地理信息系统(GIS)在管线工程设计、施工中的应用

刘磊 山东省邮电规划设计院有限公司

1 常规设计施工方式

通信管线项目是配套建设的工程，是通信项目中最为复杂的建设项目，并且随着工程建设要求的不断提升，通信管线的施工需要具备更快的速度与更短的建设周期。此外通信管线的建设需要沿途进行大量勘测调研，绘制草图有很大的工作量，并且目前普遍缺少可视化的管理平台。在编制设计阶段，由于缺少信息化工具的支持，制图以及编制阶段面临很大的工作量。尤其是在通信建设欠发达的地区，会出现资源匮乏，路由不熟悉，参考物坐标不明显等问题，在设计交底以及配合验收阶段缺乏直观性、可视化及整体性。

2 GIS系统与传统方式优势对比

GIS即地理信息系统，又称地学信息系统，是一种管理地理数据的系统，该系统可以将地理环境中的各项要素及地理空间的主要分布等进行收集分析，并且利用计算机技术等将其建立为数据库。奥维互动地图是由北京元生华网公司开发的基于GoogleAPI、BaiduAPI、SogouAPI的跨平台地图浏览器，支持iOS(iPhone、iPad)、Android、Windows、WindowsPhone、Web 五大平台。与传统的踏勘选线流程相比，奥维地图移动终端踏勘选线技术具备有如下优势：

(1）奥维地图移动终端踏勘选线技术将现阶段使用的googleearth地图、百度地图、搜狗地图、opencycle等高线地图等离线下载、野外导航、手机地图位置分享、GPS记录轨迹、AutoCAD上调线等不同软件和设备的功能统一整合到奥维地图界面下。

(2）奥维地图移动终端踏勘选线过程中完全摒弃地形图，不再需要在踏勘选线阶段就大量购买管道沿线周边大地理范围的1：5万、1：1万等地形图，既省去了购置无用地形图的费用，又避免了纸质地形图出现的老旧，购买周期长，更新地物不及时的缺点，完全利用奥维地图中的数据进行选线，在完成选线工作的同时也保证地形图只在内业阶段使用，不进入野外作业过程，防止国家测绘成果的泄密。

(3）奥维地图移动终端踏勘选线技术省去了纸质图上作业和电子数据编辑之间繁琐的数据矢量化工作，将外业工作与内业工作全部落实在奥维地图这一平台之上，抛开了纸质图作业这一过程，大大简化工作量，提高工作效率。

(4）奥维地图中的遥感图数据的时效性非常强，数据均为2005年以后的航天遥感数据，交通图对道路情况的变化更新非常及时，这对踏勘人员在野外辨识地物、寻找线位、计划踏勘路线都有非常大的帮助。

(5）奥维地图软件在移动终端上操作快捷简便，所有现场的路由方案变更均可以在即时即地完成保存，地方有关部门给出的意见也可在与其结合过程中即时记录，对路由的准确性、合理性提供了保证，提高了选线工作的质量。

(6）奥维地图软件可在多种硬件终端上使用，所需要的硬件设备仅仅是一款笔记本（仅用于内业数据整理）和一台平板电脑或者智能手机（野外踏勘选线用），这种电子终端携带和充电都非常方便，比起携带大量的图纸要轻便的多，减轻了野外选线工作的负担。

(7）奥维地图移动终端踏勘选线技术具备记录航迹功能，在野外行车期间可直接减少走错路、走回头路等情况，提高了踏勘效率，节省工期，降低人力、物力消耗。

3 GIS系统及在管线工程中的应用

3.1 GIS在测绘工程中的运用

(1）数据采集

GIS的数据采集系统与传统方式存在许多不同。它不再需要对测量目标进行实地测量，利用新技术对于目标的地理信息进行采集，在计算机内建立一个关于地貌与地表物体信息的模型数据库，在将这些数据进行合理的分类管理。通过这样的手段，有两点主要好处：

1）降低了对于人工的依赖，通过计算机可以更加高效的完成任务；

2）较少了外部因素的干扰，提高了测绘的精确性。但是GIS并不是独立运作的，它需要GPS系统进行定位配合，将卫星定位数据传输回系统内部，进行科学处理。并且在GIS平台中，各个平台之间不但自配产设备，且各个平台传感设备之间的数据可以互通，并且是一致的处理平台上进行处理，体现了网络时代的优越性。

