基于mapxtreme的城市供水管网信息管理系统的设计与实现 91页

'同济大学电子与信息工程学院硕士学位论文基于MapXtreme的城市供水管网信息管理系统的设计与实现姓名：刘冠华申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：王坚;凌卫清20080301 摘要传统城市供水管网管理方式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，造成极大的水资源浪费。地理信息系统(GIS)是利用现代计算机技术和数据库技术来输入、存储、处理、显示和输出空间信息及其属性数据的计算机系统。本课题研究的主要内容是在通用的软件开发平台上，如何利用GIS组件和数据库技术，建立一个基于MapXtreme的城市供水管网信息管理系统，以帮助乐清供水总公司提高公司的管理水平及经济、社会效益。城市供水管网信息管理系统的主要作用是为供水管网的维护和修理提供详细的、准确的管网信息，通过图形化的界面和各种搜索功能使管网的各种信息都可以轻松获取。文章对供水管网信息管理系统的系统设计进行了讨论，分析了供水管网模型和对供水管网信息管理系统的需求。并从设计目标、系统模块、网络结构和软硬件配置等方面，对系统的总体设计进行了讨论，确定了系统所需的模块及其功能，以及空间数据库与属性数据库中的表结构。实现了管网建模、数据查询与分析、用户信息管理等功能，使管网图形库、属性数据库融为一体，不仅图文并茂、准确高效，而且易于动态更新，从而大大提高了管网管理工作的效率和质量，可以为城市市政设施的管理、养护、规划、提供直观的，有效的管理手段，及时提供准确的设施现状，提供高效的设施档案和设施维护状态的管理。关键词：GIS，供水管网，MapXtreme，供水管网模型，数据库 AbstractABSTRACTThetraditionalmunicipalwatersupplynetworkmanagementcannotrealizethereal-time,effective，reasonableandoptimizedconfigurationandcontroltothedistributionandutilizationofwaterresourceandresultinvastwasteofwaterresouroe．GeographicInformationSystem(GIS)isacomputersystemwhichUSeSthemodemcomputerscienceanddatabasetechnologytoinput，save，handle，displayandoutputthespatialinformationandattributesdata．111emaincontentsthatwehavestudiedinthissubjectis，howtomakinguseofGISmoduleanddatabasetechnology,toestablishamanagementinformationsystemforurbanwaterdistributionnetworkwhichisbasedonMapXtremeinauniversalsoftwaredevelopmentplatform，tohelpYueQingWaterSupplyCorporationimprove也eirmanagement．Themainfunctionofmanagementinformationsystemforurbanwaterdistributionnetworkistoofferdetailed，accuratewatersupplynetworkinformationformaintenanceandrepairofthewatersupplynetwork,toeasilyobtainvariouskindsofinformationofthewatersupplynetworkthroughthefigureandvariouskindsoffunctionsofsearch．Thearticlediscussedthesystemdesignofthemanagementinformationsystemforurbanwaterdistributionnetwork,analyzedthewatersupplynetworkmodelandthedemandofthissystem．Thearticlediscussedalsothewholedesignofthemanagementinformationsystemforurbanwaterdistributionnetworkfromthedesigntarget,systemmodule,networkstrtleture,configurationofthesofhvareandhardware．Itdeterminedthemoduleandthefunctionofthesystem,andthetablestructureinthespatialdatabaseandattributedatabase．砀esystemhaseffectthewatersupplynetworkspatialdatamanagement,dataqueryandanalysis，userinformationmanagementfunctions．Thespatialdataandattributedataa坞inperfectunion．Notonlyworktogether,butalsoeasilyupdateddynamically．Sothesystemcanimprovetheefficiencyandqualityofthewatersupplynetworkmanagementremarkablyandgivethedirectandeffectivemanagementformanaging,maintaining,andplanningofthemunicipalfacilities．KeyWords：GIS，WaterSupplyNetwork,MapXtreme,Model，DatabaseⅡ 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：魁冠华2刃易年3月夕日 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。学位论文作者签名瓣Z加寥年彦月步日经指导教师同意，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 第1章概述1．1研究背景水是人类生存必不可少的资源，人体有2／3是水，皮肤甚至可以达到70％，人可以不吃食物存活一个月，但没有水却只能活5．7天。人类文明的发样地无不与著名的河流相伴而生，正是因为有了水，人类才得以不断繁衍和发展。随着时光的迁移和社会的更替，人类用水、管水也在发生翻天覆地的变化。1832年世界上第一个过滤水厂在苏格兰Paisley市投产，拉开了近代供水工业飞速发展的序幕【l】。科学技术的发展，使得水科学与经济学、法学、社会学、规划管理学、工程物理与化学、生态学、微生物学、流体力学、水质公共卫生学、环境学、工程力学、工程机械与材料学、运筹学、计算机基础与应用等科学进一步融合与发展，使得供水工业的发展日新月异。特别是计算机、信息、自动化等技术在供水管理中的广泛应用，使得供水管理更加合理完善。作为供水管理的载体和实施者，供水企业担负人民生活生命线管理重任，其管理水平直接影响着经济和社会的发展，所以各国供水企业都在不遗余力提高管理效率，改进管理水平，发展壮大自己的基础设施。运用现代信息技术改造和提升供水管网管理，将信息化和工业化结合，进一步过渡到现代化，在较短的时间内实现跨越式发展，是符合我国国情的一条发展之路。由于信息技术的广泛应用，企业产生了大量的异构、非完整的冗余数据，过去为信息匾乏而苦恼的决策、管理和技术人员突然不得不应对“信息爆炸一。于是，人们提出了信息集成的概念，试图将分割的信息源(或称自动化孤岛)有机地连接起来。信息集成的初始目的仅仅是为了避免重复的数据输入输出，以及快速获取正确的数据。然而，集成逐渐地从技术内涵扩展到哲学认识论的高度，被赋予了一种哲理内涵：综合地考虑一个系统的全部要素及其联系，并体现整体的系统观。因此，综合利用管理技术、自动化技术和信息技术加快改革步伐，彻底改变原有的管理模式，提高供水管网管理质量、降低成本和改善服务，不断提高企业的自我适应能力。即基于信息技术的先进管理体系与生产技术的融合成为供水企业发展的关键所在，是实现供水企业现代化管理的重要保证。 第1章概述城市供水管网错综复杂，且具有复杂的空间和属性信息。随着城市化的不断发展，自来水公司业务迅速增长，其管线、节点、阀门、水表、用户、地形、原始档案等数据的管理越来越复杂。在传统工作方式中，城市供水管网信息一般采用图纸和图表描述(例如施工和竣工资料图表)，采用人工管理。长期以来，在管网资料的管理方面一直沿用这种做法。各种图档资料的不齐全使自来水公司在管理这样一个庞大的管网时感到力不从心。同时，供水输配调度缺乏依据，遇到紧急情况无法及时得知有关信息，采取相应措施。因大规模市政建设而日益变化的参考建筑，使有些管网资料失去了其原有的价值，设备管理相当困难，管网设计也很难优化。利用地理信息系统(GeographicInformationSystem，GIS)建立城市供水管网信息管理系统已成为提高城市供水管理水平的必然趋势。当前我国供水企业大部分在红红火火的搞信息建设，信息建设层次不齐，缺乏统一的行业规划，没有一个可以参考、成熟的信息建设模型，缺少整体网络管理平台，缺少一个统一的信息管理平台。另外，由于现有工程实用软件很少有基于以上观点开发的。所以现在研究供水管网的信息集成模型，建构供水管网信息化管理框架，以及研发基于信息集成理论的工程实用软件，已恰逢其时。1．2研究现状1．2．1国内外发展状况国内外一些研究者普遍认为，利用GIS技术，建立城市管网信息系统是一条有效的途径。目前发达国家己将城市管网信息系统作为城市的基础设施之一，用于城市动态管理和规划发展，并将它作为对城市重大问题和突发性事件进行科学决策的现代化手段[21。一些发达国家，甚至一些发展中国家，对管网的管理都比较重视，手段先进。比如英国是比较早实现城市现代化的国家，煤气管道、供水管道、排水管道和地下电缆铺设的较早，也较早地进入到现代化管理方式。还有法国巴黎市政府1988年即开始建设城市地下管线管理的GIS系统，主要用于协调城市规划和管理部门的合作。作为发展中国家的泰国。于1989年9月即完成了覆盖曼谷市20平方公里地区的地下管网信息系统的试验项目【31。近几年来，不仅城市综合管网信息系统进展很快，而且各种专业管网信息2 第1章概述系统也有了较大的发展。国外自来水行业采用计算机信息管理己比较普遍。一般都在小型机或工作站上完成，系统的投入较大。一些发达国家在GIS的发展上已取得很大进展，许多城市已建立供水管网GIS，并且己进入专业化应用与商品化生产阶段。国内供水管网的研究自七十年代就在个别高校展开了，但多为适用于供水系统设计的平差理论，对供水管网系统的建模研究尚少。在供水系统优化调度研究方面采用了宏观模型，即抓住供水调度的几个主要变量如各水厂供水压力、供水量以及各压力监测点的压力等，在运行纪录的基础上，利用统计分析的方法，建立各变量的关系式，来模拟供水系统的运行。这种方法克服了用微观模型方法所面临的基础数据缺乏或不准确、计算复杂且误差较大的缺点。其主要问题是不能反映管网的工作状态，并且宏观模型没有进行管网的工况分析研究，在实际应用中不够理想。八十年代末，国内一些专家、学者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及应用的研究工作，至今绝大多数城市的供水企业都在各个环节中逐步引进了计算机的辅助管理，对生产起到了良好的促进作用。但是以单台计算机应用居多，如今已建立的广州市供水管网管理系统、成都市供水管网运行管理系统、南京市自来水供水管网管理系统都属于信息管理系统与简单平差计算的综合，离建模还有一定的差距。上海和北京自来水公司于1996""．一1998年先后与英国咨询公司合作建立供水控制模型，率先建立起供水控制模型，使得供水系统的计算机管理水平上升到一个新阶段。哈尔滨工业大学与英国DeMonffort大学合作，于1998年由英国皇家学会基金和文化教育委员会资助，开展了“中国大城市供水监控"项目研究。到本世纪初，大庆、郑州、哈尔滨、赤峰、烟台、天津、大连、佛山、江门、肇庆、绍兴等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【4Ⅱ5】。由于我国水资源的严重短缺和供水工业的蓬勃发展，节约用水、提高水资源的利用率及提高供水管理水平成为急待解决的问题。建设数字城市已列入我国发展重点，是当前世界高科技热点之一。综合运用多媒体计算机技术、3S技术(遥感：RemoteSensing，地理信息系统：GeographicalInformationSystem，全球定位系统：GlobalPositionSystem)等理论体系和高新科技的数字化技术，重新组织信息，建立适应现代化发展的数字化供水管网信息管理系统日益引起 第1章概述重视【6】。1．2．2供水管网信息建设及应用软件现状1．2．2．1供水管网管理现代化要求供水管网是一个复杂的系统，复杂问题的求解一般不能只限于某一层面，需要统一考虑，需要不同层次和不同方法的结合才能取得满意的效果。综合集成、综合管控是一种可行的和有效的解决方案。因此，需要建立供水管网的信息管理综合集成的框架和信息技术平台支持企业内部和企业之间的集成。供水管网管理的现代集成要求如下：(1)强调系统分析和建模供水行业有形式各异的具体系统，但总体都是为了更优质、更安全的保障用户用水的要求，为此需要对系统进行分析，因而系统的建模总是很重要的。(2)强调集成和优化·系统强调总体，单元技术强调局部。集成需要供水管网的系统建模，需要解决信息集成在异构环境下的关键技术。因此系统技术、网络、数据库技术在供水企业中应受到重视。另一方面，系统集成仅仅是构成系统的必要前提，因此系统的优化是十分自然的。信息集成便是集成优化概念下的具体实现。(3)强调协同供水企业既重视其组成，更强调相互之间的协同，供水管网管理强调多学科的协同，不排斥任何其他学科，在实践中把系统科学、计算机科学、机械科学、管理科学、经济学等发展的内容融于其中，相互促进，协调发展。1．2．2．2供水管网信息管理现状正如开篇所述：基于信息技术的先进管理体系与生产技术的融合成为供水企业发展的关键所在，是实现供水管网现代化管理的重要保证。信息技术是供水管网实现现代管理的基础，信息系统的建设在很大程度上影响着供水管网整体管理水平的高低。全国各自来水公司自从九十年代初就不同程度地开始致力于信息系统的建设。在长期的探索、开发和应用过程中，积累了丰富的建设经验，供水管网信息化水平不断提高。这些系统已得到长期的应用实践，己经成为了供水管网管4 第1章概述理工作中不可缺少的工具。但我国供水企业也存在着以下的问题：(1)各企业和科研单位把过多的精力放在改善水质上，企业的体制、机构和人才与信息化的建设的要求不相适应，现代化管理思想没有充分得到发挥。信息化建设只是完成传统的业务流程管理，没有充分发挥信息化带动供水管网管理现代化的目的，无法适应现代化的要求。(2)信息建设层次不齐，缺乏统一的行业规划，没有一个可以参考、成熟的信息集成模型，缺少整体网络管理平台，缺少一个管网信息统一管理平台。(3)部分计算机系统己老化，己经无法适应信息系统等大规模数据操作，需更新改造。(4)信息系统安全机制薄弱。以上问题反映深层的问题就是缺乏科学合理的信息集成模型，在信息系统建设上具有盲目性，所以，我国供水管网管理迫切需要一个信息集成的模型。信息集成是异构环境下的信息集成，包括了协议的共存与交换，异种数据库的数据共享，应用软件的数据交换等。信息集成是各种优化策略和企业综合自动化的基础。通过信息集成使得国内外供水企业的管理与关注的问题(水质、单耗、漏损、服务)得到统一发展成为可能。另外，信息集成的集成平台是一个软件平台，对下支持异构的信息环境，对上实现集成的应用软件总线，即各种应用软件可以方便地“插入"，以有效地实现信息集成，开发者可以根据用户的需求，对各应用软件进行恰当的组合和裁剪，既保证了质量，又可以把主要精力放在应用软件的二次开发上。1．2．2．3应用软件现状在分析了供水管网信息建设现状之后，分析一下国内外供水管网应用软件的现状。城市供水管网管理软件开发已经经历了近30年的历史，从管网平差计算到供水系统信息化、运行与管理自动化，形成多种类型、多种版本、各具特色的软件系列。国内外软件市场规模不断扩大，需求日益增长。下面对几个国内应用较多的软件系统进行功能评价【7一ol。(1)7512计算程序该软件是同济大学70年代开发的供水管网水力计算程序，到目前为止，仍是国内广泛应用的软件技术之一。该软件系统只具有管网的平差计算的功能，并且采用数据文件输入技术，不具有界面功能，随着计算机软件市场的不断丰5 第1章概述富，现已逐步走向淘汰。(2)世行赠送分析软件世界银行曾在80年代末赠送我国一套供水管网分析软件，并对国内大多数设计单位和自来水公司进行过大范围的技术培训。该软件曾在国内自来水公司广泛使用，同7512计算程序的命运一样，由于只有平差的功能，不具有管理和界面功能，也己逐步走向淘汰。(3)EPANE一11】该软件是美国环境保护署开发的一个集供水管网的平差设计计算、拟稳态水力模拟和水质模拟为一体的软件系统。EPANET是一个在DOS平台下开发的系统，可以移植到啪0WS下运行。其优点是运行速度快、可以实现水力和水质模拟，对计算结果以报表的形式迅速给予反应。