（计算机软件与理论专业论文）地下管网综合管理系统的设计与实现.pdf

摘要 随着经济的发展和计算机技术的进步，城市的信息化水平已经成为衡量其发展阶段 与现代化程度乃至投资环境的重要标准；地下管网作为城市的重要基础设施，自然成为 城市信息化建设的重要组成部分。而目前沿用的经由纸质图表资料手工管理的操作方式 根本不能适应管网业务增长的需要，很大程度上制约了城市发展。因此，建立一个应用 地理信息系统技术的，能为城市规划、科学管理和辅助决策等工作服务的地下管网综合 管理系统，对城市信息化建设来说已经追在眉睫。 本文研究的地下管网综合管理系统s e i p i p e 是大连市空间信息基础设施建设的重要 组成部分，以大连双d 港工程项目为实际应用背景，结合地下管网管理工作的业务需求 开发而成。系统采用了较为先进的地理信息技术、数据库技术、o p e n g l 图形技术，以 可视化开发工具b o d a n dd e l p h i 和现有小型地理信息系统s e i g i s 为开发平台，以m s s q l s e r v e r 为数据库平台，完成了系统的总体设计与软件实现。 本文首先从整体上介绍了s e i p i p e 系统的应用背景、应用领域，国内外同类软件的 发展状况以及系统设计的内容与技术路线，介绍了系统设计和实现所涉及到的几种关键 技术；接下来。从软件工程角度在宏观上定义了系统概念视图、逻辑视图，从而进一步 给出了系统的物理视图；借鉴国际上流行的地理编码思想，结合地下管网空间数据与属 性数据的连接问题，提出了系统的数据建模方案。 本文重点的是第四章，分为三个问题。一是地下管网剖面图的实现，包括建立数学 模型、数据计算方式和剖面图的绘制过程；二是三维管网场景的功能设计与实现，以实 际例子证明了系统三维场景具有友好美观、功能丰富、操作简便、响应迅速的优点，与 市场同类软件相比处于优势地位；三是系统网络分析功能的设计与实现，包括网络拓扑 数学模型及算法实现。 本文最后介绍了地理信息系统的发展趋势，并对全文作出总结与展望。 关键字：地理信息系统；地下管网；数据模型；剖面图；三维场景：网络分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di m p r o v e m e n to f c o m p m e rs c i e n c e ，i n f o r m a t i o n l e v e lh a sb e c o m eas i g n i f i c a n tc r i t e r i o nt oj u d g et h ed e v e l o p m e n ts t a g e 、m o d e r n i z a t i o nl e v e l a n de v e ni n v e s t m e n te n v i r o n m e n to fac i 够u n d e r g r o u n dp i p e s ，a st h em a j o ri n f r a s t r u c t u r eo f ac i t y , n a t u r a l l yb e c o m ea ni m p o r t a n t i n g r e d i e n t o fi n f o r m a t i o n e s t a b l i s h m e n t b u t ，t h e o r i g i n a lm a n u a lh a n d l i n gm a n a g e m e n t m e t h o dc a l ln o ta d a p tt h ed e m a n do fs e r v i c eg r o w t h ；i t h a sc o n f i n e dt h ed e v e l o p m e n t s t e po fc i t y s ot h a ti t i sv e r y u 唱e n tt oe s t a b l i s ha l li n t e g r a t e d p i p em a n a g e m e n ts y s t e m f o r c i t y i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nt os e r v e c i t yp l a n n i n g a n d a u x i l i a r yd e c i s i o n ，e t c t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ei n t e g r a t e du n d e r g r o u n dp i p e sm a n a g e m e ms y s t e m s e i p i p e i sa l l i m p o r t a n tp a r t o fs p a t i a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r eo fd a l i a n c i t y , i t i s d e v e l o p e df o rd o u b l ed p o r tp r o j c c tw h i c hi si t sa