（市政工程专业论文）天津市市政设施GIS构建与应用.pdf

中文摘要 城市道路、桥梁、地下管网、隧道等基础设施( 或称市政设施) ，是充分发挥 城市载体功能的先决条件，也是发挥城市综合功能的基础，是城市经济、科技、 社会发展水平高低的重要标志。g i s 技术的出现和发展，为市政设施管理事业的发 展拓宽了广阔的前景，为市政设施管理水平的提高提供了强有力的手段。 本文构建了一个功能合理、使用方便的整套g i s 在市政设施管理行业应用的 组建方案，它既充分利用目前g i s 开发的新技术，又突出了市政设施管理行业的 特点，从专业角度开展了市政设施g i s 系统的需求分析、总体设计、功能设计、 数据库设计，并指导了天津市市政设施g i s 系统的开发工作，通过建立起的市政 设施g i s 系统第一阶段的成果表明该方案是可行的、经济的、能满足天津市市政 设施中日常业务管理需求。 本文通过详尽研究在市政设施管理专业功能特点及现阶段g i s 开发的新技 术，制定出将g i s 技术与市政设施管理的业务功能高效结合的方案。对国内的一 些城市开发的相关g i s 系统的开发经验与出现的问题进行了总结，充分利用既有 的优良网络，改造落后的网络，组建了标准统一的市政设施g i s 系统，实现最大 限度的信息共享，避免了重复开发，节约了大量的资金。 系统组建起基于c s 、b s 、m s 模式相结合的框架结构，对系统的内部功能 进行了模块化设计，确保在系统各功能模块开发完成后，完全可以依据生产管理 的流程选择不同的模块或组件进行组合，满足不同的管理需求，体现出系统的可 维护性和可扩充性。真正在系统的建设方面贯彻“整体规划，分布实施 的原则， 使得系统按照系统工程的特点分期、分批逐步建设和完善。 通过详细分析市政设施功能、管理特点以及g i s 技术的发展趋势，进一步明 确g i s 在市政设施管理信息化建设中的基础地位，搭建g i s 系统在市政设施管理 上全新的管理平台，通过引入现行设施养护规范的评价体系、运用最新的灰色聚 类方法对排水养护设施进行状态评价，打破传统的决策方式，更加明确了管理范 围，催生了新的管理模式大大提升市政设施管理行业的生产管理效率。 关键词：市政设施地理信息系统排水管网信息管理总体设计 a b s t r a c t u r b a ni r m - a s t m c t u r e ( m u l l i c i p a lf a c i l i t i e s ) i 1 1 c l u d i l l gu 】r b a nr o a d ，b r i d g e ，u n d e 喀r o u n d p p en e t w o r k ，t u n n e 【，e t c n o to n i yi sap r e r e q u s t e 南rp l a y i n gu r b a nc a r r i e rm n c t i o n s u 伍c i e m l mb u ta 如i sab a s eo fp l a y i i l gu r b a nc o m p o s i t em n c t i o na n dai i l l p o r t a n t s y m b 0 【o fc i t ye c o n o m y ，c t yt e c h n 0 i o g ya n dl e v e lo fs 0 d a ld e v e 【o p m e n t 1 1 1 ea d v e n ta n d d e v e 【o p m e n to ft h eg l st e c h n o 【o g yn o t i yo p e nu pav v j d ep r o s p e c tf o ri n u l l i c i p a lf a c i l i t i e s a d m i l l i s t r a t i o n ，b u ta 【s oo f f e raw a yf o ri n c r e a s i n gl e v e i s0 fn m n i c i p a lf a c i l “i e s a d m i l 】i s t r a t i o n t h ea u t h o rc o n s t m c t sar e a s o l l a b l ea n dc o n v e m e mb u 硼p r o j e c ta b o u tm 吼i c i p a l f a c i l i t i e sa d m “s t r a ：t i o ng i s ，w m c hn o to 由c a nu s es o m en e wg i st e c h o l o g ya t p r e s 哪， b u ta l s oc a ns t a n d so u ts o m ec 1 1 a r a c t e r i s t i co f m u i l i c i p a l f a c i l i t i e s a d m i i l i s t r a t i o nv o c a t i o n f u r t r eh ed e v e l o p sd e i l l a n da m l y s i s ；g e n e r a ld