城市排水管网地理信息系统功能设计.pdf

Y8 5 1 3 9 S 申请同济大学工学硕士学位论文 城市排水管网地理信息系统 功能设计 培养单位 环境科学与工程学院 一级学科 土木工程 二级学科 市政工程 研究生 马骏 指导教师 刘遂庆教授 二O o 六年三月 摘要 摘要 伴随着我国各城市的迅速发展 城市排水管网正在经历着迅速扩张和大规 模改造 其运行效果和管理水平面临着更高的要求 这与我国目前基础设施资 料不全 信息收集手段不力 管理手段相对落后的现状相矛盾 地理信息系统 具有很强的数据管理和分析功能 并可作为管网模型 水质监测等系统的数据 交换平台 是提高城市排水管网管理水平的有效技术手段 本文的研究内容是城市排水管浏地理信息系统的系统分析与设计 根据城 市排水管网日常管理的需要 和地理信息系统的功能特点 城市排水管网地理 信息系统既要具有地理信息系统共有的数据格式转化 图形管理 数据检索等 基本功能 又应具备生成管理图表 特殊空间分析等功能 以满足管理j 二作的 需要 本文对城市排水管网地理信息系统软件进行功能分析 提出软件需满足 的功能和性能设计目标和设计原则 进而提出了软件应采取的开发方式和体系 结构 在此基础上 论文研究了软件的管理对象及数据的分类 数据的组织和 管理 以及软件作为专业的管理工具所应具备的功能目标和实现方案 并通过 分析城市排水管网的结构 运行特点和影响因素 总结出软件数据管理的要素 及其特点和相互关系 在数据组织和管理上 采用关系型数据库 结合对象按 类型分图层 编码的方法组织数据 讨论了软件的检索优化机制和数据安令机 制 在软件功能设计方面 根据管理工作的需要 提山了软件各项功能设计和 实现方法 本文通过刁市排水管网地理信息管理系统开发案例 介绍了所开发软件的 应用经验 该软件系统在实际运行过程中 从经济效益和技术水平上能满足城 市排水管网管理工作的需要 关键词 城市排水管网 地理信息系统 需求分析 关系型数据库 功能设计 A B S T R A C T A B S T R A C T w i mr a p i dd e v c l o p m e n to fc i t i e si nC h i n a u r b 蛐d r a i n a g en e t w o r ki se x p a n d i n g q u i c k l yi nd e v e l o p i n ga n a sa n dr e b u i l ti nl a r g es c a l ei nm ee X i s t i n ga r e a s A tt h e s a m et i m e i tm e e t sh i g h e fr e q u i r e m e n ti n 叩e r a t i o ne f f e c ta n dc o n t r o l l i n gl e V e l N e v e n h e l e s s p a r to fd a t aa b o u ti n f r a s t n l c t u r e h a db e e nl o s t m e t h O d st oc 0 1 l e c t i n f o r m a t i o na b o u tn c t w o r ka r ci n e H c c t i v e a I l dm a I l a g e r i a ll a d d e r sa r er e l a t i V e l y 0 u t d a t e d H o w e V e r G I s G e o 伊a p h i c h l f o n n a t i o n s y s t e m i s g o o d a td a t a m a I l a g e m e n t a I l d s p a t i a la I l a l y s i s a I l di tc a nb e d a t a e x c h a l l g e n a t o fo t h e r i n f o m l a 石o nm a n a g e m e n ts y s t e m s s u c ha sn e t w o r km o d e l i n gs y s t e m w a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e m a n ds oo n J ti se x p e c t e dm 砒G I Sw o u l db ea I le n e c t i V et o o lt o u r b a n d r a i n a g en e t w o r km a n a g e r n e n t T h eo b j e c t i v e so ft h i sd i s s e r a t i o na r es y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g no fG e o g r a p h i c I n f o r m a t i o nS y s t e mf o rU r b a nD m i n a g eN e t w o r k A