基于opengis的城市供水管网地理信息系统研究 83页

'重庆大学硕士学位论文基于OpenGIS的城市供水管网地理信息系统研究姓名：王利梅申请学位级别：硕士专业：市政工程指导教师：王圃20090521 中文摘要摘要城市供水管网是城市供水系统的重要组成部分，是城镇进步和可持续发展的重要基础设施。随着城市规模不断扩大，城市供水管线数量急剧增加，传统的供水管网管理方式已经不能满足供水事业发展的需要，供水系统迫切要求采用先进的理念和技术来提高供水管网的管理水平。为此，建立一个结构合理、功能齐全、信息传输准确的城市供水管网地理信息系统，保证安全可靠、经济合理的城市供水是十分必要的。从目前我国供水管网的实际情况出发，分析了其运行管理中存在的问题，对国内外供水管网地理信息系统的研究与发展现状进行了概述；在明确系统建设目标和原则的基础上，从供水企业运营分析、用户分析、基础数据分析、功能分析等几个方面对系统进行了比较全面的需求分析；结合系统选用的开发平台设计了系统的总体结构模式，描述了系统工作流程，并从空间数据和属性数据两个方面对数据库进行了详细设计；系统研究的重点在于管网分析功能部分。缓冲区分析中，基于步进拟合的圆弧拟合法实现了点缓冲边界生成，在此基础上对线的缓冲区生成流程和算法实现进行了描述，实现了缓冲区分析在供水管网施工、管理中的应用；在断面分析中，根据断面可视化的需求深入研究了断面数据结构及坐标转换问题，实现了管线的横断面和纵断面分析功能；在爆管分析中，将任意两个点要素之间的管线视为一段管段，采用图论中邻接表的存储结构建立管网要素间的拓扑关系，然后对关阀算法原理及实现流程进行了分析，采用深度优先遍历的方法得出了爆管事故状态下的最优关阀方案和受影响管段。最后以某市部分片区供水管网为例，对系统的设计方案进行了实现。系统的建立考虑到当前地理信息系统的发展趋势，将网络GIS技术和供水管网专业知识进行了很好的结合。同时将OpenGIS规范引入到供水管网地理信息系统的建设中来，实现了不同数据和处理方法间的透明访问，真正实现了数据共享。该系统可以通过Intemet实现网络上的供水管网信息的在线查询、处理及分析，实时、动态发布最新数据，管网数据与数据库的更新保持同步，真正实现了供水管网科学化、大众化、规范化的管理，有效地保障供水企业的经济效益和社会效益。关键词：供水管网，地理信息系统，需求分析，数据库设计，爆管分析 英文摘要ABSTRACTUrbanwaterdistrubutionnetworkisavitalpartofthewatersupplysystem，andplaysanimportantroleinensuringeconomicconstructionandpeople’Slives．Withthecitie’Sunceasingexpandingofscale，thenumbleofurbanwatersupplypipelinesincreaserapidly，traditionalmanagementmethodsforwatersupplynetworkcan’tmeettheneedsofthedevelopmentofwatersupply，watersupplysystemsrequiresadvancedmanagementmethodandtechnologytoimprovethemanagementlevelurgently．Tothisend，theestablishmentofGISforurbanwaterdistr．ibutionnetworkwithrationalstructure，completefunctionandaccuratetransmissionofinformationtoensuresafeandreliable，economicandrationalurbanwatersupplyisessential．Beginningwithpracticalsituationofwaterdistributionnetworknowadaysinchina，analysedtheproblemsinoperationandmanagement，andsummarizedthecurrentsituationofresearchanddevelopmentofGISforwaterdistributionnetworkathomeandabroad．Onthebasisofobjectivesandprinciples，acomprehensiverequirementanalysisofthesystemwasmadeontheaspectofenterpriseoperation，users，basicdataandfunctionandSOon．Accordingtothesoft：waresofthesystem，thetotalstructuremodelisdesignedandtheworkflowofthesystemisdescribed，thenadetaileddesigniscarriedoutforthedatabaseontheaspectsofspacedataandattributedata．Thefocusofthestudywasnetworkanalysis．Forthebufferanalysis，pointbufferisimplementedbasedonthemethodofthearcsteppingfittingmethord，basedonthis，theformationprocessesandalgorithmoftheLinebufferisdescribed，andthenimplementedtheapplicationsofbufferanalysisinconstructionandmanagementofwaterdistributionnetwork．Forthesectionanalysis，madeanin—depthstudyontheproblemofdatastructureandcoordinateconversioninaccordancewithsectionvisualneeds，realizedthevisionofthecross-sectionalandtheprofileanalysisofpipelines．Forthepipe—burstanalysis，pipelinesbetweenanytwopointelementsareconsideredasonesection，first，constructedthetopologicalrelationsamongpipeelementsusingthestructureofadjacencylistbasedongraphtheory，thenanalysisedthealgorithmprincipleofvalve—closingandit’Sprocessing，theoptimalvalveclosingschemeandinfluencedpipeinpipe-burstemergencyaregainedusingthedepthfirstsearchmethord．Finally，takepartofwaterdistributionnetworkinacityasanexample，realizedtheGISforurbanwaterdistributionnetwork．III Consideredthedevelopingtrendofthecurrentgeographicinformationsystem，averygoodcombinationwasmadebetweenWebGISandprofessionalknowledgeofwatersupplynetwork．Atthesametime，theOpenGIS(OpenGeodataInteroperatlonSpecification)criterionswereintroducedtotheconstructionofthesystemtoachleVetmsparentvisitofdifferentapproachanddata，andfinallyrealizetherealdatashaftng·Thesystemcanrealizeonlineinquiry，processingandanalysisofwatersupplYnetworksinf．0mationandpromulgatethelatestdatareal_timelythroughtheInternetdetwork．theupdatingofthenetworkdataCallkeeppacewiththedatabase，realizedthescie“jfic．popularandnormativemanagementofwaterdistributionnetwork，thesystemcanensuretheeconomicandsocialbenefitsofthewatersupplyenterprisementeffectively．Keywords：Waterdistributionnetwork，Geographicinformationsystem，Requiementanalysis，Designofdatabase，Pipe—burstanalysisIV 学位论文独创性声明本人声明所呈交的且士学位论文《基王Q乜塑Q!墨的越直堡丞笪圆丝堡篮：氢丕统班窥》是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：王剌础导师签名：签字日期：m7-¨l渤7A27学位论文使用授权书本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意《中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程")，愿意将本人的且士学位论文《《基王Q仑塑Q!墨丝越直送丞笪圆丝理鱼皇丕统婴究》提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社(CNKI)在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》以及《重庆大学博硕学位论文全文数据库》中全文发表。《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。作者签名：兰I曰骛导师签名：聊7年岁月)『日备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书"，须填写以下内容：该论文属于涉密论文，其密级是公珏，涉密期限至——年一月一日。说明：本声明及授权书堂筮装订在提交的学位论文最后一页。 学位论文使用授权书本人完全同意《中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的—盟士学位论文《基王Q乜皇翌鱼!曼的越直送丞筻圆地理信息丕统硒究》提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社(CNKI)在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》以及《重庆大学博硕学位论文全文数据库》中全文发表。《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程"规定享受相关权益和承担相应义务。作者签名：至到丝导师签名：卅年艿月刁日论文题目：基于OpenGIS的城市供水管网地理信息系统研究论文级别：博士口硕士回毕业院校：重庆大学作者联系电话：13667674687所属学院：城市建设与环境工程学院毕业年月：2009年6月作者通信地址(邮编)：重庆大学城市建设与环境工程学院作者E_mail：!垒翌g!i堡金iQ圣Q鱼堕!呈鱼：曼Q堡研究生学号：20061702041备注：本人承诺该学位论文不涉密，否则后果自负。说明：本授权书堕区一式三份，由学校研究生管理部门、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社和作者本人各保存一份。CNKI联系电话：010—62791951、62793176、62794994传真：010—62791814网址：盟：Q旦ki：旦金童，www．chinajournal．net．cn通信地址：北京清华大学邮局84-48信箱采编中心邮编：100084 1绪论城市供水系统作为国民经济全局性、先导性产业，是城市建设重要的组成部分，它为人民生活和生产提供赖以生存的用水，是城镇进步和可持续发展的重要基础设施。供水管网系统又称输水与配水系统，包括输水管渠、配水管网、水压调节设施(泵站、减压阀)、水量调节设施(清水池、水塔)等【1】。供水管网系统是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用水变化随机性强、运行控制为多目标的网络系统【21。随着城市规模不断扩大，城市供水管线数量急剧增加，供水管网管理的难度越来越大，要求越来越高，传统的供水管网管理方式已经不能适应供水事业发展的需要，供水系统迫切要求采用先进的管理手段来提高水资源的利用率。计算机技术的迅猛发展，把供水管网的理论与分析推向一个新的层次。为此，采用当今先进的计算机技术、网络技术、地理信息技术，建立一个结构合理、功能齐全、信息传输准确的城市供水管网地理信息系统。保证安全可靠、经济合理的城市供水是十分必要的。‘1．1课题研究背景1．1．1供水管网运行管理中存在的问题城市供水管网系统是一个纵横交错的巨大网络，具有复杂的空间信息和非空间信息，管线深埋于地下、信息量大、分布广泛、埋设时间长，管网的运行管理十分繁杂。传统的供水管网管理方式以人工为主，管网的相关资料一般通过图纸、图表来描述(如初设图、施工图、阀门卡、水表卡等)，供水企业按竣工资料或设计资料在日常生产经营过程中对管网进行维修、扩张，并形成补充资料，企业员工以此为据对管网进行日常管理维护。这种传统的管理方式存在很多弊端【3】【4】：①基于图纸、图表来表示城市供水管网及其设施已无法反映管网之间复杂的网络关系，很难展现这个城市供水管网的总体特征，很难查寻管线及其他各种设施的详细属性。。②纸质图纸易于破坏，且图纸规范性和利用率不高，各类管线因为施工单位不同，图面表示杂乱无章，管线走向、埋深、维修等信息精确度低且难以在图纸上反映；在图纸上进行各种操作如长度、面积量算、信息查询等十分不便，由于数据量大，数据格式多样化导致基本无法进行相应的统计工作。③资料的现势性差，供水管网的改造，变动频繁，但相应的图件与表册修改更加困难，久而久之必然导致资料的遗漏、重复和错误，甚至作废，资料的现势性越来越差。 重庆大学硕士学位论文④查找资料效率低，人工处理地图及相关资料的速度很慢，尤其碰到一些紧急情况，如发生爆管事故需要关闭某些阀门时，由于没有直观的资料和快速的查询手段，很难准确定位阀门位置，并判断出相应的影响范围。⑤空间分析功能无法进行，由于没有较全面的基础数据，基本上无法进行空间分析；另外因为各图纸比例尺不同，甚至有的图纸X、Y方向的比例尺也不同，无法对各种专题信息进行迭加，给数据的输出带来困难，无法满足管网维护的要求。⑥信息难于共享，由于信息没有统一格式，企业内部没有统一的管理系统对数据进行管理和维护，导致企业内部各部门之间无法实现信息共享。