e s i g n ； 向n c t i o nd e s i g na n d 妣a b a s ed e s 远n 加u tm u l l i c i p a lf a c i l i t i e sa d n l i i l i s t r a t i o ng i s t h ep r o j e c td h c td e v e l o p m e n tw o r ko fm u i l i c i p a lf a c i l i t i e sa d m i l l i s t r a t i o ng i so f t i a n j i n t h ep r o j e c ti sp r a c t i c a 【，e c o n o m ct h o u g hb u i 【d j n gt h ep h a s e1r e s u l t0 fm u n i c i p a l f a c i l i t i e sa d m i i l i s t r a t i o ng i s i tc a i ls a t s f yd a y t o - d a yw o r ko fm u i l i c i p a lf a c i l i t i e s a d m i i l i s t r a t i o no f t i a n j i l l 1 h ea u t h o rp h i l sap r o j e c to fi n t e g r a t n gg i st e c h n o l o g yw i t hb u s i i l e s s 向n c t i o no f m u i l i c i p a lf 犯i l i t i e sa d m i i l i s t r a t i o l l ， t h o u g hr e s e a r c h j n g f u n c t i o nc l l a r a c t e r i s t i co f m u l l i c i p a lf a c i l “i e sa d m “s t r a t i o na n ds o m en e wg i st e c l l l l o l o g ya tp r e s e n t t h e s y s t e mi sb u i l ta td e v e l o p m e me x p e r i e n c ea n dl e s s o no fg i so fs o i n ed o m e s t i cc i t i e s ， w k c hm a l ( e st h eb e s to fo r i g 证a ln e t w o r k ；r e a h z e su 血f i e ds t a n d a m sa n di i l f o m a t i o n r e s o u r c e s 蛐g ；a v o i d sl i 印e a t e dd e v e l o p m e ma 1 1 ds a v e s 缸n d s t h es y s t e mc o n s t r u c t i o ni sb a s eo ns o m ep a n e m ( c s 、b s 、m s ) i m e r l o c k e d m u t u a l l y ，t h ei 1 1 s i d em n c t i o no ft h es y s t e mi s c a r r i e do u tb l o c kd e s i g n w ec a ns e l e c t d i 丘- e r e mb l o c k 觚d 孕。o u p w a r ea s s e l l l _ b l e db yp r o d u c t i o nm a m g e m e mf l o wa f 【e ra u m n c t i o nb l o c l ( sa r ed e v e l o p e d t h es y s t e mc a ns a t i s 矽d i f f e r e n tm a n a g e m e n td e r m n d i t i st h ee m t ) o d i n l e n to f1 1 1 a 缸e n a n c ea n de x t e n s i o n t h es y s t e mw i l lb eb u i l ts t 印b ys t 印 a c c 0 r d i n gt ：oc h a r a c t 舐s 怎i co f s y s t e m se n 毋n e e n g ，s oc a r d n go u tr e a l 【y i n t e g r a t e dp i a n n i n g ； g r a d u a ie e c u a o n w | ec a ne v a l u a t e1 1 1 a 血a i n a b l ef a c i l i t i e ss c i e n t i f j c a l l y ；b r e a ko u t 廿a d i t i o l l a ld e c i s i o n m