CN103927417B - 基于水力模型构建需求的排水管网数字化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水力模型构建需求的排水管网数字化处理方法，属于市政工程信息技术与地理信息系统技术交叉领域。本发明从水力模型构建的需求出发，将标准CAD矢量数据的GIS化操作进行大量简化，主要操作步骤均通过计算机自动实现，并且配合查错机制，及时验证原始数据的错误，保证管网系统的数字化处理过程准确、快速地实现。本发明的特点在于极大简化了传统处理方法需人工输入的数据量，且仅需通过确定管段的流向信息，取消了管段上下游节点号输入的繁复工作，同时，考虑了各个步骤的可操作性，仅需借助地理信息系统平台下的简易操作即可实现，无需借助复杂的程序编程，保证了本发明的可实施性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于水力模型构建需求的排水管网数字化处理方法，属于市政工程信息技术与地理信息系统技术交叉领域。
背景技术
地下排水管网作为城市建设中的重要部分，在城市规划和建设中起到不容忽视的作用，随着城市化进程的加快，地下管网的建设的规模逐步扩大，管网数据不断更新，给管网系统的信息化管理带来了越来越大的困难。当前，我国管网数据的管理模式还停留在以CAD数据及文本数据为主的阶段，对于管网系统的空间属性和拓扑关系的描述一直缺乏有效的技术手段进行实现。
地理信息系统技术是集存储、查询、分析和显示地理数据为一体的综合性技术，近年来已逐步应用于城市规划、土地管理和地下管网设施管理等诸多领域。尤其是随着管网水力仿真模拟技术的发展，为了快速、准确地构建出适宜水力模型模拟的管网信息化系统数据，对其有效的数字化处理技术手段提出了更为迫切的要求。
传统的排水管网数字化处理手段，是以CAD平台下无属性矢量数据为基础，通过ArcGIS地理信息系统平台的简单工具，转化为带有字段属性和空间展布信息的矢量数据。传统处理方法虽然可完整保留矢量数据的空间信息，如点的坐标、线的起点坐标和终点坐标等，但其矢量数据的字段属性却必须依靠大量人工操作进行输入，如井的地面高程、井底高程、管段的上下游节点号等。对于复杂的管网系统，人工操作的方法费时费力，而且非常容易出现人工输入错误。
基于上述传统处理方法的缺陷，本专利从水力模型构建的需求出发，将标准CAD矢量数据的GIS化操作进行大量简化，主要操作步骤均通过计算机自动实现，并且配合查错机制，及时验证原始数据的错误，保证管网系统的数字化处理过程准确、快速地实现。
发明内容
本发明主要为解决当前基于传统的管网系统数字化处理方法，人工处理量大、出错率较高、而且缺乏有效的查错机制缺点，提出了一种快速化实现排水管网系统数字化的处理方法。
本发明的技术方案如下：
基于水力模型构建需求的排水管网数字化处理方法，所述方法依次包含以下步骤：
(1)CAD基础数据处理；
传统的排水管网数据均以CAD无属性矢量数据为基础，CAD数据仅包含管网，如检查井、管段的空间坐标数据，而节点的井深、地面标高、管段的管径、上下游节点号以及管段上下游底标高等只能通过文字标注的方式进行标识。由于CAD绘图的目的仅为视觉展示，因此其数据并不要求具有严格的空间坐标匹配，如CAD绘图中节点与管段仅需保持视觉上的连接性，而实质上却并未连通。如果直接采用未处理的CAD数据构建管网系统的GIS数据，则往往造成不连通的管网布局，其数据无法满足水力模型构建的需求。本专利尽量简化CAD数据的处理工作，取消节点的绘制，而仅需对现有管段进行处理，采用端点捕捉工具保证两管段间的端点连接进行完全坐标匹配。
(2)管段GIS数据的转化和属性输入；
(2.1)管段GIS数据的转化；
通过ArcGIS平台下的转化工具，将CAD管段数据转化为带属性字段的shape格式矢量数据；
(2.2)管段GIS数据的属性输入；
