（地图学与地理信息系统专业论文）地下管网数据的时空数据组织与更新.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 城市地下管网是城市建设管理的重要信息也是城市赖以生存和发展的物质 基础，亦称为城市的“生命线”。地下管网数据更新是地下管网可持续发展的客 观要求。目前地下管网数据更新模式多使用非时态的手动方式，未保存历史数据 且易产生由于人为因素而造成更新后的地下管网数据质量下降问题，如空间数据 不一致性等。鉴于此，地下管网数据更新的时态化和自动化( 或半自动化) 是其 必然发展趋势。主要研究工作包括： 1 首先，阐述地下管网的空间分布特性，重点分析了地下管网要素间的拓 扑关系即地下管网在三维空间上的拓扑关系，并提出了相应的判断方 法，为地下管网数据增量更新的自动化( 或半自动化) 奠定了基础。 2 比较了目前常见的几种时空数据模型的优缺点，根据地下管网的特点， 本文选择基态修正模型作为地下管网的时空数据模型，能够较好地进行 历史数据查询；针对地下管网的特点，本文将图形数据以“层的形式 进行存储和显示，每一“层 与相应类型的属性数据表相关联，并且将 管点和管线段分“层 显示和存储。 3 详细分析了地下管网的变化类型，根据地下管网的变化类型总结了管线 的操作事件包括管点的移动，管线段增加、删除、断开、合并等；在地 下管网数据变化类型的基础上建立增量信息文件，将增量信息文件与地 下管网历史数据融合产生新的地下管网数据，实现地下管网数据更新的 自动化( 或半自动化) 。 4 最后，本文是使用c + + n e t 为开发语言在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 环境下 实现了地下管网数据的增量更新、地下管网历史数据的快照查询、长度 计算、缓冲区分析、空间数据和属性数据互查询、地下管网在三维空间 上拓扑关系的判断等功能。 研究表明，基于增量信息文件的更新方法是地下管网数据更新的一条可行途 径，为此地下管网数据更新系统的设计与实现提供了一种新的更新模式，有助于 推动此类系统的应用与发展。 关键词地下管网，增量更新，时态g i s ，快照查询 中南大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t i ku r b a nu n d e r g r o u n dn e t w o r ki n f o r m a t i o ni st h ef o u n d a t i o no fu r b a nc o n s - t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t ，i ti sk n o w na st h el i f e l i n eo ft h ec i t y w i t l lt h ed e v e - l o p m e n to ft h eu r b a nc o n s t r u c t i o n ，t h eu r b a nu n d e r g r o u n dn e t w o r kc h a n g e dq u i c k l y u p d a t i n go ft h eu r b a nu n d e r g r o u n dn e t w o r ki n f o r m a t i o ni st h eo b j e c t i v er e q u i r e m e n t s o fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h eu n d e r g r o u n dn e t w o r ki n f o r m a t i o ni s u p d a t e dn o n - t e m p o r a l l ya n dm a n u a l l y , t h eh i s t o r i c a ld a t ai sn o ts a v e d ，a n dt h eq u a l i t y o fd a t au s u a l l yi sb r o k e nb yh u m a ne d i t i n go p e r a t i o ni nt h eu p d a t i n gp r o c e s s i no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m s ，t h ea u t h o rp r e s e n t e da nu n d e r g r o u n dn e t w o r kd a t au p d a t i n g m e t h o da u t o m a t i c l y ( o rs e m i - a u t o m a t i c l y ) 1 1 1 em a i nw o r k sf m i e s h e da l el i s t e da s f o l l o w s ： 1 f i r s t l y , t h ea