（检测技术与自动化装置专业论文）基于gis的城市排水管网信息系统的设计与开发.pdf

允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名： 颢c 宁考 指导教师签名：压声望 签字日期：2 p j l 年6 月17 e t签字日期：，年多月，7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 f 学位论文作者签名：礁呼考 日期：沙ff 年 l 易月77 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的飞速发展，城市排水管网系统的建设速度也在加快。随着管 网系统规模的不断加大，城市排水管网的管理也需要不断加强。但是，我国绝大 一 多数城市仍采用传统的人工管理方法来管理城市排水管网，其弊端显而易见。为 了充分管理和利用越来越多的排水管网信息，迫切需要建立一个完整、准确的排 水管网信息系统，来提高排水管网管理的效率、质量和水平。随着计算机技术的 高速发展和地理信息系统( g i s ) 技术的广泛应用，利用g i s 技术建立排水管网信 息系统，能够满足城市规划部门、设计和管理部门的需要。 本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项“高截污率城市雨污水 管网建设、改造和运行调控关键技术研究与工程示范课题 ( 课题编号： 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 1 ) 。本文设计的基于g i s 的城市排水管网信息系统是融计算机 图形显示和数据处理技术于一体，储存和处理空间信息的高新技术。本文从系统 设计和开发的角度，根据排水管网管理的实际需求，选用国内先进的组件式g i s 开发工具s u p e r m a po b j e c t s ，并结合可视化编程语言v i s u a lb a s i c 对排水管网信 息系统进行二次开发，使其充分发挥g i s 对属性和空间数据的编辑、显示、查 询、分析、处理的功能，从而更准确、直观、高效的为城市排水管理服务。 在系统的研究和设计过程中，本文首先分析了目前排水管网系统的背景、现 状和存在的问题，然后在对地理信息系统知识充分学习理解基础上，完成系统的 逻辑结构和总体框架设计。根据提供的排水管网的图形和属性数据，在系统平台 上完成了空间数据库与属性数据库的建立，完成了系统界面功能的设计，并最终 实现了排水管网系统的一些基本功能。该系统能实现排水管网数据的录入、存储、 编辑、实时更新和输出功能；图形浏览功能；数据库管理功能；管网属性查询和 s q l 复杂查询功能；几何量算和缓冲区分析等功能。 通过本系统可以迅速、准确获得所需要的各种排水管网信息，同时加快了数 据的流通速度和更新周期，提高了信息的共享程度。该系统的建立不仅为城市排 水管网的发展预测和规划决策提供了有效管理工具，而且还丰富了数字化城市建 设的内容，为城市的可持续发展打下了坚实的基础，具有深远的意义。本论文最 后总结了排水管网信息系统开发方面的研究成果，并对后续工作进行了展望。 江苏大学硕士学位论文 关键词：地理信息系统，排水管网，s u p e r m a po b j e c t s ，v i s u a lb a s i c 玎 h o w e v e r , i nm o s tc i t yo fo u rc o u n t r yi ti so b v i o u st ou s et r a d i t i o n a lh a n d w o r km e t h o d t om a n a g eu r b a nd r a i n p i p en e t w o r k s i no r d e rt om a n a g ea n da p p l ym o r ea n dm o r e d r a i n p i p en e t w o r ki n f o r m a t i o n ，t oe n h a n c em a n a g e m e n te f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f d r a i n p i p en e t w o r k ，i ti sn e c e s s a r yt o e s t a b l i s hap e r f e c t ，e x a c td r a i n p i p en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m a st h eh i 曲一s p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d w i d ea p p l i c a t i o no ft h eg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，i