c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o no f m a n a g e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fG I S G e o 铲a p h i cI n f 0 n a t i o nS y s t e mf o rU r b a n D r a i n a g eN e C w o r ks h o u l dc o m b i n ep r i m a r ym n c t i O n s0 fG I Sw i t hs o m es p e c i a lO n e s u c ha sp m d u c i n gp r o f e s s i o n a ls c h e m a t i c sa n dt a b l e s s p e c i a ls p a t i a la n a l y s i s e t c t o p r o m o t em a n a g e m e n to nd r a i n a g en e t w o r k T h i sp a p e ra I l a l y z e sd e m a n d so f 山e s o f t w a r ea n db r i n g sd e s i g I lo b j e c t i V e so fi t sf u J l c t i o n sa I l dc a p a b i l i t i e s a n dt h e p r i n c i p l e si n 血ep r o c e s so fd e s i g n 山e np u t sf o r w a r dt op m p e rt 0 0 1 st od e V e l o pt h e s o f t w a r ea n di t sf m m e T h en e x ts t e p t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r do b j e c t so ft l e m a n a g e m e n t 柚dt h e i rm e t h o do fs o n i n g o 曙a n i z i n ga I l dm a n a g i n g a n dt h e nd e s i g n f u n c t i o n sa n d m e i rs c e n a r i o so fi m p l e m e n t a t i o n I nw h i c h e l e m e n t so fd a t a m a n a g e m e n ta n d t 1 1 e i rc h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 dr e l a t i o n sa r ec o n c l u d e d b y f r a m e o p e r a t i o n a ln 缸t s a I l df o r c e f u lf a c t o r s o f 出a i n a g en e t w o r k W i t hs c h e m e so f o p t i m i z a t i o na n ds e c u r i t yr n e c h a n i s m s d a t a b a s ei nr e l a t i o n a lm o d e li su s e dt ok e e p d a t ai nt h i ss o f t w a r c a n dd a t ai so 唱a n i z e db yl a y sa n dc o d e s A f t e rd i s c u s s e dd a t a m a n a g e m e n t t h i sp 印e rp u t s f 0 M a r dt o d e s 蟾n a n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f f h r l c t i o n so ft h es a f t w a r e B yi n t r o d u c i n gG e o g r a p h i cI n f o 啪a t i o nS y s t e mf o rU r b a I lD r a i n a g eN e t w o r k i n 刁 A B S T R A C T c i t y t l l ep 印e re x p o u n d st h ep r o c e s so fd e s i g na l l di m p l e m e n t a t i o no fU r b a nD r a i n a g e N e t w o r kG e o 聊h i cI n f o m a t i o nS y s t e m 1 1 1 i ss o 行w a r eh a sm e te c o n o m i c a la n d t e c h n i c a ld c m a n d si nt l l