给水排水工程器 Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ＆Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 城市排水地理信息系统功能设计 闫美琦 ．史明昌 （１．北京林业大学水土保持学院，北京 １０００８３；２．北京地拓科技发展有限公司，北京 １０００８４） 摘要：以城市排水管网管理及城市防洪排涝为核心出发点，分析了系统的业务、数据及功能需求。针对系统需求分析， 对系统功能进行了设计，详细设计了查询统计功能及以连通性分析、汇水区分析、淹没分析等为核心的空间分析功能。城 市排水地理信息系统既需满足对排水管网管理的应用需求，又需实现对城市防洪、排涝的功能支持。 关键词：城市排水管网；地理信息系统；系统业务需求；功能设计 中图分类号：ＴＵ ９９２．０３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７６７（２０１７）０６—０１０７—０６ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｙａｎ Ｍｅｉｑｉ，Ｓｈｉ Ｍｉｎｇｃｈａｎｇ 笔者针对国内现行城市排水地理信息系统功能上 存在的缺陷与不足，基于对城市排水管控业务流和排 水地理信息系统需求分析，对镇江市排水地理信息系 统部分功能进行了详细设计，其中完善了系统查询统 计功能，着重探究了上下游分析、淹没分析等满足“降 雨一产、汇流一排水”一体化过程管理的空间分析功能。 １系统需求分析 完善的系统需求分析是进行系统功能设计和开 发的初始步骤。通过分析排水管控业务流，结合项目合 同方的实际需要，分析系统业务需求，进而分析实现 系统业务需求的数据需求和系统的功能需求，是进行 系统功能设计的重要依据和前提＿１Ｊ。 １．１ 系统业务需求分析 图１系统业务需求 系统的业务需求是指城市排水地理信息系统需 作需要［３１ 要提供给实际管理部门用以辅助管理的各类有关信 根据排水设施信息管理及降雨时排水事件“降雨一 息＿２＿。基于对排水管控业务流的分析，结合实际管理部 产、汇流一排水”一体化过程管理的数据需要，将系统 门在对排水系统进行设施资产管理、排洪能力分析以 数据分为排水设施数据与基础地理数据２部分，二者 及对排水事件“降雨一产、汇流一排水”一体化过程管 共同支撑城市排水地理信息系统的业务需求。系统数 理等方面的工作需要。将城市排水地理信息系统的业 据需求如图２所示。 务需求划分为排水设施信息管理、排水过程信息管理 ２系统功能设计 ２部分，具体的系统业务需求如图１所示。 １．２系统数据需求分析 ２．１ 系统总体功能设计 对系统总体功能进行设计．且明确各功能模块的 一基于系统业务需求分析，探究实现业务需求所需 级功能点，是对系统各级功能点进行详细设计的基 的数据及其组织形式，是进行系统功能设计的前提条 础。基于系统功能需求，将系统功能设计划分为６个模 件，能确保系统功能设计充分结合实际管理部门的工 块。系统功能结构如图３所示。 ２ｏ１７卑第６喇（儿一）第３５拳辛荭投木 １０７ 器给水排水工程 Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ＆Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 图２系统数据需求 图３系统功能结构图 ２．２系统详细功能设计 ２．２．１用户管理模块 用户管理模块划分为３个功能点，即用户登录、用 户权限管理和用户信息编辑。 １）用户登录 用户输入用户名和密码，验证通过后（同一个登录 用户可以尝试错误密码输入３次）登录成功，进入系 统界面。用户登录功能提供记住用户名和密码、重置及 找回密码功能。 ２）用户权限管理 城市排水地理信息系统提供给用户的信息主要 是排水设施数据和基础地理数据，同时采用数据分层 管理方式，且数据准确度、分辨率较高，甚至部分数据 为涉密数据。因此，在用户数据访问权限上需要做相应 的控制，即系统应根据用户信息确定其用户权限，不同 的用户可加载的图层数据和操作权限不同。 ３）用户信息编辑 １０８啼荭投ｊＩ：２０１７ Ｎｏ．６（Ｎｏｖ．）Ｖｏ１．３５ 提供添加系统用户账户信息、对系统账户信息进 行修改、删除的功能。 ２．２．２地图操作模块 地图操作模块划分为３个一级功能点，即地图基 本操作、几何量算和图层管理。 １）地图基本操作 地图基本操作功能包括地图调整、地图辅助定位、 地图标记和视图显示４个二级功能点。 ①地图调整：提供地图浏览查看功能，包括对地 图进行旋转、视角转换等操作，利用鼠标滚轮或缩放 按钮对地图进行平移、放大、缩小等操作，对选中对象 进行放大、缩小、居中显示、清除等操作。 ②地图辅助定位：提供地图辅助定位功能，帮助 用户在地图上快速查找和定位。例如，根据查询对象的 地名模糊查询，将地图当前显示范围定位到被查询对 象所在位置，并高亮显示被查询对象处的排水设施。此 外，系统还提供了导航地图窗ＩＨ（鹰眼窗口），用户在 鹰眼窗口中点击某一位置，地图当前显示位置将定位 至该位置 ③地图标记：提供不同大小、形状、颜色的符号、线 条及多边形，用户可根据实际需要在地图上对图形要 素进行选择、标记、插入地图书签等操作。此外，系统还 提供了清除选择或标记对象的功能。 ④视图显示：提供对视图界面显示背景的切换功 能．包括遥感影像和普通地图显示。此外，系统在地图 上以不同颜色渲染显示不同排水体制的地下管线，以 不同图形显示泵站、调蓄池、溢流堰等排水设施。系统 的制图主要参照ＧＢ／Ｔ ５０１０６－－２００１《给水排水制图标 准》和ＧＢ／Ｔ ２０２５７．１—２００７《国家基本比例尺地图图式 第１部分：１：５００、１：ｌ ０００、ｌ：２ ０００地形图图式》。 ２）几何量算 ①距离量算：提供地图中任意多点间距离的自动 量算功能 通过线段或闭合多边形端点的坐标，可计 算出线段长度或首尾相接线段的累计长度。 ②面积量算：提供地图中任意多边形面积的自动 量算功能，通过闭合多边形的端点坐标，可计算出其 包围区域的面积。 ③高程查询：提供地图中任意位置高程的查询功 能，通过数据需求分析中的数字高程模型数据提供的 地面高程信息获取查询位置的高程。 ３）图层管理 ①图层显示：提供对排水设施和基础地理各类数 给水排水工程器 Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ＆Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｎｎ 据进行分层显示的功能，包括显示图层列表、改变图 据，如检查井、地下管线等数据的数据编辑功能层显示顺序、设置图层显示的透明度等。 。 ２）数据校核 ②图层编辑维护：提供新建图层、删除图层、对图 提供对新增、编辑后数据空问拓扑关系的检查功 层属性信息进行编辑的功能。 能。根据用户制订的排水设施空间数据的空间拓扑规 ２．２．３数据编辑模块 则，系统自动执行检查操作，系统中各类排水设施具有属性数据和图形数据检查空间数据的拓扑错 ． 误，供用户对数据进行纠错、编辑等操作。 实际管理部门需利用系统对排水设施数据进行统一、 ２．２．４查询统计模块 动态管理。例如，针对新修设施，新增其属性数据并连 １）排水设施查询 锁新增其图形数据；针对废弃设施，删除其图形数据 ①地下管线查询：查询时首先要确定查询范围并连锁删除相关联的属性数据。 ，用 户可以在选定行政区域或全幅范围内查询。１）数据编辑 查询时，用 户可进行单一参数或复合参数查询，可自行设置查询 ①数据新增：提供对排水设施空间数据和属性数 参数及其范围。 