畢業設計論文-地下管線管理信息系統設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ArcInfo、 Intergraph），有的甚至用 AutoCAD 探索開發管線 江蘇 大學畢業論文 3 信息管理系統。與此同時 ， 國產 GIS 平臺研制成功（如 MapGIS），用國產 GIS平臺也開發出了地下管線信息管理系統，如 1994 年開發成功的南京煉油廠綜合管線信息管理系統 、 江西南昌自來水管網信息系統 和蘇州市城市地下管網地理信息系統 等，由此城市地下管線信息管理系統的發展進入一個新的階段。 但是由于種種原因，目前城 市地下管線的管理存在若干問題。首先，由于地下管線現狀資料的缺漏和偏差而造成的盲目施工，時常損壞地下管線，導致停水、停電、停氣、通訊中斷，甚至引起災害事故。其次，由于事先缺乏地下管線現狀資料，有些道路及管線工程無法按設計進行施工，不得不在現場修改設計方案，且覆土前又未進行竣工測量，造成管線數據的動態更新難以實施。此外，城市管線資料來源不明確，精度不可靠，且在傳統的管線資料管理模式下，圖文表格不統一，分類統計、檢索速度慢，不利綜合分析，存在較多弊端。所以要實現城市管理的科學化、現代化，就必須實現管線資料的數字化 管理，對城市內的管線進行普查，并對管線資料的管理做出長遠規劃。 本文研究內容 地下管線信息系統一方面依賴各種比例尺的地形圖，特別是以地形圖為基礎的專題管線圖來管理其空間地理位置信息；另一方面非空間信息（如管線材質、規格、管線高程，底程、埋設年代等）則一般是通過各種不同規格的表格數據形式來管理。這種相對獨立且分散的基于文檔的管理方法，其弊病是顯而易見的：首先表現在于表格文檔和地圖文檔的非同步更新，造成內容上的不一致和混亂；其次，紙質文檔有不易查詢、保存攜帶、復制和不便于保密等缺點。 近幾年隨著計算機技 術的發展，有一些管線權屬單位也采用計算機技術進行地下管線信息的管理，如通過 AutoCAD 生成地下管線圖，用 Microsoft Excel 或Foxpro 保存管線、管點的屬性信息，這對地下管線信息的管理發揮著很大的作用，但也存在嚴重的不足，就是 地下管線探測 與信息技術分離， AutoCAD 只顯示空間數據，無法顯示屬性數據，空間數據與屬性數據沒有有機的結合在一起；有時管線信息數據可能由于測量出現較大偏差或者人為的原因弄錯，在入庫時沒有一個合理的機制去進行數據正確性和合理性檢查；管線信息的查詢、統計、分析都要手工進行， 不僅效率低，而且容易出錯，無法形成科學、系統的事故分析和決策。 目前大多數系統使用的數據格式單一，數據互操作性不強，有的系統雖然支持多種數據格式，但在數據格式的轉化中常常出現數據丟失、變形等問題。這樣使得系統無法和其它相關系統進行數據共享，造成多種系統之間數據的不一致，系統在使用時往往需要重新錄入數據，給用戶使用帶來很大不便。基于原有 GIS二次開發平臺開發的地下管線管理系統，大多數只具有原平臺提供的常用空間分析功能，而缺少針對管線數據管理所需要的網絡分析功能，或者只提供了很簡單 江蘇 大學畢業論文 4 的網絡分析功能。 本文通過廣泛 查閱相關文獻資料，開發并實現了地下管線信息系統，主要工作包括： （ 1） 設計了適于管網數據存儲的柵格矢量一體化數據結構，采用這種數據結構存儲管網數據，在保證管線數據全面、準確的同時，簡化了存儲操作，提高了管網數據的存儲效率。 （ 2） 討論了幾種常規空間網絡分析包括事故分析、縱橫斷面分析、緩沖區分析以及最短路徑分析問題的解決方案；采用深度優先遍歷方法，實現了 Dijkstra算法。 （ 3） 數據錄入及入庫過程中實現完整性，合理性以及準確性檢查。 （ 4） 三維圖形顯示。 （ 5） 設計了 C/S 模式的網絡版地下管線信息系統，實 現了遠程管線數據的管理和非常完備的管線空間數據與屬性數據編輯及維護功能。 