(2）数据转换与处理

GIS的数据转换与处理属于预处理数据，处理方法是借助数据处理软件。GIS的软件可以识别各种类型的数字之间的联系，并实现空间实体的连接。GIS数据处理较为复杂，而最重要的是要确保数据拓扑正确，在此基础上才可以进一步完成对其他向量数据与类向量数据的分析。传统数据转化中，测绘出现的交叉点会存在较小的错位现象，准确性难以保证。此外在测绘地图上如果出现污点，其测绘结果的GIS在测绘工程中的运用误差性就更大了。而对于这种情况，GIS可以较好处理，这是基于其的污点自动处理功能，会自动排除干扰因素的影响。在最终由GIS将地理信息数据转化为空间模型，在有技术人员进行分析模拟。

(3）数据精细测量

在进行实际数据测量时，GIS使用电子设备进行数据自动测绘，技术人员只需要对测绘系统参数设置合理，读数与操作误差可以大致消除。对于测绘精度，主要依赖于卫星定位技术精度，而目前已经达到较高水平，对目前的精度要求可以忽略。并且，通过在测绘点之间设置回路，操作人员设置检测的标准，通过对比分析，在各个测试点回馈的差异数据中进行进一步检测，这使得GIS在现代测绘中得到广泛运用，测绘成果有很强的可信度。

(4）空间系统分析

GIS系统最为核心的功能是对于空间三维物体的分析。由于环节的复杂性，以及涵盖多种知识、多种学科，它具有很强的技术性，需要专业的操作。其中，需要考虑的学科知识有工程的经济性、物理力学性能考量以及最关键的地理学知识。空间分析是在远程测绘数据的基础上进行科学整合，建立合理完善的空间模型。建立地理信息系统的模型比较复杂，但由于其操作简单，智能化，得到了广泛的认可，GIS在工程中的经济效益和社会效益显著，为工程测绘打下了坚实的基础。

(5）立体式输出

GIS的一大优势还体现在立体式输出，这就解决了传统测绘工具在对于测绘工作后期的数据处理的巨大工程上。首先GIS有性能良好的内置软件，可以绘制较为精准的前期图纸，而这一步在传统的绘制工程中往往耗时巨大，并且由于数据对比复核的问题，时间消耗还会成倍增加。并且，利用GIS还可以外接一些功能强大的绘制软件，便捷高效的绘制高质量的精准图纸。除了输出较为直观精确的三维地理信息图样之外，还可以利用一些其他外接软件，将输出的数据进行更进一步的处理，在测绘图外还可以生成详细的数据分析报告，对于测绘工作的后期复核分析带来较大的便利。

(6）虚拟现实应急应用

虚拟现实技术是在3D绘制方法的基础上进行更进一步提高的新型测绘技术，在原有直观视觉模拟的基础上，还加入了对于其他感官体验的模拟，如触觉、听觉等，将测绘点的事物状态直接传输到远程处理平台。这样数据模拟的形式为许多领域的发展带来了新的方向，通过身临其境的感官体验可以实现远程方案的规划，例如对于一些自然灾害的救援计划设置，在以往只能依靠地形图、灾害数据进行方案制定时，难免出现一些未曾考虑的突发状况，但是通过虚拟现实技术，可以更加高效的为人群规划逃生路线，实时观察灾害的变化情况，这对于未来的抢险救灾有着极为重要的意义。此外虚拟现实应急技术与其他技术相结合还可以应用于灾害模拟、科教等等领域，实现更多实用的功能，比如通过集成室内定位系统以及GPS，在虚拟现实场景中将救援人员的定位信息显示出来，以便制定救援方案指挥救援；同时通过物联网中的视频监控，查看实时视频信息，以深入了解现场的实际情况。

(7）测绘应急数据快速处理技术

测绘应急数据，在得到原始数据后，可以通过一系列加工处理软件，在紧急情况下得出较为准确的三维测绘图像。在这一技术中，遥感影像一体化测图系统以摄影测量技术为基础，从序列影像中，确定物体的大小、形状、位置信息，从而加快对全景图的处理，加速对关键地物的数据提取，最后通过符号化、地图整饰以及注记得到应急图件。

3.2 GIS在长途干线光缆项目中的应用

(1)初步勘测中GIS的应用

以往勘测光缆路由所用到的工具一般都是一些标杆、大旗、测绳、地图、测距仪、记录本等，不管是在财力、物力还是人力上，都耗费巨大。而且一旦遇上水草地、冲沟及沙漠等复杂地形，这些工具极易丢失。而如果在路由勘测时使用GIS，则上述问题就不会存在，一两个人就可以完成勘测工作。如果初测是在野外进行时，首先对地形地貌和地质条件等情况进行分析，在地图上初步选定路由。其次，从路由上选取一些直线段点，并将其经纬度输进GIS，且编进同一条路由。最后，对这些点使用GIS导航功能进行实地勘测，对地质情况做好相应的记录，对标桩号、航点进行准确记录。其具体操作方法就是在开始的的地方，将GIS打开，同时将航迹记录功能开启，保持GIS的开机记录状态贯穿于整个勘查过程。在勘查时可将碰到的障碍点或过程难点标记为标记点，并将路由长度、路由转角角度等相关数据记录到GIS中。完成勘查工作后，路由由此形成了。各个标记点的距离可以通过此软件很方便的测出来。同时还可将每个点的经纬度和路由的总体距离很容易测量出来。