据，如检查井、地下管线等数据的数据新增功能 查询参数：查询范围（必选）、管道截面形状（必 ②数据删除：提供对排水设施空间数据和属性数 选）、排水体制（可选）、管道长度（可选）、据，如检查井、地下管线等数据的数据删除功能 管径（可选）、 建设时间（可选）。 ⑨数据编辑：提供对排水设施空间数据和属性数 地下管线属性信息查询算法如图４所示。 ￣：＂ｎｕｌｌ代表空值，表示其后没有可用的数据，数据读取在此结束；Ｆ、Ｔ分别代表错误、正确。 图４地下管线属性信息查询算法 查询结果：查询出符合查询参数的地下管线属性 使所有查询结果在地图窗口中高亮显示信息，包括管道材质、管道粗糙系数，用户可在属 、管壁厚度等，并 性信息框中选择对某一管线定位。由于地下管线数量 ２０１７牟第６＿（Ｉ１一）第３５巷一穹；荭敖求 １０９ 器给水排水工程 Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ＆Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 较多，查询结果采用分页显示处理，用户可定制每页显 内统计。统计时，系统统计出统计范围内地下管线长度 示的条数。 断面形式为圆形、管径大于４００ ｍｍ小于８００ ｍｍ的地 及查询结果。 龋 醴鞫 趟蜒 瞄龋＿ 和检查井数量，且按排水体制分组统计其长度、数量 功能示例：对镇江市地下管网的总体情况进行统 功能示例：查询管道长度大于２００ ｍ小于５００ ｎｌ且 及其占比，生成饼状图。 下雨水管线属性信息。图５显示了复合查询参数设置 计，表ｌ、图６显示了地下管线、检查井总体统计结果。表１ 镇江市主城区地下管网总体统计表 ．＿＿ ＿ 一 麟＿ｊ 目 ＿日圈 ｌ矗ｌ 溪 ＼ ＿＿目 ｌ ｉ髓豳 ｌＩ黜目豳＿ 露豳 ＿ｍ＾ … ●●●” ｍ ．．． ｃ●Ｉ● ０’ｌ∞● Ｉ．ｏ“ ｑ－一 ｅ＝￣１１ ｌｃ ｃ ４ ■ ｍ■ ………埘ｌ ■ 蚋 ｃｅｃｉｌ‘ ＩｍＬ＇￣ｌ 锥∞∞ Ｉｌ 冈５地下管线属性信息查询示例 ②其他设施查询：查询时首先要确定查询范围，用 户可以在选定行政区域或全幅范围内查询。查询时，用 户可设置查询设施类型，包括泵站、调蓄池、溢流堰等 设施。 查询参数：查询范围（必选）、设施类型（必选）。 查询结果：查询出符合查询参数的设施属性信息， 并使所有查询结果在地图窗口中高亮显示，用户可根 据设施名称浏览其属性信息，可在属性信息框中选择 对其定位。 ２）空间范围设施查询 －雨水管－污水管・合流管 ｏ ｏ －雨水井－污水井－合流井 ａ）雨水、污水、合流管线长度饼图ｂ）雨水、污水、合流检查井数照饼罔 图６地下管网总体统计示例 ②排水管线管径统计：统计时首先要确定统计范 ①点取查询：利用鼠标滚轮或缩放按钮将地图放 同，可以在自定义多边形内、选定行政区域或全幅范 大，使用元素识别工具点取地图中待查询的各类排水 围内统计。统计时，用户可点击选择对所有管线、雨水 设施。 管线、污水管线或合流制排水管线统计，同时可点击选 用户指定类型的排水管线按管径范围分组统计的长 查询结果：系统在地图窗口中高亮显示被点取对 择统计排水管线的截面形状。系统统计出统计范围内 象，且自动弹出其属性信息框。 ②多边形查询：利用鼠标滚轮或缩放按钮将地图 度及其占比 放大，使用多边形选择工具在地图中绘制多边形，再使 的各类排水设施。 ③汇入受纳体排水管道统计：统计时首先要确定 同排水体制汇人管道长度及其占比．生成饼状图，并在 用元素识别工具点取多边形边界．查询多边形范围内 受纳体，系统统计出汇入该受纳体排水管线总长度、不 查询结果：系统在地图窗口中高亮显示被查询多 地图窗口中以不同颜色渲染显示被统计受纳体及汇 边形内的各类排水设施及多边形边界，且自动弹出按 入该受纳体不同排水体制的排水管道。 设施类型分别显示的地下管线、检查井的属性信息框。 ３）排水设施统计 ④排放口统计：用户可点击选择对所有排放口、雨 水排放口、污水排放口或合流制排放口统计．系统统 ①地下管网总体统计：统计时首先要确定统计范 计出全幅范围内用户指定类型的排放口数量。