陳功亮，陳艷華，朱 律

（上海市測繪院，上海 200063）

地下管線是城市賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為城市的“生命線”，地下管線數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、準(zhǔn)確性、可靠性對城市的建設(shè)和運行有著深遠的影響[1]。隨著城市規(guī)模的擴大和現(xiàn)代化程度的不斷提高，城市地下管網(wǎng)也越來越龐大、密集，種類也越來越繁多[2]。上海市鋪設(shè)地下管線已有150多年歷史，全市地下管線已超過12萬公里，呈現(xiàn)出縱橫交錯、隱蔽性強、密度高的特點。城市“生命線”的飛速發(fā)展帶來的地下管線運行管理問題也日趨復(fù)雜[3]。目前，上海市雖然已經(jīng)完成了中心城區(qū)地下管線基礎(chǔ)信息普查工作，外環(huán)建成區(qū)的普查工作也已全面展開，但是地下管線全生命周期的規(guī)劃審批、工程許可、核查管理、運行維護四個環(huán)節(jié)并沒有通過建立共享平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共建共享，管線規(guī)劃管理的精細化水平離習(xí)總書記精細“繡花”的要求仍有一定差距[4]、智能化水平與全球城市的地位還不相適應(yīng)，如何合理配置管線空間資源，實現(xiàn)對管線全生命周期的精細化、標(biāo)準(zhǔn)化管理成為當(dāng)前上海市地下空間開發(fā)建設(shè)中亟待解決的問題。

針對上述問題，上海市規(guī)劃和國土資源管理局探索建立了覆蓋地下管線全生命周期的數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃管理機制。在此基礎(chǔ)上，上海市測繪院設(shè)計并實現(xiàn)了基于GIS技術(shù)的地下管線全生命周期信息系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫和管理機制之間架起一座橋梁，確保二者有機融合，為實現(xiàn)管理工作線上運轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)有效沉淀、成果互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)系統(tǒng)化管理提供技術(shù)保障。本文結(jié)合該系統(tǒng)在楊浦區(qū)試點運行的經(jīng)驗積累，對系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)、總體架構(gòu)和功能實現(xiàn)等方面進行了介紹，為其他城市和地區(qū)開展同類工作提供借鑒和參考。

1 系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 協(xié)調(diào)兼容的地下管線綜合數(shù)據(jù)庫

目前，規(guī)劃審批和工程許可環(huán)節(jié)的成果主要采用文件管理的形式，尚未建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，不同設(shè)計單位根據(jù)自身的繪圖標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣繪制管線規(guī)劃圖和工程設(shè)計圖，電子數(shù)據(jù)成果無法達到入庫標(biāo)準(zhǔn)。上海市城市規(guī)劃設(shè)計研究院已經(jīng)研究編制了《上海市管線規(guī)劃成果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》和《上海市管線工程平面設(shè)計圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，上海市測繪院再次修訂了《上海市地下管線測繪規(guī)范》。上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定了不同階段的管線數(shù)據(jù)內(nèi)容和要素分類、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)交換文件命名規(guī)則、數(shù)據(jù)內(nèi)容交換格式和元數(shù)據(jù)等，確定了不同管線工程的GIS分層標(biāo)準(zhǔn)、GIS圖層屬性以及CAD制圖標(biāo)準(zhǔn)和GIS的對應(yīng)關(guān)系。這些數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂不僅滿足各自規(guī)劃管理的需要，保證各自環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)能有效沉淀到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，還滿足下游環(huán)節(jié)成果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兼容上游環(huán)節(jié)成果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，便于上下環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)銜接、互聯(lián)互通，確保數(shù)據(jù)生產(chǎn)、入庫、管理的統(tǒng)一性。

