CN112131690A - 一种排水管网gis异常数据检测与修复的方法 - Google Patents

一种排水管网gis异常数据检测与修复的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，该方法首先对排水管网GIS数据进行预处理；然后在ArcGIS“拓扑”工具箱和SQL Server数据库软件中编写查询与修复规则来处理拓扑异常；构造了基于Jaccard相似系数矩阵的属性项半自动分类法对排水管网文本属性项的归类和修复；提出了基于规则的上下游管径填充法进行异常管径检测与修复；以最小二乘法为基础实现多通节点处异常管段高程和异常检查井高程的检测与修复。基于以上方法，采用MATLAB语言开发相应的程序，实现了人机交互式的排水管网异常数据检测与修复，具有一定普适性的解决排水管网各类主要数据异常问题的方法，能够有效帮助提高排水管网数据质量。

Description

一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法
技术领域
本发明属于排水管网GIS技术领域，具体涉及一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法。
背景技术
城市排水管网GIS系统的有用性离不开高质量的数据，不准确的排水管网数据会影响排水管网的建模、运行分析以及管理方案的决策等。我国几乎所有的城市排水管网GIS数据库都存在不同程度的数据质量问题，这就要求对排水管网GIS数据库进行合理有效的维护与管理，并根据实际情况的变化及时对其进行补充、修改和完善，保证城市排水系统GIS数据库的准确性、有效性和及时性。
目前针对排水管网数据缺陷和数据异常方面的研究，主要是在.NET平台或数据库平台编写查询与修改规则对异常数据进行检测与修复，研究方法一般仅能识别和修正管网拓扑错误和部分属性错误，如重复节点或管线、雨污类型错误、属性数据缺失等。在文本属性修复、管径和高程等数值属性异常检测和修复方面的研究甚少，尚没有高效可靠的方法能检测和修复这些异常数据。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种可针对文本属性有效修复，高效可靠地异常检测和修复排水管网的管径和高程数值属性异常的排水管网GIS异常数据检测与修复的方法。
本发明提供如下技术方案：一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，用于实现排水管网GIS数据的异常检测与修复，所述方法包括以下步骤：
1)GIS数据收集与整理：收集排水管网GIS数据，对一定错误或缺陷的排水管网GIS数据进行预处理，形成尾缀为.shp的预处理文件，将全部管段和节点数据整合成线、点两个数据集，形成管渠/节点合并数据集，将所述数据集构造为线编号-上游节点编号-下游节点编号的拓扑表，即形成管渠-节点拓扑关系表，将所述管渠-节点拓扑关系表采用节点索引的分支管段拓扑结构表示法构造形成管段分支/多通节点集合toplogy；
2)拓扑检测与修复：将所述步骤1)得到的所述预处理文件输入ArcGIS的拓扑工具箱中进行拓扑规则验证和处理，同时将所述管渠/节点合并数据集导入到SQL Server数据库中编写规则来查询和修复拓扑异常；
3)基于Jaccard相似系数矩阵的排水管网属性项半自动归类与修复：将所述步骤1)得到的所述管渠/节点合并数据集作为原始数据，根据Jaccard相似系数矩阵的属性项半自动分类方法，利用所述Jaccard相似系数矩阵的相反数计算各文本属性间的距离，形成距离矩阵，再根据文本距离和阈值的关系对文本进行归类，形成分类矩阵，结合人工调整实现排水管网所述管渠/节点合并数据集的属性项半自动归类与修复；人工调整包括编写修复规则、ArcGIS属性查找和替换；
4)异常管径数据检测与修复：将所述步骤1)中得到的所述管渠-节点拓扑关系表中的明显异常的无效管径置零，再根据基于规则的上下游管径值填充方法填充所有的零/空管径，进行异常管径数据的检测与修复，可通过输入参数控制管径填充的方案，同时也可以识别单根孤立空管段和删除始端空管渠；
5)异常高程检测与修复：将所述步骤1)中得到的所述管段分支/多通节点集合中的分支管段的管顶高程数据基于最小二乘法进行处理，将高程偏离拟合曲线较多的高程点检测为异常管顶高程数据，形成管段分支高程数据；基于规则修改上游管段高程数据，修正高程的参考值为曲线上对应的函数值，形成多通节点高程数据；再对所述多通节点高程数据基于管渠和检查井高程的衔接关系，通过判断规则检测和修复多通节点处的高程异常和检查井底的高程异常。