管段GIS矢量数据需构建字段包括：断面类型、圆管管径、渠高、渠宽、上游底标高、下游底标高、上游埋深、下游埋深和管段流向。上述字段均可通过ArcGIS平台下的空间连接工具，通过空间距离的远近，自动获取CAD数据中管段附近的文字标识信息。但如果CAD数据无法满足空间搜索的需求，则需进行人工输入。本专利的特点在于极大简化了传统处理方法需人工输入的数据量，且仅需通过确定管段的流向信息，取消了管段上下游节点号输入的繁复工作，同时若节点地面高程采用地形数字高程模型进行推断，则可取消管段上游埋深和下游埋深数据的输入，该部分方法在步骤6中详细阐述。管段流向采用简单的人工判断，采用整数数据标识大致的管段流向，整数“1”代表管段流向为自西向东，整数“2”代表自东向西，整数“3”代表从北至南，整数“4”代表从南至北；
(3)节点的自动生成及处理；
(3.1)在ArcGIS平台下，基于管段矢量数据，自动生成管段端点，包括管段起始点和末端点的矢量图层数据；
(3.2)在ArcGIS平台下，通过空间计算工具，获取节点的X坐标和Y坐标，根据实际精度需要，保留X坐标和Y坐标的小数位精度，通过字段计算器，利用对格式化后的X和Y坐标进行字符连接作为节点编号，X和Y坐标之间采用任意简单的字符进行分割标识。
(3.3)通过节点的编号，对具有相同编号，即相同XY坐标的节点进行合并。构建查错标识字段JN，JN初始值设置为“1”。
(4)管段与节点的连接及检查；
(4.1)在ArcGIS平台下，通过空间连接工具，对管段和节点进行空间连接，连接后的新管段矢量图层保留节点的编号字段和JN字段，节点编号字段连接方式为字符合并，分割标识可采用任意字符，但建议与节点编号的XY坐标分割标识字符不相同，JN字段的连接方式为求和。
(4.2)对连接后管段数据进行检查，JN字段值为“2”代表数据无误，任何不为“2”的管段则代表原始数据存在错误，返回步骤(1)，对管段数据进行定位纠错。
(5)管段上下游节点号自动计算；
对连接后管段数据，基于流向字段和节点编号字段，通过ArcGIS字段计算器中的简单VB代码自动计算管段的上下游节点号。通过对节点编号字段进行基于步骤4.1中所采用的连接字符进行分割，分别获得管段的起始端和末端节点编号NODE1和NODE2，结合流向字段，判断NODE1和NODE2的XY坐标值大小，从而自动计算管段的上游节点号和下游节点号。
(6)节点属性的自动计算；
(6.1)节点属性的计算包括节点底部高程和地面高程计算，地面高程可通过地形DEM在ArcGIS平台下进行自动获取。在无DEM数据或数据不满足要求的情况下，则步骤2.2需人工输入管段上游埋深和下游埋深字段，通过节点编号与管段上游或下游节点号进行字段连接后，计算节点地面高程GH。若采用节点编号与管段上游节点号进行字段连接，则GH=h(管段上游底标高)+h(上游埋深)，若与管段下游节点号进行字段连接，则GH=h(管段下游底标高)+h(下游埋深)，与管段上游或下游节点号字段连接的选择以计算节点地面高程数值H不等于0为判断标准。
(6.2)节点底部高程的计算原理为与其连接管段的最低底标高为节点的底部高程。对管段矢量数据，依据上游节点号相同与下游节点号相同，在ArcGIS平台下分别进行合并处理，合并时上游底标高和下游底标高分别设置合并规则为取最小值。对节点矢量数据分别与合并后管段矢量数据进行字段连接，新增节点字段IH1和IH2，字段IH1的实际意义代表了节点连接下游管段的最低上游底标高，字段IH2的意义代表了节点连接上游管段的最低下游底标高，分别计算IH1和IH2为管段上游底标高和下游底标高。节点与采用上游节点号相同规则合并后的管段数据进行字段连接时，合并字段分别为节点编号和管段上游节点号，与采用下游节点号相同规则合并后的管段矢量数据进行字段连接时，合并字段则分别为节点编号和管段下游节点号。最后，计算节点底部高程为Min(IH1，IH2)。
有益效果：
1.采用本发明的处理方法，能够在利用现有常规CAD无属性矢量数据的基础上，快速、简易并且准确的实现满足水力模型构建需要的排水管网系统GIS化数据构建。
2.本专利极大简化了传统处理方法需人工输入的数据量，且仅需通过确定管段的流向信息，取消了管段上下游节点号输入的繁复工作，主要操作步骤均通过计算机自动实现，增加了管网系统数字化处理过程的可靠度。
3.本专利考虑了各个步骤的可操作性，仅需借助地理信息系统平台下的简易操作即可实现，无需借助复杂的程序编程，保证了本专利的可实施性。