ep m c e s so fm a l l a g e m e n t K e yw o r d s u r b a nd r a i n a g en e t w o r kg e o g r a p h i ci n f 0 衄a t i o ns y s t e m d e m a n d s a I l a l y s i s d a t a b a s ei nr e l a t i o n a lm o d e l f u n c t i o nd e s i g n 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 在不以赢利为曰的的前 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 学位沦文作者签名 马璇 k 6 年弓月知日 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 已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 签名 b 滗 枷石年弓月加日 第1 章引言 1 1 课题研究背景 第1 章引言 1 1 1 排水管网信息化管理的必要性 城市排水系统是保证城市正常运行和维护城市环境的 静脉 它的基本功 能是及时排除城市内生活和生产产生的污水 使城市保持清洁 作为城市水循 环系统的一部分 它起到水量调蓄渠道的作用 避免污水和雨水在城市内累积 与山地排洪沟 城市内湖泊和内河 防洪堤坝一起消减积水和洪涝灾害对城市 的威胁 同时它也是城市环境污染和净化的平衡渠道 通过水流将污染物收集 输送到污水处理设施 避免大量污染物集中排入水体 对环境造成难以恢复的 破坏 我国许多城市目前面临着大量人口的迁移和土地开发状况与使用情况的迅 速变更 这些情况促使排水系统在内的城市基础设施建设如火如荼的进行 据 建设部统计数据显示 近年来 我国市政排水系统相对较完善的城市用于排水 系统建设的固定资产投资金额居高不下 而城市排水系统建设相对落后的地区 投资金额大体上呈逐年递增之势 表1 1 城市排水行业建设统计数据 省份城市排水建设固定资产投资 万元 排水行业维 P 建设资金支出 万元 2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 口年2 0 0 3 年2 0 0 4 年 河北 1 2 7 6 3 21 7 9 2 3 41 9 4 3 4 01 2 3 6 4 81 8 7 9 7 41 9 2 5 6 3 辽宁 7 6 8 4 5 1 0 4 9 6 61 3 9 3 3 08 4 1 8 11 2 5 5 7 3 1 2 9 6 9 l 上海 2 4 8 9 7 12 2 4 7 6 42 1 0 2 4 92 5 7 3 7 1 2 3 1 5 5 5 2 1 8 6 4 9 湖南2 8 9 0 43 5 7 7 75 2 2 9 31 9 5 9 71 8 8 3 94 4 7 8 2 重庆 8 9 9 0 21 9 1 2 2 41 8 3 7 0 65 5 2 1 81 4 2 3 2 61 8 4 3 0 9 陕西 3 2 4 9 08 0 7 3 58 7 3 1 34 1 6 5 78 9 8 4 18 8 4 8 4 同时 由于人们对城市环境品质的要求不断提高 城市排水系统的收集输 送能力和运行状态面临着越来越高的要求 资料显示 近年来各地城市用于排 第l 章引言 水设施维护建设的资金支出接近甚至高出当地当年固定资产投资金额 在国内许多城市 还存在排水系统基础数据不全 档案保存方式落后 信 息获取手段效率低 日常清通维护不能到位和紧急事故处理无法及时等问题 一些城市缺乏排水设施的竣工图纸等资料 给城市日常管理和城市规划建设带 来诸多不便 以图纸形式保存排水管网资料 需要占用大量的存储空间且易发 生破损和遗失 保存精度不高 信息检索不便 而且不利于不同部门 不同地 域之间的数据传送和共享 对新建和已建管道采用传统的勘测手段 数据获取 和更新效率低 不利于资料与现状保持一致 管网监测手段落后 不能及时掌 握管道安全状况和管道内水流水质情况 对事故的发现和处理速度难以提高 现有管理水平和效率难以适应城市高速度 高品质的发展要求 信息化管理技术为解决上述问题提供了一条有效的途径 排水管网信息化管理的主要内容包括 建立污水处理厂的自动化控制系统 建立计算机辅助调度系统 建立管网地理信息系统 建立管网数学模型系统 建立大流量污水排放用户收费计算机系统 建立客户服务系统 建立公司管理 信息系统 建立企业网络系统 建立计算机辅助决策系统等 信息化技术的应 用为城市排水管网管理带来了巨大的变革 1 提高了数据收集的速度 同时提高了可靠性 准确性 精确度 2 改变了管网资料的存储方式 使资料存储 检索 更新方便 3 提高了管理人员对管网系统运行状况掌握效率和程度 管理人员能 及时准确的获取信息更及时 准确 对系统运行中的突发事件具有更长 的反应时间 可选择更多的处理方案 4 变革了管理运行方式 自动化办公系统使管理人员告别了传统的管 理手段和方法 5 对被管理对象的操作方式从传统的依靠经验转化为依靠数学模型 智能决策系统 可靠性 及时性得到提高 6 变革了地域和部门之间的数据交流方式 