p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n d a s s o c i a t i n g t h e n e e do fa d m i n i s t r a t i o n s e i p i p ei sb a s e do ns o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g y , s u c ha sb o d a n d d e p h ia n de x i s t i n gs e i g i sa si t sd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dm ss q ls e r v e ra si t sd a t a b a s e p l a t f o r m f i r s t l y , p a p e re x p l a i n ss o m er e l a t e dc o n c e p ta n ds y s t e mo b j e c t 、f u n c t i o na n dm e a n i n g ， i n t r o d u c e st h er e l a t e dc r i t i c a l t e c h n o l o g y , s e c o n d l y , p a p e rd e f i n e st h ec o n c e p tv i e wa n d l o g i c a lv i e w o f s y s t e m ，f u r t h e rp h y s i c a lv i e w ；t h e np a p e rp u t sf o r w a r dt h ed a t am o d e ls c h e m e c o m b i n i n g t h e t h i n k i n go f p o p u l a rc - e o c d ea n da g a i n s tr e a lp r o b l e m so f u n d e r g r o u n d p i p e t h ee m p h a s eo ft h i sp a p e ri ss e c t i o nf o u r , i n c l u d i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f s e c t i o n p l a n ，3 d s c e n ea n dn e t w o r k a n a l y s i s f i n a l l y , p a p e r i n t r o d u c e st h et r e n do f 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 ，a n ds u m m a r i z e s t h ew h o l e p a p e r k e y w o r d s ：g i s ，u n d e r g r o u n dp i p e ，d a t am o d e i ，s e c t i o np i a n ：3 ds c 6 n e ：n e t w o r k a n a i y s i s i l 地下管网综台管理系统的设计与实现 0 前言 2 1 世纪信息化社会的到来使得人们对信息的要求在广泛性、精确性、快速性以及综 合性上都越来越高，计算机科学的发展为满足这种要求提供了可能性。而地理信息系统 正是在这样的背景下产生和发展起来的。近年来，地理信息系统的发展尤为迅速，已经 进入了一个新的时期，出现了诸如a r c i n f 0 、m a p g i s 、g e o s t a r 、m i c r o s t a t i o n 等著 名软件。 地理信息系统的主要特点表现在它能够存储和处理所研究对象的空间位置信息及 其属性信息，与传统的信息系统相比，有着特殊性、复杂性和应用上的广泛性。事实上， 随着计算机的发展和数字化概念的深入人心，地理信息系统应用已经深入到各行各业， 其应用和产业发展已经成为势不可挡的国际潮流，当前的问题是如何利用地理信息系统 获取经济效益、扩大应用范围和提高开发水平。 反观目前地理信息系统在我国地下管网管理领域的应用现状，技术水平参差不齐， 缺乏有代表性的应用系统软件。而城市地下管网( 包括给水管道、排水管道、地下电缆、 煤气管道、污水系统等) 作为城市建设的重要基础设施，已经形成了一个纵横交错的巨 大网络，具有十分复杂的空间和非空间属性信息。在传统工作方式中这些信息般经由 纸质图表描述，采用人工管理，这种模式不能很好地反映各种管线的基本特征、属性和 联系。目前，我国有相当一部分城市对地下管网没有进行统一的布局规划和管理，地下 管网的管理工作各自为政、互相缺乏沟通，处于无序的管理状态，与城市建设速度相比。 管理严重落后，事故经常发生。因事故造成的停水、停电、停气、通讯中断、火灾爆炸 等后果，不仅严重地影响到人民的生活质量和生命安全，同时也影响到经济建设和国防 建设的正常进行，改革势在必行。 