但界面设计一般，采用数据文件输入、输出格式，并且需要固定格式收集数据，使用户的输入工作量增大，不易于实时修改。以示意图的形式进行图形表达，只适用于对用户进行供水管网软件应用的技术训练，不可能进行实际设计与管理。(4)H20NET该软件是美国MW软件公司开发的供水管网管理软件，功能有管网系统的平差计算、水力和水质模拟、CAD和GIS功能。H20NET是以AutoCADForWindows为工作平台，具有界面友好、管理方便的特点，并且具有与EPANET及GIS平台接口的功能。其优点是运行速度快，管理功能强，可以及时以图表的形式给出管网运行状态，适用于供水管网的运行管理。缺点是采用数据文件输入法，但数据的扩展性和共享性差。(5)WATNET该软件具有与EPANET和H20NET相同的功能及优缺点，这也可以说是不同的软件公司之间的重复开发。(6)8M是美国AMPAC集团公司开发的供水系统综合管理软件，具有8个模块，Rpz个方面的功能：地理信息系统、管网基础资料管理系统、自来水用户管理系统、管网运行现状分析管理系统、管网水质管理系统、水源水泵调度管理系统、管网紧急事故处理管理系统和管网的改扩建规划管理系统。可以说8M包括了供水管网系统所应具有的全部功能，尤其是在管网运行现状分析系统中，采用模型自动校核的技术和专家系统自学习的方法，使管网系6 第1章概述统在运行一段时间后，可以模拟管网的运行状态。基于以上优点，8M适用于自来水公司的管理，但模型相对粗糙，各系统相对独立，在表现力上、数据共享性上差，另外，不能满足当今数字城市等新要求。(7)SynerGEEWater3．0f12】SynerGEEWater3．0forWindows95andWindoWSNT是目前最先进的商业化管网模拟和管理应用专业化软件包。SynerGEE产品由六个模块组成：水力水质模拟模块、供水分区隔离模拟模块、子系统管理模块、在线模拟模块、设备管理模块、用户管理模块。SynerGEEWater3．0在图形管理方面功能比较齐全，充分运用微软公司的标准和基于视窗的控件，在图形功能及数据库管理方面都有较大改善。但管理范围内容不及8M齐全。(8)WaterCADll31WaterCAD是HaestadMethodsInc．推出的一个功能很先进的供水管网图形信息系统及模拟软件。HaestadMethodsInc．的软件在一定程度上处于供水排水专业软件的领先地位，包括面向对象的编程和与外部程序的连接，例如数据库和GIS系统。WaterCAD软件具有建模方案管理、管网水力水质模拟分析、消防流量分析等功能，另外还有强大的图形管理功能。WaterCAD支持多种数据格式，兼容性强．但管理范围内容不及8M齐全，仅能实现供水企业部分管理功能。(9)同济宏扬【14J同济宏扬系列软件：由上海同济宏扬软件有限公司开发，该公司依托同济大学，主要从事城市供水排水软件开发和研究。该套软件包括五个部分：供水管网模拟软件、供水管网模拟软件(设计、规划版)、供水管网优化调度软件、管网GIS、供水管网节点流量计算软件。该软件系统功能相对完整，可以应用于设计、运行、管理等各方面，经过了实践考验，占有一定的市场。但各专用软件包之间相对独立，重复开发严重，如GIS系统，管网模拟中有此内容，另外又有独立的GIS系统，未能实现供水专业技术与GIS的完美整合。∞国内其它专业软件WOC,由同济大学环境科学与工程学院王荣和教授开发，具有管网CAD表达、多工况优化设计和拟稳态水力模拟功能。该软件侧重于给水设计。WNW,-给水管网信息管理与分析系统，由哈尔滨工业大学给排水系统研究室开发。用于城市供水管网的信息管理、管网运行工况模拟计算和分析、管7 第1章概述网事故分析处理、管网改、扩建优化设计等的综合软件包。针对具体工程开发相应的调度软件和管理系统，收到了良好的经济效益。深圳自来水公司与南京理工大学共同研制的“城市供水管网计算机图形管理系统"于1994年通过了建设部组织的技术鉴定。该软件采用UNIX操作系统，由C和FORTRAN混合编程。该软件的主要功能是对供水管线图形信息的管理。GPGIS：湖南大学土木工程系开发，该系统利用AutoCAD的二次开发技术。该系统的图形操作平台为AutoCADforDOSR12，数据库Foxbase，编程语言AutoLISP和ADS-C。GPGIS分为图形管理子系统、水力计算子系统、数据库管理子系统、管网故障分析子系统四部分。此外还有基于不同的GIS开发平台，开发的供水管网管理信息系统。这些系统具有强大而完备的供水企业图形管理功能，能够实现图形的静态管理。但仍是静态的、相对独立的，不能充分利用各种数据资源。另外，现有的软件针对性差，许多开发功能闲置，各模块之间连接性差。从另一个角度来说，设计和运行不分，单方面开发囊括所有功能的系统，整体内容繁杂，加大用户学习软件的难度，这样降低了软件的实用性。1．3本文的研究意义当前无论是发达国家，还是发展中国家，对供水管网信息的科学管理都是必需的，特别是中、小城市，应尽早采用GIS技术，结合城市的具体条件，为城市管理、规划部门提供有效的管理手段，替代手工管理方式，更方便、迅速地对供水管网信息进行存储、查询、修改、分析，并借助供水管网信息管理系统的空问分析功能为管理者提供辅助性决策依据。本文具体的研究意义表现在以下几个方面：(1)提高供水管网的管理水平·市政建设和改造需要准确的供水管网图，供水管网的正常维修也需要准确的管网图。但由于多种原因，某些供水管网的设计图、施工图、竣工图以及实际的现状图并不完全一致，给城市的管理和发展带来极大不便。建立城市供水管网信息管理系统有利于为管理部门提供现势性好、数字化的管网资料；可以快速、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，有利于紧急事故的处理，保证管网信息的有序化管理。 第1章概述(2)易于管理复杂的空间数据和属性数据供水管网一般都有复杂的空间数据和属性数据，数据量十分庞大，而且还处于不断更新之中。面对庞大的数据量，仅凭借图纸和记忆来人工管理大量的数据资料是非常困难的。将数据纳入到数据库管理系统中，利用地理信息系统可方便的实现数据浏览、查询、更新等日常数据管理。(3)易于处理突发的爆管事故随着城市规模的扩大，城市的供水管网也越来越庞大，其规划、建设和管理长期以来滞后于城市建设。多数城市历史上没有实行管线竣工测量，许多供水管线的填埋情况复杂、资料不清、现势性不强，有些管线甚至仅凭当时施工工人记忆去寻找，造成诸多设计上的失误和施工中的事故。事故发生后不能及时、迅速制定应急方案是管道破损造成供水损失的重要原因。地理信息系统是一个动态可维护的信息管理系统，新数据的录入可提供现势性供水管网图，避免施工中的事故发生。即使出现了事故。也可及时计算关闭的阀门和停水区域。供水系统在生产生活中的重要性，决定了提高供水管网供水安全、降低事故率、缩短维修周期是加强供水管网全面管理的一个重要课题。随着计算机技术的发展，GIS技术开始大量应用到城市管理中，利用GIS技术建立起供水管网的信息管理系统可以解决传统人工管理的一些弊端，是提高供水企业现代化管理水平的必由之路。建立现代化的供水管网信息管理系统，关键是建立科学的管网模型，将供水行业的专业知识与GIS技术结合起来，从供水专业的角度，将供水管网的网络拓扑结构图形和数据信息录入到计算机中，实现供水管网系统的现代化管理。该系统可以在计算机上实现供水管网的图形信息及数据资料与施工同步更新。简化了供水管网系统的日常管理工作，使工作人员从传统的人工管理图纸及资料的繁重劳动中得以解脱；该系统可以使各部门及时准确地了解生产情况、掌握实时数据，以便进行优化控制，从而实现供水管网运行的科学化、数字化、网络化、智能化、可视化，可以有效地解决供水行业目前存在的一些问题；该系统还可以提供工况分析、优化调度、优化控制、事故分析等功能，改善对铺设予地下的管网情况不明而盲目管理的现状，有重要的经济效益和社会效益，有广阔的发展前景。9 第1章概述1．4本文的主要内容为了满足城市快速发展的需要，城市供水企业近年来不断采用新的技术、新的工艺，用以提高城市的供水能力和服务质量，提高供水管网的管理水平。其中自来水厂监控系统在大多数城市得到广泛应用；SCADA系统被各类供水企业用于供水调度；部分供水企业正在逐步采用GIS技术管理供水管网信息：还有用计算机及网络技术建立营业收费系统和水表管理系统；也有应用预测技术预测需水量、模拟技术建立动态供水管网模型，辅助供水调度。信息技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术等先进技术的应用，的确为供水管网的现代化管理解决了很多的实际问题。但是，我们也应该看到还有很多深层次的问题尚未得到卓有成效的解决，供水管网管理的各个环节是密切关联的，仅在某一环节采用新技术并不能解决所有问题，分离的系统无法实现整个运营的系统性，不能发现系统管理诸因素中的统计规律和相关性，无法辅助决策。因此，要达到供水管网的优化管理，就需要系统分析供水管网的模型，找到每个环节的相关性，充分利用系统的数据资源，构造科学合理的管理系统。通过以上分析比较，我们不难看出现有供水管网缺乏符合自身特点、管理要求和发展需要的技术模型，本文所做的主要工作包括：(1)集成现有成熟技术，构建基于供水管网管理调度的信息集成框架模型，进一步整合现有的包括GIS资源在内的各项资源；(2)建立供水管网模型，实现管网建模、状态监控、生产调度、事故分析、GIS的紧密融合；(3)实现供水管网空间数据、属性数据、动态数据的科学管理，建立基于Internet／Intranet应用的开放、动态的数据库。本文内容章节安排如图1．1所示。10 第1章概述地理信息系统及系统开发技术概述供水管网模型与网络分析城市供水管网信息管理系统的设计与实现—C>图1．1论文内容章节流程图 第2章地理信息系统及系统开发技术概述2．1地理信息系统技术地理信息系统(GeographicInformationSystem)是一门多学科综合的边缘学科，其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析【15‘1引。但通用GIS的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型，而GIS成功应用于专门领域的关键在于建立该领域特有的空间分析模型。2．1．1GIS概述GIS是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，具有以下三个方面的特征：(1)具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；(2)以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息；(3)由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。如何理解GIS?从字面的意义讲，“地理"意味着数据项在空间的位置，它可以是已知的(如地理经纬度)，也可以经计算获得(如经地图投影变换后得到的大地坐标)。绝大多数的GIS，主要处理二维空间数据，但也有一些针对特别问题的系统在处理三维，这在地质学和海洋学等学科上最为突出。口信息"意味着GIS中的数据经过加工所生产出的有用知识，这些知识既可通过图形、图像的形式表达，也可以统计图、表格和各种各样的人机交互形式来表达。材系统"意味着GIS是有一系列相互关系和联结而功能又有所不同的部件组合。因此，GIS具有获取、输入、操作、传输、可视化、组合、查询、分析、建模和输出数12 第2章地理信息系统及系统开发技术概述据的能力。从这个意义讲，GIS是用于地理参考数据或地理空间数据的输入、存储、更新、操作、分析和输出的计算机系统，它可为土地利用、自然资源、环境、运输、城市设施和其它管理的规划与管理提供决策支持。通俗地讲，GIS是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影；严格地讲，地理信息系统是反映人们赖以生存的现实世界(资源或环境)的现势与变迁的各空间数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。它是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存储、管理、处理分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。GIS作为支持空间定位信息数字化获取、管理和应用的技术体系，随着计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展，在全国经济信息化进程中的重要性与日俱增特。别是当今“数字地球"概念的提出，使得人们对GIS的重要性有了更深的了解。上世纪九十年代以来，GIS在全球得到了空前迅速的发展，广泛应用于各个领域，产生了巨大的经济和社会效益。事实上，上述的定义是非常技术化的、从九十年代的科学与技术发展的潮流和趋势看，应从三个方面来审视地理信息系统的涵义：(1)GIS是一种计算机技术，这是人们的通常认识。(2)GIS是一种方法，这种方法使人们具有对过去束手无策的大量空间数据进行管理和操作的能力，借助这种能力使人们将上至全球变化、下至区域可持续发展等一系列复杂的问题统一、集成、融合为一体，使人们第一次得以全方位地审视我们这个星球上的每一个现象。(3)GIS是一种思维方式，我们认为，地理信息系统改变了传统的直线式的思维方式，而使人们能够关注与地理现象相关联的周围事件和现象的变化以及这些变化对本体所造成的影响。从这个意义上讲，GIS是人的思想的延伸，正是这种延伸使人们的思维观念发生了根本性的改变。2．1．2GIS应用领域GIS应用领域极为广泛，它把地理位置和相关属性有机结合起来，根据实际需要，准确真实、图文并茂地输出给用户，以满足城市建设、企业管理、各部门对空间信息的要求。GIS的特点使之成为与传统方法迥然不同的解决问题的先13 第2章地理信息系统及系统开发技术概述进手段，GIS目前广泛地应用在各个领域，已渗透到社会的每个角落。它给人类的生活带来了崭新的方式。GIS在城市地下管网资源管理中的应用，将解决地下管网线路资源管理中先进的管理需求与落后的管理手段之间的矛盾，对促进和提高管网资源管理水平，加快城市建设事业和相关企业的发展有重要的意义。另外，GIS在政府工作决策支持、社会公共事业、第三产业中都有极其广泛的应用。可用于地学制图、区域地质调查、矿产资源评价、基础地质研究、环境评价、城市规划、灾害监测、公安侦破、军事指挥、土地调查、地籍管理、市政设施管理等与空间信息有关的众多领域，在林业领域可用于森林防火、资源清查、资源档案管理、造林经营规划、伐区设计、林业规划、林区道路设计、病虫害监测、林业测量等专题内容。2．1．3GIS主要功能由计算机技术和空间数据相结合而产生的GIS这一高新技术，包含了处理地理信息的各种高级功能，但是它的基本功能还是表现在数据的采集、管理、处理、分析和输出上【19】。GIS的基本功能如图2．1所示：图2．1GIS基本功能(椭圆)及其表现(矩形)14 第2章地理信息系统及系统开发技术概述GIS的主要功能包括一般数据管理功能、制图功能、地理数据库的组织与管理、空间查询与空间分析功能和地形分析功能【20】。具体描述如下：(1)一般数据管理功能GIS属空间型数据管理系统，因此它同样应具备一般数据管理系统所具有的数据输入、存储、检索、输出等基本功能。数据输入——即在数据处理系统中，将外部多种来源、多种形式的原始数据(包括空间数据和属性数据)传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。它包括数字化、规范化和数据编码三个方面。数字化包括扫描数字化和手扶跟踪数字化，经过模数变换、坐标变换等将外部的数据转化成系统所能接受格式的数据文件，存入数据库。规范化指对不同比例尺、不同投影坐标系统、统一记录格式，以便在同一基础上工作。而数据编码是根据一定的数据结构和目标属性特征，将数据转换为便于计算机识别和管理的代码或编码字符。数据存储——是将输入的数据以某种格式记录在计算机内部或磁盘、磁带等存储介质上。数据编辑——指系统可以提供修改、增加、删除、更新数据等，一般以人机对话方式实现。数据的操作与处理——为满足用户需求，必须对数据进行一系列的操作运算与处理。主要操作包括坐标变换、投影变换、空间数据压缩、空间数据内插、空间数据类型的转换、图幅边缘匹配、多边型叠加、数据的提取等。主要的运算有算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等。数据显示和结果输出——图形数据的数字化、编辑和操作分析过程、用户查询检索结果等都可以显示在屏幕上。而最终结果输出，除屏幕显示外，可根据用户要求输出到打印机、绘图仪，或者记录在磁带、磁盘上。输出结果可以是数据、表格、报告、统计图、专题图等多种形式。针对不同的外围设备，系统应备有相应的接口支持软件。(2)制图功能这是GIS最重要的一种功能，对多数用户来说也是用得最多最广的一个功能。GIS的综合制图功能包括专题地图制作，在地图上显示出地理要素，并赋予数值范围，同时可以放大缩小以表明不同的细节层次。GIS不仅可以为用户输出15 第2章地理信息系统及系统开发技术概述全要素图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图，以显示不同要素和活动的位置，或有关属性内容。例如，矿产分布图、城市交通图、管网图等。通常这种含有属性信息的专题地图主要有多边形图、线状图、点状图三种基本形式，也可由这几种基本图形综合组成各种形式和内容的专题图。(3)地理数据库的组织与管理功能对于那些将地理位置作为基本变量或记录属性的数据库，GIS可以作为数据库集成和更新的重要工具。