李 明，姜俊亮，陳 赫，張德建

（吉林省建筑科學研究設計院（吉林省建筑工程質量檢測中心），吉林 長春 130011）

0 引言

城市地下管線是綜合性較強的基礎市政建設工程，要求對各類地下工程管線進行歸納整理等綜合規(guī)劃。近些年我國地下管線工程得到了廣泛的應用，但錯綜復雜的管線也給現(xiàn)代蓬勃向上的社會后續(xù)發(fā)展帶來巨大的隱患性難題，在未來城市地下管線的安排上應將現(xiàn)有管線梳理清楚，并結合工程規(guī)劃等辦法，制定出一套科學合理的管線處理方案。自來水管線作為城市地下管線的重要組成部分，近些年，隨著城市化的推進，我國市政建設在發(fā)展的同時也帶來了日漸增多的各類管線問題，經常出現(xiàn)城市道路的二次挖掘現(xiàn)象，不僅影響人們的日常生活，還造成了交通擁堵的現(xiàn)象，都是由于前期規(guī)劃、設計、施工等方面不夠完善，致使已建成道路下方的管線較為雜亂無章，這也是影響后期施工的困難所在。同時存在圖紙缺失、圖紙老化，坐標系統(tǒng)不統(tǒng)一、不能形成統(tǒng)一完善圖紙，與城市發(fā)展規(guī)劃不配套等諸多問題。因此，建立一套完整統(tǒng)一的地下自來水管線數(shù)據(jù)庫，在城市自來水日常管理工作中尤為必要。

1 城市地下管線數(shù)據(jù)庫概述及數(shù)據(jù)庫建設的意義

1.1 城市地下管線數(shù)據(jù)庫概述

城市地下管線數(shù)據(jù)庫是以計算機軟件、硬件、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡為基礎的條件下，利用地理信息科學技術實現(xiàn)對地下城市管線及其附屬設施的矢量空間和屬性信息進行要素輸入、要素編輯、要素存儲、空間信息查詢統(tǒng)計、信息分析、屬性維護、數(shù)據(jù)更新和數(shù)據(jù)輸出的計算機輔助管理系統(tǒng)。本文從地下管線綜合治理的實際需求出發(fā)，建立一套同時包含三維管線要素信息和城市基礎地形信息相結合的一體化矢量要素信息數(shù)據(jù)庫模型，將表達城市地下三維管線與城市基礎地形位置的矢量信息，以及將城市管線與城市基礎地形的屬性信息存儲在同一個數(shù)據(jù)庫的不同圖層中，從而實現(xiàn)城市地下管線與城市基礎地形要素錄入、要素編輯、要素查詢和自動化統(tǒng)計。當城市地下三維管線或城市基礎地形數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，具有管理員權限的用戶可以使用系統(tǒng)的城市管線要素編輯或城市地形要素編輯功能，對發(fā)生變化的城市管線數(shù)據(jù)或城市地形數(shù)據(jù)進行管理更新，通過系統(tǒng)的人工查詢功能，可看到最新的管線分布圖，通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計功能，可對管線數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，提高管線綜合管理效率，從而避免由于設計圖紙與施工現(xiàn)狀不符，造成的破損管線事故。矢量空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化的存儲方式，提高系統(tǒng)空間查詢的效率，能夠實現(xiàn)各類拓撲關系和信息屬性自動分析查詢，提高管線管理查詢的速度和效率。

城市建設的主要組成內容與城市生存和發(fā)展的主動脈是城市地下三維管線。具有體量大、范圍廣、種類繁多、復雜分布、變化極大、增長快、形成時間較長等特點，觸及城市發(fā)展的各個角落，是關乎人民生活的基礎性事業(yè)。以往的二維線畫圖管理模式很難對大量的管線圖形信息進行有效的表述和表達，現(xiàn)在管線三維模型能夠直觀地表述管線的三維特征紋理和各類型管線間的空間拓撲關系，能夠為客戶直觀、真實地展示城市地下三維管線的空間立體分布信息，因此在本系統(tǒng)中實現(xiàn)管線的三維顯示與管理可使系統(tǒng)的直觀性和可操作性得到進一步改觀，使得原有錯綜復雜的管線能夠清晰明了地顯示在用戶和管理者面前。

