基于 GIS技术的水务工程管网设施管理的研究与应用

基于 GIS技术的水务工程管网设施管理的研究与应用

1 孙楚童， 2 王震林， 3 费定

1 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司

2浙江省工程数字化技术研究中心

3浙江省杭州市余杭区高教路201号，311122

摘要：目前，水务工程管网设施的数量不断增加，与之相关的水务设施信息量也十分庞大。为了能够更加科学高效的管理水务工程雨污排水系统数据信息，并实现地下管网的可视化，在工程项目管理过程中建立地理信息系统（GIS）来管理水务工程管网设施成为了必要。在实际项目中应用本文的研究成果，验证了基于GIS的水务工程管网设施管理方法。同时，在管网数据录入时完成了自动向统一坐标系的转换，并在录入后提供了查询服务，全方位提高了水务工程管网设施的管理效率。

关键词：水务工程；管网设施；GIS；数字化；平台

水务工程的管网、排口及检查井设施覆盖面积广，分布复杂，且大多位于地下，管网的建设及维护管理都面临着巨大的压力和挑战。而传统的管理方法无法形象直观的了解管网情况，往往会造成工程滞后，成本增加。因此，亟需一种科学有效的现代化管理方法。

1 传统水务工程管网、排口及检查井等设施的信息管理方式

传统水务工程管网主要是基于CAD技术来实现设计施工的信息化。在设计期，各专业独立绘制二维CAD图纸，基于图纸进行沟通和协同工作。管网的排布都记录于CAD图纸上，二维图纸专业性强，可视性差且数量繁多，大量的CAD管网图纸信息无法和运维管理工作整合，不利于后期管网信息的维护以及管理工作，极大的增加了工作难度和影响工作效率。并且CAD图纸直观性差，非专业人员不能通过图纸了解相关信息，存在很大的局限性。

2 GIS的发展及应用

随着互联网、信息技术、空间技术的不断发展和创新，在我国各个传统行业正在积极地进行信息化、数字化转型，工业互联网加快发展的时代背景下，在水务工程中，GIS的应用变得越来越广泛。利用GIS技术可以通过计算机设备形象的在地图上展示出管网设施的分布情况，并通过GIS中的数据库系统存储相关信息，实现管网信息的有效管理与可视化展示。

随着国内水务工程和城市的发展，城市内管网规模不断增大，纵横交错，加强对管网GIS的开发应用就成为了必要，GIS具有强大的空间信息采集、管理、分析能力，通过GIS技术可以大大提高管网数据管理应用质量。因此，开展基于GIS的水务工程管网设施管理的研究有着重要的意义。

3 基于GIS的水务工程管网、排口及检查井等设施的信息统计及应用方法

在过去，水务工程中的管网、排口及检查井等设施的信息，主要通过数据库保存，或者体现在CAD图上，且各工程的相关信息都保存在多个CAD文件中，对于信息的使用查询，以及对整个水务工程管网设施和检查井分布情况的展示都有很大的限制。利用GIS技术可以统一管理管网、排口及检查井等设施的信息，其中管网的GIS信息采集方法是利用GIS技术实现管网信息管理的基本保证。

3.1管网设施GIS信息获取

管网设施GIS的信息的提取是开展基于GIS管理水务工程管网信息研究的前提和基础。只有获取正确有效的GIS信息，才能保证管网设施展示的正确，维护的管网信息才有实际的应用价值。

3.1.1 通过CAD中的信息获取

水务工程项目中，在设计期会创建管网设施的CAD图纸，图纸中保存有相关的经纬度信息，GIS系统可以直接收集项目CAD图纸中的信息，完成项目中管网设施的GIS信息采集。

采集过程一般先由相关人员将CAD数据导出为excel文件，再通过平台导入功能将excel数据导入至GIS系统的数据库中。由于CAD中的坐标为平面坐标系下的值，所以需要先通过相关软件（supermap、arcgis等）进行坐标转换，得到坐标系与GIS系统一致的数据再进行导入。本研究提出了在管网数据导入时提供自动进行坐标系转换的算法服务（见第3.2章节），跳过了使用软件转换坐标的步骤，直接将CAD导出的excel文件导入至GIS系统中。

3.1.2 通过现场测量结果获取

对于CAD中缺失或实际工程与CAD存在偏差的设施，可以通过直接记录现场测量结果的方式采集相关GIS信息。本GIS系统中属性信息采用自定义的方式，录入人员除了录入坐标信息外，可根据现场采集得到的管网、检查井等设施的相关属性信息，自定义属性字段。如本研究中的项目对重力污水井设置了纵向长度、病毒等级、管段长度管径等字段，而对雨水检查井设置了井底标高、材质、井深等属性字段。

3.1.3 通过地图中选点获取

对于精确度要求不高，测量不便又没有可靠CAD图纸的管网设施，可以同过在地图上定位设施位置，获取设施的经纬度信息。

3.2 GIS中坐标系的统一规范

为建设智慧水务工程，实现管网设施信息的智能化、一体化管理，需要将各种来源的GIS数据整合成统一数据标准的信息，空间坐标系的转换和统一是实现多源数据统一管理的关键。本系统决定使用统一的CGCS2000坐标系为存储和展示使用的坐标系，在采集管网GIS信息时，本系统将不同坐标系统一转换为CGCS2000坐标系后再进行数据的保存。确保使用统一的坐标系才能保证管网设施展示的正确性，图1为系统中坐标系转换关系示意图。