进一步地，所述步骤1)中的节点索引的分支管段拓扑结构表示法构造形成管段分支/多通节点集合中每个分支用一个分支数组来表示，所述分支数组的第一个数为所述分支终端节点编号，最后一个数为所述分支始端节点编号，中间的数为所述分支的管段编号，按照从下游往上游进行追溯的顺序排列。分支branch[i]＝[分支终端节点编号,管段1编号,管段2编号,……管段n-1编号,管段n编号,分支始端节点编号]，所有的分支数组形成所述管段分支/多通节点集合topology，所述管段分支/多通节点集合topology＝{branch[1],branch[2],……branch[m-1],branch[m]}。
进一步地，所述步骤1)构造管段分支/多通节点集合topology包括以下步骤：
11)遍历所有管段，判断管段i的下游节点是否是末端节点，若是则进入步骤12)，若不是再判断管段的下游节点是否是多通节点，若是则进入步骤13)，若不是多通节点则继续进入下一根管段，令i＝i+1，重复步骤11)，直到所有管段被遍历；
12)将管段的下游节点和管段i的编号添加到分支t中，将管段的下游节点编号添加到管网终端节点集合endnodeset中并进入步骤14)，通过函数迭代完成分支t；
13)将管段的下游节点和管段i的编号添加到分支t中，将管段的下游节点编号添加到多通节点集合nodeset中并进入步骤14)，通过函数迭代完成分支t；
14)通过函数迭代完成管段分支t：向上寻找管段i的上游管段，将管段编号依次添加到分支t中，直到遇到多通节点或分支始端节点，将分支的最后一根管段的编号和管段的上游节点的编号添加到分支t中，将上游节点的编号添加到分支始端节点编号的集合beginnodeset0中，迭代结束；令t＝t+1，i＝i+1，进入步骤11)；
15)提取管网终端节点集合endnodeset、分支始端节点集合beginnodeset0、多通节点集合nodeset中的唯一不同的值，用分支始端节点集合和多通节点集合做差值，得到管网始端节点集合beginnodeset。
进一步地，所述步骤3)的基于Jaccard相似系数矩阵的排水管网属性项半自动归类与修复的步骤包括：
31)针对所述预处理文本，计算某一属性项
Figure BDA0002641173510000041
Figure BDA0002641173510000042
中独立文本dai出现的概率pi并从大到小排序，得到两组相互对应的数据{p1，p2，p3，…，pN}和{da1，da2，da3…，daN}；其中，所述M为所述属性项的总个数，所述N为保留唯一值后的所述文本的个数；
32)根据Jaccard相似系数矩阵的相反数计算不同所述文本之间的1-gram距离Ji,j；
33)由Ji,j形成距离矩阵J，J(i,j)表示dai跟daj的1-grams距离，为避免重复计算，只计算距离矩阵J的上三角数据，所述距离矩阵J的对角线数值全部为零；
34)根据距离矩阵J，将1-gram距离小于某一阈值limit的两文本划分为同一类别，形成分类矩阵C，对分类矩阵C进行人工调整，确保分类准确；
35)按照分类修改属性项数据：根据调整后的分类矩阵C'，当原始属性数据
Figure BDA0002641173510000044
且i≠1时，将
Figure BDA0002641173510000045
修改为C'1,j。
进一步地，不同所述文本之间的1-gram距离Ji,j计算公式为：
Figure BDA0002641173510000043
其中，所述Li为所述文本dai的字符个数，Lj为所述文本daj的字符个数，所述
Figure BDA0002641173510000046
为所述文本dai与所述文本daj两文本中相同的字符个数。
进一步地，所述分类矩阵C的构造方式为：根据所述距离矩阵J，将所述1-gram距离小于某一阈值limit的两文本划分为同一类别；
从da1遍历到daN，若dai未被分类，则将dai划分为一个新的类别，当Ji,j<limit时(j＝i+1,i+2……N)，将daj分到dai同一类别中；若文本dai已经被划分，则直接对下一文本dai+1进行分类，设置C1,1＝da1，处于分类矩阵同一行的文本为同一类别，同一行中越是排在前面的文本出现的频率越大，所述分类矩阵C的行数等于类别数目，对分类矩阵C进行人工调整，确保分类准确。