ti se s s e n t i a lt o d e v e l o pad r a i n p i p em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do ng i s ，w h i c hc a nm e e t t h en e e d so f c i t yp l a n n i n g ，p r o j e c t i n ga n dm a n a g i n gd e p a r t m e n t s t h i st a s ki sf r o mt h es t a t ew a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n dm a n a g e m e n to fm a j o r p r o j e c t s h i g hs e w a g e - i n t e r c e p t i o nr a t eo fu r b a ns t o r ms e w e rn e t w o r kc o n s t r u c t i o n ， a l t e r a t i o na n do p e r a t i o nc o n t r o lk e yt e c h n o l o g y r e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n g d e m o n s t r a t i o n ( 2 0 0 8 z x 0 7 317 一0 01 ) u r b a nd r a i n p i p en e t w o r ks y s t e mo nt h eb a s eo f g i s ，i n t e g r a t i n gc o m p u t e rf i g u r e s h o wa n dd a t ap r o c e s sa saw h o l e ，i san e w t e c h n o l o g yt os t o r ea n dp r o c e s ss p a t i a ld a t a i nt h i st h e s i s ，f o r ms i d eo fd e s i g na n d d e v e l o p m e n t ，t h r o u g ht e c h n i c a ls u p p o r to fg i s ，c o m b i n i n g a c t u a ld e m a n do f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to ft h ed r a i n p i p en e t w o r k ，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f d r a i n p i p en e t w o r k i sr e a l i z e do n s u p e r m a po b j e c t s w h i c hi sa na d v a n c e d d e v e l o p m e n tt o o l so fg i sc o m p o n e n ta n dv i s u a lb a s i cw h i c h i sv i s u a lp r o g r a m m i n g l a n g u a g e i t c a l lf u l l yu t i l i z eg i sf u n c t i o nt oe d i t ，s h o w , a n a l y z e ，p r o c e s s ，i n q u i r e s p a c ea n da t t r i b u t ed a t a ，s ot h es y s t e mc o u l ds e r v eu r b a nd r a i n i n gm a n a g e m e n t a c c u r a t e l y , e f f i c i e n t l ya n dp r o m p t l y i nt h ep r o c e s so fd e s i g na n ds t u d yo fd r a i n p i p en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ，t h i s t h e s i sf i r s t a n a l y z e st h e s i t u a t i o na n de x i s t i n g p r o b l e m so fd r a i n p i p en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m t h e nb a s e do