論文的結構 本文主要分為六章，其主要內容概要如下： 第一章主要介紹了課題的背景和研究意義，概述了地下管線信息系統應用范圍，總結了目前現有的城市地下管線信息管理系統中存在的不足，闡述了本文的主要研究工作。 第二章介紹了地理信息系統和地下管線信息系統的概念及其關系，論述了GIS 開發模式和組件式 GIS。 第三章分析了管線數據的特點，設計了城市地下管網信息系統數據編碼和管線數據組織模型；論述了事故分析、最短路徑分析、緩沖區分析和縱、 橫斷面分析流程；采用深度優先遍歷方法的實現了 Dijkstra 算法。 第四章對系統進行了需求分析，并根據需求分析明確了系統設計基本原則，在此基礎上設計了系統的結構、功能模塊和數據庫的數據字典。 第五章設計了城市地下管線信息系統基于 MapObjects 的 C/S 模式體系結構，說明了構成系統的幾個模塊的功能；對系統實現中的幾個關鍵問題，給出了解決方法。 第六章對總結全文工作，并對地下管線信息系統的下一步工作進行展望。 江蘇 大學畢業論文 5 第二章 相關理論與技術基礎 地 理信息系統 地理信息系統的概念 地理信息系統（ GIS）是以采集、存儲、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內）與空間和地理分布有關的數據的空間信息系統 [8]。美國國家地理信息與分析中心（ NCGIA）于 1988 年曾給地理信息系統下過一個定義：為了獲取存儲檢索分析和顯示空間定位數據而建立的計算機化的數據庫管理系統 [9,10]。 GIS 是以計算機為基礎的新興技術，圍繞著這項技術的研究、開發和應用形成了一門交叉性、邊緣性的學科，主要涉及地理學、測量學、制圖學、攝影測量與遙感、計算機科學等領域 [11~13]。 GIS 是管理和研究空間數據的技術系統、在計算機 軟硬件支持下，它可以對空間數據按地理坐標或空間位置進行各種處理、對數據（包括地理實體的空間數據和屬性數據）的有效管理、研究各種地理實體及相互關系，通過對多種地理要素的綜合分析，迅速地獲取滿足應用需要的信息，并以地圖、圖形或數據的形式表示處理的結果 [12~15]。 地理信息系統的結構 廣義上講，地理信息系統由硬件設備、計算機軟件、數據和用戶四大要素組成。硬件設備包括數據存儲設備、輸入設備 (如數字化儀、掃描儀、全數字攝影測量工作站等 )、輸出設備（如矢量繪圖儀、柵格式繪圖設備等）；數據包括與地理實體相 關的各種定量數據和定性數據：用戶則是地理信息系統服務的對象[16~20]。 狹義的地理信息系統僅指計算機軟件，軟件部分由五個子系統組成（如圖 所示）。 江蘇 大學畢業論文 6 數據采集 是解決把現有資料轉換為計算即可處理的形式，按統一的參考坐標系統、統一的編碼、統一的標準和結構組織到數據庫中的處理過程。數據的采集方法包括：現有地圖數字化、野外測量數據、航空攝影測量、數字式地理信息處理、屬性數據和文字信息的錄入等。 數據編輯 指對地理信息系統 中的空間數據和屬性數據進行數據組織和修改等。包括空間數據編輯和屬性數據編輯，空間數據編輯就是利用地理信息系統軟件工具，對現有的己采集到的空間數據進行處理和再加工的過程。 數據存儲管理 地理數據不僅具有地理目標的空間位置與形狀的三維信息，而且還有空間關系和屬性信息；它不但描述地理目標的現狀，還可描述地理目標的過去和預測未來，可以具有第四維的時間信息；作為各種專題信息的公共空間載體，數據的一致性和穩定性、權威性要求很高，并與各類專題數據相關，涉及面廣，數據共享性強 [20~24]。 查詢與空間分析 對單幅或多幅專 題圖件進行分析運算和指標量算。地理信息系統的查詢與空間分析功能是 GIS 的主要特色功能，是區別于一般地圖制作系統的主要特點。 輸出與表示 輸出與表示是指將 GIS 內的原始數據或經過系統分析和轉換后重新組織的數據以某種用戶可以理解的方式提交給用戶；表示方式可以是地圖、表格、圖表、文字、數字、影像等。 本文所提到的地理信息系統均是指狹義上的地理信息系統。 地下管線 系統 地下管線的概念 一條管線就是由管線點按一定連接關系構成的線，代表實際管線的走向。