进一步地，所述步骤4)中，基于规则的上下游管径值填充方法被写成一个函数：
[H,ifup,tick]＝GetH(t,H0set,FL_Q,ifupprior,ifdel,Nmax)
所述函数的输入参数有：临时变量t、缺失管径的管段集合H0set、管段数据FL_Q、决定填充上游或下游管径的参数ifupprior、决定是否删除管网始端管段的参数ifdel、孤立管段的填充值Nmax；
所述函数的输出参数有：管径填充值H、记录返回的管径值是上游还是下游管径的参数ifup、记录管段的上游或下游管段的总数tick。
进一步地，所述步骤5)的管段分支/多通节点集合中的分支管段的管顶高程数据基于最小二乘法进行处理包括以下步骤：
51)根据所述步骤1)得到全部管段的管段分支/多通节点集合topology，对每个分支上各根管段的下游或上游高程做直线拟合或二次曲线拟合，并做出曲线的50％置信区间；
52)超出所述步骤51)的所述置信区间的管段上游和下游高程将被认为是错误的，将拟合曲线上的对应点的函数值作为修正后的高程的参考值。
进一步地，所述步骤52)在判断多通节点处的管段高程时，首先求出节点下游的最小管底高程，若：上游管段下游管底标高≤下游管段上游管底最小标高-上游管段直径，则认为所述管段高程有误；修改不满足要求的所述管段高程，以满足以下条件：上游管段下游管底标高＝下游管段上游管底最小标高+下游管段管径-上游管段直径。
进一步地，对所述多通节点高程数据基于管渠和检查井高程的衔接关系，通过判断规则检测和修复多通节点处的高程异常和检查井底的高程异常时，通过控制两个条件来检测所述检查井井底高程的正确性：井底标高≤下游管段上游管底标高；井底标高≤上游管段下游管底标高。若不满足两个条件，则认为检查井井底标高有误，此时修正井底高程：井底标高＝min(上游管段下游管底高程，下游管段上游管底高程)。
本发明的有益效果为：
1、本发明实现了排水管网文本属性项的半自动分类方法，用Jaccard相似系数确定文本属性间的距离，据此确定某属性的距离矩阵，再根据文本距离和阈值的关系对文本进行归类，最后结合人工调整可实现复杂属性项的半自动归类与修复。
2、本发明为高程值的异常检测构造了一种节点索引的分支管段拓扑结构表示法。这种表示方法弥补了常见排水管网拓扑结构表示方法不能直观表达管段邻接拓扑关系的短板。方法将管段分支看成一个整体，分支中存储了管段间的邻接关系，根据分支的节点索引又能快速确定分支间的邻接关系。基于这种表达方法还可高效提取排水干管或主干管。
3、本发明提出了基于最小二乘法的分支管段异常高程检测和修复方法，方法将分支管段管顶高程偏离拟合曲线较多的高程点检测为异常高程，修正参考值为曲线上对应的点。方法在案例中的检测和修复效果良好。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明方法的整体流程图；
图2为本发明方法构造管段分支集合的主函数流程图；
图3为本发明方法迭代法求解管段分支函数conbra()的流程图；
图4为本发明方法属性项半自动分类方法的流程图；
图5为本发明方法管径问题的处理流程图；
图6为本发明方法分支高程异常检测与修复的流程图；
图7为本发明方法多通节点处的管段高程修复的流程图；
图8为本发明方法检查井井底高程修复的流程图；
图9为本发明实施例中属性项归类界面示意图；
图10为本发明实施例中管径异常检测与修复界面示意图；
图11为本发明实施例中高程检测与修复界面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明提供的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，用于实现排水管网GIS数据的异常检测与修复，方法包括步骤1)-5)：
步骤1)、GIS数据收集与整理：收集排水管网GIS数据，对一定错误或缺陷的排水管网GIS数据进行预处理，将原始GIS数据中不为空的重要字段提取出来，形成尾缀为.shp的预处理文件，将管线数据合并、将节点数据合并，并为合并后的管线和节点新增一串数字编号，将全部管段和节点数据整合成线、点两个数据集，形成管渠/节点合并数据集，将管线的FLID、start_usid对应的FNID和end_usid对应的FNID提取出来所形成的数据集构造为线编号-上游节点编号-下游节点编号的拓扑表，即形成的管渠-节点拓扑关系表，将管渠-节点拓扑关系表采用节点索引的分支管段拓扑结构表示法构造构造管网的管段分支集合和特殊节点集合，形成管段分支/多通节点集合toplogy；
