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摘 要： [摘要]在充分分析信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合實際業(yè)務(wù)需求，基于GIS技術(shù)并利用網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、三維和北斗高精度定位等技術(shù)，建立集中供熱地理信息平臺。將熱力集團多年累計的海量碎片化圖紙資料連結(jié)成一體，以滿足設(shè)計與管理單位的日常生
[摘要]在充分分析信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合實際業(yè)務(wù)需求，基于GIS技術(shù)并利用網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、三維和北斗高精度定位等技術(shù)，建立集中供熱地理信息平臺。將熱力集團多年累計的海量碎片化圖紙資料連結(jié)成一體，以滿足設(shè)計與管理單位的日常生產(chǎn)和工作需求。
[關(guān)鍵詞]地理信息系統(tǒng)(GIS);數(shù)據(jù)庫;三維;集中供熱
0引言
城市管網(wǎng)是城市正常運轉(zhuǎn)的生命線和基礎(chǔ)設(shè)施，供熱管線是城市管網(wǎng)的重要組成部分[1]。2014年6月發(fā)布的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導意見》，明確提出了城市管線數(shù)字化管理的要求[2]。北京市熱力工程設(shè)計有限責任公司承擔北京市熱力管線的規(guī)劃和設(shè)計工作。公司自成立以來因設(shè)計的需要，逐年投入大量人力物力與資金，積累了海量的北京市熱力集團熱力管線及附近相關(guān)管線的高精度測量資料，主要是以紙質(zhì)資料和CAD圖形存在。傳統(tǒng)的管理模式和手段已遠遠落后，對于各種突發(fā)事故更不能及時作出應(yīng)對決策，從而造成資源浪費[3]。
相關(guān)期刊推薦：《區(qū)域供熱》是中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會會刊，是國內(nèi)外公開發(fā)行的技術(shù)性刊物。介紹國內(nèi)外熱能生產(chǎn)、輸配先進技術(shù)及新材料、新設(shè)備、新工藝的研究與應(yīng)用情況，刊載城市供熱規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、管理的專題文章，以宣傳節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、改善人民的生活環(huán)境為已任。
20世紀90年代，美國率先提出了數(shù)字化管道的概念[4]。地理信息業(yè)隨著智慧地球、智慧城市大數(shù)據(jù)時代的到來，得到了空前的發(fā)展。我國在地理信息業(yè)的發(fā)展不落后于世界先進水平[5]。隨著3S(RS、GPS、GIS)技術(shù)的推廣與集成應(yīng)用，城市管網(wǎng)管理已從CAD時代過渡到GIS時代。
城市三維模型是許多GIS應(yīng)用領(lǐng)域迫切需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已廣泛運用于城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、防災(zāi)應(yīng)用等領(lǐng)域[6]。三維可視化也已經(jīng)成為城市管網(wǎng)管理系統(tǒng)的必要特性之一，對供熱管網(wǎng)在設(shè)計和運行方面進行可視化仿真系統(tǒng)的研究和開發(fā)，將進一步提高供熱管網(wǎng)的設(shè)計、運行水平和管理水平，從而達到提高安全性和經(jīng)濟性的目的[7]。
本項目在管普綜合管線數(shù)據(jù)標準基礎(chǔ)上，根據(jù)熱力管線的專業(yè)特色，制定熱力專業(yè)管線數(shù)據(jù)標準，采用當前主流的二維GIS平臺軟件(ArcGIS)和三維GIS平臺軟件相結(jié)合的方式，基于ArcGISEngine和CityMakerSDK開發(fā)包，建立了二三維一體化的集中供熱地理信息平臺。為集團公司的成果管理和使用提供安全、快速、多形式的技術(shù)支持。系統(tǒng)不僅實現(xiàn)與北京城建檔案館無縫對接，還可以更好地為熱力集團信息化發(fā)展提供可靠的支撐服務(wù)。
1總體技術(shù)路線
項目建設(shè)任務(wù)包括數(shù)據(jù)資源建設(shè)和系統(tǒng)功能實現(xiàn)。數(shù)據(jù)資源建設(shè)包括數(shù)據(jù)標準規(guī)范建設(shè)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫建設(shè)、熱力管線數(shù)據(jù)加工及數(shù)據(jù)庫建設(shè)、綜合管線數(shù)據(jù)庫建設(shè)、熱力管線三維建模。系統(tǒng)建設(shè)堅持數(shù)據(jù)、管理、服務(wù)、應(yīng)用相分離的架構(gòu)原則，在保持靈活性和擴展性的前提下，實現(xiàn)空間基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的整合、管理和共享交換，依據(jù)使用用戶、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，采用不同的技術(shù)路線，使用C/S(Client/Server(客戶機/服務(wù)器))和B/S(Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器))相結(jié)合的方式，實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)服務(wù)的集成。如圖1所示。