使管网管理突破了空间距 离的桎梏 让信息的实时更新和共享成为可能 综上所述 对城市排水管网进行信息化管理对提高城市管理水平 维护城市 安全运行 改善城市环境具有重要意义1 4 5 j 第1 章引言 1 1 2 城市排水管网地理信息系统概述 地理信息系统是以采集 存储 管理 描述 分析地球表面及空间和地理 分布有关的数据的信息系统 它是以计算机为工具 具有地理图形和空间定位 功能的空间型数据管理系统怕 地理信息系统管理对象是地理信息数据 G I s 对现实世界中存在的实物 根 据一定的原则进行抽象模拟 它在图形界面中通过符号反映实物的空间关系 对符号进行空间分析的结果 可以反映现实地理实体之间的度量 方位和关联 关系 它与一般管理信息系统相比 能对面积 长度 密度 分布特征以及地 理实体之间关系进行运算 另一方面 它具有图形和图像数据的显示 编辑 输入 输出 格式转化等功能慨 G I S 作为一种空间查询和数据分析工具 空间分析功能是它的本质特征 G I S 的空间分析是基于地理对象空间布局的地理数据分析技术 包含对空间地理 对象的认知 解释 预报 宏观决策与控制四个由深到浅的层次 其中认知表 示科学的组织空间数据来再现事物本身 解释 预报 宏观决策与控制表示利 用空间数据描绘和预测事物的深层规律 并在此基础上针对空间事件作出合理 决策 这一功能使它对现实世界的模拟更加准确和深入 既可以准确的表达实 体之间的距离 方位 关联等空间关系 又可以在此基础上引入新的概念 如 在网络中为边引入权重的属性 模拟管网中的流量 电子元件之间的电阻等 使系统向专业分析工具又迈进了一步1 7 一 自地理信息系统问世以来 随着其自身及相关学科 如计算机制图技术 数字图像处理 数据库管理系统等的发展 它已逐渐渗透到测绘 资源环境 土地管理 设施管理 军事和商业领域 进入上世纪九十年代以后 我国许多 行业纷纷投资与实用性地理信息系统的建设 特别是在城市建设 城市管理方 面的地理信息系统已成为人们普遍关注的热点 J 城市排水管网地理信息系统就是利用G I s 技术和给排水专业技术相结合 集采集 管理 更新 综合分析与处理城市排水管网系统信息等功能于一身的 应用系统 9 J 通过排水管网地理信息系统 可以方便地检索 更新和维护排水管 网基础设施资料 从而提高管理部门对管网系统现状的了解程度 加快管理部 门对管网系统事故的反应速度 丰富应对事故的措旌 城市排水管网地理信息 系统首先应具有地理信息系统的基本功能 如数据的存储 编辑 导入和输出 第l 章引言 等 提高管网数据存储和管理效率 它可向管网模拟 调度 决策等系统提供 运行所需的基础数据 并保存它们运行的结果 此外 它应具备空间分析及其 它功能 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要求 目前国内已有不少城市对利用地理信息系统管理城市排水管网系统进行了 积极的探索和试验 取得了不少宝贵的经验 未来地理信息技术的发展将使其在排水管网管理中应用能够更加广泛 主 要有以下几个方面 1 将G I s 扩展至多维分析 以三维可视化等方式提高管理水平 2 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 越来越多的利用声音 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 的局限 在更大范围内获取和查询 1 1 甜 1 1 3 国内排水管网信息系统研究与应用现状 地理信息系统在各领域的应用 经历了一个从基本功能到高级功能的渐进 过程 早期的G I s 应用强调制图和空间数据库的管理 逐渐发展为强调制图现 象间相互关系的模拟 又发展到进行空间模拟 现有的G I s 空间分析已经能够 从数字化方式较好的描述实体和地理现象的空间分布关系 但还不能反映地理 实体的内在规律和变化趋势 空间分析功能及应用模型的研究和探索还在不断 进行当中 我国从上个世纪八 九十年代起 投入了大量的人力物力研究开发地理信 息系统 许多部门 城市建立了各具特色的综合或专业G I s 经历了多年的研究 和发展 目前地下管线信息系统的建设重点已从管线数据入库与管理转向了管 线的空间分析及辅助设计 1 0 l 广州市以地理信息系统为核心建立的地下管线信息系统 实现了普查成图 与监理入库相结合 全面普查与竣工测量相结合 规划审批与现状信息相结合 的一体化建立城市地下管线信息系统模式 该系统引入了城市地下管线动态管 理机制 保证了数据的现势性 提高了规划设计的准确性与科学性 它实现了 具有一定智能水平的地下管线计算机监理查错与入库 地下管线辅助设计 管 线工程规划综合 管线地图综合等功能 1 5 1 6 4 PE管材 第l 章引言 天津市排水信息管理系统基于国产软件c i t y s t a r 建成 除基本的图形显示和 属性查询功能外 可利用地表高程数据进行地面积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 该系统可通过互联网络支持用户远程 登录查询和收录远程监测系统传回的数据 具备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等功能 还可完成远程监控 防汛调度等一系 列功能 