总之，这种传统的供水管网管理方式陈旧，资料利用率低、信息传输渠道老化、查询检索效率不高，无法实现管网图与城市地形图相一致的动态管理，对决策者、咨询者不能提供及时、准确的信息，对水资源的分配和利用无法实现及时、有效、合理的优化配置和调度，更谈不上为城市各部门提供管线的综合信息服务，造成极大的水资源浪费【5】。以上问题的存在，往往还造成工程施工浪费，对管网无谓的破坏以及出现对突发事故抢修的延误，由此造成的损失是难以估计的。据统计16J，大多数城市由于管道破损而造成的自来水泄漏损失已达到输送量的三分之一，有的甚至达N--分之一。由此可见，借助现代化的网络信息技术来进行供水管网的管理势在必行。1．1．2供水管网运行管理的信息化趋势随着计算机技术的普及和地理信息系统的广泛应用，人们已经意识到利用计算机和地理信息系统管理城市供水管网的重要性，提出了建立供水管网地理信息系统以实现供水行业的规范化、自动化和现代化的管理的迫切需求。城市供水管网地理信息系统的建设，越来越受到有关部门和各级领导的重视，已经成为数字城市的核心应用之一【61。我国在《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》【7】一书明确指出三级城市供水企业的要求与目标为：必须实现的目标——建立和完善给水计算机辅助调度系统(SCADA系统)；建立和完善净水厂集散型控制系统(DOS系统)；建立和完善抄表和营业收费系统。奋斗目标——争取建立给水管网信息管理系统(GIS系统)；争取建立给水企业计算机网络系统。在供水管网信息管理系统上，要改变传统的管理方式，建立基于GIS的供水管网模型是当前最有效的管网分析手段。因此，现阶段小城镇自来水行业信息化建设的重点应为建立GIS系统。供水管网GIS是以实时动态的供水管网现势图为基准的，能够处理以供水管网为核心内容的空间信息和各种相关信息的一个综合信息系统【8】。通过建立GIS系统，将供水管网系统的图纸及全部信息资料包括：管径、管材、铺设年限、位2 1绪论置、埋深等储存在计算机中，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度、事故检修以及图籍资料的档案管理提供科学决策依据，提高供水管网科学管理和决策水平。本课题正是针对以上供水管网运行管理中出现的问题和其信息化趋势，进行了大量调查研究后提出的。1．2国内外研究与发展现状1．2．1地理信息系统发展概况①地理信息系统概述地理信息系统-""--GIS(GeographicInformationSystem)是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统【9】。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知测41。目前GIS已广泛应用于政府行政管理、市政管理、军事、国防、商业等各个领域。②地理信息系统发展历程1)1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统(LIS)用于地籍管理。1963年，加拿大测量学家R．F．Tomlinson首先提出了地理信息这一术语，并于1971年建立了世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统(CGIS)，用于自然资源的管理和规划【lO】o2)70年代，GIS开始朝着实用方向迅速发展，一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和地理信息系统。美国推出了两个著名的GIStll】：即美国环境系统研究所(ESRI)开发的ARC／INFO和美国商业部人口普查局开发的TIGER系统，这两个GIS系统提出的关于地理信息的组织方式，对GIS发展产生了深远的影响。3)80年代，GIS软件的商品化已在全世界全面展开，先后出现了闻名于世的ARC／INFO、SYSTEM一9、INTERGRAPH、GENAMAP等大型GIS软件及SPAM、ILWIS、MAPINFO、ATLAS等中小型软件【ll】。这些软件都已在土地评价、土壤侵蚀控制、水资源调查与管理、社会经济规划、灾害评估以及野生动植物保护等方面得到广泛应用。4)90年代初期，国际上开始城市地理信息系统的研究，它是为城市建设、城市规划、城市管理提供信息和信息服务的空间型地理信息系统，城市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愈来愈重要的作用，并3 重庆大学硕士学位论文渗透到国家政府、机关、经济部门以及人民生活的各个部分。是否具有先进的城市地理信息系统，已成为衡量一个城市管理水平和投资环境的重要标志。可以说，高度发展的软科学环境之一一城市地理信息系统，正把高度发展的西方物质文明推向一个新的高度【121。5)进入二十一世纪以来，地理信息系统得到了迅猛的发展，应用范围更加广泛。出现了互联网地理信息系统、组件式GIS、移动GIS、三维GIS等等。GIS已经广泛渗透到各行各业中，提供无微不至的信息服务。③地理信息系统发展趋势GIS技术依托的主要工具和平台是计算机及其相关设备。随着计算机技术的发展和多媒体技术、空间技术、虚拟实景、数字测绘技术、计算机图形技术及通讯技术的突破性进展，特别是消除数据通讯瓶颈的卫星互联网的建立，以及能够提供接近实时对地观测图象的高分辨、高光谱、短周期遥感卫星的大量发射，这些为GIS技术的广泛、深入应用展示了更加光明的前景【l31。同时，也使当前的GIS已不能满足信息时代、数字时代的要求，目前GIS主要总体上呈现网络化、开放性、组件化、集成化等发展趋势。1)网络化GIS[14】【15】【16l计算机网络技术的最新发展推动着GIS技术的快速更新和发展，建立万维网GIS(WWWGIS或WebGIS)是近年来GIS的一个重要发展方向，它是建立在Web技术上的一种特殊环境下的地理信息系统。WebGIS在Intemet网络环境下存储、处理、分析、显示与应用空间信息。空间数据包括带有空间位置特征的图像、图形数据和与此相关的文本数据。它的基本思想就是在互联网上提供地理信息，让用户通过浏览器浏览和获得一个地理信息系统中的数据和功能服务【17】。WebGIS可实现网上发布、浏览，实现基于Web的GIS查询和分析。WebGIS是GIS走向社会化和大众化的有效途径，是GIS发展的必由之路。与传统的GIS相比，WebGIS具有以下特点：a．适应性强：WebGIS是基于互联网的，因而是全球的，能够在不同的平台运行。b．应用面广：网络功能将使WebGIS应用到整个社会，真正实现GIS的无所不能，无处不在。C．现实性强：地理信息的实时更新在网上进行，人们能得到最新信息和最新动态。d．维护社会化：数据的采集、输入、空间信息的分析与发布将是在社会协调下运作，对其维护将是社会化，减少重复的劳动。4 1绪论e．使用简单：用户可以直接从网上获取所需要的各种地理信息，直接进行各种地理信息的分析，而不用关心空间数据库的维护和管理。2)开放式GIStl8】【19】【20】开放式地理信息系统(OpenGIS)是指在计算机和通信环境下，根据行业标准和接口(Interface)所建立起来的地理信息系统。它不仅使数据能在应用系统内流动，还能在系统间流动。OpenGIS是为了使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性，以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。OpenGIS具有下列特点：a．互操作性：不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。b．可扩展性：硬件方面，可在不同软件、不同档次的计算机上运行，其性能和硬件平台的性能成正比；软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。c．技术公开性：开放的思想主要是对用户公开，公开源代码及规范说明是重要的途径之一。d．可移植性：独立于软件、硬件及网络环境，不需修改便可在不同的计算机上运行。3)组件式GIStIo】是把庞大的GIS软件系统分解成可按应用需要组装成“定做系统”的GIS“元件”，将这些GIS“元件”通过标准的系统环境与其它非GIS的“元件”嵌接，有效地实现系统合成，自然就成了GIS的研究方向。用户可根据需要拼装调用。这种组件式的GIS的各元件或数据应该是分布式的存贮，通过分布式对象管理系统进行管理。组件式GIS是未来GIS发展方向之一。4)3S集成t13】【21】3S技术指的是全球定位系统(GPS)、遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)。3S技术的结合与集成充分体现了学科发展从细分走向综合的规律。3S技术整体结合所构成的系统是高度自动化、实时化的GIS系统。这种系统不仅具有自动、实时地采集、处理和更新数据的功能，而且能够分析和运用数据，为各种应用提供科学的决策咨询，并回答用户可能提出的各种复杂问题。1．2．2地理信息系统在供水管网中的应用供水管网地理信息系统即采用GIS来统一管理图形、属性信息。供水管网具有分布广泛、数据量大、信息载体多样等特性，它与周围的地形、环境等地理信息密切相关。具有复杂的空间和非空间信息，传统的管理方式不能有效分析复杂的管网信息，而GIS可以将地理信息相关的空间位置、属性及时域特征进行统一管理，为管网的日常管理和事故分析决策提供更有效的信息。通过GIS使管网数据数字化，保证了信息及时传递和同步更新的共享机制和环境，避免了各使用部 重庆大学硕士学位论文门数据彼此不全面、不一致、不及时的现象，各管网相关部门可以在各自需要时同时查阅、更新管网信息，提高管网信息利用的效率。GIS应用于城市供水管网日常管理中，可以对供水管网图形数据和属性数据进行输入、修改、编辑；对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图)及统计分析报表显示和输出；对突发的管网事故(如爆管)进行分析，提供快速的事故应对方案：GIS将管网的图形信息和属性信息融为一体，易于动态更新。利用GIS分析、模拟与预测的强大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度开发，可以为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持【84】。近年来，有关管网优化设计理论和方法的研究日趋成熟，但实际应用并不广泛，将管网计算理论、系统优化理论与GIS相结合，建立管网扩建、改造优化的辅助设计系统，可以实现供水管网的优化运行【23】。1．2．3国外供水管网地理信息系统研究概况GIS在发达国家的供水行业中已经是必不可少的管理工具，国外自80年代就把GIS技术引入给排水领域，最初应用于供水行业的GIS只是用于查询和统计的工具，逐渐地各种高级的分析功能如管网平差、关阀分析、优化调度、管网模拟等也运用到管网GIS中【24】。国外供水行业GIS技术已经从最初的资料管理发展到更深层次的应用，以GIS为辅助系统，与SCADA系统、E对，／EAM系统整合，形成实时在线的一体化数据管理平台，全面提高城市自来水信息化水平。国外供水管网地理信息系统经历了如下的发展过程：①管网资料的静态管理80年代城市管网GIS的功能非常简单，基本上是资料的静态管理。1985年法国CEP供水服务公司在CAD的基础上建立了初步的GIS系统，管理所辖2350公里的管道，12300个阀门，66000个连接点，25000组公共设施和280万用户的资料【25】。Dulanly和Hewitt等运用GIS通用软件来处理管网管理的日常工作；Zick将Geo／SQL、GIS和AutoCAD与供水系统分析结合起来，及时为用户提供供水管网变化所造成的影响【6J。②管网优化和决策支持系统嗍[22】【26】进入90年代，国外平台软件的功能有了很大的发展，Moutaletal在1992年设计出了纽约市包括9600km管线、18000个闸阀和19000个消火栓的GIS数据库管理和管线绘图系统；1993年美国华盛顿环境工程委员会以GeoMap为平台建立了GIS给排水管理系统，成功地对全市的给排水管网及设施进行管理；另外，GIS还应用到供水管网的优化设计和管道定位中。作为典型的决策支持系统而建立的6 1绪论配水系统优化程序(wADSOP)，是将管网分析、计算、设计规划模型与GIS技术结合在一起，进行管网优化设计。③GIS与其他系统集成的综合管理调度系统目前，国外建立了许多大型的GIS系统，将GIS系统与其他系统(如SCADA系统、供水调度系统、水力模型系统、营业收费系统等)集成在一起，形成实时在线的一体化数据管理平台，用于供水企业的大型优化调度。世界最大的自来水公司之一，英国的ServemTrentWater公司建立了以GIS为核心信息系统的综合管理调度系统，以管理200多家水处理厂，113家污水处理厂，32000英里的输配水管道和800万用户【251。英国利物浦的供水管网实时优化调度中，GIS与AIS(AssetsImprovementSystem，资产更新系统)和CAS(CustomerAccountSystem，用户账户系统)完美集成在一起，使GIS功能变得更强大，应用更便利【27】。1．2．4国内供水管网地理信息系统研究概况20世纪80年代初期地理信息系统技术被引入到国内，地理信息系统应用到供水事业中也是从这一时期开始，大致经历了三个阶段【28】：①供水管网数据库建立阶段20世纪80年代末国内一些专家开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，开始了供水行业信息综合管理和应用的研究工作，一些沿海发达城市的供水企业都在各个环节逐步引进了计算机的辅助管理，探索供水管网数据库建设的技术标准、方案，逐步建成了一批城市级和宏观尺度级的空间数据库。②管网档案管理阶段20世纪90年代中期，随着计算机硬件水平的提高和计算机图形学的飞速发展，GIS技术开始广泛地应用于供水管网的管理。在数据库建成并投入应用的基础上，供水企业各部门结合自身的办公业务需要，开发空间数据库辅助下的管网档案管理系统、营业收费系统、在线监测系统等。这一时期，在国内从事GIS工程应用和专业软件开发的公司以及高校都在积极开展GIS的开发应用工作【29】：如深圳中地软件开发的“供水管网信息系统”，北京华图开发的“供水管网GIS管理系统"，哈尔滨自来水集团公司与哈尔滨建筑大学联合开发的“城市给水管网综合信息管理系统”，天津大学建筑工程学院环境工程系研发的“城市供水信息管理与调度系统"，同济大学开发的“同济宏扬给水管网地理信息系统’’等，这些软件在实际工程应用中都取得了满意的效果。③管网地理信息系统建立最近几年，国内已经有很多城市建立了供水管网GIS系统，如上海水司在世界银行投资200多万美元支持下建成了DN300以上管线的建模GIS系统。南京市供水管网地理信息系统选用MAPINFO为图形处理平台，SQLSERVER为数据库7 重庆大学硕士学位论文平台，涵盖了南京市自来水公司江南地区所管辖的所有管线和设施，从DNl800至DNl5的管线直到用户水表，并在mapinfo平台上实现了全要素等比例缩放，在国内同行业中处于领先水平【30】。佛山市采用武汉中国地质大学中地公司开发的MAPGIS供水管网软件，建立了供水管网综合信息管理系统。