城市地下三維管線矢量要素數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是以計算機網(wǎng)絡技術為載體，依據(jù)地理信息科學軟件為基礎技術平臺的應用系統(tǒng)，具有能夠綜合治理城市地下管線數(shù)據(jù)信息資源，實現(xiàn)地下管線的要素信息存儲、空間查詢、選擇定位、空間分析、三維仿真可視化等功能，從而形成一套完整的城市地下三維綜合管線數(shù)據(jù)庫。

1.2 數(shù)據(jù)庫建設的意義

1）整合治理城市地下管線矢量要素基礎數(shù)據(jù)資源信息，推動城市地下管線矢量信息要素空間數(shù)字化平臺信息化建設，通過資源的集中管理、分布應用實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)庫各應用管理維護部門間的信息資源共享共建。

2）通過城市地下矢量數(shù)據(jù)資源管理數(shù)字化、可視化實現(xiàn)資源決策。整合地理信息科學技術，將地形圖元素和地下空間矢量信息融合到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，實現(xiàn)三維的展示形式，為城市決策數(shù)字化和可視化，提供科學合理的決策信息。

3）提高相關人員在面對突發(fā)公共安全事件和處置突發(fā)公共事件的領導分析決策指揮能力。突發(fā)事故發(fā)生后，便于地方政府在第一時間掌握突發(fā)災害發(fā)生的地理位置及其周邊要素矢量地下管線布置狀態(tài)，高效利用相關資源，快速完成突發(fā)事故應急處置，使危害程度降到最低，即在可控范圍內。

4）提高授權管理城市地下管線基礎數(shù)據(jù)庫用戶管理能力。即可查詢局部地區(qū)城市地下管線數(shù)據(jù)庫的各部分城市管線細節(jié)，亦能查詢各管線區(qū)域的宏觀分布；既能分析單一管線情況，又能分析多種管線的多種分布關系；亦可用于指導施工，用來做新區(qū)設計，讓管理變得心應手。

2 軟件平臺及數(shù)據(jù)庫主要功能

2.1 軟件平臺

本項目采用ArcGIS 軟件平臺和FME 軟件平臺進行數(shù)據(jù)庫建設。ArcGIS 是美國Esri 公司集40 多年地理信息系統(tǒng)（GIS）咨詢和研發(fā)經驗，奉獻給用戶的一套完整的GIS 平臺產品，具有強大的地圖制作、空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息整合、發(fā)布與共享的能力。它提供用于在2D 和3D 環(huán)境中顯示、分析、編譯和共享數(shù)據(jù)的工具。該平臺經過多年的發(fā)展和不斷的完善，集成了ESRI 公司多年的GIS咨詢和研發(fā)成果，既能做到針對地圖的制作和管理，又能對數(shù)據(jù)進行空間分析，二次開發(fā)等操作。同時，該軟件平臺數(shù)據(jù)的發(fā)布與共享方便，是當前全球范圍最廣泛使用的GIS 軟件之一[1]?？臻g分析是ArcGIS 的核心和靈魂，提供了一組獨特的功能，可將基于位置的分析應用于業(yè)務實踐。FME（Feature Manipulate Engine，簡稱FME）是加拿大Safe Software 公司開發(fā)的空間數(shù)據(jù)轉換處理系統(tǒng), 它是完整的空間ETL（Extract-Transform-Load）解決方案。該方案基于OpenGIS 組織提出的新的數(shù)據(jù)轉換理念“語義轉換”[2]，通過提供在轉換過程中重構數(shù)據(jù)的功能[3]，實現(xiàn)了超過400 種不同空間數(shù)據(jù)格式(模型)之間的轉換,為進行快速、高質量、多需求的數(shù)據(jù)轉換應用提供了高效、可靠的手段。Arcgis 軟件三維模型真實感不強，自動化程度低，需要大量人工干預。FME 軟件自動化集成后人工干預能力低，兩者集合會使平臺在高度自動化操作的同時具有良好的人工干預能力。

2.2 數(shù)據(jù)庫功能

1）根據(jù)《城市地下管線探測技術規(guī)程》CJJ 61—2003 標準建設城市地下管線數(shù)據(jù)庫，支持矢量數(shù)據(jù)自動生成三維管線模型。

2）能夠實現(xiàn)各種大地平面坐標系與CGCS 2000 坐標系的投影轉換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)一，并可隨工程需要，建立工程坐標系與數(shù)據(jù)庫坐標系間的轉換關系，便于各種坐標系下的隨意切換。