1 此外 还有许多城市正在筹各或已经建立了排水管网系统地理信息系统 如大庆市东城区建立了排水管网信息管理系统 上海市今年开始建设 上海城 市地理信息系统基础数据平台 其他一些中小型城市也在管网信息化管理方面 进行着积极的探索 中国城市排水行业已经迈进了信息化建设和管理时代 专业性应用软件的 开发和应用是信息化建设的首要任务 然而 城市排水管网地理信息系统的应 用仍受到一些客观条件的限制 如许多城市基础设施现状数据缺乏准确性和完 整性 现有专业应用软件功能有待提高和完善 管网系统中自动监控设备的使 用率和性能需要进一步提高 1 2 课题研究内容 针对目前城市排水系统管理中存在的问题 本课题致力于开发城市排水管 网地理信息系统软件 为城市排水系统的科学化和数字化管理提供平台支持 本文的研究内容主要包括 1 针对我国城市排水系统管理存在的问题 提出城市排水系统科学化管 理的主要目标和实际需求 进而确定城市排水G I S 软件设计的功能框架和总体 思路 2 软件功能的实现依赖于软件数据的合理组织 而城市排水系统所需管 理的属性数据具有海量 多样化等特征 为此 本文通过分析城市排水管网的 结构 运行特点和外部影响因素 对城市排水G I s 管理的数据类型和内容进行 研究 3 按照城市排水G I s 数据要素类型 特点及相互关系 提出基于关系型 数据库的数据存储方案 及数据检索优化 数据备份和恢复 安全策略解决方 案 PE管材 第1 章引言 4 城市排水管网G I s 作为 种软件工具 需要满足管理对象的特殊要求 同时也要符合软件系统设计的一般原则 本文在软件系统的功能设计时 将从 建立管理软件平台的角度 分析资料库功能 几何量算功能 图表生成功能的 实现机制 并在设计过程中考虑到软件工具的易操作性 5 以z J 市排水管网G I s 的建设为实例 介绍了所开发软件的应用经验 在将软件应用于城市排水管网管理过程中 验证前文阐述的理论 原则 6 PE管材 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 2 1 城市排水管网地理信息系统功能需求 目前以G I s 为平台的信息化管理有以下几种模式 1 9 2 0 1 1 利用G I s 数据管理功能建立资产管理系统 这类系统利用G I s 对排水管网及其外部环境中的影响因素进行描述和模拟 帮助管理者掌握管网空间分布的信息 管网在外部影响因素作用下的变化趋势 甚至定量计算其变化程度 利用对象属性存储管理所需的数据 并可生成图形 表格 图像等对空间和属性数据进行分析表达 这类系统的数据结构合理与否 是系统性能的决定因素 2 结合G I S 空间分析功能开发应用模型 应用模型是基本空间分析功能的组合 它的设计水平和应用程度决定了这 类系统的功能是否强大 而模型与空间数据库的结合方式影响到系统性能的优 劣 由于空间分析算法专业性太强 开发难度较高 此类应用系统的发展受到 了限制 3 将G I S 作为数据平台与模型 在线监测 调度系统实时交换数据 G I s 为管网模型 在线监测 调度等系统提供运行所需要的基础数据 并能 储存和更新其他几类系统运行结果 要保证数据在不同系统之间顺利交换 需 要解决数据共享问题 目前不同的G I S 平台具有各自的数据格式 缺乏完善的 统一的数据标准 不同G I s 平台之间需要借助格式转换程序或其它方式完成格 式转换 而G I S 与模拟软件 在线监测系统 调度系统等的数据兼容问题也将 影响到这类系统的开发和应用 另一个突出问题是G I s 数据的动态更新 目前 国内大中城市排水管网随城市建设迅速扩展或更新 随之而来的是管理系统需 要接受和处理的数据量庞大 更新速度快 如何保持地理信息数据的现势性 直接影响到管网管理工作的好坏 4 在G I S 空间数据库的基础上扩展数据库 G I S 数据库主要用于描述排水管网及其外部环境中具有空间坐标和形态的 对象 在此基础上 可以根据管理需要扩展新的数据库 并与原空间数据库保 持数据共享 如开发管网清通维护管理系统 管网施工图档管理系统等 这一 PE管材 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 类应用模式须解决管理系统的数据存储 检索和更新问题 例如 因管理部门 具体条件不同 图档管理系统的管理对象可能包括不同年代 不同介质 时效 性不一的图纸资料 如何解决不同格式数据的共存问题 是数据结构设计的一 大重点 另一个问题是对于数据量大 数据更新频繁的系统如何进行性能优化 以保证系统的运行效率 5 在G I S 数据管理和空间分析功能基础上开发模拟 预测 智能决策等 功能模块 G I S 对空间事物的模拟 预测乃至智能决策功能目前还处于研究和试验阶 段 投入实际应用的实例还不多见 这类系统功能的发挥需建立在良好的数据 结构和精确的数据质量基础之上 因此 在不断探索G I s 应用广度和深度的同 时 不断提高数据获取精度 研究数据校核和检验手段 改进数据存储性能和 管理效率是十分必要的 图2 1G I s 在城市排水管网信息化管理中的作用 城市排水管网地理信息系统软件作为一种专业管理工具 总体目标在于提 高城市排水管网管理水平和效率 根据管理工作的需要它应满足以下要求 1 提供管网数据的检索手段 2 直观反映管网的分布状况 并能提供管网平面和高程布置的分析手 