a k i n gm e t h o d ；a d v a n c ep r o d u c t i o nm a m g e m e n te 伍c i e n c yo fm u n i c i p a lf a c i l i t i e s a d m i l l i s t r a t i o nv o c a t i o n 伊e a t l mb yl a b o 血gi n u l l i c i p a lf a c i l “i e sm i l c t i o nm a n a g e r n e n t c h a r a c t e r i s t i cd e v e l o p m e ma 嘲1 do fg i s 锄df u m e rc l c a r i n gb a l s i cp i a c eo fg i si nt h e n f o r m a t j o nb u i l d l n go fi i i u l l i c i p a lf a c i l i t i e sa d m i l l i s t r a t i o 珥i i n p o n i n g1 1 0 r r n a le l u a t i o n s y s t e ma n dr e s e a r c hr e s u h sh t e s tt h o u g hn e wm 砌c i p a lf a c i l “i e sa d m i l l i s t r a t i o n p l a t f o 瑚o fg i s k e y w o r d s ：i n u i l i c i p a lf a c m t i e s ，g i s ；m u 血c i p a lp i p en e t w o r k ，讧l f o r m a t i o n m a n a g e m e m ，g e n e r a ld e s i g n 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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：苤盗盘茔或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲枷童 签字日期矽参钆月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：移哲乞 签字日期：硼多年少月日 聊魏习一後 签字日期：埘年一l 月q 一日 第一章概述 1 1gls 概述 1 1 1g ls 的涵义 第一章概述 地理信息系统( g e o g r a p h ici n f o r m a tio ns y s t e m 简称g i s ) 技术是近些年 发展起来的一项高新技术，它是在计算机硬、软件系统的支持下，对现实世界( 资 源与环境) 各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、 运算、分析、表达和应用的技术系统，是分析、处理和挖掘海量地理数据的通用 技术。它作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间 科学、信息学和管理学为一体的新兴边缘科学迅速地兴起和发展u 1 。g i s 技术广 泛应用于农业、林业、国土资源、地矿、军事、交通、测绘、水利、广播电视、 通讯、电子、公安、社区管理、教育、能源等几乎所有行业。同时，该技术在市 政领域也得到了广泛的应用。 g i s 融合计算机图形和数据库于一体，作为用来存储和处理空间信息的高新 技术，它把地理位置和相关属性有机地结合起来，根据用户的需要将空间信息及 其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民 生活对空间信息的要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各 种辅助决策。 1 1 2gis 的组成 从计算机科学的角度看，g i s 由四个主要部分组成计算机硬件、软件、 数据和人晗1 。 1 1 2 1gis 硬件 g i s 硬件主要由计算机和计算机外设组成。计算机是系统的核心，主要完成 数据加工、处理和分析。g i s 所需的计算机主要外设有： 输入设备数字化仪、扫描仪、解析测图仪、全站仪等； 存储设备磁带机、硬盘、光磁盘； 输出设备打印机、绘图机、显示屏； 网络设备网卡、网络适配器、路由器、网桥及一些附件。 g i s 可以是单机的，也可以是网络的。若是单机运行就不需要网络设备。 计算机运行g i s 的计算机包括大型、中型、小型工作站及微机几种系列。由 第一章概述 于计算机硬件技术的飞速发展，工作机的性能已接近小型机性能，微机性能已赶 上工作站性能，可以用于局部g i s ，但对于区域g i s ，其数据是海量的，微机硬 盘与内存之间的传递速度会制约系统的效率，所以对于一个行业级的大型g i s 来 说，应选用工作站级以上的计算机。由于网络技术的成熟，g i s 通常采用网络配 置模式，在网络内不同的程序可以同时互相独立地在不同的计算机上运行，实现 数据和资源共享。