随着计算机及图形技术的发展，近年来出现了一些综合地下管线信息系统，如利用 c a d 辅助制图技术开发管线图形子系统，而利用某一数据库管理系统，如v i s u a l f o x p r o 、 s q ls e r v e r 等管理属性数据，同时利用c a d 本身的a s e 功能。使管线图形和属性连接 从而实现管线图形与属性的相互查询。用这种方式开发的管线信息系统，没有拓扑关系 和空间分析功能，不能为管线的设计、施工提供辅助分析的功能，也不能提供辅助决策 的功能，是一种静态的管理，已经不能适应目前的发展需要。地理信息系统技术的发展 和应用。给地下管网管理工作带来了新的机遇和挑战。 利用地理信息系统进行城市地下管网的综合管理，能够将城市各类地下管网的所有 信息有序的存入计算机管理系统，实现数据及时更新、数据共享和数据分析，从而提高 地下管网业务的管理效率，实现各部门之间的资源共享；减少基建市政施工中由于地下 管线分布信息不清而造成的不必要的损坏和浪费。真正实现城市地下管网的现代化管 理，同时也可以在辅助决策，故障分析方面发挥巨大的作用。 本文以s e i p i p e 系统的体系结构为主要线索，详细论述了一个实用的地下管网综合 管理软件从系统设计到软件实现的过程。由于系统涉及到的内容较多，文中选取了系统 有代表性的部分进行了详细的介绍。由于作者水平有限，时间仓促，本文还有待进一步 完善和提高。 地下管网综合管理系统的设计与实现 1s e i p i p e 系统概论 在这一章，本文将对s e i p i p e 系统作整体介绍，包括系统的应用背景、应用领域和 国内外同类软件的发展现状，以及系统设计的内容与系统采用的技术路线等，使读者对 本文和s e i p i p e 系统从全局上有所了解和认识。 1 1s e i p i p e 系统的应用背景与意义 在城市规划管理中，城市地下管网的规划是非常重要的组成部分。地下管网是城市 的重要基础设施，担负着传输信息、输送能量、排污给水等多种职能，是城市赖以生存 和发展的物质基础之一，对地下管网的维护、管理，是城市管理的重要内容【“。随着我 国经济的发展、城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城市的地下管网越来越庞大 密集，种类也越来越繁多，暖气管道、自来水管道、煤气管道、电缆线等在城市的整个 地下纵横交错，通向四面八方。在维护修理各种管线时。必须要有管线分布的详细图纸， 尤其是在铺设新的管线时，新管道的挖掘与埋藏必须要避开已经存在的管线，此时地下 管网的管理及查询工作变得尤为重要。 我国作为一个发展中国家，大部分城市的地下管网管理的方法及效率都不尽人意。 而地下管线铺埋情况复杂，资料不清，管网埋于地下又存在一定的隐蔽性。因此造成了 诸多设计上的失误和施工中的事故或者旄工中重复开挖道路等现象，形成一次次本可以 避免的巨大经济浪费。尤其是近年来很多道路的改建、扩建和新建，各类小区的兴建， 使得地下管线发生了很大变化，以往的资料已经过时，不能反应地下管网的真实情况。 况且传统的图纸资料更新十分困难，查询更是费时费力，对管网资料的手工管理收集合 绘制很难满足城市规划和管理的实时需求。 相对而言，计算机已经广泛应用于当今社会各个领域，其高速的信息处理能力大大 节省了人力的劳动，由计算机来代替人的工作在多方面效益显著。借助于计算机技术， 用现代化手段对地下管网数据进行存储与处理，已经成为适应复杂多变的城市地下管网 管理的需要。同时，管网图纸资料的长期妥善保存、管线的合理维护、信息的多样检索 等问题也就迎刃而解，这必将提高管网管理的效率，降低管理的成本，较之传统的手工 管理方式，应用计算机技术管理地下管网的优势是显而易见的。 本文研究的地下管网综合管理系统( s e i p i p e ) 课题来源于大连市空间数据资源研究 中心，由大连理工大学计算机系软件工程研究室承担研究与开发工作，现已开发出一期 系统，应用于大连市双d 港工程。双d 港是大连市建设中的高新科技园区，已经完工 的的地下管网设施的竣工图等资料具有数据新、准确性高等特点，正是建立地下管网信 息管理系统的有利时机，能够避免今后工作量的急剧膨胀，同时为双d 港的进一步建设 和规划提供了有价值的意见和建议。 1 2s e i p i p e 系统的应用领域 1 2 1 s e i p i p e 在城市管理中的应用 在发达国家和地区，城市管理的信息化水平都很高。作为一种决策支持手段城市 地下管同综合管理系统的设计与实现 地理信息系统在城市规划、建设、管理及资源与环境保护中正发挥着越来越重要的作用。 是否具备和使用先进的城市管理信息系统，已经成为衡量一个城市管理水平和投资环境 的重要标志。 在我国，随着经济和计算机技术的发展，城市地理信息系统也逐步开始使用。例如 北京市地下管网信息系统、上海市市政管线管理信息系统等都是已经投入使用并提高了 城市日常管理工作效率的成功先例。 利用地理信息系统进行城市地下管网的综合管理，能够将城市各类地下管网的所有 信息有序的存入计算机管理系统，实现数据实时更新、数据共享和数据分析，从而提高 城市管理效率，实现各部门之间的资源共享：减少基建、市政旆工中由于地下管线分布 信息不清而造成的不必要的损坏和浪费，真正实现城市地下管网的现代化管理。同时， 也可以在辅助决策，故障分析方面发挥巨大的作用。 s e i p i p e 系统是一个面向应用的地理信息系统实例，主要针对地下管网及地面各种 建筑参照物，是地理信息系统在市政管理方面的典型应用。 