城市排水管网信息系统的理论架构和实践积累，并带来了较好社会效益及经济效益。