北京市自来水公司于2005年建立了基于ArcGIS的供水管网地理信息系统。桂林市自来水公司和深圳中地软件公司通力合作，于2004年7月建成GIS供水管网地理信息系统。西宁市供水管网地理信息系统(GIS)于2007年7月初绘制完成并投入使用，此系统含供水服务面积65平方公里，输配水管网600多公里，阀门、消火栓井位5000多个。另外，大庆、郑州、哈尔滨、赤峰、烟台、天津、大连、绍兴等很多城市都开始了供水管网系统的GIS应用以及计算机辅助分析方面的研究【3¨。目前，我国建立的供水管网GIS系统，主要集中在管网的日常管理上【27J1321。大多是基于基础GIS平台的行业应用或者是二次开发，GIS平台多是选用桌面式或Client／Server结构，使用范围局限于调度部门内部的局域网，数据得不到充分的共享【33】，基于WebGIS建立的管网信息系统非常少。供水企业各部门之间的信息共享和集成问题日益突出，建立开放的GIS、网络GIS可以实现各部门供水管网数据的共享，已经成为目前供水管网GIS发展的新方向。8 l绪论1．3课题研究的目的和意义1．3．1课题研究的目的课题研究的目的就是建立一个符合OpenGIS规范，有利于空间信息传输、发布、管理和共享的WebGIS供水管网信息系统。该系统利用地理信息技术和计算机技术，结合城市给水管网管理的需要，将城市给水管网中管段及各种附属设备信息数字化，可以实现网络上的数据输入、输出、编辑、查询、统计等功能，提高供水管网系统日常管理工作的效率；系统可以提供断面分析、缓冲区分析、爆管事故分析等空间分析功能，改善对铺设于地下的管网情况不明而盲目管理的现状，提高处理管网事故的能力。各部门可以通过浏览器及时准确地了解管网情况，实时掌握最新的管网数据，，以便进行优化控制，从而实现供水管网的科学化、数字化、网络化、智能化、可视化，现代化管理。1．3．2课题研究的意义目前很多城市建立了供水管网GIS系统，但是与internet技术相结合的WebGIS供水管网信息系统研究的比较少，而基于OpenGIS规范的供水管网信息系统的研究更少。本课题将OpenGIS规范引入到供水管网信息系统的建设中来，能够实现不同数据和处理方法间的透明访问，真正实现了数据共享，系统的构建均选用免费的开源软件，与众多商用的WebGIS供水管网信息系统软件相比，大大降低开发成本。系统的建立考虑到当前地理信息系统的发展趋势，很好地结合了地理信息技术、计算机技术和供水管网专业知识，是地理信息系统在供水行业中的一次很好应用。建立供水管网WebGIS系统，可以把供水企业的各种信息有效结合在一起，通过通用的浏览器快速准确地进行管网信息的检索、查询，进行各种统计分析和空间分析；易于管理复杂的空间数据和属性数据，将庞大、不断更新的管网数据纳入到数据库管理系统中，保证管网信息的有序化管理；系统的建立可以全面提高城市自来水公司对供水管网管理的现代化水平，充分发挥基础设施的重要功能，更好地为国民经济服务。此外，供水系统信息化不仅适应城市信息化迅速发展的需要，而且对供水企业的现代化建设和管理工作来说至关重要，充分体现了供水企业数字供水的服务理念和管理水平。由此可见，供水管网地理信息系统的研究有着非常重要的学术和现实意义。构建以GIS为平台的信息综合、分析和决策的供水企业信息系统，对供水企业来说是一种最佳选择。1．4课题研究的内容9 重庆大学硕士学位论文从专业应用的角度出发，建立基于OpenGIS的供水管网信息系统，该课题主要研究内容如下：①在收集国内外供水管网运行管理的资料和实际调查的基础上，对城市供水管网运行管理中出现的问题做了概括和总结，并结合当前国内外地理信息系统的研究发展现状，分析了建立WebGIS供水管网地理信息系统的必要性和趋势性。②OpenGIS规范与系统开发平台研究：研究OpenGIS的相关规范和符合OpenGIS规范的一系列开源软件，空间数据库PostGIS、地图服务器Geoserver、Web服务器Tomcat等，并对客户端进行了设计，建立系统的开发平台。③系统需求分析：明确系统设计的总体目标和思路，从供水企业业务模式、系统用户、基础数据、系统功能等方面对系统进行需求分析，通过需求分析来确定软件要实现的功能，使得系统的设计更加实用化。④系统总体设计：一基于B／S的结构模式建立系统总体框架，对系统的各功能模块进行概述，分析系统的空间数据组织，对数据库进行了详细设计。⑤管网分析理论及算法研究：分析了以邻接表为存储结构的管网拓扑关系，对爆管分析、断面分析、缓冲区分析等管网分析功能的实现原理及算法进行研究。⑥系统的实现：设计和实现系统主要功能，如图形显示及控制、管网查询、管网统计、管网编辑、几何量算；实现不同条件下的缓冲区分析；能够实现管线的纵断面和横断面分析；并且可以实现爆管事故状态下的关阀分析，确定最优的关阀方案。⑦总结和展望：总结系统的创新和不足之处，为进一步的供水管网地理信息系统开发提供借鉴。结合本系统的开发研究过程，探讨地理信息系统在供水行业中的发展趋势。1．5本章小结本章主要介绍了课题的研究背景，目前供水管网运行管理中存在的问题及其信息化趋势；对国内外供水管网地理信息系统的研究与发展现状进行了总结和分析；在此基础上指出本课题研究的目的和意义，最后对课题的研究内容做了概述。lO 2系统需求分析需求分析是一切GIS应用系统设计的基础和出发点，它是在对用户进行深入调查了解，明确系统建设目标的基础上，按照系统设计的要求归纳整理后，得出的对系统的概略描述和结构方案【34】。需求分析是使设计达到合理优化的重要步骤。本章在明确系统建设目标和建设原则的基础上，从供水企业运营模式、系统用户、基础数据、系统功能等几个方面对供水管网地理信息系统进行需求分析。2．1系统建设目标和建设原则2．1．1系统建设目标供水管网GIS是建立在计算机上以实时动态的供水管网现势图为基准的，能够处理以供水管网为核心内容的空间信息和各种相关信息的一个综合信息系统，对供水规划、设计、调度、抢修和图籍资料的档案管理提供强有力的科学决策依据，实现分析决策的全计算机操作过程【351。该系统主要是实现对供水管网的空间信息和属性信息进行综合管理及分析，整个系统建成后将实现如下目标：①实现供水管网图籍资料的数字化管理，形成科学、规范的供水管网数据库体系；②实现网络上的管网图形显示，能够实现图形的放大、缩小、平移、鹰眼定位、坐标显示、比例尺显示等；③对供水管网图形数据和属性数据进行输入、查询、修改、统计、分析等操作；④实现点、线的缓冲区分析，将缓冲区分析运用到管网施工过程中；⑤生成横断面和纵断面示意图，实现地下供水管网的可视化管理；⑥实现爆管事故分析，确定最优关阀方案，显示受影响管段。2．1．2系统建设原则供水管网WebGIS的建立必须兼顾数据准确性、完备性，系统先进性、可靠性、实用性等一系列要求，在原则上应满足以下几点【36】【37】：①数据要准确、全面，具有现势性，系统的建立要使管理人员能够对管网进行查询、统计、管网分析、事故处理等，这些是系统最基本的功能，这就需要全面、详细、准确的管网图形数据和属性信息，要能反映最新的管网动态。②系统应具有较高的可靠性和实用性，系统应能进行长时间持续无故障运行，系统的核心设备如数据库服务器等应具有较高的可靠性，当网络或服务器出现意外故障时，要能通过本地运行的方式来保障系统继续工作。 重庆大学硕士学位论文⑨系统应具有较高的先进性，供水管网地理信息系统的建立要耗费大量的人力、物力、财力，供水企业的投入比较高，所以必须保证系统在未来的一段时间里有比较高的先进性，系统尽量采用较先进的技术，选用大型的数据库和主流的软件平台。④系统要具有良好的性价比，由于系统的建设需要大量的资金投入，无疑加重了供水企业的负担，在系统平台的选用方面要考虑到成本问题，在满足基本的功能需求和安全可靠的前提下，尽量选用价格低廉的软件平台。⑤系统操作管理简单方便，由于系统的操作管理人员比较多，并且当前供水企业人员计算机水平普遍不高，系统的应具有较好的人机交互界面，操作简单易学。⑥系统应具有较好开放性，供水企业管网信息化系统总的发展趋势是不同系统的集成和共享，管网GIS系统应能够实现和其他系统(如SCADA系统、营业收费系统、水力模拟系统等)的集成和数据共享。2．2供水企业运营分析自来水企业的业务性质与一般的企事业单位有很大的不同，它面对着千家万户的服务需求，管理着纵横交错的地下管网和大量设备。因此，所开发的管理信息系统，必须保证安全可靠的供水，必须要为做好用户服务这个工作宗旨提供现代化的信息管理手段。这就要求自来水企业必须以整体信息化为出发点，将企业运营相关的所有数据进行集中管理，在此基础上针对自来水运营模型的要求，统一规划，构建生产调度、管网运行、营业收费、用户服务等专业应用系统，形成自来水综合管理信息平台【38】。供水管网GIS系统是综合管理信息平台的基础，为其他系统提供基础数据，各系统通过统一的数据标准和协议进行数据交换来构成一个有机的整体，要从总体上把握各个系统之间的关系，才能更好地建设供水管网GIS系统。供水企业的运营主要是围绕水从水源、水厂经过输配网最终到水用户的生产／消费链而进行的，供水企业信息系统的建设是为日常的运营管理服务的，其业务模式按业务内容、业务性质和服务对象的不同，可以分为下面几个部分【38】【39】：①客户服务系统(主要包括用户报装管理系统、表务管理系统及售后服务系统等，进行用户业务咨询、信息查询、业务申报受理、业务投诉受理、用户服务热线等)②营业收费管理系统(包括抄表、收费、与银行间代收自来水费数据处理)③GIS系统(自来水管网运行管理、维护等)④SCADA(包括自来水生产管理、质量管理及供水调度等)12 2系统需求分析⑤ERP系统(包括财务管理、人力资源管理、物料供应管理、工程管理、档案管理、设备管理、经营计划等)⑥企业门户网站(展现公司形象、提供用水常识、安全知识等)图2．1供水企业业务模式Fig．2．1Businessmodelofwatersupplyenterprise供水企业信息系统的业务模式见图2．1。在这个关系图中各个系统通过数据库实现互通，对外业务系统直接面对用户，GIS、SCADA和GPS系统是公司内部生产运行系统，ERP系统是集OA、物流、人流、财流、信息流于一体的企业管理软件。企业内部生产运行管理主要由GIS、SCADA、GPS等构成。这是以实时动态管理系统为主，包括自来水的整个生产处理过程和把自来水通过管网系统送到千家万户的整个传输过程。这一部分以基本生产信息数据库为基础对自来水输配过程进行控制。基本生产信息的数据一方面用于生产运行，另一方面和基本用户数据一起作为管网建模和GIS两个系统的主要基础数据来源。通过管网模型和GIS系统的分析处理，得出的结果可以科学地指导整个生产过程的控制和合理的管网运行，以及对管网的建设和规划提供宝贵的数据【38】。对外业务系统是自来水企业与用户和社会各界的直接面对面窗口，也是信息化工程中的关键部分。用户报装管理系统主要是针对新装用户的服务，对每一个自来水用户建立一组档案，记录着用户开户之日起到现在的所有的情况，该系统为企业基本数据库积累最原始的数据，是营业收费系统的主要数据来源。表务管理系统主要对每个客户的水表型号、规格等各类属性资料进行管理，建立用户档案及与水表相关的数据处理【391。营业收费管理系统，主要完成用户用水量的验抄、 重庆大学硕士学位论文统计，根据水用户性质和收费项目的规定进行计费收费以及与银行间水费代收数据处理等。是自来水用户基本数据库的主要数据来源，系统的数据通过挖掘和处理将直接共享应用于城市自来水规划、城市输配自来水管网数学模型、城市GIS系统以及自来水企业各有关管理部门和各有关上级领导决策部门。2．3系统用户分析系统用户主要分两大类：①供水企业的管理人员，如企业领导、直属部门、二级机构及相关业务的工作人员等【4】，管理人员根据所在的部门不同，分别负责不同的业务。管理人员具有使用系统的较高权限，能够浏览、新增、修改、删除、查询、统计管网信息，以及进行相关的管网分析和事故处理。②外部人员，即登陆到该系统网页的供水企业以外的政府部门、相关企事业单位及水用户等相关人员。外部人员均可以登录到供水企业的门户网站，通过Intemet浏览查看供水管网的最新数据和供水企业发布的相关信息，包括供水法规及停水信息等。2．4基础数据需求分析管网基础数据管理是对管线、阀门等管网信息和城市街道、居民区、水表等信息进行统一管理，使管网属性数据、空间数据和业务数据有机结合起来。基础数据管理是管网管理的重点所在。供水管网地理信息系统的建立涉及的数据大致可分为图形数据和属性数据。①图形数据图形信息包括管网的现状图、管网的规划图、设计图、竣工图、工程档案、地形背景图等。一般分为两类【40】：一类是传统管理方式中用到的各种图纸，对于这一类图纸必须先经过扫描仪先转化为·．tit",*．bmp或*．jpg等格式的格栅图，然后根据管理需要，经屏幕矢量化软件(如R2V或Vpstudio等)转化为矢量图，经坐标转换、投影变换和格式转换后导入GIS系统内形成图形数据，部分图形的属性数据可以在矢量化过程中以矢量图块属性的方式同时导入。另一类图形资料本身就是矢量图，如电子版的CAD格式的设计图，可以经投影变换和坐标转化以及格式转化后直接导入GIS系统。有用的图块属性可以在转化过程中保留，一同导入。要求图形信息均以标准GIS图形格式存储，不同GIS平台下可以相互转化【41。对于图形信息在组织上要有统一的分层原则，一般来说，具有相同特征的图形信息应放在同一图层上，考虑到数据管理的难易程度和数据采集的工作量问题，GIS图形数据库的设计应根据实际情况和需要进行。供水管网GIS系统一般应包14 2系统需求分析括地理背景、管线、管网设备、设施等层，分层后其属性数据就更容易与图形挂接和组织【831。②属性数据供水管网的属性数据应包括管段、节点、阀门等的全部信息，各类属性数据要有统一的分类编码原则，可通过查阅相关资料以及从其它数据库导入。管段数量庞大，并随改建扩建不断变动，管径大小不一，走向错综复杂，相互间连接关系各种各样，需要经过一定的简化，略去次要管段，管段的属性数据应包括管段号、两端点节点号、管长、管径、管材、埋设年代等信息。节点信息包括水源节点(水厂、泵站、储水池等)和非水源节点，非水源节点主要是管段交汇点、管材管径变化处、大用户接入处、支管连接点等，节点属性信息应包括节点编号、X、Y坐标、节点地面标高、节点所连管段等信息。阀门、水表、泵站等的信息对供水管网地理信息系统的分析功能非常重要，因此要求具备比教完善的相关信息。另外，道路、建筑物、河流、居民区等地理信息并不是系统建立所必须的，但是作为供水管网的参照系统，要求清楚明确即可。供水管网的图形信息和属性信息都和实体所在的地理位置密切相关，因此是构建供水管网地理信息系统所必需的基础数据。2．5系统功能需求分析系统除具有WebGIS的基本功能外，还应满足供水管网系统的专业需求，主要应具有以下功能：①图形显示和浏览(放大、缩小、全屏、漫游等功能)②图形的分层管理③管网基础数据的存储和管理④管网信息的输入、修改⑤管网信息的编辑、查询⑥管网信息统计分析及输出⑦几何量算与动态标注(面积、长度的测算)⑧管段可视化(横断面分析、纵断面分析)⑨缓冲区分析(点缓冲区分析、线缓冲区分析)⑩爆管事故处理(最优关阀分析、受影响管段分析)2．6本章小结本章在明确系统建设目标和原则的基础上，对系统进行了比较全面的需求分析。根据业务内容、业务性质、服务对象的不同，分析了供水企业的运营模式； 重庆大学硕士学位论文并根据使用对象的不同，对系统用户进行了划分；从系统建立所需的基础数据出发，对管网的图形数据和属性数据进行了详细的分析；最后，结合专业需要分析了系统要实现的功能。需求分析使系统建立的目标更加明确，使下一步的系统设计更趋实用性和合理性。