耿為民 劉遂慶
（同濟大學環(huán)境科學與工程學院）

　　摘 要：簡要描述地理信息系統(tǒng)的發(fā)展、定義和建立基于GIS的供水管理系統(tǒng)的必要性，對供水管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型、功能需求和開發(fā)方式進行了分析。
　　關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)空間信息屬性信息供水管網(wǎng)水力模型水質(zhì)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

　　目前我國城市建設(shè)迅速發(fā)展，各個城市對市政建設(shè)和環(huán)境治理日益重視。隨著城市供水設(shè)施的不斷完善和供水管網(wǎng)模型的智能化、圖形化，建立一個完整、準確的供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)，提高供水系統(tǒng)管理的效率、質(zhì)量和水平，是現(xiàn)代城市發(fā)展的需求。城市供水地理信息系統(tǒng)是融計算機圖形和數(shù)據(jù)庫于一體，儲存和處理空間信息的高新技術(shù)，它把地理位置和相關(guān)屬性有機結(jié)合起來，根據(jù)實際需要準確真實、圖文并茂地輸出給用戶。
　　滿足市政部門對供水系統(tǒng)的運行管理、設(shè)計和信息查詢的需要，借助其獨有的空間分析功能和可視化表達，進行各項管理和決策。
　　2、地理信息系統(tǒng)簡介
　　地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System)簡稱GIS。廣義來說，它是存儲和處理與地理空間分布有關(guān)信息的集合，主要由以下四部分組成：信息獲取與輸入；數(shù)據(jù)存儲與管理；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與分析；成果生成與輸出。
　　 地理信息系統(tǒng)是20世紀60年代開始迅速發(fā)展起來的一門新技術(shù)，結(jié)合計算機、系統(tǒng)工程、經(jīng)濟管理等多學科的知識，屬跨學科的技術(shù)系統(tǒng)。從1962年起，在加拿大政府的土地資源調(diào)查機構(gòu)中開始地圖數(shù)字化的試驗，利用當時最先進的計算機設(shè)備和軟件開發(fā)出世界上第一個具有實用價值的地理信息系統(tǒng)——加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）。該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)規(guī)劃上獲得了一定效果。在技術(shù)方面初步解決了地圖手卜數(shù)字化或自動掃描后矢量轉(zhuǎn)化，地圖數(shù)據(jù)和文字屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)接，將大范圍的連續(xù)地圖分成 幅幅來處理，以及不規(guī)則多邊形按屬性分類、面積量算、疊合等技術(shù)問題。進入80年代后，隨著和地理信息系統(tǒng)相關(guān)學科、技術(shù)，如計算機地圖制圖、攝影測量與遙感、數(shù)字圖像處理、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、軟件工程等的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)在發(fā)達國家得到了廣泛的應(yīng)用，在發(fā)展中國家也正在得到重視和開發(fā)應(yīng)用。祖國從7O年代開始探索計算機在地圖制圖和遙感領(lǐng)域的應(yīng)用，在80年代開展了地理信息系統(tǒng)的研究與試驗性的應(yīng)用，其側(cè)重點在自然資源的調(diào)查和管理。進入90年代后很多行業(yè)紛紛投資于實用性地理信息系統(tǒng)的建設(shè)，特別在城市建設(shè)、城市管理方面的地理信息系統(tǒng)已成為人們普遍關(guān)注的熱點。
　　地理信息是表征地理系統(tǒng)諸要素的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、相互聯(lián)系和變化規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像和圖形等的總稱。地理信息是屬于空間信息，其位置識別與數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起，這是地理信息區(qū)別于其他類型信息的最顯著的標志，地理信息系統(tǒng)是以采集、存儲、管理、描述、分析地球表面及空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。它是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機硬、軟件環(huán)境的支持下，對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究、綜合評價、管理、定量分析和決策服務(wù)而建立起來的一類計算機應(yīng)用系統(tǒng)，是以計算機為工具，具有地理圖形和空間定位功能的空間型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。
　　3、基于GIS的供水管理系統(tǒng)
　　管網(wǎng)GIS即管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，顧名思義，具備上述地理信息系統(tǒng)的 般特征，同時由于供水管網(wǎng)系統(tǒng)的特殊性，管網(wǎng)GIS也具有與一般地理信息系統(tǒng)的不問之處：
　　1．管網(wǎng)GIS的主要處理對象為供水管網(wǎng)的相應(yīng)組件，包括泵站、輸配水管道。管道閥門井、水表井、減壓閥、瀉水閥、排氣閥、用戶水表等。因此管網(wǎng)GIS處理對象較為純粹。
　　2．管網(wǎng)系統(tǒng)及相應(yīng)設(shè)施與市政道路、工商業(yè)、居民住宅區(qū)規(guī)劃密切相關(guān)，管網(wǎng)GIS的建立需要豐富、翔實的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。
　　3．管網(wǎng)GIS以服務(wù)于自來水公司管理、提高自來水公司管理水平為目標，GIS系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以契合并優(yōu)化自來水公司業(yè)務(wù)管理為宗旨，因而管網(wǎng)GIS不但應(yīng)該是單純的地理信息系統(tǒng)，同時也是一個管理信息系統(tǒng)（MIS）。
　　4．供水管網(wǎng)GIS作為針對供水管網(wǎng)的專業(yè)軟件系統(tǒng)，應(yīng)該考慮與該專業(yè)領(lǐng)域 內(nèi)相關(guān)軟件系統(tǒng)或管理目標（例如管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度等）的鑲嵌或整合，不但是一個相對獨立的系統(tǒng)，而且應(yīng)該是一個開放的系統(tǒng)。
　　管網(wǎng)GIS的功能體現(xiàn)在：
　　1．全面實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)檔案的數(shù)字化管理，形成科學、高效、豐富、翔實的供水管網(wǎng)檔案管理體系，建立管網(wǎng)系統(tǒng)中央數(shù)據(jù)庫。
　　2．高效、生動地定位管道、閥門、水表等管網(wǎng)組件，為實際生產(chǎn)運行提供可靠的依據(jù)。
　　3．為管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃、改建、擴建提供圖紙及數(shù)據(jù)依據(jù)，對管網(wǎng)的改擴建的規(guī)劃、改擴建后的運行進行計算機模擬，輔助管網(wǎng)規(guī)劃方案的優(yōu)選。
　　4．為管網(wǎng)施工提供圖紙依據(jù)。準確定位管道的埋設(shè)位置、埋設(shè)深度、管道井。
　　閥門井的位置、供水管道與其他地下管線的布置和相對位置等，以減少山于開挖位置不正確造成的施工浪費和開挖時對通訊、電力、煤氣等地下管道的損壞帶來的經(jīng)濟損失甚至嚴重后果。
　　5．科學高效地進行爆管搶修等事故處理。
　　6．用于自來水公司日常運行的水表業(yè)務(wù)管理，包括增設(shè)水表、水表定位、抄表數(shù)據(jù)等，提供與自來水公司運行管理軟件的接口，管理自來水公司的水費收取等日常業(yè)務(wù)。
　　提供供水管網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計、實時運行模擬、狀態(tài)參數(shù)校核、管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度等技術(shù)性功能的軟件接口，實現(xiàn)供水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化、科學運行、降低運行成本。
3．1　基于GIS的供水管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型
　　從地理信息技術(shù)的角度可以將供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分為兩大類：空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。
　　數(shù)據(jù)組織如圖1所示：