nf u l l ys t u d ya n du n d e r s t a n dt h ek n o w l e d g eo f 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ，c o m p l e t et h ed e s i g no ft h el o g i co ft h i ss y s t e m s t r u c t u r ea n dg e n e r a lf r a m e w o r k a c c o r d i n gt og r a p h i cd a t aa n dp r o p e r t yd a t aa b o u t t h i sd r a i n p i p en e t w o r k ，p r o p e r t yd a t a b a s ea n ds p a t i a ld a t a b a s ea r ee s t a b l i s h e di nt h e p l a t f o r mo f t h es y s t e m c o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c ef u n c t i o n so fs y s t e m ，a n d f i n a l l ya c h i e v e ds o m eb a s i cf u n c t i o n so ft h ed r a i n p i p en e t w o r ks y s t e m w ef u l f i l l e d t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：i m p o r t ，s t o r e ，c o m p i l e ，i nt i m eu p d a t i n ga n dd a t ao u t p u t a b o u tt h ed a t ao fd r a i n p i p en e t w o r k ；g r a p h i c sb r o w s i n g ；d a t a b a s em a n a g e m e n t ；t h e i n q u i r yf u n c t i o no fp i p e l i n en e t w o r k s ；s q lc o m p l e xi n q u i r e ；g e o m e t r yc a l c u l a t i o n a n db u f f e ra n a l y s i se t c w ec a no b t a i nn e e d e di n f o r m a t i o no fd r a i n p i p en e t w o r k sa c c u r a t e l ya n dr a p i d l y t h r o u g ht h i ss y s t e m t h ee s t a b l i s h m e n to ft h es y s t e mh a s o f f e r e da ne f f e c t i v e m a n a g i n gt o o l f o rt h ed e v e l o p m e n tf o r e c a s t i n ga n dp l a nd e c i s i o ni nd r a i n p i p e n e t w o r k so ft h ec i t y b e s i d e s ，i th a se n r i c h e dt h ec o n t e n ta b o u tt h ed i g i t a lc i t y , a n d b u i l tas o l i df o u n d a t i o nf o rt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h ec i t y i t sg r e a t m e a n i n g f u lf o rt h ef u t u r e i nt h ee n do ft h ep a p e r , t h ee x i s t i n ga c h i e v e m e n ta n ds o m e f u t u r ep e r s p e c t i v eo ft h i ss y s t e ma r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) ，d r a i n p i p en e t w o r k ， s u p e r m a po b j e c t s ，v i s u a lb a s i c i v 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 