耿為民 劉遂慶
（同濟大學環境科學與工程學院）

　　摘 要：簡要描述地理信息系統的發展、定義和建立基于GIS的供水管理系統的必要性，對供水管理信息系統的數據模型、功能需求和開發方式進行了分析。
　　關鍵詞：地理信息系統空間信息屬性信息供水管網水力模型水質模型。

　　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

　　目前我國城市建設迅速發展，各個城市對市政建設和環境治理日益重視。隨著城市供水設施的不斷完善和供水管網模型的智能化、圖形化，建立一個完整、準確的供水管網管理系統，提高供水系統管理的效率、質量和水平，是現代城市發展的需求。城市供水地理信息系統是融計算機圖形和數據庫于一體，儲存和處理空間信息的高新技術，它把地理位置和相關屬性有機結合起來，根據實際需要準確真實、圖文并茂地輸出給用戶。
　　滿足市政部門對供水系統的運行管理、設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、地理信息系統簡介
　　地理信息系統（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信息的集合，主要由以下四部分組成：信息獲取與輸入；數據存儲與管理；數據轉換與分析；成果生成與輸出。
　　 地理信息系統是20世紀60年代開始迅速發展起來的一門新技術，結合計算機、系統工程、經濟管理等多學科的知識，屬跨學科的技術系統。從1962年起，在加拿大政府的土地資源調查機構中開始地圖數字化的試驗，利用當時最先進的計算機設備和軟件開發出世界上第一個具有實用價值的地理信息系統——加拿大地理信息系統（CGIS）。該系統在農業規劃上獲得了一定效果。在技術方面初步解決了地圖手卜數字化或自動掃描后矢量轉化，地圖數據和文字屬性數據的聯接，將大范圍的連續地圖分成 幅幅來處理，以及不規則多邊形按屬性分類、面積量算、疊合等技術問題。進入80年代后，隨著和地理信息系統相關學科、技術，如計算機地圖制圖、攝影測量與遙感、數字圖像處理、數據庫管理系統、軟件工程等的快速發展，地理信息系統在發達國家得到了廣泛的應用，在發展中國家也正在得到重視和開發應用。祖國從7O年代開始探索計算機在地圖制圖和遙感領域的應用，在80年代開展了地理信息系統的研究與試驗性的應用，其側重點在自然資源的調查和管理。進入90年代后很多行業紛紛投資于實用性地理信息系統的建設，特別在城市建設、城市管理方面的地理信息系統已成為人們普遍關注的熱點。
　　地理信息是表征地理系統諸要素的數量、質量、分布特征、相互聯系和變化規律的數字、文字、圖像和圖形等的總稱。地理信息是屬于空間信息，其位置識別與數據聯系在一起，這是地理信息區別于其他類型信息的最顯著的標志，地理信息系統是以采集、存儲、管理、描述、分析地球表面及空間和地理分布有關的數據的信息系統。它是以地理空間數據庫為基礎，在計算機硬、軟件環境的支持下，對空間相關數據進行采集、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而建立起來的一類計算機應用系統，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據管理系統。
　　3、基于GIS的供水管理系統
　　管網GIS即管網地理信息系統，顧名思義，具備上述地理信息系統的 般特征，同時由于供水管網系統的特殊性，管網GIS也具有與一般地理信息系統的不問之處：
　　1．管網GIS的主要處理對象為供水管網的相應組件，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GIS處理對象較為純粹。
　　2．管網系統及相應設施與市政道路、工商業、居民住宅區規劃密切相關，管網GIS的建立需要豐富、翔實的相關數據和信息。
　　3．管網GIS以服務于自來水公司管理、提高自來水公司管理水平為目標，GIS系統的設計應以契合并優化自來水公司業務管理為宗旨，因而管網GIS不但應該是單純的地理信息系統，同時也是一個管理信息系統（MIS）。
　　4．供水管網GIS作為針對供水管網的專業軟件系統，應該考慮與該專業領域 內相關軟件系統或管理目標（例如管網規劃設計、管網優化調度等）的鑲嵌或整合，不但是一個相對獨立的系統，而且應該是一個開放的系統。
　　管網GIS的功能體現在：
　　1．全面實現管網系統檔案的數字化管理，形成科學、高效、豐富、翔實的供水管網檔案管理體系，建立管網系統中央數據庫。
　　2．高效、生動地定位管道、閥門、水表等管網組件，為實際生產運行提供可靠的依據。
　　3．為管網系統規劃、改建、擴建提供圖紙及數據依據，對管網的改擴建的規劃、改擴建后的運行進行計算機模擬，輔助管網規劃方案的優選。
　　4．為管網施工提供圖紙依據。準確定位管道的埋設位置、埋設深度、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務管理，包括增設水表、水表定位、抄表數據等，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務。
　　提供供水管網優化規劃設計、實時運行模擬、狀態參數校核、管網系統優化調度等技術性功能的軟件接口，實現供水管網系統的優化、科學運行、降低運行成本。
3．1　基于GIS的供水管理信息系統的數據模型
　　從地理信息技術的角度可以將供水系統的數據分為兩大類：空間數據和屬性數據。
　　數據組織如圖1所示：