进行数据库的组织主要取决于数据输入的形式，以及利用数据库进行查询、分析和结果输出等方式，它包括数据库定义、数据库建立与维护、数据库操作通讯等功能。(4)空间查询与空间分析功能GIS的面向用户的应用功能不仅仅表现在它能提供一些静态的查询、检索数据，更有意义的在于用户可以根据需要建立一个应用分析的模式，通过动态的分析，从而为评价、管理和决策服务。这种分析功能可以在系统操作运算功能的支持下或建立专门的分析软件来实现，如空间信息量测与分析、统计分析、地形分析、网络分析、叠加分析、缓冲分析、决策支持等。系统本身是否具有建立各种应用模型的功能是判别它好坏的重要标志之一，因为这种功能在很大程度上决定了该系统在实际应用中的灵活性和经济效益。空间查询和空间分析——是从GIS目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识，用以回答有关空间关系的查询和应用分析。在拓扑空间查询的操作中，用户将地图当作查询工具，而不仅仅是数据载体。空间目标之间的拓扑关系可以有两类：一种是几何元素的结点、弧段和面块之间的关联关系，用以描述和表达几何元素间的拓扑关系；另一种是GIS中地物之间的空间拓扑关系，可以通过关联关系和位置关系隐含表达，用户需通过特殊的方法查询。这些空间关系主要有以下几项：面与面的关系，如检索与某个面状地物相邻的所有多边形及属性；线与线的关系，如检索与某一主干河相关联的所有支流；点与点的关系，如检索到某点一定距离内的所有点状地物；线与面的关系，如检索某公路所经过的所有县市或某县市内的所有公路；点与线的关系，如某河流上的所有桥梁：点与面的关系，如检索某市所有银行分布点。缓冲区分析——锾冲区用以确定围绕某地要素绘出的定宽地区，以满足一定的分析条件。点的缓冲区是个圆饼，线的缓冲区是个条带状，多边形的缓冲区则是个更大的相似多边形。缓冲区分析是GIS中基本的空间分析功能之一，尤16 第2章地理信息系统及系统开发技术概述其对于建立影响地带是必不可少的。如道路规划中建立缓冲区以确定道路两边若干距离内的土地利用性质。叠加分析——叠加分析提供根据两幅或两幅以上图层在空间上比较地图要素和属性的能力，通常有合成叠加和统计叠加之分，前者是根据两组多边形边界的交点建立具有多重属性的多边形，后者则进行多边形范围的属性特征统计分析。合成叠加得到一张新的叠加图，产生了许多新多边形，每个多边形都具有两种以上的属性。统计叠加的目的是统计一种要素在另一种要素中的分布特征。距离分析及相邻相接分析——距离分析提供了在地图上测量距离的功能，相邻分析确定哪些地图要素与其它要素相接触或相邻，而相接分析则结合距离和相邻分析两者的针对性，提供确定地图要素间邻近或邻接的功能。相邻和相接分析广泛应用于环境规划和影响评价的公共部门。大多数GIS软件目前不能直接进行相邻相接分析，而是通过先建立一定要求的缓冲区，再与其它图形要素进行叠加分析的间接方法解决。(5)地形分析功能通过数字地形模型DTM，以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，再从中内插提取各种地形分析数据，地形分析包括以下内容：等高线分析——等高线图是人们传统上观测地形的主要手段，可以从等高线上精确地获得地形的起伏程度，区域内各部分的高程等。透视图分析——等高线虽然精确，但不够直观，用户往往需要从直观上观察地形的概貌，所以GIS通常具有绘制透视图的功能，有些系统还能在三维空间格网上着色，使图形更为逼真。坡度坡向分析——在DTM中计算坡度和坡向，派生出坡度坡向图供地形分析(如日照分析、土地适宜性分析等)。断面图分析——用户可以在断面图上考察该剖面地形的起伏并计算剖面面积，以便用于工程设计和工程量算。地形表面面积和填挖方体积计算——利用DTM数据，可以比较容易地求出所需要地区的地形表面面积以及施工区域内填挖方的体积(土石方量)。制图功能、地理数据库、空间查询与空间分析能力是GIS最具有独特吸引力所在。而系统是否具有良好的用户接口和各种应用分析程序的支持也是至关重要的，这应由GIS开发人员和用户来共同完成。17 第2章地理信息系统及系统开发技术概述2．1．4GIS的主要任务地理信息系统的任务是对与地理空间位置或区域有关的社会经济、人文景观、自然资源及环境等多种信息进行综合管理和分析，主要有区域信息管理、区域综合分析或专业分析、区域空间过程模拟和预测三个方面，具体描述如下：(1)区域信息管理区域研究对GIS信息管理的要求：一是信息需求广泛，用户较多而背景各异。区域研究常涉及到众多的地理变量和各种类型的信息，因此数据项的选择应符合系统建设的目标和区域应用分析模型的要求。过多、过杂的数据项和要素会加大系统建设的难度和数据更新的周期，失去动态性特点；数据项和要素不足，有可能使建成的GIS达不到原有的目标，完不成预定的任务。此外，区域地理要素既相互关联，在形态和类型上又很不一致，既有具体的，又有抽象的，因此，GIS数据结构要适合于各种形态，要素之间的地理关系应力求在数据结构中得到正确的反映，数据库的设计要具有开放性。二是区域的范围可大可小，较大尺度的地理区域信息量大、类型多，在GIS设计中要正确估算信息的数量和存贮方法与设备，要采用适当的编码方法进行数据压缩、减少冗余。三是区域具有系统性，因此对区域信息管理也必须按照区域等级系统划分为不同的层次和类别，并具有不同的精度。四是为满足区域综合空间分析和系统性的要求，区域要素要按照共同的地理基础空间进行匹配。(2)区域综合分析或专业分析由于GIS涉及到的用户面较广，遇到的问题类型各不相同，可以是结构化的、半结构化的和非结构化的问题，涉及到的用户可以是个人、团体、组织和社会。每个问题所需要的信息和解决方式均有很大差异，很难构造成通用的分析程序，因此在GIS软件工具包中只能提供一些基本的、常用的分析方法，对一些管理部门要求的专业分析应在二次开发中实现。GIS常用的区域分析方法有以下几种：一是常规的数理统计方法，该方法对区域或专业分析具有重要意义。数理统计分析不是针对属性进行的，其结果必然与空间位置和图形相联系，通常有以下三种类型：18 第2章地理信息系统及系统开发技术概述点分析——即对某些重要的点的多个属性进行数理统计分析，分析结果与空间位置是紧密联系的，并可直接标识在地图上，它可以对离散点进行分析，也可逐点进行分析，但后者运算量过大，难以实现：线分析——Ij吝多用于交通、铁路、河流等线状地物的属性的数理统计分析，可以分段统计分析，也可是连续统计分析，但统计结果与空间线状地物位置是紧密联系的；面分析——它是将属性相同或相近的空间，划分成若干子区，以子区为单位进行数理统计分析。这是应用最广泛的一种统计分析类型，例如以行政区为单位进行数理统计分析。二是地理空间分析函数，它是对地理空间数据按一定规则进行转换的图像函数。它是基于一定的空间分析算法，由一个或多个数据平面作为输入，函数结果将产生新的数据平面。例如，在一些区域或专业的评价中，要求将某些中心城市、商业网点、公路、铁路等点状和线状地理实体的影响扩展到整个空间区域，通常要由以下空间分析函数运算来完成：由两点连线或线段的中分线来划分控制范围；按最小距离划控制范围圈；空间的标值或拟合；空间计数，如采用一定区域内的点数或线段长度作为指标，进行城市密度、交通网密度等指标的统计；由理论公式决定影响范围。空间分析函数包括以下三种类型：点函数——即在不同的数据平面上进行具有相同地理坐标点的属性的纵向运算，包括代数运算、逻辑运算、统计运算。区域函数——如空间计数、区域面积、区域形态等涉及到某个地理区域内空间点的共同性质的空间分析函数计算。邻域检测函数——涉及空间点与邻点的相应空间关系，以检测各空间点的邻点或某特定方向一定范围内的邻点的某种特性，它包括连通性、扩展性、距离、方位、地形坡度和坡向，离散点的标值与拟合、最佳路径搜索等。三是地理分析模型与专业分析模型，该模型是用来描述地理各要素之间的相互关系和客观规律信息的语言的、或数字的、或其他的表现形式。通常反映了地理过程及发展趋势或结果，如空间相互作用模型、距离衰减模型、地面发育模型等。由于地理模型通常涉及同一区域的多种自然、经济、人文要素的空间数据，因此要求在同一区域不同专题的数据保持一致性，以保证分析结果的19 第2章地理信息系统及系统开发技术概述科学性。地理模型分析是地理信息系统区别于其他计算机系统的重要标志，没有强有力的地理分析模型的支持，地理信息系统只能停留在地理数据库的水平上。专业分析模型是用来描述专业领域各要素之间的相互关系，并通过逻辑推理和运算来揭示某些现象的产生、发展和结果。这是GIS扩展、延伸的不可缺少部分。专业分析模型中可能要涉及地理空间位置，但更多地是涉及各专业领域中的各种要素，具有强烈的专业特点，模型主要由各专业领域的科技人员来研制建立。因此，不可把与地理空间位置有关的一些专业分析模型与地理分析模型等同起来。(3)区域空间过程模拟和预测地球上任何一个区域都是处于不断变化和发展过程中，GIS的重要任务之一就是探索其动态演化规律，预测自然和人为过程的发展趋势和结果，指导人类选择最佳的对策。要完成这一任务仅仅依靠GIS自身是不够的，必须要有各个领域、各个类型专业分析模型强有力的支持，并有决策者的参与才有可能做到。GIS在这一过程的动态模拟和预测中的作用是不仅可以提取系统各个时期不同．方面的多种空间指标和数摒，而且还可以与专业分析模型结合，将自然发生或思维规划的动态过程进行演绎。使决策者在事件真实发生之前取得各种预测信息，以避免由于决策失误而带来的损失。专家系统和决策支持系统为GIS与专业分析模型结合提供了良好的框架和结构，以共同完成过程模拟和预测的任务。完成区域空间过程模拟和预测任务必须有多学科的专业人参与和合作，才有可能实现。GIS用于模拟和预测需具备以下几个条件：具有适用的地理数据库，且保持数据的一致性，即数据质量和精度的一致性；在空间数据结构中应具有时间轴的标识；具有支持快速的数据更新的功能；具有支持空间查询与空间分析功能；本身具有系统模拟和动态分析功能，或支持GIS与专家系统、决策支持系统、其它软件分析系统良好接口的功能。GIS在区域空间过程模拟和预测中的应用是GIS最高层次的应用，也是最广泛、最有前途的应用。2．1．5GIS相关技术 第2章地理信息系统及系统开发技术概述2．1．5．1MapXtreme平台MapXtreme是一个Windows开发工具包，是MapInfo为了支持Microsoft公司的Windows．NET框架，重新设计MapX和MapXtremeforWindows代码库体系结构的新产品。该产品使得开发人员可以享用微软的．NET技术架构带来的好处，如跨语言性、创建web服务、部署分布式应用等先进的技术。MapXtreme开发工具包在部署桌面、企业或Web解决方案方面为开发人员提供了最大程度的控制权和灵活性。除此之外，还可以重用为某一个平台编写的代码，增强或创建用于其它平台的解决方案，这样就可以节省大量时间并使工作成果在现在和将来都能得以体现。该工具能够在尽可能短的时间内构建功能最为强大的基于地图的解决方案。MapXtreme是主要用于Intefnet或Intranet／Extranet的地图服务器产品。它采用标准的TCP／IP协议，通过HTTP进行文档和文件传输，在浏览器端为标准的HTML语言，从而保证了与客户端浏览器的无关性。MapXtreme能够支持瘦客户端、中型客户端和胖客户端等多种web应用。MapXtreme系统主要由3个层次构成：客户机、客户／服务器以及服务器。图2．2为M印x雠me的应用模型l应用服务器}rjw曲服务器，．j工nl一栅MapX例程W曲测览器图2．2KapXtreme的应用模型MapXtreme系统主要由三个层次组成。顶层是Internet技术，在这一层中，采用了成熟的TCP／IP、Web等技术和CGI、HTML等标准，保证了其标准性、开放性和先进性。底层是图形平台MapInfoProfessional和基于AetiveX(OCX)的MapX控件技术。MaplnfoProfessional经过十多年的发展，已经相当稳定和完善，足以担当空间数据库内核：MapX是一个图形功能丰富的OCX控件，提供了基于COM技术的对象链接与嵌入(OLE)组件。MapXtreme本体位于顶层和底层之间，作为服务器端的新一代地图应用服务运行模式，采用了内置开发工具、进程调度器和分布应用模式等多种新技术。21 第2章地理信息系统及系统开发技术概述它具有强大的地图化功能，包括绘制专题地图、缓冲区分析、地图编辑、地图目标查找、地图显示、图层控制、空间选择、地理编码、扩展地图库和示例数据。信息管理员只要在服务器上对MapXtremeJ甚_行编程管理，用户就能够访问到地图信息，生成统计图形。MapXtreme基本不改变服务器端原有的GIS系统函数，并且承担了大部分的操作分析。此运行模式有利于充分利用服务器资源，发挥服务器的最大潜力。2．1．5．2MapXtreme的组成及功能结构MapXtremel主IMapX、MapXServer、MapXBrokeri仵lMapXCourier[]部分组成。每一部分都有其特定的对象、属性和实现功能的方法。其中MapX是MapXtreme的核心，它是提供地图对象嵌入和连接的OCX控件，是可重复利用的可编程对象，它提供绝大部分MapInfoProfessional支持的地图功能。可以利用编程平台所提供的数据库访问机制，也可以利用自身提供的ODBC接口，并可进行数据的智能绑定，在客户端安装并可在授权范围内分发，它是全新的桌面地图应用方式，使更多的用户得到廉价的Map确地图信息技术。MapXServer是MapXOCX的包装。MapXServer对象使用在所有的MapXtreme应用程序中，每一个MapXServer的实例运行在其特有的处理空间。MapXServer被MapXCourier或者MapXBroker启动。MapXBroker用来预启动MapXServer实例。MapXtreme通过MapXBroker来优化并触发用户访Ih-]MapXtreme实例。MapXCourier对象在应用程序和MapXBroker之间扮演信使的角色。MapXCourier能使应用程序通过MapXServer实例来达到访IhlMapX的目的。MapXtreme地图引擎启动时，首先启动MapXBroker，产生一个MapXServor实例共享池，每一个MapXServcr：香J-其特有的处理空间并包含一个MapX对象。当有应用程序请求MapXServer实例时，不是产生一个MapXSorvcr实例，而是通过MapXCourier向MapXBroker的共享池中请求一个MapXServer实例。应用程序利用MapXServer实例来产生地图对象并释放这个实例，在MapXBroker中以便与其它应用程序共享【2l】。MapXtreme的结构如图2．3所示： 第2章地理信息系统及系统开发技术概述图2．3MapXtreme结构图2．1．5．3I／apXtreme的基本功能MapXtreme的技术特点主要表现在以下几个方面：(1)地图查询显示。用户可以在Internet／Intranet上发布基于电子地图的应用系统。所以终端用户只需在本地机上安装浏览器(如m)即可访问存放在服务器端的空间数据，可方便地对地图进行放大、缩小、漫游、查询、统计、图层控制、空间选择等操作。(2)稳定可靠的GIS高级管理。包括专题地图、缓冲区分析、地图目标查询、地图编辑、涂抹层、地理编码、扩展地图库、示例数据等。可直接读取LotusNotes，空间选择、访问各种数据源等。(3)支持分布式服务体系结构。当应用需求增加时只需增力llServer来支持增多的用户数。完全与任何WebServcr或We．bBrows碲容。MapXtreme的开放式结构可以在任何WebServer_hi作，而且可以利用ISAPI、NSAPI以及CGI各自的优势。MapXtreme不需要任何plug-in，因此可以通过任何PC及UnixT作站的W曲BrowsertYY问。“)以MapX为地图引擎。MapX是一个可编程的OCX控件，是可重复利用可 第2章地理信息系统及系统开发技术概述编程对象，提供绝大部分MaplnfoProfessional支持的地图功能，可以利用编程平台所提供的数据库访问机制，也可利用自身提供的ODBC接口，并可进行数据的智能绑定。(5)MapXtreme的优势。开发人员能集中地控制和维护地图和数据库数据，并集中实现应用程序功能，避免了以往系统维护、同步困难的问题，尤其适合信息量大，用户多的单位的实际情况。另外，由于可以使用web浏览器作为客户端，更使开发人员可以将地理信息系统紧密地与其他系统结合，给用户提供完整统一的综合信息系统。2．2．Net在系统中的应用及组网方案2．2．1IIicrosoft．Net平台2．2．1．1．Net功能特性MicrosoR．N咣黾生成、部署和运行Web服务及应用程序的平台，它提供了一个生产效率高且基于标准的多语言环境，用于将现有投资与下一代应用程序和服务集成。同时提供了解决Intemet规模应用程序的部署和操作难题的灵活性。Microsoit．Net代表了一个集合、一个环境、一个可以作为平台支持下一代Intemet的可编程结构。它通过使用HTrP，XML等标准，使得各个系统平台间的互操作性成为现实，Microsoit．Net最重要的部分是．Net框架(．NetFramework)，．Net框架是一种新的计算平台，它简化了在高分布式Internet环境中的应用程序开发，它支持超过20种不同的编程语言，它帮助开发人员把精力集中在实现商业逻辑的核心上，使开发人员的经验在面对类型大不相同的应用程序(如基于Windows的应用程序和基于Web的应用程序)时保持一致，在未来的版本中甚至仅仅在程序发布时才需要指定发布的类型(作为WinForm或者W曲Form)。 第2章地理信息系统丑系统开发技术概述槲鼬懒槲删墒∥帮hm积Fer弼，蕊。一芎i僦溢蛐dg螭#i_魏i二囊露‘词6麟醢萄触逾≮萌羹_+1I一．。