GIS時空數據模型在城市地下管線數據庫中的應用研究

速云中

(廣東工貿職業技術學院，廣東 廣州 510510)

1 引言

城市地下管線建設與延伸是城市化進程加深的重要體現，在城市經濟發展中起重要作用。信息管理系統負責地下管線系統的實時、動態監管，以便有效開展維修、調度等工作。隨著管線數量和布設復雜程度的增加，信息管理系統數據庫的歷史查詢及數據更新功能需求越發強烈，為彌補傳統管理系統數據庫功能的不足，需引入GIS 時空數據模型，對有關經驗進行總結。

2 GIS 時空數據模型搭建

2.1 模型選擇

常規GIS 空間數據庫多采用關系級模型，新時空數據模型可在原空間模型基礎上增加時間標記，即對原有模型進行升級和擴充。總結現有研究成果，按時間標記水平不同，可分為關系級模型、元組級模型和屬性級模型三類。其中，關系級模型在產生新數據的同時建立序列式快照存入相應數據庫。元組級模型中各元組對應一個時間標記，若某元組的某項屬性發生變化，即形成新元組和時間標記[1]。屬性級模型中元組的每一屬性對應一個時間標記，要想有效處理時間標記，就要用到變長字段值。對這三種模型做橫向對比，屬性級模型數據冗余有限，處理時間標記更便捷，以其作為城市地下管線信息管理系統的時空數據模型。

2.2 修測類型

城市地下管線相關信息處于不斷增加、變化、更新狀態，頻繁發生事件的更新和廢除，導致地下管線空間或屬性改變，其中事件即為修測類型。當此類事件發生時，將發生節點記為修測工程號，并將其與修測類型一同記錄在數據結構單元，輔助模型搭建。

2.3 數據模型

基于以上理論，劃分地下管線系統的點與線。其中，管點包括節點、X 坐標、Y 坐標、修測類型和修測時間；管線包括線段、起始點、終結點、修測類型和修測時間。具體數據模型如圖1 所示。

3 城市地下管線時空數據庫搭建

城市地下管線時空數據庫分為建設階段和管理階段。

3.1 管線建設階段的時空數據庫搭建

地下管線工程建設階段有場地勘察、線路規劃、方案設計、具體施工、質量驗收等環節，均產生大量數據和圖形資料，時空數據庫按時間節點發展順序搭建[2]。具體是疊加多個空間數據庫，根據數據變化繪制各時間段狀態數據，變化與疊加一一對應，以索引方式記錄空間關系和變化，最終數據在時間維度上動態呈現。管線建設階段各環節時空數據庫模型如圖2 所示。

管線工程建設各階段因重復審批產生的歷史數據用版本方式管理。建設階段時空數據庫在數據表中添加字段，標記審批階段、更新狀態等。時間字段為時序的標志字段，需根據業務屬性劃分時間單位。如材料入庫時間節點審批，將時間單位設為材料到場時間。

圖2 建設階段各環節時空數據模型

3.2 管線管理階段的時空數據庫搭建

將城市地下管線系統管理階段的時空數據庫設置為四個模塊，分別用于原始數據、歷史數據、變更數據和實時數據的存儲。各模塊用途如表1 所示。

表1 時空數據庫不同模塊的用途劃分

時空數據庫構建要點是時空數據與原有基礎數據的有機結合，各模塊包含管線空間數據和屬性數據。建立修測工程表將各模塊連接為統一整體，由空間數據、時間數據和屬性數據的主鍵字段構成。形成的數據庫框架流程為：修測工程數據→原始數據模塊→計算機系統→變更數據模塊→實時數據模塊→數據庫功能操作/數據備份→歷史數據模塊[3]。

依上述流程，地下管線系統的時空數據查詢、分析、管理和追溯更便捷，可實現動態化數據管理。如將系統管點及管線屬性信息和空間信息錄入原始數據模塊，校驗處理后存入變更數據模塊，再按需求進行備份。為避免數據冗余，數據庫結構中按圖幅備份數據。數據進入實時數據模塊前重點處理三類事件：①新增時間，將管線屬性及空間數據全部存入實時數據模塊。②變更事件，檢測篩選出當前現狀數據模塊中需變更數據，進行變更處理，完成數據狀態更新，省去數據重新入庫步驟。③廢棄事件，檢測篩選并刪除實時數據模塊中失效或無用數據。GIS 時空數據庫中，單一屬性或空間數據變化均為時空數據變化，需完成管線信息的記錄和更新。產生新修測工程時，則更新修測信息表及現狀數據模塊。查詢既定數據時，輸入修訂工程號即可。還可通過管線屬性數據或空間數據，查找分析另外一種數據。若修訂工程號處于過去狀態，可利用歷史數據模塊的修測信息，恢復管線數據。

4 時空數據庫的具體應用

以城市地下供水管線巡檢為例，供水管線巡檢時空數據庫為綜合數據庫，將兩個及以上數據庫結合，滿足供水管線的監督、巡檢。供水管線時空數據模型為 ： ，B 為系統時空過程集成方式，ST 為系統的時空對象信息，STDATEBASE為時空事件數據庫，STMODEL 是系統的時空數據模型[4]。

供水管線巡檢系統時空對象包括點、線、面三類，時空數據模型中，時間和空間為變量。其中，點要素指SCADA 檢點、設置所在點、管線節點等，用空間坐標和時間點表示；單個線要素存在兩個或以上有效坐標和時間點；面對象由點和線集成。供水管線巡檢使用監測定位技術，獲取管線空間拓撲結構，輔助以S為變量的ArcGIS 靜態數據，精準呈現管線的拓撲結構、圖形數據庫結構及巡檢路線等[5]。

各時空對象有其獨特屬性，以單獨或關聯狀態存在。如點對象屬性有材質、管徑、水壓等，屬性與具體時間點結合形成時態對象并描述對象點特征。屬性與時間線結合形成巡檢要素的時態對象，呈現某時段管線巡檢對象屬性特征的變動。如以時間T 為變量劃分供水管線巡檢時空要素類別，表示管線改線、擴張等施工進度，或監測管線巡檢范圍等。然后屬性對象再以時間T 和空間S 為變量，展示完整的供水管線變更時態信息。

5 結論

基于GIS 時空數據模型的城市地下管線數據庫，在設計、搭建和更新上更加便捷，時空數據庫進一步提高了地下管線信息管理系統功能完整性和運行效率，管線數據的查詢、調取等可快捷完成，確保數據庫信息實時更新，進而提高城市地下管線運營管理質量。