基于数字地下空间与工程的人防信息系统的设计探讨

1、( 2007-07-03)引言相对于以空气为介质的地上空间而言，地下空间泛指地表以下以岩土体和地下水为主要介质的空间领域，地下空间被认为是人类开发宇宙、海洋并列的新开拓领域。随着地下管线、隧道工程、地铁工程、地下变电站、地下车库、地下商业街、地下综合体、地下交通枢纽、地下道路、共同沟、地下厂房、地下船坞、地下储气设施、地下雨水储存设施、地下垃圾站房及人防工程等地下工程建设规模迅速增长，地下空间开发利用已经进入了浅地层大规模开发阶段1。数字地下空间与工程（Geo-digital Underground Space and Project，以下简称Geo-digital）是指以三维数字地层2-4为

2、依托，采用计算机信息化手段对地下建（构）筑物和管线的勘察、设计、施工、监测和运营维护等数据进行集中和高效的管理，实现地下空间与工程的三维直观显示、空间分析和数据查询与挖掘、专业应用和解释等，目的为地下工程建设过程及后期的养护和管理、健康状态评估提供准确的地质资料、设计信息、施工数据和监测信息等，最终实现对地下工程全生命周期的数字化，建成数据共享的信息管理平台。人防工程是为保障人民防空指挥、通信及人员、物质掩蔽等需要而修建的防空工程。它关系到未来高技术战争中，能否有效地抵抗敌军战略空袭和远程火力打击，保存战争潜力，保持战略全局稳定，创造有利于我而不利于敌的战场条件的大问题，人防工程建设是一个复杂

3、的系统5，需要充分考虑到武器装备技术的发展、城市规划、城市建设及城市经济的发展；人防工程建设是我国积极防御战略的积极体现，同时在城市建设、经济建设和人民生活中发挥着重要的作用；人防工程建设在我国有较长的历史，随着建设的不断发展，工程数量不断增加，相应的工程设计、施工、监控、应用和管理等信息量呈指数增加；随着科学技术的发展，人防工程的规划、建设、管理需要科学化、正规化。人防工程的管理还应适应现代高技术战争的要求，达到快速反应，符合战时指挥自动化的要求6-7。现有人防信息管理系统的建设多利用地理信息系统(GIS)技术对城市地面、地下人防设施进行管理，基于GIS的城市人防管理系统较大的不足是信息处理

4、平台仅为平面电子地图，可视化查询、空间分析和数据处理的直观性、层次性、专业性和实用性有待进一步提高；而将Geo-digital的理念引入人防信息管理系统，采用计算机技术、图形学技术、数据管理技术、数据分析技术、智能技术、人机交互技术、数据交换技术、网络通信技术建立高度综合的、统一的、开放的和真三维的、与平面电子地图无缝耦合的人防工程信息系统(CDEIS)是目前城市管理的重要研究内容之一。1 系统总体设计系统的基本设计思想是先将城市人防工程信息纳入数字地下空间与工程分类与编码体系；其次根据分类和编码体系建立人防工程信息系统数据库；随后以空间图形为载体，在平面电子地图上和真三维数字地下空间中管理城

5、市人防工程各种信息。1.1系统总体设计结构将时间数据、空间数据、属性数据高效集成，建立高度综合的、统一的、开放的和一体化的人防工程信息管理系统是总体设计的目标8，其结构包括：建立能够综合时空信息、属性信息的数据库、人防工程元数据标准和组织；基于数字地下空间与工程的信息输入与输出、数据远程交换与共享、信息浏览、三维空间双向查询、人防工程全生命周期管理、实时监控和数据挖掘(城市人防工程设备的承载力、辐射范围缓冲区、人口疏散隐蔽最佳路径和其它空间分析)等，系统设计的总体结构如图1所示。图  系统总体结构Fig.1  System collectivity structure1.2

6、系统技术结构随着互联网络的发展，尤其是数据传输的速度、稳定性和安全性的提高，为适应于社会各行业和部门的需求，CDEIS采用浏览器/服务器(B/S)模式将更高效服务于用户，浏览器端无需安装特殊的软件，只要具有IE浏览器及与Internet相连即可；服务器端负责响应浏览端请求，连接数据库，向浏览端加载应用程序等。基于B/S模式开发CDEIS，采用3层结构：逻辑上分为表现层、业务层和数据层，技术上分为前端浏览器、Web服务器、人防工程信息数据库。客户端采用Windows操作系统，利用浏览器IE实现HTTP访问请求；业务层采用Microsoft Windows XP Professional的IIS6