16 3OpenGIS规范与系统开发平台研究管网地理信息系统的建设是一项复杂的系统工程，管网信息要素繁多，各要素之间具有复杂的联系。传统的桌面式地理信息系统是封闭的、孤立的系统，没有统一的标准，各自采用不同的数据格式、数据存储和数据处理方法。地理信息系统及其应用系统的开发都是基于具体、相互独立和封闭的平台，并且在数据语义表达上往往存在不可调和的矛盾，从而无法直接进行应用系统之间的数据共享【4l】。为保证系统开发的质量，必须有一套严格的标准或规范对系统建设中的各环节进行约束。本系统的构建遵循OGC制定的OpenGIS系列规范，并选择了基于OpenGIS规范的开发平台，使系统的开发更具有规范性和标准性。3．1OpenGIS规范OpenGIS规范(OpenGeodataInteroperationSpecification，开放式地理数据互操作规范)由美国OGC(OpenGIS协会，OpenGeospatialConsortium)提出。OGC是一个非盈利性组织，目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的和操作性(Interoperability)[42】。OGC提出的系列规范得到ISO的承认，逐渐成为一种国际标准，将被越来越多的GIS软件及研究者所接受和采纳【431。OpenGIS的目标是制定一个规范，使应用系统开发者可以在单一的环境和单一的工作流中，使用分布于网络上的任何地理数据和处理。它为GIS的软件开发者提供了一个详细的公共准则，使开发的软件能够达到对地理数据和地理资源处理的互操作目的m】。它致力于消除地理信息应用之间以及地理应用与其它信息技术应用之间的藩篱，建立一个无“边界"的、分布的、基于构件的地理数据互操作环境【431。OpenGIS规范包括WMS、WFS、WPS等系列规范，基于OpenGIS规范的GIS软件具有更好的可扩展性、可移植性、开放性、互操作性和易用性【451。3．1．1WMS规范网络地图服务(WebMapService简称WMS)规范定义了Web客户端从互联网上的地图服务器获取地图的接口标准。WMS主要提供地图数据的图像发布、叠加和渲染【481。一个WMS可以动态地生成具有地理参考数据的地图，这些地图通常用GIF，JPG或PNG等图像格式，或者用SVG和WebCGM等矢量图形格式来表现【461。WMS规范由三个基础性操作协议(GetCapabilities，GetMap和GetFeaturelnfo)组成，这些协议共同构成了利用WMS创建和叠加显示不同来源的远程异构地图服务的基础。getCapabilities操作用以显示WMS服务器相关信息，getMap操作用以取得地图影像，getFeaturelnfo操作用以取得地图上特征物相关信息【47】【481，如表3．1所示。WMS属于OGC图示表达服务，它利用具有地理空间位置信息的数据制作17 重庆大学硕士学位论文操作名称说明GetCapabilities返回服务级元数据，它是对服务信息内容和请求参数的一种描述，元数操作据使用XML形式文件表示。根据客户端发出的请求参数在服务端进行检索，服务器端返回一个地图GetMap操作图像，其地理空间参数和大小参数是已经明确定义的，返回的地图图像可以是GIF、JPEG、PNG或SVG格式。GetFeaturelnfo操作根据用户所请求的X、Y坐标或感兴趣的图层，返回地图上某些特操作殊要素的信息，信息以HTML，GML或ASCII的格式表示。3．1．2ⅥTS规范网络特征服务(WebFeatureService简称WFS)规范主要对OpenGIS简单要素的数据编辑操作进行规范，使得服务器端和客户端能在要素层面进行“通讯”。按服务器所提供的操作类型不同，WFS又可分为两种服务类型：BasicWFS和TransactionWFS。BasicWFS仅提供了GetCapabilities、DescribeFeatureType、GetFeature三种操作，为只读性的网络地图要素服务；TransactionWFS则允许事务性操作，让客户端可对服务器端所提供的地图要素执行INSERT、UPDATE、DELETE等命令【49】【5刁。具体见表3．2。表3．2WFS操作列表‘51】Table3．2OperationlistofWFS操作名称说明Getc删m洒操作返回服务级元絮’勰翳瓣，霰豢参数的一种描DescribeFeatureType操作以GML形式返回用户请求指定FeatureType元数据的描述信息GetFeature操作以GML形式返回用户指定参数要求(图层命名空间及名称、过滤条件、返回字段)的要素数据‰sac怕删SE盯斯抓繇操鼍盏髹赫嚣氰躯池臌Transaction—UPDATE执行更新要素操作，以XML形式返回操作成功与否的信息TransactionDELETE执行删除要素操作，以XML形式返回操作成功与否的信息3．1．3WPS规范18 网络过程服务(WebProcessingService简称WPS)规范，有别于已有用于实现Web地图访问和查询的WMS、WFS规范，其最大的特性在于可以通过网络为客户端提供一系列GIS操作的服务调用接口，可以实现从简单的空间分析操作到复杂的模型计算的几乎所有功能1501。WPS是基于XML的传输协议，通过Web为客户端提供空间数据处理相关的GIS函数功能，函数调用过程所必需的三种描述为：GetCapabilities：请求得到可用数据处理过程的元数据描述信息；DescribeProcess：得到执行处理过程需要的输入输出类型和参数描述信息：Execute：提供输入数据和必要参数调用执行处理过程。WPS的调用流程首先要得到所需参数的标识符和输入项，然后为输入项载入处理过程和计算数据。数据可以通过网络传送，也可以直接利用服务器上已有的数据，而WPS规范提供了空间参考数据的识别机制，并规范统一的输入参数和计算输出结果【5引。3．2系统开发平台3．2．1系统服务器选择WebGIS服务器端应用就是在服务器执行GIS计算，并把执行的结果转换为HTML格式或直接返回客户端。GIS数据和GIS计算部署在服务器上，对客户请求的响应只是在服务器端进行GIS计算，然后将结果形成新的中间GIS数据，返回给客户，成为GIS数据迁移【17】。本系统的Web服务器选用开源软件Tomcat，地图服务器选用遵循OpenGIS规范的Geoserver，Geoserver是部署在Tomcat中运行的。①Web服务器一TomcatTomcat是一个免费的、开放源代码、基于Java的Web应用软件容器。它是由Apache、Sun和其它一些公司及个人共同开发而成。TomcatServer是根据servlet和JSP规范进行执行的，可以说TomcatServer也实行了Apache．Jakarta规范且比绝大多数商业应用软件服务器要好【541。Tomcat被JavaWorld杂志的编辑选为2001年度最具创新的java产品，可见其在业界的地位【55】。Tomcat具有处理HTML页面的功能，它还是一个Servlet和JSP容器，独立的Servlet容器是Tomcat的默认模式。另外，由于Java的跨平台特性，基于Java的Tomcat也具有跨平台性。在Tomcat中，应用程序的部署很简单，只需将WAR放到Tomcat的webapp目录下，Tomcat会自动检测到这个文件，并将其解压部署。Tomcat技术先进、性能稳定，而且免费，它运行时占用的系统资源小，扩展性好，支持负载平衡与邮件服务等开发应用系统常用的功能；而且它还在不断的改进和完善中【54】【55】。成为目前比较流行的Web应用服务器。19 重庆大学硕士学位论文②地图服务器一GeoserverGeoserver是一个JAVA语言开发的WebGIS服务器，建立在J2SDK(java2SottwareDevelopmentKit，即软件开发工具包)的环境和Servlet／EJB容器上运行，本系统将其部署在Web服务器Tomcat中。GeoServer遵循OpenGIS规范，是开源的地图服务器，可以免费使用，并具有自行修改、复制以及再分发的权利【561。同时，Geoserver还有诸多优势：1)用JAVA语言编写，基于J2EE架构，能够运行在任何servlet容器中；2)支持Shapefile、VPF、MySQL、Maplnfo、WFS等空间数据格式格式，同时对PostGIS、ArcSDE，DB2、Oracle等空间数据库的支持也已经成熟；3)能够将网络地图输出为JPEG，GIF，PNG，PDF，SVG，KML，GeoRSS等格式，通过WFS能够请求GML．GeoJSON和压缩的Shapefiles；4)完全符合WMS1．1．1，WFS(1．0和1．1)，WCS(1．0和1．1)规范；5)通过WFS．T协议能够完成各种数据库事务操作(添加、删除、修改等)；6)规则验证引擎能够检测插入的要素是否违反一系列拓扑和属性规则；7)集成了．java安全框架acegi，能够对用户的权限和角色进行管理；3．2．2系统数据库的选择空间数据库建库的目的就是要将所有系统相关的数据有效组织起来，并根据其地理分布建立统一的空间索引，进而可以快速调度数据库中任意范围的数据，达到对整个地图的漫游和管理服务。空间数据库在整体上是一个集成化的逻辑数据库，所有数据能够在统一界面下进行调度和浏览，各种比例尺、各种类型的空间数据要能够相互叠加以形成一体化的空间数据库【l71。目前开源空间信息软件领域最性能优秀的数据库软件当属PostgreSQL数据库，而构建在其上的空间对象扩展模块PostGtS则使得其成为一个真正的大型空间数据库【57】。因此，该系统数据库选用PostGIS。PostgreSQL是一种对象．关系型数据库管理系统(ORDBMS)，也是目前功能最强大、特性最丰富和最复杂的自由软件数据库系统。PostGIS在对象关系型数据库PostgreSQL上增加了存储管理空间数据的能力，相当于Oracle的spatial部分。PostGIS提供如下空间信息服务功能：空间对象、空间索引、空间操作函数和空间操作符，同时遵循OpenGIS的规范，是最著名的开源GIS数据库。PostGIS具有如下特点和优势【58J：①PostGIS支持所有的空间数据类型，这些类型包括：点(POINT)、线(LINESTRING)、多边形(POLYGON)、多点(MULTIPOINT)、多线(MI几TILn町ESTRING)等： ②提供了对于元数据的支持，如GEOMETRYCOLUMNS和SPATIALREFSYS，同时，PostGIS也提供了相应的支持函数，如AddGeometryColumn和DropGeometryColumm③提供了一系列的二元谓词，如Contains、Within、Overlaps和Touches等，用于检测空间对象之间的空间关系，返回表示对象之间是否符合这个关系的布尔值(TRUE／FALSE)；④PostGIS还提供简单的几何分析函数，如Area和Length，用于计算多边形的面积和给定弧段的长度，而GeomUnion操作符融合多边形之间的边界。两个交迭的多边形通过GeomUnion运算就会形成一个新的多边形，这个新的多边形的边界为两个多边形中最大边界。⑤PostGIS支持所有的数据存取和构造方法，如GeomFromText0、AsBinary0，以及GeometryN0等。3．2．3系统客户端设计系统客户端是通用的Web浏览器，采用Ajax技术实现。Ajax是Asynchronous(异步的)JavaScript+XML的简写，它是一种支持异步请求的技术。Ajax的核心理念是：在web应用中增加了一个中间层，浏览器和服务器通过这个中间层Ajax引擎交互，而不是像传统的Web应用那样直接交互。Ajax采用异步的方式发送请求，当请求返回时，就可以使用JavaScript和CSS(CascadingStyleSheets)来相应地更新页面，而不是刷新整个页面，Web站点看起来是即时响应的，为用户提供更为自然的浏览体验。在网络传输过程中只传输用户关心的数据，缩短了系统的实际响应时间，使得客户端更加轻量，在使用WebGIS时感觉就像使用桌面系统一样轻松快捷【65】【66】。本系统的客户端设计主要是利用Ajax技术结合OpenGIS规范中的W*S(WMS、WFS、WPS等)规范来实现的。Javascript调用XMLHttpRequest对象向地图服务器发送HTTPrequest请求地图或要素、向WPS服务器请求数据处理服务，并且接收返回的相应的XML数据，然后调用DOM方法来解析XML中的特定空间特征和属性信息，为html页面提供数据和更新CSS。系统客户端体系结构如图3．1所示【661。2l 重庆大学硕士学位论文图3．1客户端体系结构图Fig．3．1Structureoftheclientsystem3．4本章小结本章主要对OpenGIS相关规范和系统的开发平台进行了研究，介绍了OGC制定的OpenGIS、W*S系列规范，确定了系统开发的规范和标准。选择了符合该规范的服务器和数据库，服务器选用开源的的Web服务器——Tomcat，及纯JAVA的地图服务器——GeoserVer；数据库选用PostGIS，并详细介绍了其特点和技术优势。最后设计了基于Ajax技术的客户端。 4系统总体设计系统总体设计是从相对宏观的角度把握系统的建设，做出系统的逻辑设计模型。它是在需求分析的基础上，平衡系统中的各环境条件对系统所进行的规划，起到了“承上启下”的重要作用。4．1系统结构设计4．1．1系统体系结构①C／S模式的网络GISt59】C／S(Client／Server)模式是一种分布式系统结构，它基于简单的请求／应答协议。在C／S模式下，服务器只集中管理数据，而计算任务分散在客户机上，客户机和服务器之间通过网络协议进行通信。基于C／S模式的网络地理信息系统是构建于部门局域网络之上的，网络所覆盖的范围很有限。②B／S模式的网络GISB／S(Browser／Server)模式是在C／S体系基础上扩展而成的，适用于广域网环境，使原来基于局域网的GIS扩展到整个因特网。在B／S的系统中，用户界面完全通过WWW浏览器实现，用户可以通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求，用通用的浏览器可实现原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并节约成本。B／S结构由单一的两个层次扩展到由客户、应用服务器和数据库服务器组成的三层结构，层与层之间相互独立，任何一层的改变不影响其他层的功能，三层的B／S体系结构把二层C／S结构的事务处理逻辑模块从客户机的任务中分离出来，极大地简化了客户机的工作，客户机上只需安装少量的客户端软件即可，服务器将负担更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行将在服务器上完成。B／S体系结构从根本上改变了传统的两层C／S结构的缺陷，是应用系统体系结构的一次深刻变革【59】。该系统在总体结构设计上采用浏览器／服务器(Browser／Server，B／S)模式，包括浏览器、服务器、空间数据库三层结构。空间数据库选用PostGIS；Web服务器采用Tomcat，地图服务器使用GeoServer；客户端则是通用的浏览器，采用Asynchronous(异步的)JavaScript+XML(简称Ajax)技术实现。系统架构如图4．1所示。 重庆大学硕士学位论文?，，，』7’r‘～一。j，，，，+。。‘≯i一+．j’。7．、．．、，‘：’，j}，’『iV一<二榔障一)◇‘⋯WMSWFSWPS提供的服务彳＼弋夕翳簿?