供水管网地理信息系统的开发和应用

耿为民 刘遂庆
（同济大学环境科学与工程学院）

　　摘 要：简要描述地理信息系统的发展、定义和建立基于GIS的供水管理系统的必要性，对供水管理信息系统的数据模型、功能需求和开发方式进行了分析。
　　关键词：地理信息系统空间信息属性信息供水管网水力模型水质模型。

　　Abstract: This paper describes the development and definition of Geographic Inforamtion System (GIS), Discuss the necessity of Water Supply Management Information System based on GIS in modern cities. The data model, function requirement and development method of water Supply Management Information System was analyzed.
　　Keywords: GIS, Spatial Data, Attribute Information, Water Supply Network, Hydraulic Model,
　　Water Quality model.

1、引言

　　目前我国城市建设迅速发展，各个城市对市政建设和环境治理日益重视。随着城市供水设施的不断完善和供水管网模型的智能化、图形化，建立一个完整、准确的供水管网管理系统，提高供水系统管理的效率、质量和水平，是现代城市发展的需求。城市供水地理信息系统是融计算机图形和数据库于一体，储存和处理空间信息的高新技术，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。
　　满足市政部门对供水系统的运行管理、设计和信息查询的需要，借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各项管理和决策。
　　2、地理信息系统简介
　　地理信息系统（Geographic Information System)简称GIS。广义来说，它是存储和处理与地理空间分布有关信息的集合，主要由以下四部分组成：信息获取与输入；数据存储与管理；数据转换与分析；成果生成与输出。
　　 地理信息系统是20世纪60年代开始迅速发展起来的一门新技术，结合计算机、系统工程、经济管理等多学科的知识，属跨学科的技术系统。从1962年起，在加拿大政府的土地资源调查机构中开始地图数字化的试验，利用当时最先进的计算机设备和软件开发出世界上第一个具有实用价值的地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS）。该系统在农业规划上获得了一定效果。在技术方面初步解决了地图手卜数字化或自动扫描后矢量转化，地图数据和文字属性数据的联接，将大范围的连续地图分成 幅幅来处理，以及不规则多边形按属性分类、面积量算、叠合等技术问题。进入80年代后，随着和地理信息系统相关学科、技术，如计算机地图制图、摄影测量与遥感、数字图像处理、数据库管理系统、软件工程等的快速发展，地理信息系统在发达国家得到了广泛的应用，在发展中国家也正在得到重视和开发应用。祖国从7O年代开始探索计算机在地图制图和遥感领域的应用，在80年代开展了地理信息系统的研究与试验性的应用，其侧重点在自然资源的调查和管理。进入90年代后很多行业纷纷投资于实用性地理信息系统的建设，特别在城市建设、城市管理方面的地理信息系统已成为人们普遍关注的热点。
　　地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息是属于空间信息，其位置识别与数据联系在一起，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著的标志，地理信息系统是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统，是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管理系统。
　　3、基于GIS的供水管理系统
　　管网GIS即管网地理信息系统，顾名思义，具备上述地理信息系统的 般特征，同时由于供水管网系统的特殊性，管网GIS也具有与一般地理信息系统的不问之处：
　　1．管网GIS的主要处理对象为供水管网的相应组件，包括泵站、输配水管道。管道阀门井、水表井、减压阀、泻水阀、排气阀、用户水表等。因此管网GIS处理对象较为纯粹。
　　2．管网系统及相应设施与市政道路、工商业、居民住宅区规划密切相关，管网GIS的建立需要丰富、翔实的相关数据和信息。
　　3．管网GIS以服务于自来水公司管理、提高自来水公司管理水平为目标，GIS系统的设计应以契合并优化自来水公司业务管理为宗旨，因而管网GIS不但应该是单纯的地理信息系统，同时也是一个管理信息系统（MIS）。
　　4．供水管网GIS作为针对供水管网的专业软件系统，应该考虑与该专业领域 内相关软件系统或管理目标（例如管网规划设计、管网优化调度等）的镶嵌或整合，不但是一个相对独立的系统，而且应该是一个开放的系统。
　　管网GIS的功能体现在：
　　1．全面实现管网系统档案的数字化管理，形成科学、高效、丰富、翔实的供水管网档案管理体系，建立管网系统中央数据库。
　　2．高效、生动地定位管道、阀门、水表等管网组件，为实际生产运行提供可靠的依据。
　　3．为管网系统规划、改建、扩建提供图纸及数据依据，对管网的改扩建的规划、改扩建后的运行进行计算机模拟，辅助管网规划方案的优选。
　　4．为管网施工提供图纸依据。准确定位管道的埋设位置、埋设深度、管道井。
　　阀门井的位置、供水管道与其他地下管线的布置和相对位置等，以减少山于开挖位置不正确造成的施工浪费和开挖时对通讯、电力、煤气等地下管道的损坏带来的经济损失甚至严重后果。
　　5．科学高效地进行爆管抢修等事故处理。
　　6．用于自来水公司日常运行的水表业务管理，包括增设水表、水表定位、抄表数据等，提供与自来水公司运行管理软件的接口，管理自来水公司的水费收取等日常业务。
　　提供供水管网优化规划设计、实时运行模拟、状态参数校核、管网系统优化调度等技术性功能的软件接口，实现供水管网系统的优化、科学运行、降低运行成本。
3．1　基于GIS的供水管理信息系统的数据模型
　　从地理信息技术的角度可以将供水系统的数据分为两大类：空间数据和属性数据。
　　数据组织如图1所示：