段 作为规划 设计和施工的依据 3 反映管网在运行中的变化规律和趋势 包括管网材料本身的损耗 PE管材 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 和管网内水流流量和水质的变化情况 为管网的运行调度提供数据依据 4 提供将常用格式的原始数据录入系统的途径 并能与已经建立在其 它软件平台上的系统交换数据 5 能作为日常清通维护和事故处理的管理平台 进行原因分析 人员 调度 信息记录等操作 6 能与管网模型 在线检测等系统交换数据 根据以上需求 城市排水管网地理信息系统首先应具备地理信息系统的基 本功能 1 具有数据录入和编辑的多种方式 可通过点击图形录入或编辑相应的对象数据 也可通过链接到数据存储文 件进行操作 属性数据可通过属性列表中直接输入 也可从其它格式数据库或文本文件 中批量导入 2 图形编辑 可进行图形的增加 删除 移动 复制 线条的拉长和缩短 以及多边形 边界修改操作 系统能自动维护相应空间数据与其保持一致 3 数据格式转换 系统可与常用数据输入输出设备和其它常用软件系统交换不同格式数据 4 查询分析 系统应能提供多样的查询方式 既可通过窗口选择 缓冲区分析 拓扑分 析等操作选择查询对象 也可通过对属性值设置限制条件 如面积大于给定值 或长度等于给定值等等进行查询 查询依据既可以是单一条件 也可以多个条 件复合而成 5 空间分析 基本空间分析包括几何分析 网络分析 空间统计分析等 它是地理信息 系统软件对现实世界中的变化和运行过程进行模拟和决策分析的基础 6 数据输出 数据及其分析结果应能根据用户设置 以图纸形式输出 在此基础上 城市排水管网地理信息系统还应针对专业管理需要 具备一 些特殊功能 例如眦矧 1 管理施工图纸资料 它是管理人员掌握管网现状的依据 也是城市 PE管材 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 规划建设的重要基础资料 2 利用数据库中的数据 自动生成管道断面图 管段剖面图 工作报 表 以及反映管网数量 空间分布等变化的各种统计图表 作为管 理工作的重要依据 3 针对排水管网日常管理中 管网空间定位 空间分布特征分析等需 要 在空间分析基本功能基础上 软件应具备距离测量和而积量算 等几何量算能力 满足排水管网管理工作中的特殊要求 4 针对排水管网中特殊的管理对象及其变化特征 实现对管网运行和 变化的模拟 预测 辅助决策 2 2 城市排水管网地理信息系统设计目标和原则 根据上文城市排水管网地理信息系统的功能分析 它既要具有地理信息系 统共有的数据格式转化 图形管理 数据检索等基本功能 又应具备生成管理 图表 特殊空间分析等功能 以满足管理工作的需要 作为一种信息化的管理 工具 它在实现管理功能的同时 还应具备软件工具普遍应具备的数据可兼容 性 可扩展性 易操作性等特点 该系统的功能应符合以下原则 1 保证数据完整性 系统应完整描述排水管网结构 及其运行管理过程中影响较大的因素 模 拟其影响过程 分析其作用效果 甚至预测其变化趋势 为管网管理提供依据 和参考 保证数据的完整性要求系统的数据结构可存储各种要素的属性和相互关系 数据 实体种类和属性设置上需要涵盖日程管理范畴内的主要数据对象 数据 结构中应设置属性字段完整清晰的表达不同类型实体间的相互关系 针对原始 数据准确度和精确度不足 以及数据预处理和导入软件过程中带来的误差或错 误 系统应具备数据检查机制 防止因数据本身的问题带来数据相互关系的混 乱 2 保证数据现势性 系统应能根据管网的变化和运行状态及时更新数据 包括新产生的数据和 原有数据的变化 并保留不同时期历史数据和不同阶段的数据变化 以便于核 l O PE管材 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 查数据和分析数据变化规律 目前我国正处于包括排水管网新建和改造在内的城市基础设施建设高峰时 期 随之而来的是数量庞大的信息更新 保证数据的现势性要求系统数据库具 有良好的更新机制 地理空间数据库的更新主要有两种方法 一是逐渐建立一 个新的数据库取代老数据库 这种方法速度慢 适合于为一个新的区域建立新 的数据库 二是检测 识别和更新变化部分 这种方法更掰速度快 更适合于 更新现有的数据库1 2 3 1 系统的更新机制应保证数据的增加 修改和删除操作不 破坏原有数据结构 并支持历史上某时刻数据的保存和检索 反映管网的建设 过程 3 软件的兼容性 软件应能与日常办公和管理中常用的数据输入输出设备兼容 可接受来自 于自动化数字仪等设备的数据 并可向打印机 绘图仪等常用办公输出设备输 出图形 能与其他地理信息软件交换数据 以便利用建设在其他软件基础上的 系统中的数据 还应能与管网模型 在线检测设备等系统交换数据 地理数据获取方式的多样性 带来数据格式的多样性 现有G I s 平台有自 己的数据格式 而缺乏数据统一的标准 在不同平台之间需要数据的兼容机制 保证不同平台能够共同工作 发挥各自的特长 利用数据转换程序 工业适用 标准或国家空间数据存储标准等 将其它格式数据转换为当前系统格式 或将 不同格式数据转换成统一的格式 可以解决数据兼容问题 也可以在G l s 软件 内部开发相应的程序和模块 实现对其他格式数据的直接访问 2 