⋯’’”一⋯⋯瀚≤WPS服务接口鬟§敷b斑也^k。女，。：．““，潮地图服务器Geoserver断面分析算法服务器爆管分析算法缓冲区算法WPS服务器Web服务器Tomcat彳、E三三三空间兰stG。s刁．．空间数据库∈⋯脚呲哪刁’图4．I系统架构图Fig4．1Frameofthesystem4．1．2系统工作流程当用户通过浏览器访问地图时，系统客户端发送WMS请求，并把返回的地图呈现给用户。当用户通过浏览器进行相关操作时，JavaScript调用XMLHttpRequest对象向Web服务器发送请求(WFS、WPS等)，将用户的操作信息发送给Web24 4系统总体设计服务嚣，Web服务器根据不同的请求，将参数传递给GeoServer地图服务器、WPS算法服务器，然后GeoServer、WPS算法服务器根据需要请求PostGIS数据库中的管网数据，并采用特定的算法对数据进行处理，经过处理后的结果以GML格式返回ⅢI：在客户端JavaSeript通过AjaX引擎的回调函数接收返回结果，并解析管网数据中的空间特征信息和属性信息．管网空间信息以WMS显示在管网图上，属性信息以属性窗口形式来显示，这样用户就可以在浏览器中看到结果了。系统工作流程如图4．2所示。图4．2系统流程圈Fi94．2Flowchartofthesystem4．2系统功能设计城市供水管网地理信息系统对管网中的管线、节点、水表、阀门等相关信息按地理空间位置进行显示、编辑、查询、统计与分析等。系统功能是根据需求分析的结果来划分和设计的，该系统功能结构如图4．3所示。421图形显示与控制图形显示及控制是供水管网地理信息系统照基本的功能，系统主要是通过鹰跟窗口、缩放杆、图层控制、比例尺、坐标显示等工具，以不同的方式实现对管网图形的显示和控制。可以对图形进行放大、缩小、全图显示，图形定位．对管网不同图层进行显示、控制，任意点的坐标显示，整个图形比例尺显示。4．2．2管网查询管网查询功能包括管网空间信息和属性信息的双向查询。①空间查询主要是在管网图的基础上实现的，查询方式有点选查询、任意区域的拉框查询。 重庆大学硕士学位论文②属性查询是在给定的属性查询界面上输入相应查询项的值，包括管段查询和管网设施查询，系统通过属性窗El或列表形式显示满足该条件的所有属性信息，同时符合该查询结果的空间信息在地图上高亮显示，查询方式有精确查询、模糊查询。图4．3系统功能结构图Fig4．3Functionalstructureofthesystem4．2．3管网统计管网统计功能可以统计某一区域内的管线和附属设施信息，也可以输入一定条件如管径、管材、阀门类型等，统计满足该条件的管网信息。满足统计条件的空间信息在管网图上以不同的颜色显示。统计结果以报表的形式显示，形成的报表不仅可以以电子格式进行保存和传输，而且可以打印输出形成纸质文档。由于Geoserver的输出格式可以是图像，如jpeg、png、gif,pdf等，故可以通过浏览器内置的打印组件来实现报表的打印输出。4．2．4管网编辑 4系统总体设计管网编辑功能可以对管网图形和属性数据进行添加、修改、删除等操作。用户可以任意地添加管线及阀门、节点等附属设施，并赋予其属性信息，对管网空间信息进行添加及删除操作时，属性数据自动变更。当管网系统进行改扩建时，可以实现系统的及时更新，系统的现势性更强。4．2．5几何量算几何量算包括长度测量、面积计算。可以方便地测算管段的长度及所选区域的面积。产读测量还可以测算所选管段的累计长度，用户点击“长度测量”按钮并在图上选择所测量的对象，系统显示该对象的长度；点击“面积测量”按钮并选择一定的区域，系统显示该区域面积。4．2．6断面分析断面分析功能可以生成管线的横断面图和纵断面图，从而直观准确地反应管线走线及与地面间的空间位置关系，实现管线的可视化管理。断面分析功能在生成断面图的同时，在图的下方对应生成点、线的属性信息，实现了图形和属性的统一。4．2．7缓冲区分析缓冲区分析是根据系统的需要，对管线、节点等实体建立其周围一定范围内的多边形区域的分析。可以通过输入一定的半径、宽度来实现点、线的缓冲区分析。可以对出现冒、滴、漏现象的管线进行邻近受影响区域的分析，在图中标示出事故点和受影响的井点，辅助工作人员进行快速处理【611。4．2．8爆管分析管网爆管事故经常发生，传统的供水管网管理方式由于资料的缺乏、信息传输缓慢，不能对此类管网事故做出迅速反应，因而造成很大的损失。供水管网WebGIS系统可以实现爆管事故状态下的关阀分析，并统计受影响的管段。当某管段发生爆管事故时，用户只要在管网图上点取爆管位置，系统可以自动查找到需要关闭的阀门，并统计受影响的管段。4．3数据库设计数据库设计是指对于一个给定应用环境，提供一个确定最优数据模型与处理模型的逻辑设计，以及一个确定数据库存取结构与存取方法的物理设计，建立反映现实世界信息和信息联系，满足用户要求，同时能实现系统目标并有效地存取管理数据的数据库【62】【63】。数据库系统可以存储空间和非空间数据，空间数据库的设计就是根据空间数据结构选择合适的空间数据库的组织方式，设计有效的空间数据库结构【64】。27 重庆大学硕士学位论文供水管网WebGIS系统涉及大量的空间和非空间信息，数据库是该系统的核心，采用PostGIS作为本系统的数据库，它是目前开源空间信息软件领域性能优秀的数据库软件——PostgreSQL数据库的扩展，构建于PostgreSQL之上使其成为一个真正的大型空间数据库。供水管网WebGIS系统所有管网数据、背景数据、属性数据都存储在PostGIS空间数据库中。4．3．1数据的获取与转换空间数据是用于表示空间物体的位置、形状、大小和分布特征等诸方面信息的数据，主要由点要素、线要素、面要素及其组合构成。空间数据的特点是不仅包括空间实体本身的空间位置及状态信息，还包括空间实体之间的位置相对关系【63】，空间实体之间的相对位置关系是通过空间拓扑信息来表示的，空间数据的空间位置通常以坐标数据来表示，这些坐标数据必须以同一坐标系作为参考，不同坐标系之间应能相互转换【3酬。管网图形数据大部分以AutoCAD图文件的形式存在，要想转换到PostGIS数据库，需要进行格式转换和坐标系转换。首先将DWG图形文件另存为DXF，借助dxf2shp工具将DXF文件转换为Shapefile文件；需要将Shapefile进行坐标系的转换，该系统采用北京54高斯．克吕格投影坐标系；再使用PostGIS自带的shp2pgsql命令将Shapefile文件转换成SQL，既可以直接导入PostGIS数据库。数据转换过程如图4．4所示。图4．4图形转换过程Fig4．4Processionofgraphicsconversion4．3．2数据分类系统所需要的空间数据包括管网数据和底图数据，其中管网数据包括管线、节点、阀门、水表、消火栓等信息，主要由点要素、线要素构成，基本不包含面状实体，因此在考虑空间数据拓扑关系时可以忽略点与面、线与面的拓扑关系。底图数据主要指道路、地形、河流等相关信息。虽然含有面状实体，但是底图主 4系统总体设计要用于指明地下管网在城市中的大体相对位置，只是辅助性信息。因此，可进行适当的简化，去掉面要素信息，以减少数据量，提高系统的运行效率【61。由于城市供水管线主要沿道路布置，道路数据可以为供水管网提供地理位置坐标参考，因此该系统底图数据只包括道路红线和道路中心线信息。其中节点对应的实物包括三通、四通、坡度变化点、管径变化点、堵头等。线要素主要是管线及道路。管网空间数据模型要能够清楚的反映管网对象之间的逻辑关系，能够为后续的专业分析服务。在供水行业中，对管线分段一般是按照施工情况来确定，即在同一个工程项目中完成的一段连续管线为一条管线【_72】。但是考虑到后续的管网分析服务，不能完全照搬这种管线划分方法。该系统是将两个点要素(节点、阀门、水表、消火栓等)之间的一段连续管线视为一条管段，一条管线如果包含n个点要素，则被划分为(n+1)个管段，如图4．5所示为DL2001道路上某管线的管段划分示意图，该管线被阀门、节点、消火栓等点要素划分为GD2001001、GD2001002、GD2001003、GD2001004四个管段。FM2001001JD2001001图4．5管段划分示意图Fig4．5SchematicdiagramofpipedividingJD2001002根据基础空间数据的特点，空间数据按照“数据库一专题一层一要素及属性"的层次框架构筑数据库，按分类分层原则聚集数据，在同一层信息中，数据都具有相同的几何特征和相同的属性特征。一般将具有相同特征的空间信息分成一层，它表示地理特征以及描述这些特征的属性的逻辑意义上的集合，同时，为了满足地理信息系统对数据检索分析的需要，还将数据按特征类型(点、线、面)的不同进行严格分层，每层只有点、线、面一种要素。这种分层的管理方式对数据的编辑和提取十分方便，可以提高地图中各个要素的检索速度，便于数据的灵活调用、更新及管理【6】。该系统主要分为表4．1所示的几个要素类，每一个要素类对应一个图层。29 重庆大学硕士学位论文表4．1空间数据图层Table4．1Spatialdatalayers4．3．3属性数据组织属性数据是指描述空间实体的类别和特征等性质的数据。属性数据由各信息对象的属性构成，本身属于非空间数据，但是是地理信息的重要组成部分，它同空间数据相结合，才能表达空间实体的全貌【36】。供水管网属性数据是依据其专业性质和使用要求的不同来设计的(如管道的编号、名称、长度、管径、生产厂家、埋设年代、材质等)。属性设计必须满足系统不同功能的需要(如断面分析、爆管分析)，应全面而详细。①编码设计为了提高查询、统计的效率，方便管网分析，需要对管线及附属设备进行编号，编号设计要根据类别的不同遵循一定的规律【851，编码方式以字符与数字结合为主。如下：XX+XX要素类型码+要素位置码+要素序号码要素类型码——是为区分不同的要素类型而设计的，定义为：DL、GD、FM世甘。要素位置码——是为了表明要素所在的位置而设计的，对于道路要素，位置码用方向表示，东西为l，南北为2；对于管段、阀门、节点等管网要素，位置码用所在道路表示，编号为1000．1999、2000—1999四位数字。要素序号码——对同一种类型，同一位置的要素，依次按序号001．999表示，每一个要素的序号都具有唯一性。如图4．6所示为编码示意图。30 4系统总体设计图4．6管网信息编码图Fig4．6Encodingofmetworkinformation②属性字段设计在管网数据中，字段的设计要包括城市供水管网系统所有的常规数据，gid字段是主键，具有唯一性，用来表示区分同一要素类中的每个要素。结合系统需求分析，本系统设计的属性字段结构如表4．2—4．7所示。表4．2节点数据属性字段Table4．2Attributefieldsofnotedata 一．重鏖奎堂堡主堂垡堡奎．一————————————————————————————————一一。表4．3管段数据属性字段gidserial一是一pipelinesourcetargetSourcedepthTargetdepthPipediametercharactervaryingcharactervaryingcharactervaryingdoubleprecisiondoubleprecisionintegerlengthdoubleprecisionPipematerialcharactervaryingeradate管段编号起始点终止点起点埋深终点埋深管径管长管材埋设年代roadinch锄ctervarying6否所在道路表4．4阀门数据属性字段Tab!!兰：兰垒塑皇坐堑!!坐!!∑苎!翌丝：————————————————-———_——●—_——————————————————————————一。字段名称字段类型字段长度是否主键备注l————————————————————————————————————一gidserial——是——valvevalvetypevanecaliberXYcharactervaryingcharactervaryingintegerdoubleprecisiondoubleprecisiongroundelevationdoubleprecisiondepthon／offerapipelinedoubleprecisionbooleandatecharactervarying否阀门编号否’阀门类型否阀门口径否X坐标否Y坐标否地面高程否埋深否开关状态否埋设时间否所连管段roadincharactervarying6否‘所在道路32否否否否否否否否否9一坦一9m二二二一9 ．兰丕丝璺签丛生一一一．——一——————————————————————————————一一表4．5水表数据属性字段T生l兰：!垒塑皇坐垒!!璺!!!!苎竺里!!!!璺塑一——字段名称字段类型字段长度是否主键备注一———————————————————————————————————一gidserial一是一metermetertypecharactervaryin—g9charactervaryin—g10meterstandardcharactervaryin。gXYdoubleprecisiondoubleprecisiongroundelevationdoubleprecisionusel"namecharactervaryi‘ng20pipeincharactervaryi‘ng8否水表编号否水表型号否水表规格否X坐标否Y坐标否地面高程否用户名否所在管段roadincharactervarym。g6否所在道路表4．6消火栓数据属性字段gidserial——是——hydrantcharactervarying9否消火栓编号hydranttypecharactervaryinghydrantstandcharactervaryingXYdoubleprecisiondoubleprecisiongroundelevationdoubleprecisionpressurecharactervaryin‘gmanufacturercharactervaryin‘g20否消火栓型号否消火栓规格否pipeincharactervaryi‘ng9否X坐标Y坐标地面高程公称压力Mpa生产厂家所在管段roadincharactervarym‘g6否所在道路33mm二一m 重庆大学硕士学位论文表4．7道路数据属性字段Table4．7Attributefieldsofroaddata③属性数据关联各个要素类的属性信息之间即相互独立又存在密不可分的关系，系统各要素类的属性信息的关联如图4．8所示。图4．8各要素类的属性信息的关联图Fig4．8Associatedgraphofattributeinformationofelements34 4系统总体设计434空间数据存储与非空间数据库不同的是，PostGIS能够将要素(一个要素可以是一个节点，一个消火栓，或者一条管线．隶属于不同的要素类，存储在相应的数据表中)的空间数据(即坐标信息)进行十六进制编码，存储在一个与属性字段并列的字段中，这就省去了将属性数据与空间数据关联的工作。同时在存取数据时操作一条数据表中的记录，也就是操作一个要素，既包含了属性数据，又有空间数据。由于PostGIS数据库具有查询空间数据几何信息的能力，能够查询出某一条管线起点和终点坐标、与某一条管线相邻的管段等等。这样就能很方便的获得管网的拓扑信息．图4．9为空间数据在PostGIS数据库中的存储形式，其中source、target、x1、y1、x2、y2等信息就表示出了点、线之间的连接关系。圈4．9空间数据存储形式Fi94．