1 2 2s e i p i p e 系统在数字城市中的应用 2 l 世纪是信息化的社会，继美国副总统戈尔最早提出了“数字地球”的概念之后， 北京市市长刘淇提出了“数字北京”工程，拉开了我国数字城市建设的序幕。在中共 中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议当中也指出：“大力推进国 民经济和社会的信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措。以信息化带动工业化，发 挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋 势，是我国产业结构升级和实现工业化、现代化的关键环节”。城市的信息化要求城市 数字化，数字城市建设是时代的要求【4 】。 地理信息系统技术是建立数字城市的核心技术之一，地下管网作为城市的重要基础 设施，是城市发展的命脉，自然成为数字化城市的重要组成部分。同时，现有城市地下 管网已经构成了规模庞大而复杂的管线网络，每个城市都积累了大批的地下管网设计： 施工和竣工图表等纸张资料。长期以来，各城市的各管网管理部门沿用人工方式来管理 这些资料，随着国民经济的发展，这种人工管理模式很难满足实际需要。为提高对地下 管线的管理水平，管理部门也迫切需要将地下管网的管理现代化、数字化，建立起一个 应用地理信息系统技术的地下管网综合管理系统，为城市的管理、改造、规划以及决策 提供重要依据。 地下管网的数字化管理是数字城市建设中的难点之一，s e i p i p e 系统旨在根据管网 综合管理的实际需求，直接利用有自主版权的g i s 控件及其他计算机技术，开发出具有 较强的专业特色的地下管网综合管理系统。这一嚣标符合当前数字城市建设对地下管网 管理数字化的实际需求，为城市基础设施管理提供了新的解决方案，有广阔的应用前景 和较大的社会效益和经济效益。 1 3 国内外同类软件的发展现状 地下管网综合管理系统是地理信息系统在市政管理方面的应用，与其他应用型地理 信息系统一样都具有g i s 本质，同时又具有自身的特性和差异。地下管网综合管理系统 地下管阿综合管理系统的设计与实现 应用的基础是地下管网实体要素间存在拓扑关系，因此可以进行空间查询和空间分析 等，更适合于将管线图与地形图综合应用和管理p 】。 地下管网管理软件一般都具备地理信息系统的基本功能，并着重于各类专业数据的 管理功能、网络分析功能、故障的预测分析和处理功能等实用方向，主要有：各类管线 系统基础数据的存储与管理；关于属性的各类查询检索功能；紧急事故分析与处理功能； 一般的管道工程辅助设计功能；管道维护管理功能：多种输出功能。 如果能够将地下管网信息与城市基础地理信息融合在一起，就可以建立各种高级应 用模型，如给水管网可靠性分析模型、污水管网流量设计模型、可行性管径优化设计模 型、电力输配电模型等等。实现信息共享，为城市的规划、建设和管理服务，是城市地 下管网综合管理系统的目标和发展趋势。 随着计算机及图形技术的发展，近年来出现了一些综合地下管线信息系统，如利用 c a d 辅助制图技术开发管线图形予系统，而利用某一数据库管理系统，如v t s u a l f o x p r o 、 s o ls e r v e r 等管理属性数据，同时利用c a d 本身的a s e 功能，使管线图形和属性连接， 从而实现管线图形与属性的相互查询。但这种方式开发的管线信息系统，没有拓扑关系 和空间分析功能，不能为管线的设计、施工提供辅助分析的功能，也不能提供辅助决策 的功能，是一种静态的管理，已不能适应目前的发展需要。 将三维图形技术应用到地下管网的管理中，目前还是一个较新的研究方向。从现有 的国内外同类软件来看，能够提供这类功能的较少，而且响应速度和显示效果也不令人 满意。另外，网络分析也是各类软件比较薄弱的环节，功能单一、处理能力较差是普遍 存在的问题。地理信息系统技术的发展，特别是它在各个领域的推广应用，给测绘部门 带来了新的机遇和挑战。 1 4s e i p i p e 系统设计内容与技术路线 1 4 1 系统设计内容 系统设计的主要内容1 4 】包括： 1 ) 系统总体设计：系统目标和任务、模块和子系统设计、硬件配置、软件设计、 代码设计、安全策略及用户界面设计等。 2 ) 数据库详细设计：概念设计、逻辑设计、物理设计和数据模型选择等。 3 ) 系统功能设计：总体模块功能设计、图形与属性数据库系统结构与功能设计。 4 ) 应用模型和方法设计：常用应用模型设计、方法设计等、 5 ) 输入输出设计 地下管网综合管理系统的建立是一项耗费大量人力、物力、财力和时间的系统工程 为了达到系统开发的预期目标，就必须针对组织、机构管理和计算机信息系统的特点， 结合软件工程思想，根据系统设计内容，对系统建立的全过程进行科学的控制与协调。 1 4 2s e i p i p e 系统的技术路线 s e i p i p e 系统的目标用户是小城市、城区、小区等群体。因此，在选取技术路线时， 不仅要考虑到系统的开发难度、技术水平，还要考虑到经济因素，尽可能的降低开发的 地下管冈综合管理系统的设计与实现 成本费用，充分利用现有各类资源。