目前，上海市地下管線現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源多樣，不同來源數(shù)據(jù)的精度、管線內(nèi)部屬性等存在差異。上海市測繪院對楊浦區(qū)的現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)進行了試點整理入庫。通過內(nèi)業(yè)判斷、資料調(diào)繪、外業(yè)探查、管線單位校核等方式，對該院歷史積累的楊浦區(qū)綜合管線數(shù)據(jù)、歷年新建管線跟蹤測量數(shù)據(jù)和管線單位專業(yè)數(shù)據(jù)進行整合、甄別、清洗，并進行接邊處理，形成更高精準(zhǔn)度的3299km現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)庫。再將近年規(guī)劃管線項目30個(管線長度104km)、2017年管線工程許可項目14個（管線長度19km）、2017年管線跟蹤測量項目24個（管線長度17km）的數(shù)據(jù)入庫，研發(fā)了數(shù)據(jù)生產(chǎn)軟件，將管線規(guī)劃審批、工程許可、跟測、竣工、廢棄處置、現(xiàn)狀等規(guī)劃管理全生命周期各個階段的信息關(guān)聯(lián)，將各階段的批文號、許可證號、合格證號等全生命周期規(guī)劃管理的信息一并沉淀下來，還聯(lián)合上海市城建檔案館研究將管線電子竣工檔案納入庫中，形成了涵蓋規(guī)劃管理全生命周期所有階段的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)管線規(guī)劃管理信息化全覆蓋。同時建立現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)修補機制，在管線規(guī)劃或施工階段，發(fā)現(xiàn)不明管線（含功能廢棄的管線）、管線位置不準(zhǔn)的，落實了補測、驗收、資料歸檔、數(shù)據(jù)入庫等工作。已按規(guī)劃拆除的廢棄管線，其具體數(shù)據(jù)要納入到測繪報告中；暫不具備拆除條件的，新建替代管線工程的測繪報告也要應(yīng)當(dāng)包括廢棄管線的具體數(shù)據(jù)，一并入庫。

統(tǒng)一的地下管線全生命周期規(guī)劃管理數(shù)據(jù)庫將一個城市基礎(chǔ)地理信息、各種管線的空間信息及它們復(fù)雜的屬性信息一體化存儲，分類、分層地進行存儲管理，可以為電力、通信、燃氣等行業(yè)規(guī)劃的編制提供全面基礎(chǔ)支撐，為區(qū)域乃至全市范圍內(nèi)發(fā)展需求模型計算分析提供詳實的規(guī)劃、在建和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；也能夠為行業(yè)管理部門、應(yīng)急處置部門提供區(qū)域內(nèi)精確的各類三維空間數(shù)據(jù)，為行業(yè)管理部門統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)管理提供便利。

1.2 覆蓋地下管線規(guī)劃管理全生命周期的管理制度

協(xié)調(diào)兼容的地下管線數(shù)據(jù)庫能夠為規(guī)劃管理提供強大的支撐，與之同時，規(guī)劃管理也要滿足地下管線數(shù)據(jù)庫的信息精準(zhǔn)、更新及時的管理需求。規(guī)劃審批和工程許可環(huán)節(jié)中，設(shè)計單位須按分別按照《上海市管線規(guī)劃成果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》和《上海市管線工程平面設(shè)計圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》制作電子報件，在窗口受理時利用數(shù)據(jù)預(yù)檢工具對電子報件的信息完整性、圖層組織和命名正確性、屬性字段輸入完整性、屬性值正確性與規(guī)范性逐一進行檢查，確保電子報件符合入庫標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)辦人在審理時增加了填寫成果入庫流轉(zhuǎn)單環(huán)節(jié)，提出管線規(guī)劃圖、工程圖入庫要求。在文書打印送達時增加打印送達規(guī)劃核查告知單、檔案核查辦理需知，向管線建設(shè)單位告知管線工程批后的規(guī)劃核查管理要求，以強化提高規(guī)劃核查階段的管理。然后打印成果入庫流轉(zhuǎn)單，并按流轉(zhuǎn)要求將數(shù)據(jù)和案卷流轉(zhuǎn)至成果管理部門進行成果入庫，最后再移交至檔案館歸檔。將跟蹤測量、竣工驗收、檔案驗收等管理信息一并沉淀到數(shù)據(jù)庫中，以滿足地下管線數(shù)據(jù)庫的信息精準(zhǔn)、更新及時的管理需求。楊浦區(qū)試點運行中，通過組建微信群，共享“挖掘城市道路許可”和“道路修復(fù)”信息。規(guī)劃執(zhí)法部門可以按照“挖掘城市道路許可”信息及時核查管線的開工復(fù)驗，測繪質(zhì)檢管理部門可以按照“挖掘城市道路許可”信息及時對跟蹤測量工作進行現(xiàn)場監(jiān)督檢查，按照“道路修復(fù)”信息督促測繪單位及時送檢測繪成果，進一步提高了規(guī)劃核查管理的效率。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