　　供水管網地理信息系統整體框架如圖2所示：

3．1．l空間數據信息
　　空間數據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、實體間的空間相關性，即拓撲關系。
　　供水管網地理信息系統的空間數據信息主要包括與供水系統有關的各種基礎地理特征信息（如：地形、土地使用、地表特征、地下構筑物、河流等）和供水系統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）。空間數據信息主要通過GIS的空間數據處理功能，表達地球上象點、線或多邊形的地理特征。
3．1．2屬性數據信息
　　屬性數據信息是用來反映與幾何位置無關的屬性，它是與地理實體相聯系的地理變量或地理意義，一般是經過抽象的概念，通過分類、命名、量算、統計等方法得到。
　　以供水系統為例，按實體類型分為：節點屬性、管道屬性、閥門屬性、水表屬性等。節點屬性主要包括節點編號、節點坐標（X、Y、Z）、節點流量、節點所在道路名等。
　　管道屬性包括管道編號、起始節點號、終止節點號、管長、管材、管道粗糙系數、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、水農用戶名等。
3．2 GIS與水力、水質模型的聯接
　　目前GIS和水力、水質模型都有相對比較成熟的軟件可以運用（如GIS系統有ArcView、ArcInfo、Mapobject 等，水力水質模型有Stoner、EPANET、8M、TJw1.0等）。開發供水管理系統的關鍵技術在于將GIS系統和水力水質模型相聯接。一般情況下實現這種聯接主要有以下兩種方法：
　　1、單純二次開發
　　大多數地理信息系統開發平臺（也成為工具型地理信息系統）都提供了二次開發語言。如ArcVie。提供了Avenue語言；Maplnfo提供了MapBasic語言，等等。開發者可利用這些宏語言，以原GIS具軟件為開發平臺，將現有水力水質模型或自己開發的水
力水質模型聯接到GIS系統。這種方法開發比較簡單，開發時間比較短。但GIS提供的開發語言在開發應用程序時仍不盡人意，效率低下，而且界面設計相對單一，難以滿足不同GIS應用的需要。
　　2、集成二次開發
　　集成M次開發是指利用GIS具軟件（如ArcView、Maplnfo等）實現GIS的基本功能，以通用編程軟件尤其是面向對象的可視化開發工具（如Visual C++，VisualBasic，Delphi等）為開發平臺，充分發揮GIS工具軟件在空間數據處理上的優勢及可視化開發工具在應用程序開發上的強大功能，進行二者的二次開發。這種方法又分為兩種方式：一是采用 OLE Autooation（對象聯接嵌入自動化）技術或利用 DDE（動態數據交換）技術。用軟件開發工具開發前臺可執行應用程序，以OLE或DDE技術啟動GIS具在后臺運行，實現應用程序的GIS功能；二是利用GIS具軟件廠家提供的建立在 OCX技術基礎上的 GIS功能組件（如 Mapobjects、MapX、Supermap等），在編程工具編制的應用程序中直接將GIS功能嵌入其中。這是一種高效方便的開發方法，應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和聯接的水文／水力水質模型組成供水管理系統的核心部分。輸入供水系統基礎資料和相關數據，便可非常方便計算整個管網的流量和水力水質條件。通過GIS的功能管理空間數據庫和屬性數據庫，空間數據與屬性數據形成一種互動的關系。對空間數據和屬性數據的編輯可以在同一步驟內完成。GI的這種基本特征使在數據經常性發生改變的環境下數據管理變得容易。當數據發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，自動映射到數據庫和地圖，通過水力水質模型對系統重新進行模擬計算。
3．3 基于GIS的供水管理系統的基本功能
3．3．1 數據錄入
　　由于供水系統的數據多為測量值和實際調查數據，并且要求圖形數據與屬性數據嚴格一致，運用地理信息技術為實現“圖形——數據”一致和權限的設置提供了可能。在地理信息系統中，圖形與屬性數據通過約定的記錄字段保持著緊密的聯系，刪除、修改、添加一個點、一個線、一個面都會引起對應屬性數據的變更，這種連動變更是地理信息系統在目己內部自動維護的；因此，可以保證“圖形—數據”一致、準確，對于修改權限的設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限，實現只讀、讀寫。只寫等功能．在AUTOCAD上開發的供水管理系統，則由于圖形數據、屬性數據分別處在兩個系統中而無法很好地實現這些功能，要變更一個實體，必須分別在兩個系統中變更對應實體記錄才能保證數據的一致；權限的設置更是難以實現，仟何用戶都可以在AUTOCAD上隨意地修改圖形數據，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的供水管理系統，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，其中有些內容可通過編程自動調整，可不參與用戶編輯。例如當刪除節點時，與該節點相連的管段同時被刪除等（拓撲關系的維護）
3．3．3屬性編輯
　　屬性編輯是指地理特征的各屬性數據進行編輯，如節點編號、節點流量的變更輸入等。運用地理信息技術的供水管理系統能自動維護圖形數據與屬性數據的統，圖形數據有所變化時屬性數據也及時變更，反之亦然，如節點的坐標為實際測量值，在屬性數
據中也存儲了一份，當變更屬性中節點的X，Y坐標時，節點的空間數據相應發生變化。
3．3．4 檢索查詢
　　在供水管理系統中，采用了地理信息技術后，圖形和數據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屬性的記錄號，并獲得了對應數據，而不用在屬性數據庫中從頭到尾地搜索一遍來獲
取數據、因此，建立在地理信息技術基礎上的供水管理系統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基礎上的供水管理系統則由于圖形和屬性之間缺乏強有力的紐帶聯系，所以在查詢的速度和質量上捉襟見肘。
3．3．5　管網運行數據管理
　　GIS與水力水質模型相聯接后，GIS的基本功能實現供水系統所要求的基本數據的輸入、存儲和管理，水力水質模型調用GIS屬性數據庫中的相關數據對供水系統進行模擬、分析和計算，并將模擬結果存入GIS屬性數據庫，通過GIS將模擬所得的數據與空間數據相聯接。
3．3．6 輸出管理
　　根據用戶各種合理要求，計算機可以通過各種外部設備輸出多種形式的數據、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來解決。這些都是以AUTOCAD為基礎的供水管理系統無法一步到位做到的，但運用了地理信息技術后，問題就可以因為是在一個系統內處理而迎刃而解。