附图说明：
图1为本发明“基于水力模型构建需求的排水管网数字化处理方法”工作的流程示意图。
具体实施方式：
本发明的具体实施流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)对CAD基础数据进行处理，取消节点的绘制，而仅需对现有管段进行处理，采用端点捕捉工具保证两管段间的端点连接进行完全坐标匹配；
(2)通过ArcGIS平台下的转化工具“Feature Class To Feature Class”，将CAD管段数据转化为带属性字段的shape格式矢量数据；
(3)管段GIS矢量数据构建字段包括：断面类型、圆管管径、渠高、渠宽、上游底标高、下游底标高、上游埋深、下游埋深和管段流向。上述字段均可通过ArcGIS平台下的空间连接工具“Spatial Join”，通过空间距离的远近，自动获取CAD数据中管段附近的文字标识信息。但如果CAD数据无法满足空间搜索的需求，则需进行人工输入。管段流向采用整数数据标识大致的管段流向，整数“1”代表管段流向为自西向东，整数“2”代表自东向西，整数“3”代表从北至南，整数“4”代表从南至北；
(4)在ArcGIS平台下，基于管段矢量数据，利用工具“Feature Vertices ToPoints”自动生成管段端点，包括了管段起始点和末端点的矢量图层数据；
(5)在ArcGIS平台下，通过空间计算工具“Calculate Geometry”，获取节点的X坐标和Y坐标，根据实际精度需要，保留X坐标和Y坐标的小数位精度，通过字段计算器，利用对格式化后的X和Y坐标进行字符连接作为节点编号，计算公式为“FormatNumber([X],1)&”_”&FormatNumber([Y],1)”，式中“1”代表保留坐标精度为小数位一位，“_”为X和Y坐标的分割字符；
(6)通过“Dissolve”工具，对具有相同编号，即相同XY坐标的节点进行合并。构建查错标识字段JN，JN初始值设置为“1”。
(7)在ArcGIS平台下，通过空间连接工具“Spatial Join”，对管段和节点进行空间连接，连接后的新管段矢量图层保留节点的编号字段和JN字段，节点编号字段连接方式为字符合并“Join”，分割标识采用字符“,”，JN字段的连接方式为求和“Sum”。
(8)对连接后管段数据进行检查，JN字段值为“2”代表数据无误，任何不为“2”的管段则代表原始数据存在错误，返回实施步骤一，对管段数据进行定位纠错。
(9)对连接后管段数据，基于流向字段和节点编号字段，通过ArcGIS字段计算器中的简单VB代码自动计算管段的上下游节点号，下表为计算管段上游节点号所采用的算法伪码。
(10)节点地面高程利用地形DEM，在ArcGIS平台下通过“Extract Values ToPoints”工具进行自动获取。在无DEM数据或数据不满足要求的情况下，则实施步骤3需人工输入管段上游埋深和下游埋深字段，通过节点编号与管段上游或下游节点号进行字段连接后，计算节点地面高程GH。若采用节点编号与管段上游节点号进行字段连接，则GH=h(管段上游底标高)+h(上游埋深)，若与管段下游节点号进行字段连接，则GH=h(管段下游底标高)+h(下游埋深)，与管段上游或下游节点号字段连接的选择以计算节点地面高程数值H不等于0为判断标准。
(11)对管段矢量数据，依据上游节点号相同与下游节点号相同，在ArcGIS平台下分别进行合并处理，合并时上游底标高和下游底标高分别设置合并规则为取最小值。对节点矢量数据分别与合并后管段矢量数据进行字段连接，新增节点字段IH1和IH2，IH1字段的实际意义代表了节点连接下游管段的最低上游底标高，字段IH2的意义代表了节点连接上游管段的最低下游底标高，分别计算IH1和IH2为管段上游底标高和下游底标高。节点与采用上游节点号相同规则合并后的管段数据进行字段连接时，合并字段分别为节点编号和管段上游节点号，与采用下游节点号相同规则合并后的管段矢量数据进行字段连接时，合并字段则分别为节点编号和管段下游节点号。最后，计算节点底部高程为Min(IH1，IH2)。
Claims (1)