图24Net框架的组成如上圈，N卅匡架由两部分组成：通用语言运行时(CLR：是．Net开发人员的源代码和硬件底层之间的中间媒介，所有的．Net代码都在cLR中运行)和框架类库(FCL：包括数据访问组件、基础类库以及WebForm、WinForm、WebServices模板)。CLR和FCL紧密结合在一起，提供了不同系统之间交叉与综合的解决方案与服务，创造了可控的、安全的、功能丰富的应用开发环境，以下是它们提供的部分功能：(1)一次运行，总能运行所有的开发人员几乎都知道“D11Hell”版本控制问题(当新安装的应用程序的组件覆盖婀有应用程序的组件时，导致旧有程序无法正常运行)。为了彻底消除。DLLHeu”现象，．NI州匡架的结构己与应用程序组件隔离，应用程序运行时必须加载生成时所用到的组件以确保应用程序总是能正常运行。a)简化部署在N盯框架里软件安装的方式是XCOPY，如同在DOS下一样，只需要将应用程序复制到某个目录就完成了安装，卸载应用程序只需要删除目录。(3)自动内存管理对于托管资源，再也不必在类里写析构函数(Finalize)进行清理，垃圾管理(Gc)可以自动跟踪资源使用。确保不会产生资源泄漏。“)类型安全 第2章地理信息系统及系统开发技术概述每个对象都是单根继承自Object(注：也有人认为是继承I!iIobject接口)以确保在运行时可以通过调用GetType3Y法，以确定对象的类型，通常强制转换为基类型被认为是安全的隐式转换。CLR可以验证所有代码是否类型安全，类型安全能确保总是以兼容的方式访问被分配对象。(5)编程模型以前在Windows平台下进行软件开发的C++开发人员大多使用的是微软基础类库(mC)或者Win32APIs，VisualBasic用户使用的是VisualBasicAPI，Delphi用户使用的是Borland公司的VCL，Java用户使用JDK，彼此之间很难兼容、相互调用，软件开发人员有时也难以取舍，而．NET框架统一了当前各种不同的架构，．NET框架为开发人员提供了一个统一的、面向对象的、层次化的、可扩展的框架类库一FCL，开发人员不再需要学习多种架构，只须学习．NET框架就能灵活的采用各种不同的编程语言进行开发，．NET框架还实现了跨语言的继承、错误处理、调试。在．N1强框架里从C撑，VB．NET，J≠≠到C．H的所有编程语言都是相互平等的，开发人员可以自由选择自己喜欢的语言。2．2．1．2．Net框架技术架构．Net框架是用于构建和运行下一代软件应用程序和XMLWeb服务的Windows组件。．Net框架包括几个主要组成部分，首先是整个开发框架的基础，即通用语言运行时(CommonLanguageRuntime，CLR)以及它所提供的一组基础类库；在开发技术方面，．Net提供了全新的数据库访问技术ADO．NET，Web应用开发技术ASP．NET和Windows编程技术WindowsForms；在开发语言方面，．Ned是供了VB、c_H、饼等多种语言支持；而VisualStudio．NET则是全面支持．Net的开发工具瞄】。其体系结构如图2．5： 第2章地理信息系统及系统开发技术概述困回国回曰I通用语言规范lI-●lASP．NETl网络服务网络表单图2．5．Net框架体系结构(1)通用语言运行时(CommonLanguageRuntime，CLR)通用语言运行时处于．NET框架的最底层，是这个框架的基础。它为各种语言提供了一个统一的运行环境；另外，它还提供了更多的功能和特性，比如统一和简化的编程模型，用户不必迷惑于Win32API和COM；避免了DLL的版本和更新问题，从而大大简化了应用程序的发布和升级：多种语言的交互，例如开发人员可以在VB中使用C．H编写的类；自动的内存和资源管理等。(2)．Net类库‘．NET框架提供了一个包括很多高度可重用的接口、类型的类库，该类库是个完全面向对象的类库，为应用程序提供各种高级的组件和服务。下面是对这些组件和服务的一个概括：1)系统框架服务系统框架服务包括一套在标准语言库中使用的基本类库，例如：集合、输入／输出、字符串及数据类。另外，它还提供了访问操作系统和其他服务的类，如网络、线程、全球化和加密的类。服务框架也包括数据访问类库及开发工具，如调试和剖析服务能够使用的类。2)ADO．NET组件为了提供对数据的访问，服务框架包括ADO．NET类库。如同名字所暗示的那样，ADO．套玎巳T由ADO发展而来。ADO．NET为基于网络的应用程序和服务提 第2章地理信息系统及系统开发技术概述供数据访问服务。下图阐明了ADo．NET的体系结构，表明任何数据，不论这些数据实际上是如何存储的，都以XML或相关数据的格式被操作。应用程序非连接数据集对象连接模式l数据提供者对象XML数据I数据库图2．6ADO．NET体系结构模式3)XML数据组件开发人员可以通过XML对应用程序中所使用的数据进行转换、传输和确认。．NET系统框架对XML数据提供了操作支持，也支持ADO．NET数据和XIVIL数据之间的转换。4)Windows表单应用模板从概念上讲，在服务框架的最上面是两个应用程序模板：Windows表单应用模板和网络应用程序模板。编写Windows客户应用程序的开发人员可使用Windows表单应用程序模板以利用Windows丰富的用户接口特点，包括传统的ActiveX控件和WindowsXP的界面，如透明的、分层的浮动窗口等。开发人员会发现Windows表单可编程模板和对设计阶段的支持非常直观。5)ASP．NET应用服务ASP．NET的核心是高性能的用于处理基于HrllP请求的运行语言，编译运行方式大大提高了它的性能。ASP．NET使用基于构件的．Net框架配制模板，因此它也具备XCOPY配制、构件并行配制、基于XML配制等．NET框架的优点。它支持应用程序的实时更新，提供高速缓存服务。6)ASP．NETWeb表单ASP．NETWeb表单支持传统的将mMI，内容与脚本代码混合的ASP语法，但它提出了一种将应用程序代码和用户接口内容分离的更加结构化的方法(CodeBehind方式)。ASP．NET提供了一套映射传统的咖用户接口部件(如 第2章地理信息系统及系统开发技术概述列表框、文本框、按钮)的ASP．NETWeb表单控件和一套更加复杂强大的网络应用控件。2．2．2C#语言简介C撑是一门设计简单、面向对象、类型安全、灵活兼容(．Net框架的支持)的新型面向组件的编程语言。其语法风格源自C／C++家族，并融合了VisualBasic的高效和C／C抖的灵活性以及强大的底层控制能力，是微软专门为与Microsoft．NetFramework--起使用而设计的，是Microsoft．Net平台的主流语言。C存语言有以下主要的优点：(1)设计简单：增加类型安全、自动垃圾回收、去掉指针、数据类型统一。并去掉了宏、模板、多重继承等。(2)面向对象：没有全局函数、变量或常量，全部实行类的抽象、封装、继承派生与多态。(3)类型安全：所有动态分配的对象和数组都被初始化为0；不能使用未初始化的变量；对数组的访问进行越界检查；不能写未分配的内存；算数操作进行溢出检查等。(4)灵活兼容：可以在非安全代码中使用指针，并且运行通过遵守．Net的CLS访问不同的API。2．2．3系统组网方案2．2．3．1C／S与B／S架构比较C／S架构，即Client／Server(客户机／服务器)结构，通过将任务合理分配到Client端和Svrvcr端，降低了系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势。早期的软件系统多以此作为首选设计标准。服务器通常采用高性能的PC、工作站或小型机，并采用大型数据库系统，如Oracle、Sybasc、Infonnix或SQLServer。客户端需要安装专用的客户端软件。C／S架构的优点是：能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，客户端响应速度快。缺点主要有以下几个：(1)采用Intranet技术，适用于局域网环境，可连接用户数有限，当用户数量 第2章地理信息系统及系统开发技术概述增多时，性能会明显下降；客户端都要安装应用程序，系统扩展维护复杂、代码可重用性差、开发费用较低，开发周期较短，只适用于局域网；(2)客户端需要安装专用的客户端软件。首先涉及到安装的工作量，其次任何一台电脑出问题，如病毒、硬件损坏，都需要进行安装或维护。而且，系统软件升级时，每一台客户机需要重新安装，其维护和升级成本非常高；(3)对客户端的操作系统一般也会有限制。可能适应于Windows2000，但不能用于WindowsXP或WindowsVista等微软新的操作系统等等，更不用说Linux、Uni】【等。B／S架构，最PBrowser／Server(浏览器／服务器)结构，是随着Internot技术的兴起，对C／S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，客户机上只要安装一个浏览器(Browser)，如InternetExplorer，服务器安装Oracle、Sybase、Informix或SQLServer等数据库。浏览器通过WebServer同数据库进行数据交互。用户界面完全通过wWw浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓3-tier结构。B／S结构，主要是利用了不断成熟的WWW浏览器技术，结合浏览器的多种Script语言(VBScript、JavaSeript)和ActiveX技术，用通用测览器就实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件系统构造技术。随着Windows98将浏览器技术植入操作系统内部，这种结构更成为当今应用软件的首选体系结构。B／S最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护。系统的扩展非常容易，只要能上网，再由系统管理员分配一个用户名和密码，就可以使用了。甚至可以在线申请，通过单位内部的安全认证后，不需要人的参与，系统可以自动分配给用户一个账号进入系统。B／S采用Internet／Intranet技术，适用于广域网环境，支持更多的客户，可根据访问量动态配置Web服务器、应用服务器，以保证系统性能，客户端只需标准的浏览器。采用面向对象技术，代码可重用性好，系统扩展维护简单，但是开发费用较高，开发周期较长。城市供水管网信息管理系统主要为水务管理部门提供决策支持，应用于局域网，所以，经过比较分析，本系统前期采用C／S架构。2．2．3．2C／S和8／S混合结构的供水管网信息管理系统框架在C／S结构下，一个或更多的客户机和一个或更多的服务器，以及硬件网络、 第2章地理信息系统及系统开发技术概进操作系统和支撑平台进程间的通信系统．共同组成一个系统。在该模式下．应用分为前端的客户部分和后端的服务器部分。客户方发出请求，通信服务系统将请求的内容传到服务器，服务器根据请求完成预定的操作。然后把结果送回客户脚1。M叩xh珊e的基本宗旨在于使用户通过可视化的数据更好更快地做出决策。在许多情况下，无论MapXtreme拉于整体结构中的哪个位置，ClienFServa-都能增加M印xh；由e帮助用户进行决策的能力。勿容置疑，在MIl一洳功H产品结构不断改进的过程中，cli∞蜘盱体系结构将继续作为重要因素。如图27所示，为基于cho叫se一百的城市供水管嗣信息管理系统结构框架，非常适台于局域网。随着Intemet的快速发展，w曲服务正逐步进入城市建设管理部门的业务范围，基于城市供水管网信息管理业务发展的需要和系统前瞻性的设计思路，系统预留B／S接口待条件成熟时实施。等待系统全部完成后，整个系统将成为通用的Browscr／WebScrvcr／OISServer多层结构，由分布在各客户端的浏览器，webGIS服务器和管网GIS服务器组成，这样，一方面，可以通过自来水公司的内部局域罔，实现集中办公。统一管理；另一方面，城市居民可以通过Intomet查询停水范围等相关实用信息。，竺!}、V—————————————1——————叫《磊赢≤≥≥＼叠叠：j：：兰至蛭堑il：!：盐二，匕彳==彳二=亍露嘲删震绘图仪客户机H》扫描仪图27系统网络结构图m㈣月PBIS部分(预留)，争11硼甲¨Hh啪岫薷。≥撇客 第3章供水管网模型与网络分析通用GIS的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型。而GIS成功应用于专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型。GIS应当支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析建模和决策。供水管网模型及数据结构关系到-与MapXtreme软件结合的难易，关系到算法的实现以及算法的复杂度，也是关系到网络分析的成败关键之一，供水管网模型的研究对于将来可能用到的网络分析的发展具有重要的推动作用。3．1供水管网的组成及变化3．1．1供水系统组成供水系统是由相互联系的一系列构筑物和输配水管网组成。它的任务是从水源取水，按照用户对水质的要求进行处理，然后将水输送到给水区，并向用户配水。为了完成上述任务，供水系统常由下列工程设施组成【24】【25】：取水构筑物：自地表水源和地下水源取水的构筑物。水处理构筑物：对原水进行处理、以达到用户对水质要求的各种构筑物，通常把这些构筑物集中在水厂内。泵站：用以将所需水量提升到要求的高度，可分抽取原水的一级泵站、输送清水的二级泵站和设于管网中的增压泵站。输水管渠和管网：输水管(渠)将取水构筑物取集的原水送到水厂或将水厂的水送到管网的管、渠设施；管网则是将处理好的水送至供水区的管道及附属设施。调节构筑物：它包括各种类型的贮水构筑物，如高低水池、水塔、清水池等，用以贮存和调节不均匀的用水量。高低水池和水塔兼有保证水压的作用。输配电及控制设施：保证整个供水系统的电力供应，通过计算机控制系统，实现供水系统的自动化运行、调度、计量和监测等。32 第3章供水管网模型与网络分析3．1．2供水管网的变化供水管网的发展变化是非常迅速的，近年来随着城市的迅速发展，由于各种原因的综合作用和促进，使得系统发生如下的变化【26】：建设规模越来越大。现在新上的城市供水工程，起步一般都很高。过去衡量大水厂的标准是以lOxl矿m3／d为界，现在，尤其是城市地面水厂的建设规模，大量为(10"-"30)xl矿m3／d，不少城市已开始建设(50"--"100)x104m3／d的水厂。长距离引水工程越来越多。由于城市近区水源的水量或水质已不能满足供水的需求，只有跨地区跨流域寻找水源，造成长距离引水工程越来越多。水厂净化工艺越来越复杂。由于水环境污染加重，加之人们对供水水质的要求越来越高，这样就导致了水厂净化工艺将越来越复杂，处理流程越来越长。输水管线越来越长，管理难度加大。长输管道分布面广，所处地域及环境复杂，因此在生产过程中如何收集数据，如何对数据进行有效的动态管理的要求，增加了管理的难度。水质要求越来越高。解决蓄水池及屋项水箱的二次污染，供水管网水质恶化等问题，增大了供水管网改造及供水调度的难度。另外，直饮水、桶装水也影响了供水方式。中水系统的应用。水处理技术的迅速发展，水资源的短缺，使得中水系统应用成为可能，从而影响了传统的供水模式，加大了城市供排水一体化的趋势。3．1．3引起供水管网变化的原因(1)城市水资源严重短缺由于城市需水量的持续增长，使得部分城市，特别是北方城市水资源严重短缺，使得人们不得不大量开采成本低、便于管理的地下水资源，许多城市的当地水资源严重超采，造成大面积地下水位持续下降，许多城市不得不采用调水来解决缺水问题。而根据水利部副部长索丽生在中国科协学术年会上表示，这种用水量的增长将会持续到2030年前后，届时我国将出现用水高峰，专家警告，如果不采取有力措施，我国有可能在未来出现严重的用水危机【271。(2)城市水资源污染严重根据环保部门监测，全国90％以上的城市水域受到污染，在全国各大中城市中都存在不同程度水源被污染的问题，即水质性缺水的问题，不少城市因当地33 第3章供水管网模型与网络分析水源污染而被迫远距离调水，水源污染不仅加剧了城市用水的供需矛盾，还直接影响到城市的供水水质，进而损害城市居民的身体健康。(3)城市居民对水质水量要求增高随着城市居民的知识水平的不断提高，人们对生活质量的要求也越来越高，与人体健康息息相关的饮用水，也越来越受到人们的关注，人们己经从过去的仅看色、嗅、味，到现在看各项水质指标，人们已不满足于常规处理的自来水，进而转向直饮水、桶装水等更高的要求。(4)科学技术促进供水系统的变化科学技术的飞速发展，促进各项事业的发展，使得供水管网能够应用各种相关技术，实现对系统的完善和发展，突出的变化便是控制设备的应用和发展，使以前只能想而无法实施的过程得以在供水系统实现。另外，排水系统水处理工艺的不断发展，也促进了供水管网的变化。3．1．4供水管网管理信息化与科学化信息技术是当前世界进步的潮流，是实现现代化的必由之路，是工业化之后的一个新的历史发展阶段。城市供水企业本身的信息量很大，水源的水量、水质、水位、制水生产过程、历史资料、和出厂水压力及水质、电耗及药耗、管网的图档资料、抢修记录、生产调度、压力控制及管网水质、还有报表及历史数据等等；企业外信息更多，所有用户用水状况，水表水量、收费记录、上级指令和与供水有关的政策和文件、科研成果、专家论述、国内外供水企业动态等等。管理信息化就是将所有信息进行获取、存储、处理、通讯、显示和应用。管理信息化的核心是计算机、软件和通讯，将所有信息用局域网和通过城市信息网络或其他通讯手段聚集在一起，并用先进的软件以最方便的办法供决策层、高级管理层、普通工作人员使用。只有利用信息技术才能提高管理水平，才能真正使服务达到全方位满意，才能实现供水管理现代化。