u t h o rd e s c r i b e dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fu r b a nu n d e r g r o u n d n e t w o r k ,a n a l y z e dt h et o p o l o g i c a lr e l a t i o n so ft h eu r b a nu n d e r g r o u n d n e t w o r ko b j e c t si nt h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ea n dd e v e l o p e dc o r r e s p o n d i n g m e t h o dt oc o m p u t et h er e l a t i o n s 2 a r e r c o m p a r i s i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o fc u r r e n t s p a t i o - t e m p o r a l d a t am o d e l s ，t h ea u t h o rc h o s e dt h eb a s es t a t e 晰t h a m e n d m e n t sm o d e lt o r e p r e s e n t t h eu r b a n u n d e r g r o u n dn e t w o r k s p a t i o - t e m p o r a ld a t ai nt h i st h e s i s f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu r b a n u n d e r g r o u n dp i p en e t w o r k , t h eg r a p h i c sd a t aa l es t o r e da n dd i s p l a y e di nt h e f o r mo f ”l a y e r ”，e a c h ”l a y e r ”a s s o c i a t e 晰t l la t t r i b u t et a b l eo fc o r r e s p o n d i n g t y p e ，a n dt h ep i p e p o i n ta n dp i p e l i n ea l es t o r e da n dd i s p l a y e di nd i f f e r e n t ”l a y e r s ” 3 t h ea u t h o ra n a l y s e dc h a n g i n gt y p eo ft h eu n d e r g r o u n dp i p en e t w o r ki n d e t a i l ，a n ds u m m a r i z e das e to fo p e r a t i n ge v e n t sf o rp i p e l i n ea c c o r d i n gt o t h ec h a n g et y p eo ft h eu n d e r g r o u n dp i p en e t w o r k , e g ，m o v e m e n to f p i p e p o i n t , a d d i t i o no fp i p e l i n es e g m e n t ，d e l e t i n go fp i p e l i n es e g m e n t ，b r e a k p i p e l i n es e g m e n t ，m e r g i n gp i p e l i n es e g m e n t ，e t e b a s e do nt h ec h a n g et y p e o ft h eu n d e r g r o u n dp i p en e t w o r k , c h a n g e o n l yi n f o r m a t i o nf i l ei sd e s i g n e d b a s e do nt h ec h a n g e - o n l yi n f o r m a t i o nf i l e ，t h eu p d a t i n go ft h eu n d e r g r o u n d p i p en e t w o r kc a nb ed o n ea u t o m a t i c ( 0 rs e m i a u t o m a t i c ) 1 1 中南大学硕士论文a b s t r a c t 4 f i n a l l y , ap r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gc + + 忆ti nt h ee n v i r