7、.0作为其运行环境，系统中Geo-digital平台应具有独立开发、三维图形显示、网络发布功能、接受并处理网络客户端的各种操作要求，完成后台数据处理并通过矢栅一体化的方式向客户端返回相应的结果；在服务器端，IIS6.0动态托管服务器网页ASP.NET(Active server pages)根据用户访问实现不同功能，在IIS和Geo-digital之间，可以通过图元编码以及接口函数来实现二者的信息交互，协同完成特定的反馈与显示；综合考虑系统的稳定性以及安全性等因素，数据层存储平台拟采用Oracle9i,利用其空间信息处理模块Oracle Spatial和多媒体处理模块Oracle Interm

8、edia强大功能，业务层与数据层的通信利用ADO技术，将用户请求转换成SQL查询语句，通过ADO访问数据库服务器中的相关信息，将访问的结果动态生成图形和网页返回浏览端客户，或将访问信息、控制信息转换成SQL语句存入数据库。三层技术结构图详见图2,充分体现软件工程设计的针对性、规范性、完备性、可扩充性和安全性。图2  CDEIS 技术结构Fig.2  The technical structure of CDEIS城市人防工程数据特征及组织CDEIS数据包括Geo-digital基础数据和城市人防的工程数据等。Geo-digital基础数据主要用于工程分布定位和基础环境背景信

9、息的显示，包括基础地理的注记、交通设施、绿地、水系、公用设施、行政区划、社会经济要素以及不同比例尺的城市电子平面地图；也包括城市地质中的三维地层、地下水等数据；另外一些重要的地下工程建筑物(诸如地铁、地下管线、共同沟等)数据也应适当收集。2.1城市人防工程设施分布特征及空间结构基于Geo-digital建设CDEIS最大的特点是可以在计算机上再现三维人防工程，而目前GIS技术只能表达平面电子地图，人防工程设施三维空间特性难以真实保存和应用。城市人防工程种类较多，比如坑(地)道式人防工程、单建式人防工程、防空地下室、战时可利用地下空间等，但其空间结构基本一致，一般由人防工程点、人防工程及附属设施

10、组成，在Geo-digital中可用点、线、面、体进行描述。人防工程设施的分布特征可以借用城市综合地下管线的实体一关系模型(E-R模型)9，将原模型管线点的信息移植为人防工程点的信息，管线段的信息移植为人防工程设施线或体的信息如人防的地下空间设施等，模型做相应的改变如图所示，根据该模型，可以确定人防工程实体的基本组成及其相互关系，便于下一步数据库结构的设计和各种专业挖掘功能的实现。图  人防工程实体关系模型Fig.3  E-R model of civil defense engineering2.2城市人防工程数据库层次结构设计人防工程数据库结构设计从两方面进行考虑：首先

11、便于数据的组织、管理与应用，既能满足一般城市建设管理部门的需要，又要满足人防管理部门的需要；其次便于人防工程空间分析模型建立与实现，因为空间分析模型的建立与实现依赖于空间数据结构。如前所述，CDEIS包括Geo-digital基础数据和城市人防的工程数据，数据库组织结构如图4所示。图  人防工程数据库层次模型Fig.4  The hierarchical database model of civil defense engineering2.3人防工程数据采集与处理人防工程数据的获取主要依靠工程设计图纸和施工记录档案等途径；地理信息获取以1:2000和1：500等地形图和

12、地下工程规划图为基础，通过实地修测以后，以扫描数字化的方式，建立矢量数据标准，建立电子地图库；三维数字地层和地下水的信息的获取主要依靠工程地质钻孔和水文地质钻孔数据，辅以地质剖面图加以修正。自主开发的Geo-digital开发平台完成基于三维图形的各种功能。对三维图形进行分层管理，是计算机对图形管理的主要内容。对CDEIS内容分层应根据地形、地物和地质要素的数据类型和专题内容，同时适合人防工程管理的需求以及图形编辑和图形输出的条件进行分层。对CDEIS分层如表所示表1 图层划分图 层类 别说 明地形信息线、面地貌、等高线(DEM)、高程数据(DLG/DOM/DRG)、植被等地理信息点、线、面行

13、政区、水系、交通、居民地、土地利用、景区、防空警报器等地层信息线、体基础地质、工程地质、水文地质、环境地质等地下建筑物信息体人防工程、管道、地铁、地下停车场、地下商场、地下仓库等注记文本注记市区名称、街道名、地名、建筑物名称、重要标志等3 CDEIS功能城市人防工程信息管理系统应实现以下功能：基础数据处理、人防工程管理、专业挖掘、辅助决策、业务链接、信息发布等。其中数据处理是基础；人防工程管理是开发研究的关键性问题；专业挖掘和辅助决策是优化思想的体现；业务链接体现了现代办公一体化的需求；信息发布是为网络服务、专题汇报、系统管理等工作提供的一种工作方式。CDEIS功能结构参照文献7并加以改进，详