每个分支用一个分支数组来表示，分支数组的第一个数为分支终端节点编号，最后一个数为分支始端节点编号，中间的数为分支的管段编号，按照从下游往上游进行追溯的顺序排列。分支branch[i]＝[分支终端节点编号,管段1编号,管段2编号,……管段n-1编号,管段n编号,分支始端节点编号]，所有的分支数组形成管段分支/多通节点集合topology，管段分支/多通节点集合topology＝{branch[1],branch[2],……branch[m-1],branch[m]}。
其中，将分支始端节点是管网始端节点且分支管段数小于等于2的管段先排除在外，其余的管段被认为是主干管或干管。始端非干管管段共计319根，主干管或干管共计265根。求出265根干管的分支集合，共计41个分支。
如图2-3所示，管段分支/多通节点集合toplogy包括以下步骤：
11)遍历所有管段，判断管段i的下游节点是否是末端节点，若是则进入步骤12)，若不是再判断管段的下游节点是否是多通节点，若是则进入步骤13)，若也不是多通节点则继续进入下一根管段，令i＝i+1，重复步骤11)，直到所有管段被遍历；
12)将管段的下游节点和管段i的编号添加到分支t中，将管段的下游节点编号添加到管网终端节点集合endnodeset中并进入步骤14)，通过函数迭代完成分支t；
13)将管段的下游节点和管段i的编号添加到分支t中，将管段的下游节点编号添加到多通节点集合nodeset中并进入步骤14)，通过函数迭代完成分支t；
14)通过函数迭代完成管段分支t：向上寻找管段i的上游管段，将管段编号依次添加到分支t中，直到遇到多通节点或分支始端节点，将分支的最后一根管段的编号和管段的上游节点的编号添加到分支t中，将上游节点的编号添加到分支始端节点编号的集合beginnodeset0中，迭代结束。令t＝t+1，i＝i+1，进入步骤11)；
15)提取管网终端节点集合endnodeset、分支始端节点集合beginnodeset0、多通节点集合nodeset中的唯一不同的值，用分支始端节点集合和多通节点集合做差值，得到管网始端节点集合beginnodeset。
步骤2)、拓扑检测与修复：如图1所示，将步骤1)得到的预处理文件输入ArcGIS的拓扑工具箱中进行拓扑规则验证和处理，首先在ArcGIS中创建拓扑并添加拓扑规则，制定的拓扑规则如表1所示，同时将管渠/节点合并数据集导入到SQL Server数据库中编写规则来查询和修复拓扑异常，具体为进行拓扑验证后得到拓扑异常，对上述拓扑异常进行核对后，删除重复的管段、重复和孤立的节点。因管段端点位置错误造成的节点孤立和管段端点缺失节点的情况，在ArcGIS中调整管段端点位置。
表1拓扑规则和拓扑异常情况
Figure BDA0002641173510000091
在SQL Server中编写查询与修正规则检测排放口和管段反向问题。判断某个下游节点是否为出水口或排放口的依据是：若某个管段的下游节点不为任意管段的上游节点，则它可能为出水口或排放口。判断管段是否反向的思路是：判断某个管段的起点是否只为其他一根或多根管段的起点，不是任意管段的终点，且它的终点是否只为其他一根或多根管段的终点，不是任意管段的起点。据此找出案例管网中排放口共计11个；案例中无管段反向。
借助ArcGIS的“拓扑”工具箱，为排水管网中的点和线要素建立合理的空间规则，并在错误检查器中选中错误的管线或节点批量修复或逐一检查再修复。同时采用MATLAB与结构化查询语言(Structured Query Language,SQL)联合使用的方式来检测与修复排水管网拓扑结构：将ArcGIS中的排水管网数据导入到SQL Server的表中，再在SQL Server中编写查询与修正规则检测与修复拓扑异常，最后将标记或修复后的管网数据重新写成.shp文件，以便在ArcGIS中查看和进行可视化编辑。