综合这些因素，本文采用了优秀的可视化集成工具 b o r l a n dd e l p h i 和现有的自主产权的小型地理信息系统s e i g i s 作为开发平台，用 m i c r o s o f ts q l s e r v e r 管理图形与属性数据库，融合较为流行的地理信息技术、o p e n g l 图形技术及g l s c e n e 三维图形组件库、组件技术与可适应性编程技术等多种较为先进的 思想和理念，共同了完成地下管网综合管理系统s e i p i p e 的设计与实现。 地下管网综台管理系统的设计与实现 2 系统设计和实现的关键技术 在本章节中，论文将对s e i p i p e 系统设计开发过程中涉及到的相关知识作简要介绍， 并着重阐述系统使用的关键技术和它们在系统中的应用。 2 1 地理信息系统及相关技术 2 1 1 地理信息系统 2 1 1 1 地理信息 地理信息p 】是指表征地理系统要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律 的数字、文字、图像和图形等地总称。地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据 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标志。地理信息的这种定位 特征，是通过经纬网建立的地理坐标来实现空间位置识别的。 2 i 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 ) 是以计算机为基础的新兴技术， 围绕这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科【6 】。地理信息系统 也是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软、硬件的支持下，它可以对空间数据 按地理坐标或空间位置进行各种处理，对数据进行有效管理，研究各种空间实体及其相 互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并以地图、 图形和数据的形式表示处理的结果。 与传统的管理信息系统( m i s ) 相比，地理信息系统( g i s ) 是以地理信息作为主 要管理内容的综合性软件系统，它的主要特点是不仅能用电子地图的形式直观地表现背 景地物信息，而且能将数据库中的信息进行直观的可视化分析，挖掘隐藏在结构化数据 中的有用信息，并可作图文互查、综合分析等。 地理信息系统是用于采集、模拟、处理、检索和表达地理空间数据等的计算机信息 系统。同时，它可以用于地理信息的动态描述，分析地理系统的发展变化和演变过程， 从而为咨询、规划和决策提供服务；可以管理不同范围的地理空闻信息及其相应的属性 信息，在全球或者全国范围内，可以用作资源、环境、土地、社会经济等信息的分析和 管理工具；在一个城市范围内，可以用作土地、环境污染、房地产、交通、地下管线等 的分析和管理工具；在一个企业范围内，它可以用作生产剩经营分析管理的手段。举例 来说，美国有7 0 以上的政府机构、科研和管理部门都使用地理信息系统技术，并已在 包括资源开发、区域规划、决策制订、经济发展战略、灾害预测预报、紧急事件处理、 环境监测和城市基础设施管理的各方面发挥了巨大作用。 地理信息系统因其卓越的管理和分析空问信息的功能，正逐渐成为信息化管理城市 基础设施的重要手段，成为全球信息化浪潮不可缺少的组成部分。 2 1 2 地理信息系统组成与分类 2 1 2 1 地理信息系统组成 一个实用的地理信息系统，要支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和 5 地下管网综合管理系统的设计与实现 显示等功能，其基本组成一般包括以下五个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据、 应用人员和应用模型嘲。它们之间的关系如图2 1 所示： 图2 1 地理信息系统组成关系示意图 f i g2 - 1c o m p o s i t i o nd i a g r a mo f g i s 2 1 2 2 地理信息系统分类 地理信息系统是在计算机软、硬件的支持下，以采集、存储、管理、索引、分析和 描述空间物体的定位分布及其相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机 系统。按照地理信息系统的内容、功能和作用可以将其分为两类：工具型地理信息系统 和应用型地理信息系统【7 1 。 工具型地理信息系统也称为地理信息系统开发平台，是种通用型软件，具有地理 信息系统的一般特点，但没有空间实体。它的基本信息处理功能包括数据的采集与编辑、 存储与管理、处理和变换、空间分析和统计、产品制作与显示等等，依托这些基本功能， 通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术、二次开发 环境等，演绎出丰富多彩的系统应用功能，满足用户的广泛需求。 应用型地理信息系统是根据用户的需求和应用目的而开发设计的、解决一类或多类 实际问题的地理信息系统，一般在比较成熟的工具型地理信息系统的基础上进行二次开 发完成。因此，除了具有地理信息系统的基本功能外，还具有解决地理空间实体及空间 信息的分布规律、分布特性及相互依赖关系的应用模型和方法。工具型地理信息系统是 建立应用型地理信息系统的一条捷径。 本文所论述的s e i p i p e 系统是一个典型的应用型地理信息系统。 