本管線系統(tǒng)由于覆蓋地下管線規(guī)劃管理的全生命周期，涉及內(nèi)容多，在整個系統(tǒng)中使用了許多不同類型的技術(shù)來保證系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)使用的核心技術(shù)主要包括：

（1）海量數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)

系統(tǒng)運用Oracle空間數(shù)據(jù)庫來存儲系統(tǒng)所需的矢量、影像、基礎(chǔ)地形、管線、三維模型等海量數(shù)據(jù)，通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的高效率訪問[5]，支持大量用戶在同一數(shù)據(jù)上執(zhí)行各種應(yīng)用，并使數(shù)據(jù)爭用最小，保證數(shù)據(jù)使用便捷順暢高效。

（2）B/S、C/S相結(jié)合的多層分布技術(shù)

C/S結(jié)構(gòu)可以提供數(shù)據(jù)的高效訪問、實現(xiàn)復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)編輯等特點，B/S可以用于滿足大量用戶對空間信息的訪問需求。系統(tǒng)針對不同管線單位的實際情況，合理選擇架構(gòu)方式開發(fā)網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，采用B/S與C/S相結(jié)合的多層分布式技術(shù)以滿足客戶的不同需求，并根據(jù)實際情況配置胖、瘦客戶端。

（3）XML和Web Service技術(shù)

XML用來標(biāo)記文件使其具有結(jié)構(gòu)性，它可以讓標(biāo)記者自己來標(biāo)記所要定義的信息。XML只用元素和屬性來描述數(shù)據(jù),而不提供數(shù)據(jù)的顯示方法，因此，其標(biāo)記的數(shù)據(jù)獨立于平臺和語言，具有靈活性、多樣性及內(nèi)容與形式分離等半結(jié)構(gòu)化特征。Web Service使用開放的XML標(biāo)準(zhǔn)，有助于在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下交換數(shù)據(jù)，其簡單性和可擴展性使得大量異構(gòu)平臺之間的數(shù)據(jù)具有互操作性的特點。

（4）二、三維一體化技術(shù)

相對于二維GIS，三維GIS不僅提供了三維的視覺認知，而且提供了三維空間分析方法與功能。系統(tǒng)采用二維、三維平臺結(jié)合一體化的方式來構(gòu)建地下管線的共享發(fā)布系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲與管理、可視化、分析功能等多方面的二三維一體化應(yīng)用，使用戶能夠同在瀏覽逼真的三維管線的同時也能實現(xiàn)復(fù)雜的統(tǒng)計分析功能，實現(xiàn) “地上地下一體化”、“專業(yè)綜合一體化”的總體框架[6]。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

根據(jù)地下管線全生命周期規(guī)劃管理制度和管線綜合數(shù)據(jù)庫的要求，系統(tǒng)模塊主要分為數(shù)據(jù)更新模塊、綜合管理模塊以及共享發(fā)布模塊。

數(shù)據(jù)更新模塊主要實現(xiàn)了對入庫的管線數(shù)據(jù)進行檢測和對在庫的管線數(shù)據(jù)進行不定期維護。通過以窗口檢查的形式，運行集成了AutoCAD檢查等一系列檢查功能的窗體應(yīng)用程序，對上交給管線管理部門的數(shù)據(jù)成果的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性進行檢查，保證了管線入庫數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性與準(zhǔn)確性。同時設(shè)計并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)檢測子系統(tǒng)，可以提供給管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位預(yù)先進行自檢，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。對于現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)的更新，通過把需要更新的局部范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)提取出來用作修測的數(shù)據(jù)源，只對其中相應(yīng)的內(nèi)容進行更新，來節(jié)省成本和提高更新效率。