步骤3)、基于Jaccard相似系数矩阵的排水管网属性项半自动归类与修复：如图4所示，将步骤1)得到的管渠/节点合并数据集作为原始数据，根据Jaccard相似系数矩阵的属性项半自动分类方法，利用Jaccard相似系数矩阵的相反数计算各文本属性间的距离，形成距离矩阵J，再根据文本距离和阈值的关系对文本进行归类，形成分类矩阵C，结合人工调整实现排水管网管渠/节点合并数据集的属性项半自动归类与修复；人工调整包括编写控制距离(阈值)进行分类的修复规则、按照分类修改数据和在ArcGIS属性查找和替换属性，最终得到管渠/节点合并数据集的属性项半自动归类与修复处理后的数据。
具体包括以下步骤：
31)针对预处理文本，剔除某一属性项
Figure BDA0002641173510000102
中的重复值，保留唯一值形成一组新的数据TA＝{da1，da2，da3…，daN}，计算dai在TAraw中出现的概率pi，按照文本出现的概率从大到小排序，得到两组相互对应的数据{p1，p2，p3，…，pN}和{da1，da2，da3…，daN}，M表示属性项的总个数，N表示保留唯一值后的文本的个数；
32)根据Jaccard相似系数矩阵的相反数计算不同文本之间的1-gram距离Ji,j：
Figure BDA0002641173510000101
式中，Li表示文本dai的字符个数，Lj表示文本daj的字符个数，
Figure BDA0002641173510000103
表示dai于daj两文本中相同的字符个数；
Ji,j是对Jaccard相似系数的稍加变形。Ji,j∈[0，1]，当Ji,j＝0时，dai跟daj相同，两文本的距离最小，当Ji,j＝1时，dai跟daj的距离最大，它们没有共同的字符。单个汉字和单个字母的字符个数均按1计算，不考虑字符出现的顺序；
33)由Ji,j形成距离矩阵J，J(i,j)表示dai跟daj的1-grams距离，为避免重复计算，只计算距离矩阵J的上三角数据，距离矩阵J的对角线数值全部为零；
34)根据距离矩阵J，将1-gram距离小于某一阈值limit的两文本划分为同一类别。从da1遍历到daN，若dai未被分类，则将dai划分为一个新的类别，当Ji,j<limit时(j＝i+1,i+2……N)，将daj分到dai同一类别中；若文本dai已经被划分，则直接对下一文本dai+1进行分类；分类矩阵具有以下特点：C1,1＝da1，处于分类矩阵同一行的文本为同一类别，同一行中越是排在前面的文本出现的频率越大，分类矩阵的行数等于类别数目，对分类矩阵C进行人工调整，确保分类准确；
35)按照分类修改属性项数据：根据调整后的分类矩阵C'，当原始属性数据
Figure BDA0002641173510000111
且i≠1时，将
Figure BDA0002641173510000112
修改为C'1,j。
本实施例中仅需对管材进行属性归类，其他属性项较为准确，管材的调整后分类矩阵见图8。
步骤4)、异常管径数据检测与修复：如图5所示，将步骤1)中得到的管渠-节点拓扑关系表中的明显异常的无效管径置零，再根据基于规则的上下游管径值填充方法填充所有的零/空管径，进行异常管径数据的检测与修复，可通过输入参数控制管径填充的方案，同时也可以识别单根孤立空管段和删除始端空管渠；
其中，基于规则的上下游管径值填充方法被写成一个函数：
[H,ifup,tick]＝GetH(t,H0set,FL_Q,ifupprior,ifdel,Nmax)
函数的输入参数有：临时变量t(表示第t根缺失管径的管段，将从1循环到缺失管径的管段总数)、缺失管径的管段集合H0set(存储缺失管径管段的编号)、管段数据FL_Q(存储所有管段及其上下游节点的编号和管段对应的管径值)、决定填充上游或下游管径的参数ifupprior、决定是否删除管网始端管段的参数ifdel、孤立管段的填充值Nmax。输入参数值的设置说明见表2。
表2输入参数设置说明
Figure BDA0002641173510000121
函数的输出参数有：管径填充值H、记录返回的管径值是上游还是下游管径的参数ifup、记录管段的上游或下游管段的总数tick。输出参数值的设置说明见表3。
表3输出参数值说明
H ifup tick 描述
上游最大管径 0 >0 上游有管段，上游管段数为tick
下游最小管径 1 >0 下游有管段，下游管段数为tick
Nmax -1 ＝0 上下游都没有管段，孤立管段
0 -1 >0 上下游管径都是空值
-1 -1 >0 标记优先被删除的管网始端空管段
当返回的管径值为零时，此时管网中至少存在两条连续的缺失管径管道，这种情况通过二次填充可以解决。当管段中存在三条连续的缺失管径管段时，三次填充可以解决问题。