2 1 3 地理信息系统相关技术 地理信息系统是一种将计算机图形和数据库融于一体，储存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结合起来，再根据实际需要准确真实、图文并茂的 6 地下管两综合管理系统的设计与实现 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，同时借助其独有 的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。上述特点使得地理信息系统成为与 传统方法迥然不同的解决现实问题的先进手段之一，作为现代管理必不可少的基础设施 渗透到社会活动的每一个细节。地理信息系统以其混合数据结构和独特的地理空间分析 功能独树一帜，可以通俗理解为：g i s = c a d + d a t a b a s e + s p a t i a lo p o r a t i o n ”。下面将 对文章涉及到的地理信息系统各项技术作简单的介绍。 2 1 3 1 空间数据结构 空间数据结构是指空间数据的编排方式和组织关系。空间数据编码是空间数据结构 的实现，目的是将图形数据、影像数据、统计数据等资料，按一定的数据结构转换为适 用于计算机存储和处理的形式。不同数据源其数据结构相差很大，同一数据源，也可以 用多种方式来组织数据，按照不同的数据结构去处理，得到的内容也截然不同。计算机 存储和处理数据的效率，在很大程度上取决于数据组织方式的优劣。数据结构在g i s 中 对于数据采集、存储、查询、检索和应用分析等操作方式有着重要的影响【9 】。 高效率的数据结构，应具备几方面的要求：组织的数据能够表示要素之间的层次 关系，便于不同数据的连接和覆盖；能正确反映地理实体的空间排列方式和各实体间 的相互关系；便于存取和检索；节省存储空间，减少数据冗余；存取速度快，在 计算速度较慢地微机上能做到快速响应； 足够的灵活性，数据组织应具有插入新数据、 删除或修改部分数据的基本功能。 空间数据结构的选择对于g i s 设计和建立起着十分关键的作用，只有充分理解了 g i s 的特定数据结构，才能正确有效地使用系统。g i s 软件支持的主要空间数据结构有 矢量数据结构和栅格数据结构两种形式f 2 】。 2 l 3 2 数据输入与输出 地理信息系统的数据采集和输入是一项十分重要的基础工作，是建立地理信息系统 不可缺少的一部分。没有数据的采集和输入就不可能建立一个数据实体，更不可能进行 数据的管理、分析、成果输出，准确实时的数据是建立地理信息系统的前提条件，因此 必须认真对待数据采集和输入。数据选择要保持数据真实，除了不可避免或无法预料的 原因外，输入的数据应力求准确，否则将会影响到最终成果的分析和正确评价。通常情 况下，数据的采集、标准化、综合和自动录入是g i s 数据采集的主要功能。g i s 的数据 来源有地图数据、遥感图像、数字资料、文字报告等多项渠道【1 0 】。 地理信息系统产品的输出，是指经系统处理分析，可以直接提供给用户的各种地图、 图表、数据报表或文字报告。地理信息系统的输出方式般有：图形，从不同的角度 又可分为：矢量地图和栅格地图：全要素地图和专题地图；等高线图、透视图和立体图； 坡度图、剖面图等。数据报表或文字报告，对地图数据库中的图形和属性数据进行分 析处理而得。数字数据，存储在磁盘、磁带或光盘上的各种图形、图像或测量、统计 数据。地理信息系统的图形输出设备有：矢量和栅格两类。矢量型设备有笔式绘图仪； 栅格型设备有光栅扫描显示器、点阵式打印机、静电喷墨绘图仪以及激光照排机等。 2 1 3 3 数据处理 空阅数据靼非空闻数据输入计算机履，要避行相斑数处理，数据处理是建巍秘应髑 地下管网综合管理系统的设计与实现 地理信息系统过程中不可缺少的一个阶段。在这个阶段中，一方面可对输入的数据进行 质量检查与纠正，其中包括图形数据和属性数据的编辑、图形数据和属性数据之间对应 关系的校验及纠正、空间数据的误差校正等；另一方面是对输入的图形数据进行整理修 饰与光滑处理、拓扑关系的建立、矢量数据与栅格数据的相互转换、图形的线性变换和 投影变换、地图符号的设计及调用、图框的生成、地图裁剪以及图幅拼接等。 2 1 。3 4 空间数据管理 空间数据库( 地图数据库) 是地理信息系统的重要组成部分，因为地图是地理信息 系统的主要载体。在数据获取过程中，空间数据库被用于存储和管理地图信息；在数据 处理系统中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中， 它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。然而，地理与地图数据以其惊人的数据量 与空间相关的复杂性，使得通用的数据库系统难以胜任。为此，就要用当代的系统方法， 在地理学和地图学原理的指导之下，对地理环境进行科学的认识与抽象，将地理数据库 转化为计算机处理时所需的形式与结构，形成综合性的信息系统，以便为越来越广泛的 社会部门与领域服务。 2 1 3 5 数据模型 利用计算机解决地理信息系统中的各种实际问题时，最重要的工作是建立地理系统 的数据模型，并使建立的模型能较好的模拟实际事物的属性和规律。对于数学模型来说， 除了具有物理模拟的特征外，还需要具有数学方法的抽象模拟，利用数学符号、数学公 式、程序等刻画实际事物的客观本质属性及其内在联系规律【1 1 l 2 1 。 