当网络中某台计算机出现故障时，其工作负荷可以转到其他计 算机上，整个系统不会瘫痪。 数据存储设备主要是指存储数据的磁盘、磁带、光盘及相应的驱动设备。磁 盘分为硬盘和软盘两种。硬盘是计算机的主要存储设备，软盘一般用于小量数据 的存储及计算机之间的数据传输。 数字化仪、扫描仪、解析测图仪、全站仪都是输入设备。其中的解析测图仪 第三代产品是专门面向g i s 数据采集而设计的。全站仪能以数据形式自动记录野 外测量数据，通过接口和数据格式转换程序向g i s 提供能接受的数据格式。 在输出设备里矢量绘图仪是最主要的图形输出设备。常见的是栅格输出设备 打印机，可以输出文本和图形。行式打印机的图形质量差，精度低，但速度 快。激光打印机的质量好，精度高，图形美观，但其幅面较小，不能输出大幅的 图纸。图形终端是图形显示的主要设备，其使用频率高。图形终端需要有显示和 适配器的支持。 1 1 2 2gls 软件 ( 1 ) g i s 软件由系统软件和应用软件组成。系统软件包括操作系统、设备驱 动软件、网络软件、编程语言、数据库管理系统等。应用软件包括基本功能软件、 接口软件、专业软件等。 ( 2 ) 从广度上可将g i s 的软件分成数据采集、转换系统、地理数据库系统、 图形图像系统、空间分析、空间查询系统、专业系统、输出系统，其中地理数据 系统是核心。以管网g i s 为例，它的的组成包括以下几个部分。 管网数据( 包括图形和各种属性) 采集系统：负责收集市政设施在规划、设 计、施工、维护等各个阶段的信息资料并数字化； 管网实时监测系统：负责收集管网运行过程中的压力、流量、水质、水力、 动力、设备运行等数据； c c t v 、遥感诊断等管道内检测系统：负责收集给排水管道在运行过程中结 构状况方面的数据； 地理信息数据库：将各种与管网有关的城区街道、建筑、企业信息等输入 数据库、管网水力特性数据库、管网环境数据库、结构因素数据库、经济因素数 据库、社会干扰因素数据库； 第一章概述 信息查询、分析系统： 腐蚀破损分析、事故管理和维护决策系统； 自动制图系统； 图形显示和输出打印系统。其中、属于数据输入与编辑部分， 属于数据存储与管理部分，、分别属于查询、分析、输出和表达部 分。系统整体结构见图。 图卜l 软件系统整体结构图 ( 3 ) 应用分析程序是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制 的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。应用程序作用于地 理专题数据或区域数据，构成g i s 的具体内容，这是真正用于地理分析的部分， 也是从空间数据中提取地理信息的关键。进行系统开发的大部分工作是应用程序 的开发，而应用程序的水平在很大程度上决定着系统的优劣与成败。 1 1 3gis 的发展历程 1 9 5 6 年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各 国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统( l i s ) 用于地籍管理。1 9 6 3 年， 加拿大测量学家r f t o m l i n s o n 首先提出了g i s 这一术语，并建立了世界上第一 个g i s 加拿大地理信息系统( c g i s ) ，用于自然资源的管理和规划。稍后，美 国哈佛大学研究出s y m a p 系统软件。当时的系统已能实现手扶跟踪数字化制图， 进行地图数据的拓扑编辑，分幅数据的拼接，并发展了基于栅格的操作方法。 1 9 6 6 年美国成立城市和区域信息系统协会( u r i s a ) ，1 9 6 9 年又建立起州信息 系统全国协会( n a s i s ) ，国际地理联合会( i g u ) 于1 9 6 8 年设立了地理数据收集和 处理委员会( c g d s p ) 。这些组织和机构的建立，对于传播g i s 的知识和发展g i s 第一章概述 技术，起到了重要的指导作用。 进入7 0 年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量 存取设备一磁盘的使用，为空间数据的录入、存贮、检索和输出提供了强有力的 手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能， 促使g i s 朝实用方向迅速发展。一些发达国家先后建立了许多专业性的g i s 。例 如，从1 9 7 0 至1 9 7 6 年，美国地质调查局就建成5 0 多个信息系统，作为地理、 地质和水资源等领域空间信息的工具。其它如：加拿大、联邦德国、瑞典和日本 等国也相继发展了自己的g i s 。与此同时，一些商业公司开始活跃起来，软件在 市场上受到欢迎。 8 0 年代是g i s 普及和推广应用的阶段，由于计算机的发展，推出了图形工 作站和微型p c 机等性能价格比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系 统在许多部门广泛应用。计算机网络的建立，使g i s 的传输时效得到极大的提高。 与卫星遥感技术相结合，g i s 开始用于全球性问题，例如全球沙漠化，全球可居 住区的评价，厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料，以及全球变化与全球监测。 