9Storageformofspatialdata4．4本章小结本章从相对宏观的角度对系统进行了总体设计，系统采用B／S模式的架构，包括浏览器、服务器、空间数据库三层：并详细描述了系统的工作流程：根据系统功能需求分析结果对系统要实现的功能进行了划分和设计：数据库设计中，对数据的获取及转换过程进行了阐述，并对系统的管段进行了定义和编码，详细设计了管网数据的属性字段及其空间数据。 5系统分析功能的理论与算法研究系统的爆管分析、断面分析及缓冲区分析功能是供水管网地理信息系统中重要的管网分析功能，管网分析功能的研究是以管网的网络拓扑关系为基础的，首先分析了以邻接表为存储结构的拓扑邻接关系，在此基础上对管网分析功能的理论及算法进行了研究。5．1网络拓扑关系基础网络拓扑关系是定义空间实体之间相对位置关系的一种数学方法。地理信息系统中用拓扑关系来描述空间要素之间的关系。供水管网主要由点、线等几何要素组成，可以定义为几何上的“网"，管线可以定义为网络的“边”，管线端点、用户节点等可以定义为网络的“结点”，这样就把现实世界中的供水管网抽象成GIS中的网络、结点、边之间的逻辑网络【6‘71，逻辑网络模型是由线元素和交汇点元素组成的网络图表，用特定的属性表存储网络的连通性信息，从而实现相关的网络分析【61。一般来说，网络在数学和计算机领域中是被抽象为“图"这个概念的，所以其基础是图的存储表示【72】。图论知识与供水管网网络分析之间有着一种很自然的联系，供水管网网络关系可以用图论的基本原理来分析。5．1．1图论基本知识概述图(graph)是一种重要的数据结构，由顶点(vertex)和边(edge)两个有限集合组成，形式化定义如下【68】【69】：Graph=(V，R)其中，V_{VlVEdateobject}，-V称为顶点集；IP{E)，E={IP(u，v)八(u，v)∈V>，E为边集，E中的顶点对称为边。如果图的边没有方向性，则称之为无向图(undirectedgraph)，如果图的边限定为从顶点U指向另一个顶点v，则称之为有向图(directedgraph)对于无向图G=(V，{E))，如边∈E，则称1．1与v互为邻接点(adjacent)，边与定点u与v相关联(incident)。如果一个无向图中任意两个不同的顶点都存在从一个顶点到另一个顶点的路径，则称此无向图是连通的(connected)。对于有向图G_-(V，{E))，如边∈E，则称顶点U邻接到顶点v，顶点v邻接自顶点u，边与顶点U，v相关联。对于一个有向图，如果图中任意两个不同的顶点u和v都存在从顶点u到顶点v的路径和v到u的路径，则称此有向图是强连通的(stronglyconnected)。如图5．1所示为无向图和有向图的示意图。37 重庆大学硕士学位论文(a)无向图(b)有向图图5．1无向图与有向图示意图Fig5．1Schematicdiagramofundirectedanddirectedgraph5．1．2图的邻接表存储结构图的存储表示有多种，如邻接矩阵、关联矩阵、邻接表等，比较常用的一种是邻接表(Adjacencylist)[70】，在邻接表中为每一个顶点都建立一个单链表，每个顶点都表示成链表头，第i个顶点的单链表由图中与顶点vi相关联的边构成。由于已知一个顶点为vi，为了表示边，只需要再存储另一个顶点即可，具体结构见图5．2所示【71】：adjVexweightnext图5．2邻接表的表结点结构示意图Fig5．2Schematicdiagramofnodestructureofadjacencylist其中，adjVex为Vi的邻接点，weight为边的权值，对于一般的图，可取weight的值为l，next为指向下一条边的指针。邻接表实际就是用指向链表的指针组成的数据。图5．1中无向图的邻接表如图5．3所示，这里为简便起见，没画出weight部分。图5．3无向图邻接表Fig5．3Adjacencylistofundirectedgraph 5系统分析功能的理论与算法研究从无向图邻接表可以看出，无向图(a)有5个顶点(因为有5个链表头)，顶点4有3个边(因为顶点4的链表头后有3个结点，分别是结点1、结点2、结点3)。对于无向图，同一条边在邻接表中将出现两次，这是由于与实际是同一条边，在邻接表中vi出现在第j个链表中，叼出现在第i个链表中，vi的度等于第i个链表的长度。在邻接表中，各边在邻接表中的次序是任意的。设图中有e条边，n个顶点，用邻接表表示无向图时，需要存储n个顶点和2e条边；对于有向图，则需要存储n个项点和e条边。5．2爆管分析在供水管网日常运行管理中，由于管网监控及配套设施未到位，不能及时发现和消除事故隐患而导致爆管事故。城市供水系统的爆管事故极为普遍，爆管不仅浪费资源，而且增大电耗，如果不能及时得到处理将严重影响人们的日常生活。为此有必要应用GIS技术进行爆管事故的分析，以减少抢修时间，缩小停水范围，将爆管造成的损失降为最小。对供水管网进行爆管分析，首先要建立管网要素之间的网络拓扑关系，然后在网络拓扑的基础上对关阀算法进行分析，得出爆管事故状态下的最优关阀方案和受影响管段。5．2．1供水管网邻接表的建立供水管网事故状态下的关阀分析在GIS技术中属于网络分析范畴，采用邻接表结构表示管网拓扑关系，很容易找到任意一个顶点的第一个邻接点和下一个邻接点，应用于爆管事故下的关阀分析，能迅速的找到离爆管事故点最近的阀门以及受影响的管段，而且用邻接表比用邻接矩阵更节省存储空间【70】[72】，所以系统采用邻接表来表示供水管网拓扑关系。．供水管网中的水流是有方向的，根据图论理论可把城市供水管网抽象为“有向连通图"【_73】。但实际管网中的水流方向比较复杂且可能因为水压的变化而变化，必须通过测压点采集水压数据并进行水力计算才能确定，所以本系统对管网的抽象没有考虑水流方向，即把管网图简化为无向图来分析问题【|72】。将供水管网记为G=(V，{E))，其中V为顶点集，包括管网中参与爆管分析的所有点状要素，如节点、阀门、水表等，{E)为边集，包括管网中的所有管线。如边∈E，则称v1和v2互为邻接点。供水管网拓扑关系的建立实际上就是生成管网中参与进行爆管分析的所有点状要素之间的邻接表。如图5．4所示，是部分供水管网示意图，它的拓扑关系用邻接表的形式表示如图5．5所示。39 重庆大学硕士学位论文JDlSBlFM5JD3FM4JD4·节点O水表。消火栓@阀门图5．4部分管网示意图Fig5．4Schematicdiagramofpartofnetwork图5．5管网邻接表结构图Fig5．5Networkadjacencyliststructure5．2．2爆管分析算法图论中的搜索算法主要有两种——广度优先搜索法(BreadthFirstSearch)和深度优先搜索法(DepthFirstSearch)【69】【701。①图的广度搜索算法(BFS)基本原理是：从图中某顶点Vo出发，在访问了Vo之后依次访问Vo的各个邻接点Vl，V2，V3⋯，然后再依次访问与V1，V2，V3⋯，邻接的所有未曾访问过的顶点。依此类推，直至图中所有和顶点Vo有路径相通的顶点都已访问到为止。此时从Vo开始的搜索过程结束。若G是连通图，则遍历完成；否则，在图G中另选一个尚未访问的顶点作为新源点继续上述的搜索过程，直至G中所有顶点均已被访问为止。这种搜索算法是按层次遍历，查找邻1234123451l皿皿皿皿雕跏雕m刚gj煳 5系统分析功能的理论与算法研究接点的过程。如图5．6所示无向图G，其广度优先遍历过程：首先访问Vo和Vo的邻接点V1、V2，然后依次访问V1和Vl的邻接点V3、V4以及V2和v2的邻接点V5，最后访问v3的邻接点v6，至此，所有顶点已搜索完毕，遍历结束。其遍历先后次序为Vo、Vl、V2、V3、V4、v5、V6②图的深度搜索算法(DFS)基本原理是：这种搜索算法是优先在深度方向上搜索，依次查找邻接点的过程。在搜索过程中，每当访问某个顶点V后，DFS将递归地访问所有未被访问到的相邻顶点，实际结果是沿着图的某一分支进行搜索；直到末端为止，然后再进行回溯，沿另一分支进行搜索，以此类推，直到所有顶点都被访问。如图5．6所示无向图G，其深度优先遍历过程：首先访问Vo和Vo的一个未被访问的临接点Vl，然后访问Vl的一个邻接点V3及其邻接点V6，再访问V6的邻接点V4，然后访问V4的未被访问的邻接点v5以及V5的邻接点V2，直到所有点都遍历。其遍历的先后次序为Vo、Vl、V3、V6、V4、V5、V2图5．6搜索算法示意图Fig5．6Schematicdiagramofsearchalgorithm③关阀搜索算法的选择这两种搜索算法的实质是查找邻接点的过程，其时间复杂度与所采用的存储结构有关，对于具有n个顶点e条边的连通图，采用邻接表存储结构时，其时间复杂度为O(n十e)。爆管事故状态下搜索要关闭的阀门，分析受影响管段，实际上就是图的搜索过程。供水管网一般是环状布置，为避免算法因回路而陷入死循环，一般为每个顶点保留一个标识域(visited[】)。算法开始时，所有顶点标志域设置为false，在遍历过程中，如顶点被访问到，将标志域置为true，如果在遍历时遇到标志域为true的顶点，就不访问它【6引。结合给水管网爆管分析的特点，管网事故时第一阶段搜4l 重庆大学硕士学位论文索过程是以事故点为中心，搜索出所有可以关闭的阀门，是一个求所有解而非最优解的过程，适于采用深度优先搜索法，并且由于管网本身的特点，管线上的阀门数目众多，采用深度优先搜索法不会出现误入无穷分枝的现象【74】。再者，深度优先搜索算法在编程上易于实现，因此本文采用了深度优先搜索算法，其算法程序实现如下：classNode_type{intvertex；Node_typenext；)publicvoiddfssearch(Node_typeadjlist[N]，booleanvisited[N]){for(intv=1；v<-N；v++)∥通过循环把每个结点的标记设置为(false)未访问过。visited[v]=false；for(intv=1；v<_N；v++)∥通过循环进行深度遍历，调用深度遍历函数dfs()if(!visited[v])dfs(adjllist，visited，V)；>publicvoiddfs(Node_typeadjlist[]，booleanvisited[]，imV){Node_typenode；visited[v】=true；node=adjlist[v]；while(node!=null)i坟!Visited[node．vertex])dfs(adjllist，visited，node．vertex)；)5．2．3爆管分析理论当管网中的一条管段发生爆管事故，首先要定位发生爆管的点属于逻辑网络模型中的哪条管段，然后从这条管段的两个端点出发追寻控制来水通路的阀门，以及搜索受影响的管段的过程可以抽象为图的深度优先搜索遍历【751。爆管事故分析主要分为以下三个步骤【76】【77】：第一步，从爆管点出发对管网进行深度遍历，找到构成最小封闭区域的所有阀门。第二步，对整个管网进行深度遍历，和第一步找到的阀门比较，确定受影响的管段第三步，在受影响区域内寻找可关可不关的阀门，确定最优的关阀方案。42 5系统分析功能的理论与算法研究JD3FM5·JD4FM6FM4JD2《卜——————_．卜占SBl划FM。≤FM·FM2BSB2J。5卜—～—呻FM7Jj-D6∑：．．工FMl6FM9b～铲囵FMllgJD8人．FMl4《JDl0JDl2——一1，FMl3＼6SB3么5884一图5．7爆管分析示意图Fig5．7Schematicdiagramofpipe-burstanalysisFMl26—、●rJD9①初步关阀搜索根据供水管网的特点，爆管事故下的关阀分析主要分为三种情况【74】：1)当爆管事故点所在管段两端点均为阀门时，直接关闭这两个阀门，把它们放入初步要关闭的阀门集合V，终止搜索。如图5．7中爆管点A所示，初步关闭的阀门集合{FM2、FMl5"。2)当爆管事故点所在管段一个端点为阀门，另一个端点不是阀门时，则关闭一端的阀门，把它放入初步要关闭的阀门集合V，终止该方向上的搜索。然后把另一端的节点标志域置为true，并在邻接表中寻找该节点的邻接点，遇到阀门则关闭并放入初步要关闭的阀门集合V，遇到未被访问的节点则把该节点的标志域置为true，并继续寻找其邻接点，直到搜索到所有要关闭的阀门。如图5．7中爆管点B所示，初步关闭的阀门集合{FMl8、FM6、FM5}。3)当爆管事故点所在管段两个端点都不是阀门，则把两个节点的标志域置为true，然后依(2)所述方法，将节点标志域置为true，在邻接表中寻找其邻接点，直到搜索到所有要关闭的阀门。如图5．7中爆管点C所示，初步关闭的阀门集合{FM8、FM9、FMl0、FMll}。图5．8为初步关阀流程图。43 重庆大学硕士学位论文确定爆管管段判断爆管管两端的阀门两端均为阀门I1只有一端为阀门Il两端均不是阀门直接关闭两端阀门关闭一端阀门将非阀门节点标志域置为true根据拓扑邻接表寻找该节点的邻接点‘是茎望望!!l否将阀门放入初步要关闭的阀门集合V仁接点是笮搜索完毕是士⑧图5．8初步关阀流程图Fig5．8Flowchartofinitialvalveclosing②确定受影响的管段受影响管段指因爆管事故而造成的所有停水管段。集合V中关闭的阀门所构成的停水管段并不是真正的受影响管段，有些阀门连接的是支状管网，该支状管网区域也在受影响范围内。如图5．7所示，C处发生爆管事故时，初步关闭的阀门集合{FM8、FM9、FMl0、FMll)，该集合中的阀门构成的影响管段并不全面，FMll控制的支状管网也是受影响管段。要确定真正的受影响管段，要从水源点出发，对整个管网进行深度遍历，遇到集合V中的阀门时终止该方向的搜索，把所有遍 5系统分析功能的理论与算法研究历到的点要素放入一个集合U中，然后与整个管网的点要素比较，集合中缺少的点要素即为受影响管段的端点集合W，从而确定受影响管段。图5．7的C处发生爆管事故时，真正受影响管段的端点构成的集合W={FM8、FM9、FMl0、FMl1、JD7、JD8、SB4、SB5)。图5．9为受影响管段搜索流程图。图5．9受影响管段搜索流程图Fig5．9Flowchartofinfluencedpipesearching③确定最优关阀方案最优关阀方案是指受影响管段最少的前提下，剔除可关可不关的阀门，使得关阀数目最少的关阀方案。集合V中包含可关可不关的阀门，要剔除这些不必要关闭的阀门才能确定最优的关阀方案。根据管网的邻接关系表，对集合V中所有的阀门寻找其邻接点，如果阀门FMi∈W，且FMi所有的邻接点构成的集合{FMil⋯FMin)∈W，则FMi为可关可不关的阀门，找出所有可关可不关的阀门构成集合Vm，然后与初步关闭的阀门集合V做比较，确定必须要关闭的阀门集合45 重庆大学硕士学位论文Vn=V．Vm，集合Vn即为最优关阀方案。图5．7所示C处发生爆管事故时，FMll∈W，且FMl1所有的邻接点构成的集合{JD7、JD8)∈W，则FMl1可关可不关，最优的关阀方案为Vn={FM8、FM9、FMl0)。图5．10为最优关阀方案流程图。图5．10最优关阀方案流程图Fig5．10Flowchartoftheoptimalvalveclosing5．3断面分析断面分析可以显示地下管线的相对位置、埋深、距离、管径等信息，能够实现地下管线的可视化。管线断面图是管线工程设计的基础，能够满足城市规划、建筑设计与施工和管线维护检修等工作时对管线直观分析的需要。5．3．1断面分析理论①断面分析坐标转换断面分析图中，为了直观地表示管段的地下走向及管段与地面之间的空间位置关系，需要建立新的断面分析坐标系【78l。