图1 系统中坐标系转换关系示意图

本次研究中，项目实地测量的数据为WGS84或GCJ02坐标，CAD中的坐标信息主要为2000平面坐标系。由于WGS84与CGCS2000误差极小，所以我们主要研究了GCJ02转换至CGCS2000的方法以及将平面2000坐标转换为CGCS2000球面坐标的方法。

1. GCJ02转换至CGCS2000

coordtransform 是一个提供了百度坐标（BD09）、国测局坐标（火星坐标，GCJ02）、和WGS84坐标系之间的转换的工具模块。直接在项目中安装该模块就可以实现各球面坐标之间的转换。

2. 平面2000坐标转换为CGCS2000球面坐标

高斯反算公式可以解决已知在高斯投影平面上的直角坐标(X,Y)和投影带中央子午线经度，反求该点在椭球面上的大地坐标(B,L)，即（X,Y)-->(B,L)的坐标变换问题。所以本项目中通过程序实现高斯反算公式：先通过根据子午线弧长公式反算出垂足经纬度，将其代入反算公式即可算出大地纬度B和经差l,进而求出大地坐标精度L，从而实现了平面2000坐标转换为CGCS2000球面坐标的功能。

3.3 基于GIS的管网、排口及检查井等设施的信息应用

将GIS技术应用在某市的水务工程项目中，并采用本文研究的数据采集方法与统一的坐标规范，与传统方法相比优势明显。

3.3.1 管网、排口及检查井等设施的GIS信息可视化展示

将GIS系统中的管网、排口及检查井等设施以路网和设施点的方式可视化展示到地图上，如图3所示，其中设施点进行了聚集统计处理，在地图上显示各聚集的设施数量，线路在地图上动态展示管网内部流向，使用者可以对管网的流向一目了然。

图2 管网设施可视化展示

对于水务系统中的重力污水管、给水管、压力雨水管，污水排口、雨水排口、污水检查井、雨水井、阀门等，在遵循工程设计行业的图例要求前提下，根据设施的属性不同，按照行业规范的水务设施图例，在地图相应位置上进行展示，可以清晰的了解到工程中的管网排布流向和各设施（检查井、排口等）的位置，对于整个工程的管控以及工程情况的了解都起到了关键的辅助作用。本系统中的图例按以下规范展示。

图3 图例规范

3.3.2 管网、排口及检查井等设施属性查询展示

GIS系统中除了地理信息外，还绑定了相应的管网设施属性，照片等信息，点击地图上的图例即可查看对应设施的详细属性和设施的照片，水务管网主要包括重力污水管、给水管及压力雨水管，绑定并展示的属性主要包括管径、管道材质、管段长度、纵向长度、终止井和起始井等，排口主要包括污水排口、雨水排口及混流开口，绑定并展示的属性主要包括尺寸、材质等，检查井主要包括污水检查井、给水检查井、雨水检查井及混流检查井，绑定并展示的属性主要包括材质、尺寸、井底标高、井深等。

图4 排口及污水管属性信息展示示意

3.3.3 GIS信息分类查询

本GIS系统中根据管网属性和所在工程以及施工状态对系统中的管网设施进行了分类，可以使用分类后生成的图层树对系统内的GIS数据进行分类查询，可以快速定位到查询目标。相比于传统查看CAD图纸的方式，无论是查找目标管网的速度，还是信息展示的清晰程度都得到了极大的提高。

3.3.4 GIS展示优化

GIS系统的应用不单单只局限于一个项目，相信在未来城市级的应用才是关键，一个城市的管网、检查井等设施的数据量十分庞大，如何更好的利用GIS来储存和展示城市级的数据是值得研究的问题。

本研究中使用了懒加载技术来避免直接加载项目中的全部数据，默认加载关键节点的数据，当具体查看某个工程时才会展示该项目的详细管网和检查井。本方法解决城市级GIS信息的展示问题时同样有效。

当然还有更多其他的方法如数据的轻量化，Lod细节层次技术等都值得我们继续研究，使水务工程管网设施管理的城市级GIS应用更加的完善。

3.4 结论与展望

基于GIS的水务工程管网设施信息管理与传统方法相比，优势体现在以下方面：（1）基于GIS的保存，可以打破工程之间图纸的界限对管网的信息进行统一整合；（2）基于GIS的展示更加的形象生动，且降低了对CAD图纸应用的专业性要求；（3）基于GIS的检索，能够更加快速的定位到目标设施，极大的提高了工作效率。

GIS技术在水务工程方面的应用是实现智慧水务的关键性一环，而在未来，随着GIS在水务方面的更加深入研究及应用，结合更多先进技术如IoT,大数据及人工智能等,使水务、水资源管理变得更加智能化，为水务工程的建设，运维带来更大的帮助。

参考文献：

[1] 王少燕.地方坐标系到CGCS2000的转换在电网GIS中的应用.测绘与空间地理信息,2013 Vol.36.No.7.

[2] 吴科可.基于GIS的杭州水务管网综合管理系统的设计与实现.浙江大学,2014

[3] 孔祥元. 大地测量学基础[M].武汉:武汉大学出版社，2001.