生成柱 围，可以在自定义多边形内、选定行政区域或全幅范围 状图 １１０啼 投木２０１７Ｎｏ．６（Ｎｏｖ．）Ｖｏ１．３５ 给水排水工程器 Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ＆Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ⑤泵站统计：用户可点击选择对所有泵站、雨水 口中高亮显示连通路径。 泵站、污水泵站或合流制泵站统计，系统统计出全幅 范围内用户指定类型的泵站数量，生成柱状图。 ４）设施排洪能力统计分析 ２）上下游分析 上下游分析。即分析出与管网中任意节点或管线 存在上下游关系的节点或管线。分析时，用户在地图窗 设施排洪能力统计分析功能包括排水管道使用 口中设置分析节点或管线，选择对其进行上（下）游分 寿命分析、坡度较小管段统计、排水管道流速和淤积 析，系统统计出分析节点或管线上（下）游各类排水设 性能评估３个二级功能点。 施的数量，显示出分析节点或管线上（下）游所有排水 ①排水管道使用寿命分析：统计时首先要确定统 设施的基本属性信息，且采用分页处理，用户可定制 计范围．可以在自定义多边形内、选定行政区域或全幅 每页显示的条数．并在地图窗口中高亮显示分析节点 范同内统计。统计时，系统根据排水管道建设日期等 或管线上（下）游排水设施。同时，用户点击统计按钮可 属性数据对排水管道使用寿命进行统计，生成饼状图、 使系统统计出分析节点或管线上（下）游排水管线的总 柱状图，并在地图窗口中显示颜色渐进的渲染效果。 长度、按排水体制和管径分组统计的管线长度等信息。 参考分级为Ｏ～５年，５～１０年，１０￣２０年，２０￣３０年， ３０￣４０年，４０￣５０年．５０年以上。 ３）汇水区分析 汇水区分析，即基于连通性分析、上下游分析和 ②坡度较小管段统计：统计时首先要确定统计范 流向分析建立的排水系统水流拓扑关系网络，结合地 围，可以在自定义多边形内、选定行政区域或全幅范 表汇水区数据，分析某汇水区内降雨径流由汇入地下 围内统计。用户可点击选择对所有管段、雨水管段、污 管网到经排放口排入受纳体一体化过程的排水路径。 水管段或合流制管段统计，系统统计出用户指定类型 分析时．系统在地图窗口中以特殊颜色渲染出地表汇 的管段中坡度较小管段的长度，生成柱状图及占比饼 水区边界，高亮显示用户选定汇水区内的雨水收集口、 状图．并在地图窗口中高亮显示坡度较小的管段。 雨水流向、流经的排水设施和排放口。同时，系统提供 ③排水管道流速及淤积性能评估：结合管网流速 选定汇水区及最终汇入各受纳体的属性信息以及汇 监测数据及管道传输模拟，可以确定管网系统中各节 水区内雨水收集口数量、降雨径流量、最终汇入各受 点、管线内的水流量、流速等信息ｌ４】。因此，系统可结合 纳体排放口数量、各监测点径流数据等信息。 管道流速信息对其淤积性能进行分析，以反映排水管 道排洪性能，确保排水系统安全运行。 ２．２．５模型接口模块 功能示例：对汇水区Ａ进行汇水区分析。图７为 汇水区分析示意图，地图窗口中高亮显示了汇水区内 所有雨水收集口、流经排水设施和流向、排放口。用户 系统提供汇水区积水范围、积水深度、积水面积等 点击查询按钮可使系统提供汇水区及最终汇入各受 针对系统降雨产汇流过程信息业务需求的功能需求， 纳体的属性信息。而且提供排水管线淤积情况、过载情况等针对系统传 输性能信息业务需求的功能需求．以及提供排放口水 质状况等针对系统雨污水排放水质信息业务需求的 功能需求，这些功能需求均涉及产汇流计算、水力学模 型、水质转换模型等众多专业计算模型。因此，系统需 完成各计算模型接口的设计，以插件形式无缝支持满 足接口要求的任意模型。 ２．２．６空间分析模块 １）连通性分析 连通性分析，即分析管网中任意节点间是否存在 连通关系。