o n m e n t o fv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 i ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：i n c r e m e n t a l u p d a t i n go ft h eu n d e r g r o u n dp i p en e t w o r kd a t a , q u e r y i n gas n a p s h o to ft h e h i s t o r yd a t a , c a l c u l a t i n gle n g t h , b u f f e ra n a l y s i s ，m q u i d n gs p m i a ld a t ab y a t t r i b u t ed a t a , a t t r i b u t ed a t ab ys p a t i dd a t a , d e t e r m i n gt h et o p o l o g i c a l r e l a t i o n si nt h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c e ，a n ds oo n t h er e s e a r c hw o r ks h o w st h a tt h eu p d a t i n gm e t h o dp r e s e n t e di nt h i st h e s i si s r e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a b l e t h i st h e s i sp r o v i d e san e w w a y f o rt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fs u c hs y s t e m k e yw o r d st h eu n d e r g r o u n dn e t w o r k ，i n c r e m e n t a lu p d a t i n g ，t g i s ，s n a p s h o t q u e r y i ! i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：豇b j 丛自 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储躲蛐聊签名警吼畔年阜月守 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了有关地下管网及地下管网数据更新的基本概念，以及地下管 网数据更新的基本任务与主要特点，提出了将增量更新应用到地下管网管理系统 中，在此基础上分析了国内外地下管网地理信息系统的研究现状，提出了本文的 研究思路，最后说明了本书的研究内容与章节安排。 1 1 地下管网的概述 1 1 1 地下管网 城市是人类活动创造的人工生态系统，地下管网是该系统的神经，在城市 的整个活动中具有“牵一发而动全身的重大影响；地下管网是城市基础设施的 重要组成部分，是城市规划建设管理的重要基础信息。城市地下管网线包括给水、 排水( 雨水、污水) 、燃气( 煤气、天然气、液化石油气) 、电力、路灯、电信、有 线电视、热力、工业管道十种专业管线。它就像人体内的“神经 和“血管 ， 日夜担负着传送信息输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称 为城市的“生命线 嘲。地下管网布设现状的基础资料，是城市规划、设计、施 工建设和管理的重要依据。地下管网，特别是城市地下管网能否正常、高效通行 是衡量城市现代化水平的一大标志。地下管网是城市发展的必然产物，城市现代 化水平越高，地下管网种类就越多，数量就越大。与地上工程相比，地下管网有 一个显著特点就是隐蔽性，要实行对纵横交错、密如蛛网的城市地下管网进行有 效监督和科学管理，保证其正常、高效运行并进行及时维修和合理改建、扩建还 是一个即待解决的困难问题口，。 1 1 2 地下管网的特征 城市地下空间上的纵横交错的管网系统，是典型的复杂网络系统。特别是我 国由于历史原因和人为因素，作为和人民生活密切相关的地下网络系统，地下管 网具有以下特点h 1 ： ( 1 ) 种类繁多 按照权属地下管网分为城市公用事业管网和专用管网，公用事业管网服务于 整个城市的居民；专用管网有部队专用，铁路专用、石油专用等，为某一具体行 业和单位使用。按照输送介质分为供水管网、排水( 雨水、污水) 管网、燃气( 煤 气、液化气) 管网、电力网、通信网、热力管网、工业管线( 石油、化工等) 等 第i 页 中南大学硕士论文第一章绪论 管线类型。按照级别又可分为城市主干网、小区( 庭院) 网等。 ( 2 ) 隐蔽性强 地下管网埋设地下，遍布城市地下的三维空间，构成错综复杂、密如蛛网的 传输系统。 ( 3 ) 设备类型复杂 地下管网不仅种类繁多，每一种管网又包括大量的设备。如供水、排水、燃 气、热力等系统有巨量的阀门、盖堵等控制设备，不同材质、不同管径的管材等 输送设备，三通、四通等分支设备，调压器、加压站等压力调节设备，排气阀、 积水缸、检修井等辅助设备等组成；电力、电信系统的开关、熔丝等阻断设备， 配电箱、环网柜、分支箱、开关站等分配设备，监测电压、电流、信号通路等智 能化监测设备等。同时每一种设备又有不同型号、不同生产厂家、不同设备参数 等，使管网管理的设备更加庞大。 ( 4 ) 动态变化 地下管网建设时间较长，一个地下管网建设历经几十年甚至上百年的历史， 不同历史时期的建设标准、档案资料管理均不一样。而且早期的资料散失较多。 特别是近十几年来，大规模的改建扩建城市管网，使管网的资料更新更加困难。 ( 5 ) 多家管理 由于体制的原因，我国的城市地下管网一直由多家分头管理，各自为政。给 水管网由自来水公司管理，排水管网由排水管理处管理，燃气管网由燃气集团管 理，热力管网由热力处管理，电力、电信各有自己的主管部门，没有形成统一的 管理模式。特别是目前采取了多元化的投资方式，进行市场化运作，包括融资、 投资、贷款等形式，尽管使市政基础设施建设迈入了快速发展的轨道，同时多家 主管部门信息不通，造成重复投资、资源难以共享。 ( 6 ) 不同管线相互影响 不同类别的地下管线在设计、建设过程中，互相影响，互相制约。为此国家 标准和规范限制不同管线的最小净距、标高、跨越时的处理、管线敷设时的走向 关系等，以保证管网安全与高效运行。 ( 7 ) 用户数量大 地下管网为千家万户服务，涉及到重要工矿企业等大用户和城市居民等普通 用户。管网管理部门要具体管理到每一户的资源使用、收费信息、和管网设备的 第2 页 中南大学硕士论文第一章绪论 连接关系等。对一些大用户的特殊保障措施和特殊设备也要进行特殊管理。可以 说城市居民每家每户都涉及到供水、供热、电力、电信等服务，复杂的用户信息 构成了海量的数据库。 1 1 3 我国目前地下管网状况 长期以来，由于历史和现实的各种原因，我国城市地下管网管理滞后于城市 的发展和国际同行业水平，其混乱无序的状况，己成为我国城市建设和国民经济 发展的瓶颈h 1 ，具体表现在以下几个方面： 其一：地下管网现状普遍不详，绝大多数城市没有对地下管网进行普查和建 档工作； 其二：对于我国城市地下管网都是依靠手工来管理各种资料档案，当某处发 生事故时，必须依靠人力查阅图纸、确定抢修方案。这种工作方式不仅工作量大、 速度慢，而且缺乏准确性、科学性； 其三：新建城市只重视地上建设，忽视地下管网的系统管理，由于各类管线 所属单位不同，实施时间不同，所属单位往往各自为政，多头管理，从而造成管 线埋设标准不一，布局混乱，资料的现势性差。 其四：随着城市的快速发展和人口的增多，地下管网的数据量将越来越多， 地下管网数据的更新将也变得更加频繁，但目前我国地下管网更新的工作做得还 不够。 城市的地下管网和城市交通线一样，是城市的血管系统，是城市的生命线。 城市地下管线数量巨大，分布复杂，尤其一些老的管网的分布，己经十分模糊， 严重地影响了城市建设。因此，如何管理好城市的管网，已成为城市建设的瓶颈 问题，地下管网数据更新也成是地下管网管理重要组成部分之一。 1 2 地下管网数据更新 1 2 1 数据更新模式 在g i s 发展的初期，由于其主要是靠“应用驱动”和“技术导引”，人们的努力 方向主要集中在时空数据的存储与管理上，对时空数据更新等问题的关注较少。 近几年来，随着许多国家空间数据库建设的逐步完成，人们逐渐认识到“空间信 息更新将取代空间数据获取而成为g i s 建设的瓶颈，嘲，当前g i s 的核心已从数 据生产转为数据更新，数据更新关系着g i s 的可持续发展1 。 第3 页 中南大学硕士论文 第一章绪论 随着城市的发展和人口的增多，地下管网的数据也在不断的增多，管线数据 的不断更新也显得越来越重要。目前主要的更新模式有三种喳1 ： ( 1 ) 定期更新，即设定一定的更新周期如更新周期分为1 年、3 年、6 年。 这种更新模式在地籍更新中已经应用很广如荷兰地形署( d u t c ht o p o g r a p h i c s e r v i c e ) 1 ：1 万数据根据区域特点更新周期分为4 年、6 年、8 年口1 ；日本g s i 采用基于栅格的更新方法，城市地区每3 年更新一次，郊区每5 年更新一次，山 区每1 0 年更新一次；我国上海市确定1 ：1 万数字线划地图的更新周期为5 年， 1 ：2 0 0 0 数字线划地图的更新周期为4 年，1 ：1 0 0 0 数字线划地图的更新周期为 3 年，而中心城区1 ：5 0 0 数字线划地图的更新周期为2 年等。 ( 2 ) 固定变化程度的更新，即达到一定的变化程度后，对地下管网数据进 行一次全面的更新。 ( 3 ) 增量式更新，即变化一经发现、测定便立即更新地下管网数据，并连 续提供给用户使用的更新模式嘲，也就是说增量更新的目的是实现变化信息的 “随时发现、随时测定、随时更新 ，以最方便灵活的方式保证空间数据的现势 性。 定期更新和固定变化程度的更新也可统称为批量式更新模式，增量更新由于 其方式灵活而且能够更好地保证空间数据的现势性，是未来数据更新的主要趋 势。 