应用计算机进行供水管网运行管理和优化调度，以信息技术和智能化、自动化控制为目标，运用地理信息系统CGIS)、信息监控与采集系统(SC心～)、动态模拟分析等技术，形成了完整的节约能耗、节约人工、减少漏耗、保护水质等的以计算机为中心的现代高科技管理系统，为供水管网调度提供决策依据。如上所述，目前我国供水企业的信息建设存在一些问题，其中最根本的问 第3章供水管网模型与网络分析题是信息建设层次不齐，缺乏统一的行业规划，没有一个可以参考、成熟的信息建设模型，缺少整体网络管理平台，缺少一个公司信息统一管理平台。所以，现在研究适合我国的供水管网信息管理系统成为一个重要的课题。3．2基于MapXtreme的供水管网模型3．2．1矢量数据结构网络模型与数据结构是密不可分的，大量的数据需要通过计算机来管理和实现，因此，首先对数据结构进行了解。数据结构是按某种关系组织起来的一批数据，以一定的存储方式把它们存储到计算机的存储器中，并在这些数据上定义一个运算集合。数据结构可分为两类：即矢量结构和栅格结构。两类结构都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。实体的非几何属性可以和几何属性存储在一起，也可以通过指针结构相联系。两种数据结构各有自己的优缺点，对网络分析来说，矢量数据结构是必不可少的，针对本文的研究，着重讨论矢量数据结构。矢量数据结构是通过记录一系列坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体。从理论上说，矢量数据描述的是连续空间，因而它能精确地表达地理实体的形状与位置，又可以通过点、线、面三种图元之间的联系，构筑地理实体的形状及其图形表示的邻接、连通、包含等拓扑关系；由于矢量数据是面向对象的图形数据结构，它可以抽象表示任何类型的地理实体。矢量数据结构的这些特点，有利于GIS的查询、网络或路径的优化，空间相互关系的分析等广泛的地理应用。在GIS的矢量数据结构中，图形数据元素之间的空间位置关系用拓扑关系来定义。拓扑关系能明确定义图形元素之间的空间位置关系，而且比通过坐标和距离计算得到的空间位置关系更明确和更可靠，是地理信息系统矢量数据结构和多种空间分析算法实现的基础。目前常用到两种拓扑关系模型：一是“空间实体+空间索引"模型，另一种是：Arcbffo中使用的POI，YⅥiT模型。“空间实体+空间索引一模型采用“面向对象"的图形数据结构，即以点、 第3章供水管网模型与网络分析线、面作为基本的图形数据元素，各图形数据元素之间相互独立。优点是实现容易，不足之处是缺少图形元素之间的拓扑信息，许多空间分析算法实现上有障碍。POLYVRT拓扑关系模型则基于结点一弧段的严密组织，结点是弧段的首、尾点或弧段之间的交叉点。多边形由首、尾相连的弧段围成，相邻的多边形之间共用一条边界弧段。3．2．2MapXtreme地图数据模型’目前地理空间数据的主要表现形式为地图，而它们在数据库中都是以层的概念来组织与表达的，每一层数据有其相应的属性与空间等信息，其逻辑组织模型如图所示。从图3．1可知，地图的组织具有一定的层次关系，而且由若干个空间数据图层及相关属性数据组织而成，一个空间数据图层又是以若干个空间坐标的形式存储的。因此，这一逻辑组织模型可概括为“坐标对一空间对象一图层一地图"，一个空间对象及其属性信息在这一模型中属于最基础的层次，而地图则是这个模型的最高层次。M印及相关属性信息图层l及属性信息1．⋯”l图层m及属性信息对象l及Il对象n及属性信息lI属性信息对象l及l⋯l对象n及属性信息ll属性信息图3．1地图数据的逻辑组织模型关系数据库的层次结构具有与地理数据逻辑组织模型相似的特点，而且关系数据库是建立在关系模型的基础之上的，它的基本组成是表，每个表由列(表字段)、行(表记录)组成，一个数据库则由许多个表组成，这些表之问采用一定的关系组织连接。 第3章供水管网模型与网络分析地图集及相关信息表地图及相关信息表I⋯⋯l地图及相关信息表图层1表I⋯I图层n表Il图层l表I⋯I图层n表图层l空lI图层n空II图层l空lI图层n空间索引表lI间索引表lI问索引表ll间索引表图3．2基于关系数据库地图数据组织模型由图3．2可以看出，基于关系数据库的地图空间数据具有层次性，一般可分为：地图集表、地图表、图层表、空间索引表四层。其中地图集表是作为多个数据库的总体规划表格，具有各幅地图的引用和描述信息；地图表存储各幅地图的数据，并存储地图的基本信息，包括地图图名、地图坐标系、地图描述等等，图层表用于管理地图数据的图层信息；空间索引表则对应地图表和地图图层表，它还可根据需要建立地图数据与空间索引网格的对应关系，以便进行空间分析和检索。3．2．3NapXt．reme地图数据的数据结构MapXtrcme采,用双数据库存储模式，即其空间数据与属性数据是分开来存储的。属性数据存储在关系数据库的若干属性表中，而空间数据则以MapXtxeme的自定义格式保存于若干文件中，二者通过一定的索引机制联系起来，如图3．3：37 第3章供水管网模型与网络分析属性数据空间数据文件头交叉索引文件头点，记录号，坐标-字段数字段定义文件头一线，记录号，坐标，线型·j‘面，记录号，边界，填充一字段l说明记录l●--0索引l盯⋯⋯字段N说明记录2●_．索引2图元数据描述：图幅区记录N●—●索引N域，图层说明⋯⋯图例，颜色，大小●拐点数及坐标信息●●-图3．3MapXtreme的数据文件格式及数据内部组织机制为了提高查询和处理效率，MapXtreme采用层次结构对空间数据进行组织，即根据不同的专题将地图分层，每个图层存储为五个文件名相同、扩展名不同的文件，即：．TAB文件，．DAT文件，．D文件，．MAP文件和．IND文件【281。这四个文件的简介如下：(1)属性数据的表结构文件(*．tab)属性数据表结构文件定义了地图属性数据的表结构，包括字段数、字段名称、字段类型和字段宽度、索引字段及相应图层的一些关键空间信息描述。tab文件实际上是一个文本文件，可以在写字板中打开观察其内容。(2)属性数据文件(·．dat)属性数据文件中存放完整的地图属性数据。在文件头之后，为表结构描述，其后首尾相接地紧跟着各条具体的属性数据记录。(3)索引文件(·．id)’交叉索引文件记录了地图中每一个空间对象在空间数据文件(·．map)中的位置指针。每四个字节构成一个指针。指针排列的顺序与属性数据文件(·．dat)中属性数据记录存放的顺序一致。交叉索引文件实际上是一个空间对象的定位表。其文件格式和数据关联机制如图3．4所示。 第3章供水管网模型与网络分析文l牛头褒弓l文绊头对象个数雾素弓2宇段定义，对象l躺I字黢l的值对象I的记录号：n记录IP—一7-．对象2綮弓f字段l的位对象2的记录号：l索引n记录2．I，●．-．●●．，一对象乙索引宇段I的值对象2的记录号：2记录X对象个数对象1索引宇段M的馕对象1的记景号：n对象2鹪l字段M的值对象2的记最号；1对象L鹪I字段M的僵对象2的记录号。2图3．4MapXtreme的索引文件格式及数据关联机制(4)空间数据文件(木．map)具体包含了各地图对象的空间数据。空间数据包括空间对象的几何类型、坐标信息和颜色信息等。另外还描述了与该空间对象对应的属性数据记录在属性数据文件(·．dat)中的记录号。这样，当用户从地图上查询某一地图对象时，就能够方便地查到与之相关的属性信息。MapXtrcme数据在两个文件中一图形保存在M珲类型文件中，而文本数据包含在MD文件中。文本数据是分界数据，MⅢ文件有两个区域一文件头区域和数据节，有关如何创建MapXtreme表的信息保存在文件头中，图形对象定义保存在数据节中。3．3网络分析在供水管网信息管理中的应用将现实世界中的地理网络进行抽象，可以建立起适合计算机管理和处理的网络模型。对于用户来说，使用GIS软件的最终目的之一是进行网络分析。3．3．1网络分析的内容网络分析是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，实 第3章供水管网模型与网络分析现资源的最佳分配，如在现代经济生活中使运输费用最低等。地理信息系统中的网络分析是空间分析的一个重要方面，它依据网络拓扑关系，通过考察网络元素的空间、属性数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算。对地理网络，城市基础设施网络，进行地理分析和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目标。在现实问题中网络分析问题往往体现为研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等，由于这类问题在社会经济活动中不胜枚举，因此在地理信息系统中此类问题的研究具有重要意义。网络分析是在地理信息的发展和广泛应用的情况下产生和发展的，它具有以下特点：(1)多学科性网络分析与地理信息技术、测绘科学、计算机技术、图论、运筹学、交通运输等技术和学科的发展密切相关，是这些技术与学科发展到一定程度及社会迫切需要解决此类问题的共同作用下产生的和发展的。(2)复杂性网络分析是对现实世界中网络实体和网络现象的抽象，而现实世界中的网络实体和网络现象纷繁复杂、各式各样、各自在表现形式、内部关系、功能作用、原理机制等方面都不一样，这造成对它们抽象的复杂性。(3)现势性网络分析的目的是认识和利用它们所代表的网络原型，这就要求在进行网络抽象和网络分析时都必须具有较强的现势性。如果抽象出来的网络早己过时，即使分析再精确、快捷，但分析结果的正确性无法保障，这就没有什么实际指导意义。“)工具性网络分析虽然复杂，但最终目的是帮助人们认识周围的网络实体和网络现象，是指导人们合理利用和改造现实中的网络原型，是为人们提供辅助信息和决策信息的工具。3．3．2网络分析的功能地理信息系统的最终目的是支持地理决策，同样，建立网络分析模型的最终目的是为了进行有效的网络分析。在数学领域内，网络分析的基础是图论与运筹学。将图论中网络的概念引入到地理空间中来描述和表达基于网络的地理目标，就称之为地理网络。对地理网络进行地理分析和模型化，在分析方法上 第3章供水管网模型与网络分析引入运筹学模型和图论算法，就是地理信息系统中的网络分析功能。地理信息系统中网络分析的主要功能包括路径分析、资源配置、连通分析、流分析和地址编码等。(1)路径分析’路径分析是网络分析中最基本的功能，其核心是对最佳路径和最短路径的求解，从网络模型的角度看，最佳路径求解就是在指定网络中两结点间找一条阻碍强度最小的路径。最佳路径的产生基于网线和结点转角(如果模型中结点具有转角数据)的阻碍强度。例如，在交通运输中，如果要找一条最快的路径，阻碍强度就应该是费用。当网线在顺逆两个方向上的阻碍强度都是该网线的长度，而结点无转角数据或转角数据都是0时，最佳路径就成为最短路径。在某些情况下，用户可能要求系统能一次求出所有结点对问的最佳路径，或者要了解两结点间的第二、第三乃至第K条最佳路径。另一种路径分析功能是最佳游历方案的求解。网线最佳游历方案求解，是给定一个网线集合和一个结点，求解最佳路径，使之由指定结点出发至少经过每条网线一次而回到起始结点，结点最佳游历方案求解，则是给定一个起始结点、一个终止结点和若干中间结点，求解最佳路径，使之由起点出发遍历全部中间结点而达终点。(2)资源配置资源配置是用来模拟一个或多个中心的资源在网络中的最优分配问题，分配有两种方法：一种是由分配中心向四周输出，另一种是由四周向中心集中。这种分配可以解决资源的有效流动和合理分配，其在地理网络中的应用与区位论中的中心地理论类似。资源配置模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、等费用距离区等。也可用来进行城镇中心、商业中心、文化中心或港口等地的吸引范围分析，以便寻找区域中最近的商业中心，进行各种区划和港口腹地的模拟等。(3)连通分析人们常常需要知道从某一节点或网线出发能够到达的全部节点或网线。例如：当地震发生时，救灾指挥部需要知道，把所有被破坏的公路和桥梁考虑在内。救灾物资能否从集散地出发送到每个居民点。如果有若干居民点与物资集散地不在一个连通分量之内，指挥部就不得不采用特殊的救援方式(如派遣直升机)。这一类问题称为连通分量求解。41 第3章供水管网模型与网络分析另一连通分析问题是最少费用连通方案的求解问题。例如，公路部门拟修建足够数量的公路，使某个县的5个镇直接或间接地相互连结，如何使费用最少?如果把每一条可能修建的公路作为网线，把相应的预算费用作为网线的耗费，上述问题就转化为求一个网线集合，使全部节点连通且总耗费最少。(4)流分析所谓流，就是将资源由一个地点运送到另一个地点。流分析的问题主要是按照某种最优化标准(时间最少、费用最低、路程最短或运送量最大等)设计运送方案。为了实施流分析，就要根据最优化标准的不同，扩充网络模型。要把中心分为收货中心和发货中心，分别代表资源运送的起始点和目标点。这时发货中心的容量就代表待运送资源量，收货中心的容量代表它所需要的资源量。网络的相关数据也要扩充，如果最优化标准是运送量最大，就要设定网线的传输能力；如果目标是使费用最低，则要为网线设定传输费用(在该网线上运送一个单位的资源所需的费用)。(5)地址编码地址编码是解决属性数据库中含地址的记录与图形数据的匹配问题，即在地图上进行地址定位，例如，市郊商店区、消防站、工厂、飞机场、仓库等的最佳位置的确定。在网络分析中的选址问题一般限定设施必须位于某个结点或位于某条网线上，或者限定在若干候选地点中选择位置。选址问题种类繁多，实现方法和技巧也多种多样，不同的GIS系统在这方面各有特色。造成这种多样性的原因主要在于对“最佳位置"的解释，以及要定位的是一个设施还是多个设施。3．3．3最短路径分析最短路径分析是网络分析的最基本的问题，也是最关键的问题，它作为许多领域中选择最优问题的基础。从网络模型的角度看，最短路径分析是在指定网络中两结点间找一条阻碍强度最小的路径。最短路径不仅仅指一般地理意义上的距离最短，还可以引伸到其它的度量，如时间、费用、线路、容量等。城市供水管网设计与规划首先要进行定线，目前都是采用经验方法，按照一定原则进行，这样做就有一定随意性，同时也没有一个衡量优劣的指标，即 第3章供水管网模型与网络分析使在计算过程采用管网优化，但定线不适宜，结果也难以保证管网优化的效果。若将实践经验与计算机技术相结合，将会大大增加供水管网规划的准确性与科学性。最短路径算法是管网定线中的一种常用算法，本节将对此进行研究。最短路径的算法从传统上可分为Dijkstra算法和Floyd算法两种。Dijkstra算法按照路径长度递增的次序求最短路径流，实现了每一对顶点之间的最短路径；Floyd算法是按照路径搜索试探寻找最短路径流，实现了每一对顶点的最短路径。3．3．3．1Dijkstra(迪杰斯特)算法概述Dijks仃a算法，有时也称为最短路径算法(ShortestPathAlgorithm)或正向搜索算法(ForwardSearchAlgorithm)，是一种集中式的静态算法。按照路径长度增加的顺序寻找路径，可以找到从给定的一个源顶点到所有其他顶点的最短路径。算法是逐步执行的【29】【301[3¨。Dijkstra算法是一种贪婪算法。贪婪算法的基本思想是采用逐步构造最优解的方法，在每个阶段都做出一个看上去最优的决策(在一定的标准下)。决策一旦做出就不可改变。做出决策的依据称为贪婪准则。Dijkstra算法求解的是单源最短路径问题。在这个问题中，给出有向图G，它的每条边都有一个非负的长度(耗费)aEi][j]，路径的长度即为此路径所经过的边的长度之和。对于给定的源顶点s，需找出从它到图中其他任意顶点(称为目的)的最短路径。图3．5出了一个具有五个顶点的有向图，各边上的数即为长度。假设源顶点s为1，从顶点1出发的最短路径按路径长度顺序列在图3．5(b)中，每条路径前面的数字为路径的长度。a图3．5最短路径算法举例43o∞O2346 第3章供水管网模型与网络分析Dijkstra算法通过分步方法求出最短路径。每一步产生一个到达新的目的项点的最短路径。下一步所能达到的目的顶点通过如下贪婪准则选取：在还未产生最短路径的顶点中，选择路径长度最短的目的顶点。也就是说，Dijkstra算法按路径长度顺序产生最短路径。首先最初产生从sN它自身的路径，这条路径没有边，其长度为0。在贪婪算法的每一步中，产生下一个最短路径。一种方法是在目前已产生的最短路径中加入一条可行的最短的边，结果产生的新路径是原先产生的最短路径加上一条边。这种策略并不总是起作用。另一种方法是在目前产生的每一条最短路径中，考虑加入一条最短的边，再从所有这些边中先选择最短的，这种策略即是Dijkstra．算法。可以验证按长度顺序产生最短路径时，下一条最短路径总是由一条已产生的最短路径加上一条边形成。实际上，下一条最短路径总是由已产生的最短路径再扩充一条最短的边得到的，且这条路径所到达的顶点其最短路径还未产生。例如在图3．5(b)中第二条路径是第一条路径扩充一条边形成的；第三条路径则是第二条路径扩充一条边；第四条路径是第一条路径扩充一条边；第五条路径是第三条路径扩充一条边。由以上描述，可用一种简便的方法来存储最短路径。可以利用一个数组P，P嘲给出从sN达i的路径中顶点i前面的那个顶点。在本例qhp[1：5】=[O，l，1，3，4】。从sN顶点i的路径可反向创建。从i出发按P嘲，P【p[i】】，PEp[p[il]]，⋯⋯的顺序，直到到达顶点S或0。在本例中，如果从i=5开始，则顶点序列为p嘲=4，p【4】=3，p【3}=1=s，因此路径为1，3"4，5。为能方便地按长度递增的顺序产生最短路径，定义d【i】为在已产生的最短路径中加入一条最短边的长度，从而使得扩充的路径到达顶点i。最初，仅有从sNs的一条长度为0的路径，这时对于每个顶点i，d嘲等于a【s】【i】(a是有向图的长度邻接矩阵)。为产生下一条路径，需要选择还未产生最短路径的下一个节点，在这些节点中d值最小的即为下一条路径的终点。