本课题来源及研究背景1 1 1 1 现存排水管网系统中的特点和问题1 1 1 2 排水管网g i s 管理系统的特点2 1 2 国内外排水管网g i s 系统的研究现状与发展趋势3 1 2 1 国外研究现状与发展趋势3 1 2 2 国内研究现状与发展趋势4 1 3 课题研究的意义4 1 4 课题主要研究工作5 第二章地理信息系统( c l s ) 概述7 2 1 地理信息系统的基本概念7 2 1 1 地理信息与地理信息系统7 2 2 地理信息系统的分类7 2 3 地理信息系统的构成及功能8 2 3 1 地理信息系统的构成8 2 3 2 地理信息系统的功能9 2 4 地理信息系统与相关系统的关系1 0 2 4 16 i s 与数据库1 1 2 4 2g i s 与数字地图1 1 2 4 3g i s 与c a d 1 1 2 4 4g i s 与r s i 1 1 2 4 5g i s 与g p s ：1 2 2 5 地理信息系统的发展趋势1 2 2 5 1 开放式g i s ：o p e n g i s 1 2 2 5 2 虚拟g i s ：v g i s 1 3 2 5 3 网络g i s ：w e b g i s 1 3 2 5 4 多媒体g i s ：m g i s 1 4 2 5 6 组件化g i s 1 4 2 6 本章小结1 5 第三章排水管网g i s 信息系统总体分析与设计1 6 3 1 系统目标和设计原则1 6 3 1 1 系统基本目标1 6 3 1 2 系统设计原则1 6 3 2 系统开发方式1 7 3 2 1 开发方式的比较与确定1 7 3 2 3s u p e r m a po b j e c t s6 介绍1 9 3 3 系统数据库分析与设计2 2 3 3 1 系统数据库的基本功能2 3 3 3 2 系统数据库结构设计2 4 v 江苏大学硕士学位论文 3 3 3 系统数据库总体设计2 4 3 4 系统逻辑结构设计3 1 3 5 系统总体框架设计3 2 3 6 系统软硬件配置3 2 3 6 1 硬件配置3 2 3 6 2 软件配置3 3 3 7 本章小结3 4 第四章系统的建立及其功能实现3 5 4 1 系统数据库的建立3 5 4 1 1 空间数据库的建立3 5 4 1 2 属性数据库的建立3 6 4 2 系统界面的实现3 7 4 2 1 系统登录界面3 7 4 2 2 系统主界面3 8 4 3 系统菜单设计3 9 4 3 1 一级菜单3 9 4 3 2 下拉菜单3 9 4 4 系统主要功能介绍4 1 4 4 1 系统管理菜单4 l 4 4 2 视图菜单4 3 4 4 3 数据输入菜单4 5 4 4 4 数据管理菜单4 6 4 4 5 查询统计菜单4 8 4 4 6 数据分析菜单5 0 4 4 7 帮助菜单5 2 4 5 本章小结5 3 第五章总结与展望5 4 5 1 论文工作总结5 4 5 2 后续工作展望5 5 参考文献5 6 致谢6 1 攻读硕士学位期间已录用的学术论文和参与的科研项目6 2 v l 江苏大学硕士学位论文 1 1 本课题来源及研究背景 第一章绪论 本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项，课题名称是“高截污 率城市雨污水管网建设、改造和运行调控关键技术研究与工程示范课题”( 课题 编号：2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 1 ) 。 城市排水管网承担着收集和输送城市雨污水的重要功能，对人民生活、经济 建设、地表水和地下水的安全及生态环境都有很大影响。是城市赖以生存和发展 的物质基础，被称为城市的“生命线 。智能化排水管网信息管理系统不仅能为 城市规划、设计、管理和施工部门提供科学、准确完整的排水管网信息，促使城 市健康发展，同时还可帮助相关部门进行管理和维护工作。当有突发事件和灾害 发生时，系统能够进行快速的决策和有效的救援工作，从而大大提高工作效率， 保证排水管网的正常运行【1 - 2 1 。 1 1 1 现存排水管网系统中的特点和问题 在城市现实生活中，每天都会产生大量的污水，如果不及时排出就会影响人 们的正常生活。在工业和企业生产中都会用到水，所以生产中每时每刻都会产生 废水，如果不及时排出就会影响正常生产。城市区域的不透水地表比例很大，破 坏了原有的自然降雨和径流过程，从而使径流量变大，若不及时排除，不仅会给 城市的生产和生活带来不便，更有可能引起洪涝灾害，带来严重的后果。所以城 市必须采用排水管网系统收集和输送生活与生产过程中产生的污水和降雨的径 流【3 训。 城市排水管网信息系统是收集和输送城市产生的生活污水、工业废水还有降 水的一整套工程设施，这些设施间存在相互制约的关联关系。排水管网信息系统 能及时排除市区内产生的工业废水、污水和降水，使城市拥有一个舒适安全的生 产、生活环境，维持城市的生态平衡和可持续发展。 