1 2 2 地下管网数据更新的基本任务 地下管网数据更新是在数字环境下，针对管线数量、质量、其管网分布、管 线修建等的变化情况，用反映地下管网现势状况的管线信息修正、补充和更新原 数据库中的相应数据，以真实地反映地下管网信息的现状，保存历史数据、记录 变化原因等，使数据库现状与实际现状保持一致的过程。地下管网更新的基本任 务包括：变化信息的及时发现与提取、变化数据的及时更新处理、保存历史管网 数据等1 。 ( 1 ) 变化信息的及时发现与提取。地下管网数据变化信息的及时发现和提 取是进行地下管网数据更新的首要条件。变化信息获取的主要途径是当地下管网 发生变化时要求相关部门记录相应的信息或通过实地测量获得相关的信息。 ( 2 ) 变化数据的及时更新处理。在数字环境下，将采集到的变化信息与原 来的地下管网数据进行融合处理，生成新的基态的地下管网数据。 ( 3 ) 保存历史管网数据。在数字环境下，如不特别保存历史数据，数据更 第4 页 中南大学硕士论文第一章绪论 新时，新的数据便会覆盖掉变化前的旧数据，这样会造成历史数据丢失，无法查 找历史信息，就不能够进行历史回顾查询，因此在地下管网数据更新时，应该特 别强调保存历史数据，本文中将历史的管网数据以文件的形式保存。 1 2 3 地下管网数据更新的特点 地下管网具有隐蔽性、动态变化、多家管理、多条管线段关联等特点，因此 地下管网在进行实时更新需要考虑一下几个技术特点： ( 1 ) 更新模式为增量更新。地下管网更新是将采集的增量信息数据与现有 的基态数据融合成新的基态数据。将当前的基态数据作为基数，针对管线数量、 质量、其管网分布、管线修建等的变化情况，进行管线信息修正、补充和更新， 以实现“随时更新、随时调查、随时记录”地下管网数据。每次更新后调查和记 录的管线目标只包括变化管线及受影响的管线，是增量式( 或“c h a n g e - o n l y ”) 的更新方法，因此地下管网数据更新是增量式更新。 ( 2 ) 数据组织宜采用增量( 时态) 方式。在许多城市地下管网的变化几乎 每天发生，且每次变化只涉及到一段或几段的管线段变化。由于地下管网数据不 仅要求记录目标的权属、位置等空间和语义信息，而且还要记录其存在及变化的 时间等信息，并且要求做到随时变更、随时更新，最大限度的保持地下管网数据 的现势性。因此每次变化后都保存前一时刻历史数据的快照和差文件，而时空数 据库增量式数据组织方式的特点是每次变化后只将变化目标的历史数据存档( 作 为非当前对象保存在数据库中) ，为变化后的数据创建新的版本或添加新的对象， 没有发生变化的目标在数据库中保持不变。因此，它是地下管网时态数据组织的 理想模式。 ( 3 ) 地下管网的拓扑关系是其数据组织、更新与维护的基础。管线段与管 点是地下管网的基本目标，管线段之间彼此关联，例如不同类型的管线段与管点 不可以相交；在进行地下管网更新时，在同类型管线中一条管线段的变动将引起 相交管线段的变化，一个管点的插入、删除和移动，将会引起与该管点相关的管 线段的长度以及拓扑关系的改变。 因此在更新过程中需要引入拓扑关系维护功能，早期的地理信息系统由于缺 少拓扑关系维护功能难以扩展为时态系统，空间数据更新处理过程中的拓扑一致 性维护已成为一个国际前沿的难点和热点问题四1 。 第5 页 中南大学硕士论文第一章绪论 i 3 国内外地下管网地理信息系统的研究现状与发展 随着全球经济的高速发展，城市不断的改建，地下管网也在频繁的更新，因 此地下管网地理信息系统也变得越来越重要，地下管网更新也是其中的重要组成 部分，我国地下管网地理信息系统的建设己有二十多年的历史n 阳。 2 0 世纪8 0 年代以前，所有管线的权属部门和城建部门都建有完备的档案室， 以保存管线的竣工图和各种管线的属性卡片、表册，但随着城市的发展，这种手 工管理方式远远跟不上城市发展的需求，矛盾日益尖锐。 8 0 年代后期至9 0 年代，为摸清城市地下管网情况，我国开展了大规模的城 市地下管网普查，并率先使用计算机辅助制图技术( a u t o c a d ) 绘制管线分布图： 使用d b a s e 、f o x p r o 等数据库管理系统独立存储，但很难统一利用和管理管线信 息，也难以进行信息的更新。 9 0 年代初期至中期，随着g i s 软件被广泛应用于一些行业，于是也迅速推 广应用于管线空间信息和属性信息的管理。我国于2 0 世纪9 0 年代初相继使用国 外的g i s 平台( a r c l n f o 、m i c r o s t a t i o n ) ，有的用a u t o c a d 探索开发管线g 工s 。 与此同时，国产g i s 平台研制成功( 如m a p g i s ) ，已有用户使用国产g i s 平台开 发出了地下管线g i s ，由此城市地下管线g i s 的发展进入了一个新的阶段。 目前，国内外许多公司已经推出了一些成熟的、产品化的专业管网g i s 和综 合管网g i s 。其中比较成功的公司可以分成两种n ： 第一类是那些一直从事市政管网管理或者相关业务( 比如管网探测、水质控 制等) 的公司，它们对于管网行业十分熟悉，开发人员也都是具有相关专业基础 的软件工程师，对用户的需求了解比较深入。