（市政工程专业论文）排水管网GIS系统数据质量评价与控制.pdf

摘要 摘要 随着城市排水管网信息化技术的发展，地理信息系统( g i s ) 在许多城市得 到了广泛的应用，成为了排水管网信息采集、管理、更新、综合分析与处理的高 效工具。管网g i s 系统的正确运行需要有高质量的数据为保障，然而目前国内 许多排水企业信息化水平不一致，还存在着排水管网基础数据不全、信息获取效 率低、数据管理方式落后等问题。因此如何利用有效的手段对数据质量进行科学 的评价，确保数据的正确性，并建立科学的数据质量控制系统，具有很大的现实 意义。 本文的基本内容是从目前国内排水企业的数据质量现状出发，建立适用于城 市排水管网g i s 系统的数据质量评价体系，从数据质量控制的角度为排水管网 地理信息系统提供技术支持。本文首先系统分析了排水管网g i s 系统的数据类 型、组织结构、管理方式、常见数据错误形式、数据错误原因；在此基础上，根 据排水管网g i s 系统对数据质量的要求，提出排水管网数据质量评价指标，包 括：精度、逻辑一致性、数据完整性、表达合理性，在这些指标之下还建立了多 个相应的评价子元素，以及评价的参考项目；结合国家有关数字地形图产品的质 量规范，根据数据缺陷的严重程度建立排水管网g i s 系统数据质量缺陷评价标 准及流程图；分析比较了多种g i s 数据质量评价方法，如缺陷扣分法、广义h o u g h 变换评价、控制回路评价法等，其中重点探讨了基于模糊数学的评价方法和基于 粗集理论的评价方法，分别利用模糊数学中的最大隶属度原则以及粗集理论中对 属性决策表逐步化简的方式得到评价等级。并且两种方法都采取了层次分析法对 评价过程中的指标权重加以确定。本文还探讨了g i s 系统数据质量控制的方法、 遵循的原则，并根据建立的数据质量评价标准提出了相应的质量检测方法，建立 了质量控制体系，最终以统计报告单的形式将控制效果加以呈现。 本文最后给出了一个工程评价实例，演绎了排水管网g i s 系统数据质量评 价的过程。通过实例比较了模糊综合评价法和粗集理论评价法在工程中的可行 性，验证了本文建立的g i s 系统数据质量评价指标和评价标准可以为排水管网 g i s 系统的维护、进一步提高系统准确性提供有价值的参考。 关键词：排水管网、地理信息系统、数据、质量评价、质量控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a n t i o nt e c h n o l o g yo fu r b a nd r a i n a g en e t w o r k , 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 ( g i s ) h a sb e e nl a r g e l y 印p l i e di nm a n yc i t i e sa n d b e c o m ea l le f f e c t i v et o o li nn e t w o r ki n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，m a n a g e m e n t ，u p d a t e ， a n a l y s i sa n dt r e a t m e n t t h ep r e c i s eo p e r a t i o no fg i sn e e d sd a t ao fh i g hq u a l i t ya s g u a r a n t e e h o w e v e r , l i m i t e db yt h ei n c o n s i s t e n td a t ac o n d i t i o no fn a t i o n a ld r a i n a g e e n t e r p r i s e s ，s u c ha sd e f o r m i t yo fi n f r a s t u c t u r ed a t a , i n e f f e c t i v em e t h o do fd a t a c o l l e c t i o na n do u t d a t e dm a n a g e r i a lf u n c t i o n s i ti sn e c e s s a r yt om a k es c i e n t i f i c a s s e s s m e n tt od a t eq u a l i t yw i t he f f e c t i v em e t h o dt oe n s u r et h ec o r r e c t n e s so fd a t a i t a l s oh a sm u c hr e a l i s t i cm e a n i n gt oe s t a b l i s hd a t aq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed a t aq u a l