进入9 0 年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及， g 工s 将深入到各行各业及至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可 缺少的工具和助手n 。 1 1 4gls 相关技术 ：- 。 | 露 g i s 技术和计算机技术( i t 技术) 、测量制图技术密切相关h 。，后两者的进步， 极大的促进了g i s 技术的发展。 1 1 4 1 计算机技术 计算机从其诞生之日起，就同军事应用、科学计算具有密不可分的联系，特 别是微电子技术的突破发展，个人计算机( p c ) 成为了现代社会各个层面必不可少 的设备。计算机技术的完善与快速发展的阶段，由功能单一、大体积过渡到多功 能、高速度、大容量、小体积。技术的发展使应用范围越来越大，用途和用户的 扩大促进了计算机的快速发展。由此产生的数据库与数据仓库技术、网络技术等 都成为了信息技术( i t ) 的基本应用能力。同时为g i s 的发展奠定了基础。 ( 1 ) 计算机数据处理环境 计算机数字成图技术早已在测量绘图中得到广泛应用，但由于原来计算机速 度、容量等因素，使得海量数据无法存储，计算速度无法满足适时需求，而大容 量存储介质的出现及数据库技术，解决了海量数据的管理问题；计算机速度的提 高、网络技术、分布式计算技术的出现，解决了信息资源共享、硬件资源共用以 4 第一章概述 提高计算效率的问题；数据仓库技术的出现，使信息的深层次挖掘、多行业重用、 综合信息统计与分析得以实现，进而为决策提供科学依据。计算机软硬件技术的 发展为g i s 发展提供了必要的条件。 ( 2 ) 开发工具及其应用技术 计算机软件开发工具及组件、跨平台等技术的发展，使得系统开发效率大大 提高，因而为g i s 系统的开发提供了保障。 1 1 4 2 测量制图技术 传统的测量制图技术是建立在密集劳动的基础上，虽然有各种测量仪器，但 其时效性较差，尚不能满足g i s 的需求。现代测量制图技术的发展，尤其是全球 定位系统( g p s ) 和遥感技术( r s ) 的发展，使得我们在极短的时间内就可获取大量 的空间矢量数据和影像数据，为g i s 提供宝贵的信息资源。包含的技术有： ( 1 ) 高分辨率卫星及大比例航空摄影技术 高分辨率卫星及大比例航空摄影技术，是支撑数字化建设的关键技术之一， 是为矢量化的空间信息库、图像信息库提供现时基础信息的主要手段。 ( 2 ) g p s g i s r s 一体化技术 g p s 、r s 和g i s 合称“3 s ”技术是数字化建设的三大支撑技术。这些技术各 具特色和局限：g p s 可在瞬间产生定位坐标，但却不能给出该点的地理属性；遥 感技术可快速获取区域面积信息，但又受光谱波段限制，而且还有众多地物特性 尚不可处理；g i s 具有较好的查询检索，空间分析计算和综合处理能力，但数据 录入和获取始终是一个瓶颈问题。数字化建设需要综合运用这三大技术的特长。 ( 3 ) 基础数字地图库的建设管理及标准化技术 包括遥感影像、信息系统标准化、数据库设计、海量信息管理等一系列技术。 1 1 5gis 发展趋势 g i s 作为计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的一种边缘 性学科，其发展与其他学科的发展密切相关。许多计算机领域的新技术，如 i n t e r n e t 技术、面向对象的数据库技术、数据仓库技术、三维技术、图像处理 和人工智能技术都可直接应用到g i s 中吲。 1 1 5 1w e b gis i n t e r n e t 改变了我们的世界。当前，i n t e r n e t 已不仅仅是一种单纯的技术 手段，它已演变成为一种经济方式网络经济。人们的生活也越来越离不开 i n t e r n e t 。大量的应用正由传统的c 1 i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 方式向 第一章概述 b r o w e r s e r v e r ( 浏览器服务器) 方式转移，g i s 技术也是如此。g i s 技术和 i n t e r n e t 技术的融合，正逐渐形成一种新的技术，我们称之为w e b g i s ，它的优 势在于：更广泛的访问范围、平台独立性、系统成本降低、更简单的操作。现在， w e b g i s 得到越来越广泛的应用。 1 1 5 2 海量数据管理 g i s 技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数据管理问题，因为对于一个城 市级的g i s 系统，其数据量极其巨大，一般可达到g b 的数据量级。天津市l ： 5 0 0 的基础地图约有4 g b 。传统的基于文件的管理方式显然不能处理这些问题， 而利用面向对象的大型数据库技术则能够有效地解决这一问题。利用该技术可建 立一种真正的c 1 i e n t s e r v e r 结构的空间信息系统，不仅可以解决海量数据的存 储与管理等问题，也解决了多用户编辑、数据完整性、数据安全机制等许多问题， 将给g i s 的应用带来更广阔的前景。 