4 软件的功能可扩展性 设计过程中 应为软件保留功能扩展的接口 软件开发往往是分阶段逐步进行的 造成这种情况往往既有技术上不成熟 的原因 也可能由于在开发和使用过程中 软件的功能和性能不断遇到新的要 求 例如 地理信息系统软件一大重要功能是空间分析 目前空间信息量算 缓冲区分析等基本空间分析技术发展已比较成熟 但是满足应用领域对空间数 据处理和输出的特殊要求的专业空间分析 研究相对落后 尚未形成一个统一 的结构体系口 技术上的不成熟 决定了设计和实施具有实用性高 功能强大 的空间分析功能的软件不能 一步到位 同时 将地理信息系统运用于城市排 水管网管理 处于不断的研究和探索中 软件必然面对功能不断和性能不断优 化的需求 因此 软件的可扩展性是十分重要的 PE管材 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 5 软件的易操作性 软件的易操作性可以体现在以下几个方面 一是工作空间中视图管理和界面管理操作简便 前者包括视图的放大 缩 小 平移 漫游 后者往往采用多窗口管理方式 还可根据需要产生临时窗口 显示图表 表达操作产生的数据 二是图形数据和属性数据的转换和编辑方便 对图形可以方便的进行添加 删除 移动等操作 软件可以与其他软件系统交换数据 数据的编辑可在工作 界面直接进行 三是进行查询分析 空间分析等操作方便 查询对象可从工作界面进行鼠 标点取 框选 也可以通过设置查询条件来查询 空间分析操作的对象选取和 条件输入步骤应尽量简化 另一方面 显示查询分析和空间分析的操作结果的 列表或图形 显示或调用步骤不应过于复杂 在软件中需采用菜单选项 工具 栏 对话窗口等形式 为用户提供多种对象选取和命令输入方式 在设计过程中 上述功能原则之间可能存在相互冲突 保证数据的完整性 和现势性 需在一定程度上增加数据种类 使数据间的关系更加复杂 这将增 加系统运行的负担 对系统运行速度造成影响 系统与其它软件交换数据是存 在着泄密 误操作等风险 给系统的安全机制带来考验 不同目标之间的矛盾 造成设计时需要根据情况进行取舍 在设计过程中应遵循以下原则 1 保证数据的完整性 现势性 而不以系统检索 运行速度的大幅度减 低为代价 数据库设计过程中 对数据种类的设置和数据的存储组织方式要合 理 并考虑运用索引 视图等手段对数据检索进行优化 2 保证系统运行的安全性 而不以牺牲系统的兼容性 共享性为代价 选择适合的安全机制 控制用户及其他系统对数据的访问 3 软件功能的完善不以牺牲系统的易操作性为代价 软件功能设计时考 虑易操作性 软件在各种功能的调用方式和运行操作方式采用统一的菜单 工 具栏等形式 在整体上形成易操作性 2 3 系统总体设计 在城市排水管网地理信息系统中 好坏是影响系统运行效率的决定因素 数据是系统功能实现的基础 数据结构 系统分析功能的实现算法决定了功能实 PE管材 第2 章城市排水管网地理信息系统需求分析及设计目标 现的程度 软件各模块的协作能力是系统整体能力的制约因素 遵循前文提出 的功能需求和设计原则 现对软件的开发方式和体系结构讨论如下 2 3 1 软件开发方式 软件的开发可分为独立开发和二次开发 前者利用程序设计语言编写软件 后者借助G I S 工具软件提供的二次开发语言 或者以G I s 工具软件实现G I s 的 基本功能 而利用通用编程软件尤其是面向对象的可视化开发工具为开发平台 进行二次开发 二次开发方式可充分利用G I s 平台及二次开发工具的强大功能 且编程效率较高 因此二次开发手段应用于许多系统的开发过程 独立开发方 式受经济 时间条件和开发者能力的限制 但是它在功能和结构上更针对应用 目标 可以使用户节省购买G I s 工具软件的资金 系统的分阶段开发和升级维 护更加灵活 在开发针对性强 功能要求不全面的专业G I S 工具平台时可以考 虑采用 2 6 1 2 3 2 软件体系结构 软件的模块化可将复杂的问题转化为一些简单问题的集合 软件可以理解 为模块的集成 每 个模块表示一个自我包含的逻辑任务 对应单一 独立的 程序 有单一的入口和出口 将软件按功能划分为不同模块 有利于软件设计 工程的组织和性能的维护 在开发过程中 不同的模块可以分配到不同的开发 小组 在各小组之间保持进度协调和信息交流 软件划分为若干模块 可以避 免软件局部故障造成较大范围的损失 另一方面有利于软件集中系统资源解决 问题 2 从软件工程的原则考虑 模块应具有独立性 即加强模块内部联系 而削弱模块之间的相互影响力 此外 系统应为外部数据库和有待扩展的功能模块预留接口 图2 2 展示了城市排水管网地理信息系统软件层次结构的一个实例 PE管材 第2 章城市排水管嗣地理信息系统需求分析及设计目标 其它数据库其它功能模块L j 图2 2 城市排水管网地理信息系统层次图 1 4 PE管材 第3 章排水管网地理信息数据分析 第3 章城市排水管网地理信息数据分析 城市排水管网系统是收集 输送城市生活污水 工业废水和降水的一系列 工程设施的总称 包括地下管道 暗渠 明渠 检查井 雨水L j 排水口 雨 污水泵站和各种监测仪表等要素 了解排水管网的组成及其相互关系 是建立 排水管网G I S 最基础性的工作之一 本章主要对城市排水管网G I s 数据类型 特点及其相互关系进行研究 整理出城市排水管网地理信息系统的数据管理要 素 