本实施例中没有异常管径，共有六根零管径。参数设置：ifdel＝1，ifupprior＝0，Nmax＝9。不删除始端不重要的空管段，优先填充上游管径，孤立管段标记为9。填充结果见表4、图10。
表4空管径填充结果
管段编号 1417 1552 79937 81397 79263 81146
管径参考值 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4
。
步骤5)、异常高程检测与修复：将步骤1)中得到的管段分支/多通节点集合中的分支管段的管顶高程数据基于最小二乘法进行处理，将高程偏离拟合曲线较多的高程点检测为异常管顶高程数据，形成管段分支高程数据；基于规则修改上游管段高程数据，修正高程的参考值为曲线上对应的函数值，形成多通节点高程数据；再对多通节点高程数据基于管渠和检查井高程的衔接关系，通过判断规则检测和修复多通节点处的高程异常和检查井底的高程异常。
分支管段高程异常值的检测是基于最小二乘法的，首先对管顶高程做曲线拟合，然后根据拟合曲线的置信区间确定异常高程点。具体包括以下步骤：
51)如图6所示，根据步骤1)得到全部管段的分支集合topology，对每个分支上各根管段的下游(或上游)高程做直线拟合或二次曲线拟合，当分支仅有一根管段时，不做操作，将在多通节点集中对其高程进行判断和处理；当分支为两根管段时，对其作线性拟合；当分支数大于等于三根时，对其做二次曲线拟合。然后做出曲线的50％置信区间，或根据实际管网情况调整置信度；
52)超出置信区间的管段上游和下游高程将被认为可能是错误的，修正高程的“参考值”为拟合曲线上的对应点的函数值。对于一些复杂的错误情况，对分支拟合、修正一次后，再次对其进行拟合、修正处理，可使管段高程数据趋于正常；
如图7所示，在判断多通节点处的管段高程时，首先求出节点下游的最小管底高程，若：上游管段下游管底标高≤下游管段上游管底最小标高-上游管段直径，则认为管段高程有误。修改不满足要求的管段高程：上游管段下游管底标高＝下游管段上游管底最小标高+下游管段管径-上游管段直径；
如图8所示，检测检查井井底高程时，考虑到实际管网中连接情况的多样性，通过控制：井底标高≤下游管段上游管底标高；井底标高≤上游管段下游管底标高，两个条件来控制检查井井底高程的正确性。若不满足上述两条件，则认为检查井井底标高有误，此时修正井底高程，使其等于下游管段上游管底标高和上游管段下游管底标高中的最小值，即：井底标高＝min(上游管段下游管底高程，下游管段上游管底高程)。
本实施例中，如图11所示，步骤51)-52)中分支高程检查：对主干管分支管道作曲线拟合，共计49个主管段的上游高程和43个主管段的下游高程需被修正，将分支拟合曲线上的点作为修正高程值的推荐值。
步骤53)中多通节点的上游管道中共计16根管道的下游高程不符合排水管道的连接规则，推荐修改的高程值是将这些管道的下游管顶高程修改为下游管道的最小管顶高程。
步骤54)中检查井高程检查：共计17个检查井井底高程不符合检查井的设计规则，将检查井井底高程修改为下游管道最小管底高程。
本发明首先对排水管网GIS数据进行预处理，将排水管网表示成分支集合的形式，然后在ArcGIS“拓扑”工具箱中和在数据库软件中编写查询与修复规则处理拓扑异常。就文本属性项异常问题、管径异常问题、和高程异常问题，分别提出了基于Jaccard相似系数的属性项半自动分类方法、提出了基于规则的上下游管径填充法、以及基于最小二乘法的分支管段异常高程检测与修复方法。基于上述方法采用MATLAB语言开发了排水管网异常数据检测与修复程序，将方法应用在算例管网上，结果表明方法能有效识别拓扑、属性项、管径和高程异常，并为属性项提供修正策略、为管径和高程提供合理的修正参考值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，用于实现排水管网GIS数据的异常检测与修复，所述方法包括以下步骤：
1)GIS数据收集与整理：收集排水管网GIS数据，对一定错误或缺陷的排水管网GIS数据进行预处理，形成尾缀为.shp的预处理文件，将全部管段和节点数据整合成线、点两个数据集，形成管渠/节点合并数据集，将所述数据集构造形成管渠-节点拓扑关系表，将所述管渠-节点拓扑关系表采用节点索引的分支管段拓扑结构表示法构造形成管段分支/多通节点集合；
2)拓扑检测与修复：将所述步骤1)得到的所述预处理文件输入ArcGIS的拓扑工具箱中进行拓扑规则验证和处理，同时将所述管渠/节点合并数据集导入到SQL Server数据库中编写规则来查询和修复拓扑异常；
