線性參照模型在地下管網GIS中的應用研究

蔣許鋒 關 昆 趙虎川 鄭紅立 郭立強 彭 玲

1天津市濱海新區規劃編制研究中心，天津，300450

2中國科學院大學，北京，100049

3中國科學院空天信息創新研究院，北京，100094

4天津市測繪院，天津，300381

5津然華潤燃氣有限公司，天津，300045

城市地下管線是指用于傳送能源、信息和排泄廢物的管道、管溝、管廊和線纜等及其附屬物，包括供水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、工業及其他類型，既有城市間的長輸管線又有城市內部的管線，是保障城市運行的重要基礎設施和生命線［1］。城市規劃、建設、運營和應急等需要調查和測繪地下管線，建設地下管線地理信息系統，實現數據科學管理與共享應用［2］。地下管網GIS主要是為了管理這些數據，實現橫縱斷面分析和爆管分析等空間分析功能［3，4］，滿足管理部門的資產管理、日常巡檢維修、安全應急等基本需求，還為城市規劃、建設部門等其他部門提供數據支撐。

地下管網空間數據建模是地下管網GIS的關鍵，但是，傳統的地下管網空間數據庫數據結構大都是面向測繪資料管理［5-7］，《城市地下管線探測技術規程CJJ61—2017》和《工程 測 量 規范（GB50026—2007）》對地下管線探測要求為：一般城市地下管線探測點布置間距為小于等于圖上15 cm，工廠和小區小于等于圖上10 cm，施工現場為地面10 m，彎曲點必須設點。由于埋深比高程在實際的管線開挖、維修和城市規劃工作中更具有實用性，為了保留埋深數據，管線要素設計為兩點式線段，但是造成了如下問題：①數據冗余，即兩點式的管線存儲方式導致了理論上（n－2）倍（n為一段管線的節點）的空間數據和管線屬性數據冗余；②顯示、傳輸和制圖效率低，數據記錄過多時，數據存取時I/O壓力大，制圖時反復符號化，顯示速度慢，用戶體驗差；③空間查詢、分析效率低，海量的數據在空間查詢時需要反復計算空間關系，查詢、分析資源消耗大，運行慢；④編輯維護困難，在管線編輯時抓取管線、獲取垂點、獲取連接點等操作效率低，容易造成程序不穩定。

線性參照模型是在線狀要素的頂點處用M值（measure）來記錄地理現象或者地理事件的一種具體技術方法，是一種非常優良的面向對象的時空數據建模方法。本文針對管網數據管理，利用M值記錄埋深或者頂點唯一編碼，分別稱為簡要線性參照地下管網建模和復雜線性參照地下管網建模，能夠減少數據冗余，提升計算效率。該模型應用于天津市燃氣管網GIS系統中，具有較好的實用性。

1 線性參照模型

線性參照模型（linear referencing model）可以簡單的理解為沿著線要素，獲取沿線某一點的屬性信息，主要用于將動態事件與路徑聯系起來，因此又稱為動態分段技術，常用于道路管理、制圖綜合等［8，9］。

在ArcGIS中，線性參照的具體實現方式是，在線狀要素內部的頂點上增加M值，將（X，Y，Z）擴充為（X，Y，Z，M），變為一個長整型值，通過該值來標識動態分段，從而實現將某一線段關聯到不同的屬性［10-12］。一方面，任意編輯這些線段的屬性，不會影響基礎線狀要素的幾何特征；另一方面，通過它又可以將若干不同的屬性與線段有機的組合起來了。顯然，線性參照模型是一種優良的層次分明、面向對象的空間數據模型［13-15］。

將線性參照模型應用于管線數據庫設計，利用M值在頂點上存儲一個值作為索引，通過索引將頂點與其屬性表鏈接起來，將兩點式的管線結構轉化為多點線結構，構建線性參照管網模型，就能夠解決數據冗余問題，從而提升顯示、傳輸、查詢和分析效率。線性參照管網數據模型，可以采用兩種方式實現。