2關(guān)鍵技術(shù)
2.1三層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)
三層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)包含表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層。表示層是系統(tǒng)的人機接口部分，用戶和應(yīng)用程序之間的交流在該層完成。通過用戶界面層，用戶可以完成獲取數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)等一系列操作。表示層也包含了一定的安全機制，用戶根據(jù)授權(quán)范圍可以控制數(shù)據(jù)和機密信息。業(yè)務(wù)邏輯層響應(yīng)用戶界面層的用戶請求，執(zhí)行任務(wù)并從數(shù)據(jù)層提取數(shù)據(jù)，然后將必要的數(shù)據(jù)傳送給表示層，從而實現(xiàn)表示層與數(shù)據(jù)層之間的交互。業(yè)務(wù)邏輯層包含了在應(yīng)用程序中執(zhí)行關(guān)鍵處理的組件，這些應(yīng)用程序遵守所有的業(yè)務(wù)規(guī)則及限制。數(shù)據(jù)層負責對數(shù)據(jù)進行管理并向業(yè)務(wù)邏輯層提供標準化的開放訪問接口[8]。
在三層結(jié)構(gòu)中，三個層可以分別部署，表示層用戶界面只能與業(yè)務(wù)邏輯層相聯(lián)系，無須直接訪問后臺數(shù)據(jù)庫，使后臺數(shù)據(jù)庫與用戶界面隔離，提高應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和擴展性，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。
2.2XML與WebService技術(shù)
XML(可擴展標記語言)是Internet上數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)交換的新標準。XML關(guān)注信息本身，是Web上表示結(jié)構(gòu)化信息的一種標準文本格式。具有良好的可擴展性、語言簡單有效、可自行定義標記;有嚴格的語法要求，便于分析統(tǒng)一和與數(shù)據(jù)庫信息轉(zhuǎn)換;便于傳輸，為純文本形式，可通過Http協(xié)議直接傳輸，可跨越防火墻等[9]。
Web服務(wù)(WebService)使用基于XML的消息處理作為基本的數(shù)據(jù)通訊方式，消除使用不同組件模型、操作系統(tǒng)和編程語言系統(tǒng)之間存在的差異，使異類系統(tǒng)能夠作為計算網(wǎng)絡(luò)的一部分協(xié)同運行。由于Web服務(wù)是建立在一些通用協(xié)議的基礎(chǔ)上，如HTTP、SOAP、XML、WSDL、UDDI等，這些協(xié)議在涉及操作系統(tǒng)、對象模型和編程語言的選擇時，沒有任何傾向，因此Web服務(wù)將會有很強的生命力[10]。
2.33DGIS
3DGIS是三維GIS的簡稱，是一個解決空間數(shù)據(jù)的存儲、表現(xiàn)、查看、管理、量算和分析等一系列問題、具有良好的可擴展性及可伸縮性的三維地理信息系統(tǒng)。能實現(xiàn)實時反射、實時折射、動態(tài)陰影等高品質(zhì)、逼真的實時渲染3D圖像。
在城市管線管理中能根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)圖形和屬性數(shù)據(jù)，使現(xiàn)狀與規(guī)劃相結(jié)合，快速真實再現(xiàn)城市管網(wǎng)三維場景。可利用3DGIS平臺方便對城市管線三維場景進行各種操作，并能實現(xiàn)管線屬性信息快速查詢、管線場景的漫游、任意給定線路的三維飛行、圖形及動畫輸出、數(shù)據(jù)的更新與維護等。
3數(shù)據(jù)資源建設(shè)
3.1數(shù)據(jù)資源建設(shè)內(nèi)容
(1)數(shù)據(jù)標準規(guī)范建設(shè)，包括：制定北京熱力管線地理信息數(shù)據(jù)標準規(guī)范。
(2)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫建設(shè)，包括：北京市政務(wù)版電子地圖數(shù)據(jù)、北京市基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)整合、處理、入庫;北京市政務(wù)版電子地圖數(shù)據(jù)、北京市基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的配圖設(shè)計與服務(wù)發(fā)布。