3)基于Jaccard相似系数矩阵的排水管网属性项半自动归类与修复：将所述步骤1)得到的所述管渠/节点合并数据集作为原始数据，根据Jaccard相似系数矩阵的属性项半自动分类方法，利用所述Jaccard相似系数矩阵的相反数计算各文本属性间的距离，形成距离矩阵，再根据文本距离和阈值的关系对文本进行归类，形成分类矩阵，结合人工调整实现排水管网所述管渠/节点合并数据集的属性项半自动归类与修复；
4)异常管径数据检测与修复：将所述步骤1)中得到的所述管渠-节点拓扑关系表中的明显异常的无效管径置零，再根据基于规则的上下游管径值填充方法填充所有的零/空管径，进行异常管径数据的检测与修复，可通过输入参数控制管径填充的方案，同时也可以识别单根孤立空管段和删除始端空管渠；
5)异常高程检测与修复：将所述步骤1)中得到的所述管段分支/多通节点集合中的分支管段的管顶高程数据基于最小二乘法进行处理，将高程偏离拟合曲线较多的高程点检测为异常管顶高程数据，形成管段分支高程数据；基于规则修改上游管段高程数据，修正高程的参考值为曲线上对应的函数值，形成多通节点高程数据；再对所述多通节点高程数据基于管渠和检查井高程的衔接关系，通过判断规则检测和修复多通节点处的高程异常和检查井底的高程异常。
2.根据权利要求1所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，所述步骤1)中的节点索引的分支管段拓扑结构表示法构造形成管段分支/多通节点集合中每个分支用一个分支数组来表示，所述分支数组的第一个数为所述分支终端节点编号，最后一个数为所述分支始端节点编号，中间的数为所述分支的管段编号，按照从下游往上游进行追溯的顺序排列。分支branch[i]＝[分支终端节点编号,管段1编号,管段2编号,……管段n-1编号,管段n编号,分支始端节点编号]，所有的分支数组形成所述管段分支/多通节点集合topology，所述管段分支/多通节点集合topology＝{branch[1],branch[2],……branch[m-1],branch[m]}。
3.根据权利要求1所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，所述步骤1)构造管段分支/多通节点集合topology包括以下步骤：
11)遍历所有管段，判断管段i的下游节点是否是末端节点，若是则进入步骤12)，若不是再判断管段的下游节点是否是多通节点，若是则进入步骤13)，若不是多通节点则继续进入下一根管段，令i＝i+1，重复所述步骤11)，直到所有管段被遍历；
12)将管段的下游节点和管段i的编号添加到分支t中，将管段的下游节点编号添加到管网终端节点集合endnodeset中并进入步骤14)，通过函数迭代完成分支t；
13)将管段的下游节点和管段i的编号添加到分支t中，将管段的下游节点编号添加到多通节点集合nodeset中并进入步骤14)，通过函数迭代完成分支t；
14)通过函数迭代完成管段分支t：向上寻找管段i的上游管段，将管段编号依次添加到分支t中，直到遇到多通节点或分支始端节点，将分支的最后一根管段的编号和管段的上游节点的编号添加到分支t中，将上游节点的编号添加到分支始端节点编号的集合beginnodeset0中，迭代结束；令t＝t+1，i＝i+1，进入所述步骤11)；
15)提取管网终端节点集合endnodeset、分支始端节点集合beginnodeset0、多通节点集合nodeset中的唯一不同的值，用分支始端节点集合和多通节点集合做差值，得到管网始端节点集合beginnodeset。
4.根据权利要求1所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，所述步骤3)的基于Jaccard相似系数矩阵的排水管网属性项半自动归类与修复的步骤包括：
31)针对所述预处理文本，计算某一属性项
Figure FDA0002641173500000031
Figure FDA0002641173500000032
中独立文本dai出现的概率pi并从大到小排序，得到两组相互对应的数据{p1，p2，p3，…，pN}和{da1，da2，da3…，daN}；其中，所述M为所述属性项的总个数，所述N为保留唯一值后的所述文本的个数；