1.1 簡要線性參照管網模型

將M值直接記錄埋深，這種方式只是比一般的簡單shape結構多了一個頂點的埋深信息，使用簡單方便。在數據處理時，只需將修改或者讀取M值即可。如圖1所示。

圖1 簡要線性參照管網模型Fig.1 Simple Linear Referencing Pipeline Model

1.2 復雜線性參照管網模型

將M值記錄點位編號，同時將點位編號與埋深、設備、探測點一一對應，形成復雜的數據結構。如圖2所示，這種方式能夠完整的將設備、探測點與管線建立邏輯關系，這種方式還能夠將管線事故（事件）與管線關聯起來，達到動態分段管理的效果。但是，這種方式在查詢埋深時不如第一種方式簡單；在數據預處理、刪除、編輯時操作復雜，容易導致邏輯錯誤。

圖2 復雜線性參照管網模型Fig.2 Complex Linear Referencing Pipeline Model

2 天津市燃氣管網GIS系統構建

本文將線性參照模型應用于天津市燃氣管網GIS。取得了較好的效果。該系統以ArcGIS軟件作為GIS平臺軟件，以Microsoft SQL Server作為數據軟件，以C#作為開發語言，開發了CS（client server）模式的編輯子系統和BS（browser server）的綜合應用子系統［16］。系統總體架構如圖3所示。

圖3 系統架構Fig.3 System Framework

2.1 管網數據庫設計

系統數據包含天津市主城區內部大約400 km2范圍內的高壓、中壓、低壓管線。天津市地下管網探測技術規程要求不超過70 m探測一次、設備點和拐彎點必須探測一次，管線原始測繪數據量為133萬多條。采用簡要線性參照管網模型設計管線數據結構，按照管徑、材質、設計壓力對原始探測數據進行合并處理后，M值記錄埋深。ArcGIS軟件中，利用Merge工具按照上述屬性進行處理，然后利用交叉點工具在三通、多通節點和閥門處打斷。數據量由133.3萬條減少到33.6萬條，Shape文件大小由113MB降低到62.2 MB。

管線圖層包括管線、調壓設施、閥門、凝水缸、用戶點、節點、氣源站、儲氣設施、計量設施、極性保護、探測點等。如表1所示。

表1 管線圖層Tab.1 Pipeline Layers

2.2 功能設計

系統包括數據編輯子系統、綜合應用子系統等。

數據編輯子系統主要功能包括：圖形瀏覽、查詢定位、檢查入庫、數據編輯、工程圖打印、垂距分析、流向分析、爆管分析、橫斷面圖、縱斷面圖分析等（見圖4）。

圖4 編輯子系統功能Fig.4 Edit Sub-system Functions

綜合應用子系統包括基于WebGIS后臺管理模塊和前端應用模塊。后臺包括矢量數據服務發布，瓦片更新、權限管理等。前端應用包括圖形瀏覽、查詢定位、專題查詢、統計報表、拴點圖輸出、空間分析等（見圖5）。

圖5 綜合應用子系統功能Fig.5 Application Sub-system Functions

2.3 系統的實現

編輯子系統的功能采用C#+ArcObject二次開發實現。首先繼承ITool/ICommend將各種功能封裝為組件，再繼承IToolbar將各功能組件封裝為工具條，通過全局變量實現權限控制。

應用子系統基于ArcGIS Server二次開發。主要以切片圖層發布，專題圖層以定時伺服程序實現切片自動更新。后臺應用程序采用.Net實現，前端主要以Silverlight實現（見圖6）。

圖6 應用子系統Fig.6 Application Sub-system

3 結束語

隨著管網數據量的海量增長，傳統面向測繪資料管理的管網數據模型帶來的冗余性弊端會越來越明顯。將線性參照模型應用到管網數據建模中，建立線性參照管網模型，能夠減少數據冗余，提升管線顯示、制圖、查詢、統計、分析和共享效率。本文將該技術應用到天津市燃氣管網GIS中，取得了不錯效果。隨著物聯網技術的發展，管線動態監測數據將與管網數據緊密結合應用，線性參照模型的動態分段技術還能發揮更大的作用。