1 1 5 3 数据仓库技术 随着信息技术的飞速发展和企业界新需求的不断提出，以面向事务处理为主 的空间数据库系统已不能满足需要，信息系统开始从管理转向决策处理，空间数 据仓库就是为满足这种新的需求而提出的空间信息集成方案。空间数据仓库用于 支撑空间决策支持系统，它由四大部分组成：数据源、空间数据库系统及数据变 换工具、空间数据仓库信息存储系统、空间数据仓库分析工具。空间数据仓库的 解决方案使g i s 摆脱了简单性和非实用性，解决了系统内在结构的复杂特性，以 及现行系统的多异质性等问题，真正达到了为决策支持服务的目的。 1 1 5 4 高分辨率遥感与gis 结合 在传统的地图数据采集过程中，人们是采用手工作业方式，这要耗费大量的 人力和物力，而且数据更新的周期很长。但是，利用卫星拍摄的高分辨率的遥感 影像及大比例航空图像，人们可以迅速得到几周前甚至几天前的最新更新数据使 得数据更加真实准确，成本还可以降低十几倍。高分辨率遥感影像与g i s 、g p s 集成，人们能够实时地采集数据、处理信息、更新数据以及分析数据。 1 1 5 5 三维gis 与虚拟现实 三维g i s 和二维g i s 相比，可以帮助人们更加准确真实地认识我们的客观世 界。以前的三维显示只能应用在大型的主机和图形工作站上，随着计算机技术的 发展普通的p c 机就可以很轻松地进行真三维显示和分析。过去的g i s 大多提供 一些较为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距。 第一章概述 现在，三维g i s 可以支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间 数据库，解决了三维空间操作和分析问题。 1 2 基于g l s 的面向现代化的市政设施管理 1 2 1gis 在市政设施管理中的机遇 城市道路、桥梁、地下管网、隧道等基础设施( 或称市政设施) ，是充分发 挥城市载体功能的先决条件，也是发挥城市综合功能的基础，是城市经济、科技、 社会发展水平高低的重要标志，也是城市防灾、救灾的必要保证。所以能否对市 政基础设施进行良好的管理和养护将直接体现城市的管理水平，对城市人民的生 活和城市可持续发展的重要性是不言而喻的。 通过上文的介绍我们知道，计算机技术的发展，尤其是计算机图形学和数据 库的发展与广泛应用，使得市政设施管理水平发生了质的变化，计算机辅助设计 ( a u t o c a d ) 、数据库管理系统和自动制图等系统在该领域中的应用，给市政设施 管理带来了巨大进步。但是，这些系统自身都存在着弱点，它们在对图形或数据 库的某一方面管理中具有优越性，却难以将反映市政设施实际情况的图形数据和 属性数据结合起来进行统一管理，即便可能，实现起来亦很困难，且系统难以维 护，此外，这些系统对市政设施图素的空间查询和空间分析能力亦很薄弱m 1 。例 如：一般事务管理用的数据库管理系统( d b m s ) ，不适合直接管理空间数据，不能 提供有关空间位置的查询功能，没有复杂的图形显示功能，没有存储、处理空间 数据的功能。 而g i s 技术的出现和发展，为市政设施管理事业的发展拓宽了更广阔的前 景，为市政设施管理水平的提高提供了强有力的手段。比如在城市地下管线管理 领域，就可以实现从地下管线探查、测量、数据统计与计算、图形及属性数据管 理到图表和数据输出一体化管理，优化地下管线探测及建库的工艺流程，满足市 政设施管理的需要。 1 2 2 构建市政设施gls 系统的紧迫性 目前市政行业建管分开改革正在不断深化，虽然市政设施的长效管理体制基 本形成，但新型管理体制下的机制还不够完善，行业管理还处于摸索阶段。因此 “建立长效管理机制，健全和加强各级行业管理，为各级市政行业管理部门的建 设规划、工程施工、日常养护提供辅助决策信息盯h 就成为信息化建设的总体需 求。 第一章概述 ( 1 ) 大势所趋 二十一世纪是信息大爆炸的世纪。在这个信息资源高度共享的现代世界，我 们与发达国家的最大差距已经不再是应用技术上的，而是思想观念上的，包括管 理理念、革新理念等方面的。当现代化的“无纸办公 正在逐步实现的时候，已 经没有理由舍弃先进方法不用而仍沿用传统的方式来管理这些依靠现代技术建 立起来的设施。 ( 2 ) 提高现代化管理水平 现代化的办公是自动、高效的过程，而传统方法采用图纸资料和人工管理。 由于市政设施建设快，资料繁多，而图纸资料的可更新性差，人工管理任务重， 效率低，不能准确及时地反映市政设施发生的问题。因此迫切要求建立一套完善 的监督、检查、评价体系及市政基础设施管理信息系统。而行业管理中遇到不少 问题，包括管理中缺乏有效的抓手和载体、管理手段跟不上等等一系列的难题， 惟有依靠建立起完整的信息系统及配套措施予以化解。 ( 3 ) 最大限度的信息共享 在一个统一的标准上，建设天津市市政设施g i s ，将为天津市范围内所涉及 到的各部门间的数据共享提供一个基础平台，从而最大限度地开发利用资源。 ( 4 ) 辅助决策系统 鉴于市政设施管理部门功能划分的实际情况，目前各部门各自为政，难以实 行有机而协调的统一管理，往往容易造成建设和管理的混乱；再者现已有的一些 管理系统如路面管理系统、桥梁管理系统等应用范围很小，这就需要建立一个大 的系统平台，在这个基础之上开发各部门需应用的子系统，这样，既保证了各部 门之间的数据是完全共享，又能准确、充分地为决策者的决策提供各相关部门的 所有信息。