与快速发展的城市排水管网建设相比，我国对城市的排水管网信息化管理却 显得相对滞后，主要问题有以下几个方面： ( 1 ) 管网现状资料不够完整与可靠 江苏大学硕士学位论文 排水管网系统的规划、建设必须与管网系统的现状相结合，然而大多数城市 的排水管网系统修建的时间较长，而一直以来城市的管网资料管理大都只处于人 工管理阶段，管网资料以图纸和图表等方式保存1 5 1 。这些管网资料残缺不全，而 且经过了几十年后，管网早已经过多次改造、维护，与当时情况也发生了巨大变 化，所以很难得到完整、可靠的现状资料。 ( 2 ) 排水管网档案资料查阅困难 对于一个中等大小的城市排水管网系统来说，它的设计图纸就有数千张，甚 至更多，要在这其中找到你所需要的管网工作资料，不仅工作强度大、效率低， 而且准确性也很难以保证，可以说查阅城市排水管网资料确实是一项艰巨的工 作。 ( 3 ) 传统管理手段落后 随着经济的发展，近年来许多道路和小区的改建、扩建和新建，使得排水管 网发生了巨大的变化。传统的手工管理管网资料、管网纸制资料存档使得城市地 下管网资料的更新、信息维护和检索等都已不能满足管网发展的需要函7 l 。 1 1 2 排水管网g i s 管理系统的特点 排水管网g i s 系统是对城市排水管网进行科学化管理的重要手段，它对城 市建设、发展、规划及决策等所起的作用非常重大。该系统是处理和存储空间信 息的高端技术，它融合计算机图形学和数据库技术于一体，将地理位置与相关属 性有机结合起来，可以根据实际需要精确真实、图文并茂的输出给用户，可满足 市政管理部门对排水管网系统的运行、管理、设计和信息查询的需要，借助其独 有的空间分析功能及可视化表达，还可进行各种辅助决策分析 a l 。具体特点归纳 如下： 1 ) 运用g i s 技术可有效地对排水管网的图形数据和属性数据进行管理。 图形数据库主要存储与排水管网相关的图形数据，包括基本道路图、排水( 雨 水、污水) 管线图、各管线对应的标记和相关附属物( 如检查井、泵站、污水处 理厂等) 等；图形数据库利用拓扑关系存储线段之间的联接关系，包括管线弧段、 结点位置等信息。属性数据库则由泵站、检查井、污水处理厂、附属物、管段、 和道路中心线等多个数据库组成，它反映各类管网及其附属物的位置、结构的属 性信息。 2 江苏大学硕士学位论文 2 ) 运用g i s 技术可实现管网任意位置横、纵断面及立体图的三维观测功能。 地下排水管网信息不但数据量大，内容复杂，而且有地下层层叠加的特点。 地下经常上、下交叉多层，每层铺设多根各类型管线最终形成的是纵横交错的地 下管线立体空间。目前普遍使用的二维g i s 技术，是利用地下( 或地上架空) 数 据投影至地表，然后再加以处理。所有经过这些系统处理的二维平面图形，它们 是在某一位置上形成“层 ，大都定位于地表。这样的二维系统可以用公式 v = f ( x ，y ) 、v = f ( x ，y ，z ) 表达：公式中的( x ，y ) 是平面坐标，v 则是对应此点的属性数 据，对于不同的层，v 表示不同的含义。三维系统( x ，y ，z ) 是表示空间的真实坐 标在三维空间的连续、自由变化，v 表示的是该点的属性值，具有相对唯一性【9 l 。 3 ) 运用g i s 技术可实现统计、定位、网络分析等功能。 对某个区域、某管线或检查井可进行各种形式的统计；可方便、快捷地定位 到管网中的特定区域和设施【1 0 l 。可把地形图、管段、管网设施( 如阀门、水表、 消火栓等) 各存放到不同的图层上，然后在实际应用中就可对各图层分别进行操 作或者把若干个图层叠加到一起进行网络分析。 1 2 国内外排水管网g i s 系统的研究现状与发展趋势 1 2 1 国外研究现状与发展趋势 世界发达国家对城市排水管网的管理特别重视，美国、日本和欧洲一些国家 都建立了自己城市较详细的管网信息管理系统，它们把空间及属性数据利用大型 g i s 软件存储于空间数据库中并依靠g i s 系统的强大空间分析功能对管网系统进 行管理和决策。例如法国巴黎市区的排水管网的诊断研究及污水治理系统：该系 统建立了全市范围内排水管网的水力模型，能确定管网的关键区域及其相对应的 水力工况和治理方案，对管网应对暴雨能力进行模拟分析，同时给管网系统的水 情监测正确定位提供了科学依据。国外排水管网信息系统还结合自动制图系统、 设施管理系统、决策支持系统、专家系统，为城市规划和建设管理提供高精度、 高可靠性与实时性的排水管网信息【l l - 1 6 1 。另外西方国家还正在研究更为先进的管 网管理系统，如全国联网、自动探测、网上发布、卫星接受、计算机智能控制决 策的现代化管网信息管理系统。总的来看，集成网络通信技术、遥感数据处理技 术和专业模型是目前国外排水管网管理系统的大体发展趋势 一9 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状与发展趋势 我国g i s 起步较晚，开始于7 0 年代初期。进入9 0 年代之后，我国在g i s 方面的研究和应用取得了实质性的进展1 2 们。此时许多国外著名的g i s 软件产品 进入到中国市场，相应国产软件也投入市场。