如德国g e o g r a t 公司的g i s 系统： 国内的金迪管线探测公司，是国内管线探测业的权威，拥有一种内外业一体化建 库技术，能够一次性地解决管网海量数据的输入和维护问题。 第二类公司是那些在g i s 软件或c a d 软件开发方面属于先进水平的国内外公 司。虽然对于专业管网管理行业未必有很深入的了解，一般只集中于管网资料管 理和管网规划设计方面，但是凭借在g i s 或c a d 方面的成功经验，使它们的管网 信息系统能够提供很强大的可视化信息表现方式和交互方式，将管网图纸数据和 非图形的属性数据有机地结合，帮助用户探索存在于被智能化和地理化了的管网 数据中的内在关系。其代表产品有美国b e n t l e y 公司的m i e r o s t a t i o ng e o w a t e r 系统，美国e s r i 公司的a r c f mw a t e r 系统，国内中地公司的m a p g i sg i s p i p e 系统等。 第6 页 中南大学硕士论文第一章绪论 从国内外的发展来看，计算机构建地下管网g i s 时，经历了以下几个过程n 幻： 第一种是走管理信息系统( m i s ) 的路子，运用数据库管理系统( d b m s ) ，对综 合管网资料整理录入，放在数据库系统中，具有常规的属性数据管理功能，如录 入、修改、查询等。这种方式可有效管理综合管网属性数据和资料，便于查询分 类，但不具备管理图形能力，不能对空间数据进行检索和分析。 第二种是m i s 与图形相结合，但仍使用m i s 来存放和处理属性数据，图形则 另外通过图形系统( 如a u t o c a d 、m a p l n f o 等) 来录入，以文件形式单独存储。这 种方案只是把m i s 的思路简单扩展到图形数据上，属性数据和图形数据分离，彼 此不相关联，图形本身所蕴涵的丰富信息不能被系统自动识别、提取和利用。 第三种是图形和数据库挂接，或采用桌面信息系统。它是利用属性数据表中 扩展字段来存储对应图形的数据索引，将图形与对应的属性记录关联起来，从而 实现图库关联。由于实现了图形和属性的关联，使图元具有了意义，为基于空间 数据的检索分析奠定了基础。但它也有很大缺陷：图形和属性的松散藕合导致关 联关系的维护比较复杂；图元间的拓扑关系无法有效地管理，许多重要的深层次 分析难以完成，即使能实现，效率也很低；对海量数据的一体化管理缺乏有效手 段，不利于空间分析和检索。 第四种方案则是采用g i s 来统一管理图形、属性和拓扑信息。综合管网信息 和与之相关的地形、环境信息从根本上是地理信息，这些地理信息具有空间定位、 数据量巨大、信息载体多的特点。由于传统m i s 的数据模型主要针对简单对象， 因此其概念和方法很难用于对复杂的地理信息的有效管理和分析。g i s 是一种管 理和研究空间位置和属性数据的信息系统，它对空间数据和属性数据进行统一管 理和分析处理，研究各种空间实体及相互关系，根据实际需求，通过多种因素综 合分析，适时提供多种空间和动态的地理信息，满足人们对空间信息的要求，并 借助特有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策、动态模拟和统计分 析等服务。 第五种方案是将t g i s 引入到地下管网中。现实世界目标不仅与空间位置有 关，而且与时间也有着密切相关，将时空数据模型与增量更新应用到地下管网地 理信息系统是未来的一个发展的趋势，已成为一个国际前沿的难点和热点问题。 由于t g i s 技术的不断发展以及它所具有的特点和优势，采用t g i s 来真正实 现综合地下管网的空间数据、属性数据和拓扑关系的一体化管理，已成为构建综 合地下管网t g i s 的必由之路。 第7 页 中南大学硕士论文 第一章绪论 1 4 本文的研究思路 通过了解地下管网的特征和我国目前地下管网的状况，以及熟悉地下管网地 理信息系统的发展过程，本文的研究思路是根据t g i s 的特点和优势，采用增量 组织方式并且在拓扑一致性的基础上来更新地下管网数据( 更新过程如图卜l 所示) ，为了能够很好地对地下管网数据进行历史回顾，本文采用基态修正模型 并引用差文件格式来快照查询地下管网历史数据( 如图卜2 所示) 。 图1 - 1 地下管网数据更新 第8 页 中南大学硕士论文第一章绪论 图1 2 地下管网历史数据快照查询 1 5 论文章节安排 鉴于以上的分析，本文针对地下管网的变化类型，采用了自动化的增量更新 模式对地下管网数据进行更新，并且对历史地下管网数据进行历史快照查询。论 文的章节安排如下： 本章介绍了地下管网的基本概念和重要性，根据地下管网的特征阐述了我国 目前地下管网的基本状况，然后介绍目前主要的几种更新模式和地下管网数据更 新的基本任务，并提出了地下管网更新的特点。最后分析目前国内外地下管网地 理信息系统的研究现状，提出了本文的研究思路和章节安排。 