当获得一条新的最短路径后，由于新的最短路径可能会产生更小的d值，因此有些顶点的d值可能会发生变化。综上所述，可以得到下面所示的伪代码，将与sg接的所有顶点的p初始化为s，这个初始化用于记录当前可用的最好信息。也就是说，从s到i的最短路径，即是由sN它自身那条路径再扩充一条边得到。当找到更短的路径时，P【i】值将被更新。若产生了下一条最短路径，需要根据路径的扩充边来更新d的值。①初始化d[i】叫s】【i】(1≤i≤n)，对于邻接于s的所有顶点i，置P【i】=毽，对 第3章供水管网模型与网络分析于其余的顶点置P【i】=o：对于P[i]g-O的所有顶点建立L表；②若L为空，终止，否则转至③；③从L中删除d值最小的顶点；④对于与i邻接的所有还未到达的顶局，更新dU]值为min{d[j]，d[i】+a【i】D】)：若dD】发生了变化局还未在L中，则置P[j】=1，并将j加入L，转至②。3．3．3．2供水管网中的最短路径分析对城市供水管网进行最短路径分析，首先必须将现实中的城市供水管网实体抽象化为图论理论中的网络图，然后通过图论中的网络分析理论来实现道路网络的最短路径分析。在实际应用中，城市供水管网的表现形式一般为数字化的矢量地图，其网络空间特征中的结点坐标和管网位置坐标是在地图上借助图形来识别和解释的；而为了能够高效率地进行最短路径分析，必须首先将其按结点和弧的关系抽象为图的结构。这就需要先对原始管网图进行预处理，建立其相应的网络拓扑关系。预处理的工作主要包括：对原始管网图进行线元素的拓扑检查、进行剪断处理，生成线和线相互不相交叉的管网图；对剪断后的管网图创建拓扑关系，并定义其属性特征，生成有拓扑关系的拓扑文件。经过预处理后，最短路径分析算法直接从拓扑文件中提取供水管网的网络拓扑结构并加载到内存中，从而提高路径分析的效率。要实现这样的系统应解决的关键问题是城市供水管网的地图表示和网络拓扑结构的提取。GIS中的矢量地图是按图层组织的，即将一幅地图分成多个层层叠加的透明层，这些透明层就称为图层，每个图层存放一类专题或一类信息，它由点、线、面等空间对象的集合组成。一般将描述空间对象的数据分为两类，即空间数据和属性数据。其中，空间数据记录的是空间对象的位置、拓扑关系和几何特征；属性数据是对空间数据的语义描述，反映了空间对象的本质特征。典型的属性数据有空间对象的名称、类型和对象特征等。一般在GIS中，空间数据和属性数据是分别存储的。在MapXtremeq，，属性数据以数据库的形式存储为一张表，而空间数据则以MapXtreme己定义的格式保存于文件之中。两者之间通过一定的索引机制联系起来。针对图层组织的特点，我们将城市供水管网单独作为一个图层处理，称之为管网层。将实际的城市供水管网转化到地图的图层中时，若将每一条管段(在网络图中对应于每一条弧)和结点都作为地理对象保存在图层中，不仅会给地45 第3章供水管网模型与网络分析图的制作造成很大的工作量，而且不利于日后地图的维护。同时，在最短路径分析时，用户往往关心的只是管段的相关信息。至于管段的属性数据和结点的坐标信息，虽然各GIS软件对其属性数据文件和空间数据文件的具体格式是不公开的，很难从中直接提取。但它们均提供了相应的数据交换文件，以用于空间数据和属性数据的数据交换。在MapXtreme中，每个图层均有其对应的属性数据表结构文件(．TAB)，属性数据表结构文件定义了图层中空间对象的属性数据的表结构，包括字段数、字段名称、字段类型和字段宽度等，另外还指出索引字段及一些用于显示的参数设置等。我们指定D是管段唯一的标识号【321；名称是管段的物理名称。MapXtreme对地图中的每一图层都可以生成一种交换格式文件，它将地图空间数据与属性数据用文字的方式表示了出来。交换格式文件包含有两类文件，其中．MIF文件主要包含了空间数据，指明了地图的坐标系、属性表结构、地图对象的类型和地理坐标信息等。．Mm文件则详细描述了各地图对象的属性信息，它的记录排列顺序与．Mm文件中空间对象的排列顺序一致。在．MⅢ文件中对于图层中的每一个线对象，均记录了该线对象的起点和终点的经纬度坐标。因此我们可以直接对．M硬文件进行操作，从中提取出各结点的坐标信息，并对各结点编号生成结点表；同时从．MD文件中提取各管段的属性数据，生成管段表。结点表和管段表一起作为拓扑文件表达了网络的拓扑结构。当地图更新时，只需重新生成结点表和管段表，然后就能从中提取出网络的拓扑结构，并用适当的数据结构来表示。 第4章数据组织与数据库结构设计GIS是一个利用现代计算机图形和数据库技术来输入、存储、编辑、查询、分析、显示、处理图形及属性信息的计算机系统。建立供水管网信息管理系统，首先考虑的应是系统数据库建立的问题，一切算法的实现都是基于一定数据结构的，一切系统功能的实现也有赖于数据库的建立。本章依据关系数据模型的理论和方法，和总结的管网数据的种类、特征，对城市供水管网信息管理系统数据库进行概念模型设计、逻辑设计，对管网数据结构、数据组织进行了详细分析设计。4．1GIS数据库技术4．1．1数据库系统数据库系统(DatabaseSystem)是运用计算机技术管理数据的系统。早期的数据管理都采用文件系统(FileSystem)，数据按其内容、结构和用途组成若干命名的文件，用户可以通过操作系统对文件进行打开、读、写和关闭等操作。但文件系统管理数据存在诸如编写应用程序不方便，数据独立性(Independence)不好，无维护数据一致性(Consistency)的监控机制，不易实现数据的规范化、标准化和数据安全等缺点。针对文件系统的缺点，后来逐步发展了以统一管理和共享数据为主要特征的数据库系统，在数据库系统，数据作为共享资源由数据库管理系统统一管理。应用程序不必直接介入打开、关闭、读、写等低级文件操作，而这些由数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，DBMS)代办，用户则在更高的抽象级别上观察和访问数据【331。’随着计算机应用的发展，DBMS的功能愈来愈强，规模愈来愈大，复杂性也随之增加。层次数据库(HierarchicalDatabase)和网状数据库(NetworkDatabase)是20世纪60年代技术条件下的产物，20世纪80年代又是关系数据库(RelationDatabase)的全盛时期，它们被认为是传统的数据库系统。随着计算机的广泛应用，关系数据库在新的应用需求中暴露出许多限制和不足，而这又推动着数据库技术的不断更新，以对象和对象关系数据库为代表的“后关系数据库" 第4章数据组织与数据库结构设计(Post．RelationDatabase)时代的到来也将不会遥远f蚓。GIS在一定意义上是计算机技术应用系统，其应用的数据库系统必须建立在常规数据库系统的基础上，因此，数据库技术的发展也深刻影响着GIS的数据管理模式。但GIS又以处理空间数据和空间关系为特点，其数据库系统中必须增加空间类型及其空间数据操作，并提供空间索引。经过这样扩充的数据库系统被称为空间数据库系统。4．1．2数据库模型4．1．2．1传统型数据库层次、网状和关系数据库是数据库诞生以来广泛应用的三种数据库，一般称为传统型数据库。(1)层次数据库层次数据库结构是将数据组成一对多(或父节点与子节点)关系的结构，层次结构采用关键字来访问其中每一层的每个部分。层次数据结构的优点是存取方便且速度快、容易理解、检索关键属性十分方便等，适合于文献目录、银行等信息系统。缺点是结构呆板，且需保留大量的索引文件造成大量的数据冗余。(2)网状数据库网状数据库结构是用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是一种具有多对多类型的数据组织方法。这种方式可将存放在数据库不同部分的图形要素，通过指针进行多通路连接，迅速成图，特别适合综合制图。缺点是指针数据项占用了大量的数据空间，而且数据的修改必然引起指针的变化，数据库维护开销很大。(3)关系数据库关系数据库以记录组的形式组织数据，以便于利用各种实体(图形)与属性之间的关系进行数据存取和变换，它不分层也无指针。从关系数据库中提取数据时，用户需要按自己的需要定义数据间的关系，数据库管理程序根据这种关系取出用户需要的数据，重新建立数据表。关系数据库的最大优点是结构灵活，可满足所有布尔逻辑运算和数字运算规则形成的询问要求。添加和删除数据在关系数据库中都非常方便，因为这些活动只涉及单个元组(记录)。不过， 第4章数据组织与数据库结构设计关系数据库中的许多操作都要求在文件中顺序查找，这一过程要花费很多时间。由于传统型数据库的发展和应用，在数据管理方面，向用户提供了统一的数据库结构和相应的数据库语言，从而有可能集中设计一个单位的数据库结构，供不同用户共享。传统型数据库结构不但在数据库发展的历史上起过重要作用，而且迄今为止，它们，特别是关系数据库，仍然是商业DBMS的主流数据库结构，在面广量大的事务处理应用中它们基本适用。由于历史和技术条件的限制，传统数据库模型留有很深的面向实现的烙印。其弱点概括起来有如下四点：①以记录为基础，不能很好地面向用户和应用；②不能以自然的方式表示实体间的联系；③数据类型有限，难以满足应用的需要；④语义贫乏，难以理解属性间的关系。为弥补传统数据模型的以上不足，从20世纪70年代后期开始，陆续出现了各种非传统型的数据模型。4．1．2．2非传统数据模型这些数据模型出现在关系数据库模型之后，因此被称之为后关系数据模型(Post-RelationalDataModel)。其种类很多，主要包括E．R数据模型(Entity-RelationshipDataModel)、面向对象数据模型(Object-OrientedDataModel)等。(1)E-R数据模型即实体关系数据模型，在这一模型中，用实体(Entity)、属性(Attribute)和关系(Relationship)三个简单明了的基本概念来抽象现实世界，并用非常直观的E．R图来表示E．R数据模式。这样，在E-R数据模式中，人们所关心的仅仅是有哪些数据及其相互关系，而不涉及到它们在计算机内的表示。(2)面向对象数据模型该模型是一种可以扩充(Extcnsible)的数据模型，它吸收了语义数据模型和知识表示模型的一些基本概念，同时又借鉴了面向对象程序设计语言和抽象数据类型的一些思想，采用了对象(Object)、属性(Attribute)、方法(Method)，封装(Encapsulate)、消息(Message)、类(Class)、实例(Instance)和类层次(ClassHierarchy)等概念来抽象现实世界，并提供了概括(Generalization)、特化(Specialization)、聚合(Aggregation)、关联(Association)等联系来实现由原始数据类型形成复杂的数据类型的过程。面向对象数据模型由于其语义丰富，表达也比较自然，并随着面向对象程序涉及的广泛应用，它也将越来越 第4章数据组织与数据库结构设计普遍地应用于DBMS数据模型。实践证明，面向对象的数据模型非常适合于表示空间对象【351。4．1．3GIS空间数据和属性数据基于GIS的信息系统中的数据有空间数据和属性数据之分，现分别对其作简要介绍：4．1．3．1空间数据库结构地理信息系统是伴随着计算机技术的发展而发展起来的，数据库技术的每一步发展都对地理信息系统的数据结构模型产生深刻的影响，而且GIS起源于关系数据库发展和盛行的20世纪六七十年代，现流行的GIS系统多以DBMS为基础，以关系数据库管理系统(RDBMS)为主，在近来又发展了对象一关系数据库系统(ORDBMS)或对象数据库系统(ODBMS)。(1)以RDBMS为基础的空间数据库系统结构由于目前的RDBMS产品还不支持空间数据类型及其操作，解决这个问题一般有如下两个途径：①分层结构(LayeredArchitecture)在这种系统结构中，利用RDBMS所支持的数据类型，在DBMS上增加一层，以实现空间数据类型及其操作。用RDBMS所支持的数据类型表示空间数据时，一般是用点、直线段等简单空间数据类型表示复杂的空间数据，且点、直线等可以很方便地用关系数据模型表示，这种方法的缺点是构造复杂空间数据的开销很大、性能不好；②双重结构(DualArchitecture)分层结构只能利用RDBMS的已有功能对空间数据做有限的支持，空间数据存储结构和索引等不可能由上层来实现。为了克服此缺点，在RDBMS外，增加了一个专门管理空间数据的子系统。有关空间的数据可分为两个部分：非空间属性存于RDBMS中，空间属性存于空间数据子系统中。它们之间用逻辑指针(即空间属性标识符)相连。但是在用户接口上看到的是一个不分割的元组。(2)以ODBMS或ORDBMS为基础的集成空间DBMS结构近年来，ODBMS和ORDBMS都已商品化。由于它们都是可扩充的DBMS，可以在其中定义空间数据类型和操作。空间数据和非空间数据可以同样处理，这为研制集成空间数据库系统创造了条件。但是，ODBMS和ORDBMS仅仅提供了扩充成空间DBMS的可能，要达到此目的还要做大量的工作，如定义空间数据 第4章数据组织与数据库结构设计类型及其操作、实现空间索引及有关空间数据的用户接口、增补有关空间数据的查询优化策略等。从发展来看，建立在ODBMS或ORDBMS之上的空间数据库系统将会越来越多，将逐步成为技术发展的主流。4．1．3．2属性数据库结构作为地理数据组成部分的属性数据区别于一般数据库中的文本数据的重要之处是具有空间标识，即每一个属性踅据总是与某一空间实体相对应【361。目前，在GIS中对属性数据的管理和处理普遍采用当前比较成熟的数据库管理系统DBMS，当今主流数据库仍然是RDBMS，主要的GIS产品也利用关系数据库来管理属性数据，并通过空间索引技术实现与相关联的空间数据的连接。4．1．3．3图形数据与属性数据的连接地理信息系统的重要特征之一是它能将空间图形数据综合到一个单一的系统，这样使得空间数据和非空间属性数据之间的交互复杂分析和建模成为可能。在空间数据库系统中，图形数据与专题属性数据一般采用分离组织存储的方法存储，以增强整个系统数据处理的灵活性，尽可能减少不必要的机时与空间上的开销。然而，地理数据处理又要求对区域数据进行综合性处理，其中包括图形与专题属性数据处理。因此，图形数据与专题属性数据的连接也是很重要的。图形数据与属性数据的连接基本上有4种方式。(1)图形数据与属性数据分别管理这种方式没有集中控制的数据库管理系统，它有两种管理形式：①属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存储的。这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才有用；②用单向指针指向属性数据。此方法的优点在于属性数据多少不受限制，且对图形数据没有什么坏影响。缺点是仅有从图形到属性的单向指针，因此，互相参照是非常麻烦的，并且容易出错，如图4．1(a)所示。(2)对通用DBMS进行扩展以增加空间数据的管理能力通过扩充通用DBMS来增加空间数据的管理能力，将空间数据和属性数据置于同一个DBMS管理之下的方法，不仅可使空间和属性数据之间的联系比较密切，还便于利用某些!DBMS产品的现成功能，但为了使空间数据适应关系模型，却需牺牲软件运行的效率，如图4．1(b)所示。(3)属性数据与图形数据具有统一的结构此结构中有双向指针参照，且由一个数据库管理系统来控制，使灵活性和5l 第4章数据组织与数据库结构设计应用范围均大为提高。这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求，如图4．1(c)所示。(4)图形数据与属性数据自成体系此方案为图形数据和属性数据彼此独立地实现系统优化提供了充分的可能性，是适合于不同部门的数据处理方法。这里，属性数据有其专用的数据库系统，并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能，如图4．1(d)所示。在许多GIS系统中，图形数据和属性数据并不是使用单一的连接方式，而是根据具体情况使用多种方式‘371。数据库管理系统数据库管理系统(扩展空间)’『商用数据库4．2系统数据库设计数据库管理系统bcd图4．1图形与属性的连接4．2．1数据库设计原则在关系数据库中，关系表必须遵循一些基本的规则。这些规则能够保证数据库的完整性、一致性等要求，否则设计出的数据库就会存在很多的隐患，在 第4章数据组织与数据库结构设计特定的条件下会产生插入异常，删除异常等错误。因此要求关系数据库中的关系满足一定要求，满足不同程度的要求即为不同的范式。第一范式是关系数据库最基本的要求，因此要求本系统的数据库中的关系表至少满足第一范式，即构成关系的域中没有重复组。根据关系数据的规范化要求，城市供水管网空间数据库的建立要遵循下列原则：(1)时间性和数据的冗余在设计数据的字段时应考虑到数据的时间序列，但同时不能使数据库的冗余太多。(2)整体性。数据库的数据，要保持相对的完整，对某一类的数据，即要充分考虑到上面的时间性和数据的冗余，同时又要考虑到数据的整体性，不能使某一类数据短期内数据的字段要加长或缩短。(3)数据的索引建立相应数据库的索引，以加快软件的运行速度。(4)保密性数据库的数据要分级进行管理，即系统管理者，部门使用者和访问者均赋予相应的权限。城市供水管网信息管理系统中涉及的数据包括图形矢量数据、空间属性数据和工程管理数据。为了增强整个系统数据处理的灵活性，采用分开存储的方法。图形矢量数据以MapXtreme标准文件格式存储在特定目录下，图形中每个地物均有其对应的唯一的标识(ID号)，系统以此为索引建立该地物的图形数据文件。空间属性数据与工程管理数据均采用MicrosoftSQLServerS笊存储，它是微软推出的大型数据库服务器，对本系统而言，已经完全够用，并具有使用方便、可伸缩性好，与相关软件集成程度高等优点。和WindowsXP操作系统结合比较紧密，并且与ORACLE相比，价格也低廉得多。