14、见图。图  城市人防信息管理系统功能Fig.5  The function of CDEIS4 系统操作及特点CDEIS采用B/S(浏览器/服务器)模式，在操作上划分为两大部分，即客户端信息查询模块和服务器端信息维护和服务模块。数字人防建设是国家基础地理信息系统在地下领域的延伸，同样也是数字城市建设的重要组成部分，其特点区别于一般GIS技术。4.1系统操作1.服务器端功能介绍(1)空间信息的管理和维护：包括城市平面电子电图、三维数字地层和地下工程图形数据的增加、删除、编辑功能；三维图形可视化处理，纹理、光照、填充、渲染、放大、缩小、旋转、漫游；图形绘制、编辑、绘制、镜像、拉

15、伸、修剪、打断、缩放、旋转、平移、输出。属性信息和多媒体信息的管理和维护:包括图形通过图元ID链接数据库定义、修改、关联属性数据；人防工程属性数据的录入和编辑；多媒体信息的录入和链接等功能；属性信息和多媒体信息输出等功能。2.客户端功能介绍(1)图形操作：三维图形和平面电子地图放大、缩小、平移、旋转、输出、漫游等操作。(2)信息查询: 包括点、线、面、体查询，在图形上高亮度显示出查询结果；在网页上显示出对应图形属性信息；在多媒体浏览窗口显示对应的多媒体信息。(3)空间分析：距离、面积、体积等实体几何特征的量算；三维图形切割分析、缓冲区分析、空间叠置分析、网络分析、挖填方、水淹灾害分析。(4)专

16、业挖掘与辅助决策：根据人防工程所在区域的人口密度以及其承载力指标、进行缓冲区分析，得到人防工程可以覆盖的范围。也可以根据人防工程覆盖情况，针对人防设施覆盖比较薄弱的地区，智能选取拟建人防工程位置或者诸如报警器的安装，对已有人防工程进行经济效益评估；根据具体区域人防工程的承载力和位置，确定战时指挥系统、人员动员、最佳隐蔽路线选择、物资储备和调度等工作。4.2系统特点CDEIS作为数字人防的基础性工程，对于城市防空、保护人民生命财产、保存战时有机力量具有重要价值；同时克服了地下空间与工程复杂性和隐蔽性，满足了信息化管理的要求。CDEIS具有如下特点：(1)系统设计一方面应当考虑用户使用的方便，另一

17、方面要体现软件工程设计的原则：针对性、规范性、完备性、可扩充性、安全性。(2)基于Geo-digital建设CDEIS对数据分类标准和编码的探讨数据标准的建立是实现资源共享，实现纵横向信息媒介互通的纽带，对于GIS技术而言,现有数据标准和规范诸如国土基础信息数据分类与代码、城市基础地理信息系统技术规范、城市地质数据库与成果三维可视化信息系统建设指南(试用版)等10-12对整个行业有序发展的作用是巨大的；而对于城市地下空间与工程的重视近些年才起步，数据标准和规范化的研究国内外尚是一片空白，于是将CDEIS纳入Geo-digital分类和编码体系，可以很好地解决数据的规范性问题，在此基础上建立人防

18、工程元数据标准，采用XML技术实现不同操作系统、不同数据库、不同数据结构的信息交换。(3)系统设计的开放性CDEIS采用先进数字地下空间与工程技术，真三维反映工程分布空间信息与反映工程类型、性能等属性信息有机集成，并将图片、录像、文本等多媒体信息结合起来，突出地下工程的可视化；系统既可以单独应用，同时具有良好接口，通过超链接的方式访问相关部门，达到信息共享的目的。(4)系统设计的安全性CDEIS采用B/S结构，对系统的安全性提出了很高的安全性要求，系统通过用户权限、数据维护、数据备份等方法，提高系统数据的安全性，保证系统运行的流畅和信息安全。4.3数字地下空间与工程示例下面通过一个数字地层和地下结构的三维显示实例，着重介绍一下地下空间与工程的数字化工作。首先将对象纳入Geo-digital分类和编码体系；其次根据分类和编码结果，进行数据库组织，录入原始数据；随后根据元数据标准，三维地层基于工程地质钻孔数据采用三棱柱模型13-16生成；地下结构物的生成采用实体建模的方法生成；模型生成以后可进行可视化查询、空间分析等工作。三维数字地层以及属性信息见图6；三维地下结构