中国各大、中城市的市政管理部门 开始建立他们自己的排水管网g i s 管理系统，如：大庆市东城区建立了排水管 网信息管理系统；由英国宾尼博莱克维奇公司与上海市排水有限公司合作开发了 南宁市排水网络地理信息系统1 2 1 l ；广州市以地理信息系统为核心建立了地下管 线信息系统，引入了城市地下动态管线管理理念，保证了数据的实势性，提高了 规划设计的科学性。它实现了具有一定智能水平的地下管线计算机监理查错、地 下管线辅助设计、管线地图综合等功制2 2 1 。总的来说，我国排水管网g i s 信息 系统的研究还是处于空间查询、数据浏览、统计分析、简单的空间分析等基本功 能模块的开发阶段，所以与专业理论、方法结合并利用g i s 分析、模拟和预测 的强大功能来进行深度开发，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优 化调度以及事故抢修等提供决策支持等内容已经成为国内排水管网信息系统发 展的重要趋势i 2 3 。2 4 1 。 1 3 课题研究的意义 随着城市建设日新月异的发展，排水管网工程的超前建设，不仅是给排水公 司建设的基础，更是城市规范化的要求。镇江市的排水管网经过多年来的建设， 已经形成了较大的规模。目前新建、改建管网工程较多，各种资料图纸非常复杂， 查找困难，旧的工程图纸与现有实际已完全两样，传统的管理模式已很难适应当 前的管网工程管理工作1 2 5 j 。 建立基于g i s 的城市排水管网信息系统有利于为管理部门提供现势性好、 数字化的管网资料，可快速准确进行管网信息的检索、查询，进行各类统计分析 和空间分析，有利于突发事故的处理，保证管网信息的有序化管理；易于管理复 杂的属性数据和空间数据，将庞大、不断更新的管网数据归入到数据库管理系统 中，运用g i s 可方便地实现日常数据管理；易于处理突发的爆管事故，提高排 水管网在事故发生时的快速修复能力，将损失降至最低，提高管网的现代化管理 水平；易于对管段进行纵断面分析，实现地下管线的可视化，观测某段管线的纵 4 江苏大学硕士学位论文 断面，对任意管线做纵断面分析，并生成标准规范的纵断面图，便于在施工时正 确掌握管线的埋深及其与路面问的位置关系。 系统建成后，将为综合型、多专业的城市综合管网地理信息系统的建立打下 基础。通过互联网，可逐步把相关企事业单位和政府有关部门有机地结合起来， 对城市的规划发展变化做出快速的反应。系统建成以后，可以全面提高城市排水 管理部门对管网管理的现代化水平，充分发挥管网基础设施的重要功能，更好地 为国民经济服务；同时还可以整合排水信息和其它社会信息，极大地提高信息化 程度，为社会和公众提供高品质的排水信息服纠2 3 l 。 1 4 课题主要研究工作 本课题采用的是目前最流行的g i s 开发方式组件式g i s 开发。组件式 g i s 作为新一代地理信息系统，它是适应软件组件化潮流应运而生的，它的基本 思想是把g i s 的各大功能模块划分为多个控件，各控件完成不同的功能。各g i s 控件之间，以及g i s 控件和其它非g i s 控件之间，都可以方便地通过可视化的 软件开发工具进行集成，并形成最终的g i s 应用。控件犹如一堆各式各样的积 木，他们分别实现不同的功能，根据需要将这些实现各种功能的“积木 搭建起 来，就构成了一套应用系统【2 6 1 。本课题采用北京超图软件股份有限公司开发的 组件s u p e r m a po b j e c t s 在可视化编程环境v b 中进行开发，建立一套排水管网信 息系统，实现对排水管网系统的地图管理，数据转换，空间和属性信息的查询、 统计，还有各类空间分析。本课题作为第一期开发，目的是建立排水管网信息系 统的框架和一些主要功能，为以后进一步开发提供一个良好的平台，其主要的研 究工作如下： ( 1 ) 研究课题所涉及到的基础理论，对地理信息系统进行了全面深刻的理 解认识，重点研究了排水管网g i s 相关组件式开发工具s u p e r m 印o b j e c t s 。 ( 2 ) 从现代管理信息系统的开发角度提出城市排水管网信息系统的总体设 计框架和结构设计，完成对系统开发方式的确定，并对系统的数据组织和各系统 功能进行定义。 ( 3 ) 在数据组织方面，对各类型数据实现统一的结构编码，定义属性表以 完成各类数据的统一存储，并实现系统空间数据库和属性数据库的设计。 5 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 设计和实现了系统的基本功能，包括系统管理、图形浏览、图层编辑、 数据输入、图形输出、数据查询统计功能、几何量算、数据库维护和缓冲区分析 等。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统( g l s ) 概述 2 1 地理信息系统的基本概念 2 1 1 地理信息与地理信息系统 ( 1 ) 地理信息 地理信息是指地理系统中众多要素的数量、质量、分布特征、变化规律和相 互联系的数字、文字、图像及图形等的总称。地理信息属于空间信息，其位置的 识别是和数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著特征 阳。