　　供水管网地理信息系统整体框架如图2所示：

3．1．l空间数据信息
　　空间数据是用来确定图形和制图特征的位置，这是以地球表面空间位置为参照坐标系。主要反映以下两方面的信息：1、在某个已知坐标系中的位置，也称几何坐标；2、实体间的空间相关性，即拓扑关系。
　　供水管网地理信息系统的空间数据信息主要包括与供水系统有关的各种基础地理特征信息（如：地形、土地使用、地表特征、地下构筑物、河流等）和供水系统的本身的各地理特征信息（如检查井、水表、管道、泵站、阀门、水厂等）。空间数据信息主要通过GIS的空间数据处理功能，表达地球上象点、线或多边形的地理特征。
3．1．2属性数据信息
　　属性数据信息是用来反映与几何位置无关的属性，它是与地理实体相联系的地理变量或地理意义，一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计等方法得到。
　　以供水系统为例，按实体类型分为：节点属性、管道属性、阀门属性、水表属性等。节点属性主要包括节点编号、节点坐标（X、Y、Z）、节点流量、节点所在道路名等。
　　管道属性包括管道编号、起始节点号、终止节点号、管长、管材、管道粗糙系数、施工日期、维修日期等。
　　阀门属性主要包括阀门编号、阀门坐标（X、Y、Z）、阀门种类、阀门所在道路名等。水表属性主要包括水表编号、水表坐标（X、Y、Z）、水表种类、水农用户名等。
3．2 GIS与水力、水质模型的联接
　　目前GIS和水力、水质模型都有相对比较成熟的软件可以运用（如GIS系统有ArcView、ArcInfo、Mapobject 等，水力水质模型有Stoner、EPANET、8M、TJw1.0等）。开发供水管理系统的关键技术在于将GIS系统和水力水质模型相联接。一般情况下实现这种联接主要有以下两种方法：
　　1、单纯二次开发
　　大多数地理信息系统开发平台（也成为工具型地理信息系统）都提供了二次开发语言。如ArcVie。提供了Avenue语言；Maplnfo提供了MapBasic语言，等等。开发者可利用这些宏语言，以原GIS具软件为开发平台，将现有水力水质模型或自己开发的水
力水质模型联接到GIS系统。这种方法开发比较简单，开发时间比较短。但GIS提供的开发语言在开发应用程序时仍不尽人意，效率低下，而且界面设计相对单一，难以满足不同GIS应用的需要。
　　2、集成二次开发
　　集成M次开发是指利用GIS具软件（如ArcView、Maplnfo等）实现GIS的基本功能，以通用编程软件尤其是面向对象的可视化开发工具（如Visual C++，VisualBasic，Delphi等）为开发平台，充分发挥GIS工具软件在空间数据处理上的优势及可视化开发工具在应用程序开发上的强大功能，进行二者的二次开发。这种方法又分为两种方式：一是采用 OLE Autooation（对象联接嵌入自动化）技术或利用 DDE（动态数据交换）技术。用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以OLE或DDE技术启动GIS具在后台运行，实现应用程序的GIS功能；二是利用GIS具软件厂家提供的建立在 OCX技术基础上的 GIS功能组件（如 Mapobjects、MapX、Supermap等），在编程工具编制的应用程序中直接将GIS功能嵌入其中。这是一种高效方便的开发方法，应用程序具有良好的外观、完善的功能，且可靠性好，便于维护。
　　GIS和联接的水文／水力水质模型组成供水管理系统的核心部分。输入供水系统基础资料和相关数据，便可非常方便计算整个管网的流量和水力水质条件。通过GIS的功能管理空间数据库和属性数据库，空间数据与属性数据形成一种互动的关系。对空间数据和属性数据的编辑可以在同一步骤内完成。GI的这种基本特征使在数据经常性发生改变的环境下数据管理变得容易。当数据发生改变或者污水管线和检查井有新的信息需要编辑的时候，这些变化可以一次性进行修改，自动映射到数据库和地图，通过水力水质模型对系统重新进行模拟计算。
3．3 基于GIS的供水管理系统的基本功能
3．3．1 数据录入
　　由于供水系统的数据多为测量值和实际调查数据，并且要求图形数据与属性数据严格一致，运用地理信息技术为实现“图形——数据”一致和权限的设置提供了可能。在地理信息系统中，图形与属性数据通过约定的记录字段保持着紧密的联系，删除、修改、添加一个点、一个线、一个面都会引起对应属性数据的变更，这种连动变更是地理信息系统在目己内部自动维护的；因此，可以保证“图形—数据”一致、准确，对于修改权限的设置也可以通过在属性中添加一个标志来控制不同用户的权限，实现只读、读写。只写等功能．在AUTOCAD上开发的供水管理系统，则由于图形数据、属性数据分别处在两个系统中而无法很好地实现这些功能，要变更一个实体，必须分别在两个系统中变更对应实体记录才能保证数据的一致；权限的设置更是难以实现，仟何用户都可以在AUTOCAD上随意地修改图形数据，而且修改后又很难检查出错误。
3．3．2 图形编辑
　　AUTOCAD主要是处理机械图件，用AUTOCAD来处理地学图件相当不方便，有时甚至是不可能的运用了地理信息技术的供水管理系统，图形编辑不仅能编辑各种图元的几何信息还要维护拓扑信息，其中有些内容可通过编程自动调整，可不参与用户编辑。例如当删除节点时，与该节点相连的管段同时被删除等（拓扑关系的维护）
3．3．3属性编辑
　　属性编辑是指地理特征的各属性数据进行编辑，如节点编号、节点流量的变更输入等。运用地理信息技术的供水管理系统能自动维护图形数据与属性数据的统，图形数据有所变化时属性数据也及时变更，反之亦然，如节点的坐标为实际测量值，在属性数
据中也存储了一份，当变更属性中节点的X，Y坐标时，节点的空间数据相应发生变化。
3．3．4 检索查询
　　在供水管理系统中，采用了地理信息技术后，图形和数据之间的互相查询变得十分方便快捷。由于图形和属性可被看作是一体的，所以得到了图形的实体号也就得到了对应属性的记录号，并获得了对应数据，而不用在属性数据库中从头到尾地搜索一遍来获
取数据、因此，建立在地理信息技术基础上的供水管理系统能够以很高的速度进行批量查询和多幅图间的查询；而建立在AUTOCAD基础上的供水管理系统则由于图形和属性之间缺乏强有力的纽带联系，所以在查询的速度和质量上捉襟见肘。
3．3．5　管网运行数据管理
　　GIS与水力水质模型相联接后，GIS的基本功能实现供水系统所要求的基本数据的输入、存储和管理，水力水质模型调用GIS属性数据库中的相关数据对供水系统进行模拟、分析和计算，并将模拟结果存入GIS属性数据库，通过GIS将模拟所得的数据与空间数据相联接。
3．3．6 输出管理
　　根据用户各种合理要求，计算机可以通过各种外部设备输出多种形式的数据、表格、图表或地图等，主要包括 1：500，1：1000标准分幅地图输出。矩形裁剪及编辑、按街道街坊裁剪输出、管道纵断面图、系统平面图等，然后进行图形整饰，最后打印输 　　道街坊裁剪输出、管道纵断面图、系统平面图等，然后进行图形整饰，最后打印输出。在这里街道街坊的裁剪输出，必须运用地理信息技术来解决。这些都是以AUTOCAD为基础的供水管理系统无法一步到位做到的，但运用了地理信息技术后，问题就可以因为是在一个系统内处理而迎刃而解。