3）根據(jù)《城市地下管線探測技術規(guī)程》CJJ 61—2003 標準來實現(xiàn)三維仿真可視化的符號展示。

4）按管道類型支持矢量數(shù)據(jù)分層選擇、按需查詢、按需管理和按需可視化顯示。

5）按任意位置查詢橫、縱斷面剖面圖。

6）在用戶需要位置進行開挖分析模擬、特定場景進行剪切模擬分析。

7）對管線數(shù)據(jù)的所在區(qū)域、長度、屬性、管徑、埋深及空間信息進行展示查詢分析分類匯總信息表等。

8）具有爆管分析、斷面分析、碰撞分析、聯(lián)通性分析、凈距分析等空間分析查詢功能。

9）具有對管線矢量要素信息進行新增、要素修改、要素刪除等要素編輯操作。

10）可實現(xiàn)以所見即所得的三維仿真可視化。

11）具有各種扯旗標注功能和空間矢量信息量測功能。

12）能夠記錄用戶對各種管線數(shù)據(jù)編輯、維護等操作的日志記錄。

13）進行二維、三維界面切換顯示。

14）具有軟件開發(fā)BS 模式和CS 模式結構部署。

3 數(shù)據(jù)庫建立

基于CAD 平臺的數(shù)據(jù)庫，往往需要大量的人力，進行數(shù)據(jù)信息錄入，扯旗內容標注等過程，而使用FME 和ArcGIS 兩個平臺，可以省去人工信息錄入、人工扯旗標注的過程，省去平移旋轉縮放圖形，來達到數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)一致的繁瑣人工操作。下文將詳細講解在FME 和ArcGIS 平臺下實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化入庫和數(shù)據(jù)人工干預的過程。

3.1 空間數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集CAD 數(shù)據(jù)經常存在缺少測量坐標系、測量坐標系混亂、線狀地物重復測量、地物存在重復的連續(xù)節(jié)點、線狀地物自相交、線狀地物間存在偽結點等拓撲錯誤，在以往的測量工作中使用CAD軟件成圖，不容易檢查出這些拓撲錯誤，不容易修改。本項目使用FME 軟件和ArcGIS 軟件相結合的方式，僅使用幾個簡單的ETLtools 轉換器就能快速查找出拓撲錯誤的位置，明確臟區(qū)后，可以自動修改或者利用ArcGIS 軟件強大的數(shù)據(jù)編輯功能，進行拓撲錯誤的修改。

3.2 矢量數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)一

使用FME 軟件Offsetter，CoordinateSystemRemover，CoordinateSystemSetter 等3 個轉換器，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一加投影代號，進行數(shù)據(jù)重新投影處理，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)投影處理

矢量坐標系轉換過程中，往往會遇到不同坐標系之間的轉換，F(xiàn)ME 軟件提供的Affiner，2D4PCalculator，2D4PReprojector，2D7PCalculator，2D7PReprojector，3D7PReprojector，3DAffiner 等7 個 轉 換器，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的二維仿射變換、三維仿射變換、數(shù)據(jù)的二維四參數(shù)變換、三維七參數(shù)變換。Arcgis 軟件工具箱中的投影和變換工具箱，同樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同投影下的相關轉化問題。

3.3 矢量數(shù)據(jù)拓撲錯誤查詢與修改

為糾正矢量數(shù)據(jù)拓撲錯誤，應首先分析哪些矢量圖形數(shù)據(jù)會破壞數(shù)據(jù)集的拓撲規(guī)則。本項目中主要為線要素，點要素的矢量空間拓撲問題。最先檢查線要素是否存在重復連續(xù)節(jié)點和線要素自相交、線要素間是否存在偽節(jié)點，點要素與線要素是否相交、相離等空間拓撲問題，使用FME 軟件的以下轉換 器GeometryFilter，LineOnLineOverlayer，PointOn－PointOverlayer，GeometryValidator，F(xiàn)eatureWriter，PointOnLineOverlayer，Tester 等工具箱進行連接相關組合，可以實現(xiàn)矢量圖形數(shù)據(jù)的檢查和自動修改，并對檢查結果進行存儲，方便對自動修改不理想的地方，圖形拓撲錯誤的地方，進行矢量圖形數(shù)據(jù)空間拓撲錯誤的修改與完善，如圖2 所示。