i t ya s s e s s m e n ts y s t e mf o ru r b a nd r a i n a g e n e t w o r ks y s t e mi se s t a b l i s h e df o rn a t i o n a lc i t i e s i ta l s og i v et e c h n i c a ls u p p o r tf o r d r a i n a g eg i sf r o mt h ev i e w p o i n to fd a t aq u a l i t yc o n t r 0 1 f i r s t , a b l e ，t h i sp a p e r s y s t e m a t i c a la n a l y s e st h ed a t at y p e ，s t r u c t u r e ，m a n a g e m e n ts t y l e ，c o n s t a n td a t ae r r o r f o r m s r e a s o n sf o rd a t ae r r o r sf o rd r a i n a g en e t w o r kg i s t h ed a t aq u a l i t ya s s e s s m e n t i n d i c a t o r sa r eg i v e na c c o r d i n gt ot h ed a t ar e q u i r e m e n to fd r a i n a g en e t w o r k ，w h i c h i n c l u d e sp r e c i s i o n ，l o g i s t i cc o h e r e n c e ，d a t ai n t e g r i t y , a n de x p r e s s i o nr a t i o n a l i t y u n d e r t h e s ei n d i c a t o r s ，r e v e l e n ta c c e s s o r i a la s s e s s m e n te l e m e n t sa n dr e f e r e n c ei t e m sa r e g i v e n t h ed a t aq u a l i t ye r r o ra s s e s s m e n ts t a n d a r da n dt h ef l o wc h a r ta r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h es e v e r i t ye x t e n to fd a t aq u a l i t ye r r o rw i t l lt h ea i do f n a t i o n a lr e l a t e d c r i t e r i o no fd j i g i t a lr e l i e fm a pp r o d u c t s c e r t a i ng i sd a t aq u a l i t ya s s e s s m e n tm e t h o d s a r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d ，s u c ha sb u gm a r k i n g ，h o u g ht r a n s f o r m i n ga n dc o n t r o l c i r c u i t ，e s p e c i a l l yc o m p r e h e n s i v ef u z z ya s s e s s m e n tm e t h o da n dr o u g hs e ta s s e s s m e n t m e t h o d ，b yu s eo ft h ep r i n c i p l eo fm a xs u b j e c t i o nv a l u eo ff u z z ym a t h e m a t i c sa n d t h e p r e d i g e s t i o no fp r o p e r t yd e c i s i o n f o r mo fr o u g hs e tt h e o r y b o t ha s s e s s m e n t m e t h o d su s ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o dt oc o n f i r mt h ew e i g h to fi n d i c a t o r s o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h , t h i sd i s s e r t m i o nd i s c u s s e st h eg i sd a t aq u