管線要實現在計算機內的管理就必然面對如下問題： 空間數據輸入及其它格式轉換 空間查詢、統計、分析，規劃 制圖與輸出 空間數據與屬性數據編輯 空間數據庫系統及后臺 GIS 系統 圖 GIS 軟件的結構組成 江蘇 大學畢業論文 7 ? 管線的起點、終點位置； ? 管線的屬性數據（如管徑、材料、埋設方式等）的特點及其表示方法； ? 管線點的性質。 要解決上述問題，就必須對信息系統內的每條管線給出嚴格的定義，這關系到整個地下管線信息系統的綜合查詢、網絡分析、斷面生成等綜合功能的實現。 地下管線分為地下管道和地下電纜兩大類： ? 地下管道包括給水、排水、煤氣、熱力及工業管道； ? 地下電纜包括電力及電信電纜。 各大類仍可向下細分，各類管線又設有不同的建筑物、構筑物以及附屬設施，具體如表 所示。 表 地下管線的分類 專業 建（構）筑物 附屬設施 給水 水源井、給水泵站、水塔、清水池、凈化池 閥門、水表、消火栓、排水閥、排泥閥、預留接頭、各種窨井 排水 排水泵站、沉淀池、化糞池、凈化構筑物、暗溝、地面出口 檢查井、跌水井、水封井、仲洗井、沉泥井、排污裝置 燃氣、熱力、工業 抽水井、調壓房、煤氣站、鍋爐房、動力站、儲氣罐、冷氣塔 濃縮器、排氣 (排水、排污 )裝置、凝水缸、各種窨井 電力 變電所、配電室、電纜檢修井、各種塔（桿） 桿上變壓器、露天地面變壓器 通訊 電纜檢修井、控制室、變換站、塔、桿、增音站、差轉臺 交接箱、分線箱、各種窨井 這 些建、構筑物和附屬設施按照其本身的運轉特性有機結合，構成城市的生命線工程。以給水管網為例，它是一個由各種管道、水源、泵站、水塔、調節閥（減壓閥，止回閥等）、用戶等多種設施構成的龐大而復雜的輸水管道系統。 地下管線 GIS 的幾何數據與屬性數據可以用如圖 所示的方法連接起來。 地下管線 管線的線 管線點 空間數據 屬性數據 空間數據 屬性數據 圖 地下管線的層次結構示意圖 江蘇 大學畢業論文 8 地下管線信息系統與 GIS 的關系 地下管線信息系統的實現方式之一是由城市各職能部門和各有關行業的實體以各自成熟運行的專業 (或專題 )GIS 以一定方式集成為一體。地下管線信息系統是以城市地下管線信息為主要對象的空間信息系統，地下管線信息自身有確定的空間定位，能夠自成體系，它是系統空間信息的一種組成部分。 地下管線信息系統就是在 GIS 基礎上開發出來的綜合性系統， 它與 GIS 系統一樣都包含 數據采集、數據編輯、數據存儲管理 、查詢與空間分析 五個部分 [3,5,8]。 城市 地下管線信息系統是城市地理信息系統（ UGIS）重要的組成部分，是GIS 在城市管理中的現實應用，是對 GIS 的發展和延伸。 地下管線系統的特點 從功能上來說，城市地下管線信息系統應能快速提供現勢性強、真實準確的地下管線信息，并能實現快速查詢、綜合分析、輔助設計等操作，從而為城市的發展預測、規劃決策等管理提供可靠的依據。同時，它不同于一個單純的 MIS（信息管理系統）、 DSS（決策支持系統）、 OA（辦公自動化系統）等，它是在某種條件下各系統的綜合運用，不 僅應用于城市管線的日常管理工作，還可以進行城市規劃的輔助設計等管理方面 [6,8]。 根據對城市地下管線信息系統的功能要求，可歸納出該系統的如下特征： (1)有效地實現對空間數據（圖形數據）和非空間數據（屬性數據）這兩種不同性質數據的操作和管理。空間數據表示所描述特征的幾何位置，非空間數據是對此位置上特征的屬性描述，兩者有效的結合才能使“ GIS 的統計與分析”優勢得以充分發揮。 (2)所需存儲、處理的數據量大，內容繁雜。地下管線信息系統以城市地下管線空間信息為主要操作對象，而任何城市的地下管線，都包括電力、通 訊、燃氣、熱力、上水、雨水、污水、工業及各種其它管道。它們隸屬于不同的專業部門管理、建設和維修，但又是一個有機的整體。城市地下管線信息系統對這些空間特征的表示，甚至比常規地形特征描述更為復雜。 (3)點線相連