2 1 3 6 空间分析 地理信息系统与计算机辅助绘图系统的主要区别，就是地理信息系统提供了对原始 空间数据实施转换以回答特定查询的能力，而这些变换能力中，核心的部分就是对空间 数据的利用和分析，即空间分析能力。空间分析是地理信息系统中最为重要的内容之一。 体现了地理信息系统的本质所在。 2 2 数据接口a d o 2 2 1a d o 工作原理和特点 本文所述系统采用的是a d o 数据接口【1 3 l 。a d o 是微软继o d b c 之后提出的另一 套数据访问规范，它本身是a c t i v e x 对象，并在i n t e m e t 上结合a s p 技术获得了大量的 应用，所以b o f l a n dd d p h i 把它作为一个数据库引擎提供给开发者。a d o 是微软面向各 种数据的高程接口，这种层次接口被称为o l e d b 。o l e d b 访问速度较快，可访问数 据类型丰富。 具体来说，作为更高级的数据库连接技术，a d o 与o d b c 相比有如下优点： 1 ) 运用a d o 技术进行数据库开发，应用程序或所编写的组件可以很方便的移植到 网络上，因为a d o 技术本身就是基于c o m d c o m 技术的。 2 ) 易于使用，这是a d o 技术最主要的特征。由于a d o 是高层应用，所以相对于 o l e d b 或者o d b c 来说，它具有面向对象的特点。同时，在a d o 豹对象结构中，其 8 地下管网综合管理系统的设计与实现 对象之间的层次关系并不明显，对于要用到的对象直接构造即可，方便了应用程序的开 发编制。 3 ) 访问数据源快，由于a d o 技术基于o l ed b ，所以它也继承了o l ed b 访问数 据库的高速性。 4 ) 可以访闭不同的数据源，a d o 技术可以访闽包括关系型数据库和非关系型数据 库、电子邮件与文件系统、文本与图片以及客户事务对象等在内的所有文件系统。 5 ) 可以用于m i c r o s o f ta c t n e x ，a d o 技术可以以a c t i v e x 组件的形式出现，所以 可以用于a c t i v e ( 组件的开发。 6 ) 程序运行占用内存少：由于a d o 是基于c o m 的访问技术，所以，使用a d o 产生的应用程序占用内存少。 2 2 2d e l p h i 中的a d o 构件 d e l p h i 提供多种a d o 构件，用于数据库的连接和访问。除了t a d o c o n n e c t i o n 用 于连接外，其他每个构件都有很强的独立性，能够独立处理t a b l e 和s q l 操作。d e l p h i 6 0 提供的a d o 对象如下表2 - 1 所示，这些构件的使用方法都比较简单。 表2 - 1 d e l p h i 中的a d o 构件 t 曲k2 - 1a d o c o m p o n e n t so f d e l p h i 对象 功能 链接一个a d o 数据库 t a d o d a t a s e t 使用r e c o r d s e t 访问数据 t a d o t a b l e 进一步对t a d o d a t a s e t 封装以支持表的访问 t a d o q u e r y进一步对t a d o d m a s e t 封装以支持查询 t a d o s t o r e d p r o e 进一步对t a d o d a l a s 敷封装以支持存储过程 t a d o c o m r a a n d 用于执行s q l 命令行 系统与数据库的连接都是通过a d o 对象完成的，配合系统的缓冲机制，能够较好 的适应网络运行环境，在多个计算机终端进行操作。 2 3 组化技术与可适应性编程技术 2 3 1 软件组件化技术 软件组件是一种可编程、可重用的基于c o m 的对象，它通过属性、方法、事件等 接口与应用程序进行交互。软件组件化技术提供一种与操作系统平台无关、与语言无关， 可以在应用程序之间互相访问对象的机制。传统g i s 开发工具( 如a r e i n f o 、m a p l n f o 等) 由于其庞大复杂的函数命令库及昂贵的代价，导致应用系统二次开发成本很大。利 用目前流行的软件组件化技术进行二次开发，开发难度比较小，周期短，是目前地理信 息应用系统开发的一个重要发展方向。 组件化的基本思想是把g 1 s 的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功 能，可以根据需要用不同控件搭建具有不同功能的地理信息系统基础平台和应用系统。 9 地下管网综合管理系统的设计与实现 组件软件具有可编程、可重用的特点，同时适应了网络技术的发展。软件组件化技术的 实质是软件可复用技术，因为它充分了利用现有的开发成果，消除重复劳动，避免重新 开发可能引入的新错误，从而提高软件开发的效率和质量【l “”j 。 s e i p i p e 系统中，利用组件技术融合了多种组件，包括栅格图像矢量化软件s e i s c a n 、 栅格图像处理和分析软件s e i i m a g e 、通用数据录入工具s e i d a t a 、综合查询工具 s e i q u e r y ，丰富和加强了系统功能，大大缩短了系统开发周期。 2 3 2 可适应性编程技术 基于组件的软件工程希望把可重用的组件插在一起来构造应用。