地理信息的这种定位特点，是通过经纬网或公路网建立的地理坐标来实现 其空间位置识别的。地理信息还具有多维结构的特征，就是在二维空间的基础上 实现多专题的第三维结构让8 1 ，而各个专题之间的联系是通过属性码进行的，这 就为地理系统各图层问的综合研究提供了可能性，也为地理系统多层次的分析及 信息的传输、筛选提供了方便【2 9 1 。 ( 2 ) 地理信息系统 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是以采集、存储、 描述、管理、分析与空间及地理分布有关的数据信息系统。它以地理空间数据库 为基础，在计算机软硬件环境的支持下，对空间的相关数据进行操作、分析、管 理、模拟和显示，并运用地理模型分析方法，适时提供多种空间及动态的地理信 息，为地理信息研究、管理、定量分析、综合评价和决策服务而建立起来的一类 计算机应用系统3 0 。地理信息系统是以计算机为工具，具有地理图形及空间定 位功能的空间型数据管理系统，是一种特殊却又十分重要的信息系统，与其他传 统意义上的信息系统的根本差异在于：地理信息系统不仅能够存储、表达和分析 现实世界中各种对象的属性信息，还能够处理其空间定位特征，能将其空间信息 和属性信息有机紧密结合起来，从空间和属性两个方面对现实对象进行查询、检 索及分析，最终将结果以直观的形式，形象、精确地表达出来【3 2 3 3 1 。 2 2 地理信息系统的分类 地理信息系统按其内容可分为三大类1 3 3 1 ： 7 江苏大学硕士学位论文 专业地理信息系统( p r o f e s s i o n a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 或专题地理信息系统。这 是具有特定目标和专业特点的地理信息系统，为特定的目的如：矿产资源管理地 理信息系统、农作物估产地理信息系统、灾害监测地理信息系统等服务。本课题 研究的排水管网地理信息系统即属于这种类别1 3 4 1 。 区域地理信息系统( r e g i o n a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。主要是以区域综合研究和 全面信息服务为目标，可有不同的规模，如国家级、地区或省、市、县级等不同 级别行政区的区域信息系统，也可以按自然分区或流域为单位，如加拿大国家地 理信息系统、我国黄河流域地理信息系统等。 通用地理信息系统( a l l p u r p o s ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 也称作地理信息系统开 发工具。它是具有地理信息系统基本功能的工具软件或开发平台，作为其它系统 的调用或进行二次开发。国内外己经用不同档次的计算机设备研制出了一批地理 信息系统工具，如美国耶鲁大学森林与环境学院的m a p 软件包，美国m a p l n f o 公司开发的m a p l n f o 系统，还有国内北京大学研制的微机地理信息系统工具 s p a c e m a n 等。将地理信息系统工具外壳与数据库系统相结合，用以完成地理数 据的存储管理、查询检索、数据输出等任务，就可以开发出相应的决策支持和专 家系统。 2 3 地理信息系统的构成及功能 2 3 1 地理信息系统的构成 完整的地理信息系统主要由四部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系 统、地理空间数据和系统管理开发人员，其核心部分是计算机软硬件系统，空间 数据反映了系统的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表 示方式【3 5 1 。 ( 1 ) 计算机硬件系统 计算机硬件是计算机系统中实际物理装置的总称，可以是电子的、磁的、机 械的、光的元件或装置，是g i s 的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、 使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，承受着硬件指标的支持或制约。g i s 由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机硬件设备支持 3 6 1 。 ( 2 ) 计算机软件系统 8 江苏大学硕士学位论文 计算机软件系统是指系统所必需的各种程序。对于g i s 应用而言，通常包 括：计算机系统软件、地理信息系统软件和其他支持软件、应用分析程序三部分。 ( 3 ) 地理空间数据 地理空间数据是指以地球表面的空间位置为参照的社会、自然和人文景观数 据，可以是图形、图像、文字、表格等形式，由系统的建立者通过数字化仪、扫 描仪、键盘或其他通讯系统输入到g i s 中，是系统程序作用的对象，是g i s 所 表达的现实世界经过模型抽象显示的实质性内容。