4、結論

　　使用GIS，通過圖形支持和水力水質模型，用戶可以有效地對供水設施進行維護和分析。使用屬性數據庫，可以定期更新丁作部署，作好通知和數據庫維護工作。
　　地理信息技術為構造一個復雜的供水信息管理系統打下了堅實的基礎，它能夠被應用到從供水信息管理系統數據模型設計到最后的每一個基本功能的設計中去，因此它是建立一個功能強大的供Ｇ水管網管理系統所不可缺少的工具。
　　建立管網地理信息管理系統，利用計算機系統實現對供水管網的全面動態管理是市政設施信息化建設和管理的重要組成部分，也是城市市政設施現代化設水平的重要體現，將大大促進區域投資環境的改善，最終推動區域經濟的快速發展。
　　同時，也應清醒地認識到建立供水管網管理系統的難度和問題所在，給水管網現狀分析的方法、管網閘門的優化調度、與水力水質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，是值得我們探討的問題。

參考文獻：

　　1．張劍平等 地理信息系統與Maplnfo應用 科學川版社
　　2．宋小東等 地理信息系統及其在城市規劃與管理中的應用 科學出版社
　　3．毛 鋒 地理信息系統建庫技術及其應用 科學出版社
　　4．修文群等 城市地理信息系統（GIS） 北京希望電腦公司