a l i t yc o n t r 0 1 w h i c hi n c l u d e st h em e t h o d so fd a t aq u a l i t yc o n t r o l ，p r i n c i p l e s r e l a t e dq u a l i t y i n s p e c t i o nm e t h o d sa n dc o n t r o ls y s t e ma r e s e tu p f i n a l l yt h ec o n t r o le f f e c ti s a b s t r a c t p r e s e n t e d a sas t a t i s t i c a lr e p o r t i nt h ee n d ac a s eo fd a t aq u a l i t ya s s e s s m e n ti sg i v e nt od e s c r i b et h ep r o c e s so f d r a i n a g en e t w o r kg i sd a t aa s s e s s m e n t i nt h i sc a s e ，w ec a nc o m p a r et h ef e a s i b i l i t yo f f u z z ya s s e s s m e n tm e t h o da n dr o u g hs e ta s s e s s m e n tm e t h o di ne n g i n e e r i n g a n di t v a l i d a t e st h a tt h ee s t a b l i s h e dg i sd a t aq u a l i t ya s s e s s m e n ti n d i c a t o r sa n dc r i t e r i o nc a n s u p p l yv a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h em a i n t a i n c eo f d r a i n a g en e t w o r ks y s t e ma n de n h a n c e s y s t e mv e r a c i t y k e yw o r d s ：d r a i n a g en e t w o r k ，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 , d a t a ，q u a l i t y a s s e s s m e n t ，q u a l i t yc o n t r o l i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 、 学位论文作者签名：縻立力 上0 0 8 年弓月圩目 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 豢童力 2 0 05 年；月7c 7 日 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 排水管网g i s 技术发展 城市排水管网系统作为保障城市正常运行的“生命线工程”之一，是收集、 输送城市生活污水、工业废水和降雨的一系列工程设施的总称，包括地下管道、 暗渠、明渠、检查井、雨水口、排水口、雨污水泵站和各种监测仪表等要素。城 市排水管网系统的作用就是及时可靠地排除城市区域内产生的生活污水、工业废 水和降水，使城市免受污水之害和暴雨积水之害，从而给城市创造一个舒适安全 的生存和生产环境，使城市生态系统的能量流动和物质循环正常进行，维持生态 平衡，保证可持续发展。 地理信息系统( 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 ，g i s ) 是一种为了获取、 存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统( 1 9 9 8 年，美国国家地理信息与分析中心定义) 。g i s 技术自上世纪6 0 年代诞生之日起 就不断与最新的计算机技术进行融合，成为当代社会生活中不可缺少的一部分， 逐渐渗透到测绘、资源环境、土地管理、设施管理、军事和商业领域。目前，g i s 已经进入了专业化应用和商业化生产阶段，在国内g i s 技术不但应用于测绘、制 图、资源环境领域，也在城市规划、基础设施管理和工程建设领域成为了一项高 效的信息管理工具。【1 】 2 】 城市排水管网g i s 系统就是将g i s 技术与给排水专业知识相结合，能对排水 管网信息进行采集、管理、更新、综合分析与处理的应用系统。【4 】通过排水管网 g i s 系统，可以极大地提高管网基础信息的更新、维护效率，加快管理部门对管 网事故的反应速度、丰富应对事故的措施。城市排水管网g i s 系统的基本功能包 括：数据的存储、编辑、导入导出等，还可向排水管网的模拟、调度提供运行所 需的基础数据。