　　供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)整體框架如圖2所示：

3．1．l空間數(shù)據(jù)信息
　　空間數(shù)據(jù)是用來確定圖形和制圖特征的位置，這是以地球表面空間位置為參照坐標系。主要反映以下兩方面的信息：1、在某個已知坐標系中的位置，也稱幾何坐標；2、實體間的空間相關(guān)性，即拓撲關(guān)系。
　　供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)信息主要包括與供水系統(tǒng)有關(guān)的各種基礎(chǔ)地理特征信息（如：地形、土地使用、地表特征、地下構(gòu)筑物、河流等）和供水系統(tǒng)的本身的各地理特征信息（如檢查井、水表、管道、泵站、閥門、水廠等）。空間數(shù)據(jù)信息主要通過GIS的空間數(shù)據(jù)處理功能，表達地球上象點、線或多邊形的地理特征。
3．1．2屬性數(shù)據(jù)信息
　　屬性數(shù)據(jù)信息是用來反映與幾何位置無關(guān)的屬性，它是與地理實體相聯(lián)系的地理變量或地理意義，一般是經(jīng)過抽象的概念，通過分類、命名、量算、統(tǒng)計等方法得到。
　　以供水系統(tǒng)為例，按實體類型分為：節(jié)點屬性、管道屬性、閥門屬性、水表屬性等。節(jié)點屬性主要包括節(jié)點編號、節(jié)點坐標（X、Y、Z）、節(jié)點流量、節(jié)點所在道路名等。
　　管道屬性包括管道編號、起始節(jié)點號、終止節(jié)點號、管長、管材、管道粗糙系數(shù)、施工日期、維修日期等。
　　閥門屬性主要包括閥門編號、閥門坐標（X、Y、Z）、閥門種類、閥門所在道路名等。水表屬性主要包括水表編號、水表坐標（X、Y、Z）、水表種類、水農(nóng)用戶名等。
3．2 GIS與水力、水質(zhì)模型的聯(lián)接
　　目前GIS和水力、水質(zhì)模型都有相對比較成熟的軟件可以運用（如GIS系統(tǒng)有ArcView、ArcInfo、Mapobject 等，水力水質(zhì)模型有Stoner、EPANET、8M、TJw1.0等）。開發(fā)供水管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于將GIS系統(tǒng)和水力水質(zhì)模型相聯(lián)接。一般情況下實現(xiàn)這種聯(lián)接主要有以下兩種方法：
　　1、單純二次開發(fā)
　　大多數(shù)地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺（也成為工具型地理信息系統(tǒng)）都提供了二次開發(fā)語言。如ArcVie。提供了Avenue語言；Maplnfo提供了MapBasic語言，等等。開發(fā)者可利用這些宏語言，以原GIS具軟件為開發(fā)平臺，將現(xiàn)有水力水質(zhì)模型或自己開發(fā)的水
力水質(zhì)模型聯(lián)接到GIS系統(tǒng)。這種方法開發(fā)比較簡單，開發(fā)時間比較短。但GIS提供的開發(fā)語言在開發(fā)應(yīng)用程序時仍不盡人意，效率低下，而且界面設(shè)計相對單一，難以滿足不同GIS應(yīng)用的需要。
　　2、集成二次開發(fā)
　　集成M次開發(fā)是指利用GIS具軟件（如ArcView、Maplnfo等）實現(xiàn)GIS的基本功能，以通用編程軟件尤其是面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)工具（如Visual C++，VisualBasic，Delphi等）為開發(fā)平臺，充分發(fā)揮GIS工具軟件在空間數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢及可視化開發(fā)工具在應(yīng)用程序開發(fā)上的強大功能，進行二者的二次開發(fā)。這種方法又分為兩種方式：一是采用 OLE Autooation（對象聯(lián)接嵌入自動化）技術(shù)或利用 DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）技術(shù)。用軟件開發(fā)工具開發(fā)前臺可執(zhí)行應(yīng)用程序，以O(shè)LE或DDE技術(shù)啟動GIS具在后臺運行，實現(xiàn)應(yīng)用程序的GIS功能；二是利用GIS具軟件廠家提供的建立在 OCX技術(shù)基礎(chǔ)上的 GIS功能組件（如 Mapobjects、MapX、Supermap等），在編程工具編制的應(yīng)用程序中直接將GIS功能嵌入其中。這是一種高效方便的開發(fā)方法，應(yīng)用程序具有良好的外觀、完善的功能，且可靠性好，便于維護。
　　GIS和聯(lián)接的水文／水力水質(zhì)模型組成供水管理系統(tǒng)的核心部分。輸入供水系統(tǒng)基礎(chǔ)資料和相關(guān)數(shù)據(jù)，便可非常方便計算整個管網(wǎng)的流量和水力水質(zhì)條件。通過GIS的功能管理空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)形成一種互動的關(guān)系。對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的編輯可以在同一步驟內(nèi)完成。GI的這種基本特征使在數(shù)據(jù)經(jīng)常性發(fā)生改變的環(huán)境下數(shù)據(jù)管理變得容易。當數(shù)據(jù)發(fā)生改變或者污水管線和檢查井有新的信息需要編輯的時候，這些變化可以一次性進行修改，自動映射到數(shù)據(jù)庫和地圖，通過水力水質(zhì)模型對系統(tǒng)重新進行模擬計算。