第二章为地下管网的管线要素间的拓扑关系，2 1 首先介绍了拓扑关系的定 义；2 2 介绍了地下管网的几种拓扑元素并分析了地下管网要素之间的拓扑关 系；2 3 根据地下管网要素空间拓扑关系设计了其判定方法，主要包括管点之间 的拓扑关系的判定方法、管点与管线段之间的拓扑关系的判定方法以及管线段与 管线段之间的拓扑关系的判定方法，由于地下管线是以三维空间形式存在，因此 在判断拓扑关系时必须考虑管点高程，并且对其判定方法进行了实现；2 4 为本 章的小结。 第三章为地下管网的时空数据组织，3 1 介绍了时间的基本概念、时态关系 以及对时空g i s 进行了简要的概述；3 2 重点介绍时空数据模型的基本概念和目 前主要的时空数据模型类型，讨论了本文中所应用的时空数据模型；3 4 介绍了 第9 页 中南大学硕士论文 第一章绪论 地下管网的数据组织和数据结构设计。在数据组织方面，图形数据以“层 的形 式进行存储和显示，每一“层与相应类型的属性数据表相关联，并且将管线点 和管线段分“层 显示和存储。在数据结构方面，本文中每种管点表的结构都相 同，因此只列出了一种管点表的结构，而设计在管线段表结构时，首先是设计一 个所有地下管线必须具备的属性字段表结构即一般管线段表结构，然后根据不同 的管线类型添加不同的属性字段；3 5 为本章的小结。 第四章为地下管网的变化类型及增量更新，4 1 首先分析了地下管网数据的 变化类型，分为管点的变化类型和管线段的变化类型，重点介绍了管线段的变化 类型包括出现、消失、延长、缩短、移动、旋转、重现七类；4 2 根据地下管网 的变化类型设计了管线的操作事件包括管点的移动，管线段增加、删除、断开、 合并；4 3 介绍了在地下管网数据变化类型的基础上建立增量信息文件，将增量 信息文件与地下管网历史数据融合产生新的地下管网数据，这一过程是地下管网 自动化更新，最后分析了在地下管网数据增量更新中导致地下管网数据及其拓扑 关系不一致的原因和类型，并且提出了解决的途径；4 4 为本章的小结。 第五章为地下管网数据增量更新的实现，5 1 介绍了系统的实验平台和开发 环境，本文是使用c + + n e t 为开发语言在v is u a ls t u d i o2 0 0 5 环境下进行开发 的，底层实现系统；5 2 是对实验系统功能进行了需求分析；5 3 为实验系统功 能设计，其功能主要包括数据基本操作、数据查询、数据更新等三类主要功能； 5 4 是对实验系统功能的实现；5 5 为本章的小结。 第六章，对本文的研究工作做了一个总结和展望。 第1 0 页 中南大学硕士论文第二章地下管网的管线要素间拓扑关系 第二章地下管网的管线要素间拓扑关系 本章讨论了地下管网的拓扑元素以及它们之间拓扑关系，针对目前拓扑关系 的研究工作主要体现在概念描述方面，本文详细介绍了地下管网要素空间拓扑关 系的判定方法，主要包括管点之间的拓扑关系的判定方法、管点与管线段之间的 拓扑关系的判定以及管线段与管线段之间的拓扑关系的判定方法。由于地下管线 是以三维空间形式存在，因此本文中的管网要素间拓扑关系是在考虑了管线段起 始点和终止点高程的基础上进行研究的。 2 1 拓扑关系定义 拓扑性质( t o p o l o g i c a lp r o p e r t y ) 是指在拓扑变换下保留不变的性质。如 点是弧段的首尾结点、弧段是简单弧段( 不自相交) 、点在面域的边界上、点在 面域的内部、点在面域的外部、简单面域( 不含空洞) 等性质属于拓扑性质；而 两点间的距离、线段的长度、圆的半径、面域的面积等则不属于拓扑性质n 引，根 据这种性质来描述两个目标之间的关系，叫拓扑关系( t o p o l o g i c a lr e l a t i o n ) ， 拓扑关系是g i s 中空间目标之间最基本也是最重要的关系之一，是进行空间查 询、分析和推理的基础。自2 0 世纪8 0 年代以来，地理信息科学和计算机科学领 域的学者们对拓扑关系的形式化方法进行了大量研究，其中较有代表性的成果有 4 交叉模型、9 交叉模型和r c c 型。近年来，陈军等人针对9 交叉模型的不足提 出了v 9 1 改进模型；l i 等人利用多个集合算子建立了空间代数模型，随后发展 了v o r o n o i 空间代数模型。v o r o n o i 图的几何结构是一个与距离变换密切相关的 函数，并且这种特性与拓扑关系的形式化方法是相矛盾的。拓扑关系是拓扑变换 下的不变量，是一种与空间目标的距离、方向等度量概念无关的定性关系，因此， v 9 i 模型和v o r o n o i 空间代数模型并不是一种纯拓扑的形式化模型。一些学者通 过纳入不同的拓扑不变量对4 交叉或9 交叉模型进行了扩展n 们。 在g i s 中，拓扑关系是以点、线、面间的为描述对象，连接关系为中心。深 入理解目标间的拓扑关系，可以大大提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效 率。实体间拓扑关系的相邻性、连接性、闭合性、包含性和一致性等，是地理空 间数据处理的依据n 叼。 第1 1 页 中南大学硕士论文第二章地下管网的管线要素间拓扑关系 2 2 地下管网的拓扑要素及拓扑关系 2 2 1 地下管网拓扑元素 普通地下管网地图一般包括两类要素：点状要素、线状要素。在二维空间中， 它们分别对应两种图形元素，即管点、管线段，称为拓扑元素n 引。 ( 1 ) 管点要素：地下管网中的管点要素包括点状实体和三类特征点，即管 径变化点、埋深变化点和管网交叉点。