此外，它的空间分析功能可以满足排水管网管理工作中对数据处 理效果和格式的特殊需求。 由于具有上述的功能和特点，目前国内不少城市已经利用地理信息系统对排 l 第1 章绪论 水管网进行管理，并在不断探索、试验中取得了许多积极的效果。 天津市排水管网地理信息系统基于国产软件c i t y s t a r 建成，除了提供基本 的图形显示和属性查询功能外，可利用地表高程数据进行地面汇水区域分析和积 水面积计算，动态显示管道水流状态和水泵工作状态。该系统可运用数学模型对 雨水管道系统排除路面积水所需时间进行预测，还可完成远程监控、防汛调度等 一系列功能。【2 4 1 此外，许多城市正在筹备或已经建立了排水管网g i s 系统，如大庆市东城区 建立了排水管网g i s 系统；上海市2 0 0 6 年开始建设“上海城市地理信息系统基 础数据平台”等。 随着城市信息化水平的提高，g i s 技术在排水管网领域的应用必将得到进一 步发展，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 开发g i s 的多维分析能力，以三维可视化等方式提高g i s 管理水平； ( 2 ) 将g i s 与r s 、g p s 相结合，将后者作为高效的数据获取手段； ( 3 ) 越来越多地利用声音、图像、图形等多媒体数据； ( 4 ) 进一步与互联网络结合，使排水管网的地理信息数据可以突破空间局 限，在更大范围内获取和查询。1 1 1 1 1 2 排水管网g i s 系统数据质量评价的必要性 g i s 系统的管理对象是地理信息数据，将这些数据在计算机软硬件环境支持 下，进行数据的采集、操作、分析、管理和显示，以反映现实世界中实物的空间 关系。数据是排水管网g i s 系统的血液，是贯穿于系统各个开发阶段、各个组成 部分的重要因素。数据的核心是质量，只有保证高质量的数据，才能使g i s 系统 得以高效，有序地运转，真正发挥g i s 系统在排水管网信息化管理、管网建模、 管网安全运行分析等方面举足轻重的作用，并且通过g i s 系统的数据处理能力， 进一步衍生出对生产实践具有指导性作用的数据。因此，数据的生产和质量评价 是一个相互作用的过程。 城市排水管网g i s 系统的数据来源广、分类复杂，根据g i s 系统中的数据 特点可将城市排水管网系统数据分为空间数据和属性数据两类，其来源有管网勘 测资料、施工图、现场测绘资料等，既包括表格形式的数据，也有图形、文字形 式的。并且随着城市建设的推进，排水管网g i s 系统的数据不断发生着变化，这 对系统的数据管理提出了更高的要求。而在我国许多城市还存在着排水管网基础 2 第1 章绪论 数据不全、信息获取效率低、数据管理方式落后等问题，这给城市日常管理和规 划建设带来了诸多不便，并由此对排水管网g i s 系统的运行带来了许多问题。面 对总量大、更新快的数据，需要借助科学的数据评价方法，保障管网系统数据的 质量，从而提高管网g i s 系统的效率和水平。此外，由于g i s 系统的数据采集技 术和获取过程中存在的误差限制，如数据的源误差、数据处理中的操作误差以及 误差传递，使得排水管网数据的质量具有一定的不确定性。 综上所述，如何利用有效的手段对数据质量进行科学的评价，确保数据的正 确性，是保证g i s 系统高效运行的前提之一，现己成为了一项重要的研究课题。 1 1 3 国内外g i s 系统数据质量评价的研究现状 在2 0 世纪6 0 年代g i s 技术刚诞生不久，人们就意识到了g i s 的数据质量问 题。近几十年来，随着g i s 技术日益广泛的应用，对g i s 系统数据质量的科学量 度和精确表达已成为数据提供者和使用者都非常关心的问题。目前，国内外对这 一领域的研究日益深化，取得了一系列的成果。 ( 1 ) 国外研究概况 美国国家地理信息与分析中心( n c g i a ) 在“空问信息质量及其可视化”课 题的研究报告中提出了误差分析和数据质量指标，以及数据模型建立和数据更新 中数据库的质量管理方法。国际制图协会( c i a ) 从数据源、位置精度、属性精 度、完整性、逻辑一致性、时态信息等方面，提出了g i s 系统各组分的概念、定 义。1 9 8 8 年1 2 月，n c g i a 在美国主持召开了空间数据精度专题研讨会，并出版 了“空间数据库的精度”论文集，这成为了g i s 系统数据质量研究开始的标志。 其研究内容主要是：在g i s 数据结构和数据模型的研究中采用层次数据结构解决 有效精度问题；g i s 系统空间要素的不确定性模型建立方法；空间数据处理和分 析过程中的误差传递。9 0 年代开始，n c g i a 针对空间数据质量及其控制理论开展 了更深入的研究，主要包括：误差分析和数据质量指标；在g i s 数据质量和更新 中数据库的管理；数据质量的用户需求分析等。 ( 2 ) 国内研究概况 我国从8 0 年代开始g i s 系统数据质量评价和控制的研究工作，包括中科院 地理所、国家基础地理信息中心、同济大学测量系等多家科研学术机构对这一领 域进行了诸多研究，主要研究内容包括：g i s 空间数据误差分析和处理、g i s 空 第l 章绪论 间数据的精度分析和质量控制等。