可以说，一个优秀的市政设施g i s 是决策支持系统( d s s ) 的重要组 成部分。 ( 5 ) 地理信息动态性和实时性 对于市政设施g i s 而言，从管理角度上要求信息的实时性和动态更新性，以 便对偶然性、突发性事件进行分析处理。但是，常规的基于文件的或纯数据库的 管理系统难以实现对偶然性、突发性事件的监测，从而可能导致问题处理或决策 时机的延误。然而基于g i s 的市政设施信息系统，就完全能够达到这一目的，它 在对数据的及时更新和查询、检索方面提供了强力的支持。 ( 6 ) 经济性考虑 随着基础设施建设投资的逐年增长，市政基础设施逐步完善，急需建立完善 的g i s ，用现代化手段对这些设施进行有效的管理，不能一味靠增加设施数量、 加大资金投入来解决问题，因此必须最大限度挖掘现有市政设施的潜力。由此建 第一章概述 立市政g i s 在优化管理、提高现有市政基础设施方面将大有作为。 1 2 3g i s 在市政设施管理中的特点 g i s 技术在市政设施管理中的应用相对于其他行业有其自身的鲜明特点。 ( 1 ) 数据量大、格式多 对于公路交通而言，需要逐桩位、逐路段地进行属性信息录入，而对于市政 设施则需逐点位的数据录入，这就需要建立多字段的属性数据库，进行大批量的 数据录入。除此之外，部分情况还需要录入音频或视频信息，为市政设施养护管 理提供丰富多彩的表达方式。对于早前建立的小型管理系统，例如路面管理系统、 桥梁管理系统，还涉及到数据格式转换的问题，以把处于不同数据库的原有数据 进行最大限度的利用。 ( 2 ) 数据更新相对频繁 在系统建成后的正常运营期间，若要保证其达到预期设计目的就不得不进行 经常性的数据更新、维护，例如对于养护部门，在日常的检修、养护工作中对数 据进行及时更新，以便为共享数据的其它部门提供最新的有效数据。 ( 3 ) 开发周期长 大型的市政设施管理g i s 的建设周期是比较长的，从项目的前期论证、系统 设计、数据库设计到开发、数据录入等，都需要多次反复斟酌和完善。 ( 4 ) 系统安全的重要性 对于市政基础设施信息的收集，是相当费时费力的，所以录入计算机后，保 证基础数据的安全显得尤为重要。此外，市政g i s 所提供的部分基础地图也涉及 到国家或公共设施的安全，应该予以严格的保密。 ( 5 ) 分布式系统结构 在整个城市范围内，为了让更多的相关职能部门和广大市民都能有效访问 市政g i s 服务系统，需采用c s 与b s 结合的系统结构形式。主要部门能以客户 端身份访问服务器，而公众可以通过网络浏览器查询公共信息，适应市政设施数 据库远程并发控制和多用户进行数据操作的要求。 ( 6 ) 支持二次开发 系统应支持二次开发，为应用系统的功能开发以及远期维护提供支持。 1 2 3 市政设施gis 现状 g i s 在市政系统上的综合应用在国内外目前较少。从九十年代初或更早些时 候，许多部门针对自己的业务需求建立了部门级的小型g i s 。例如排水信息管理 9 第一章概述 系统，桥梁管理系统、城市综合管网监控系统、市政公用设施管理系统，这些部 门级的应用一般来说是一个独立的系统，在每个系统与系统之间是相对独立的， 数据既不能共享也不能统一查询、检索、分析。但是，鉴于目前g i s 的发展趋势， 国内外都在建立自己的行业级大型g i s 。 ( 1 ) 北京市市政设施g i s 通过对市政设施信息的计算机管理，为北京市市政的管理、规划和设计部门， 提供直观的、有效的管理手段，及时提供准确的设施现状，为市政处提供高效的 设施档案和设施维护状态的管理，并借助于g i s 空间分析，为决策提供科学依据。 ( 2 ) 上海市市政设施g i s 上海市市政工程管理处提出信息化建设的总体目标：建成以上海市城市道 路、桥梁、下水道、防汛墙、建设管理、路政管理为主线的信息管理系统。同时 与管理相结合，向全市推广应用，最终建立覆盖全上海市政行业管理的分布式信 息管理系统，为市政行业管理提供决策支持，为社会公众提供信息服务。 它所建成的市政设施信息化管理系统功能的开发紧密围绕单位管理职能进 行，主要功能有：属性数据库管理，图层空间数据库管理，显示功能，输入、修 改功能，查询、统计、报表功能。道路、桥梁子系统还具有辅助决策功能，建设 子系统还具有：规划管理、计划管理、在建项目管理等功能，路政子系统还具有： 占路、掘路、广告、重车过桥等功能。 ( 3 ) 重庆市城市市政设施资源管理g i s 系统采用专业g i s 和大型关系数据库为平台，结合市政管理工作建立相关的 应用系统，对城市市政、环卫、灯饰等资源信息进行综合管理。建立市政公用、 环卫基础设施电子地图，在电子地图上绘制路灯、灯饰、广告、道路、桥梁、隧 道、自来水厂、污水处理厂等市政公用、环卫基础设施；能够在电子地图对各类 设施的有关信息进行查询、定位、统计、输出，为管理人员规划、设计、决策提 供需要的数据。 ( 4 ) 天津市市政行业的g i s 建设 天津市煤气管网g i s 该系统能实现管线数据录入更新、数据查询统计、 三维管线操作、空间分析、统计输出、管线综合分析、对外服务、管网设备管理、 管线工程辅助设计与审批、安全管理等功能。 