32)根据Jaccard相似系数矩阵的相反数计算不同所述文本之间的1-gram距离Ji,j；
33)由Ji,j形成距离矩阵J，J(i,j)表示dai跟daj的1-grams距离，为避免重复计算，只计算所述距离矩阵J的上三角数据，所述距离矩阵J的对角线数值全部为零；
34)根据距离矩阵J，将1-gram距离小于某一阈值limit的两文本划分为同一类别，形成分类矩阵C，对所述分类矩阵C进行人工调整，确保分类准确；
35)按照分类修改属性项数据：根据调整后的分类矩阵C'，当原始属性数据
Figure FDA0002641173500000033
且i≠1时，将
Figure FDA0002641173500000034
修改为C'1,j。
5.根据权利要求4所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，不同所述文本之间的1-gram距离Ji,j计算公式为：
Figure FDA0002641173500000041
其中，所述Li为所述文本dai的字符个数，Lj为所述文本daj的字符个数，所述
Figure FDA0002641173500000042
为所述文本dai与所述文本daj两文本中相同的字符个数。
6.根据权利要求4所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，所述分类矩阵C的构造方式为：根据所述距离矩阵J，将所述1-gram距离小于某一阈值limit的两文本划分为同一类别；
从da1遍历到daN，若dai未被分类，则将dai划分为一个新的类别，当Ji,j<limit时(j＝i+1,i+2……N)，将daj分到dai同一类别中；若文本dai已经被划分，则直接对下一文本dai+1进行分类，设置C1,1＝da1，处于分类矩阵同一行的文本为同一类别，同一行中越是排在前面的文本出现的频率越大，所述分类矩阵C的行数等于类别数目，对分类矩阵C进行人工调整，确保分类准确。
7.根据权利要求1所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，所述步骤4)中，基于规则的上下游管径值填充方法被写成一个函数：
[H,ifup,tick]＝GetH(t,H0set,FL_Q,ifupprior,ifdel,Nmax)
所述函数的输入参数有：临时变量t、缺失管径的管段集合H0set、管段数据FL_Q、决定填充上游或下游管径的参数ifupprior、决定是否删除管网始端管段的参数ifdel、孤立管段的填充值Nmax；
所述函数的输出参数有：管径填充值H、记录返回的管径值是上游还是下游管径的参数ifup、记录管段的上游或下游管段的总数tick。
8.根据权利要求1所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，所述步骤5)的管段分支/多通节点集合中的分支管段的管顶高程数据基于最小二乘法进行处理包括以下步骤：
51)根据所述步骤1)得到全部管段的管段分支/多通节点集合，对每个分支上各根管段的下游或上游高程做直线拟合或二次曲线拟合，并做出曲线的50％置信区间；
52)超出所述步骤51)的所述置信区间的管段上游和下游高程将被认为是错误的，将拟合曲线上的对应点的函数值作为修正后的高程的参考值。
9.根据权利要求8所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，所述步骤52)在判断多通节点处的管段高程时，首先求出节点下游的最小管底高程，若：上游管段下游管底标高≤下游管段上游管底最小标高-上游管段直径，则认为所述管段高程有误；修改不满足要求的所述管段高程，以满足以下条件：上游管段下游管底标高＝下游管段上游管底最小标高+下游管段管径-上游管段直径。
10.根据权利要求9所述的一种排水管网GIS异常数据检测与修复的方法，其特征在于，对所述多通节点高程数据基于管渠和检查井高程的衔接关系，通过判断规则检测和修复多通节点处的高程异常和检查井底的高程异常时，通过控制两个条件来检测所述检查井井底高程的正确性：井底标高≤下游管段上游管底标高；井底标高≤上游管段下游管底标高。若不满足两个条件，则认为检查井井底标高有误，此时修正井底高程：井底标高＝min(上游管段下游管底高程，下游管段上游管底高程)。
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