所采用的理论基础除了概率论与数理统计之 外，还有信息论、模糊数学、数学规划分形等。其中些理论方法在实际的数据 质量评价过程中起到了积极的效果。而对于城市给排水管网系统g i s 数据质量， 国内一些部门意识到其在城市g i s 管线建设中的重要作用。部分g i s 开发商也针 对城市基础管线g i s 数据校验进行了一系列的开发，如沈阳金建公司在地下管线 综合地理信息系统开发中通过数据建模机制，定义数据规则，保证了数据录入的 合法性，即管线、节点录入的合理性；广州城市信息所研究有限公司的城市综合 地下管线信息系统( u p i s ) 实现了具有一定智能水平的地下管线计算机监理查错 与入库的功能。但与国外相比，我国在g i s 系统数据质量评价这一领域的研究远 未形成系统化，整体研究水平较薄弱。尤其是对于排水管网g i s 系统数据质量评 价的研究步伐，与我国目前城市化进程中大规模的排水管网新建、改扩建过程极 其不一致。 1 2 课题研究目的和内容 j 2 1 研究目的 本文针对排水管网g i s 系统应用中出现的各种数据质量问题，研究数据质量 评价和质量控制的科学实用方法，希望达到以下研究目的： ( 1 ) 对排水管网g i s 系统的数据进行分类，并分析其特点、来源，收集g i s 系 统数据常见错误模式，为排水企业全面了解和维护数据提供参考； ( 2 ) 清楚了解排水企业数据质量状况，使排水企业对自身数据现状有全面正确 的认识： ( 3 ) 探讨数据质量评价的理论、技术方法，寻找可行的评价方法对排水管网g i s 数据进行质量评价； ( 4 ) 分析数据质量控制理论和方法，建立排水管网g i s 数据质量控制体系，为 数据的长期有效提供保障。 1 2 2 研究内容 本文在分析排水管网g i s 系统的数据分类、数据特点、常见错误形式的基 4 第l 章绪论 础上，研究和探讨了数据质量评价和质量控制的理论、技术方法，从理论到实践 进行了较为全面的研究和探讨，主要致力于以下几方面的研究和实践： ( 1 ) 根据排水管网g i s 系统的数据特点，建立数据质量评价模型、评价标准， 对数据质量缺陷进行分类； ( 2 ) 分析比较多种6 i s 数据质量评价方法，根据管网g i s 系统数据特点采取相 应的评价方案，包括基于层次分析法的管网数据模糊评价，基于粗集理论 的数据综合评价等； ( 3 ) 对管网g i s 系统数据提出数据质量控制的思想，并根据国家有关标准建立 质量控制体系； ( 4 ) 以z j 市排水管网g i s 系统数据质量评价为实例，利用两种评价方案对某片 区内的管网数据进行质量评价，并对两种方法的适用性进行了分析比较， 验证前文提出的质量控制体系的实用性。 5 第2 章捧水管网g i s 系统数据分析 第2 章排水管网g is 系统数据分析 数据是构成城市排水管网g i s 系统的基础，是贯穿于系统的各个开发阶段、 各个组成部分的极其重要的要素。因此，有必要对排水管网g i s 系统的描述对象、 数据组成、分类结构、特点、常见错误模式等方面有一个清晰的认识。 2 1 排水管网g i s 系统的描述对象 排水管网g i s 系统是为用户提供科学、高效、丰富、翔实、安全可靠的数 据管理体系。它的描述对象主要包括： ( 1 ) 管道 管道是排水管网中水流的主要载体，检查井或其他附属构筑物两两之间连通 的部分称为一根管道。 ( 2 ) 检查井 检查井起到衔接相邻管道的作用，并且是人员进行现场管道检测、修复的场 所。在g i s 系统中通常以节点的形式存在。检查井通常设在管渠交汇、转弯、 管渠尺寸或坡度改变、跌水等处，以及相隔一定距离的直线管渠段上。 ( 3 ) 排水口 排水管道的末端是排水口，与接纳废水的水体连接。排水管渠排入水体或下 游系统的出水口的位置和形式，应根据水质、下游用水情况、水体的水位变化幅 度、水流方向、波浪情况、地形变迁和主导风向等因素确定。要保证出水与接纳 水体混合良好，避免因设置不当而造成水源地被污染等情况。 ( 4 ) 提升泵站 在排水管网中，为了提高下游管道的高程或使排水加压输送而设置的泵站称 为提升泵站。提升泵站一般设在设计管段接近或达到设计最大埋深和需要提高下 游管道标高的地方，具体设置一般应考虑环境卫生、工程地质、电源和施工条件。 ( 5 ) 雨水口 雨水口是在雨水管渠或合流管渠上收集雨水的构筑物，一般设在交叉路口、 路侧边沟的一定距离处，以及没有道路边石的低洼地区，以保证迅速有效收集雨 水，防止雨水漫过道路、地面积水而妨碍交通。【9 】【l l 】 在g i s 系统中，上述描述对象主要以点和线的形式存在，如表2 1 所示，在 6 第2 章排水管网g i s 系统数据分析 空间上可表示为一个复杂的有向图。 表2 1 城市排水管网系统元素类型 l 元素名称描述的排水设施类型 l 节点检查井、调蓄池、堰、出水口、闸门、泵站 l 管段管道、明渠、河流 2 2 排水管网g i s 系统数据分类、特点和来源 2 2 1 排水管网g i s 系统数据分类 排水管网系统不仅数据量大，而且类型繁多，根据不同的使用需求，具有不 同的分类方式。