这一期望虽然在近 几年变得相当普遍，却从来没有成为领导软件开发的范例之一。我们相信这是由于基于 组件软件构造的一个相当朴素的观点存在于软件工程界中。这种朴素的观点设想：人们 选择一组表达应用需求部分的组件，然后把它们的输入和输出连接而组装在一起就行 了。然而，软件重用性的研究表明，很少有“原样”重用的情况发生。而是组件一般都 需要以某种方法修改后才能满足应用的体系结构或者其他组件的要求。在一个特定的应 用中，为使用而修改组件的过程，通常称为组件适应 1 6 j 。 多年来，软件工程和编程语言方面的研究已开发出许多调整组件的技术。这些组件 适应技术可分为两类：“白盒适应”，要求软件工程师为调整一个可重用的组件要么改变 它内部规范说明，要么破坏或排除其内部规范的一部分了；“黑盒原样重用组件”是指 在组件的接口上调整，只要求软件工程师理解组件的接口，而不是其内部。 显然，早期这种分法是非常极端的，而实际上，如继承往往需要只理解内部功能的 一部分，封装则要求比接口更多的理解组件。 可适应性技术的特征是黑盒性、透明性、可组合性、可重用性、可配置性i l ”。 2 4 三维可视化技术 本节将对实现三维管网场景的o p e n o l 图形技术加以介绍 1 # - 1 9 1 。 2 4 1o p e n g l 简介 o p e n g l 是s g i 公司为其工作站开发的一个工业标准计算机图形软件接口，本质上 是一个高速的并且可以方便移植的三维图形和建模库。o p e n o l 通常被用于创建漂亮的 高质量三维彩色图像及动画。它与光线跟踪法的视觉质量相同，其最大优越性是比光线 跟踪法快一个量级，算法由著名的计算机图形学和动画界领导者s g i 开发并优化。在系 统中采用o p e n g l 是基于它具有如下特点： 1 ) 能够在网络上工作，即客户 i 务器型，显示图形的计算机( 客户机) 可以不是 运行图形应用程序的计算机( 服务器) ，客户机与服务器可以是不同类型的计算机，但 两者要服从相同的协议。 2 ) 可以在多种硬件平台( 如个人计算机、工作站) 和操作系统上工作，o p e n g l 的 应用程序有非常好的移植性。 如果在专门为三维图形显示而优化设计的计算机硬件( 如配有完全支持o p e n g l 的 硬件加速显示卡的计算机) 上使用o p e n g l ，可以大幅度提高绘图效率，但是仅由软件 1 0 地下管网综合管理系统的设计与实现 实现o p e n g l 也是可能的，m i c r o s o f t w i n d o w s 实现属于这一类。目前，计算机硬件发展 很快，在p c 上应用o p e n g l 已经是非常普及，不需要额外造价，是完全可以接受的。 o p e n g l 应用范围很广，不仅用于科研领域中的可视化、三维建模和三维游戏设计， 也广泛应用于c a d 工程、建筑应用软件，甚至生成h o l l y w o o d 电影中的恐龙。在m i c r o s o f t w i n d o w s 中引入了工业标准三维图形接口a p i ，更使o p e n g l 作为一个热门的三维图形 软件，得到了程序设计人员的认可i l 。 2 4 2o p e n g l 的工作原理 o p e n g l 是一种过程图形语言，而不是描述式的，它不描述场景以及显示的方式。 实际上，一定外观或效果要通过必需的程序步骤来描述，这些步骤涉及到1 2 0 个左右的 命令和函数。有高度可移植性的a p i 被用于绘制诸如三维点、线、多边形等几何要素。 另外，o p e n g l 支持光照、阴影处理、纹理映射、动画以及其他特效效果。 o p e n g l 不包含任何窗口管理、用户交互、文件i o 的函数。这样，才能使o p c n g l 保持与操作系统无关、高度可移植性的特性。每一个主机环境，如m i c r o s o f t 的w i n d o w s 有自己的专用函数用于实现把窗口和位图的绘图控制传递给o p e n g l 。 使用o p e n o l 与在w i n d o w s 中使用g d i 绘图不一样。事实上，选择当前画笔、刷、 字体和其他g d i 实体都不会影响o p e n g l 。正如g d i 用设备描述表控制窗口绘图， o p e n g l 用绘图描述表。绘图描述表与设备描述表相关，而设备描述表与w i n d o w s 相连， 由此，o p e n g l 可以在窗口绘图。m i c r o s o f t 提供的w g l 函数可以使o p e n g l 图形a p i 可以与m i c r o s o f tg d i 一起工作。 o p e n g l 的基本实现也有一些限制，不支持单色打印机和小于1 6 色的彩色打印机， 不支持用于各种窗口的硬件调色板，仅有一个调色板，必须在多个应用程序间选择。但 这并不影响我们的使用。 2 4 3 三维图形组件库g l s c e n e g l s c e n e 2 0 1 是一个专用于d e l p h i 的基于o p e n g l 的三维图形组件类库，提供虚拟的 元素和对象，允许以简单、无争议但是强有力的方式描述和表现三维场景。 g l s c e n e 不仅仅是o p e n g l 的封装或者实用类库，它已经成为在快速应用程序开发 思想指导下，为通用三维引擎服务的一系列