不同用途的g i s 其地理空间 数据的类型和精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的数据类型：某个 已知坐标系中的位置；实体问的空间相关性；与几何位置无关的属性。 地理信息系统的特殊空间数据模型决定了其特殊的空间数据结构和数据编 码，也决定了其具有特色的空问数据管理方法和空间数据分析功能，成为地理学 研究和资源管理的重要工具【3 7 1 。 ( 4 ) 系统管理开发人员 人是地理信息系统中的重要构成因素。g i s 从其设计、建立、运行到维护的 整个生命周期中，每一处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还不能构成 完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、数据维护和更新、系统完善、 应用程序开发等活动，并灵活运用地理分析模型提取信息，为进一步研究和决策 服务3 引。 2 3 2 地理信息系统的功能 由空间数据和计算机技术相结合产生的g i s 这一高新技术，包含了处理地 理信息的多种高级功能，但是它的基本功能具体表现在数据的获取、数据的初步 处理、数据的存储及检索、数据的查询与分析、图形的显示与交互等方面【3 9 1 。 g i s 的基本功能如图2 1 所示： 9 江苏大学硕士学位论文 图2 1g i s 功能概述( 椭圆) 及其表现( 矩形) 2 4 地理信息系统与相关系统的关系 g i s 是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科 学、信息科学和管理科学为一体的新兴交叉学科如图2 2 所示： 图2 - 2 g i s 交叉学科图 它与这些相关学科，互通有无，共同发展，但其中又存在很多区别，下面仅 介绍下大家比较熟悉的数据库、计算机辅助设计( c o m p m e ra i dd e s i g n ，简称 c a d ) 、数字地图、遥感( r e m o t es e n s i n g ，简称r s ) 、全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 与g i s 之间的关系1 1 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 4 1g i s 与数据库 g i s 与一般数据库的主要区别在于g i s 管理地理数据( 图形空间数据和属性 数据) ，而一般数据库只管理属性数据。g i s 无论在功能、规模、复杂性和对硬 件的要求上，都比一般数据库要高。一般数据库只是一种简单的回答系统，而 g i s 却是一种智能化的问答系统，它可以根据用户要求提供图文并茂的答案。当 然一般数据库也是g i s 的一个组成部分，通常负责g i s 中属性数据库的管理。 2 4 2g i s 与数字地图 数字地图是制图技术的一次革命，它是模拟地图在计算机中的数字表示。数 字地图主要注重的是各要素在图上的表示，并以数字形式进行存储、管理和在绘 图机上的输出。g i s 中既有图形数据又有属性数据，g i s 强调的是信息及信息操 作，而数字地图强调的只是简单的图。 数字地图具有简单的空间查询、空间分析功能，但它远不可能象g i s 那样 能综合图形数据和属性数据进行复杂的空间拓扑查询和分析。数字地图向用户提 供的信息远没有达到g i s 向用户提供的信息全面、可靠、可信、易理解的那种 程度。不过数字地图也是g i s 的重要产品，g i s 必须具有存储、管理、输出数字 地图的能力，否则就称不上是g i s 。 2 4 3g i s 与c a d 计算机辅助设计( c a d ) 是在机械、建筑、产品设计和工业产品制造等行业诞 生并发展成熟的计算机系统。c a d 与g i s 一样都拥有地理参考系，能描述图形 数据的拓扑关系和管理属性数据，但c a d 处理的是规则的几何图形，其图形功 能明显强于属性功能。而g i s 图形功能和属性功能都较强，并且它还可以处理 复杂的非规则图形，另外g i s 的空间查询、空间分析、输入方式的多样化是c a d 所无法比拟的。由于g i s 的起步晚于c a d ，c a d 现已拥有大量的用户，为了方 便c a d 用户向g i s 过渡，使c a d 用户原有的工作得以利用和发展，现行的g i s 基本都能调入c a d 文件并进行相关功能操作，这样看来c a d 和g i s 可相容相 生，共同发展。 2 4 4g i s 与r s 遥感( r s ) 是利用地面上具有不同物质成分的物体对光波反射能力的差异而 形成图像的方法。r s 是对空间数据采集和分类的有效工具，g i s 是管理和分析 江苏大学硕士学位论文 空间数据的有力工具，二者的研究对象都是空间实体，相互间存在着密切的联系。 ( 1 ) r s 是g i s 中的一种重要数据源和强有力的数据更新手段，它使g i s 充满活力，为g i s 提供及时、准确、综合的各种现势数据，其数据获取的快速 性、动态性又为动态化g