分析时，用户在地图窗口中设置分析起点及 分析终点，若两节点存在连通性，系统显示分析起点 至分析终点间所有排水设施的基本属性信息。且采用 分页处理．用户可定制每页显示的条数。并在地图窗 图７汇水区分析示意图 ４）淹没分析 淹没分析，即对降雨后城市内涝情况进行分析。分 ２０１７．￣ ６期（１１一）第３５卷啼 投木 ＩＩＩ 器给水排水工程 Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ＆Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 析时．系统专业模型插件接口通过调用相关产汇流计 算模型、结合ＤＥＭ数据，可分析出用户选定汇水区内 的淹没面积和淹没范围，以及多个汇水区内的总淹没 面积．并在地图窗Ｅｌ中将淹没范围渲染成淹没状态。 此外．在淹没范围内，系统提供用户点击处的水深 信息。 淹没分析算法如图８所示。 ９淹没分析示意 ３ 结语 笔者明确了地理信息系统在城市排水管网信息 化管理中的地位．分析了城市排水地理信息系统的业 务需求，并针对系统业务需求，对系统总体功能进行 设计，其中系统较详细地设计了查询统计模块及空间 分析模块，为建成集降雨、产汇流、防洪排涝为一体的 全面综合的城市排水地理信息系统提供了技术支撑， 将在城市极端气候时有发生的新形势下为城市排水 管理决策部门提供辅助管理的科学依据，也将为数字 化城市目标的实现奠定坚实的基础。 参考文献： 罔８淹没分析算法 【１】张建成，田青，李刚，等．软件＿ｒ程需求分析方法探讨…．信息 技术与信息化．２００７（６）：７４—７７． ［２］赵新华，李琼．城市排水管网信息ＧＩＳ管理系统没汁Ⅲ．中国 给水排水，２００２．１８（９）：５５—５７． 功能示例：对汇水区Ａ进行淹没分析。冈９为淹没 分析示意图．地图窗口将汇水区Ａ内的淹没范围渲染 深信息。 ５）排水水质分析 示，且统计ｍ该汇水区内淹没面积及用户点击处水 ［３ｌ区福邦．城市地下管线普查技术研究 应用［Ｍ１．南京：东南 大学ＨＪ版社．１９９８． 【４］毛云峰，王红武，高原，等．基于ＩｎｆｏＷｏｒｋｓＣＳ软件的Ｌ海市某 排水系统运行现状评估【Ｊ］．给水排水，２０１３，３９（１２）：１ １ １－ｌｌ４． ［５】戴梅红，李田，张伟．合流制排水系统雨天溢流污染ＣＭＢ法 源解析ｌ Ｊ１．环境科学，２０１３，３４（１ １）：４２２６—４２３０． 收稿日期：２０１７—０６—０６ 基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（２０Ｉ３ＺＸ０７３０４） 系统根据相关水质模型及水质监测数据，分析计算 用户所选取排放口处的水质指标，包括ｐＨ值、ＢＯＤ 、 ＣＯＤ、悬浮物、氨氮、总氮、总磷、总镉、总汞、总铅、总砷 等㈣。分析时，用户首先选取排放口及水质指标，系统 提供该排放口选定水质指标的统计图表，供用户参考、 作者简介：闩美琦，女，在读硕士研究牛，主要研究方向为土壤侵蚀 分析及管理 模型 （上接第ｌ０６页） ｆ７】周丕严，张汀山，陈庆华．模糊评价模型的改进及其在水质 评价ｒ｝】的应用…．云南环境科学，２００６，２５（４）：５０—５ｌ，５５． ［１０】涮宝珠，付强，宋族鑫．基于超标倍数赋杈法的模糊物元在湿 地水质评价巾的应用［Ｊ１．安全与环境学报，２００９，９（１）：９７—９９． ［１１］中国环境科学研究院．地表水环境质量标准：ＧＢ ３８３８—２００２ ［Ｓ】．北京：中围标准出版卡ｔ，２００２． ［８】代雪静，田卫．水质模糊评价模型中赋权方法的选择…．巾闲 科学院研究生院学报，２０１ １，２８（２）：１６９一ｌ７６． 『９】万金保，侯得印，万兴，等．模糊综合评价法在乐安河水质评 收稿日期：２０１７—０６—０９ 价巾的应用『Ｊ１．环境Ｔ程，２００６，２４（６）：７７—７９． 作者简介：申震，男，助理Ｔ程师．硕士，主要研究方向为电厂化学 １１２，；｝荭故木２０１７Ｎｏ．６（Ｎｏｖ．）Ｖｏ１．３５