(3)熱力管線數(shù)據(jù)加工及數(shù)據(jù)庫建設(shè)，包括：依據(jù)集團公司現(xiàn)有的熱力管線資料進行加工處理，開展管線資料整理、屬性掛接、數(shù)據(jù)加工及質(zhì)量檢查工作，經(jīng)過細致嚴謹復核工作無誤后，形成成果數(shù)據(jù)，生成熱力管線GIS數(shù)據(jù)，建立熱力管線GIS數(shù)據(jù)庫，并制作熱力管線符號庫。
(4)綜合管線數(shù)據(jù)庫建設(shè)，包括：依據(jù)集團公司現(xiàn)有的資料，加工熱力管線周邊的綜合管線數(shù)據(jù)。
(5)熱力管線三維建模，包括：建立熱力管線及附屬設(shè)施三維模型數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)熱力管線GIS數(shù)據(jù)建立熱力管線三維模型數(shù)據(jù)。主要包括管點模型(包括各類特征、附屬物)、管線模型(包括管線、管溝和管廊)和建(構(gòu))筑物模型(包括小室、沉淀池等)。
3.2數(shù)據(jù)標準規(guī)范建設(shè)
為了統(tǒng)一北京市熱力集團熱力地下管線地理信息數(shù)據(jù)建庫的內(nèi)容與方法，保證與北京市地下管線數(shù)據(jù)建庫標準統(tǒng)一，特制定本標準。
地下管線建庫數(shù)據(jù)來源為驗收合格的地下管線基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)。包括供水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、工業(yè)、地下管廊等各類管線及其附屬物的空間和屬性數(shù)據(jù)，以及地下管線工程元數(shù)據(jù)。
地下管線數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的幾何精度、屬性、邏輯一致性、完整性應(yīng)符合相應(yīng)要求。
地下管線數(shù)據(jù)應(yīng)按管線大類分為點、線、設(shè)施面、輔助線和注記等不同類型。地下管線數(shù)據(jù)圖層宜按照“管線大類+數(shù)據(jù)類型”的組合方式命名。以熱力管線為例，具體分層、層名及顏色見表1。
3.3數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計
空間數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、熱力管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫、綜合管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)庫三大庫，并且根據(jù)實際項目需求建立子庫及對應(yīng)的元數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)的高效檢索提供保障。為保證數(shù)據(jù)歷史可追溯，需要建立歷史數(shù)據(jù)庫，每年年底將現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫整版導入歷史庫，以年為時間單位對歷史數(shù)據(jù)進行整版保存�？臻g數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計見圖2。
4系統(tǒng)功能實現(xiàn)
本項目通過建立管線數(shù)據(jù)庫，將空間化處理后的熱力管線、綜合管線及相應(yīng)屬性信息錄入到數(shù)據(jù)庫中，使數(shù)據(jù)資料成果滿足數(shù)據(jù)信息化管理需求。建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和質(zhì)檢系統(tǒng)，包括管線信息的編輯、刪除、檢查、檢測等功能，實現(xiàn)電子化管理手段。建立測繪資料應(yīng)用分析子系統(tǒng)，可針對不同用戶的使用需求提供不同功能，隨著集團公司工程的不斷開展，測量管線資料將會越來越多，通過該數(shù)據(jù)庫可隨時更新、完善現(xiàn)有資料和新增資料，充分發(fā)揮測量管線資料的服務(wù)作用，輔助進行決策分析，提高管理工作效率。
4.1熱力管線質(zhì)檢子系統(tǒng)
熱力管線質(zhì)檢子系統(tǒng)，作為工具型軟件，利用程序自動檢查，查找熱力管線數(shù)據(jù)中管點、管線、小室圖層的空間圖形、屬性信息和邏輯一致性等錯誤，提高檢查效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。實現(xiàn)熱力管線數(shù)據(jù)加載，熱力管線文件檢查、圖形檢查、屬性檢查、邏輯性檢查、空間碰撞檢查、幾何表達檢查、檢查結(jié)果統(tǒng)計輸出和系統(tǒng)設(shè)置等功能。對于集中供熱地理信息系統(tǒng)而言，入庫數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞決定了信息系統(tǒng)能否真正有效使用。
4.1.1技術(shù)路線
熱力管線質(zhì)檢子系統(tǒng)基于熱力管線外業(yè)測量數(shù)據(jù)成果，在保密環(huán)境中的涉密終端進行部署運行，整個系統(tǒng)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、中間件層和系統(tǒng)層四個層次。具體思路見圖3。
4.1.2軟件實現(xiàn)
軟件主界面主要分為五大功能模塊：數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)檢查、統(tǒng)計輸出、系統(tǒng)幫助等，此外，還設(shè)有快捷功能區(qū)，即懸浮工具條，主要是數(shù)據(jù)操作常用的功能按鈕。