纵断面分析是以管段在xoy平面上的投影所在直线为新的X轴，以管段的地面高程为新的Y轴，将管段一个端点的X坐标置为0，对管段进行纵断面分析。以管段MN为例，原坐标及地面标高、埋深分别为Xl，Yl，hl，el，x2，y2，h2，e2经纵断面分析坐标转换后新的坐标为： 5系统分析功能的理论与算法研究M(0，hi—eO，N(x／(x,-x2)2+(Y1一Y2)2，hE-e2)(这里点的Y坐标指管内底Y坐标)。MN之间的平面距离D=4(xl一屯)2+(Yl—Y2)2坡度i=(h2一e2-hi+e1)／4(xl—x2)2+(yl—Y2)2纵断面分析中，横坐标差值较大，纵坐标差值较小，如果采用统一的比例，断面图的显示不太直观，因此纵横坐标要采用不同的比例【79A1，纵坐标比例尺与横坐标比例尺之间的比值定为40，横坐标单位刻度值=纵坐标单位刻度值x40，即如果纵坐标比例尺定为1：100，则横坐标比例尺为1：4000。由于纵坐标差值较小，因此以纵坐标为基准，纵坐标注记采用实际值，显示范围为管段最小管内底标高(最小地面标高．埋深)减去2个单位刻度，到地面最大标高加上2个单位刻度。横坐标显示范围为管段最小横坐标到最大横坐标。横断面分析是以经过交点且与交点所在管段相垂直的线为新的X轴，以交点的高程为新的Y轴，建立横断面分析坐标系。(为简化分析，无论横截线与管段是正交还是斜交，其交点横断面均视为正交断面)。横断面分析中，纵横坐标采用统一的比例(以纵坐标比例尺为准)，横断面图居中显示。②横断面交点信息分析横断面分析最重要的是确定交点的信息，绘制一条横截线与某管段相交，通过如下函数来返回横截线与管段交点：ST_Intersection(geometry，geometry)ReturnsageometrythatrepresentsthepointsetintersectionoftheGeometries．交点的坐标信息可以直接在图面上直接获取，然后在数据库中查询交点所在管段端点的信息，由于管段坡度不变，．可以通过线性内插法分析得出交点的X坐标、Y坐标、地面标高、埋深、管径等信息，画出交点的横断面刚791。假设横截线与M"N管段相交于O点，要对O点进行横断面分析，设M、N两点的坐标、地面标高、埋深、管径分别为xl，Yl，hi，el，d，X2，Y2，h2，e2，d，交点O的平面坐标(x3，Y3)在图面上获取，线性内插法求解O点的地面标高(h3)、埋深(e3)、管内底标高(b-h．e)、管顶标高(g-b+d)过程如图5．11所示。图5．11线性内插法示意图Fig5．11Schematicdiagramoflinearinterpolation47 重庆大学硕士学位论文Dl_厄i再而D2=厄i万万丽k-D2／DIha=h2一k(h2-h1)e3=e2-k(e2-e1)b3=h3一e3=(h2-e2)一k(h2一hi—e2+e1)93=b3+d=(h2一e2)-k(h2-hl-e2+eD+d(5．1)(5．2)(5．3)(5．4)(5．5)(5．6)(5．7)5．3．2断面分析数据结构断面分析需要的数据一部分来源于管网图，另一部分来源于管网信息数据库。管线的横断面交点和纵断面端点原始坐标可以直接从地图上获取，地面标高、埋深等信息可以从属性数据库表中获取。按工程对管线断面信息的需求和绘制管线纵横断面的需要，设计管线断面数据结构如下t横断面数据：交点地面标高(h)asdoubleprecision埋深(e)asdoubleprecision管内底标高(b_h—c)asdoubleprecision管顶标高(g_b+d)asdoubleprecision管径(d)asinteger管材ascharactervarying所在管段ascharactervarying纵断面数据：端点地面标高(h)asdoubleprecision端点埋深(e)asdoubleprecision端点管内底标高(b-h—e)asdoubleprecision管径(d)asinteger坡度(i_(h2-e2一hi+e1)／√(xl--X2)2+(yl-y2)2)asdoubleprecision平面距离(D--4(xl-x2)2+(yl一儿)2)asdoubleprecision管材ascharactervarying管段编号ascharactervarying 5系统分析功能的理论与算法研究5．4缓冲区分析缓冲区分析(buffer)是GIS中使用非常频繁的一种空间分析技术，其实质是对一组或一类目标按某一缓冲距离(也称邻域半径)建立其周围缓冲区多边形图，然后将这一图层与目标图层叠加，进行分析而得到所需结果。缓冲区分析可分为点目标缓冲、线目标缓冲、面目标缓冲等【∞】。管网GIS系统中的缓冲区分析是根据系统的需要，对管线、节点等实体建立其周围一定范围内的多边形区域的分析。在管网施工中，可以对将要铺设的管道进行缓冲区分析，指定其缓冲的宽度、方向或缓冲区半径生成缓冲区，可以计算管道施工的破砼路面积等。另外，对管网的漏水点进行缓冲区分析，可粗略统计其漏水的影响范围。由于管网GIS系统主要涉及点要素和线要素，在此只讨论点目标缓冲区及线目标缓冲区分析。5．4．1点缓冲区分析理论点缓冲区的建立是以点状目标为圆心，以缓冲距离为半径所绘的圆形区域，为了使它可以像线、面创建缓冲区时使用缓冲半径、平滑度作参数一样，可以以一个多边形来近似表示这个圆形区域，多边形顶点数越多越接近真实缓冲区，可以根据形成缓冲区所需的顶点数，得到两个顶点间的弧度差，依次计算各个顶点的弧度差即可。点缓冲区的生成算法主要采用基于步进拟合的圆弧拟合法，将圆心角等分为若干等份，用等长的弦来代替圆弧【80】。已知半径为R(缓冲距)的圆弧上一点A(ax，ay)，按顺时针方向用n个等间距的离散点来逼近缓冲圆，即等间距圆心角为a=3600／n。设已知OA的方向角为p，A的顺[时针方向的下一点为B(bx，bv)，其坐标计算公式为：bx=axcosa+aysina(5．8)bv=avcosa+axsina(5．9)5．4．2线缓冲区分析理论线缓冲区的建立是以线状目标为参考轴线，离开轴线向两侧沿法线方向平移一定距离，并在线端点处以光滑曲线连接，所得到的点组成的封闭区域即为线状目标的缓冲区。由于线状目标在GIS中是以坐标的形式存储的，因此，生成线状目标的过程实质上是对线状目标上的坐标点逐点求其缓冲点的过程。系统线缓冲区生成采用角平分线法，其基本思想是：首先在中心轴线两端点处作轴线的垂线，按缓冲区半径R截去超出部分，获得左右边线的起讫点；然后在中心轴线的其他各转折点处，用以偏移量为R的左右平行线的交点来确定该转折点处左右平行边线的对应顶点；最终由端点、转折点和左右平行线形成的多边形就构成了基本的缓冲区多边形【引】，在线端处以光滑曲线连接，形成线状目标的缓49 重庆大学硕士学位论文冲区。角平分线法如图5．11所示。采用角平分线法的关键是缓冲区边界点的生成。其算法描述如图5．12所示【80】【82】。Y图5．11角平分线法Fig5．11AnglebisectormethordX’图5．12缓冲线求解示例Fig5．12Sampleoflinebuffersolution如图5．12所示，设轴线上顺序相邻的三点A、B、C，其坐标依次为()【a，Ya)、(Xb，Yb)、(】(c，yc)。令AB、BC连线的方位角为ohb和0【b。，沿前进方向左右侧的缓冲宽度分别为dl和dr，则B点的左右缓冲点Bl和B，的坐标分别为：xbl=xb—DICOS[3bYbl=Yb—Dlsinj3bxbr_xb+Drcospb，b刊寸D。sinl3b50(5．10)(5．11)(5．12)(5．13) 5系统分析功能的理论与算法研究舯m2高sin矾2I驴南sin4l二1日。=a／"-abe。+o,e2’o穗瓷))fa曲+7r⋯⋯⋯⋯⋯Q口6(7r)]％。t2万一％⋯⋯．Q曲≥万)，pb----三z-a铂-10。5．5本章小结本章对管网分析功能的理论及算法进行了深入研究，分析了以邻接表为存储结构的管网拓扑关系，在此基础上运用图的深度优先搜索算法对爆管分析的理论进行了研究，并详细分析了爆管事故关阀分析的整个流程。断面分析中，对坐标转换进行了研究，建立了新的断面分析坐标系，运用线性内插法对横断面的交点信息进行了分析，并对断面分析的数据结构进行了设计。缓冲区分析中，研究了基于步进拟合的圆弧拟合法的点缓冲区以及基于角平分线法的线缓冲区分析理论。这些理论及算法的研究为系统分析功能的实现奠定了基础。 6系统的应用与实现依据系统的总体设计思路和理论算法研究，以某市部分片区供水管网为例，设计并实现了符合OpenGIS规范的供水管网地理信息系统。该片区面积约为16．90平方公里，总人121约ll万，日用水量约为4万m3／d，该区配水管网完善，已形成环状供水。该区供水管网地理信息系统的建立，实现了管网信息的在线查询、统计及断面分析、缓冲区分析、爆管分析等功能，大大提高了供水管网系统的信息化程度和管理水平。6．1系统界面的实现系统界面设计考虑到了不同功能模块的划分及用户操作的习惯，将不同的工具条及功能按钮沿窗口四周布置，增大了图形显示窗口的范围，使得界面总体布局合理、易于操作。中部为图形显示区；左上角为坐标显示区；往右为图标按钮，依次是移动、拉框查询、点击查询、测距、画点、画线、画面、垃圾桶(清除搜索标记)；右上角为各功能菜单(编辑、查询、统计、几何量算、断面分析、缓冲区分析、爆管分析)；右侧为图层控制栏；右下角为鹰眼窗口，快速实现图形定位；左下角显示图形比例尺；左侧是缩放杆。系统界面采用HTML(HyperTextMarkupLanguage)和CSS(CascadingStyleSheets)来实现，系统界面如图6．1所示。6．2图形显示及控制功能的实现系统图形的显示及控制是通过鹰眼窗口、缩放杆、图层控制、比例尺、坐标显示等工具来完成的。①地图显示功能通过客户端Ajax层向服务器发送WMS请求，将请求来的数据填充到动态生成的div中来实现，每个div是一个图层，数据的请求是一次性向服务器请求足够的地图数据，这样在隐藏和显示图层时就不必再向服务器请求数据，从而给用户更好的体验。②缩放杆可以实现对图形的放大、缩小、移动及全图显示。这些功能是通过改变WMS请求中的坐标范围，即bbox参数的值，将返回的地图内容通过Ajax层动态更新到显示地图的视窗div中来实现的，鼠标拖动缩放杆上的滚动条，图形随着放大、缩小，点击缩放杆中间的按钮，则全屏显示图形。http：／／hosmame：8080儋eoserver／wms?bbox=-130，24，一66，50&styles=population&Format=-image／png&request=GetMap&layers=topp：states&width=550&height=250&srs=EPSG：4326 重庆大学硕士学位论文http：／／hostname：8080／geoserverAvms?bbox=一132．22．-64，52&styles习population&Format=image／png&request=GetMap&layers=topp：states&width--550&height=250&srs=EPSG：4326其中，hosmame是主机名，bbox是请求地图的坐标范围(经度．130度到．66度，纬度24度到50度)，s计les是渲染地图的样式表。Format是请求地图返回的格式，Request是进行WMS请求调用的方法，Layers是请求的图层名及其命名空间，width和height是返回地图图片的宽度和高度，SRS(SpatialReferenceSystem)是空间参照系。：H⋯⋯f⋯～i^⋯㈨t。∞⋯；iu～r—jta一=-口”一圈乳—二爿’、图6．1系统界面图Fig6．1Imerfaceofthesystem@鹰眼图又叫缩微图，其主要作用是能够指示主地图密口中的内容在全图中的位置，实现图形定位功能。鹰眼窗口和主地图窗口是联动的，即当主地图发生放大、缩小或移动时，鹰眼图中指示矩形框也会伴随着变化，相反，移动鹰眼图中的指示矩形框，则主地图窗口中的管网图形也会迅速转到相应的区域。守l¨|¨l¨|=- 6系统的应用与实现与主地图一样，鹰眼图也是通过客户端Ajax层向服务器发送WMS请求，将获得的地图显示在div中的，差别在于鹰眼图需要按比例缩小WMS请求地址中的width和height参数，来达到缩微图的效果。④图层控制工具能够完成管网不同图层的显示和隐藏，通过勾选框可以任意的打开、关闭某层，根据需要来显示和隐藏必要的信息。图层控制是通过控制含有请求来地图的div来实现的。主地图窗口中已经将通过WMS请求来的地图填充到几个相互叠加的div中，通过隐藏或显示div，就能完成响应图层的隐藏和显示功能。⑤比例尺是图上距离与实际距离的比。移动、缩放图形时，比例尺相应改变，用户可以对图形大小有更清晰的了解。比例尺是根据图形显示的高、宽和地图实际坐标范围的比来计算，通过HTML元素div来显示。⑥坐标显示的是鼠标所在点的X、Y坐标，可以精确显示任意点的坐标。任意点的坐标显示是通过WMS的getFeatureInfo操作来实现的。6．3管网查询功能的实现查询是供水管网WebGIS最基本的功能，管网查询功能主要包括空间查询和属性查询，系统可以实现空间信息和属性信息的双向查询。进行管网信息查询时，Ajax层根据用户进行的不同的查询操作，通过WFS请求将获取的用户指示信息(空间查询时，Ajax层获取的是点坐标或者拉框范围，而属性查询时，是查询关键字)发送给GeoServer，GeoServer根据需要查询数据库中符合条件的管网数据，然后返回查询结果，通过Ajax层解析后显示在HTML页面中。属性信息通过查询结果窗口来显示，空间信息在管网图上高亮显示。图6．2查询功能图Fig6．2Functionchartofinquiry55 重庆大学硕士学位论文63．1空间查询空间查询即通过管网图上的空间信息进行查询，包括点选查询和拉框查询。①点选查询是用户在图上选择点要素或线要素，弹出该要素的属性信息框，详细列出该点的属性信息，如图63所示，点击某节点，弹出节点属性信息框，查询到该节点的详细属性信息，信息显示为灰色不可编辑，点击“修改”按钮可以对属性信息进行修改操作，该节点在管网图上以红色的国标显示。②拉框查询是用户在管网图上拉矩形框，对框内的管网信息进行查嘲，框内选中的管网要素可能比较复杂，系统是通过拉框搜索分类对话框列出查询到的所有信息，点击某一类要素，如节点、阀门、管段等，则系统显示该类要素的查询结果。如图6．4所示拉框查询，框内有节点、阀门、水表、管段，要查询节点信息，点击拉框搜索分类信息框中的“节点”，则弹出节点的查询结果。§·日⋯m⋯一～Ⅲ。⋯”zH⋯⋯⋯^⋯c■b∞t·Y#口⋯#q0一硒日，。工I∞’ 6系统的应用与实现5“”‘“”“‘。86≈7or⋯⋯II咖⋯‘警訾n删，德曙黑寰黑黑a／I窭耍鱼[童工卫[J2_＼a圈6．4拉框查询Fig&4№们ofpullh《box63．2属性查询属性查询是通过属性查询对话框，输入关键字来查询管网信息，查询到的空间信息在管网圈上高亮显示，属性信息遥过查询结果显示框来显示。系统的属性查询分为管段查询和管网设施查询(包括节点、阀门、水表、消火栓)。可以根据查询条件不同，分别进行精确查询和模糊查询。查询条件可以为空，也可以同时输入几个查询条件，查询到的结果必须同时满足所有查询条件，有些查询条件的值是一个范围，如果左边输入框为空则表示零，右边输入框的值为空则表示所有大于左边值的值。①管段查询是通过输入管段的部分属性信息如管段编号、管径、管材、埋设年代、管段埋深、所在道路等．来查询满足该属性值的所有管段。如要查询埋设年代在2002—01．