各地物属性记录的关键字为图形文件中该地物的D号，由此便实现了图形文件与属性文件的一一对应关系。4．2．2MapXtreme空间数据存储形式空间数据结构是GIS的基石，GIS是通过地理空间拓扑结构建立地理图形的 第4章数据组织与数据库结构设计空间数据模型并定义各空间数据之间的关系，从而实现地理图形和数据库的结合。MapXtreme实现了地理信息系统的一些常用的分析功能，如缓冲区分析、叠加分析和查询分析等，但是其最大不足是它不具备拓扑关系的数据结构，空间分析能力较弱。而进行空间分析的一个重要前提是建立地物的空间拓扑关系，供水管网的空间拓扑关系是非常重要的，它是进行管网事故分析、水力分析、优化调度等的基础。普通管线地图一般包括三类要素：点状要素、线状要素和面状要素。在二维空间中，它们分别对应三种图形元素即结点、弧和面域(多边形)。供水管网的地理分布特征如下【38】：(1)点状分布：供水系统中的泵站以及供水管网中的水阀、水泵等都是点分布，它们的共同特点是不考虑实体大小，以抽象的点对象为表达方式，在图上以(x，y)坐标唯一指定。由于供水管网的地下特殊性，管网中的点对象还担负着地面设施与地下设施连接的重要作用。(2)线状分布：供水系统中的输水管道是典型的线状分布，它们反映的是离散的点对象之间的连通关系，一般以折线对象来表达，在图上显示方式为多个坐标(xl，y1)(x2，y2)⋯(xn,yn)(n>1)的集合。(3)面状分布：供水系统中的用户和城市行政区域可视为面状分布。严格来说它们不属于供水系统的内部构成，但却与供水管网的布设有重要关系，是供水系统运行的目的，是供水系统管理的重要方面，面状对象在图上多以多边形来表示。供水管网在地理上呈点、线、面分布。以点、线为主，我们经常研究的管网拓扑关系就是这三类拓扑元素之间的关系，如邻接、相交等。由于MapXtreme没有提供拓扑分析功能，因此必须在数据库表的设计中提供反映各图形对象拓扑关系的字段，管理相应的地理信息数据【39lDOl。如图4．2所示。 第4章数据组织与数据库结构设计图4．2拓扑关系图MapXtreme采用双数据库存储模式，即其空间数据与属性数据是分开来存储的。属性数据存储在关系数据库的若干属性表中，而空间数据则以MapXtreme的自定义格式保存于若干文件之中，两者之间通过一定的索引机制联系起来。同时，MapXtreme的空间数据结构又是一种分层存放的结构。用户可以通过图形分层技术，根据自己的需求或一定的标准对各种空间实体进行分层组合，将一张地图分成不同图层。采用这种分层存放的结构，可以提高图形的搜索速度，便于各种不同数据的灵活调用、更新和管理。图4．3清楚地说明TMapXtreme的这种空间数据结构【4I】。 第4章数据组织与数据库结构设计综合地图图层1图层2图4．3MapXtreme的空间数据结构空间实体对应的空间数据表MapXtrerne系统将空间数据类型抽象成点、线、面和文本四类，再由此派生出空间地物。属性数据相近的空间地物组成一个图层(Layer)。MapXtreme以表(Table)的形式组织图形与属性数据，一个表为一个图层。MapXtreme的表由以下几种文件组成：Filename．tab：描述表的结构Filename．dib：不同格式的数据文件Hlename．map：表的图形对象Hlename．id：包含表的地理素引Filename．ind：包含表的列索引对于每一图层，MapXtreme的属性管理采用关系型数据结构，属性字段由用户定义。在MapXtreme系统中，每建立一个地物目标，便在相应图层的属性数据库里创建一条记录，系统自动加上内部Reeon，使图形目标与属性数据相关联。我们在MapXtreme数据库中为系统的总表定义D字段，为每一个图形对象按照编码方案添加其口编码。D号必须唯一。 第4章数据组织与数据库结构设计4．2．3数据绑定数据绑定是将属性数据与图形数据关联。它是实现属性信息查询、专题图制作的一个重要环节。数据绑定将外部数据引人-fMapXtreme，可以绑定的数据源包括表4．1所示类型【421。表4．1可用于绑定的外部数据源类型描述ADODAODelphi1310balHandelLayerNotesView／NotesQueryoDBCOLEDataRDOSafeArraUnbound使用ADO(Activedataobjects)DAO对象，可以是vB中的datacontrol、Access表格等，也可自己创建使用BorlandBDE数据Letsyoupassinablockoftab-delimiteddata创建一个Dataset，使用Maplnfo表字段专门用于LotusNotes可以使用ODBC从任何ODBC数据源中获取数据用于container，如PowerBuilderMSRemoteDataObjects和RDO结果集对象COM数据集，与safearraydf数据进行数据绑定兼容其他数据绑定主要有两个作用：一是通过数据绑定，可以将BindLayer对象作为一个参数，使用Datasets的Add方法将自己的表转变为一个Dataset。这将在地图中创建一个新的图层，并且将表中的数据以点等图形对象表示。一旦将数据引人地图，就可以很容易地使用MapXtremegIJ建应用程序，并实现多种地图功能；二是将属性数据绑定到地图中，并创建专题图，如果地图对象中包含相应的属性信息，也可使用Add方法将某个属性字段添加到地图中，进而就可以按照需要创建相关的专题图。数据绑定通""过．Datasets的AddS／法实现。在Mapxtreme中，每张地图对应多个图层(Layers)，每一个图层都有一个Datasets，其中包含Datasetg：寸象。Datasets拥有一些属性和方法，用来在集合中添加和删除Dataset95j"象，主要方法包括Add和Remove，使用Add方法绑定的最终结果是Datasetg习"象的创建。这个Dataset对象被加入到Datasets集合中，包含了被绑定图层的对象的计算结果。比如说，如果数据被绑定到USStates地图，每一个州将对应一个新的数据值，这个数据值被 第4章数据组织与数据库结构设计用来控制地图的绘制。如果数据源中含有某个城市的多个记录，则这些记录的值可以进行累加、平均值等计算。使用Dataset的Value方法可以取得地图中每一个对象的计算结果。4．3系统数据库详细设计4．3．1供水管网数据特点分析和其它GIS数据相比，供水管网数据有其鲜明的特点，充分研究数据的特点，对系统的建设和维护都是很重要的。需要全面考虑供水管网的关系，也需要在纷繁复杂的现象中寻找其共性，来为进一步的概念模型的建立提供基础。供水管网数据作为一种基本网络数据，满足网络数据的一般特性，其基本构成包括弧段、节点和附件(管网附属设施)。由于在供水管网信息管理系统中不需要考虑面状拓扑，因此在考虑供水管网数据组织模型时，可进行适当的简化，去掉与多边形有关的信息，以减少数据量和提高系统的运行效率，这样可以抽象得出供水管网的基本结构有弧段和节点组成。节点不仅包括各类管线的中间节点、转角，还包括管点实体要素和一些特征点，如埋深变化点、管径变化点和管网分汇点(主要是三通、四通，阀门等)。弧段是连接相邻节点的管线。分析供水管网数据的特点对数据结构和数据模型的构建都有很重要的意义。4．3．2概念模型设计数据模型是信息系统的核心和基础，为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某--DBMS支持的数据模型，人们常常首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转化为机器世界。也就是说，首先把现实世界中的客观对象抽象为某一种信息结构，这种信息结构并不依赖于具体的计算机系统，不是某一个DBMS支持的数据模型，而是概念级的模型，然后再把概念模型转化为可以为计算机上某一种DBMS支持的数据模型【43】。供水管网数据模型的建立，对管网数据的表达和管网各个功能的实现等方58 第4章数据组织与数据库结构设计面都有着关键的作用。对于一个信息系统而言，数据模型的设计极为重要，它直接影响到系统的功能以及系统的更新与扩展。供水管网由管线段和水库，水塔，水泵，水阀等附属设备组成，呈树状，环状或辐射状，形成一个系统。系统的各组成元件相互影响，共同发挥作用。供水管网数据是一种基本网络数据，满足网络的一般特性，弧段表示相邻节点间的管线段。由于供水管网系统中不包含面状实体，所以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。城市基本框架图层中虽然有面状实体，但是城市基本框架图层仅仅用于指明供水管网在城市中的相对位置，不要求具有很高的精度。因此在建立管网数据模型中，可进行适当的简化，去掉与多边形有关的信息，以减少数据量。提高系统的运行效率。模型结构如表4．2所示：表4．2系统模型结构供水管网元素地图形式管线段水库水塔水泵水阀折线形式点形式在该模型中，首先将城市分为多个城区，每个城区的信息又分为基本框架信息和管网信息两部分。供水管网层包括点状实体和特征点，线状实体两类数据。实体和特征点由节点和指明节点特征的的标记组成，点由几何坐标定位。线状实体由弧段和指明弧段特征的标记组成。弧段由一系列坐标点描述。基本框架信息反映了城市基本面貌。由点状，线状和面状三类实体组成。该模型中所有实体都有区别与其他实体的属性特征。模型的概念见图4．4： 第4章数据组织与数据库结构设计4．3．3数据组织模型图4．4供水管网模型概念当前空间数据组织的基本方式主要有基于拓扑关系的数据模型、面向对象的数据模型、实体一关系数据模型等不同的数据组织方式，其数据管理效率、数据共享、适用环境等都有着明显的差异。空间数据的拓扑关系模型是地理信息系统的基石。当前商用地理信息系统中，主要采用“空间实体+空间索引"和POLYVRT结构两种模型ml。POLYVRT的优点是多个不同的对象可以共用相同的结点，从而节省存储空间，但由此产生的问题是结构更加复杂，数据的编辑和维护比较困难．而“空间实体+空间索引"的存储模式虽然会造成公共点的重复存储，但其结构化的实体模型使得对某个对象的更改不会影响到其他对象的定义，从而增强了空间数据的可维护性。另外，基于POLYVRT结构的空间数据组织不能被规范为关系模式，而“空间实体+空间索引"模型可以规范为实体一关系模型，从而与关系数据库系统结合，在关系数据库内实现对空间数据的查询、分析、处理等操作。 第4章数据组织与数据库结构设计MapXtreme采用的是“空间实体+空间索引’’的拓扑关系模型。“空间实体+空间索引”模型的基础是“空间实体"。空间实体是地理实体的抽象，主要包括点、线、面三种类型。每个空间实体对象都维护着自己的所有属性。多个空间实体构成一个图层。“空间实体+空间索引"模型的空间查询功能是通过“空间索引’’技术来实现的，空间索引的目的是对给定的空间坐标，能够以尽可能快的速度搜索到坐标范围内的空间对象。其中，MapXtreme采用R-Tree技术将空间实体的最小外接矩形存储在索引中，并按由大到小的顺序进行索引搜索，一旦建立了空间索引，我们就可以进行空间分析。MapXtrerne数据索引机制是把空间目标的空间数据和属性数据联系起来。(1)当从属性信息查询空间信息时，MapXtreme先要在属性数据文件中找到相应的数据库记录号，然后在交叉索引文件中找到该记录号所对应的指针，该指针所指向的图元就是与数据库相对应的空间对象。(2)当从空间信息查到属性信息时，如果已从地图上查到某一空间对象，MapXtreme系统就可以从空间数据文件中读出其空间信息和与之相对应的数据库记录号，根据数据库记录号就可以在属性数据文件中查到该地图对象的属性信息。在建立供水管网信息管理系统数据库时，可按管线数据类型划分为不同的数据层，这样有利于对地理数据进行分类和组织，将管线按层分类存放，可以实现对管线各个要素的检索和灵活地调用。4．3．4属性数据库与空间数据库的设计数据库设计的主要任务是完成空间数据结构和属性数据结构的设计以及图形和属性信息的关联。建立起它们之间快速、有效、准确的联系，这是构造GIS的基础与关键。目前GIS通常采用空间数据库和属性数据库分别管理图形数据和属性数据，两个数据库之间通过公共目标标识码(D)加以连接。按性质划分，供水管网信息管理的数据库可分为空间数据库和属性数据库，前者由地图空间数据()("Y坐标等)和供水管网各组成元素(如管段、水阀等)的空间数据(XY坐标等)组成；后者由地图属性数据(如建筑物层数)和供水管网各组成元素(如管段、水阀等)的属性数据(如水阀口径等)组成。6l 第4章数据组织与数据库结构设计按类型划分，本系统的数据库包括地图数据、管段数据、管网水阀数据、水泵数据、水库数据、管网节点(如三通、四通、堵头等)数据等。(1)空间数据库空间数据主要是由地理底图数据、点文件、线文件组成，其中地理底图数据包括一些最基本的信息，如道路、建筑物等；水阀、水库、水塔、水泵等的空间数据形成的点文件；管段数据形成的线文件。(2)属性数据库根据关系型数据库管理系统的要求，对每一图层的图形实体所对应的属性数据及其结构进行定义，然后统一整理、编码。例如，供水管段的属性包括管段ID，编号、管径、管材、地理位置、起终点编号、起终点坐标、起终点的埋深等1451。空间数据和属性数据都可以进行实时的维护，对空间数据可新增加和删除线段、点等，对属性数据可增加和删除数据项、任意查找、修改、编辑，可以由系统自动更新数据或直接对数据库进行修改。按照系统要求和需求分析，将基础数据中的属性数据放在大型数据库系统SQLServer中统一管理，空间信息文件放在fljMapXtreme管理的TAB表中，采用唯一D进行关联。供水管网模型中的元素包括管段和水库，水塔，水泵，水阀等附属设备，建模时将每个建模元素封装成一个类，在这个类中把该元素的属性定义为成员，把功能定义为该类的方法。方法中还要实现和数据库的交互，其中还包含数据库的建立等。管段表记录管网中每条弧段的信息，点状实体包括水库、水塔、水泵、水阀。这些管网建模元素的属性信息表如表4．3一表4．7所示。表4．3管段属性表的结构 第4章数据组织与数据库结构设计 第4章数据组织与数据库结构设计在MapXtreme表里也设置了一个字段“label”，它与上述各表的label值是一致的。label值是每个实体的唯一性的特征编码或识别符，它是图形数据与属性数据的连接及相互检索的联系纽带。根据图形数据带有的识别符与属性数据的识别符，使图形数据与属性数据连接起来。label值由目标类型代码前缀+数字组成。数据在各个模块间流动的关系如图4．5所示。 第4章数据组织与数据库结构设计图4．5系统数据流程图 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现5．1总体设计5．1．1城市供水管网信息管理系统的特征城市供水管网信息管理系统是以供水管网的空间信息和属性信息为核心，利用计算机地理信息系统技术、计算机图形学技术、数据库管理技术和信息可视化技术对城市供水管网进行综合管理，为施工部门和管理部门提供供水管网准确的走向和埋深等有关信息，通过进行各种统计分析和空间分析，为领导部门进行管网规划、管网改造等等提供辅助决策功能。从功能上来说，城市供水管网信息管理系统应能快速提供真实准确的供水管网信息，并能实现快速查询、综合分析等操作，从而为供水管网的管理、发展预测、规划决策提供可靠的依据。同时，它应不同于一个单纯的MIS(信息管理系统)、DDS(决策支持系统)、OA(办公自动化系统)等，而是在某种条件下的各系统的综合应用m1147]14胡。不仅能应用于供水管网日常管理方面的工作，还应能够进行管网规划的辅助设计等工作。根据城市供水管网信息管理系统的功能要求，可归纳出系统的特征如下【49】：(1)必须有效地实现对空间数据(图形数据)和非空间数据(属性数据)这两种不同性质数据的操作和管理。两者有效的结合才能使地理信息系统的统计和分析的优势得以发挥。(2)所需存储、处理的数据量大，内容复杂。城市供水管网信息管理系统以供水管网空间信息为主要操作对象，它们是一个有机的整体。城市供水管网信息管理系统对这些空间特征的表示，甚至比常规地形特征描述更为复杂。(3)数据的现势性要求很高。随着城市的飞速发展，城市供水管网不断的延伸、调整，城市规划和管理又要求数据具有较高的现势性。因此，供水管网对象的动态性，使得数据的不完整性成为城市供水管网信息管理系统的一个突出问题。5．1．2系统的设计原则 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现城市供水管网信息管理系统的建立是一项系统工程，系统设计包括组织和技术两方面内容。从技术角度上看，系统设计必须进行充分的用户需求调查．对用户的运作机制、信息流程、现有数据状态、用户要求等作详细了解，再从系统工程的角度出发、采用快速原型法，进行自上而下的系统详细设计。此系统旨在为自来水公司提供一套完整的智能化、自动化管理解决方案，解决管线设计、管网管理等各个层面的各种问题，对供水管线及其设备的图形和属性数据进行查看、统计和分析，为爆管抢修等事故处理提供方案。节省管理时间，提高工作效率和社会效益。本系统除了应具有一般应用系统的特点外，作为地理信息系统在供水管网管理方面的应用，还应具有地理信息系统的特点，并且要满足供水管网管理的需要。因此在设计水资源管理信息系统的过程中，应坚持以下原则：(1)系统的完备性系统的功能齐全完备，供水管网信息管理系统首先应具有地理信息系统所具有的所有功能，包括：数据采集、数据编辑、数据管理、空间查询和分析、以及地图、统计表输出等。除此之外，还应具有管网管理系统所独有的网络分析功能和漏损分析功能。(2)系统的标准化系统的设计应符合地理信息系统的基本要求和标准，系统的数据类型，数据编码、图示、符号等应符合当前现有的国家标准和行业规范。(3)系统的兼容性系统的数据应具有可交换性，系统设计过程中，应选择标准的数据格式，实现系统数据与其他常用GIS软件，CAD软件及其他数据库管理系统之间的数据共享。