圖2 拓撲檢查修改

其中FeatureWriter 轉換器能夠提供ArcGIS 平臺下的多種數(shù)據(jù)格式，如Shape 格式、Esri Geodatabase 格式、File Geodb Open API 格式等。

3.4 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)接

管線數(shù)據(jù)與管道檢修井間的屬性數(shù)據(jù)進行屬性鏈接，通過使用FME 軟件和ArcGIS 軟件相結合，僅需要用幾個空間鏈接的工具箱就能實現(xiàn)，省去了以往工作中人工手動錄入的繁瑣程序，極大的提高了人員工作效率。

例如在管線的埋深，管徑，起止點坐標、編號、流向及管線材質等信息，可以通過Excel 表格記錄信息，使用FME 軟件的轉換器Counter，Coordinate－Extractor，F(xiàn)eature Merger，Attribute Creator，F(xiàn)eature Writer 等工具進行屬性賦值，同時使用ArcGIS 軟件對賦值情況進行抽查，檢驗，并對錯誤信息進行修改，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)聯(lián)接

3.5 扯旗標注和符號顯示

在以往的CAD 管線圖中，注記扯旗需要人工手動標注，用ArcGIS 軟件可以根據(jù)用戶需求，實現(xiàn)多種多樣的動態(tài)扯旗標注，實時顯示標注信息。同時ArcGIS 軟件具有定義查詢功能，可以根據(jù)用戶需求，獨立顯示某特定地區(qū)矢量數(shù)據(jù)。ArcGIS Desktop符號系統(tǒng)定制顯示功能強大，可根據(jù)用戶需求進行編輯制作自定義圖形符號。CAD 成圖效果與ArcGIS成圖效果對比如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)的標注對比圖

3.6 數(shù)據(jù)庫檢查

CAD 平臺軟件不具備圖形和屬性自動檢查能力，使用FME 和ArcGIS 軟件相結合的方式，利用模型構建器，可以制作數(shù)據(jù)庫質檢軟件，對數(shù)據(jù)庫成果質量進行檢查，包括圖形矢量數(shù)據(jù)拓撲問題，屬性數(shù)據(jù)字段名稱，字段類型，屬性數(shù)據(jù)完整性、唯一性等?？梢允褂肍ME 軟件平臺的SchemaMapper 進行字段屬性結構的檢查。AttributeManager 工具能夠對數(shù)據(jù)庫中的字段屬性內容進行檢查校對分析。使用FME 軟 件 的GeometryFilter 工 具，LineOnLineOverlayer 工具，PointOnPointOverlayer，Geometry－Validator，F(xiàn)eatureWriter，PointOnLineOverlayer，Tester等工具箱進行連接相關組合，可以進行實現(xiàn)矢量圖形數(shù)據(jù)的檢查，完成矢量數(shù)據(jù)質檢過程。

3.7 數(shù)據(jù)庫成果分析利用與日常維護

數(shù)據(jù)庫質檢完成后，可以使用FME 和ArcGIS軟件進行數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)空間分析，疊加分析，緩沖區(qū)分析，漏點分析，在市政綜合管線規(guī)劃利用中，供應便利的數(shù)據(jù)支撐。同時在數(shù)據(jù)庫日常維護，在新建管線，管線遷建中提供便利。為管線巡線提供準確位置信息。這些空間分析功能是以往CAD 平臺所不能提供的。

4 結語

FME 與ArcGIS 作為地理信息領域比較流行的GIS 軟件，獲得行業(yè)內高度贊譽和普遍認可。通過ETL 解決方案，實現(xiàn)超400 多種不同數(shù)據(jù)間的空間轉換,對數(shù)據(jù)進行創(chuàng)建、編輯、分析的同時提供豐富的工具進行數(shù)據(jù)采集、管理、可視化分析建模。為滿足快速、高質量、多需求的數(shù)據(jù)間轉換分析應用提供高效可靠的技術手段。FME 和ArcGIS 兩款軟件各有優(yōu)缺點，把兩種軟件有機結合使用，能夠使用戶得到良好應用體驗。本工程中，兩款軟件得到合理的應用，優(yōu)缺點互補，提高了作業(yè)效率，避免了繁多的工作量。同時為市政綜合管線規(guī)劃提供有效空間利用信息。