3 1排水管网结构 运行和影响因素 3 1 1 城市排水管网组成 1 管道和沟渠 管道和沟渠是水流的通道 每两个检查井或其他附属构筑物之间的部分为 一个管段或渠段 长度 断面形状及断面尺寸共同决定了管端或渠段耗材量 其中长度相当 于水在管渠中流动的距离 不同的断面形状使管渠具有不同的抗荷载能力 断 面形状和尺寸决定了管渠的过水能力 排水管道材料应满足抗荷载 抗腐蚀 抗冲刷 防渗漏的作用 不同的材 料度水流存在不同的阻力系数 管道的覆土厚度应能保证管线敷设在当地土壤冰冻深度以下 并能分散传 递地面荷载以保证管道不受地面荷载破坏 管道的埋设深度还应保证建筑物内 部的管网能与街道上管线顺利衔接 2 检查井 检查井的主要作用是衔接管段 同时也是人员进行现场管道更新维护的场 所 检查井设计时要考虑到上下游管道衔接时的高程关系问题 既要尽可能提 高下游管段高程 以减少管道埋深 降低造价 又要避免上游管段中形成回水 而造成淤积 PE管材 第3 章排水管网地理信息数据分析 在某些特殊位置普通检查井的基础上添加特殊结构 满足管网安全运行的 需要 如针对管网中易燃废气的水封等结构 3 雨污泵站及水泵 当遇到下游管段埋深过大 或排放的水体洪水位较高 导致出水口可能被 洪水淹没时 往往设置水泵对污水或雨水进行提升 雨污水泵的类型和数量根据泵站的设计流量确定 设置机组较多时可通过 开泵的不同方案满足不同流量的输送要求 污水泵站中还设置格栅 水位控制 器 计量设备 引水装置 反冲洗设备 排水设备 采暖与通风设施起重设备 等辅助设施 4 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 一般应设在交叉路 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 集地面雨水 防止雨水漫过道路或造成道路及低洼地区积水而妨碍交通 雨水口的形式和数量通常按汇水面积所产生的径流量和雨水口的泄水能力 确定 5 排水口 排水管渠排入水体的位置和形式 根据污水水质 下游用水情况 水体的 水位变化幅度 水流方向 波浪情况 地形变迁和主导方向等因素确定 既要 在排出口高度 污水与水体水混合情况等方面保证污水顺利排放 又要避免排 放口设置不当造成水源地被污染等情况 3 1 2 环境因素对城市排水管网的影晌 环境因素包括地貌 土壤类型 土壤使用性质 附近水体和地下水状况 气候 以及道路 地表和地下建筑物等等 它们与管网进行着物质和能量交换 既是污水和雨水的来源 又是排水管网排水的受体 是管网设计和规划工作的 重要依据 环境因素对管网的影响范围可归纳为空间位置 设计参数和安伞状 况三个方面m 7 2 钔 表3 1 3 3 分别列举了这三个影响方面的一些实例 PE管材 第3 章排水管网地理信息数据分析 表3 1 环境因素对管网空间位置的影响示例 环境因素影响范围作用规律 管道走向 管道依据地形趋势顺坡排水 地形 是否设置提升泵站 地形起伏过大而管线不便绕行时设提升泵站 排水流域划分 依据地形布置干管 划分排水流域 河流走向管网的布置和走向污水厂需设在河边 管网应敷设在水文地质条件较好的街道下 减 水文地质条件管道走向 小地 F 水的影响 表3 2 环境因素对管网设计参数的影响示例 环境园素影响范围作用规律 人口数量或人口 单位面积土地上单位时间内生活污水设计流量 污水管网设计流量 密度由人口数决定 不同使用性质土地上用水方式和污水产量不 土地使用性质 污水管网设计流量 同 采用不同设计标准 当地降雨量 雨水管网设计流量 降雨量决定雨水管网应具有的输送和调蓄能力 城市铺砌程度和通过影响雨水在地面的径流系数和汇流时间 雨水管网设计流量 地面植被情况 影响雨水管网系统设计流量 表3 3 环境因素对管网安全状况的影响示例 环境因素影响范围作用规律 坡度过小的管段中 水流流速过小 可能发生 地面坡度管段坡度 淤塞 土壤中的水分和 管道材料逐步腐蚀管道材料 酸 碱性物质 管道中水流的某 管道材料逐步腐蚀管道材料 些成分 3 1 3 人类活动对城市排水管网的影响 人类有意识的管理活动 以及生活中的各种日常行为都会对管网造成影响 根据对管网的影响效果 可将人类活动分为四种类型 PE管材 第3 章排水管网地理信息数据分析 表3 4 人类活动对城市排水管网的四种影响类型 类别具体活动影响效果 扩大管道断面尺寸 更换管 管网改造和新建管网数量和分布改变 材 管道变线 体制改造等 管网一般不在数黉 连接关系和空间分 现有管网日常维护 清通 修复 渗漏检测等 布上改变 而对属性会造成影响 开挖施工破坏 地面荷载破坏 变化具有突然性的 时间和地点不可预 偶然因素 等测 行政区域边界变迁 规划方案不直接作j I 于管网 通过影响其它类型 间接影响 变化等实体间接作用于管网 3 2 城市排水管网数据特点 城市排水管网在空间分布 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 2 捌 1 空间分布特征 最大和最小间距要求 城市排水管网在平面和高程上需要满足一些最人 和最小间距要求 例如 为了保证污水和雨水的收集效果 构筑物和雨水口之 间的间距有一定要求 污水管道上检查井距离按设计规范 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