綜合管理模塊是整個信息系統(tǒng)的核心樞紐，用B/S架構(gòu)進行開發(fā)，包括查詢、比對、統(tǒng)計分析、權(quán)限管理及系統(tǒng)管理等功能。針對不同權(quán)限的管線職能部門和不同類型的管線數(shù)據(jù)，在采用用戶名和密碼登陸的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)用戶根據(jù)權(quán)限進行分組，并進行分級管理，設(shè)定各自的操作權(quán)限，以網(wǎng)頁方式為不同層面的管理人員提供相應(yīng)的綜合管線管理服務(wù)。

共享發(fā)布模塊主要實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)在二維三維模式下的瀏覽發(fā)布，用戶可在此基礎(chǔ)上進行地下管線的檢查詢統(tǒng)計、量測比對、圖形打印、斷面圖制作和輸出以及相關(guān)的業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)部署在上海市政務(wù)外網(wǎng)上，使權(quán)屬單位通過該系統(tǒng)不僅僅可以瀏覽查詢管線數(shù)據(jù)，也能通過該系統(tǒng)進行管線數(shù)據(jù)的申請、上傳與下載[7]。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)基于目前IT技術(shù)中流行而比較成熟的“N”層結(jié)構(gòu)方案[8]。系統(tǒng)的架構(gòu)體系如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 System architecture design

整個地下管線管理系統(tǒng)平臺的系統(tǒng)架構(gòu)可以分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層等四個層次?；A(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器主機、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全設(shè)備、路由設(shè)備及其它外圍設(shè)備，還包括服務(wù)器虛擬化軟件平臺、操作系統(tǒng)、GIS平臺、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等；數(shù)據(jù)層主要包括規(guī)劃、許可、跟測和竣工等各階段地下管線數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、航空影像數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)等；服務(wù)層是以WEB服務(wù)為中心的信息系統(tǒng)，它不是一種孤立的系統(tǒng)，而是一個存在于WEB上的服務(wù)中心和一個分布式服務(wù)系統(tǒng)，包含各類基礎(chǔ)地理信息和地下管線的瀏覽、查詢、分析等服務(wù)；應(yīng)用層則包括涵蓋地下管線規(guī)劃審批、工程許可和規(guī)劃核查的全過程，以B/S和C/S相結(jié)合的方式開發(fā)，實現(xiàn)規(guī)劃審批、工程許可、規(guī)劃核查等管理工作的平臺上運轉(zhuǎn)，確保城市地下管線安全，同時為將來地下管線的安全運行和應(yīng)急保障提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

整個系統(tǒng)依托ArcGIS平臺，利用SSM（Spring、Spring MVC、Mybatis）框架進行開發(fā)搭建，C/S架構(gòu)系統(tǒng)基于ArcMap Editor開發(fā)，B/S架構(gòu)系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)服務(wù)采用ArcGIS Server 發(fā)布，前端使用CMV開發(fā)實現(xiàn)。綜合管線數(shù)據(jù)采用Oracle Spatial存儲，利用ArcSDE進行連接調(diào)用。系統(tǒng)在楊浦區(qū)進行了試點運行，實現(xiàn)的主要功能包括：

4.1 基于地圖切片技術(shù)的基礎(chǔ)地理信息瀏覽

通過將常用的地圖預(yù)存在服務(wù)器端，不需要對用戶的請求進行實時計算和繪圖[9]，能夠在地圖的顯示方面具有速度的優(yōu)越性，大大改善了地圖的拖動、縮放以及不同比例尺下的快速瀏覽?？梢酝ㄟ^平移、放大、縮小、縮略圖等方式查詢地形信息，提供選擇結(jié)合政務(wù)地圖、航空影像或者綜合地形圖來瀏覽二維管線的功能，如圖2、圖3所示：

圖2 政務(wù)底圖上瀏覽管線Fig.2 Browse the pipeline on the government base map

圖3 航空影像底圖上瀏覽管線Fig.3 Browse the pipeline on the aerial image base map

4.2 三維管線場景瀏覽

結(jié)合地表建筑與地下空間結(jié)構(gòu)，提供任意角度和任意方式的三維場景瀏覽，方便城市的建設(shè)部門和管線權(quán)屬機構(gòu)，遠距離瀏覽查詢和形象地觀測地下管線的復(fù)雜分布和相應(yīng)的空間關(guān)系，充分實現(xiàn)管線信息的共享，如圖4所示。