一方面，系统应该能把其他格式数据作为输入数据进行处理，另一方面，系统处理后的数据，应能以多种数据格式输出。“)系统的灵活性作为一个应用系统，由于不同的用户有不同的要求，系统设计时应考虑不同用户的多种需求，用户使用时可以方便的设置系统的功能，灵活的更改属性数据表，最大限度满足用户的需求。城市供水管网信息管理系统是一个集成地理信息系统和管理信息系统的应用系统，空间数据库集完成地理实体空间，属性数据和用户日常业务处理数据的管理。GIS功能部分和管理信息系统部分构成Client端，通过同一个数据库接67 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现口来访问空间数据库。城市供水管网信息管理系统是城市基础地理信息系统的重要组成部分。由于城市地下管线一般采用由规划局集中管理，管理员采用专门的管理工具，通过Clieat／Scrver模式可以直接操作矢量数据，图形数据是通过服务器转换成栅格图片来进行传输的。各管线权属单位定期向管理员提供数据更新信息，由管理员实施统一的数据更新。所有的数据不对公众开放，施工或建设单位需要使用时，可以向主管部门提出使用申请，并由专人办理。根据调研分析，该系统的组成和本产品同其他各部分的联系和接口如图5．1所示。整个城市供水管网信息管理系统软件主要由管网建模、查询统计、运行监控、爆管事故分析、系统维护、使用帮助等6部分功能组成。图5．1城市供水管网信息管理系统软件与外部系统的关系整个系统的输入部分为用户的界面操作，包括鼠标点击和字符输入等一系列的界面输入操作，系统将按照界面的操作定义，解析用户的操作意图，实现对应的功能。输入部分还包括对MapInfoTAB格式的地理信息文件数据的支持。整个系统的输出部分为城市供水管网模型(图层化的网状结构)、查询统计报表、动态的监控曲线、运行分析报告、爆管分析报告、爆管抢修单、系统应急预案等若干图表结合的用户定制文件。 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现5．1．3基本设计概念和处理流程城市供水管网信息管理系统的总体功能，如图5．3所示。整个软件系统的输入部分为用户的界面选择信息和导入的GIS数据。主要涉及到用户通过鼠标、键盘等输入设备所输入的信息(包括按钮的控制和字符的键入信息)，以及TAB格式的GIS数据。支撑部分涉及到以下方面：系统硬件设备(包括计算机终端、网络连接设备、服务器等)、MapXtrome、C撑和Wcblogicl网络服务(B／S使用)。以上部分分别从硬件、软件和数据资源方面对整个城市供水管网信息管理系统提供基础性的支撑，使其具备稳定运行的平台。控制部分为供水管网系统的管理规范，涉及有关的项目计划、管网设计规范、供水设备运行机制等信息，用以指导和约束整个软件系统的运行。输出部分为供水管网信息管理项目的输出结果，其中包括：管网模型(图层化的网状结构)、查询统计报表、动态的监控曲线、运行分析报告、渗漏分析报告、爆管分析报告、爆管抢修单、系统应急预案等。图5．2软件整体功能管网模型查询统计报表动态监控曲线运行分析报告爆管分析报告爆管抢修单系统应急预案本系统主要包括六个基本设计概念：管网建模、查询分析、运行监控、爆管抢修、使用帮助、系统维护。整个系统的处理流程也是基于这六个基本概念的相应程序模块。本系统的基本设计概念和处理流程，如图5．2所示。系统运行时，首先通过系统维护模块，对用户管理、系统属性、帮助文档、数据备份参数进行有效的设置，以形成良好的系统运行环境。这一部分为了方便用户，对于系统属性和帮助文档选项等这种共性的设置，也具有默认设置的系列参数。 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现在一般情况下，用户可以不用对其进行设置，即可运行。但是对于用户管理模块，则必须首先对用户角色和权限进行有效的设置和管理，才能允许相应用户使用本软件。5．1．4接口设计此次研究的核心是基于MapXtreme开发的地图引擎系统。基于这个核心，系统层次结构设计要做到合理、清晰，以保证整个系统的稳定性和可扩展性。对于系统中服务器端的功能逻辑、客户端的操作逻辑以及底层操作如与操作系统、数据库的交互等互相缠绕的操作必须在层次结构设计上做到分离，以保证核心系统的稳定性；在地图功能开发包及扩展地图功能上实现各个模块的相对独立，以保证系统的可扩展性。同时提供地图管理、用户管理、数据管理等功能，从而构成了一个完整的系统【s01。系统的功能模块及接I=1如图5．3所示。应用接口部分内核部分管网建模系统接口部分高级查询查询统计I操作系统}．--"lI操作系统接口l图层控制I运行监控I●峥其他功能●峥●悟MapXtrcme爆管事故分析数据库■一一数据库接口MapX用户扩展接口系统维护●I使用帮助用户扩展功能图5．3系统功能模块图各部分功能说明如下：(1)系统接口部分通过系统API函数与操作系统、数据库、网络的系统进行通信。(2)应用接口部分通过地图API函数与MapXt朐ne进行通信。(3)内核部分封装了GIS一些高级功能，如高级查询、图层的管理、缓冲区 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现的管理等功能。(4)用户扩展功能部分通过用户扩展接口与内核部分通信。5．2功能模块设计及功能的实现城市供水管网信息管理系统作为地理信息系统的应用，首先要具备地理信息系统的基本功能，包括数据输入、数据编辑、空间查询、空间分析和数据输出等功能。其次，由于供水管网数据呈网状分布，城市供水管网信息管理系统还应具有独特的网络分析功能。根据这些要求，城市供水管网信息管理系统的功能设计如图5．4，从功能上分为六个模块。图5．4系统功能模块图’如图5．5，为城市供水管网信息管理系统的启动界面，用户输入事先分配的用户名与密码，进入相应权限的系统主界面。71 第5章城市供水管眄信息管理系统的设计与实现5．2．1蕾圈建横模块系统维护更新是保证整个GIS系统正常运行的重要工作，而数据日常更新是其中一项主要内容。本模块是空间图形数据的主要入口，它提供了友好的图形化界面，简化了操作，用画线和放置符号的方法把栅格管网图转化为矢量管罔图，即完成图形数据的数字化，属性数据的录入也同步完成。提供方便的网络输入手段，构造网络拓扑关系，建立与管网元素相关的属性数据库，并提供供水管网的图形编辑工具，完成属性数据和空间图形数据输入。具体包括：(1)新建、保存、清除图层操作(2)圈元属性数据输入添加节点、管线、阀门、水泵、水库、永箱符号，并输入其相关属性；例如与管网漏损有关的属性输入操作，如图5．6所示；图5．7为部分供水管同建模图。 第5章城市供求管网信息管理系统的设计与实现圈5．6圉元属性敷据输入示剜图5．7供水管网建模示铡 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现(3)空间数据输入绘制、删除管线、节点等图元；由MapInfo地图文件直接读入。(4)管网编辑与更新对管线、管点空间数据的编辑与更新：对管线、管点属性数据的编辑与更新；对各种节点、管网要素、管件符号的编辑与更新。(5)提供各种管网元素空间和属性信息的浏览、显示可以用选择放大、缩小、漫游等工具来浏览图形，最后可返回全图；对图元属性可实现自动标注；可以查找到邻近的图元。5．2．2查询统计模块对空间数据的查询和分析是GIS系统的主要特色。该模块可以实现双向查询，如图5．8。既可以通过零星的管网要素属性信息(如口径、材质、地址等)来查询要素的准确地理位置(如图5．9)，又可以通过点击地图上的图形要素来查询其所有属性信息(如型号、埋设年代、运行状况等)。属性获取图中的几何对象选中菜单或工具栏查询图形或查询属性图形获取选中的图形的属性或者查询满足条件的属性根据条件判断，选中满足g．Ce的结果显示结果(图形悃表)图5．8双向查询同时，系统还可对一定范围内管网要素的长度和数量进行统计，为辅助决74 第5章城市供水管阿信息管理系统的设计与实现＆依据。查询统计模块是面向广大职工、生产部门、企业管理人员的开放系统界面友好、工具丰富、操作简便、查询速度快。该模块主要功能包I)用户可通过从图上选择一定范围内的地物而显示其相关的属性信息．如目、矩形查询、缓冲区查询等：∞按编号、区域、埋深等管网信息进行模糊组合查询(如图510)；并可§准确地定位用户所需的管网要素，如管线、水阀的定位；1)提供灵活多样的统计方法．可以对不同类型图元的区域、控制状态、海i性进行查询统计，并输出统计结果。59查询管网要素的地理位置“厂—一门“r—一510模糊查询鬻一鬻 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现图层控制是系统中的一个基本功能，通过系统提供的图层控制操作，用户可以方便的添加、删除圉层，并对图层的属性进行设定，如图511所示。±_苎|—』一●-啦★■$，^／#豫H}&，’t檄／7t自H一_●■m圃№i·clhd-l‰l4㈣t．$’-lo-“洲岫．昂耳—一·h"“1．匝F——一-⋯⋯。疥r一’厨i——一‘M“--山旷————习htI¨I“45．2．3运行状态监控模块图5．11图层控制该模块的主要功能包括分析和确定供水区域、供水路径和管网中韵水流方向。可以通过此模块直观了解管网的运行情况．供分析者使用，如动态闪烁备管段中的水流方向，显示节点到水源的供水路径，以不同的颜色表示管网中各水源的供水范围等。根据对系统鲁类数据的计算和分折比较，找出最优的水源调度方案，并以报表形式输出供调度使用。本系统可以实时接收。三遥”系统的压力等监测数据，并动态显示。为了便于用户使用，本模块加入了鹰眼圈的功能。鹰眼圈是矢量处理软件如CAD和地理信息系统软件中通常具有的功能，用户可以借助鹰眼视图方便的了解当前主视图在整个视图中的相对位置，如图5．12所示。同时通过点选鹰眼视 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现图上的位置快速的将主视图当前位置移动到需要的位置。本系统利用M叩x吮∞e的自有方法和NET的基本类库实现了鹰眼圈功能。为了方便用户使用，在该模块还加入了测量距离和测量面积的工具(如图5．13)。图函饿!捌±【d越⋯冈一，≮夕-h一——超7、、、骨i●世冬5l2鹰眼图≯珞∥513测量距离及测t面积77菡型一 第5章城市供水管网信息管理系统的设计与实现5．2．4爆管事故分析模块事故是指供水管网中突发的爆管或泄漏等。这类事故会造成较大损失。事故发生后及时制定事故处理方案是非常重要的。传统的爆管抢修主要凭借抢修人员经验，通过查阅图纸来确定所要关闭的阀门。这种方式准确性差、可靠性低，对不可预见因素的应变速度慢，容易导致抢修不及时，造成不必要的损失。抢修决策模块充分利用了计算机强大的计算能力和GIS系统的空间分析能力，为企业决策提供了一个强大可靠的技术支持。用户只需指出事故发生处，系统将自动搜索出需关阀门与停水用户等，并自动生成抢修单，为及时排除故障制定出合理的处理方案提供科学依据。爆管事故分析模块的主要功能包括：(1)根据故障位置计算最小停水范围和停水管段，确定需关闭的阀门，列出受影响用户，为决策提供支持：(2)根据管网图预生成决策管线、阀门和封闭区，提高计算效率；(3)遇到阀门故障，系统可以向下进行延伸计算。实际工作中会经常遇到需要关闭的阀门因被埋或失灵而无法关闭的情况，这就要求抢修部门做出快速的反应。在这方面，系统显示出了其速度上的优势，抢修系统可根据故障阀门的位置，向下一管段进行延伸计算，进一步寻找最小停水范围；．(4)打印输出计算结果和阀门三线图，供抢修使用。5．2．5系统维护模块这部分功能只对系统管理员开放，主要用来对系统运行的日常维护、安全管理、用户管理等，如：(1)日常维护：用户建议回复、定期数据备份、系统运行日志管理、用户讨论版管理等；(2)安全管理：在线用户监控、用户重要操作记录、病毒监控等；(3)用户管理：新建用户、现有用户管理、删除用户。如图5．14所示： 第5章城市供水管阿信息管理系统的设计与实现禺互=覃二jE二匠=两匠j[二：=|l}i．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．一—!竺J—』LJ—竺竺J目P嘲＆孺醴互==二二=：二二=u_二=：=二===：二!二514用户权限管理 第6章结论与展望6．1结论利用GIS技术开发供水管网信息管理系统，可以给用户提供比较良好的解决方案。作为城市服务性行业的供水行业，由于其具有管辖的设备数量庞大、设备类型复杂，具有隐蔽性、分布广泛的特点，因此可以将其很好的同GIS技术结合，把管理中大量的空间数据和属性数据进行综合管理，使供水管网信息化管理更加现代化，给供水企业提高管理水平，提升服务质量提供了十分有利的工具，同时对供水企业全面强化管理，推动技术进步具有显著的促进作用。供水管网信息管理系统可以实现决策的优化，提高管理运行的科学性和可靠性，节约成本，降低能耗。利用集成二次开发技术开发供水管网信息管理系统，可以充分利用可视化软件开发工具高效、方便的编程功能，又可以充分利用GIS软件强大的空间数据分析处理功能，结合二者的技术优势，提高了开发效率。本文主要完成了以下几个方面工作：(1)详尽研究供水管网专业功能特点及如何把GIS的技术与供水管网的业务功能高效结合的方案。供水管网的空间数据主要涉及管网拓扑数据、设备或管道地理位置数据等，空间存储数据与分析处理较一般地理信息系统少。重点计算处理是拓扑关系信息，所有空间分析都在此基础上进行。针对管网的分布特点和数据特点，设计合理的数据模型和数据结构，建立管网空间数据库与属性数据库，充分表现管线间的拓扑关系。(2)本课题利用可视化编程语言C撑与组件式GIS软件MapXtreme相结合开发GIS应用系统，基本上实现了对城市供水管网的数据管理、信息查询、编辑、输入输出等功能。设计了面向供水管网的建模模块，把点、线、面实例化为供水管网中的一个个供水设备实体，比如管线、水阀，然后定义了连接规则，在空间数据的录入过程中进行数据质量控制。(3)从专业角度，探讨并给出供水管网信息管理系统需求分析与功能设计的方案。针对供水行业特点，吸收当前成熟的GIS技术的空间数据、属性数据存储与链接方式，并对查询显示、输入输出、数据处理等基本地理信息系统功能充 第6章结论与展望分利用。同时摒除GIS中对于供水管网系统而言庞大的冗余功能，只针对供水管网行业特点进行系统开发。其开发成本低，能在行业内重复利用，适合在中小供水企业推广使用。6．2进一步工作的方向计算机技术在供水行业的应用前景非常广阔，随着数字城市建设的开展，各种类似的市政信息管理系统都将应运而生，蓬勃发展。为了给行业的管理提供更多更专业的辅助，这些信息系统不应该只停留在数据管理上，而是应该结合更多的专业知识，用计算机来辅助满足一些专业的需求。每一项专业需求的满足都可能要结合不同的专业知识，采取不同的方法来实现，特别是一些复杂问题的解决还需要用到跨专业的多种知识。在以后的改进中，也需要结合供水专业知识，需要对整个供水流程的运行进行分析，抽象出供水系统的各种关系，对得到的各种数据进行组织分析，结合专业知识，建立数学模型，才能真正的达到供水管网的信息化管理，能够提供良好的决策功能，为供水企业的高效率安全的运行提供良好的保障。以下是本文还需改善的地方和需要继续完成的工作：(1)面向供水行业的管网建模模块只是一个雏形，还有许多功能要完善或改进，另外还要考虑更多的连接规则和行业规范；(2)应结合WebGIS技术，让系统为更广泛的Internet用户提供管网信息服务，构建高效合理的C／S、B／S相结合的系统网络结构；(3)要更深入了解供水领域专业知识，结合专业数据模型，开发高级决策支持功能。总之，城市供水管网信息管理是一个较为复杂的系统工程，需要引入多学科的成果，将地理信息系统、市政工程、计算机技术、系统工程、软件工程、最优控制等领域融为一体，充分发挥各专业长处，使这一课题具有更好的使用价值，从而促进城市供水管理工作的日益完善和提高。 致谢硕士研究生的两年半学习时间很快就要过去了．在这两年半中，我在学业上取得了进步。在此要感谢各位老师和同学们的帮助、支持和关怀．完成硕士论文之际，我首先要向我的导师王坚教授致以深深的谢意．这段时间中，王老师对我的学习和科研活动悉心指导，在生活上给予细致的关心和帮助．本论文正是在王老师孜孜不倦的批阅修改下完成的．王老师以渊博的学识、智慧的远见和对科学前沿敏锐的洞察力指引我的前进方向．正是王老师的严格要求、精心指导和亲切关怀，促使了我不断前进，取得成绩。王老师严谨求实的治学风范、积极乐观的生活态度、宽厚待人的作风使我深受启迪，为人处世的作风更是我终生受益的财富．在此，谨向王老师表示衷心的感谢和深深的敬意。我要向严隽薇教授和乔非教授致以诚挚的感谢。她们在两年半的学习中对我的教诲和指导，在生活中和工作中给了我许多关心和帮助，在此表示由衷的谢意。在研究生学习和工作中，凌卫青老师，戴毅茹老师在本文及课题的研究与实践方面给了我很多有益的指点和启发；在平时的学习工作中关心和帮助我，在此表示由衷的感谢．余小燕、马玉敏老师，中心的马师傅为我们学习和科研创造了良好的条件，在此谨表谢意。感谢赵荣泳博士、张慧哲博士，为我介绍了许多好的学习方法和科研工作经验。感谢周勇达、罗嵩、张俊、李亚红、岳文理、邵捷等同学，与你们默契的交流和开心的合作为我论文的完成和顺利完成学业创造了良好的条件．最后，我要感谢我的父母和亲人，他们多年来在物质和精神上对我不遗余力的关心、教育和鼓励，为我的成长付出艰辛和汗水，在此特别向他们表示最深切的敬意和致谢．再次向所有关心、支持和帮助过我的师长，亲人和朋友们致以衷心的感谢!在CIMS研究中心度过的这段时光将成为我人生中最珍贵的回忆!刘冠华≯U7西孚2008年3月 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