1.基于水力模型构建需求的排水管网数字化处理方法，其特征在于：
所述方法依次包含以下步骤：
(1)CAD基础数据处理；
取消节点的绘制，而仅需对现有管段进行处理，采用端点捕捉工具保证两管段间的端点连接进行完全坐标匹配；
(2)管段GIS数据的转化和属性输入；
(2.1)管段GIS数据的转化；
通过ArcGIS平台下的转化工具，将CAD管段数据转化为带属性字段的shape格式矢量数据；
(2.2)管段GIS数据的属性输入；
管段GIS矢量数据需构建字段包括：断面类型、圆管管径、渠高、渠宽、上游底标高、下游底标高、上游埋深、下游埋深和管段流向；上述字段均通过ArcGIS平台下的空间连接工具，通过空间距离的远近，自动获取CAD数据中管段附近的文字标识信息；但如果CAD数据无法满足空间搜索的需求，则需进行人工输入；管段流向采用整数数据标识大致的管段流向，整数“1”代表管段流向为自西向东，整数“2”代表自东向西，整数“3”代表从北至南，整数“4”代表从南至北；
(3)节点的自动生成及处理；
(3.1)在ArcGIS平台下，基于管段矢量数据，自动生成管段端点，包括管段起始点和末端点的矢量图层数据；
(3.2)在ArcGIS平台下，通过空间计算工具，获取节点的X坐标和Y坐标，根据实际精度需要，保留X坐标和Y坐标的小数位精度，通过字段计算器，利用对格式化后的X和Y坐标进行字符连接作为节点编号，X和Y坐标之间采用任意字符进行分割标识；
(3.3)通过节点的编号，对具有相同编号，即相同XY坐标的节点进行合并；构建查错标识字段JN，JN初始值设置为“1”；
(4)管段与节点的连接及检查；
(4.1)在ArcGIS平台下，通过空间连接工具，对管段和节点进行空间连接，连接后的新管段矢量图层保留节点的编号字段和JN字段，节点编号字段连接方式为字符合并，分割标识采用任意字符，但建议与节点编号的XY坐标分割标识字符不相同，JN字段的连接方式为求和；
(4.2)对连接后管段数据进行检查，JN字段值为“2”代表数据无误，任何不为“2”的管段则代表原始数据存在错误，返回步骤(1)，对管段数据进行定位纠错；
(5)管段上下游节点号自动计算；
对连接后管段数据，基于流向字段和节点编号字段，通过ArcGIS字段计算器中的VB代码自动计算管段的上下游节点号；通过对节点编号字段进行基于步骤4.1中所采用的连接字符进行分割，分别获得管段的起始端和末端节点编号NODE1和NODE2，结合流向字段，判断NODE1和NODE2的XY坐标值大小，从而自动计算管段的上游节点号和下游节点号；
(6)节点属性的自动计算；
(6.1)节点属性的计算包括节点底部高程和地面高程计算，地面高程通过地形DEM在ArcGIS平台下进行自动获取；在无DEM数据或数据不满足要求的情况下，则步骤2.2需人工输入管段上游埋深和下游埋深字段，通过节点编号与管段上游或下游节点号进行字段连接后，计算节点地面高程GH；若采用节点编号与管段上游节点号进行字段连接，则GH＝管段上游底标高+上游埋深，若与管段下游节点号进行字段连接，则GH＝管段下游底标高+h下游埋深，与管段上游或下游节点号字段连接的选择以计算节点地面高程数值H不等于0为判断标准；
(6.2)节点底部高程的计算原理为与其连接管段的最低底标高为节点的底部高程；对管段矢量数据，依据上游节点号相同与下游节点号相同，在ArcGIS平台下分别进行合并处理，合并时上游底标高和下游底标高分别设置合并规则为取最小值；对节点矢量数据分别与合并后管段矢量数据进行字段连接，新增节点字段IH1和IH2，字段IH1的实际意义代表了节点连接下游管段的最低上游底标高，字段IH2的意义代表了节点连接上游管段的最低下游底标高，分别计算IH1和IH2为管段上游底标高和下游底标高；节点与采用上游节点号相同规则合并后的管段数据进行字段连接时，合并字段分别为节点编号和管段上游节点号，与采用下游节点号相同规则合并后的管段矢量数据进行字段连接时，合并字段则分别为节点编号和管段下游节点号；最后，计算节点底部高程为Min(IH1，IH2)。
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