4、结论

　　使用GIS，通过图形支持和水力水质模型，用户可以有效地对供水设施进行维护和分析。使用属性数据库，可以定期更新丁作部署，作好通知和数据库维护工作。
　　地理信息技术为构造一个复杂的供水信息管理系统打下了坚实的基础，它能够被应用到从供水信息管理系统数据模型设计到最后的每一个基本功能的设计中去，因此它是建立一个功能强大的供Ｇ水管网管理系统所不可缺少的工具。
　　建立管网地理信息管理系统，利用计算机系统实现对供水管网的全面动态管理是市政设施信息化建设和管理的重要组成部分，也是城市市政设施现代化设水平的重要体现，将大大促进区域投资环境的改善，最终推动区域经济的快速发展。
　　同时，也应清醒地认识到建立供水管网管理系统的难度和问题所在，给水管网现状分析的方法、管网闸门的优化调度、与水力水质模拟计算软件的接口、事故处理（如爆管管抢修）等等，如何进一步寻优，是值得我们探讨的问题。

参考文献：

　　1．张剑平等 地理信息系统与Maplnfo应用 科学川版社
　　2．宋小东等 地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用 科学出版社
　　3．毛 锋 地理信息系统建库技术及其应用 科学出版社
　　4．修文群等 城市地理信息系统（GIS） 北京希望电脑公司