4.3 查詢、量測、統(tǒng)計功能

通過一定的圖形繪制操作和條件選擇，可以查找所需地下管線數(shù)據(jù)，同時定位查詢結(jié)果，并根據(jù)固定的統(tǒng)計條件對查詢所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計[10]。查詢方式主要包括快速查詢、空間查詢和關(guān)鍵字查詢。關(guān)鍵字查詢即根據(jù)用戶定義的關(guān)鍵字選取地下管線數(shù)據(jù)庫中符合查詢條件的地下管線數(shù)據(jù)信息，也可以選擇屬性查詢、空間查詢、管徑查詢、材質(zhì)查詢等作為輔助查詢條件，確定查詢范圍。三種查詢方式產(chǎn)生的查詢結(jié)果均能進行統(tǒng)計，最終生成統(tǒng)計圖表。

圖4 三維管線場景瀏覽Fig.4 Three-dimensional pipeline scene

量測功能主要包括距離量測、面積量測和管間距離等。用戶在面對可視區(qū)域的地下管線數(shù)據(jù)時，通過自主繪制簡單圖形，動態(tài)獲取所需的圖上距離、面積、角度等計量數(shù)值，便于地下管線查詢定位后管線自身、管線之間、管線用地面積的估算，為管線的鋪設(shè)規(guī)劃和詳細設(shè)計提供一定的參考和確認。

4.4 分析功能

分析功能從多方面為城市地下管線管理部門提供管線空間信息和屬性信息，包括快速準(zhǔn)確地對管線運行的突發(fā)事故作緊急處理、協(xié)助科學(xué)地進行地下管線的規(guī)劃和輔助設(shè)計、指導(dǎo)市政工程的文明施工和預(yù)防性維護等。其中模擬開挖分析能根據(jù)用戶定義的開挖區(qū)域和深度瀏覽開挖部分的地下管道，并自動計算施工開挖量，盡可能減少和避免施工開挖過程中產(chǎn)生地下管線安全隱患；縱橫截面分析能將各類地下管線的顏色分類后，按照指定的顏色繪制地下管線截面，并將分析產(chǎn)生的各類地下管線詳細信息如管徑、地面高程、管線高程、規(guī)格和埋深等數(shù)據(jù)以列表窗口的形式展現(xiàn)，使得地下管線的空間分布信息展示得更加直觀和清晰，相關(guān)分析界面如圖5、圖6所示：

圖5 管線三維挖填方分析界面Fig.5 Analysis interface of the excavation and embankment of 3D pipeline

圖6 管線橫斷面分析界面Fig.6 Analysis interface of the cross section of pipeline

4.5 比對功能

在系統(tǒng)中選擇需要比對的相關(guān)圖層，通過調(diào)整圖層透明度或打開圖層卷簾開關(guān)，結(jié)合系統(tǒng)自帶的量測工具，可以比對相關(guān)管線的空間位置偏差。另外，用戶還能將需要放入系統(tǒng)中比對的臨時文件拖拽入指定窗口，系統(tǒng)會自動讀取文件內(nèi)容，并將文件內(nèi)容繪制在圖上，實現(xiàn)與已其他階段已入庫數(shù)據(jù)的直觀比對。

5 結(jié)論

上海市地下管線全生命周期地理信息系統(tǒng)在地下管線全生命周期規(guī)劃管理制度和管線綜合數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，利用行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的WebGIS開發(fā)技術(shù)，搭建了服務(wù)于管線管理部門、政府職能單位、管線權(quán)屬單位的一整套服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了地下管線從規(guī)劃審批、工程許可、核查管理到運行維護的全生命周期管理機制。本文總結(jié)了該系統(tǒng)在楊浦區(qū)試點運行的經(jīng)驗積累，希望可以為其他城市和地區(qū)提供借鑒。