按数据的特征属性分类，可以分为构造属性数据、拓扑属性数据 和水力属性数据；按数据的变化情况，可以分为静态数据和动态数据；根据数据 的测量与否，可以分为实测数据和估计数据。本文以g i s 系统中的数据特点将 城市排水管网系统数据分为空间数据和属性数据两类。 1 、管网属性数据 管网属性数据是与管网中各要素的地理位置有关，反映要素属性特征的数 据，也称文字数据、非图形数据。属性数据一般通过现场勘探、s c a d a 系统、 工程图表、施工维护记录等手段获取。其维护管理方式直接影响数据质量，进而 会对g i s 系统的准确性产生影响。常见管网属性数据如下所示： ( 1 ) 管道：管道编号、管径、管道材料、敷设日期、管道长度、管道埋深、水 力坡度、道路名称及道路两侧主要建筑物的名称、附属设施、维修记录、 用户情况、管线两侧1 5 m 范围内与其平行或交叉的其它非排水管线( 电力、 燃气、给水及通讯电缆等) 。 ( 2 ) 维修记录：包括维修地点、坐标、管径、原因、时间、人员、材料等。 ( 3 ) 检查井：检查井编号、名称、详细地理位置、进出管线等。 ( 4 ) 排水口：排水口编号、名称、详细地理位置等。 ( 5 ) 阀门：阀门编号、名称、详细地理位置、型号、阻力系数、是否开启、阀 门开启度、维修记录等。 这些数据一般来说在g i s 系统中有着完备的纪录，如表2 2 所示： 7 第2 章排水管网g i s 系统数据分析 表2 2 排水管网属性数据表 实体类型g i s 系统中的数据项 检查井x 、y 坐标、埋深、井底标高 管道标准管径、管道材料、长度、坡度、埋深、管底标高等 出水口x 、y 坐标、底部标高、形状、口径 堰 x 、y 坐标、形状、类型、尺寸，底部标高 调蓄池x 、y 坐标、地面标高、池底标高、最高和最低水位 水泵x 、y 坐标、地面标高、铭牌信息( 流量、扬程、额定功率等) 闸门x 、y 坐标、类型、规模尺寸 2 、管网空间数据 管网空间数据是反映管网中各要素地理位置的信息，从计算机的角度可称为 空间位置数据，也常称为地图数据、图形数据。主要包括与管网系统有关的各种 基础地理特征信息，如地形、土地使用、地表特征、地下构筑物、河流等，以及 管网系统本身的各种地理特征信息，如检查井、水表、管道、泵站、阀门等。这 些数据在g i s 系统中一般以点、线的拓扑关系形式存在。 2 2 2 排水管网g l s 系统的数据特点 由于城市排水管网和一般网络系统一样，具有分散性( 覆盖整个排水区域) 、 连通性( 各部分之间的水量、水压和水质紧密关联且相互作用) 、传输性( 水量 输送、能量传递) 、扩展性( 可向内部或外部扩展，一般分多次建成) 等特点， 因此城市排水管网g i s 系统数据在空间分布、几何尺寸、各组成部分连通关系 和属性变化规律上存在着一些特点： 1 1 1 2 1 8 l ( 1 ) 空间分布特征 取值范围要求：由于城市排水管网各个构筑物相互之间需要满足最大和最小 间距要求。例如，构筑物和雨水口之间的间距有一定要求以保证污水和雨水的收 集效果，污水管道上检查井距离按设计规范一般不超过5 0 m ，道路上雨水口的间 距按设计规范一般为2 5 5 0 m ；而管线与两侧建筑物要满足最小间距要求，以免 与建筑物地基沉降对管线造成影响；平行和交叉的管线也要保持一定的间距，避 免相互之间的影响；而在管线的高程分布上同样有最小覆土厚度、最大埋深的要 第2 章排水管网g i s 系统数据分析 求。这些要求使得排水管网各要素的数据取值必须要在相应的范围之内。 此外，由于城市排水管网一般采用重力流系统，管线的布置大体上从上游向 下游逐渐降低。只有在采取压力流或设置提升泵站的地方，管线标高会突然增大。 因此，排水管网的高程数值分布上一般呈现渐变性。 ( 2 ) 几何尺寸特征 管径取值的分级渐变性：排水管道在建造时，断面尺寸按照某一标准取值， 如管径以1 0 0 m m 逐级递增，在数值上不是连续变化。此外，由于排水管网从上 游到下游设计流量依次增大，因此管径大体上沿水流方向逐渐变化。只有在管线 坡度突然增大、沿途设有雨污水提升泵站等情况下，可能出现下游管段比上游管 段断面尺寸小的情况。 ( 3 ) 连通关系特征 数量对应关系：排水管网是一个连通的系统，在它互相连通的各个环节之间， 往往存在着比较固定的数量对应关系。每个检查井上游可能有一条或多条进水 管，而下游出水管一般只有一个。 ( 4 ) 属性变化特征 邻近的地段管段材料、养护手段等往往相同：在同一条街道、同一片小区内， 排水管道通常采用相同的材料，当管线穿越铁路、或有其他特殊要求时才会改变 个别管段材料。因此，排水管网的属性数据中与地理位置有关，反映要素属性特 征的数据一般具有局部一致性。 2 2 3 排水管网g i s 系统数据来源 根据g i s 系统建立过程中对不同数据的需求，开展相应的数据收集工作。以 便于建立完善的排水管网g i s 系统。 ( 1 ) 管网基础属性数据 对城市排水管网属性基础数据的详细情况和来源进行分类统计，结果如表 2 3 所示： 表2 3 管网属性数据资料 实体类型详细说明来源 节点名称自定义 节点节点坐标，高程管网系统图( 勘测资料) 类型供水企业工作人员 9 第2 章排水管网g i s 系统数据分析 实体类型详细说明来源 起终节点号自定义 管线管径，管长，材料，埋深，管底标高 管网系统图( 勘测资料) 类型供水企业工作人员 出水口名称自定义 出水口形状尺寸，底部高程 管网系统图( 勘测资料) 类型现场调查 堰名称管网系统图( 排水普查) 堰 形状尺寸，底部高程施工图 类型现场调查 形状管网系统图( 排水普查) 调蓄池最高、最低水位 施工图 进出水管径、类型现场收集数据 起终节点号自定义 进口管径，出口管径 泵站施工图 泵站 水泵名称，水泵类型现场收集数据 水泵性能参数( q ，h ，n ) 现场测定 起终节点号自定义 闸门尺寸规模 管网系统图 类型供水企业工作人员 ( 2 ) 管网运行监测点数据 管网运行监测点数据包含各个监测点所测得的流量、水位、水泵运行状态的 变化过程。这些数据主要来自于数据采集仪和传感器设备，也可以来自人工读数 的报表记录。数据在输入模拟软件前转换成软件能接受的格式，再输入g i s 系 统。将运行和监测点数据的详细来源整理为如下表格： 表2 4 管网运行数据资料 数据 详细说明来源 旱季、雨季流量、节点蓄 排水监测系统 节点入流量、水位排水企业工作人员 ( 积) 水情况 人工报表 排水监测系统 管道流量 重要干管流量排水企业工作人员 人工报表 l o 第2 章捧水管网g i s 系统数据分析 数据详细说明来源 水位一时间变化曲线 排水监测系统 出水口流量、水位排水企业工作人员 流量一时间变化曲线 人工报表 进出流量变化曲线 排水监测系统 调蓄池流量、水位排水企业工作人员 水位一时间变化曲线 人工报表 排水监测系统 堰的流量进出流量变化曲线排水企业工作人员 人工报表 流量排水监测系统 泵站压力排水企业工作人员 水泵开停记录人工报表 排水监测系统 雨量降雨强度一历时排水企业工作人员 气象水文单位 目前，国内除了北京、上海、天津等个别城市逐步开始建立城市排水监测系 统外，大多数城市都没有排水水力监测系统。在这种情况下，城市排水管网g i s 系统所需要的监测数据，只有通过短期的实测数据获得，人工操作较多，劳动量 较大，并且因为人工进行数据传递，数据量较大，数据准确性受到影响。 ( 3 ) 实测数据 对于管网拓扑属性中有问题的数据，要进行现场核查。比如节点的堰、调蓄 池等设施的完好情况，对其进行物理检查，检查井为多项检查井时，到底有哪些 方向的管段接入等。 水泵的曲线一般由于水泵的实际运行时间太长，与样本血线可能有一定的区 别，所以条件较好的排水企业会定期测试水泵曲线。不过大部分排水企业都没有 做到每年测试一次，因此，在建模的过程中可根据需要，要求排水企业组织人员 进行临时测试，提供较为准确的水泵运行曲线。 大用户排水水量曲线的测试，因为记帐网络没有建立起来，一般根据建模需 要，排水企业组织相关人员进行测试。但是由于测量设备和人员等条件限制，可 能无法提供这些实测数据，只能根据用水类型用户的用水曲线折算成排水曲线来 替代。 l l 第2 章排水管网g i s 系统数据分析 对于城市积水路段的水位测量，根据气象预报和实际情况，在短历时降雨过 程中，组织人员测量积水点的水位。 2 3 排水管网gis 系统的数据管理方式与数据组织 2 3 1 地理信息数据管理方式 数据管理是排水管网g i s 系统的主要功能之一，对于地理信息数据的管理一 般有以下几种管理方式：f 1 1 】 ( 1 ) 纯文件管理方式 依靠文件存储数据，数据检索不便、维护的空间和时间成本高、更新效率低。 纯文件管理方式不能适应大数据量、更新迅速的数据管理工作需要。 ( 2 ) 文件与关系数据库混合管理方式 图形和属性数据各自独立组织、管理与检索，图形处理界面和属性的用户界 面是分开的。这种管理方式文件管理系统的功能较弱，在数据的安全性、一致性、 完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能。 ( 3 ) 纯关系型数据库管理方式 纯关系型数据库中，图形和数据按照关系模型进行存储和组织。关系模型具 有数据结构简单、清晰，用户易懂易用的特点，关系型数据库可用于海量空间数 据的组织。 2 3 2 排水管网g i s 系统数据组织方式 数据是g i s 系统的核心，而数据的组织决定着系统的成败。城市排水管网地 理信息系统中，除了利用关系型数据库存储管理各要素信息外，还可以结合数据 分图层和对象编码的方式，对数据进行组织。 ( 1 ) 数据分图层 数据分图层是g i s 系统地理信息系统数据组织的重要环节，其实质是对g i s 对象进行合理分类。按照要素的几何特征，把管网描述为线状的管线和点状的构 筑物、设备的组合。将对象按照几何特征和类别分别设置在不同图层，各个图层 可根据管理需要设置为可见、对象可选择、对象可编辑等状态。这样可避免操作 1 2 第2 章排水管网g i s 系统数据分析 界面中显示图形种类过多，有利于系统操作者浏览和管理数据，也有利于提高系 统的运行效率。