01到2003一ol—Ol，埋深在1．6到1．9之间，且为PVC管的管段．输入这些查询项，进行模糊查询即可查询到符合条件的所有管段信息，并在管网图上高亮显示查询到的管段，如图6．5所示。②管网设施查询，是对供水管网的节点、阀门、水表、消火栓等设施的信息进行查询，每类设施设置不同的查询条件(包括编号、类型、埋深、埋设年代、所连管段、所在道路等)。例如要查询利华街上所有的闸阔，输入查询项进行模书 重庆大学硕士学位论文糊查询，即可得到符合条件的所有阀门信息，并在管网图上以不同的样式高亮显示查询到的阀门，如图6．6所示。6．4管网统计功能的实现管网统计是根据需要对满足某些条件的管段、节点、阀门等信息进行统计，并以报表的形式输出。该系统的统计功能实质上是查询的延续，是在查询的基础上进行的。如要统计满足某些条件的管网信息，则在查询对话框中输入查询条件，首先查询到所有满足条件的管网信息并在属性框中列表显示，然后点击属性框上的“统计报表”按钮，则查询到的结果输出到excel进行统计，导出成excel是通过Java语言调用JavaExcelAPI来实现的，统计的报表不仅可以以电子的格式进行保存和传输，而且可以打印输出形成纸质文档，如对上节管段查询的结果进行统计，生成报表导入excel如图67所示，报表前两项管材、埋设年代为查询条件，往后依次是查询到的各属性项。对上节阀门查询的结果进行统计报表输出如图68所示。留露黑舞黑等强塑一*F⋯⋯⋯mE《1⋯&1105⋯0】4"凸【：曼垦崮图6．5管段查询Fig6．5Inquiryofpipes睁。一一；；；一I。 0·E¨·⋯⋯·～，·，，一^⋯m⋯●⋯v⋯～t·-“口⋯，l《目一⋯’⋯’图6．6阀门查询Fig6．6inquiryofvalves口d目⋯q·o÷·o蛳●⋯·。图67管段统计报表Fi96．7Pipesstatistics 重庆太学硕士学位论文⋯-目¨’●，⋯1⋯“vl‘rx，蠢嘉孑竺』兰÷。⋯．：～。。■口口日耐t啊珊∞fD．’=髓t】。孙，‘刮9善：7釜曼。芸裂：兰羔，8lj鼯蟊口}⋯⋯⋯lM“-‘⋯F■0l2⋯∞M71l瑟口⋯⋯E■IHf*ⅡmPE*”■f}”，：：啤擎墨需‘圈az—iiF—————rz暮。，嚣H⋯⋯⋯：m臻；}勰：：『IM％4*：^l蜥W⋯I!『；垂葺；盂嘲L爿K垆!_』a=日0om¨·t⋯图6．8阀门统计报表Fi96．8Valvessm删cs6．5管网编辑功能的实现管网编辑功能主要是对管网图形信息和属性数据进行添加、删除操作。用户可以根据需要任意地标点、画线来实现管网图形的绘制，并对新画的管线、节点等赋予其属性信息，在网页上画点、线、面是通过VML(VectorMarkupLanguage)矢量标记语言来实现的。绘制的管网及属性信息将由A{ax层提取并通过WFS—T发送给Geoserver，再由Ggosel"Ve[提交到数据库。对管网空间信息进行删除操作时，属性数据自动删除，管网拓扑关系自动变更。管网编辑功能可以分别实现管段、节点、阀门、水表、消火栓等管网要素的添加和删除，编辑功能的划分如图6．9所示。对新绘制的管网要素添加属性是通过属性输入对话框实现的，如图610所示，在清水街新添加一段管道，双击该管段弹出管段属性对话框，输入相应属性信息并点击“提交”，则属性信息提交到数据库中。管网编辑功能还可以删除管网要素。在图面上删除时，由于图形信息与属性信息的关联性，数据库中的属性信息自动删除。 圉6．9管阿编辑功能图Fig6．9FunctionchartofpipelineeditorEEⅥ，，．⋯⋯w，⋯t^”z■⋯⋯‘⋯o⋯⋯t∞，“口_一f*0L_!j∞·。m”一一—乓一三一一一；R鼍离—--__-_a囊一一一。倍z爿一I—d———一圈610添加管段Fi9610Addpipe]兰型『叉。y＼：6．6几何量算功能的实现几何量算功能可以方便的测量管网要素的长度以及某区域的面积，为管网信息的查询和管理提供了方便。6．6．1长度测量长度钡0量是利用PostGlS提供的Lenth(geometry)函数来实现的，运用两点间距离公式逐次计算每个线段，累计求出待测量的折线路径的长度。选择要测量的管段，系统用WMSGetFeatruelnfo操作查询管段各顶点对应的地理坐标，然后将地理坐标发送到服务器端程序，调用PostGlS的Lenth函数计算出该路径的长度。返一≥、兰于A≤艚一一一霉． 重庆大学硕士学位论文回客户端，最后Ajax引擎接收结果，将路径长度信息显示在弹出对话框中，图6．是测距结果。图611长度测量Fig611McagⅡ∞盯noflmgtll6．6．2面积测量面积测量与长度测量的实现大致相同，区别在于求解的计算方法，多边形的面积测量用拆分三角形法，该功能的实现是采用PostGIS提供的Area(geometry)函数，其客户端与服务器端程序以及调用PostGIS函数的过程与长度测量的基本一致，同样也是利用WMS的getFeaturelnfo操作。由于可以测量任意形状的多边形面积，因此通过绘制供水范围线，可以粗略计算管网的供水范围。如图6．12所示，绘制覆盖整个管网的多边形．粗略测出其供水管网的服务面积。 !墨堑堕星旦量堡里一一‘m‘f$。：；《|⋯，‘541⋯}‘】J。1t‘￡。"E-_Ⅲ一^3咐⋯二fi■⋯“t’：。p●T+口书!_=。i』aoRo．n·⋯图6．12面积涮量Fi9612Measurtmmatofarea6．7缓冲区分析的实现缓冲区的实现是用户输入缓冲半径并点击待缓冲的点或线段，Ajax层截获缓冲半径及点、线信息，将其发送到WPS服务器．WPS服务器利用缓冲区算法程序计算出缓冲多边形并返回结果，由Ajax层接收返回数据，将其绘制在地图上，并可进一步由此缓冲多边形查询该区域内的其他要素信息。点缓冲区是基于步进拟合的圆弧拟合法来实现的，如图613所示，输入缓冲宽度为5，点击生成点的缓冲区。线缓冲区采用角平分线法，其实质是对线状目标上的点逐点求其缓冲点的过程。其实现流程如图614所示。线缓冲区的实现如图615所示，输入缓冲宽度3，点击生成线缓冲区。 重庆大学硕士学位论文二j’o!”』∞』M“——’⋯9⋯⋯⋯⋯∞～口☆目⋯咄-《日㈣一·Ⅲ’图613点的缓冲区Fi9613Bufferofpoint图614线缓冲区生成流程图Fi9614Flowc‰jnoffinebufferanalysis“ !墨堑塑堡旦量塞墨o，目⋯，‰⋯⋯w·。⋯p⋯⋯⋯u⋯b∞^·-oEt一!‘n≈LiJ自q。肌】’曹＼一一一々；一产三二。8．j--‘≮一二≥≥一k一蔓彩_9一。，一一一寸一一一≮j一一T一一_一一fii6．8断面分析的实现在该系统中．断面分析的实现是利用断面分析的原理方法计算出断面坐标，然后通过VML(VectorMarkupLanguage矢量标记语言)来绘制生成断面图，用对象来作为VML图的容器，把图表作为一个整体来处理，VML的坐标系用CoordSize属性来定义，用CoordOrig属性设置VML的圆点坐标。如表示横纵坐标被分成了2800个点，可用的坐标范围是x(．1400到1400)y(．1400到1400)，定义的坐标只是相对的，真正显示的图形大小还需要s睁le=”width：500；hei曲t：500”来定义。纵断面图用(圆)对象来绘制。6．8．1横断面实现横断面分析是在管网图上任意绘制一条横截线，找出此横截线与管段的交点，对此交点所在的横断面进行分析。通过数据库中各属性之间的关联查询出管段的两个端点，然后用线性内插法求出交点的地面标高、埋深、管内底标高、管顶标高等信息，通过VML的(0val>(圆形)对象绘制横断面图，并在图下方对应生成横断面信息。系统在生成横断面图的同时生成其属性信息。实现了图形属性的统一， 重庆大学硕士学位论文更加直观、准确地显示出管线和地面间的空间位置关系。横断面分析流程图如图6．16所示。供水管线的横断面分析功能实现如图6．17所示，在管网图上任意绘制～条横截线与管段相交，点击“断面分析一横断面分析"功能菜单，弹出横断面分析信息框，显示该交点的横断面图，并相应列出其属性信息。6．8．2纵断面实现纵断面指沿管线走向所作的断面图。根据系统管段的划分，每一条管段坡度、管径、管材均不变，因此只需知道管段起点和终点的X坐标、Y坐标、地面标高、埋深以及管段的管内底标高、坡度、平面距离等信息即可进行纵断面分析。管段起点和终点的X坐标、Y坐标、地面标高、埋深可以从数据库表中获取，管段的管内底标高、坡度、平面距离可以通过计算得出，通过VML的对象绘制纵断面图，并在图下方对应生成其属性信息。实现了图形属性的统一，更加直观、准确地显示出管线走向和坡度，及与地面间的空间位置关系。纵断面分析流程如图6．18所示。纵断面实现如图6．19所示，选择管网图上某条管段，点击“断面分析一纵断面分析"功能按钮，弹出纵断面分析信息框，显示该管段的纵断面图，并相应列出其属性信息。画横截线与管段相交、之乡确定交点位置坐标及管段两个端点坐标<多数据库表中查找端点相关信息之乡线性内插法求出交点相关信息JL＼／将交点的地图坐标转换成新坐标之乡通过VML的对象绘制横断面图t之多≤横断面图揣吵图6．16横断面分析流程Fig6．16Flowchartofcross-sectionalanalysis 6系统的应用与实现j、-1Fm一⋯rr，，Yr^，#*⋯∞⋯⋯～⋯4’．。Em⋯{^0Bt二t!t邛；’图6．17横断面实现Fig6．17Realizationofcross-§％60ⅡⅢanalysisi确定进行纵断面分析的瞥段x!与『数据库表中查找管段厦端点相关信息1：—j7通过已知信息计算瞥段坡度I和水平距离Dd多I将地图坐标转化成新坐标l<>通过Ⅵ札的呷oⅡlirlp对象绘制菇l断面囤圈618纵断面分析流程Fi9618Flowchartofprofileanalysis 重庆大学硕士学位论文目-‘1P，m～⋯-}-，t·f^Fz*州⋯㈣∞州*∞图6．19纵断面实现Fig6．19Re丑lizafionofprofilemulysis6．9爆管分析的实现基于邻接表的存储结构建立管网要素间的拓扑关系，采用深度优先遍历的搜索算法，实现爆管事故状态下的关阀搜索，得出爆管事故状态下的最优关阀方案和受影响管段。通过JAVA语言编写Servlct。最终部署在WPS服务器端实现了爆管分析功能。以下是爆管分析的应用实例，当平安中街红色点所示处发生爆管事故时，用户只要在管网图上标识爆管位置，系统将会发送WFS请求，查询到相应的坐标信息，再发送WP$请求，调用关阀分析处理算法，就可以查找到需要关闭的阀门，显示并统计受影响的管段和最优的关阀方案。爆管管段和停水管段在图上高亮显示，关闭的阀门在图上以不同的图标高亮显示。如图620、621、622所月i。 6系统的应用与实现罔620爆管管段Fig620B毗stingpipe⋯⋯⋯⋯∞Ⅻb∞w“日⋯#b·o_-FMom。自-图62l停水管段信息Fig6．2Ilnfo丌natlonofinfluencedpipe 重庆太学硕士学位论文o·￡m，m—m⋯m．，v～一tn⋯⋯■⋯⋯^⋯≈*‘。。日Ⅲ一5jn‘l1，一Ei口’肌1”2等——a却ao’Ⅲr⋯’m’圈622最优关阀信息Fi9622InformationoflheoptimalvalveclOsmg6．10本章小结本章以实际工程为例，实现了基于openGIS的供水管网地理信息系统的应用。详细介绍了系统界面及各个功能的实现方法。系统界面的设计考虑了用户操作习惯，使得界面总体布局合理；查询功能实现了空间信息和属性信息的双向查询，并能够将查询结果导出到excel表格进行统计输出；管网编辑能够对管网信息进行添加、删除操作，使得管网改扩建信息的变更更加方便；几何量算功能能够对任意管段的长度及区域面积进行测量；缓冲区分析功能实现了对任意点、线的缓冲区操作：断面分析能够显示横断面和纵断面图，实现了对管线的可视化管理；爆管分析实现了最优的关阀方案及受影响管段的分析。睁ai三壬E毫呈臣ll口 7结论与展望7．1结论本课题将PostGIS、Geoserver、Tomcat等开源软件相结合，遵循OpenGIS统一规范，综合了Web技术和GIS技术两方面的优点，建立了基于OpenGIS的供水管网地理信息系统。该系统把供水企业的各种信息有效结合在一起，易于管理复杂的空间数据和属性数据，将庞大、不断更新的管网数据纳入到数据库管理系统中，保证管网信息的有序化管理。提高了供水企业对供水管网管理的现代化水平，为社会公众提供了更为方便的供水信息服务。本系统在研究过程中，借鉴了很多成熟系统的优点，同时又有自己的创新和优势：①系统客户端只需要安装IE、Firfox等通用的Web浏览器就能访问，使得用户操作更加简单，可以通过intemet实现网络上的供水管网信息的在线查询、处理及分析，数据更新与数据库的更新保持同步，实现了供水管网信息的规范化、网络化管理。②管网网络拓扑关系的建立，不拘泥于传统的管线概念，而是将两个点要素(可能是阀门、三通、四通、水表等)之间的管线视为管段，建立点和线之间的邻接关系表，这样的管线划分有利于爆管事故下的关阀搜索分析。爆管分析以邻接表的存储结构为基础，采用深度优先的搜索算法，避免了陷入死循环，关阀分析的速度更加快捷。③系统的构建遵循OpenGIS系列规范，能够实现不同数据和处理方法间的透明访问，不必拘泥于服务器端的软件和操作系统，有利于数据共享，真正实现了平台的独立性。系统模块之间是松耦合的关系，有利于系统功能的扩展。④系统的建立选用免费的开源软件，与众多商用的供水管网GIS软件相比，降低了系统的开发成本。7．2展望基于OpenGIS规范建立面向大众的、社会化的供水管网WebGIS是一个新的研究领域，系统的建立涉及多种技术和学科，由于本人水平有限及时间的限制，该系统存在很多不足之处，我们仍需进一步研究，不断完善供水管网系统的功能，有效地保障供水企业的经济效益和社会效益。系统在以下几个方面有待进一步深入研究：7l 重庆大学硕士学位论文①系统的构建选用的是免费的开源软件，虽然大大降低了开发成本，但是由于技术及功能方面的限制还不利于大型的商业应用。且系统在功能设计、数据整理方面都进行了一定的简化，系统的适用性需要进一步完善。②该系统只涉及供水管网的静态数据，建立完善的管网动态数据库，对管网进行适时的水力模拟、水压、水量预测、综合优化调度等，管网GIS系统与SCADA系统、水利模型系统、优化调度系统、营业收费系统结合起来进行集约化管理，使得供水管网地理信息系统更加专业化地为供水行业服务，是今后供水管网地理信息系统研究的重点。③供水管网只是城市管线的一部分，今后城市地下管线的管理将更加注重各个行业横向的信息共享。地下电力管线、通信管线、热力管线，自来水管线、燃气管线等等，组成了城市复杂的地下管网系统。所以，地下供水管线的信息化建设还应与市政、交通、电力、通信等其他部门协作，利用更加先进的技术来整合这些资源，建立整个地下管网的综合信息管理系统，以促进城市的信息化进程，加快数字城市的建设。 致谢感谢我的导师王圃教授对我的精心指导和严格要求，论文的每一个阶段都倾注着导师的辛勤汗水和心血。导师渊博的学识、丰富的实践经验、严谨的治学态度、科学的工作方法、朴素的生活作风使我深受启迪，是我终身学习的楷模。在此，谨向王老师表示忠心的感谢和崇高的敬意!感谢我的同门及师兄、师弟们在学习和生活中的帮助、鼓励和支持，在此表示深深的谢意!感谢家人多年来对我生活上的关怀和学业上的支持，亲人的爱我将永远铭记在心!感谢所有在这三年中给予我鼓励、帮助和支持的老师、长辈和朋友们!最后，向百忙之中评审本论文的各位专家和答辩委员表示衷心的感谢!王利梅二00九年四月于重庆 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