3．3 基于GIS的供水管理系統(tǒng)的基本功能
3．3．1 數(shù)據(jù)錄入
　　由于供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)多為測量值和實際調(diào)查數(shù)據(jù)，并且要求圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)嚴格一致，運用地理信息技術(shù)為實現(xiàn)“圖形——數(shù)據(jù)”一致和權(quán)限的設(shè)置提供了可能。在地理信息系統(tǒng)中，圖形與屬性數(shù)據(jù)通過約定的記錄字段保持著緊密的聯(lián)系，刪除、修改、添加一個點、一個線、一個面都會引起對應(yīng)屬性數(shù)據(jù)的變更，這種連動變更是地理信息系統(tǒng)在目己內(nèi)部自動維護的；因此，可以保證“圖形—數(shù)據(jù)”一致、準確，對于修改權(quán)限的設(shè)置也可以通過在屬性中添加一個標志來控制不同用戶的權(quán)限，實現(xiàn)只讀、讀寫。只寫等功能．在AUTOCAD上開發(fā)的供水管理系統(tǒng)，則由于圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)分別處在兩個系統(tǒng)中而無法很好地實現(xiàn)這些功能，要變更一個實體，必須分別在兩個系統(tǒng)中變更對應(yīng)實體記錄才能保證數(shù)據(jù)的一致；權(quán)限的設(shè)置更是難以實現(xiàn)，仟何用戶都可以在AUTOCAD上隨意地修改圖形數(shù)據(jù)，而且修改后又很難檢查出錯誤。
3．3．2 圖形編輯
　　AUTOCAD主要是處理機械圖件，用AUTOCAD來處理地學圖件相當不方便，有時甚至是不可能的運用了地理信息技術(shù)的供水管理系統(tǒng)，圖形編輯不僅能編輯各種圖元的幾何信息還要維護拓撲信息，其中有些內(nèi)容可通過編程自動調(diào)整，可不參與用戶編輯。例如當刪除節(jié)點時，與該節(jié)點相連的管段同時被刪除等（拓撲關(guān)系的維護）
3．3．3屬性編輯
　　屬性編輯是指地理特征的各屬性數(shù)據(jù)進行編輯，如節(jié)點編號、節(jié)點流量的變更輸入等。運用地理信息技術(shù)的供水管理系統(tǒng)能自動維護圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)，圖形數(shù)據(jù)有所變化時屬性數(shù)據(jù)也及時變更，反之亦然，如節(jié)點的坐標為實際測量值，在屬性數(shù)
據(jù)中也存儲了一份，當變更屬性中節(jié)點的X，Y坐標時，節(jié)點的空間數(shù)據(jù)相應(yīng)發(fā)生變化。
3．3．4 檢索查詢
　　在供水管理系統(tǒng)中，采用了地理信息技術(shù)后，圖形和數(shù)據(jù)之間的互相查詢變得十分方便快捷。由于圖形和屬性可被看作是一體的，所以得到了圖形的實體號也就得到了對應(yīng)屬性的記錄號，并獲得了對應(yīng)數(shù)據(jù)，而不用在屬性數(shù)據(jù)庫中從頭到尾地搜索一遍來獲
取數(shù)據(jù)、因此，建立在地理信息技術(shù)基礎(chǔ)上的供水管理系統(tǒng)能夠以很高的速度進行批量查詢和多幅圖間的查詢；而建立在AUTOCAD基礎(chǔ)上的供水管理系統(tǒng)則由于圖形和屬性之間缺乏強有力的紐帶聯(lián)系，所以在查詢的速度和質(zhì)量上捉襟見肘。
3．3．5　管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)管理
　　GIS與水力水質(zhì)模型相聯(lián)接后，GIS的基本功能實現(xiàn)供水系統(tǒng)所要求的基本數(shù)據(jù)的輸入、存儲和管理，水力水質(zhì)模型調(diào)用GIS屬性數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)對供水系統(tǒng)進行模擬、分析和計算，并將模擬結(jié)果存入GIS屬性數(shù)據(jù)庫，通過GIS將模擬所得的數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)相聯(lián)接。
3．3．6 輸出管理
　　根據(jù)用戶各種合理要求，計算機可以通過各種外部設(shè)備輸出多種形式的數(shù)據(jù)、表格、圖表或地圖等，主要包括 1：500，1：1000標準分幅地圖輸出。矩形裁剪及編輯、按街道街坊裁剪輸出、管道縱斷面圖、系統(tǒng)平面圖等，然后進行圖形整飾，最后打印輸 　　道街坊裁剪輸出、管道縱斷面圖、系統(tǒng)平面圖等，然后進行圖形整飾，最后打印輸出。在這里街道街坊的裁剪輸出，必須運用地理信息技術(shù)來解決。這些都是以AUTOCAD為基礎(chǔ)的供水管理系統(tǒng)無法一步到位做到的，但運用了地理信息技術(shù)后，問題就可以因為是在一個系統(tǒng)內(nèi)處理而迎刃而解。