【1 o 】 l l i t m f 承曩 l i 承匿媳再 卜一失城羹摊污点 l 一据毒誊缓秘 卜譬钱 li - - 赍辘摹娩 ir 搿拳蒹缓 l 。，淋畚境 卜一构筑瀚 ii - - 鲁流攀统 l匕蒴农萋娩 l ，i 拳蓑蝗 。一被备 ! - - 弼褥裂站 。搜番 图2 1 某市排水管网地理信息系统图层设置方案 如图2 1 所示为某市排水管网地理信息系统图层设置方案，该方案的特点是： 各管网要素按不同的排水体制分层。如晴天时，主要由合流系统和分流制污水系 统收集和输送污水；降雨时主要由合流系统和分流制雨水系统收集雨水。用户可 根据需要打开或关闭相应的图层。 ( 2 ) 对象编码 利用具有特定含义代码的组合来代表数据对象，有助于提高数据检索速度。 根据对象的编码可以读出对象的类型、位置等信息。另外，编码也可以作为不同 类型对象阃连接的纽带。例如，在管段和构筑物的编码中可以表达出它们所在的 汇水区域序号或道路名称。在构筑物的属性中录入与之相连的管段编码，可以表 达出管段和构筑物之间的连接关系。表2 5 所示为某排水管网编码方案中各字母 代码的含义。【1 0 】 表2 5 某编码方案中字母代码一览表 排水体制 h 合流制，y 一雨水管网，w 一污水管网 管渠类型q 一明沟，g 一暗沟，卜管道 区域类魁 f 一汇水区 构筑物类型 j 一检查井y 一堰，b 一泵站，z - 一闸门，c 一调节池、水池 道路名 取路名前二个字的拼音首字母 第2 章排水管两g i s 系统数据分析 基于此编码方案，可对排水管网中各要素采用数字和字母混合编码，并根据 点、线、面等不同的几何形式，采用不同的编码方式，如下所示： 线形式：管道、沟、渠； hl0 1t f l 0 3 9 ( 序号为0 1 的汇水范围内，序号为0 3 9 的合流制管段) 数字3 位对象在所属道路中的序号 字母3 位对象所在道路名 数字2 位对象所在汇水区域序号 字母1 位管渠类型 字母1 位排水体制代号 点形式：多种排水体制的污水泵、雨水泵、检查井及其他构筑物； wj0 1 3 3 6 ( 序号为0 1 的汇水区内。序号为3 3 6 的分流制污水管道上的检查井 数字3 位对象在所属汇水区域中的序号 数字2 位对象所在汇水区域序号 字母1 位构筑物类型 字母1 位捧水体制代号 面形式：汇水区。 f f0 1 ( 序号为0 1 的汇水区域) 1 4 数字2 位区域在所属类型中的序号 字母1 位区域类型代号 第2 章排水管网g i s 系统数据分析 2 4 排水管网g i s 系统的数据错误分析 2 4 1 数据错误形式 排水管网g i s 系统的数据质量问题在很大程度上可以看作是数据误差问题， 广义上的g i s 系统数据误差可以分为以下三类：1 1 9 ( 1 ) 源误差 g i s 系统中的大部分数据来源于对纸质地图、管网系统图等文件的数字化。 尤其是对于空间数据，常用的获取手段包括g p s 、全站仪、卫星遥感图像等。通 过这些手段得来的数据不同程度地存在着误差。具体可分为随机误差、系统误差 和粗差。对于随机误差，理论上可以采用随机模型，如最小二乘法平差处理；系 统误差可以采用实验的方法进行校正，即对测量数据加上修正值；粗差可以对测 量计算理论进行完善后剔除。此外，在测量过程中由于受环境、测量仪器的影响， 会产生不可避免的误差。这些误差会随着科学技术的发展人类对误差理论的认识 深入而逐渐减小。 ( 2 ) 操作误差 在对g i s 数据进行处理和模型分析时会产生新的误差。如在利用g i s 系统 进行空间分析时的多边形立体叠置会产生大量的多边形，这是由于g i s 系统在 进行空间分析之前默认数据是均匀分布的、所有的算法为正确的。此外，由于计 算机在对g i s 系统数据存储和处理时采用的编码长度不同，这会对数据处理和 存储产生误差。如1 6 位的计算机在存储高精度的地理数据时就会出现上述误差。 消除此类误差的方法是采用高字节的计算机运行g i s 系统，或者采用有效位数 多的格式( 如双精度) 存储g i s 数据。 ( 3 ) 误差传递 在对g i s 系统进行各项操作过程时，由于采用含有源误差和操作误差的数 据进行空间分析，这些误差会在操作过程中逐渐积累后传递到g i s 系统的最终 产品中去。如下公式所示： y = 厂( ，x 2 ，) ( 2 一1 ) 式中，而为描述空间数据的自变量，它带有源误差：y 为g i s 系统的因变量；，? 动 为描述g i s 系统在空间数据操作过程中的数学函数，用来计算数据误差。常用 的误差传递模型可用下式表示： 第2 章排水管两g i s 系统数据分析 y ( ) = o p t ( d i ( ) ， ，d m ( ) ) ( 2 - 2 ) 式中，y ( ) 是g i s 的分析结果，o p t ( ) 是m 个空间数据集d i ( ) 上的操作，空间 数据误差传递的原理是给定空间操作o p t ( ) 和输入不确定性数据集d i ( ) ，观察 分析结果y ( ) 的不确定性，当空间分析o p t ( ) 是一个线性函数时，空间不确定性 传播度量相对容易，按传统的误差传播定律即可。但绝大多数情况下，o p t ( 1 不 是连续、可导、或者由误差传播定律引起的近似误差是不可