点状实体包括管线上的附属设施，各层的 点状实体如表2 - i 所示n 7 1 。 表2 - i 管线上的附属设施 管线类型附属设施 给水管线 阀门、水表、消火栓、排气阀、 排泥阀、预留接头、阀门井等 排水管线 检查井、跌水井、水封井、冲洗 井、沉泥井、排污装置、进出水 口、污水蓖等 燃气、热力及涨缩器、排气( 排水、排污) 装置、 工业管线凝水井、各种害井、阀门等 电力管线 杆上变压器、露天地面变压器、 人孔井等 电信管线交接箱、分线箱、检修井等 ( 2 ) 管线段要素：相邻管点间的管线段，它们反映的是离散的点对象之间 的连通关系一般以折线段对象来表达。 2 2 2 空间拓扑关系 在管网中主要的拓扑关系是管点与管点之间、管点与管线段之间以及管线段 与管线段之间。例如，两泵站间的关系是管点与管点的关系，泵站与管线段的位 置是管点与管线段关系，主干线和支线是管线段与管线段关系，同时性管网中的 拓扑关系主要包括以下几种情况： ( 1 ) 相交关系：指管线段与管线段之间相交的关系，如图2 - 1 所示。 第1 2 页 中南大学硕士论文第二章地下管网的管线要素间拓扑关系 图2 - 1 相交关系 ( 2 ) 相离关系：指拓扑元素之间相互分离的关系。没有公共点的两条管线 段之间就是相离的关系。如图2 2 所示。 图2 - 2 相离关系 ( 3 ) 重合关系：指同类拓扑元素相重合的关系，如管点与管点相重合，管 线段与管线段重合。 ( 4 ) 相接关系：指同种管线类型的管线段与管点之间的关系。 2 2 3 时态拓扑关系 空间关系包括度量关系、拓扑关系和序关系，因此时态关系同样应该包括时 态度量关系、时态拓扑关系、时态序关系。在线性时间模型中，时态度量关系可 理解为时间区间的长短；由于时间没有层次之分，一维时间只有先后之分，时态 序关系即指其先后关系( 或称方向关系) 。在早期的研究中，人们往往没有区分 时态拓扑关系和时态方向关系，如1 9 8 3 年a l l e n 将时间区间视为简单时间对象， 提出了基于时间区间1 3 种事件间的时态关系并对其进行了描述( 如图2 3 ) ， 其中除“e q u a l 一关系外，其余6 种关系都有相应的反向关系，因此共1 3 种时态 关系b e f o r e a f t e r 、m e e t s m e t 、 o v e r l a p o v e r l a p p e d 、 s t a r t s e n d s 、 d u r i n g c o n t a i n 、f i n i s h e s f i n i s h e d 、e q u a l s 1 【嚣1 ；v i l a i n 和h k a u t z 于1 9 8 6 第1 3 页 中南大学硕士论文第二章地下管网的管线要素间拓扑关系 年基于时间点提出的时间点代数，j i x i n 和k n i g h t ( 英国g r e e n w i c h 大学) 于1 9 9 5 年基于时间点和时间区间提出了3 0 种事件间的时态关系，张师超1 9 9 5 年将 a l l e n 的1 3 种基于区间的时态关系扩展为2 0 种基于间隔区间的时态关系汹1 。 e le 2 e 1b e f o r ee 2 + e le 2 e 1m e e t se 2 - 一h _ e l e 2 e 1o v e r l a pe 2 一 - e 1 e 2 e ls t a r t se 22 - e 1 e ld u r i n g e 2 e lf i n i s h e 2 卜 + e 2 e 1 卜斗 - _ e 2 e l e le q u a le 2 车二= e 2 e 2e i e 2b e a me 1 e 2e l e 2m e e t se 1 - i _ e 2 e l e 2 0 v e r l a p e l + e 2 e 1 e 2s t a r t se 12 e 2 e 2d u r i n g e l o 土e 1 e 2 e 2 f i n i s h e l 2 e 1 图2 - 3 基于时间区间的1 3 种时态关系 舒红等进一步区分了时态拓扑关系和时态方向关系，他们认为时态拓扑关系 强调的基本事实是“两个相邻发生的事件永远相邻发生”或“事件i 、j 是否永 远相继发生( 不顾及谁先谁后) ( 即语义为事件发生的同时不变性) 修，因此得 出类似于基本空间拓扑关系，基本时态拓扑关系同样为8 种( 如表2 - 2 ) 嘲o 第1 4 页 中南大学硕士论文 第二章地下管网的管线要素间拓扑关系 表2 - 2 两时态目标问的8 种时态拓扑关系 图示j r h ， j ， 一 ， ， 一 0 - - 0 一i 一， ， 一0 - - - - - 0 一 t v - - - - - - o 蔓皇 ， _ 一 j ， r ，卜7， j f oqf l o 叼 fa 埘1 f 1 。0 1f 埘，雹f 0 1 f ，o ，q f 胡璺 矩阵 l o 圳lo 别 【胡胡j l o 一刨 lo ，刨 lo 例looj l o 别 u i s j o i n ttm e e td v e r