4、結(jié)論

　　使用GIS，通過圖形支持和水力水質(zhì)模型，用戶可以有效地對供水設(shè)施進行維護和分析。使用屬性數(shù)據(jù)庫，可以定期更新丁作部署，作好通知和數(shù)據(jù)庫維護工作。
　　地理信息技術(shù)為構(gòu)造一個復(fù)雜的供水信息管理系統(tǒng)打下了堅實的基礎(chǔ)，它能夠被應(yīng)用到從供水信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計到最后的每一個基本功能的設(shè)計中去，因此它是建立一個功能強大的供Ｇ水管網(wǎng)管理系統(tǒng)所不可缺少的工具。
　　建立管網(wǎng)地理信息管理系統(tǒng)，利用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)對供水管網(wǎng)的全面動態(tài)管理是市政設(shè)施信息化建設(shè)和管理的重要組成部分，也是城市市政設(shè)施現(xiàn)代化設(shè)水平的重要體現(xiàn)，將大大促進區(qū)域投資環(huán)境的改善，最終推動區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展。
　　同時，也應(yīng)清醒地認識到建立供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)的難度和問題所在，給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析的方法、管網(wǎng)閘門的優(yōu)化調(diào)度、與水力水質(zhì)模擬計算軟件的接口、事故處理（如爆管管搶修）等等，如何進一步尋優(yōu)，是值得我們探討的問題。

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