在普查數(shù)據(jù)檢查界面，勾選相應(yīng)的檢查項，執(zhí)行數(shù)據(jù)檢查。運行的過程中會實時顯示每一個檢查項規(guī)則的運行狀態(tài)以及總體的完成進度。檢查結(jié)束后，即將可視化范圍內(nèi)的所有錯誤要素加載到當前視圖中，以方便整改人員對錯誤原因進行查看，通過單擊錯誤定位可以定位到每一個錯誤要素，并查看其詳細的屬性信息。
可查看每一項檢查結(jié)果文件的存放位置以及文件生成時間，也可刪除不需要的檢查結(jié)果，避免空間資源的占用。
通過配置檢查規(guī)則對軟件檢查規(guī)則中的檢查參數(shù)、數(shù)據(jù)字典進行管理配置。
4.2測繪資料應(yīng)用分析子系統(tǒng)
測繪資料應(yīng)用分析子系統(tǒng)在北京市政務(wù)版電子地圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京市熱力集團實際情況，基于GIS開發(fā)的系統(tǒng)。軟件主要實現(xiàn)GIS基本功能、熱力管線查詢定位、地下管線統(tǒng)計、地下管線空間分析、三維場景展示、二三維聯(lián)動、管線三維基本空間分析、離線包申請審核管理、運維管理、GPS竣工測量、智能移動設(shè)備管理、移動設(shè)備軌跡監(jiān)控和現(xiàn)場踏勘工作統(tǒng)計等功能。
4.2.1技術(shù)路線
數(shù)據(jù)外部交換通過數(shù)據(jù)共享與交換平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠、穩(wěn)定、及時的交換，各個應(yīng)用終端采用客戶端瀏覽器的方式根據(jù)不同權(quán)限進行數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽、統(tǒng)計等操作。
系統(tǒng)部署運行在北京市熱力工程設(shè)計有限責任公司與外界物理隔離的專用局域網(wǎng)內(nèi)，整個系統(tǒng)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、中間件層和系統(tǒng)層四個層次。具體思路見圖4。
基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括政務(wù)內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、軟硬件支撐環(huán)境安裝部署，主要用于滿足系統(tǒng)運行的必要環(huán)境。數(shù)據(jù)層包括地下管線成果數(shù)據(jù)庫，及基于成果庫加工的地下管線三維數(shù)據(jù)庫，元數(shù)據(jù)庫、GIS輔助數(shù)據(jù)庫及運行數(shù)據(jù)庫，上述數(shù)據(jù)庫除運行數(shù)據(jù)庫外，其他數(shù)據(jù)庫跟地下管線數(shù)據(jù)管理維護系統(tǒng)共用。中間件層包括二維GIS中間件、三維GIS中間件和數(shù)據(jù)庫引擎，一方面支持空間數(shù)據(jù)庫的讀寫，一方面支持系統(tǒng)的二三維功能開發(fā)與運行。系統(tǒng)層主要工作界面與工具，包括與地下管線數(shù)據(jù)共享、查詢、統(tǒng)計、分析相關(guān)的功能模塊。
4.2.2軟件實現(xiàn)
測繪資料應(yīng)用分析子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對管線成果的查詢、二三維瀏覽、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、管線分析、更新維護、管線數(shù)據(jù)出圖及下載等。部分主要功能界面如下所示。
通用分析功能包括橫斷面、縱斷面分析，垂直凈距、水平凈距分析，覆土深度、連通性分析。
移動信息功能包括移動設(shè)備注冊、管理，移動設(shè)備軌跡監(jiān)控、現(xiàn)場踏勘工作統(tǒng)計。
地圖定位、管線查詢、管線統(tǒng)計、通用分析等功能都能在二三維界面進行。其中三維橫斷面分析見圖5。
5結(jié)束語
本項目的開展既能創(chuàng)建北京熱力集團自有管線的三維資料庫，完善測量成果，又能在北京市管網(wǎng)系統(tǒng)中取得技術(shù)上的領(lǐng)先。統(tǒng)一的標準，避免了各單位重復工作和投資，使項目竣工圖的驗收歸檔更加順暢。此外，熱力工程的測繪資料應(yīng)用系統(tǒng)可應(yīng)用于管網(wǎng)巡檢、搶修中，為集團各分、子公司提供服務(wù)。
隨著集團公司工程的不斷開展，測量管線資料將會越來越多，通過該數(shù)據(jù)庫可隨時更新、完善現(xiàn)有資料和新增資料，充分發(fā)揮測量管線資料的服務(wù)作用，提高管理工作效率。
根據(jù)國家《測繪法》的要求，城市大比例尺地圖為保密資料。在逐步建立和完善數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，建立完善的熱力設(shè)計測量管線成果資料管理制度，可嚴防失泄密及損毀事件的發(fā)生。
利用建立的集中供熱地理信息平臺，可集成現(xiàn)有的管線測量資料，加大了資料的重復利用率，減少工程的測繪工作量，節(jié)約成本并加快工程進度。同時，隨著資料的動態(tài)積累和技術(shù)的不斷完善，將為相關(guān)單位提供更豐富的地理信息服務(wù)。