天津市环卫g i s 垃圾处理是当前城市环境卫生管理部门的主要任务。随 着社会的不断发展与进步，环境管理也逐步走向科学的管理轨道。天津市环境卫 生工程设计研究所针对城市垃圾处理的迅速发展，以m 印t i m d e 地理信息系统为 基础编制了城市垃圾的运输、分配及综合管理软件，解决大中城市垃圾处理中的 信息管理及量化问题。 1 0 第一章概述 天津市排水管理信息系统系统通过对地形、泵站、排水管网等设施的监 测数据及空间数据的综合管理，实现网上查询、管理、图纸共享、实时监控、排 水管理决策支持、报表生成等业务流程的自动化，利用本系统能完成降雨量的即 时查询，积水点、泵站的科学分析，调度措施的及时形成，排沥时间的科学预测， 为汛期积水点的及时排除提供科学依据。 ( 5 ) 美国纽约州建立交通信息及设施管理g i s 系统 交通管理部门在已有的小型部门及管理系统的基础上，建立了一个g i s 系 统，统一数据格式，从而使原来的各个系统的数据可以在g i s 系统中共享且统一 地进行查询分析。同时还可以利用g i s 系统对交通信息及设施进行分析、管理和 辅助决策，例如：哪些交通设施需要维修、新交通项目建在何处及哪个先建哪个 后建更有利、交通事故分析、如何增加交通安全及减少交通拥堵等。 1 3 关于本论文 1 3 1 论文的提出 近几年， g i s 技术在天津市市政设施管理领域的应用逐步深入。市排水管 理处、道桥管理处等单位都开发了基于g i s 技术的市政设施管理信息系统。这些 系统的应用，对进一步提高市政设施的养护管理水平，发挥了较大的作用。 随着g i s 技术应用范围的不断扩大和应用深度的加强，市政设施g i s 的研究 逐渐暴露出一些问题来。表现在以下几个方面： ( 1 ) 各职能单位g i s 的开发建设缺乏统一的规划管理。g i s 的建设没有统一 的技术标准，基本上是各自为政。长久下去将影响到各职能单位g 工s 的系统集联 和数据资源的共享，最终会影响天津市市政设施管理的建设和发展。 ( 2 ) 各职能单位g i s 的开发建设缺乏统一的规划，有重复开发和建设的现象。 ( 3 ) 对g i s 技术的发展趋势以及在同行业的应用现状缺乏较深入的研究。 本文的主要任务就是为解决以上存在的问题并为建设一个统一的天津市市 政设施g i s 做技术准备。课题的g i s 包括中心系统、道路桥梁分系统、排水分系 统和公路分系统，限于篇幅和论述方便，本论文以排水分系统为主，以道路桥梁 分系统为辅，阐述天津市市政设施g i s 的构建与应用。 1 3 2 研究意义 通过课题的研究，可以避免不必要的重复开发和资金投入，科学地分配和使 用人力和物力资源，提高开发的效益。系统将作为未来“数字市政”、“数字城建 第一章概述 和“数字天津”的核心组成部分之一，为天津市现代化市政管理服务体系和市政 工程建设、城市灾害防救体系的形成和城市综合功能体系的形成提供基础支撑。 1 3 3 研究主要内容 对现有g i s 的现状、相关行业的g i s 进行分析研究，结合目前的g i s 最新技 术和实际需求，参照国家g i s 相关技术标准，提出市政设施g i s 的建设方案。主 要包括： ( 1 ) 系统需求分析：系统现状分析、业务需求分析、数据需求分析、功能需 求分析、系统性能需求、系统安全需求。 ( 2 ) 系统总体设计：设计目标与任务、设计原则、总体框架设计、功能设计、 界面设计、安全设计、性能设计。 ( 3 ) 系统开发：开发基本思想、总体方案、软件结构体系、集成方案、技术 支持。 ( 4 ) 数据库设计：概念设计、逻辑设计、物理设计。 ( 5 ) 应用模型分析：雨水管网流量模型、雨水管网水质模型、灰色理论在排 水管线状态评定中的应用模型、路面技术状况评价模型。 1 2 第二章市政设施g i s 需求分析 第二章市政设施g i s 需求分析 详尽完备的需求分析是进行系统设计的前提和基础阳1 。通过对市政设施管理 各部门充分的需求调查，对其运行机制、信息流程、现有数据基础以及其对系统 的要求等方面的详细研究，并经过多次修改，形成最终的需求分析。 2 1 整体需求 整体需求，是市政部门的基本需求和共同需求。主要包括信息处理及管理和 信息服务的需求、市政部门业务及办公的需求、辅助决策需求及信息共享与服务 社会的需求、网络环境需求、性能需求、高可靠性的需求、可维护性需求等方面。 2 1 1 信息处理、管理及信息服务的需求 对市政信息管理、处理和信息服务的需求，具体来说包括两方面：一是天津 市市政管理部门内部工作的需求，主要是对市政信息资料快速、规范、准确地进 行输入、存储、管理、更新，信息的检索、统计、分析和制图输出等。二是社会 的需求，主要是社会各方面对市政信息的要求和服务等。 天津市市政设施g i s 的基本需求如下： ( 1 ) 以统一的数据标准和规范建立天津市市政设施基础空间数据库，并建立 统一的基础数据来源，确保基础数据有一个统一的稳定的更新机制。 ( 2 ) 快速、准确、规范地进行各类图纸资料、技术资料和统计数据的输入、 编辑、存储和管理，为不同的用户进行各类资料的有效存储和管理，实时为各类 信息的查询检索和统计提供手段。 ( 3 ) 按照地图制图标准和规范，进行地图制图和输出，为各类用户提供标准 化和规范化的基础地图及各类专题图。 ( 4 ) 有效地进行以城市市政设施为主的空间数据分析和操作，如市政设施信 息的迭加