(2)使用GIS进行详细勘查

使用GIS进行详细勘查，不但能够对路由进行记录和测量距离，而且还可以对障碍点的位置进行精确测量，从而更好的指导工作。长途光缆最主要的特点就是地形十分复杂，尤其是有许多山区弯道，若对路由转角进行测量时使用传统的勘查方法，费时又费力，其艰难自不用说。而在勘查时使用GPS后就不需要在进行路由转角的测量了，而在后期制图时便可在图上进行路由转角的测量，此方法不但准确而且方便。

(3)使用GIS绘制施工图

施工图的绘制中GIS的应用以往在绘制施工图时，首先设计人员一般都是依据详细勘查时绘制的工作草图，然后通过使用AUTOCAD软件，最后把光缆路由绘制出来。而通过GIS的使用，在施工图的绘制中则不需要这个步骤，它是按照一定的比例把GIS记录的路由直接导入AUTOCAD软件，然后在设计原则的指导下，稍微修饰一下路由，最后，一张精确的路由图就绘制出来了。由此可以看出，使用GIS绘制施工图，使得工作效率大幅度提升了。

3.3 GIS在光缆线路维护中的应用

(1)光缆线路信息数据库的建立

光缆线路竣工若干年后，由于地貌地形改变或者其他因素，寻找光缆线路及标石存在巨大的难度。因此护线人员在光缆线路完工初期就可使用GIS系统对光缆线路和标石进行信息采集，再通过相关的数据处理后，使之合并到相关的地图上，便成为了光缆路由图，并且可以进行导航。日后若是需要查找某段标石，便可使用GIS系统快速找到。如果标石丢失，在路由探测仪的配合使用下也能对光缆线路进行精确查找。

(2)故障点的计算和查找

以往都是使用OTDR来对光缆线路发生故障的故障点进行查找，但OTDR有一个不足，它对故障点的位置的确定并不是其空间位置即经纬度的确定，而是计算测量点与故障点沿光缆纤芯的距离。在一定程度上这给维护抢修带来较大的难度。而如果在对光缆线路进行维护管理的GIS系统中加入OTDR确定的故障点的信息，就能够将故障点的地理位置及其周边情况准确快速的确定，从而为故障点的维修带来方便，赢得了抢修时间，不但使得光缆维护水平和工作效率获得了提高，而且使通信损失大大降低。

3.4 GIS在架空电力、通信线路项目中的应用

在架空电力、通信线路的路径选择过程中，传统方式主要基于地形图进行。但是，普通地形图通常缺乏时效性。现代城镇和乡村的发展日新月异，经常会出现图纸信息与实地情况不符的现象。因此，图上选线后需要进行大量的现场调查工作。而现场调查劳动强度大，效率低，工期长，且无法直观的对路径方案进行多方位的考察。通过将GIS应用在路径选择过程中，通过高清晰卫星影像，同时借助数字高程模型进行地形分析，再结合现场详细调查了解，实现路径方案的优化设计，提高电力线路抗御灾害的能力。另外，应用GIS选择和优化路径时还可以同时开展各类专题研究，提高方案确定过程的完整性和针对性，减少民房跨越、森林砍伐、公用设施迁移等政策处理问题，提升在经济、社会、环境等方面的综合效益。

4 结束语

在架空电力线路的路径选择过程中把GIS应用和层次分析法结合起来，能够更好的优化路径方案，进而为多方案的对比和取舍提供客观依据。采用层次分析法，能够对各路径方案进行定量分析，优化路径方案。层次分析法是一种把定性分析与定量分析相结合的分析方式，不仅能够主动响应设计人员在路径选择中的主观因素，同时还能对客观存在的外界因素进行分析处理。把层次分析法应用在实际设计中，首先需要把卫星影像与数字地理模型有效结合起来，得出多个备选方案；其次罗列出路径方案评价的主要影响因素，包括路径长度、曲折系数、交通情况、重要交叉穿越等；再在对比分析前选择必要的影响因素，对于系统数据库中缺失的因素，则需要进行详细深入的现场调查，将实地调查结果和数据录入至分析系统以进一步处理。